保护药芯焊丝飞溅的形成机理及其影响因素

摘要：详细研究了自保护药芯焊丝飞溅的形成机理及其影响因素。高速摄影观察表

明，自保护药芯焊丝在焊接过程中的b溅主要有以下j种形式，电弧力引起的大颗粒飞

溅、气泡放出型飞溅和气体爆炸引起的飞溅。，通过混料【百I归试验分析了药粉中氟化物、

氧化物、碳酸盐、脱氧剂、台金元素对焊接飞溅的影响规律。结果表明，氟化物和碳酸盐

对b溅的影响较大，氧化物、脱氧剂和台金元素对飞溅的影响较小。

关键词：自保护药芯焊丝；飞溅；形成机理

中图分类号：1c422．3 文献标识码：A 文章编号：0253—3麟(00町)()8一l僻一05 l看J】

0 序言

焊接飞溅的大小足评定焊接材料工艺性能的一项重要指标，飞溅不仅污染环境及_[件，而且影响电弧的稳定性、降低熔敷效率，并增加焊上的劳动强度。自保护药芯焊丝是在没有外加气体保护下进行焊接的一种新型焊接材料，造气、造渣、脱氧、脱氮及合金化元素等药粉包在焊丝内部，在焊接过程中，造气剂存焊丝内部产生气体，使电弧内部气体压力过大，将金属熔滴推向外侧，增大飞溅。自保护药芯焊丝这种特殊的结构决定其b溅的产生机理与其它焊接材料差别较大，焊接过程中飞溅较严重。目前，对焊条“J、实心焊丝”J、气保护药芯焊丝”1等材料的飞溅问题已有了深入的研究，而对强碱性全位置白保护药芯焊丝的飞溅形成机理及影响因素的研究还较少见。文中利用高速摄影技术研究自保护药芯焊丝飞溅的种类和形成机理，以及药芯成分和焊接工艺参数对焊接飞溅的影响规律。

1高速摄影试验

试验材料是直径≠1．6 n，m的自保护药芯焊丝，焊接设备选用KFMPPI豫oMIG 500焊机，焊接工艺参数是焊接电流220 A；电弧电压24 v；焊丝伸出长度20 mm；极性为直流正接。高数摄影机的处理器是cODARK F．御cAM suPERlok，背景光源是氚灯。收稿日期：2006一∞一23

2试验与分析

2．1高速摄影试验结果通过高速摄影观察到的自保护药芯焊丝飞溅主

要有三种形式。

2．1 l电孤力引起的飞溅

这种飞溅是由于熔滴的表面张力较大和焊接区的电弧力较大引起的。熔滴的表面张力增大，熔滴在电弧空间能够长得较大，而较大的熔滴趋于产生较大的飞溅。电弧力是焊接电极表面形成的很大的机械力，电弧力往往给焊接带来困难。自保护药芯焊丝在焊接过程中产生的电弧力较

