鈦型氣體保護(hù)藥芯焊絲熔滴細(xì)化機(jī)理及其控制

孫咸

(太原理工大學(xué)焊接材料研究所，山西太原030024)

0 前言

鈦型渣系E501T-1型藥芯焊絲，是造船、鋼結(jié)構(gòu)等工業(yè)部門使用藥芯焊絲中用量最大的一種藥芯焊絲，焊絲生產(chǎn)企業(yè)不僅對(duì)該產(chǎn)品性能的關(guān)注度一直很高，而且產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)異常激烈。經(jīng)過(guò)持續(xù)不斷改進(jìn)，國(guó)產(chǎn)該類藥芯焊絲的綜合性能要比以前改善不少，尤其是操作手感方面在工程應(yīng)用中獲得了一定肯定。較為專業(yè)的人士都很明白，好的熔滴過(guò)渡形態(tài)必然伴隨好的操作工藝性能，對(duì)于E501T-1型藥芯焊絲來(lái)說(shuō)，以大電流、強(qiáng)規(guī)范(含高的電弧電壓)條件施焊時(shí)，該焊絲熔滴的主流過(guò)渡形態(tài)是非軸向細(xì)滴狀過(guò)渡，對(duì)大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)施工人員其操作工藝性滿意［1］。國(guó)外同類名牌藥芯焊絲無(wú)一不是非軸向細(xì)滴狀過(guò)渡形態(tài)。研究表明，非軸向細(xì)滴狀過(guò)渡形態(tài)形成條件:一是臨界電流熔滴尺寸小，二是大電流、強(qiáng)規(guī)范(含高的電弧電壓)。細(xì)熔滴既是首要條件也是工藝規(guī)范結(jié)果。焊絲熔滴如何細(xì)化，熔滴細(xì)化機(jī)理如何，有哪些影響因素，細(xì)化后操作工藝性怎么樣，會(huì)不會(huì)還有新的問(wèn)題出現(xiàn)，怎樣解決?眾多藥芯焊絲生產(chǎn)企業(yè)急需這些理論，使焊絲品質(zhì)能再上一個(gè)臺(tái)階。

為此，本文特意將藥芯添加物種類和焊接參數(shù)對(duì)熔滴尺寸的影響，與焊絲熔滴細(xì)化相聯(lián)系，探討熔滴細(xì)化機(jī)理及其控制方法。該項(xiàng)研究對(duì)正確選用工藝參數(shù)和藥芯添加物種類，采用合理、有效的熔滴細(xì)化控制方法，促進(jìn)企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展，不斷提升藥芯焊絲質(zhì)量水平，具有一定參考意義和實(shí)用價(jià)值。

1 電弧物理基礎(chǔ)

1.1 電弧形態(tài)

文獻(xiàn)［2］通過(guò)與實(shí)心焊絲的對(duì)比觀察，把藥芯焊絲的電弧形態(tài)分為四種類型:按電弧的連續(xù)性分，可以分為連續(xù)型和斷續(xù)型電弧;按電弧的活動(dòng)性分，可以分為活動(dòng)型和非活動(dòng)型電弧。實(shí)心焊絲CO2氣體保護(hù)焊時(shí)，盡管熔滴的非軸向排斥過(guò)渡形態(tài)使電弧偏離焊絲軸線，而且隨熔滴在焊絲端急速擺動(dòng)而飄移不定，但電弧首先是在焊絲端頭的整個(gè)截面上產(chǎn)生的，同時(shí)熔滴在短路過(guò)渡瞬間會(huì)出現(xiàn)電弧瞬間熄滅現(xiàn)象，因此實(shí)心焊絲的電弧形態(tài)屬于活動(dòng)、斷續(xù)型。而“O”型截面藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊時(shí)，熔滴雖然也是非軸向排斥過(guò)渡形態(tài)，而且隨熔滴在焊絲端急速擺動(dòng)而發(fā)生電弧遷移，然而電弧首先是產(chǎn)生在焊絲金屬外套管上，況且熔滴的滴狀過(guò)渡并未出現(xiàn)電弧瞬間熄滅現(xiàn)象，因此該類藥芯焊絲的電弧形態(tài)應(yīng)屬于活動(dòng)、連續(xù)型?？傮w上看，藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊時(shí)，由于藥芯中加有穩(wěn)弧劑，電弧的挺度和穩(wěn)定性均比實(shí)心焊絲的好，焊絲的工藝性理應(yīng)得到明顯的改善。

