纖維素焊條國產(chǎn)化現(xiàn)狀及電弧吹力提升措施

朱官朋， 聶建航， 徐 飛， 王青云

（中國船舶集團(tuán)有限公司第七二五研究所， 河南 洛陽471023）

纖維素焊條因其具有單面焊雙面成形、 全位置立向下焊時(shí)操作簡便且施工效率高等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于石油輸送管線的焊接[1-3]。 纖維素焊條的另一特點(diǎn)是藥皮有機(jī)物及水分含量高， 導(dǎo)致熔敷金屬氫含量偏高， 因此適用于管徑較小、 鋼管強(qiáng)度級別較低、 低溫沖擊性能要求較低的管道焊接或是僅用來根焊[4-6]。 管道根焊技術(shù)采用纖維素焊條在施工效率和成本方面具有較大優(yōu)勢。 隨焊接技術(shù)的不斷發(fā)展， 自動化焊接技術(shù)逐漸在管道施工中應(yīng)用， 但受限于設(shè)備成本、 地理因素等條件限制， 使得纖維素焊條在管道施工中仍具有較好的市場前景。 但國產(chǎn)纖維素焊條與進(jìn)口焊條在焊接工藝方面仍有差距， 市場份額較低。 本研究介紹了纖維素焊條研制的技術(shù)難點(diǎn)， 總結(jié)了纖維素焊條的國產(chǎn)化概況， 結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)效果分析了電弧吹力的影響因素， 并在藥皮配方優(yōu)化試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從提高藥皮致密度、 避免套筒端部喇叭口狀膨脹、細(xì)化熔滴三個(gè)方面提高電弧吹力， 改善焊接工藝。

1 纖維素焊條國產(chǎn)化現(xiàn)狀

自20 世紀(jì)80 年代開始， 國內(nèi)開始了纖維素焊條的國產(chǎn)化研究[3]， 但直至今日， 國產(chǎn)纖維素焊條的市場占有比例非常小, 仍以進(jìn)口為主。 傳統(tǒng)電焊條制造過程中, 微晶纖維素是作為改善焊條壓涂性能的一種塑性材料而加入的， 由于加入量較少, 對壓涂性能影響不大。 但在纖維素焊條中， 為保證電弧吹力需加入大量的纖維素， 加入比例占配方質(zhì)量的30%～45%， 且纖維素密度小、 體積大、 吸水膨脹明顯， 在濕混攪拌后，藥粉粘滯， 流動性較差， 焊條表面易出現(xiàn)毛絮現(xiàn)象， 嚴(yán)重影響焊條表面質(zhì)量。 由于纖維素含量較高， 使得纖維素焊條在烘焙工藝方面與傳統(tǒng)焊條有較大差別， 烘焙溫度一般在100～150 ℃， 烘焙溫度偏高會造成纖維素失水碳化， 惡化焊接工藝； 烘焙溫度過低， 水玻璃固化程度弱， 降低藥皮強(qiáng)度， 焊條藥皮易剝落， 如圖1 所示。 這些因素均加大了纖維素焊條的研制難度。

圖1 纖維素焊條藥皮剝落現(xiàn)象

目前， 在管道施工建設(shè)中使用的纖維素焊條仍以進(jìn)口為主。 近年來， 隨著國產(chǎn)纖維素焊條的技術(shù)提升及進(jìn)步， 國產(chǎn)纖維素焊條焊接工藝已經(jīng)得到較大的提高， 焊條焊縫金屬力學(xué)性能均達(dá)到了進(jìn)口焊條的水平， 但在焊接工藝性能方面仍存在明顯差距。 由于目前國內(nèi)該類產(chǎn)品存在電弧吹力和電弧挺度不足、 飛濺和氣孔敏感性比較大等問題， 使得焊工操作時(shí)對焊縫金屬鐵水流動控制難度增大， 同時(shí)， 焊條表皮質(zhì)量差， 特別是頭尾的磨削質(zhì)量不高。 為了詳細(xì)了解國產(chǎn)纖維素焊條與國外焊條工藝性的差異， 筆者對一些國內(nèi)外纖維素焊條的焊接工藝性能進(jìn)行了對比， 結(jié)果見表1。 焊接試樣采用V 形坡口，焊接位置為全位置， 每種焊條隨機(jī)抽取5 根，對焊接工藝各項(xiàng)指標(biāo)的優(yōu)劣進(jìn)行打分， 工藝越好得分越高。

