La soldadura por arco sumergido (SAW) es una tecnología de soldadura automática de alta-eficiencia y alta-calidad ampliamente adoptada en la industria pesada, incluida la construcción naval, la construcción de puentes, la fabricación de recipientes a presión y la ingeniería de tuberías. A diferencia de los métodos de soldadura convencionales, SAW depende en gran medida del fundente granular para cubrir el arco de soldadura y el baño fundido, lo que determina la estabilidad del proceso de soldadura, la composición química del metal de soldadura y las propiedades mecánicas finales de las uniones soldadas.
Introducción
Soldadura por arco sumergido (SAW)se inventó en la década de 1930 y gradualmente se ha convertido en uno de los procesos de soldadura automática más importantes en la fabricación industrial moderna debido a sus destacadas ventajas, como gran corriente de soldadura, alta eficiencia de deposición, arco estable, bajas salpicaduras y excelente calidad de formación de soldadura. La característica más distintiva de SAW es que el arco de soldadura está completamente sumergido bajo una capa de fundente granular durante la operación. El fundente se funde bajo la alta temperatura del arco para formar una capa de escoria y un gas protector, que aísla el baño de soldadura fundida del aire, evita la oxidación y la nitruración del metal fundido y logra un moldeado de soldadura de alta-calidad.
Como consumible auxiliar principal de SAW, el fundente de soldadura no es solo un medio protector simple, sino también un material funcional clave que participa en reacciones metalúrgicas, ajusta la composición de la soldadura, optimiza las propiedades mecánicas y mejora el rendimiento del proceso de soldadura. La calidad y el tipo de fundente afectan directamente la estabilidad del arco, la penetración de la soldadura, la capacidad de eliminación de escoria, la resistencia al agrietamiento, la tenacidad y la dureza de la unión soldada. En la producción industrial real, una selección inadecuada del fundente provocará defectos de soldadura, como orificios de aire, inclusión de escoria, fusión incompleta, grietas en frío y atenuación de la tenacidad a baja -temperatura, lo que afectará gravemente la seguridad del servicio de las estructuras soldadas.
En comparación con otros fundentes de soldadura, el fundente SAW tiene las características de estado sólido granular, rendimiento reutilizable, diversos sistemas de componentes y funciones metalúrgicas específicas. Con la mejora continua de los estándares de fabricación industrial, se han planteado requisitos más altos para la limpieza, tenacidad y resistencia a la fatiga de las soldaduras, lo que promueve aún más el refinamiento de la clasificación y la optimización del rendimiento de los fundentes SAW. Este artículo comenzará con las funciones básicas del fundente SAW, clasificará y analizará los principales tipos de fundente en el mercado, discutirá sus respectivas características de rendimiento y condiciones aplicables, y resumirá los métodos científicos de selección de fundente para diferentes condiciones de trabajo, a fin de aclarar las reglas de aplicación del fundente en la soldadura por arco sumergido.
Funciones principales deFlujoen soldadura por arco sumergido
Para aclarar los tipos aplicables de fundente SAW, primero es necesario dominar las funciones principales del fundente en el proceso de soldadura. El fundente granular extendido sobre la junta de soldadura sufrirá fusión física y reacciones metalúrgicas químicas complejas bajo alta temperatura del arco, y sus funciones principales se dividen en protección física, regulación metalúrgica y optimización de procesos en tres dimensiones.
1. Función de protección física
La función más básica del flujo SAW es la protección del aislamiento físico. Durante la soldadura, el flujo granular de alimentación continua cubre el área de soldadura. El arco arde en el espacio entre el electrodo de alambre y el metal base, y el fundente circundante se funde para formar una densa capa de escoria líquida. La capa de escoria envuelve completamente el baño de soldadura fundido y el metal de soldadura de alta-temperatura, aislando el oxígeno, el nitrógeno y el vapor de agua del aire. Esto previene eficazmente la oxidación y nitruración del metal fundido, evita la formación de inclusiones de óxido y poros de nitruro y garantiza la pureza del metal de soldadura. Al mismo tiempo, la capa de fundente sólido en la superficie puede proteger la luz del arco y reducir las salpicaduras de soldadura, mejorando el ambiente de trabajo y la calidad del formado de la soldadura.