1.2 熔滴過(guò)渡特性

1.2.1 熔滴形成過(guò)程

圖1是藥芯焊絲熔滴過(guò)渡受力模型。觀察對(duì)接口“O”形截面藥芯焊絲熔滴形成過(guò)程，可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)入電弧區(qū)的焊絲端部，在接口處及其附近的鋼帶首先快速熔化，而在接口的徑向處鋼帶則滯后熔化，于是很快形成了偏心熔滴懸于焊絲端部;與此同時(shí)處于焊絲端部、熔滴下方的還有滯后鋼帶熔化的所謂渣柱，有時(shí)還有滯后熔化的一小段細(xì)鋼帶。隨著焊絲不斷送進(jìn)，熔滴在電弧中急速旋轉(zhuǎn)、飄移并過(guò)渡。可以看出，電弧燃燒時(shí)，焊絲端部沿圓周方向不能同步熔化，而是沿接口處熔化速度快，接口徑向處熔化速度慢，結(jié)果出現(xiàn)偏心熔化(或馬蹄形熔化)、熔滴沿焊絲周邊懸掛運(yùn)動(dòng)和熔滴的非軸向過(guò)渡現(xiàn)象。至于處于熔滴下方的渣柱的形成，則是由于藥芯組成物熔點(diǎn)比鋼帶高所致。

圖1 熔滴過(guò)渡的各種力

1.2.2 熔滴過(guò)渡形態(tài)

這類藥芯焊絲熔滴過(guò)渡的基本形態(tài)是非軸向排斥滴狀過(guò)渡，其主要的過(guò)渡指標(biāo)是熔滴尺寸、過(guò)渡頻率及熔滴過(guò)渡的非軸向傾向。熔滴過(guò)渡形態(tài)的變化，主要依賴于焊接電流變化。在小電流下焊接時(shí)，焊絲端部的滴狀熔滴受多種力作用下急速地?cái)[動(dòng)，并以非軸向方式不停地脫離焊絲實(shí)現(xiàn)過(guò)渡。隨焊接電流的增大，熔滴尺寸減小，過(guò)渡頻率增大，熔滴的非軸向傾向略顯減小;當(dāng)焊接電流大于某范圍值后，熔滴尺寸急劇減小，過(guò)渡頻率急劇增大，熔滴沿焊絲渣柱方向過(guò)渡，此時(shí)的形態(tài)可以稱為“射滴過(guò)渡”，亦有文獻(xiàn)［3，4］稱為“噴射過(guò)渡”。熔滴沿渣柱的過(guò)渡行為，對(duì)穩(wěn)定電弧、減小焊接飛濺、改善操作工藝性較為有利。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)平焊位置焊接時(shí)，通常采用較大焊接電流，電弧電壓相應(yīng)提高，這類焊絲發(fā)生短路過(guò)渡的機(jī)會(huì)較小。

2 熔滴細(xì)化機(jī)理

2.1 熔滴過(guò)渡條件

從圖1可以看出，在GMAW中采用CO2時(shí)，電弧中熔滴上有多種力在起作用，按照是否促進(jìn)熔滴過(guò)渡來(lái)分類，主要分為兩種力，即促進(jìn)熔滴從焊絲端分離的力:熔滴重力Fg、電磁力Fem、等離子流力Fd等;阻礙熔滴過(guò)渡的力:熔滴的表面張力Fσ、熔滴上的斑點(diǎn)壓力Fb，以及熔滴下方的氣體(含金屬蒸氣)排斥力Fq等。按照力學(xué)中靜平衡原理，沿焊絲軸線方向的力達(dá)到平衡時(shí)的條件:

當(dāng)F分離力＞F保持力時(shí)，即

熔滴從焊絲端被分離，實(shí)現(xiàn)過(guò)渡。

鈦型CO2氣體保護(hù)藥芯焊絲熔滴過(guò)渡最突出特點(diǎn)是熔滴過(guò)渡的非軸向性。為什么是這樣的呢?這是由于作用在熔滴上的各種力阻礙熔滴過(guò)渡所造成的。首先是斑點(diǎn)壓力Fb的作用。CO2氣體高溫吸熱對(duì)電弧的冷卻作用，使電弧電場(chǎng)強(qiáng)度提高，電弧收縮，弧根面積減小，增大了熔滴上的斑點(diǎn)壓力Fb，阻礙熔滴過(guò)渡。第二是表面張力Fσ的作用。通常表面張力Fσ是力圖把已熔化的金屬拉回焊絲末端，阻礙熔滴過(guò)渡的力。第三是蒸發(fā)氣體反作用力的作用(屬于斑點(diǎn)壓力范疇)。在熔滴電弧斑點(diǎn)處，電流密度很高，金屬物質(zhì)強(qiáng)烈蒸發(fā)對(duì)熔滴表面產(chǎn)生很大的反作用力，一定程度上阻礙熔滴過(guò)渡。最后是保護(hù)氣體排斥力Fq作用。堆積在熔池上部的CO2氣體被電弧加熱，體積膨脹對(duì)熔滴產(chǎn)生排斥作用，阻礙熔滴過(guò)渡?？偠灾沁@幾種力綜合作用的結(jié)果。對(duì)于某一牌號(hào)的藥芯焊絲，隨著焊接參數(shù)的變化，各種力的大小和方向隨時(shí)發(fā)生變化，致使作用于熔滴上F分離力和F保持力的對(duì)比發(fā)生變化，熔滴不僅發(fā)生過(guò)渡，而且過(guò)渡指數(shù)不斷改變，熔滴過(guò)渡形態(tài)亦發(fā)生變化。

2.2 各作用力對(duì)熔滴過(guò)渡的貢獻(xiàn)

作用在熔滴上的力大小不一，方向可變，對(duì)熔滴最終過(guò)渡所做貢獻(xiàn)各異。如表1所示，有一些力并非主導(dǎo)力，但其中5種力應(yīng)當(dāng)是主導(dǎo)力，即重力Fg、電磁力Fem、等離子流力Fd、表面張力Fσ、斑點(diǎn)壓力Fb。研究表明，焊接電流較小時(shí)，熔滴重力Fg和表面張力Fσ是熔滴過(guò)渡的主導(dǎo)力，此時(shí)熔滴重力Fg促進(jìn)熔滴過(guò)渡，而表面張力Fσ則阻礙熔滴過(guò)渡;焊接電流較大時(shí)，電磁力Fem、等離子流力Fd以及表面張力Fσ是熔滴過(guò)渡的主導(dǎo)力，它們均有利熔滴過(guò)渡;斑點(diǎn)壓力Fb與電源極性、藥芯組成元素等有關(guān)，氣體排斥力Fq則對(duì)熔滴過(guò)渡產(chǎn)生負(fù)面影響。既然熔滴過(guò)渡是上述各種力綜合作用的結(jié)果，那么，熔滴過(guò)渡的控制，實(shí)質(zhì)上就是要控制作用在熔滴上的各種力。而這些力的變化及影響因素又比較復(fù)雜。

鑒于熔滴細(xì)化是熔滴質(zhì)量減小過(guò)程，應(yīng)當(dāng)通過(guò)增大主導(dǎo)力Fem和Fd，同時(shí)減小主導(dǎo)力Fb和Fσ，實(shí)現(xiàn)F分離力大于F保持力的條件，最終使熔滴被細(xì)化。

表1 熔滴作用力對(duì)熔滴過(guò)渡的貢獻(xiàn)(水平位焊接)

3 焊接參數(shù)對(duì)熔滴細(xì)化的影響

焊接參數(shù)對(duì)熔滴尺寸的影響試驗(yàn)(表2)，是在表3所列基本參數(shù)基礎(chǔ)上，單調(diào)變化某一參數(shù)的實(shí)測(cè)結(jié)果。可以看出，在所試驗(yàn)的6個(gè)參數(shù)變化中，僅有焊接電流、電弧電壓和電源極性3個(gè)參數(shù)對(duì)熔滴細(xì)化有作用。從焊接電流來(lái)看，隨焊接電流增大，電弧的溫度升高，使作用在熔滴上的表面張力Fσ減小;另一方面，隨焊接電流的增大，作用在熔滴上的電磁力Fem的分離作用也在增大。作用力一小一大的變化，有利于公式(2)進(jìn)行，熔滴被細(xì)化。從電弧電壓看，電弧電壓過(guò)低，如20 V以下時(shí)，電弧劇烈飄移，焊絲成段脫落，不成熔滴，這種參數(shù)對(duì)生產(chǎn)毫無(wú)意義。電壓升至25 V時(shí)，電弧仍有飄移，熔滴粗大，飛濺嚴(yán)重。在如此短的電弧長(zhǎng)度下焊接，熔滴過(guò)渡形態(tài)將會(huì)變?yōu)槎搪愤^(guò)渡。該情況與文獻(xiàn)［6］所示的規(guī)律(圖2)完全一致。隨電弧升至30 V時(shí)，熔滴呈滴狀過(guò)渡形態(tài)，電弧飄移明顯減弱，熔滴變小，過(guò)渡頻率增大，飛濺減小，脫渣、成形滿意。電弧電壓升高時(shí)熔滴被細(xì)化的原因，需要考慮當(dāng)時(shí)采用了280 A焊接電流(表3)，電弧溫度的升高，電磁力的作用，致使熔滴的表面張力Fσ減小。最后是電源極性的影響。與直流正接相比，直流反接時(shí)，陽(yáng)極斑點(diǎn)面積略增大，斑點(diǎn)壓力Fb減小，過(guò)渡阻力減小，熔滴也減小。

