摘要：探讨了氟碱型烧结焊剂冶金过程、电弧行为及工艺质量的控制。结果表明，在该焊剂的埋弧焊熔滴反应区，主要是渗硅氧化和锰元素的氧化烧损。在熔池的结晶部分冶金反应生成CO气体，是焊缝中不可避免地出现气孔或凹坑的重要原因。焊剂的埋弧焊电弧形态应属于连续、非活动型，而熔滴过渡则是呈典型的渣壁过渡形态。在焊缝压坑产生的诸多影响因素中，焊剂中水分的影响是该缺陷产生的内因，其他参数的影响则是外因。以减小焊缝中凹坑倾向为目标的控制方法，思路合理，针对性明确。
　　关键词： 冶金过程；工艺质量；烧结焊剂；凹坑；控制
　　Abstract： The metallurgical processes， welding arc behavior and usability quality control of fluorine basic type sintered flux were discussed. The results show that the silicon reduction reaction and manganese oxidation reaction in the drop reaction zone is the main. The carbon monoxide gas produced in the crystal part of molten pool is an important reasons of appear porosity or press hole inevitably in the weld metal. The arc shape of submerged arc welding should belong to the continuous and inactive type， and drop transfer is a typical flux wall guided transfer form. The water effects in the flux among many factors producing weld press hole are internal factors， and the other parameters influences are external factors. The control method taking reduce press hole tendency as a target is reasonable ， and its pertinence is clear.
　　Key words： metallurgical process； usability quality； sintered flux； press hole； control
　　前言
　　氟碱型烧结焊剂在埋弧焊工艺发展道路上，经历了逐渐被认可而后满意的工程应用过程，近年来所占焊材市场份额越来越多。然而并不是在所有的情况下该焊剂均能适应工程需求，在一些情况下，焊缝压痕、凹坑敏感性比较大，与个别牌号焊丝匹配时还出现熔敷金属抗拉强度偏低、不达标等现象。上述工艺质量问题的出现与焊剂的冶金过程相关，而焊剂的冶金过程亦与埋弧焊的电弧特性及熔滴过渡密不可分。迄今为止，介绍埋弧焊电弧和冶金特性较经典的文献，也仅限于上世纪80年代出版的有数几本[1-3]，进入本世纪以来，具有创新理论的相关文献甚少。为此，本文特意将氟碱型烧结焊剂（SJ101）的冶金过程、电弧行为与焊剂的工艺质量相联系，探讨焊剂的工艺质量影响因素和控制方法。该项研究对深入了解烧结焊剂的冶金机理，合理选用焊剂和匹配工艺，乃至开启焊剂性能改进新思路，具有一定的参考意义和实用价值。
　　1 氟碱型烧结焊剂的冶金过程
　　1.1 电弧空腔内的冶金过程
　　表1列出了埋弧焊试样的焊丝和熔敷金属化学成分实测结果。其中，试验条件：I=550～620 A，U=28～30 V，可以看出，与焊丝成分相比，熔敷金属成分中的Mn和C的含量减少了，而Si的含量增加了（P和S含量也有变化）。这是由于在氟碱型渣系中含有少量的SiO2。在熔滴反应区可能发生了下列反应：
　　上述3式均属于渗硅反应，但（2）式是典型的渗Si增氧反应，（3） 式是熔滴中的碳与熔渣中的SiO2反应可能生成CO气体。（1）式是焊丝中锰元素的氧化烧损反应，由于焊剂渣中加入（MnO）较少，锰的过渡系数通常不高，约为0.60左右，可以反映Mn氧化反应进行的激烈程度。
　　在熔滴反应区，主要是渗硅氧化和锰元素的氧化烧损反应，而且进行得比较激烈。在熔池反应区，上述反应也可能进行，但反应的激烈程度可能较弱。埋弧焊电弧空腔内充满了焊丝、焊剂熔化和加热后产生的气体（含金属和非金属矿物蒸汽）。
　　1.2 熔池反应区的冶金过程
　　在熔池金属与熔化的熔渣间进行下列冶金过程：式中 [FeO]——平衡时FeO在熔池金属中的浓度；
　　（FeO）——平衡时FeO在熔渣中的浓度；
　　L （T ） ——分配常数，其数值决定于温度、溶质FeO、熔池和熔渣两相的物理特性。
　　熔渣中的（FeO）向熔池金属中[FeO]转移，即发生：[FeO]←（FeO）过程，此为扩散氧化。该过程使熔池金属氧化，含氧量增加。熔池金属中的[FeO]向熔渣中（FeO）转移，即发生：[FeO]→（FeO）过程，此为扩散脱氧。该过程使熔池金属含氧量减小，熔池金属被脱氧。
　　在熔池反应区，或熔池的后部，温度较低，有利于扩散脱氧[FeO]→（FeO）过程的进行。虽然氟碱型焊剂熔渣中（FeO）较少，但氟碱型焊剂熔渣的分配常数L （T ）比酸性焊剂熔渣的小，因此该渣系焊剂的扩散氧化倾向比较大，焊剂对铁锈、氧化皮敏感。同时，氟碱型焊剂熔渣中（SiO2）较少，难以与熔渣中（FeO）生成复合化合物，实现扩散脱氧[FeO]→（FeO）过程的可能性很小。
　　需要指出的是，在熔池的结晶部分可能发生下列反应：
　　这是该类烧结焊剂焊缝中不可避免地出现气孔或压坑的重要原因。
　　2 氟碱型烧结焊剂的电弧行为与工艺质量
　　2.1 电弧形态和熔滴过渡形态
　　2.1.1 电弧形态
　　埋弧焊的电弧是掩埋在焊剂之中燃烧的如图1所示，从外部看不到电弧发出的弧光和电弧形态。早期有文献[1]探讨过该种焊接方法的电弧现象。认为电弧是在焊丝周围熔渣围成的“空腔”内燃烧，而且弧柱的一部分侧壁直接与熔渣接触，亦即弧柱部分地被熔渣构成的外壁所包围。因为受到电弧加热的焊剂要产生一些气体，以及熔池金属本身含有的碳与氧结合放出CO气体，因此可以想象在电弧区附近的气体行为是活跃的。但是埋弧焊电弧与气体中的电弧有本质上的差异。实心焊丝CO2 气保护焊时，电弧是在焊丝端头整个截面上产生的，同时熔滴在短路过渡瞬间会出现电弧瞬间熄灭现象，因此实心焊丝的电弧形态属于活动、断续型。而埋弧焊丝熔滴的过渡是沿“空腔”的渣壁向下滑落的，并未出现电弧瞬间熄灭现象，因此该类焊接方法的电弧形态应属于连续、非活动型。
　　2.1.2 熔滴过渡特性
　　埋弧焊电弧在焊剂空腔内燃烧，虽然电弧的引燃可能是短路过程，且短路时间非常短，但焊丝熔化金属的过渡方式却排除了短路过渡形态。文献[1]认为，埋弧焊中电磁收缩效应的作用力很大，相信其焊丝端部熔化金属是以颗粒状过渡的。X射线高速摄影观察表明，埋弧焊大部分熔滴呈渣壁过渡形态[3]。所谓渣壁过渡是指脱离焊丝末端的熔滴，沿空腔内壁滑落进入熔池的过渡方式（图2）。一般低速焊时，熔滴沿电弧前面渣壁过渡较多，焊接速度加快后，熔滴沿电弧后面渣壁过渡较多。此外，亦不排除少数熔滴以滴状直接过渡。熔滴的大小和过渡频率可能受到焊接电流和焊剂特性的控制，进而影响焊缝的成形等工艺质量。

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