張 敏，邢 奎，舒紹燕，周永欣，李繼紅

（西安理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710048）

0 前 言

埋弧焊用燒結(jié)焊劑的生產(chǎn)成本較低，且制作方便。特別是在堿性焊劑的焊縫金屬中，非金屬夾雜物少，從而使焊縫具有較高的力學(xué)性能[1-5]。但由于堿性焊劑的堿度較高，在實(shí)際焊接過程中，易出現(xiàn)焊道成形不規(guī)整、夾渣等缺陷。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明[6-8]，良好的焊縫成形可避免焊接缺陷，確保焊接工藝性能優(yōu)異和焊接接頭質(zhì)量穩(wěn)定。因此，提高焊縫金屬的成形性成為焊接工作者關(guān)心的高堿度燒結(jié)焊劑工藝性能的重要技術(shù)問題之一。

埋弧焊焊劑的成分配比對(duì)焊劑的物理性能有著直接的影響，而良好的物理性能可保證焊縫金屬具有優(yōu)異的電弧燃燒穩(wěn)定性和成形性，對(duì)提高焊接工藝性能有著直接的影響[9-11]。雖然國內(nèi)外對(duì)焊劑物理性質(zhì)的研究已引起非常高的重視，并展開了一定的研究工作，但針對(duì)復(fù)雜的多因素綜合交互作用的配方配比問題，特別是對(duì)X1～X66組元及以上配比的這樣一個(gè)復(fù)雜的交互作用問題，采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)方法，很難揭示其內(nèi)在規(guī)律。因此建立合適的數(shù)學(xué)模型，揭示焊劑各組元之間的交互作用對(duì)選定目標(biāo)函數(shù)的綜合影響規(guī)律，對(duì)焊劑的研究具有重要意義。本研究通過采用以數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論為基礎(chǔ)的均勻設(shè)計(jì)方法，研究CaF2-MgO-Al2O3-CaO-ZrO2-TiO2氟堿型渣系燒結(jié)焊劑的各原料組分對(duì)焊縫成形的影響，建立數(shù)學(xué)模型，討論焊劑組元間多因素相互影響規(guī)律，揭示焊劑組成成分與焊接工藝之間的關(guān)系，為研制具有優(yōu)良焊接工藝性能的高速埋弧焊劑開辟新的途徑。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料主要由螢石、鎂砂等組成，配制成CaF2-MgO-Al2O3-TiO2渣系燒結(jié)焊劑，通過粘結(jié)劑鉀鈉混合型水玻璃添加少量的K2O和Na2O來穩(wěn)弧。其中，各類礦物粉中均含有SiO2，而SiO2含量不能太高，過多的SiO2會(huì)增加熔渣粘度，降低電弧穩(wěn)定性。因此，SiO2的加入量是通過其它礦物原料的添加而附加帶入的。

在研究初期，通過均勻設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)焊劑配方，為使最佳條件落在設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)，確定試驗(yàn)因素為22水平。由此可確定選用11因素22水平的均勻設(shè)計(jì)表 U*22（2211），根據(jù) U*22（2211）的使用表，選用1，4，7，8，9和11列進(jìn)行設(shè)計(jì)，得出22組焊劑配方，所設(shè)計(jì)的焊劑為氟堿型燒結(jié)焊劑。在這22組焊劑配方中，由氟堿型渣系的組分要求及本次試驗(yàn)焊劑的堿度范圍要求，剔除不合理的焊劑型號(hào)，最終得到符合要求的11種焊劑配方，見表1。

按表1所列焊劑藥粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)配制成11組堿性燒結(jié)焊劑，每種配方制作1 kg的焊劑，其粒度控制在10～40目，并經(jīng)過晾干、燒結(jié)等工藝處理。匹配實(shí)驗(yàn)室自主研制的Mn-Ni-Mo-B合金系焊絲（準(zhǔn)4 mm），試驗(yàn)所用母材為國產(chǎn)低碳貝氏體鋼，試板規(guī)格為520 mm×250 mm×15.3 mm，采用兩板對(duì)接方式，不開坡口。