表3 基本焊接參數(shù)

圖2 焊接電流、電弧電壓與熔滴過(guò)渡形態(tài)間的關(guān)系［6］

如前所述，焊接電流對(duì)熔滴細(xì)化的影響，是增大電流熔滴細(xì)化，然而焊接電流不能無(wú)限增大，因?yàn)樘蟮碾娏鲗?dǎo)致工藝惡化。如表4所示，對(duì)于φ1.2 mm的焊絲，平焊位置的最佳電流是240～260 A，此時(shí)熔滴細(xì)小、飛濺較小、電弧穩(wěn)定、高溫渣覆蓋均勻、成形美觀，綜合工藝性十分滿意;更大的焊接電流280～300 A時(shí)，雖然熔滴更細(xì)，但飛濺增大、電弧不穩(wěn)、熔渣覆蓋不全、成形變差、表面氧化嚴(yán)重，綜合工藝性不能令人滿意。

表4 焊接電流對(duì)熔滴過(guò)渡及工藝性影響測(cè)試結(jié)果［7］

4 藥芯組成物對(duì)熔滴細(xì)化的影響

表5列出了8種藥芯組成物的試驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?，具有細(xì)化熔滴效果的組成物有5種，其余均沒(méi)有細(xì)化效果。隨藥芯中金紅石加入量的增加，熔滴未被細(xì)化的原因，是由于金紅石中含有大量TiO2，雖然TiO2的鍵能小，表面張力也小，在渣中會(huì)使其表面張力下降;但是TiO2的結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，在焊接條件下不使熔滴增氧，不能降低熔滴界面張力，致使它對(duì)熔滴的細(xì)化作用很微弱。石英隨其加入量的增加，熔滴被細(xì)化的原因，是石英中的SiO2使熔滴的表面張力減小所致。長(zhǎng)石加入量的增加，熔滴被細(xì)化，其機(jī)理是:長(zhǎng)石中的SiO2，以及K2O和Na2O使熔滴的表面張力減小，且可能使弧根面積微增所致。鋯英石加入量增加，熔滴被細(xì)化是因?yàn)殇営⑹械腟iO2使熔滴的表面張力減小。鎂砂對(duì)熔滴的微細(xì)化作用主要考慮其對(duì)電弧穩(wěn)定性改善，弧根面積微增所致。隨氟化物加入量增加，由于含有反電離元素，穩(wěn)弧性惡化，弧根面積減小，斑點(diǎn)壓力增大，熔滴過(guò)渡阻力增大，熔滴明顯變粗。鋁鎂合金對(duì)熔滴的細(xì)化作用與弧根面積擴(kuò)大，電弧溫度升高，熔滴表面張力減小有關(guān)。鐵粉多數(shù)進(jìn)入熔池，在熔滴過(guò)渡區(qū)的冶金反應(yīng)對(duì)熔滴上的作用力無(wú)明顯作用，熔滴尺寸變化不大。綜上，有5種熔滴細(xì)化添加物可供選用，然而焊絲的工藝質(zhì)量不盡相同。也就是說(shuō)，熔滴被細(xì)化焊絲的綜合工藝質(zhì)量未必一定完好，因?yàn)榈V物中其他成分的冶金作用可能造成一定的負(fù)面影響，甚至是嚴(yán)重的負(fù)面影響。可是，綜合工藝質(zhì)量比較好的焊絲，其熔滴一定比較細(xì)小。很顯然，熔滴細(xì)化是改善焊絲工藝質(zhì)量的必備條件和重要條件，但還不是充分條件。綜合分析比較而言，有實(shí)用價(jià)值的首推長(zhǎng)石。

表5 藥芯組成物對(duì)熔滴尺寸的影響［5］

5 熔滴細(xì)化的控制方法

對(duì)于直徑φ1.2 mm的“O”形截面藥芯焊絲，選擇滴狀過(guò)渡而不是短路過(guò)渡前提條件下，亦在選定的焊接參數(shù)條件下，該類藥芯焊絲熔滴細(xì)化的控制原則首先是:

即接下來(lái)考慮焊接參數(shù)或配方因素的選控，如圖3所示。

(1)降低熔滴表面張力Fσ。采用強(qiáng)規(guī)范大電流，提高弧柱溫度;另一方面，在藥芯中加入細(xì)化熔滴的組成物，使熔滴表面張力明顯減小。

(2)降低熔滴斑點(diǎn)壓力Fb。采用直流反接法是必須的，因?yàn)殛?yáng)極斑點(diǎn)面積略增大，斑點(diǎn)壓力Fb減小，過(guò)渡阻力減小，熔滴也減小。在藥芯中加入含K、Na低電離組成物能改善穩(wěn)弧性，增大弧根面積，減小熔滴上的斑點(diǎn)壓力。還有，嚴(yán)格控制藥芯中氟化物含量(或把氟化物含量控制在最低)，使熔滴上的斑點(diǎn)壓力不至于太大，能控制熔滴過(guò)渡阻力。

(3)降低熔滴重力Fg。它不是細(xì)化熔滴的既定措施，而是熔滴細(xì)化的結(jié)果，亦是焊絲工藝性設(shè)計(jì)的目標(biāo)所在。

(4)提高電磁力Fem(和等離子流力Fd)。電磁力的方向取決于電流傳輸狀態(tài)。發(fā)散的電流傳輸會(huì)產(chǎn)生一個(gè)分離力(焊絲與熔滴連接處)，而匯聚的電流則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)阻礙力(熔滴底部托力)。電磁力與焊接電流呈正比，采用大電流時(shí)，電磁力總的趨勢(shì)是促進(jìn)熔滴過(guò)渡的主導(dǎo)力。

綜上所述，該焊絲熔滴細(xì)化控制方法思路新穎，因素匹配合理。在給定焊絲情況下，大多數(shù)施工現(xiàn)場(chǎng)，可以采用大電流、強(qiáng)規(guī)范，充分發(fā)揮電弧熱及電磁力的有利作用，如在平焊位置用I=260～280 A(U=28～30V)，甚至I=3 00A(U=32 V)。此時(shí)，焊絲熔滴過(guò)渡形態(tài)為非軸向排斥細(xì)滴狀過(guò)渡，不可能有短路過(guò)渡，焊絲工藝性較好，為操作者所認(rèn)可。在某些專用焊絲或研制新焊絲時(shí)，可以在焊芯中添加低電離物質(zhì)或限制氟化物含量，用以控制熔滴上的斑點(diǎn)壓力。當(dāng)然，更應(yīng)著力選用綜合效果好的細(xì)化熔滴組成物。這兩種方法已被業(yè)內(nèi)企業(yè)采用。日本DW-100焊絲的熔滴較細(xì)、均勻，但不是太細(xì)，然而熔敷金屬的綜合性能非常穩(wěn)定、滿意，在控制熔滴細(xì)化等方面頗具特色，值得借鑒。

圖3 熔滴細(xì)化控制方法

6 結(jié)論

(1)鈦型渣系CO2氣體保護(hù)藥芯焊絲的電弧形態(tài)應(yīng)屬于活動(dòng)、連續(xù)型，焊絲熔滴過(guò)渡的基本形態(tài)是非軸向排斥滴狀過(guò)渡。

(2)鑒于熔滴細(xì)化是熔滴質(zhì)量減小過(guò)程，應(yīng)當(dāng)通過(guò)增大主導(dǎo)力Fem和Fd，同時(shí)減小主導(dǎo)力Fb和Fσ，實(shí)現(xiàn)F分離力大于F保持力條件，最終使熔滴細(xì)化。

(3)焊接參數(shù)對(duì)熔滴細(xì)化的影響主要是電流和電弧電壓的影響，在給定電壓時(shí)，較大電流通過(guò)電磁力的有利作用，是熔滴細(xì)化、工藝滿意的主要和重要因素。

(4)綜合分析5種添加物對(duì)熔滴細(xì)化的試驗(yàn)效果，比較而言，有實(shí)用價(jià)值的首推長(zhǎng)石。

(5)以綜合工藝性滿意為目標(biāo)的熔滴細(xì)化控制方法，思路新穎，因素匹配合理，已被業(yè)內(nèi)企業(yè)采用，國(guó)外名牌產(chǎn)品熔滴細(xì)化頗具特色，值得借鑒。

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