大，这是冈为：(1)自保护药芯焊丝的药芯中含有较

多的造气剂，在焊接过程中释放的气体形成气垫作

用托住熔滴，使熔滴上翘并形成缩颈，在电弧力的作

用下脱离焊丝底部；(2)自保护药芯焊丝使用直流

正接，焊丝作为阴极，正接时，阳离子对阴极斑点的

冲击力较大，电弧力比反接时大，对熔滴过渡的阻碍

作用更强。在电弧力的作用下，熔化金属在焊丝端

部摇摆不定，受力极不平衡，有时很大的熔滴会被强

大的电弧力排斥出来，以E溅的形式飞出。图1是

电弧力引起的飞溅的高速摄影照片，在183l和1832

幅照片中在焊丝端部形成一个熔滴；在1833幅时该

熔滴受到较大的电弧力，脱离焊丝端部；1834～1836

幅图中该熔滴向左l：方E出，形成大颗粒E溅。大

颗粒飞溅是在自保护药芯焊丝在焊接过程L}l普遍存

在的=(|Il象，增大熔滴表面张力(碱性氧化物cao，

M鲫，Bao)的物质，以及增大气体动力的物质(碳酸

万方数据

第8期潘川，等：自保护药芯焊丝飞溅的形成机理及其影响因素J09

盐、氧化物)都促使形成大颗粒飞溅。这种飞溅一般

位于焊缝阿侧不远的上件表面，清除比较闲难。

图1电弧力引起的飞溅

FIg．1 Spa怕r c嘲女ed by arc fonce

2．1．2气泡放出型飞溅

气泡放出型飞溅产生的示意图见图2“J。

存在于熔池内部的气泡上浮到熔池表面

(图2a，b)，在气泡爆破消失的同时产生柱状隆起体

(图2c，d)，隆起体根部在表面张力的作用下被拉回

母材，而尖端具有较高速度的部分脱离根部形成颗

粒而飞散出去(图2e)。

自保护药芯焊丝住焊接过程中空气很容易侵入

熔池，以及药芯成分在焊接过程中反应产生大量气

体，在熔池凝固时形成较多的气泡放出型飞溅。

图3是高速摄像中观察到的气泡放出型飞溅。其中

国3a是气泡在熔池中产牛时的b溅现象，374幅照

片在熔池中产生一个较小的隆起，375～376幅隆起

增大，377～379枉隆起上部产生一颗飞溅。图3b是

气泡在熔滴中产牛时的飞溅现象，1ll幅在熔滴上

产生隆起，l 12～“5隆起上形成飞溅并飞离熔滴。

样整个高速摄影过程中，气泡在熔池巾引起的飞溅

占绝大多数，而气泡在熔滴中引起的飞溅现象较少。

2 1．3气体爆炸引起的飞溅

气体爆炸引起的飞溅有两种形式，一种是在熔

图2气泡放出型飞溅示意图

F味2 F0呻呐p懒0fbubble release spatter

抽)飞溅在熔池中产牛

圈3气泡放出型飞溅

F目3 Bubble旧leaSe spa怕rs

㈣飞溅在熔滴上产生

万方数据

110 焊接学报第28卷

池中爆炸引起的b溅，见图4a，另一种是在熔滴过

渡过程巾在熔滴侧引起的飞溅，见同4b。熔池爆炸

引起飞溅的原因：(1)当自保护药芯焊丝配方不合

理时，会引起药芯成分的熔点高于钢带的熔点，使药

芯熔化滞后。图5是观察到的药芯滞熔的现象。在

发生严重滞熔时，药芯的熔化速度远远跟不上钢皮

的熔化速度，药芯会伸人熔池，在熔池中大块脱落的

药粉与金属液体之问发生激烈反应，引起严重的爆

炸飞溅和焊后夹渣。这种飞溅也’j气泡上浮和消失

有关，只是由于药粉直接进入熔池，反应较为剧烈，

在同一时刻、同～位置产生的气体更多，气体上浮形

成的柱状隆起也较多，一瞬间形成较多的飞溅。(2)