2. Función de regulación metalúrgica
El fundente es el medio central para la reacción metalúrgica en el proceso SAW. Los diferentes componentes del fundente pueden producir efectos de desoxidación, desulfuración, desfosforización y aleación. Por un lado, los componentes de óxido en el fundente reaccionan con los elementos oxidados en el baño fundido para eliminar el exceso de oxígeno, azufre y fósforo en el metal de soldadura, reducir las inclusiones frágiles y mejorar la tenacidad y plasticidad de la soldadura. Por otro lado, los fundentes activos y de aleación pueden liberar elementos de aleación como manganeso, silicio, cromo y níquel durante la fusión, compensar la pérdida por combustión de los elementos de aleación en el proceso de soldadura, ajustar la composición química del metal de soldadura y hacer que las propiedades mecánicas de la soldadura coincidan o incluso superen las del metal base.
3. Función de optimización del proceso de soldadura
El flujo SAW puede estabilizar eficazmente el arco de soldadura, ajustar la entrada de calor de soldadura y optimizar la morfología de la soldadura. El gas producido por la descomposición del fundente puede estabilizar el estado de combustión del arco, evitar la rotura y la inestabilidad del arco y garantizar la continuidad y uniformidad de la soldadura. El punto de fusión, la viscosidad y la fluidez del fundente determinan el rango de dispersión y la velocidad de solidificación de la escoria, afectando así la profundidad de penetración de la soldadura, el ancho de la soldadura y la altura del refuerzo. Además, la fórmula de fundente razonable puede hacer que la escoria tenga buena pelabilidad, evitar defectos de inclusión de escoria y reducir la carga de trabajo de limpieza posterior a la soldadura, lo cual es muy adecuado para la producción de soldadura automática de alta-eficiencia.
Principales tipos de fundente utilizados en la soldadura por arco sumergido
Los fundentes SAW tienen dos métodos de clasificación principales en la industria: clasificación por proceso de fabricación y clasificación por propiedades químicas (acidez y basicidad). Los dos métodos de clasificación cubren todos los fundentes SAW comerciales, y los diferentes tipos de fundentes tienen diferencias obvias en rendimiento, características y escenarios de aplicación. La combinación de estas dos dimensiones de clasificación puede aclarar completamente los tipos y el alcance aplicable de los flujos SAW.
1. Clasificación por Proceso de Fabricación
Según las diferentes tecnologías de producción y procesamiento, los fundentes SAW se dividen en fundentes fundidos, fundentes aglomerados (sinterizados) y fundentes aglomerados, que son los tres tipos de fundentes más utilizados en la producción industrial.
1.1 Fundente fusionado
El fundente fundido se prepara mezclando varias materias primas minerales en proporciones, fundiéndolas en un horno de alta-temperatura superior a 1300 grados, luego enfriándolas con agua, triturándolas, cribando y secando. Su estructura interna es de cristal vítreo uniforme, de textura compacta, baja absorción de agua y excelente resistencia a la humedad. El fundente fundido tiene propiedades químicas estables, distribución uniforme de componentes y buena estabilidad del arco. La escoria formada después de la fusión tiene una fluidez moderada y se pela fácilmente, y la formación de la soldadura es suave y hermosa. Sin embargo, debido al proceso de fusión a alta-temperatura, algunos elementos de aleación de bajo-punto de fusión son fáciles de quemar, por lo que el fundente fundido es principalmente un fundente neutro con una capacidad de aleación débil, adecuado para soldadura de acero al carbono convencional y acero de baja-aleación. Es ampliamente utilizado en soldadura de acero estructural en general, empalme de placas de acero y soldadura de tuberías convencional.
