奥氏体不锈钢带极电渣堆焊用烧结焊剂研制学习体会

文献概况与技术背景

谢翔等人在《电焊机》2011年第41卷第2期发表的这篇论文，报道了一种新型奥氏体不锈钢带极电渣堆焊用烧结焊剂的研制成果。带极电渣堆焊（Electroslag Cladding with Strip Electrode, ESC）是一种高效的堆焊工艺，特别适用于大面积、大厚度堆焊层的制备。与传统的焊条电弧焊或埋弧焊相比，带极电渣堆焊具有熔敷效率高、稀释率低、合金元素烧损小、堆焊层组织均匀等优点，在石化、电力、食品等行业的设备表面防腐耐磨修复中具有广阔的应用前景。

烧结焊剂是埋弧焊和电渣焊中常用的焊接材料，通过造渣剂与粘结剂的混合、成型、烧结等工艺制成。焊剂的成分和性能直接影响焊接过程的稳定性、焊缝成形质量、堆焊层组织和性能。对于奥氏体不锈钢的带极电渣堆焊而言，焊剂的选择尤为关键，因为奥氏体不锈钢的焊接性要求特殊，需要防止凝固裂纹、控制铁素体含量、保证合金元素的回收率等。

烧结焊剂的成分设计与渣系分析

渣系选择与碱度控制

本文研制的烧结焊剂采用CaF₂-MgO-SiO₂-Al₂O₃渣系，碱度BIIW为3.5～3.8。碱度是衡量焊剂成分的重要参数，直接影响熔渣的流动性、脱氧能力、脱硫能力和合金元素的回收率。在电渣焊中，碱度一般控制在3.0～4.0之间，过高则熔渣粘度大、流动性差，过低则脱氧脱硫能力不足、合金烧损大。

粘结剂与烧结工艺

烧结焊剂的制造过程中，粘结剂的选择和烧结工艺参数对焊剂性能有重要影响。常用的粘结剂包括水玻璃（硅酸钠）、碳酸钠、淀粉等。水玻璃粘结剂成本低、粘结性好，但耐水性差；碳酸钠粘结剂耐水性好，但成本较高。烧结温度一般在900～1100℃之间，温度过低则烧结不充分，强度不足；温度过高则烧结过度，颗粒过硬，熔渣流动性差。

焊接工艺试验结果分析

电渣过程稳定性

焊接工艺试验结果表明，使用该焊剂后，焊接开始后5秒内即可迅速建立电渣熔池，并在随后的施焊中保持稳定的电渣过程。电渣过程的稳定性是带极电渣堆焊质量的关键保障。电渣过程不稳定的表现包括：熔池振荡、电弧飘移、熔滴过渡不均匀、堆焊层成形不良等。

电渣过程稳定性的影响因素包括：焊剂成分（决定熔渣的物理化学性质）、电流密度（决定熔池的电磁力场）、送丝速度（决定填充金属的供给速率）、焊接速度（决定单位长度的热输入）等。本文研制的焊剂通过合理的成分设计，实现了熔渣的适当粘度和良好的流动性，为稳定的电渣过程提供了物质基础。

飞溅控制与脱渣性能

试验还表明，使用该焊剂焊接过程中飞溅少，焊后脱渣容易。飞溅是焊接过程中的常见问题，不仅浪费焊材，还会影响焊缝成形和焊接效率。飞溅的减少意味着焊接过程的稳定性和熔池的平静度得到了改善。焊后脱渣容易则降低了后处理成本，提高了生产效率。

堆焊层组织与化学成分

堆焊层金相组织观察和化学成分分析的结果显示，堆焊层的凝固模式为FA（Ferrite-Austenite）模式，即铁素体-奥氏体凝固模式。FA模式是奥氏体不锈钢焊缝中理想的凝固模式，具有优良的抗凝固裂纹能力。相比之下，AF（Austenite-Ferrite）模式即奥氏体-铁素体凝固模式，凝固裂纹敏感性较高。

堆焊层最终组织为奥氏体加少量铁素体，这一组织特征符合奥氏体不锈钢的理想要求。少量铁素体（一般3%～8%）的存在有利于提高焊缝的抗裂性、降低焊接残余应力、改善焊缝的成形质量。母材对堆焊层的稀释率低，合金元素的烧损小，这两项指标直接反映了焊剂对合金元素回收率的改善效果。