由短路过渡引起的爆炸飞溅，在短路过渡时，熔滴接

触熔池发生短路，熔滴内的气体发生爆炸而释放出

去，或者由于短路小桥在过热的状态下炸断都会产

生很强的金属蒸气的冲击力，引起熔池产生爆炸飞

溅。(3)短路过渡结束后，电弧重新引燃会对熔池

产牛较大的气流冲击力，使一部分熔池金属飞出熔

池，形成飞溅。熔滴中爆炸产生飞溅主要原因是，自

保护药芯焊丝药芯位于钢带内部，焊接过程中药粉

可能被金属液体包同，并在金属液体中发生反应，产

生的气体使内部气氛急剧膨胀，引起金属液体破碎，

产生爆炸现象而引起小颗粒飞溅，这种飞溅是由气体

动力g随j的，多发斗：在造气成分较多的药芯焊丝中。

两种爆炸b溅的高速摄像照片见图6，其中

图6a是熔池中爆炸引起的飞溅的高速摄影照片，在

885幅照片中电弧重新0i燃，887～890幅中观察

到人量的小颗粒飞溅快速由熔池飞出。图6b是熔

㈨焙池中爆炸引起的b溅

厨掣冒

(a】熔池中爆炸引起的飞溅

(1】)熔滴爆炸引起的飞溅

图4气体爆炸引起的飞溅的示意图

Fig．4 Spa札er cne删by g鹅bursl

图5药芯的滞熔现象

Flg．5 Delayed meIting

of flux

fb)熔滴爆炸引起的飞溅

图6气体爆炸引起的飞溅

Fig

6 Phalos 0f spaner crealed

by gas bu嘣

万方数据

第8期潘川，等：自保护药芯焊丝飞溅的形成机理及其影响因素111

滴侧爆炸引起飞溅的高速摄影照片，198～202幅中

看到熔滴发生爆炸产生大量飞溅。

2．2药芯成分对飞溅的影响

药芯成分能够影响电弧稳定性、熔滴表面张力、

化学冶金反应、气体动力及电磁收缩力，从而影响飞

溅的大小。为了考察药粉成分对焊接飞溅的影响，

用混料回归设汁建立飞溅率与药粉成分之间的关

系。试验中选取药芯中氟化物(z．)、氧化韧(z：)、

碳酸盐(己)、脱氧剂(五)、合金(z，)五种冈素，采用

混料回归设计中的极端顶点法和sPSs软件建立药

粉成分与焊接飞溅(1，)的数学模型为

y=29．256Zl+6．281 z2—22．218ZlZ4—

81．820邑五。(1)