1.2 Fundente aglomerado (sinterizado)
El fundente aglomerado, también conocido como fundente sinterizado, se elabora mezclando polvo mineral, polvo de aleación y aglutinante de manera uniforme, granulado y sinterización a baja-temperatura (400-800 grados). Este proceso evita la pérdida de elementos de aleación por combustión a alta temperatura, por lo que el fundente se puede agregar con una variedad de componentes de aleación, con una fuerte capacidad de ajuste metalúrgico y de aleación. El fundente aglomerado tiene un ajuste de fórmula flexible, que se puede convertir en fundente activo, fundente básico y fundente de aleación según la demanda. Tiene ventajas sobresalientes para mejorar la tenacidad de la soldadura, reducir el contenido de hidrógeno y ajustar la resistencia de la soldadura. Su única desventaja es una absorción de agua ligeramente mayor que la del fundente fundido, por lo que es necesario hornearlo antes de soldarlo para eliminar la humedad y evitar grietas inducidas por el hidrógeno-. En la actualidad, el fundente aglomerado se ha convertido en el fundente principal para soldaduras de alto nivel-como acero de alta-resistencia, acero de baja temperatura y recipientes a presión.
1.3 Flujo Adherido
El fundente adherido se produce mezclando materias primas con silicato de sodio y otros aglutinantes de baja-temperatura, secando y solidificando a temperatura ambiente o baja temperatura. El proceso de producción es simple y el costo es bajo, pero la compacidad estructural es pobre, la absorción de agua es alta y la uniformidad de los componentes es insuficiente. El fundente adherido tiene poca estabilidad en procesos de soldadura de alta-corriente y es fácil producir inclusiones de escoria y defectos de poros. Solo es adecuado para operaciones de soldadura convencionales de baja-demanda y baja-corriente, y se reemplaza gradualmente por fundentes sinterizados y fundidos en la producción industrial moderna de alta-precisión.
2. Clasificación por basicidad química y actividad.
Según la composición química, el valor de basicidad y la actividad metalúrgica, los fundentes SAW se dividen en fundente neutro, fundente activo y fundente básico, que es la base de clasificación más comúnmente utilizada para la selección del proceso de soldadura.
2.1 Flujo neutro
El flujo neutro tiene un valor de basicidad de 1,0-1,5 y su composición química es estable. Básicamente, no aumenta ni reduce los elementos de aleación como el manganeso y el silicio en el metal de soldadura durante el proceso de soldadura, y la composición química de la soldadura está determinada principalmente por el alambre de soldadura. El fundente neutro tiene un excelente rendimiento del proceso, arco estable, formación de soldadura suave y fácil eliminación de escoria. Se utiliza principalmente para soldar acero al carbono ordinario y acero estructural común de baja -aleación. Es adecuado para ocasiones con requisitos generales de propiedades mecánicas y sin requisitos especiales de tenacidad a bajas temperaturas. El representante típico es el fundente SJ101, que se usa ampliamente en la soldadura de estructuras de acero en fábricas y en el empalme de placas convencionales.
2.2 Flujo activo
El fundente activo contiene una cierta cantidad de óxido de manganeso y óxido de silicio. Durante la reacción metalúrgica de soldadura, puede complementar adecuadamente los elementos de manganeso y silicio del baño de soldadura, desempeñar un fuerte papel de desoxidación y mejorar la resistencia y dureza del metal de soldadura. El fundente activo tiene una fuerte capacidad de desoxidación, que puede adaptarse a la soldadura de materiales base con ligera oxidación y oxidación, y tiene una gran adaptabilidad al proceso. Sin embargo, un exceso de elementos de aleación reducirá la tenacidad y plasticidad de la soldadura a baja-temperatura, por lo que solo es adecuada para soldadura estructural ordinaria sin requisitos estrictos de tenacidad, y no es adecuada para equipos de baja-temperatura y piezas estructurales clave de alta-carga.