從表1 可以看出， 國產(chǎn)纖維素焊條的普遍問題是電弧吹力不足， 而電弧吹力大小是體現(xiàn)纖維素焊條操作工藝性能優(yōu)劣的重要因素[11]， 這一問題使得國產(chǎn)纖維素焊條在管道焊材市場中難以占有一席之地。 以中船重工七二五所研制的SRE6010為例， 該焊條在耐燒性、 抗氣孔性、 單面焊雙面成形等方面均與進(jìn)口焊條相當(dāng)， 但在電弧吹力方面與進(jìn)口焊條有明顯差距， 這嚴(yán)重影響了該焊條在管道焊材領(lǐng)域的推廣和使用。 因此， 提高電弧吹力成為纖維素焊條國產(chǎn)化的關(guān)鍵。 劉瞿等[12-14]對纖維素焊條進(jìn)行了工藝優(yōu)化與改進(jìn)， 采用漢諾威分析儀對焊接電弧進(jìn)行了評價(jià)， 并采用優(yōu)化設(shè)計(jì)對配方進(jìn)行了改進(jìn)， 將藥皮含水量控制在合理范圍內(nèi)， 在一定程度上改善了纖維素焊條的焊接工藝性能， 但在電弧吹力方面仍與進(jìn)口焊條存在一定的差距。

表1 不同纖維素焊條工藝性能對比結(jié)果 （10 分制）

2 電弧吹力的影響因素

影響電弧吹力的因素主要有三個(gè), 電弧中分解產(chǎn)生的氣體、 電弧能量和焊條套筒[15]。 普通焊條電弧吹力主要來自碳酸鹽的分解， 但纖維素焊條電弧中的氣體主要來源是有機(jī)物、 碳酸鹽、 水分的分解。 為確保焊條電弧具備一定的吹力， 纖維素焊條藥皮中含有大量的氫， 焊接后熔敷金屬中氫含量較高， 從而無法滿足高強(qiáng)度管線鋼的強(qiáng)韌性要求。 而熔敷金屬氫的來源主要是藥皮中有機(jī)物， 含水量的變化對熔敷金屬氫含量的影響不大。 經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)研究表明， 僅依靠有機(jī)物、 碳酸鹽分解的氣體來提高電弧吹力是不夠的， 還需藥皮中的水分輔助來達(dá)到電弧吹力的提高， 究其原因是由于藥皮中的水分在電弧高溫下分解出的氫和氧， 有效增大了電弧吹力。 然而， 藥皮含水量與電弧吹力之間影響關(guān)系的大量試驗(yàn)表明， 含水量在2%～7%內(nèi)有提高電弧吹力的作用， 但效果微弱， 且含水量在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用過程中不易控制， 質(zhì)量穩(wěn)定性難以保證。

電弧能量的增加主要是增加電弧反應(yīng)熱, 即通過強(qiáng)氧化劑 （Fe3O4）， 造成電弧氣氛的強(qiáng)氧化-還原性。 為了提升電弧吹力， 研究了一系列強(qiáng)氧化性物質(zhì)如高鐵酸鈉、 高錳酸鉀、 磁鐵礦等的影響，但效果均不理想， 對電弧吹力影響不顯著。

圖2 不同纖維素焊條燃燒后套筒形貌對比

采用表2 參數(shù)對國產(chǎn)S#焊條與進(jìn)口焊條F#進(jìn)行對比焊接試驗(yàn)。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)自制焊條S#在電弧燃燒時(shí)可觀察到套筒明顯膨脹呈喇叭口狀， 而進(jìn)口焊條F#無此現(xiàn)象， 焊條燃燒后套筒形貌如圖2 所示。

表2 試驗(yàn)用焊接參數(shù)

針對以上現(xiàn)象， 采用Quanta650 FEG 掃描電子顯微鏡對S#與F#焊條藥皮進(jìn)行了對比觀察，結(jié)果如圖3 所示。 從圖3 可以明顯看出， S#焊條表面具有較多孔洞， 而F#焊條表面平整， 無明顯孔洞缺陷， 說明國產(chǎn)焊條藥皮具有較多孔洞缺陷， 這些缺陷嚴(yán)重影響了藥皮的致密度。