从式(1)中呵以得出，飞溅率随着药芯中氟化

物、氧化物和碳酸盐的增多而增大，随着脱氧剂的增

多而减少，合金元素刘飞溅几乎没有影响。

根据同归方程，结合各因子的取值范围，町以推

断氟化物对飞溅的影响最大，碳酸盐的影响次之，脱

氧剂、氧化物和合金元素对E溅的影响较小。

2．2．1 氟化物对焊接飞溅的影响

一般来讲，药芯中加人的氟化物在=c!f!接高温的

作用下产生大量的气体，使电弧空间蒸气压增大，阻

碍熔滴过渡，促使熔滴长大，从而增大飞溅。I司时氟

能使电弧稳定性变差，所以在药芯中加入氟化物能

使焊接过程中飞溅增大。

氟化物种类对E溅也有一定影响，在自保护药

芯焊丝中加人的主要氟化物是氟化钡和氟化钙，调

整两种氟化物的配比，制作五种自保护药芯焊丝，这

五种焊丝中氟化钡和氟化钙的配比见表1。从l号

焊丝到5号焊丝，氟化钡加人量逐渐增多。

表1 五种焊丝中BaF2，caF2占氟化物的质量分数殛飞溅率

T曲Iel Ma鹃pencen【af BaR a州CaF2 nfIve wIres and

s∞廿erbse∞e什ieienI ofthem

药芯中加人氟化钡和氟化钙都能使焊接过程中

飞溅增大。从另一个角度讲，Ba和ca元素都是电

离电位较低的元素，在电弧空间有助于电弧的稳定

燃烧。Ba元素的电离电位(Ui)值为5．2l V，小于

ca元素的电离电位6．1lv，Ba比ca在电弧空间更

容易电离，能够使电弧更加稳定。

从表1对五种自保护药芯焊丝的飞溅率的测试

可知，随着BaR的用量增大会使焊接过程飞溅降

低。但是如果完全使用氟化钡也会产生如下两个问

题：(1)BaF2与A12 03，MgO形成高熔点渣，易于形成

灾清、小完全熔化等缺陷；(2)一些Ba的化合物会

产生有毒气体。为了补偿BaF，所带来的负面影响，

药粉中同时加入碱金属或碱土会属氟化物，例如

caF2和TJjF；或碱土金属氧化物和金属氧化物的复

合化合物。

2．2 2碳酸盐对飞溅的影响

在药芯焊鳇中加入碳酸钠和碳酸钾能够降低熔

滴的表面张力，使熔滴质量减小，并且缩短熔滴在电

弧区存在时问，从而减小飞溅。同时钾、钠元素的电

离电位很低，使电弧中气体的有效电离电位降低，促

使弧根扩展，使电磁收缩力的轴向分力变成推动熔

滴过渡的作用力。但是由于碳酸盐在电弧空间分解

形成大量的c嘎气体，对焊接熔滴产生气垫作用，

托住熔滴，阻碍熔滴过渡，使熔滴尺寸增大，焊接区

气体动力增大，飞溅增大。为了考察碳酸盐含量对

飞溅率的影响，自制r四种自保护药芯焊丝，焊丝中

碳酸盐的含量和飞溅率见表2，可见碳酸盐在含量

较少时能够很好地抑制飞溅的产生，但当碳酸盐用

量进一步增大，飞溅增大。该渣系碳酸盐用量在

0．5％～0．8％为。电。

表2碳酸盐对焊接飞溅的影响

T曲Ie 2 EffecI of ca咖ate on we蚓旧sp酣er

2．2．3氧化铁对飞溅的影响

自保护药芯焊丝中加入的氧化物主要是氧化

铁，其作用是为了改善渔的物理性能，改善焊缝成

形，使焊缝表面光清，增强渣保护效果，同时能够减

少氢气7L产生的倾向性。

氧化铁的加入量对预处理药粉的熔点影响较

大，所谓药粉的预处理是指将部分药粉混合存一起

后进行烧结，然后再破碎成所需要粒度的过程。预

处理药粉的熔点直接影响药芯的熔点，药芯的熔点

随着预处理药粉熔点的提高而提高。表3是通过半

球法测得的不同氧化铁加入量的五种配方预处理药

粉的熔点。从表3中可以看出，随着顶处理药粉中

氧化铁量的增多，预处理药粉熔点提高，使药芯的熔

点也随之提高，药芯滞熔严重，影响焊丝的导电性并

使电弧不稳定，从而增大b溅。

万方数据

112 焊接学报第28卷

表3 F岛q用量对预处理药粉熔点的影响

1曲|e3 Effed 0f

F眭q

c洲Ient

0nme|ting p0¨of prelrealed

comDounds

氧化铁含量(％) 17 5 13 75 11 5

熔点"口c 950 900 880 7如670

飞溅率(％) 16 13 7 12 2 10 5 8 3

种类主要有电弧力引起的飞溅、气泡放出型飞溅和

气体爆炸引起的飞溅。药芯成分通过影响熔滴的表

面张力、焊接区的气体动力等而影响飞溅的大小。

飞溅率随着药芯中氟化物、氧化物和碳酸盐的增多

而增大，随着脱氧剂的增多而减少，合金元素对飞溅

几乎没有影响。

另一方面，由于氧化铁在受热情况下极易分解，

分解方程为

参考文献

6F岛01=4Fb 04+02，【2)

2Fb 04=6F∞+q。(3)

分解产生的气体，也会引起飞溅量增多。

2 2．4脱氧剂和夸金元素对飞溅的影响

脱氧剂能够降低熔池中氧化铁的含量，从而减

少由于氧化铁产生的cO气体，有利于降低气泡逸

出型飞溅；合金元素对飞溅几乎没有影响。

3结论

[I J郭鸿年，王海葵碱件焊条飞溅与焊机动特性的芙系[J]焊

接学报，1991．12(2)：12l一128

[2]盂庆华，医智明降低cc)2气体保护焊飞溅的控制方法『J]

石油r程建设，20。2，28(4)：4J一43

[3]张文钺．许乇环，丁萍，等不锈钢cq气保护药芯焊丝b

溅产生机理及影响因素的研究[J]．焊接技术，1999(1)：2—4

：4]安藤弘半，长谷川咒雄焊接电弧现象【MJ施雨湘译，彭R

辉校北京：机械工业出版社，1985

作者简介：潘川，男，1967年出生，博土，教授。辛要从事药芯

自保护药芯焊丝的飞溅形成机理的特殊性是由焊丝的研发工作。发表沧文20余篇。

焊丝结构的特殊性引起的，自保护药芯焊丝飞溅的EmajI：Ⅲ如annm@蜥wm

万方数据

自保护药芯焊丝飞溅的形成机理及其影响因素

作者：潘川，喻萍，薛振奎，田志凌，PAN Chuan，YU Ping，XUE Zhenkui，TIAN Zhiling

作者单位：潘川,喻萍,田志凌,PAN Chuan,YU Ping,TIAN Zhiling(中国钢研科技集团公司,北京

,100081)，薛振奎,XUE Zhenkui(中国石油天然气管道局科学研究院,河北,廊坊,065000)