2.3 Flujo Básico
El fundente básico tiene un valor de basicidad superior a 2,0, es rico en componentes alcalinos como óxido de calcio (CaO) y óxido de magnesio (MgO) y tiene un bajo contenido de óxido ácido. Tiene excelentes efectos de desulfuración y desfosforización, puede reducir significativamente el contenido de impurezas nocivas en el metal de soldadura e inhibir eficazmente la generación de grietas en caliente y en frío. Al mismo tiempo, el fundente básico puede mejorar significativamente la tenacidad al impacto a baja-temperatura y la plasticidad de la soldadura, y es el fundente preferido para soldadura de acero de baja-aleación de alta-resistencia, acero para recipientes a presión de baja-temperatura y acero para tuberías. La desventaja del fundente básico es que es sensible a la humedad y se debe realizar un estricto tratamiento de horneado y secado antes de soldar para evitar grietas retardadas inducidas por hidrógeno-. Los productos típicos, como el fundente SJ301, se utilizan ampliamente en proyectos de alto nivel-como el gasoducto West-East y la soldadura de estructuras principales de puentes.
Principios de selección del flujo SAW
El núcleo de la selección del fundente es hacer coincidir el rendimiento del material base, los requisitos de la estructura de soldadura y el entorno de servicio. No existe un flujo universal para todas las condiciones de trabajo. La selección científica del fundente debe seguir los siguientes principios para garantizar la calidad de la soldadura y la seguridad estructural.
1. Combinación con material de metal base
Para acero al carbono ordinario y acero de baja-resistencia y baja-aleación, se prefiere el fundente fundido neutro o el fundente sinterizado neutro. El proceso es estable y el costo es bajo, lo que puede cumplir con los requisitos de propiedades mecánicas convencionales de la soldadura. Para acero de alta-baja-aleación, acero de baja-temperatura y acero para recipientes a presión con un grado de resistencia superior a Q345, se debe seleccionar un fundente sinterizado básico para garantizar la tenacidad a baja-temperatura y la resistencia al agrietamiento de la soldadura. Para materiales de acero aleado que requieren alta resistencia al desgaste y alta resistencia, se puede seleccionar una aleación-que contenga fundente activo para complementar los elementos de aleación y mejorar el rendimiento integral de la soldadura.
2. Adecuación a las condiciones de trabajo del servicio
Para piezas estructurales ordinarias de interior con temperatura de servicio normal y carga baja, se puede utilizar un flujo activo neutro con buen rendimiento del proceso y bajo costo. Para estructuras exteriores, equipos de tuberías y recipientes a presión de baja-temperatura que funcionan en entornos de baja-temperatura, ventosos y húmedos, se debe seleccionar un fundente básico con alta tenacidad y bajo contenido de hidrógeno para evitar fracturas frágiles a baja-temperatura y grietas inducidas por hidrógeno-. Para la soldadura de múltiples capas y múltiples pasadas de placas gruesas, se prefiere un fundente básico con una fuerte capacidad de eliminación de impurezas y un rendimiento metalúrgico estable para evitar defectos acumulativos de la soldadura de múltiples capas.
3. Coincidencia con los parámetros del proceso de soldadura
La soldadura automática de alta-corriente y alta-velocidad es adecuada para fundente sinterizado con una fuerte estabilidad del arco y buena fluidez de la escoria, lo que puede garantizar una formación de soldadura continua. La soldadura con placa delgada-de baja-corriente puede adoptar un fundente fundido con un tamaño de partícula fino y una combustión estable. Además, el fundente reutilizable debe tamizarse y secarse para eliminar la escoria oxidada y la humedad, a fin de evitar afectar la calidad de soldadura de soldaduras posteriores.