圖3 不同纖維素焊條藥皮表面對比

通常， 對于纖維素焊條的電弧特性分析采用漢諾威分析儀， 主要是通過短路過渡的頻次來表征熔滴大小， 短路過渡頻次越低， 表明噴射過渡所占比重越大， 則焊接工藝越優(yōu)良。 對于F#、 S#焊條的電弧特性情況， 采用漢諾威焊接質(zhì)量分析儀采集的數(shù)據(jù)如圖4 所示。 由圖4 可見， S#焊條的短路過渡頻次明顯高于F#焊條， 由此表明國產(chǎn)焊條熔滴偏大， 噴射過渡頻次偏低。

由以上試驗(yàn)分析可知， 喇叭口狀套筒的出現(xiàn)在焊接過程中會影響電弧的集中度， 由此而對電弧穿透力造成較大的影響， 焊接時(shí)焊條套筒越長， 越有利于束縛氣體流動方向和增加電弧挺度， 而細(xì)化熔滴、 減少熔滴在焊條端頭停留時(shí)間也有助于增加套筒長度。 因此， 提高電弧吹力的關(guān)鍵措施應(yīng)當(dāng)是改善焊接套筒， 提高藥皮致密度和避免套筒呈喇叭口狀膨脹。

圖4 不同纖維素焊條電弧電壓、焊接電流波形圖對比

3 改善效果與分析

根據(jù)以上分析， 從提高藥皮致密度、 避免套筒端部喇叭口狀膨脹、 細(xì)化熔滴3 個(gè)方面分別進(jìn)行試驗(yàn)， 優(yōu)化藥皮配方， 主要是嘗試不同組分并確定其最佳含量， 在此過程中進(jìn)行了大量 配 方 調(diào) 試 ， 最 終 分 別 試 制 了S1#、 S2#、 S3#焊條。

3.1 藥皮孔洞缺陷的消除

為消除焊條藥皮孔洞缺陷， 需確保藥粉混合均勻。 因藥皮中含有大量纖維素， 而纖維素易團(tuán)聚， 因而濕混時(shí)粉料的粘度和濕度影響粉料的均勻性。 而水玻璃的的模數(shù)和濃度對表面質(zhì)量有重要影響， 在高纖維素的生產(chǎn)涂壓過程中, 焊條表皮經(jīng)過了不同程度的吸水膨脹和烘干收縮過程。 試驗(yàn)表明， 在相同水玻璃濃度下， 模數(shù)越高， 堿金屬正離子越少， 水化作用越小， 水玻璃中的游離水就越多, 纖維素吸水膨脹, 烘干收縮的幅度就越大， 干燥后外徑就越小， 藥皮易開裂或出現(xiàn)微裂紋。 水玻璃的濃度較低時(shí)， 水玻璃中的游離水較多， 纖維素易吸水膨脹， 粉料粘性下降， 壓涂的焊條表面疏松； 水玻璃的濃度較高時(shí)， 濕混時(shí)粉料不易混合均勻且濕混后粉料的流動性較差， 壓涂的焊條表面凹凸不平。 最終， 通過大量的試驗(yàn)總結(jié)出： 當(dāng)模數(shù)在2.0～2.6 時(shí), 焊條表皮光滑致密，濕藥粉粘性、 彈性和流動性最適合。

另外， 在以上基礎(chǔ)上在水玻璃中加入了表面活性劑， 通過增強(qiáng)濕混時(shí)粉料的濕度， 提高粉料的均勻性， 進(jìn)一步使水玻璃的固化特性得到改善， 固化強(qiáng)度得到提高。

在以上措施的綜合作用下， 壓涂了S1#焊條， 并采用Quanta650 FEG 掃描電子顯微鏡對藥皮表面進(jìn)行了觀察， 觀察結(jié)果如圖5 所示。從圖5 可看出， 藥皮孔洞缺陷出現(xiàn)了明顯的降低， 藥皮表面已無明顯的孔洞出現(xiàn)。 同時(shí)由表3可看出， S1#焊條電弧吹力有明顯改善， 但電弧挺度較差。