刊名：

焊接学报

英文刊名：TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION

年，卷(期)：2007，28(8)

被引用次数：0次

参考文献(4条)

1.郭鸿年.王海英碱性焊条飞溅与焊机动特性的关系1991(02)

2.孟庆华.区智明降低CO2气体保护焊飞溅的控制方法[期刊论文]-石油工程建设2002(04)

3.张文钺.许玉环.丁萍不锈钢CO2气保护药芯焊丝飞溅产生机理及影响因素的研究1999(01)

4.安藤弘平.长谷川光雄.施雨湘.彭日辉焊接电弧现象1985

相似文献(10条)

1.学位论文李再华微渣耐磨堆焊用自保护药芯焊丝的研制2006

本文在已有的埋弧堆焊用金属粉型药芯焊丝的基础上，研究了一类自保护药芯焊丝。这类药芯焊丝的研制克服了用埋弧堆焊滚筒带来的不方便，比

如焊剂的添加，焊后的层间去渣等。文章首选分析了“O”型截面对自保护药芯焊丝性能的影响，比如对包粉量的影响，对飞溅的影响等，并提出了减少

这种截面药芯焊丝对保护效果影响的措施和方法。因为我们研制的药芯焊丝是用于滚筒的耐磨堆焊，所以药芯中加入了大量的增加耐磨性的元素，比如

：C，Cr，W，Mo，B等等。这些用于增加硬度和耐磨性的合金占了整个药芯成分的70％以上，而我们用于包裹这些元素的是普通的没有自保护效果的优质

低碳钢带。所以怎样向药芯中加入各种产生保护效果的元素是我们研究的重点和难点。

研制这类药芯焊丝遇到的最大困难是飞溅，产生裂纹，有气孔，有时也遇到成形不好的情况。经过多次的试验和分析，我们决定采用两种方式来实

现自保护，因此研究出了2种配方的自保护药芯焊丝。向药芯中加入一定量的金属锰可以很好的脱氧，脱硫等，焊接飞溅，裂纹和气孔也能有效的防止并

且焊缝成形也比较好，但是金属锰是一种有毒的元素，对环境和人生安全造成一定的危害，所以我们尽量减少锰的含量而加入一些钛的合金。向药芯中

加入一定量的铝镁合金和氟化铝等盐也可以可以很好的脱氧，脱硫和脱氢等，能有效的防止各类焊接缺陷，但是铝的氧化物熔点高，不容易从熔池中浮

出来，所以易造成夹渣等，焊接裂纹产生的倾向比较大。为了减少氟和铝带来的不方便，我们向药芯中加入一定量的纯碱来稳定电弧等。为了得到更加

优良的自保护药芯焊丝，我们还向药芯中加入了稀土，铌铁等。通过硬度测试和耐磨性实验比较，两种配方的焊丝都可以满足产品对焊缝的主要功能指

标。通过对两种配方组织的光谱分析，扫描电镜分析和X射线衍射分析，从理论上解释了两种配方都可以满足焊缝主要功能指标的原因。

2.期刊论文李再华.张清辉.LI Zai-hua.ZHANG Qing-hui O型截面外形对自保护药芯焊丝焊接性能的影响-电焊机

2006,36(11)

针对自保护药芯焊丝O型截面的实际构造,详细阐述了外皮钢带搭接对电弧形状和熔滴过渡形式的影响结果,分析焊丝外皮钢带搭接可引起的如飞溅、

气孔等焊接缺陷的原因,并成功研制了一种性能良好的自保护药芯焊丝,提出了减少产生飞溅、气孔等焊接缺陷的措施.