关键技术要点解读

抗凝固裂纹机理

FA凝固模式之所以具有优良的抗凝固裂纹能力，其机理在于：铁素体的凝固收缩率小于奥氏体，铁素体枝晶之间的液膜流动性较好，有利于补偿凝固收缩；铁素体枝晶的形态有利于应力释放，降低了凝固裂纹的驱动力；铁素体-奥氏体相界面上的溶质富集较少，降低了偏析裂纹的敏感性。

对于奥氏体不锈钢的带极电渣堆焊而言，凝固裂纹是主要的质量隐患。通过选择合适的焊剂成分，控制熔渣的碱度和脱氧能力，可以调节堆焊层的凝固模式，从而有效防止凝固裂纹的产生。

合金元素回收率与稀释率控制

带极电渣堆焊的一个突出优势是稀释率低。在电渣焊过程中，熔池与母材的接触面积小，熔池深且窄，母材熔化的金属量相对较少，因此稀释率可以控制在较低水平。同时，合理的焊剂成分可以减少合金元素的氧化烧损，提高合金回收率。

对于奥氏体不锈钢堆焊而言，稀释率的控制至关重要。如果稀释率过高，堆焊层中的铬、镍含量会降低，导致组织中出现过多的铁素体甚至马氏体，严重影响堆焊层的耐蚀性和力学性能。本文研制的焊剂通过提高合金回收率，有效降低了稀释率对堆焊层成分的影响。

工程应用与质量控制

适用工况评估

奥氏体不锈钢带极电渣堆焊特别适用于以下工况：大型容器内壁的防腐堆焊、反应器内壁的耐蚀修复、储罐内壁的防腐蚀处理、换热器管板的表面强化等。这些工况的共同特点是堆焊面积大、厚度要求高、对耐蚀性要求严格，传统的手工焊或半自动焊效率太低，难以满足生产要求。

质量控制要点

在实际生产中，使用本文研制的烧结焊剂进行带极电渣堆焊时，需要关注以下质量控制要点：一是焊剂的储存与使用，烧结焊剂应防潮保存，使用前适当烘干（200～300℃，1～2小时）；二是焊接参数的匹配，电流密度、送丝速度、焊接速度等参数需要根据焊剂性能和堆焊层厚度要求进行优化；三是堆焊层的厚度控制，多层堆焊时每层的厚度应均匀一致，以保证堆焊层的组织均匀性；四是堆焊后的热处理，根据使用工况需要，可以进行固溶处理或稳定化处理。

常见质量问题与对策

学习心得与总结

这篇文献给笔者的最大启示是：焊接材料的创新开发必须与焊接工艺的需求紧密结合。烧结焊剂作为带极电渣堆焊的关键焊接材料，其成分设计需要充分考虑电渣过程的特殊性——熔渣的物理化学性质、合金元素的回收率、凝固模式的调控等。本文通过CaF₂-MgO-SiO₂-Al₂O₃渣系的设计和碱度优化，成功实现了电渣过程的稳定性、堆焊层的FA凝固模式和低稀释率，证明了合理的焊剂设计可以有效解决奥氏体不锈钢带极电渣堆焊中的关键技术难题。

笔者在实际工作中也深刻体会到，焊接材料的开发是一个系统工程，需要从成分设计、工艺试验、性能评价、工程验证等多个环节进行系统研究。烧结焊剂的研制不仅需要关注其物理化学性能，还需要考虑其在实际焊接过程中的表现——电渣过程的稳定性、飞溅控制、脱渣性能等。本文通过焊接工艺试验和堆焊层金相分析，全面评价了焊剂的性能，这种从材料到工艺、从工艺到性能的系统研究方法，为焊接材料的工程应用提供了可靠的技术支撑。

此外，本文关于FA凝固模式的研究也具有重要的理论意义。凝固模式是决定焊缝质量的关键因素，通过焊剂成分的调控实现理想的凝固模式，是一种经济有效的质量控制手段。这种"以材料调控工艺、以工艺保证质量"的思路，代表了现代焊接技术发展的方向，值得在更广泛的焊接材料开发中推广应用。