全位置管道焊机对自保护药芯焊丝性能的影响
药芯焊丝一般分为气保护药芯焊丝和自保护药芯焊丝两大类。自保护药芯焊丝的概念是在"#$# 年由美国专利%，#!#，&&’［ "］首先提出的。早期的自保护药芯焊丝的设计是为了获得较好的全位置焊接的能力和美观的焊缝成形，此时对于焊缝力学性能的要求比较低。后来由于许多焊接结构，特别是海洋平台，对连接部位有一定的力学性能的要求，才开始重视焊缝的韧性和()* 特性。现在自保护药芯焊丝已经广泛应用于汽车制造业，高层建筑中结构件的焊接，海洋平台制造工业以及石油、天然气输送管道［ %］。例如，我国进入新世纪后启动的“ 西气东输”天然气管线工程，由于管道需要穿山过江，施工条件十分恶劣，气体保护焊用的保护气体供应不方便，因此，美国哈伯特公司的+,-./0123’"40" 自保护药芯焊丝成为“ 西气东输”工程指定用药芯焊丝。自保护药芯焊丝是在无外加气体保护的情况下进行焊接的，为了防止空气对焊缝造成污染，一般需要在自保护药芯焊丝中加入大量的脱氧剂和氮化形成元素，但是这些物质与大气反应生成脆硬的氧化物和氮化物颗粒，对焊缝的冲击韧度产生不良的影响，其中铝的危害最为严重。该文通过在自保护药芯焊丝中加入+1%)5来调节预处理药粉的熔点以及自制的6"、6%、65、67、6$
号自保护药芯焊丝是以8,+%为基的碱性药芯焊丝，选用不同量的+1%)5制备，+1%)5在各焊丝中的用量见表"。选用的钢带化学成分见表%。焊丝的填充率为%!9:%%9，焊丝直径为! ";< ==。
表! 自制自保护药芯焊丝中"# $%&的含量（ 质量分数，’）
试验结果及分析
!"# $% &’!
对预处理药粉的影响由于自保护药芯焊丝中选用的一些化合物，例如A和,，一般都是(C6)D&)) 目的细粉，这些细粉的流动性很差，直接在生产中使用会出现粉不均匀，导致焊丝成分不均匀，严重影响焊丝质量。所以自保护药芯焊丝在生产过程必须对部分化合物进行预处理，即将几种化合物混合后加热到一定温度，使其烧结，然后再破碎成所需要的颗粒度。药粉进行预处理的目的是： （ C） 使药粉各成分混合均匀； （ &）形成一定颗粒度的药粉，使其具有一定的流动性，便于在生产过程中向钢带中添加； （ -）改善药粉的吸湿性，有利于焊丝长期存放和焊接过程对熔滴的保护，从而降低焊缝的氢含量； （ 7）通过预处理，药粉的密度增大，大大提高了药粉的填充量，使焊接过程中的保护作用增强； （ $） 能够改善熔滴的过渡形式。加入量对预处理药粉的熔点影响较大，表7 是通过半球法测得的五种配方预处理药粉的熔点。中可以看出，随着预处理药粉中A/&B-量的增多，预处理药粉的熔点提高，这对焊接工艺性能会产生一定的影响。例如EC焊丝，预处理药粉的熔点过高，在焊接过程中飞溅较大，电弧不稳定，这是由于药芯的熔化滞后于钢带的熔化造成的，在焊丝中心部位形成锥形的突出，影响焊丝的导电性和增中心部位产生，使焊丝内气体压力增大，将溶化的金属推向外侧，产生大量的飞溅。文中试验的配方中加入的造气成分进行保护的同时，也依靠药芯中的脱氧剂和氮化物形成元素来完成排除大气中氧气和氮气的污染，所以造气成分的使用量相对较少，从而保证了焊接过程良好的工艺性能。但是，的加入量对焊接工艺性能会产生很大的影响。自保护药芯焊丝中加入A/&B-的主要作用是为了改善渣的物理性能，改善焊缝成形，使焊缝表面光洁，增强渣保护效果。但是，A/&B-对焊接工艺性能的影响是具有两重性的，一方面，由于A/&B-在受热情况下极易分解，分解方程为
6A/&B- F 7A/-B7GB&
，
&A/-B7 F 6A/BGB&
。
在焊接过程产生大量的气体，引起飞溅和烟尘量增多。另一方面，由于熔池中氢的平衡浓度由下式决定
是气相中氢和水蒸气的分压；"是平衡常数； 是熔池的含氧量。可见，加入-能够使气相的氧化性或者熔池的含氧量提高，能够降低熔敷金属的扩散氢含量，从而减少氢气孔产生的倾向性。这五种焊丝的工艺性能比较见表$。从焊接工艺上讲，这五种焊丝在焊接过程中，其中电弧稳定，脱渣性好，焊缝成形美观，有规则的鱼鳞纹，立焊性能较好。焊接过程烟尘的测定是在自制的测尘装置中进行的，测尘时间为C) I9:，所得数据只做横向对比。从表中可以看出，EC在焊接过程中的发尘量较小。从表中还可以看出，的加入量是有一定限制的，例如EC焊丝，由于加入量过高，使得药芯中用于产生气体保护的氟化物和碳酸盐的含量以及脱氧剂和氮化物形成元素用量相对降低，焊接过程对熔滴和熔池的保护作用减少，焊缝中容易产生气孔。>=在焊接过程中，电压的调整范围很小，在#:4## G 之间进行焊接时能够获得无气孔的焊缝，但是焊接过程中电弧不稳定，焊缝成形较差；当电弧电压超过#% G 时，焊缝中很容易出现气孔。可见，如果焊丝中!"#$%用量过多，反而对焊接工艺性能产生不利影响。