表1 設(shè)計(jì)試驗(yàn)用11種焊劑藥粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)%

使用MZ-1000自動(dòng)埋弧焊機(jī)對(duì)試驗(yàn)鋼板進(jìn)行直縫埋弧焊，雙面焊雙面成形。焊前需要對(duì)板材表面進(jìn)行污漬清理。焊接工藝參數(shù)見表2。

表2 焊接工藝參數(shù)

為了更好地對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)因變量焊縫工藝性Y值采用十分制評(píng)分。焊接工藝性考察脫渣性、焊縫表面質(zhì)量等方面因素。具體的評(píng)分規(guī)則如下：

（1）焊縫表面出現(xiàn)大量密集性氣孔造成的麻點(diǎn)或氣體壓痕5處以上；渣殼不易脫落，出現(xiàn)大量粘渣，焊縫表面發(fā)黑且無金屬光澤，余高超過3.0 mm，評(píng)分值Y<6；

（2）麻點(diǎn)面積小于焊縫表面積的5%，焊縫表面氣體壓痕少于5處；部分渣殼可自動(dòng)脫落，出現(xiàn)部分粘渣；焊縫表面發(fā)黑無金屬光澤，焊縫余高超過3.0 mm，評(píng)分值6≤Y<7；

（3）少數(shù)幾個(gè)麻點(diǎn) （≤5個(gè)），無氣體壓痕；部分渣殼可自動(dòng)脫落，無粘渣；焊道邊緣整齊，表面略發(fā)黑無金屬光澤，余高超過3.0 mm，寬度小于14 mm，評(píng)分值7≤Y<8；

（4）無麻點(diǎn)和氣體壓痕，焊縫表面平滑，無粘渣，但表面略發(fā)黑無金屬光澤，余高超過3.0 mm，焊縫寬度小于14 mm；渣殼可全部自動(dòng)脫落，無粘渣，電弧較為平穩(wěn)，評(píng)分值8≤Y<9。

（5）無麻點(diǎn)和氣體壓痕，渣殼內(nèi)表面邊緣及中心部位都未出現(xiàn)氣孔；焊道邊緣整齊、過渡平緩、表面光滑，焊縫表面有良好的金屬光澤，且余高小于3.0 mm，寬度大于14 mm；焊接完成后，部分渣殼可全部自動(dòng)脫落，無粘渣，電弧平穩(wěn)且無明弧現(xiàn)象，評(píng)分值Y≥9。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 焊接工藝性試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

按照上述的評(píng)分規(guī)則，對(duì)每組焊劑配方進(jìn)行實(shí)際施焊評(píng)分，結(jié)果見表3。

表3 焊劑焊接工藝性能評(píng)分

2.2 數(shù)學(xué)模型

將表3中所測(cè)試的每組焊接的工藝性評(píng)分作為目標(biāo)函數(shù)Y，利用DPS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件的回歸功能，將焊接的工藝性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，與表1所示的焊劑組分在高維空間的分布數(shù)據(jù)X1～X6，建立起因變量焊縫成形工藝性對(duì)應(yīng)于各種焊劑組分相關(guān)系數(shù)的回歸模型，并對(duì)其進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。所得的回歸模型如下：

考察此數(shù)學(xué)模型的真?zhèn)危淠Ｐ蛿?shù)據(jù)為：相關(guān)系數(shù) R=0.999 9；F=7 404.85；Df=（9，1）；p=0.009 0；剩余標(biāo)準(zhǔn)差 S=0.0013。

調(diào)整后的相關(guān)系數(shù)Ra=0.999 9；Durbin-Watson統(tǒng)計(jì)量d=1.540 34；決定系數(shù)Ra2=0.999 85。