圖5 自制S1# 焊條藥皮表面形貌

表3 自制焊條工藝性能對比試驗(yàn)結(jié)果 （10 分制）

3.2 套筒端部喇叭口狀膨脹的改善

圖6 進(jìn)口F# 焊條和自制S2# 焊條燃燒后套筒對比

對于纖維素焊條來說， 由于其藥皮中存在大量的纖維素使藥皮具備了較大的彈性， 在焊接過程中， 藥皮在經(jīng)受電弧熱的同時(shí)又由于套筒內(nèi)部電弧和氣流的影響使其發(fā)生膨脹。 因此為了避免藥皮出現(xiàn)膨脹， 可提高藥皮強(qiáng)度， 使焊條藥皮在高溫條件下也不至于出現(xiàn)變形。 大量的試驗(yàn)表明，在配方中加入固化樹脂， 通過其固化作用， 可確保藥皮強(qiáng)度的提高。 針對以上問題， 在前期試制S1#焊條基礎(chǔ)上壓涂試制出S2#焊條， 其燃燒后的形貌如圖6 所示。 由圖6 可見， 試制的S2#焊條套筒端部已無明顯的喇叭口狀膨脹現(xiàn)象。 同時(shí)， 從表3 幾種焊條對比可見， S2#焊條電弧挺度得到明顯改善， 但其電弧吹力還不如S1#焊條。

3.3 熔滴細(xì)化

細(xì)化熔滴的主要途徑是降低界面張力， 通常方法是增加藥皮中氧化物的含量 （如石英）， 然而試驗(yàn)研究表明， 在纖維素焊條中此方法對細(xì)化熔滴無明顯效果。 經(jīng)查閱資料并結(jié)合焊接原材料的粒度、 雜質(zhì)含量等特點(diǎn)， 采用低表面能材料 （如有機(jī)聚合物）， 以降低熔滴表面張力， 使熔滴細(xì)化。在S2#焊條基礎(chǔ)上， 通過大量試驗(yàn)， 得到了S3#焊條， 經(jīng)試焊后發(fā)現(xiàn)， S3#焊條的熔滴得到了明顯細(xì)化。 試制焊條電壓、 電流波形如圖7 所示， 由圖7可見， 短路過渡頻次與圖4 進(jìn)口焊條相當(dāng)， 說明熔滴得到細(xì)化。 焊接過程中粘條、 熄弧現(xiàn)象得到了明顯改善。 同時(shí)， 由表3 自制焊條工藝性能對比試驗(yàn)可以看出， 焊條套筒長度有所增加， 但電弧吹力和電弧挺度存在明顯不足。

以上措施對焊條焊接工藝均有一定的改善效果， 但每種措施均存在不足。 綜合3 種改善措施，在藥皮配方組分優(yōu)化的基礎(chǔ)上， 試制了S4#焊條，通過對其焊接工藝性能進(jìn)行試驗(yàn)打分 （表4） 可見， 所研制的纖維素焊條焊接工藝性能得到明顯優(yōu)化， 各項(xiàng)性能均與進(jìn)口焊條相當(dāng)。 S4#焊條熔敷金屬化學(xué)成分與力學(xué)性能見表5 和表6， 由表6 可以看出， S4#焊條熔敷金屬力學(xué)性能滿足AWS A5.1中E6010 的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 S3# 焊條電弧電壓、焊接電流波形圖

表4 自制S4# 焊條工藝性能試驗(yàn)結(jié)果 （10 分制）

表5 自制S4# 焊條熔敷金屬的化學(xué)成分 %

表6 自制S4# 焊條熔敷金屬的力學(xué)性能

4 結(jié) 論

（1） 國產(chǎn)纖維素焊條在焊接工藝性能方面與進(jìn)口焊條仍有差距， 主要表現(xiàn)為電弧吹力和電弧挺度不足。

（2） 藥皮致密度、 套筒端部喇叭口狀膨脹及熔滴大小對電弧吹力、 電弧挺度和套筒長度均有一定影響。

（3） 通過調(diào)整配方， 采用合適的水玻璃及固化樹脂、 低表面能材料， 實(shí)現(xiàn)了電弧吹力和電弧挺度的進(jìn)一步提升， 焊接工藝得到明顯改善。