3.期刊论文吴健.刘仁培.汪虎.张伟.史萌.Wu Jian.Liu Renpei.Wang Hu.Zhang Wei.Shi Meng 氟化物对自保护药

芯焊丝电弧稳定性的影响-焊接2009,""(12)

为了改善自保护药芯焊丝的焊接工艺性能,采用了高速摄影、水中收集熔滴、焊接飞溅测试等试验方法,研究了渣系组分中氟化物对自保护药芯焊丝

电弧稳定性的影响规律.研究结果表明:随着药芯中CaF2含量的增加,电弧形态由扩散型转变为集中型,电弧稳定性逐渐恶化;在药芯中用一部分的

Na2SiF6代替CaF2,可以提高电弧稳定性,改善工艺性能.综合考虑氟化物对电弧稳定性的影响,药芯中选用CaF2 45%～47%,Na2SiF6 3%～5%较为合适.

4.期刊论文张占伟.李午申.薛振奎.白世武.ZHANG Zhan-wei.LI Wu-shen.XUE Zhen-kui.BAI Shi-wu CeO2对自保

护药芯焊丝性能的影响-天津大学学报2009,42(6)

通过向BaF2-Al-Mg渣系自保护药芯焊丝药芯中加入稀土氧化物CeO2研究了CeO2对该渣系自保护药芯焊丝焊接工艺及熔敷金属低温冲击韧性的影响.研

究表明,用适量CeO2代替传统使用的MgO、A12O3加入到药芯中,经冶金反应生成铈铝复合氧化物CeA1O3,能够有效调整熔渣的物化性能,减小焊接飞溅,改善

熔渣覆盖和脱渣性;更为重要的是,以CeO2代替MgO、A12O3造渣,降低了熔敷金属中大尺寸AIN、MgO·A12O3等脆性夹杂物的含量,从而提高并稳定了自保护

药芯焊丝熔敷金属的低温冲击韧性.

5.学位论文肖兵管道全位置自保护药芯焊丝的研究2004

针对国外工业先进国家管道焊接施工己广泛采用优质、高效药芯焊丝半自动焊这一先进焊接技术的实际情况，为了赶上国外管道焊接施工的先进技

术水平，提高管道局管道焊接施工队伍的国际竞争力，中国石油天然气管道局从俄罗斯引进了一套药芯焊丝生产线，着手进行药芯焊丝的开发研究工作

。但该产品一直存在着焊接时熔渣下淌、飞溅较大、低温冲击值不稳定等质量问题。为了能生产出质量稳定、性能可靠的药芯焊丝，进行立项研究。

针对目前引进的俄罗斯管道全位置焊接自保护药芯焊丝的配方生产出的产品，进行调整研究，对配方进行优化，主要解决焊丝低温韧性的问题。

在药芯中，各种氟化物同时起到造气剂、造渣剂，因此近年来广泛研究不同氟化物的气体保护作用，认为BaF2、CeF2、LiF、K2ZrF6、Na2SiF6等氟

化物沸点低，易气化，对加强气体保护作用有良好的效果，同时对提高焊缝韧性有作用。但不宜过多，易造成电弧不稳与飞溅增多。在原有配方的基础

上，加入K2ZrF6、Na2SiF6，调整氟化物的加入量，得到减少Al-Mg合金，降低含铝量的效果。

焊接过程中，确认稀土有净化焊缝、变性夹杂和微合金化作用，有利于提高焊缝低温韧性、高温强度、耐蚀性等，但目前没有达到量化。用上述配

方为基础试验配方，分别添加不同量的稀土氟化物，进行熔敷金属焊接试验。针对目前引进的俄罗斯药芯焊丝直线拉拔式生产线，合理调整生产工艺

，确定生产质量保证体系、质量检验体系，满足工业化生产需要。

通过开展以上的研究工作，最终达到能生产出质量稳定、性能可靠、操作工艺性良好，适合于管道施工需要的合格的药芯焊丝产品。用国产自保护

焊丝取代进口的焊丝进行管道全位置焊接。

6.期刊论文李坤.张显辉.Li Kun.Zhang Xianhui LiF对自保护药芯焊丝电弧稳定性的影响-焊接2005,""(8)

采用AH XV电弧分析仪研究了芯料组成中LiF对自保护药芯焊丝焊接电弧稳定性的影响.研究结果表明,在自保护药芯焊丝中加入LiF,能够减小焊接电

流的波动范围,使焊接电弧的稳定性得到改善,但LiF的加入量应控制在合适的范围内,加入量太少稳弧作用不明显,加入量过多能导致焊接飞溅增大及由于

吸潮而带来的的气孔等问题.