模型回歸顯著性概率見表4。從回歸方程中可以看出，在所選的全部27個(gè)含有未知數(shù)項(xiàng)中，有9個(gè)項(xiàng)反應(yīng)出各焊劑組元對(duì)焊接工藝性有影響，這些影響絕大部分都呈交互作用形式。從表4中可以看出，回歸模型的p=0.009，為高度顯著，說明回歸是高度有效的。并且從逐步回歸的輸出結(jié)果中可以知道回歸方程的決定系數(shù)為R-square=0.999 85，此即同樣說明線性回歸結(jié)果為高度顯著。從表4可以看出，在輸出的回歸系數(shù)表中，各自變量的顯著性概率p值都小于0.05，說明回歸方程中的每一項(xiàng)都是顯著有效的，所以該回歸方程可以認(rèn)為是最佳方程。

表4 模型回歸顯著性概率

3 結(jié)果分析

焊劑中各組元在高溫下的物理冶金行為是一個(gè)復(fù)雜的多因素交互問題，為了描述各因素之間的內(nèi)在關(guān)系，揭示焊劑成分對(duì)焊縫工藝性的影響規(guī)律，對(duì)上述回歸方程進(jìn)行多組元交互作用分析。

從上述回歸方程可以看出：螢石X1與鋯英砂X4的交互作用對(duì)焊縫成形的影響為負(fù)相關(guān)，但與硅灰石X5的交互作用對(duì)焊縫成形的影響則為正相關(guān)。由于螢石在燒結(jié)焊劑中的作用主要是造渣和除氫，當(dāng)其在合適的范圍內(nèi)逐漸增大時(shí)，由于 O2-離子的半徑（1.32×10-10m）與 F-離子的半徑（1.33×10-10m）相近，在高溫時(shí)可互換，所以在硅酸鹽四面體中加入CaF2就會(huì)產(chǎn)生O2-離子鍵被F-離子取代的現(xiàn)象，從而使氧橋連結(jié)（≡Si-O-Si≡）破壞，形成≡Si-F連結(jié)，氟在負(fù)離子結(jié)構(gòu)中起到解聚作用，使得原結(jié)構(gòu)斷裂，導(dǎo)致聚合體變小，從而改善焊道的融合性和脫渣性。但是當(dāng)螢石的含量繼續(xù)增加時(shí)，就會(huì)對(duì)焊劑的各項(xiàng)工藝性能產(chǎn)生不利影響，這是由于螢石中的主要成分CaF2電離電位較高，并且電離所得的F-極易奪取電弧中的電子，使焊接電弧的燃燒穩(wěn)定性降低，在焊接過程中會(huì)使空氣大量侵入電弧區(qū)，從而導(dǎo)致焊縫金屬成形變差。相反，在此種堿性渣系中增加含有堿性物質(zhì)的硅灰石則提高了焊接電弧穩(wěn)定性，增加熔渣流動(dòng)性，有利于熔渣從熔池中浮出，從而改善焊縫成形。

鎂砂X2與硅灰石X5和鈦白粉X6的交互作用有利于焊縫成形，這可能是由于MgO和CaO都是高熔點(diǎn)物質(zhì)，不易分解，當(dāng)（MgO+CaO）/SiO2的比例不大3時(shí)，可增強(qiáng)焊接熔池的脫硫能力；焊劑中加入少量的TiO2，可以改善熔渣流動(dòng)性和易熔性，促使焊縫金屬還原產(chǎn)物的聚集，并把它們排除到熔渣中。隨著其含量增加，會(huì)使渣殼容易脫落，使焊縫光潔無瑕疵，同時(shí)TiO2的加入還能顯著提高熔渣導(dǎo)電性，從而提高焊接電弧穩(wěn)定性。根據(jù)分子理論，當(dāng)MgO-TiO2-CaO交互作用時(shí)，可在熔渣中形成相當(dāng)數(shù)量的鈣鈦礦 （CaO·TiO2），這種礦物由于其具有較高的結(jié)晶性（結(jié)晶溫度在1 400℃），從而使熔化溫度較高，可以較好地保護(hù)好熔池，從而可使脫渣性得到改善，獲得成形性優(yōu)良的焊縫。

