埋弧焊熔滴過渡形態(tài)與焊接工藝質量的關系

孫咸

（太原理工大學焊接材料研究所，山西太原030024）

埋弧焊熔滴過渡形態(tài)與焊接工藝質量的關系

孫咸

（太原理工大學焊接材料研究所，山西太原030024）

探討埋弧焊熔滴過渡形態(tài)與焊接工藝質量的關系。結果表明，在單絲埋弧焊中，渣壁過渡是熔滴的主導過渡形態(tài)，在雙絲埋弧焊中，可能存在渣壁和噴射多種過渡形態(tài)，但不會有短路過渡形態(tài)。影響埋弧焊熔滴過渡的多種因素中，焊接電流是改變過渡形態(tài)的決定因素。單絲埋弧焊中，通過工藝參數變化建立了熔滴過渡形態(tài)與焊接工藝質量間的關系，其內在聯系主要是熔滴尺寸、電弧力和熔滴沖擊力變化。在雙絲埋弧焊中，渣壁、噴射和滴狀過渡對焊接質量參數的作用各異，前后焊絲過渡形態(tài)的位置匹配對焊接質量參數影響強烈。

熔滴過渡形態(tài)；焊接工藝質量；埋弧焊；電弧空腔

0 前言

埋弧焊以高效、自動化優(yōu)勢和成熟的工藝方法廣泛應用于中厚板規(guī)則焊縫焊接結構中。埋弧焊的電弧是掩埋在焊劑之中燃燒，從外部看不到電弧和熔滴過渡形態(tài)，不僅不能直接掌握熔滴過渡形態(tài)對焊接工藝質量的影響規(guī)律，而且難以采用具有高復雜波形處理的現代埋弧焊硬件，可能限制埋弧焊設備的換代和發(fā)展。另一方面，有關埋弧焊熔滴過渡的文獻比較有限[1-3]。迄今為止，將埋弧焊熔滴過渡形態(tài)與焊接質量相聯系的文獻更是罕見。因此，繼續(xù)開展埋弧焊熔滴過渡相關研究非常必要。為此，本研究特意將焊接工藝質量參數與埋弧焊熔滴過渡形態(tài)相聯系，探討埋弧焊熔滴過渡形態(tài)與焊接工藝質量的關系和控制原理。該研究對于進一步認識埋弧焊工藝、研發(fā)新型焊接設備、豐富埋弧焊理論及工程應用，具有一定的參考價值和理論意義。

1 埋弧焊中的熔滴過渡形態(tài)

1.1 電弧空腔內的電弧行為及熔滴過渡形態(tài)

雖然埋弧焊的電弧是掩埋在焊劑之中燃燒（見圖1），從外部看不到電弧發(fā)出的弧光和電弧形態(tài)，但是埋弧焊電弧與氣體保護焊中的電弧有本質上的差異。實心焊絲CO2氣保護焊時，電弧是在焊絲端頭整個截面上產生，同時熔滴在短路過渡瞬間會出現電弧瞬間熄滅現象，因此實心焊絲的電弧形態(tài)屬于活動、斷續(xù)型。而埋弧焊絲熔滴的過渡是沿“空腔”的渣壁向下滑落，并未出現電弧瞬間熄滅現象，因此該類焊接方法的電弧形態(tài)應屬于連續(xù)、非活動型。

埋弧焊電弧在焊劑空腔內燃燒，其熔滴過渡方式可能有多種，相關文獻的論述如表1所示。文獻過渡。這是因為埋弧焊所用電流很大，電流密度高，電磁作用力比較強烈。第二，熔滴是否沿渣壁滑落進入熔池，需具備2個條件：①熔渣形成的電弧空腔壁；②熔滴的非軸向脫落。條件①已經具備，條件②因空腔內充滿了焊劑高溫熔化產生的CO和金屬[1]認為，在埋弧焊中，收縮效應（電磁收縮力）的作用很大，可以相信端部熔化金屬是以顆粒狀過渡。當埋弧焊弧長縮短時，也會發(fā)生短路，但是短路時間非常短，大約1/500～1/1 000 s，瞬間重新回到燃弧狀態(tài)（在正常電壓下穩(wěn)定焊接時不會發(fā)生短路，因為大電流時電弧力足夠大，強烈阻礙焊絲和熔池相互接觸）。文獻[2]認為，通過X射線高速攝影觀察表明，埋弧焊時電弧是在熔渣形成的空腔內燃燒，大部分熔滴沿著渣壁流入熔池，即成渣壁過渡形式。一般低速焊接時，熔滴沿電弧前面渣壁過渡較多，焊接速度加快后，熔滴沿電弧后面渣壁過渡較多。此外還有少數熔滴是通過空腔內的電弧直接過渡（滴狀過渡）。文獻[4]采用一個橫穿焊縫的“隧道”裝置，并用高速錄像、光譜技術和FFT電信號分析等方法，研究了埋弧焊電弧空腔中的熔滴過渡形態(tài)。研究表明，所有情況下均無短路過渡，也沒有噴射過渡的證據，但觀察到非軸向粗滴狀過渡。文獻[5]采用雙絲串聯埋弧焊等試驗方法分析了埋弧焊中熔滴過渡形態(tài)。研究表明，在低電流時排除了噴射過渡的可能，大電流時確認了渣壁過渡形態(tài)。