7.期刊论文栗卓新.皇甫平.陈邦固.金立鸿自保护药芯焊丝熔滴过渡的控制-机械工程学报2001,37(7)

从药芯组成和焊接工艺两方面对自保护药芯焊丝熔滴过渡的影响进行了研究,对熔滴过渡的受力进行了分析,研究结果表明:适当增加气体动力即增大

药芯中C、O质量分数,添加表面活性剂可提高颗粒过渡、射滴过渡的比例.电流、电压主要影响作用在熔滴上的电弧力,电流增大短路非爆炸附渣过渡、短

路爆炸过渡及爆炸过渡的比例增大.电压增大使短路爆炸过渡、颗粒过渡、射滴过渡的比例增加.电流电压同样也对过渡时间有影响.而过渡时间对熔滴保

护效果以及飞溅大小有重要影响.

8.学位论文喻萍X70管线钢焊接用自保护药芯焊丝的研究2007

X70级别的管线钢最早在1970年用于长距离管线。在我国，从新疆塔里木盆地和陕西的鄂尔多斯盆地到东海岸的西气东输天然气管线工程中大量使用

了X70管线钢。在高压输油输气管线工程中使用高强度管线钢的优点是：能够节约材料(管壁厚减少)、减少运输重量和体积、焊接速度快、节省费用。在

X70管线钢中碳含量低于0.09％，并加入了多种合金元素以提高管线的强度和韧性。<br>　　

本文对X70大口径管线现场对接用自保护药芯焊丝进行了研究。所使用的X70管线钢厚度为14.6mm，直径为1016mm。焊前需要预热以防止氢致裂纹。打底

焊使用纤维素焊条。在中国石油天然气管道科学研究院进行焊接工艺和力学性能的评定，所有结果必须符合API1104和一些附加的标准。自保护药芯焊丝

的全位置焊接性、脱渣性、焊缝成形、飞溅率和焊接发尘量直接决定焊丝是否适合焊接X70管线钢。通过调整药芯成分和焊接工艺规范，制作出一种自保

护药芯焊丝，这种焊丝的工艺性能评定结果表明，该自保护药芯焊丝有好的全位置焊接性、好的脱渣性和电弧稳定性，较低的飞溅率和发尘量。为了防

止大气对焊接过程的危害，药芯中加入了大量造气剂和强脱氧脱氮元素Al，大量的A1存在于焊缝会对焊缝的韧性造成较大危害。焊缝的韧性很大程度依

赖于焊缝的含铝量和含碳量，合理调整药芯中的合金元素铝、碳含量能够有效的优化焊缝韧性：此外，药芯中还加入了一定量的稀土化合物，以改善夹

杂物的形貌和接头的韧性。力学性能试验包括强度试验、弯曲试验、冲击试验、硬度试验和刻槽锤断试验，所有试验结果均满足要求。其中接头的抗拉

强度为730～760MPa，-20℃冲击韧性平均值为125J。试验结果表明自制的自保护药芯焊丝能够应用于X70管线钢现场对接。焊缝中夹杂物的研究是利用

AXIOVERT40MAT光学显微镜、SISC-IAS8金相分析软件、S-4300扫描电镜和GENESIS能谱仪。夹杂物对强度和韧性的影响是显而易见的。焊接过程中氮气和