鋁礬土X3與鋯英砂X4和硅灰石X5的交互作用同樣有利于焊縫成形，因?yàn)閴A性和氟化物燒結(jié)焊劑在埋弧焊時(shí)容易使電弧燃燒不穩(wěn)定，為了得到好的焊接工藝，焊劑成分中必須含有電離勢(shì)低的成分，加入Al2O3和CaO會(huì)使電離勢(shì)變低，電弧燃燒穩(wěn)定；同時(shí)，加入具有明顯離子鍵的CaO，由于增加O2-離子數(shù)量，使聚合的硅氧負(fù)離子團(tuán)發(fā)生破裂；ZrO2為酸性氧化物，一方面，加入ZrO2會(huì)顯著提高熔化焊劑的粘度和熔點(diǎn)，這就會(huì)使電弧燃燒的穩(wěn)定性提高，促使焊縫金屬表面波紋消除，另一方面，由于ZrO2會(huì)分解為Zr4+和O2，使焊劑具有較高的表面張力，從而在焊接過程中，有利于脫渣，改善焊縫的成形性能。

4 結(jié) 論

（1）基于均勻設(shè)計(jì)的方法研究燒結(jié)焊劑，能夠把多種焊劑原料對(duì)焊縫成形的影響進(jìn)行量化，給出較為合理的回歸數(shù)學(xué)模型，利用模型對(duì)焊劑配方進(jìn)行優(yōu)化，能夠大大降低試驗(yàn)次數(shù)，為開發(fā)新型焊劑提供較為科學(xué)的方法。

（2）焊劑成分之間的交互作用對(duì)焊縫工藝性有很大影響，CaF2與ZrO2的交互作用對(duì)焊縫成形的影響為負(fù)相關(guān)，與CaO的交互作用對(duì)焊縫成形的影響則為正相關(guān)；當(dāng) （MgO+CaO）/SiO2的比例不大于3時(shí)，可增強(qiáng)焊接熔池的脫硫能力，向焊劑中加入少量的TiO2，可改善熔渣流動(dòng)性，從而改善焊縫成形。

（3）Al2O3與ZrO2和CaO的交互作用同樣有利于焊縫成形。

[1]蘇仲鳴.焊劑的性能和使用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989.

[2]張敏，吳偉剛，李繼紅，等.藥皮組分對(duì)堿性低氫焊條穩(wěn)弧性的影響[J].兵器材料科學(xué)與工程，2013，36（01）：14-17.

[3]許昌玲，任德亮，胡連海.燒結(jié)焊劑的熔化特性在其配方設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].焊接，2006 （12）：26-29.

[4]DAVIS M L E，BAITEY N.Properties of Submerged Arc Flues[J].Metal Construction，1982，14（02）：338-344.

[5]CHAI C S，EAGAR T W.The Effect of SAW Parameters on Weld Metal Chemistry[J].Trial，1980，1（02）：3.

[6]SCHWEMMER D D，OLSON D L，WILLIAMSON D L.The Relationship of Weld Penetration to the Welding Flux[J].Welding Journal，1979，58（05）：153.

[7]FERRERA K P，OLSON D L.Performance of the MnOSiO2-CaO System as a Welding Flux [J].Weld.Res.Suppl，1975：211-215.

[8]PANIAGUA-MERCADO A M，ESTRADA-DIAZ P，López-Hirata V M.Chemical and Structural Characterization of the Crystalline Phases in Agglomerated Fluxes for Submerged-arc Welding [J].Journal of Materials Processing Technology，2003，141（01）：93-100.

[9]趙英利，時(shí)捷，包耀宗，等.X120級(jí)超高強(qiáng)度管線鋼生產(chǎn)工藝研究現(xiàn)狀[J].特殊鋼，2009，30（05）：25-27.

[10]王建澤，康永林，楊善武，等.超低碳貝氏體鋼的加工工藝與組織性能分析[J].熱加工工藝，2006，35（16）：16-18.

[11]朱偉勇，胡晨江，段曉東.最優(yōu)設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)證明與構(gòu)造[M].沈陽：東北工學(xué)院出版社，1987.