Aplicación típica de fundentes SAW comunes
En la producción industrial, los más utilizados son varios fundentes estandarizados que cubren más del 90% de las condiciones de trabajo de las sierras. Las características de rendimiento y los escenarios de aplicación de los fundentes típicos se resumen a continuación:
El fundente sinterizado SJ101 es un fundente de silicio de manganeso-neutro, con arco estable, hermosa formación de soldadura y fácil eliminación de escoria. Es el fundente universal más utilizado, adecuado para soldar acero al carbono y acero ordinario de baja -aleación, y se utiliza ampliamente en estructuras de acero, fabricación de maquinaria y campos de ingeniería general.
El fundente básico de silicio-calcio SJ301 tiene un excelente efecto de desulfuración y mejora de la tenacidad, un bajo contenido de hidrógeno en el metal de soldadura, una fuerte resistencia al agrietamiento y es adecuado para soldadura de costura circunferencial de recipientes a presión, tuberías de petróleo y gas de larga-distancia y grandes estructuras de puentes, que es el fundente especial para soldadura de equipos de rodamientos de alta-presión estándar-.
El fundente activo ácido SJ201 tiene una fuerte capacidad de desoxidación y un bajo requisito de pretratamiento de la superficie del material base. Es adecuado para soldar placas de acero con ligero óxido y oxidación, y se utiliza principalmente para soldadura estructural auxiliar no-crítica con requisitos de baja calidad.
Especificaciones de mantenimiento y uso de SAW Flux
El rendimiento del fundente SAW se ve fácilmente afectado por las condiciones de almacenamiento y uso, y el funcionamiento estandarizado es la clave para aprovechar al máximo el rendimiento del fundente.
En primer lugar, el fundente debe almacenarse en un ambiente seco y ventilado para evitar la absorción de humedad. El fundente básico con alta higroscopicidad se debe hornear a 250-300 grados durante 1-2 horas antes de su uso para eliminar la humedad interna y reducir el contenido de hidrógeno de la soldadura.
En segundo lugar, el fundente reutilizado debe filtrarse para eliminar los bloques de escoria y las impurezas metálicas, y mezclarse con el nuevo fundente en una cierta proporción para su uso, lo que puede reducir efectivamente los costos de producción y al mismo tiempo garantizar la calidad.
Además, está estrictamente prohibido mezclar diferentes tipos de fundentes para evitar el desorden de los componentes, la inestabilidad del arco y fallas en la reacción metalúrgica, lo que resulta en defectos de soldadura.
El fundente para soldadura por arco sumergido se divide en fundente fundido, fundente aglomerado (sinterizado) y fundente adherido según la tecnología de fabricación, y se divide en fundente neutro, fundente activo y fundente básico según la basicidad química y la actividad metalúrgica. Los diferentes tipos de flujos tienen distintas características de rendimiento y escenarios de aplicación específicos. En la soldadura industrial por arco sumergido, no existe un fundente universal único. La selección del fundente debe basarse en el tipo de metal base, los requisitos del servicio estructural y las condiciones del proceso de soldadura.
Los fundentes neutros fundidos y sinterizados son adecuados para soldadura de acero al carbono convencional y acero ordinario de baja-aleación con requisitos generales de rendimiento; los fundentes activos se aplican a soldaduras estructurales de baja-demanda con gran adaptabilidad a las condiciones de la superficie del material base; Los fundentes sinterizados básicos son la opción principal para estructuras de soporte de acero de alta-resistencia, acero de baja-temperatura y presión clave-debido a su excelente mejora de la tenacidad y resistencia al agrietamiento.
Con el desarrollo de tecnología de soldadura de alta-eficiencia, alta-precisión y bajo-costo, el fundente sinterizado básico de alto-rendimiento y bajo-hidrógeno y el fundente de aleación personalizado se convertirán en la principal dirección de desarrollo del fundente SAW. La selección, el almacenamiento y el uso estandarizados del fundente son cruciales para mejorar la calidad de la soldadura, reducir la tasa de defectos y garantizar la seguridad del servicio-a largo plazo de las estructuras soldadas.