通过试验观察，同时，铝也是强氮化物形成元素，能够与氮形成氮化铝进入熔渣。反应式如下自保护药芯焊丝残留的脱氧剂会使焊缝的冲击韧度降低。当只有少量的残余的脱氧剂时，奥氏体向韧性的细晶粒的铁素体转变是可能的。当较多的脱氧剂存在时，会促进相对脆性的贝氏体形成。当大量的脱氧剂存在时，能够阻止奥氏体的形成，如果完全阻止了奥氏体的形成，在凝固时会产生粗糙的、脆性的! 1! 结构，并保留到室温。另外，’(- 在23%4567 8析出，使得材料变脆［ %］。因此如何充分利用药芯中的铝而使焊缝中残留的铝量降低，是该文有待解决的问题。表5 是利用光谱分析法分析的熔敷金属的化学成分。从表5 中可以看出，随着焊丝中!"含量的增多，熔敷金属中残余的铝量减少。有研究指出［ ,］9熔敷金属中的含铝量在:;6<4=<时才能防止焊接过程中产生气孔，同时如果焊缝中的铝含量超过会对焊缝的冲击韧度产生危害熔敷金属中的铝含量可以
控制在=<左右。从表7 的力学性能数据中可以看出>#和>%的冲击韧度较好。该试验在自保护药芯焊丝中加入相同的铝和不同量的!的氧化性较强，很容易被还原剂还原，而铝是强还原剂，能够使!"#$%还原9从而消耗多余的铝。焊缝中的其它脱氧剂：?@、& 在熔敷金属中的含量也随着焊丝中!"的增多而降低 在焊接过程中也参与还原!"#$%
，但是!的影响不如对’( 的作用强烈。反应方程如下表’ 熔敷金属的化学成分(质量分数，)*.这种焊缝的化学成分随!"#$%量不同而变化的趋势可以从图= 中反映出来。!"#$%对熔敷金属中
’( 的变化较为显著，对?@、& 的影响较小，从图中还可以看出./ 和-/ 的含量几乎没有变化。缝中容易产生气孔。>=在焊接过程中，电压的调整范围很小，在#:4## G 之间进行焊接时能够获得无气孔的焊缝，但是焊接过程中电弧不稳定，焊缝成形较差；当电弧电压超过#% G 时，焊缝中很容易出现气孔。可见，如果焊丝中!"#$%用量过多，反而对焊接工艺性能产生不利影响。通过试验观察，!"#$%含量在占焊丝重量的%;2<以下，都能够获得良好的焊接工艺性能。表= 焊接工艺性比较.的延伸率和冲击韧度符合!"# !$%&’ 标准，)/和)$稍微低于该标准。造成这种现象的原因与+,&-对熔敷金属中的残留铝量的影响有关。焊丝中+,&-.量减少，使得熔敷金属中残留的铝量增多，对焊缝的韧性带来不良的影响。含+,&-.较少的
)/
和)$的焊缝延伸率和冲击韧度较低，而含+,&-..
的焊缝延伸率和冲击韧度较高。
对拉伸断口形貌的影响从拉伸试样的外观来看，含+,&-.的)的拉伸断口均有明显的剪切唇，断口上纤维区的比例占断口总面积的’17以上；而不含+,&-.的)$的拉伸断口几乎没有剪切唇，纤维区和放射区的比例各占$17左右。从断口的宏观结构看，)&以韧性断裂为主，而)$中韧性断裂和脆性断裂各占一半。利用扫描电镜对断口进行形貌观察，发现)&
主要由韧窝组成，裂纹起源于非金属夹杂，其中主要有圆形夹杂和长形夹杂，图& 是典型的长形夹杂的形貌，夹杂物周围是明显的解理断口，并且有裂纹存在。从宏观断口可以看出，在这四种焊丝中，随着+,&-.
含量的减少，夹杂的尺寸和数量均增多。
为了确定夹杂物的种类，对不同形态的夹杂进行了能谱分析，见图.。从能谱分析的结果中发现，无论夹杂物的形状如何，绝大部分夹杂都是以86、 为主的复合化合物夹杂。 熔敷金属中的长形夹杂物
（ %） 采用适当的图像处理技术与模板匹配技术相结合，可在局部环境范围内实现对焊接初始位置的识别及定位，该方法具有较强的实用价值。
（ &） 采用两步法的模板匹配方式，将全局匹配与局部匹配相结合，不仅可以提高匹配的速度，而且可以提高对焊缝的识别准确性。 动态设置局部匹配的搜索区域，可减小由于图像预处理及全局匹配所造成的定位误差影响，提高了焊缝端点识别的准确性。
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：朱振友，男，%AJ’ 年& 月出生，讲师，博士研究
（ &） 在自保护药芯焊丝中加入N+&O’能够使焊缝中残留的铝量减少。 在一定范围内，随着N+&O’含量的增多，焊缝的抗拉强度和屈服强度下降，伸长率和低温冲击韧度提高。
（ B） 随着焊丝中N+&O’含量的增多，拉伸试棒的韧窝断口比例增加，焊缝中夹杂物的尺寸和数量均有所减少。焊缝中的夹杂物主要是由D#、C#、(4、F6 为主的复合化合物夹杂。夹杂物的形态以圆形和长形为主。N+&O’的加入量不能超过B/!P，如果加入量太大，会使焊接工艺性能变差，使飞溅增大，电弧不稳定，焊接规范调整范围小，焊缝成形差，甚至会出现气孔。为了确保焊缝的低温冲击性能和焊接工艺性能，药芯中N+&O’的加入量应该占焊丝总重的
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