几种组分对堆焊药芯焊丝用烧结焊剂工艺性能的影响——文献学习体会

研究背景与方法论

朱厚国等人在2015年发表于《焊接》第10期的这篇论文，采用正交试验方法研究了萤石（CaF₂）、硅灰石（CaSiSiO₅）、镁砂（MgO）和铝矾土（Al₂O₃）四种组分对堆焊药芯焊丝用烧结焊剂工艺性能的影响。该研究来自机械科学研究院哈尔滨焊接研究所，具有深厚的学术积累与工程应用背景。

药芯焊丝堆焊（FCAW-S）是现代堆焊技术的重要分支，特别适用于大面积、高效率的耐磨堆焊。烧结焊剂的质量直接决定了药芯焊丝的焊接工艺性与堆焊层性能。焊剂组分的优化是一个多变量、多约束的复杂问题，正交试验方法以其高效性成为该领域的首选研究手段。

四种组分的功能分析

从焊接冶金学角度分析，这四种组分在焊剂中扮演不同角色：

• 萤石（CaF₂）：是焊剂中最重要的稳弧剂。CaF₂在高温下分解为CaO和F₂，F₂与熔池中的氢结合生成HF，有效降低焊缝中的氢含量，防止冷裂纹。同时，CaF₂降低熔渣的表面张力，改善熔池流动性，使焊道成形更加美观。但萤石含量过高会导致氟化物对设备的腐蚀加剧，并可能引起焊缝偏析。
• 硅灰石（CaSiSiO₅）：是一种天然硅酸盐矿物，在高温下分解为CaO和SiO₂。它既是造渣剂又是熔渣稳定剂，能在熔渣中形成稳定的硅酸钙相，使熔渣具有良好的覆盖性和脱渣性。硅灰石的使用可减少萤石用量，降低氟化物对环境的污染。
• 镁砂（MgO）：作为碱性造渣剂，MgO能提高熔渣的碱度，增强脱硫能力。但MgO熔点高（2852℃），在焊剂中不易完全熔化，过量的MgO会导致熔渣粘度增大，影响焊道成形。
• 铝矾土（Al₂O₃）：作为酸性造渣剂，Al₂O₃能提高熔渣的稳定性，减少熔渣与金属的界面反应。但Al₂O₃熔点也很高（2072℃），过量使用会导致熔渣流动性变差。

正交试验设计与结果分析

正交试验方法的核心在于用最少的试验次数获得最多的信息。该研究采用L₉(3⁴)正交表，四个因素各取三个水平，通过极差分析确定各因素对焊剂性能的影响主次关系。

从试验结果可以得出以下关键结论：

1. 萤石是影响焊剂综合性能的首要因素。萤石含量过低导致稳弧性差、脱渣性不良；含量过高导致氟化物腐蚀加剧、焊道过宽。最佳萤石含量通常在15%~25%范围内。
2. 硅灰石对焊道成形影响最大。硅灰石含量适中时，焊道成形美观、熔宽均匀；含量过高导致熔渣过粘，焊道窄而高；含量过低导致熔渣流动性过大，焊道过宽。
3. 镁砂与铝矾土起协同作用。两者共同调节熔渣的碱度和粘度，单独调整任一组分的效果不如两者协同调整显著。

工程应用中的焊剂质量控制

在实际生产中，烧结焊剂的质量控制需关注以下环节：

原材料控制

• 萤石：要求CaF₂纯度≥95%，SiO₂含量≤3%，水分≤1%。使用前需经150℃×2h干燥。
• 硅灰石：要求CaSiSiO₅纯度≥85%，Fe₂O₃含量≤1%。粒度应控制在0.1~1.0mm。
• 镁砂：要求MgO纯度≥90%，粒度0.05~0.5mm。
• 铝矾土：要求Al₂O₃纯度≥85%，粒度0.05~0.5mm。

烧结工艺控制

焊接工艺性验证

焊剂定产后，需进行以下焊接工艺性验证：

1. 稳弧性：在药芯焊丝焊接过程中，电弧燃烧是否稳定，有无断弧、飘弧现象。
2. 飞溅率：焊接飞溅量是否可控，飞溅率应控制在5%以下。
3. 脱渣性：焊后熔渣是否易于清除，渣皮是否完整。
4. 焊道成形：焊道是否美观、均匀，有无咬边、凹坑等缺陷。
5. 熔敷效率：单位时间内堆焊层的沉积量，评估生产效率。

学习心得与总结

该文献采用正交试验方法研究焊剂组分对工艺性能的影响，方法论严谨，结论明确，具有很强的工程指导价值。焊剂是焊接材料中"最不起眼但最关键"的组分之一，其质量直接影响焊接过程的稳定性和堆焊层的最终性能。在实际生产中，焊剂组分的优化不应仅依赖文献数据，而应结合具体的焊丝成分、焊接参数和应用工况进行针对性调整。该文献提供的萤石、硅灰石、镁砂、铝矾土四种组分的配比方案，为堆焊药芯焊丝用烧结焊剂的配方设计提供了可靠的参考基准。焊剂技术的进步虽不引人注目，但它是焊接工艺可靠性的基石，值得每一位焊接技术人员深入研究和持续优化。