氧气与A1、Mg发生强烈反应形成铝镁尖晶石夹杂和氮化铝夹杂，夹杂物尺寸在0.5～2μm，这两种夹杂是焊缝中的主要夹杂物并对焊缝的冲击韧性产生影

响。在X70管线钢不同位置，夹杂物分布不同。在立焊位置夹杂物粗大，在平焊和仰焊位置夹杂物尺寸减少。研究还发现稀土化合物对铝镁尖晶石夹杂有

球化作用，能够提高接头的冲击韧性。用扫描电镜观察拉伸试样断口时发现了20～100μm的大颗粒夹杂物，这种大颗粒夹杂来自未完全反应的药芯组分

和小尺寸夹杂的相互碰撞。<br>　　

本文对焊缝和热影响区的微观组织进行了分析。X70接头焊缝中微观组织有针状铁素体、块状铁素体、先共析铁素体和贝氏体，在热影响区粗晶区没有

发现魏氏组织。在低碳钢母材焊缝中，由于焊接过程热输入高，在热影响区发现了粗大的魏氏组织。焊缝柱状晶区和HAZ粗晶区的主要组织是贝氏体。在

焊接接头中获得贝氏体组织，使这种自制自保护药芯焊丝能够符合规定的力学性能的要求。我国对能源的需求增长很快，管线工程的发展刺激了管线钢

和焊接材料的发展。X70高压输油输气管线钢在中国的成功应用，迫切需要开发自主产权的焊接工艺和力学性能优良的自保护药芯焊丝。国内对自保护药

芯焊丝曾经做过一些研究，但始终没有自己品牌的产品。所以，下一步的工作是如何将研究成果转化成产品，这需要更多的努力。

9.期刊论文潘川.喻萍.田志凌.薛振奎.PAN Chuan.YU Ping.TIAN Zhilin.XUE Zhenkui 自保护药芯焊丝焊接X70管

线钢接头力学性能和微观组织特点-焊接学报2007,28(11)

对X70大管径管线钢焊接用自保护药芯焊丝进行研究.并进行焊接工艺和力学性能的评定,以确定其现场的焊接性,所有结果符合美国石油行业标准

API1104《管道及有关设施的焊接》和一些附加的国内标准.结果表明,自制的自保护药芯焊丝有较好的全位置焊接性、良好的脱渣性和电弧稳定性,较低

的飞溅率和发尘量.接头的抗拉强度为730～760MPa,-20℃冲击吸收功为125J.表明自制的自保护药芯焊丝能够在焊接X70管线钢时获得合格的接头.X70接

头焊缝中微观组织有针状铁素体、块状铁素体、先共析铁素体和粒状贝氏体,在热影响区粗晶区没有发现魏氏组织.焊缝柱状晶区和HAZ粗晶区的主要组织

是粒状贝氏体.在焊接接头中获得贝氏体组织,使这种自制自保护药芯焊丝能够符合规定的力学性能的要求.

10.学位论文张征自保护药芯焊丝及其熔滴过渡的研究2007

本文借助高速摄像及汉诺威焊接质量分析仪(以下简称汉诺威分析仪)，对市售管道焊接用全位置自保护药芯焊丝的熔滴过渡形态及其工艺参数和冶

金因素对其的影响进行研究，发现全位置自保护药芯焊丝具有“弧桥并存”的熔滴过渡特征，并建立起熔滴过渡形态与汉诺威波形曲线的对应关系。对

分析汉诺威分析仪采集的数据进行分析发现，焊接电流在180A左右时有最好的工艺性能，偏离这个电流值焊接工艺性会变差。

通过大量试验总结出Na<,2>CO<,3>/K<,2>CO<,3>、大理石/白云石、石英、长石是对熔滴过渡有较大影响的因子。设计三组试验，借助汉诺威波形曲

线考察了NB<,2>CO<,3>/K<,2>CO<,3>、大理石／白云石、石英、长石对熔滴过渡及焊接工艺性的影响规律，得出结论：当

Na<,2>CO<,3>/K<,2>CO<,3>;1，大理石／白云石：1～2，石英：1％，长石：2％时配方整体效果最好。

研制成功一种高氟化物铝镁渣系的2Cr13型自保护药芯焊丝，该焊丝的硬度和熔敷金属化学成分均满足AWS、JIS、GB的相关标准，且具有良好的工艺

性能。使用试验优化技术，确定了对脱渣性有较大影响的BaF<,2>/CaF<,2>，大理石，SiO<,2>的最佳配比：BaF<,2>/CaF<,2>：25/0；大理石

：4％；SiO<,2>：3％。设计配方，对如何提高熔渣覆盖性能、降低自保护药芯焊丝的飞溅也进行了研究，确定了综合效果最好的药芯配比为

：BaF<,2>：25％；长石：1％。Na<,2>CO<,3>/K<,2>CO<,3>：1；高碳铬铁：4％。

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