圖1 埋弧焊電弧空腔內熔滴過渡示意

表1 研究文獻對埋弧焊電弧空腔中熔滴過渡形態(tài)的論述

綜合表1可以看出：第一，空腔內的熔滴呈滴狀蒸汽，對熔滴有排斥作用，同時還有磁偏吹作用[1]，在一定條件下（如電流不太大，但大于或等于400 A時）很可能呈非軸向排斥過渡。這就是典型的渣壁過渡形態(tài)。第三，雖然在雙絲串聯埋弧焊中大電流時可能出現細熔滴滴狀甚至噴射過渡形態(tài)，但在單絲埋弧焊中排除了雙絲電弧的相互作用后，在400～800A常用電流時，渣壁過渡應成為主導過渡形態(tài)。

1.2 埋弧焊熔滴過渡的影響因素

焊劑牌號確定后（即同一焊劑特性條件下），工藝參數是埋弧焊熔滴過渡形態(tài)的主要影響因素。

（1）焊接電流明顯影響熔滴過渡形態(tài)。小電流時熔滴粗化，可能呈現渣壁過渡形態(tài)；大電流時，熔滴細化可能呈現細熔滴滴狀甚至噴射過渡形態(tài)。圖2是焊接電流對熔滴過渡形態(tài)影響的一個實例[5]。可以看出，在不同前后焊絲電流匹配的9個案例中，實際上只有3種過渡形態(tài)，即渣壁過渡、噴射過渡和滴狀過渡。且每一組案例中前后焊絲的過渡形態(tài)也不一定相同，主要取決于所用焊接電流大小。在A組案例1～3中，只有案例3中前絲噴射、后絲渣壁，因為前絲電流為1 000 A，而后絲電流僅為400 A。在B組案例4～6中，也只有案例6中前絲噴射、后絲渣壁，因為前絲電流700 A，而后絲電流僅為400 A。在C組案例7～9中有所變化，不論前后絲，只要電流為400 A，全部呈現渣壁過渡形態(tài)。在9個案例中，只要電流達700 A或1 000 A，均實現細滴或噴射過渡。該試驗雖然是雙絲埋弧焊結果，但仍可看出電流是改變熔滴過渡的決定因素。

圖2 雙絲串聯埋弧焊中預期的熔滴過渡形態(tài)（L-前焊絲，T-后焊絲；焊接參數見表2）

表2 焊接參數（焊絲直徑φ3.2 mm）

（2）電弧電壓。正常電弧電壓隨焊接電流變化而變化，即電流增大，電弧電壓相應增大。電弧電壓太低，可能出現短路，但由于弧壓和電磁力過大，短路時間短，一瞬而過。電弧電壓是匹配參數，不是獨立參數。但電弧電壓太高時，熔滴可能長大，電弧飄移，電弧不穩(wěn)。由于埋弧焊大多采用電壓自動調節(jié)系統（均勻調節(jié)系統），電弧電壓依據焊接電流進行調整，即一定的焊接電流要保持一定的弧長，以保持電弧穩(wěn)定燃燒。

（3）焊接速度。在焊接電流和電弧電壓不變的條件下，焊接速度主要影響焊縫成形及質量，對熔滴過渡形態(tài)影響不大。

（4）焊絲干伸長?？赡苡绊懭鄣纬叽?。干伸長較長時，熔滴易長大；干伸長太短，影響空腔體積尺寸或焊劑層厚度，對焊縫質量有影響。

（5）電源極性。影響熔滴過渡形態(tài)。正極性熔滴斑點壓力增大，熔滴粗、電弧不穩(wěn)定，但應不改變渣壁過渡形態(tài)類型。

（6）焊絲直徑。影響熔滴大小和焊縫質量。焊絲直徑減小，熔滴細化，在一定電流范圍內不至于改變熔滴過渡形態(tài)。

2 焊接工藝質量及其參數

埋弧焊焊接工藝質量主要包括三方面：一是焊縫成形，包括焊縫外觀形貌、熔寬、熔深、余高、寬深比等；二是焊接缺陷，包括、裂紋、咬邊、未焊透、夾渣等；三是焊縫的理化性能。焊接工藝質量受多種因素控制，除了焊劑特性（種類）、母材焊接性外，主要受焊接工藝條件的控制，包括焊接參數及其他輔助工藝。

（1）未熔透、未熔合。焊接時接頭根部未完全熔透的現象稱為未熔透；在焊件與焊縫金屬或焊縫層間有局部未焊透現象稱為未熔合。未熔透或未熔合明顯減小了承載截面積，應力集中比較嚴重，其危害性僅次于裂紋，屬于不允許的焊接缺陷。影響因素涉及較多，如焊接材料、坡口（接頭形式）、運絲方式、施焊位置、焊接規(guī)范參數等。主要討論焊接參數中電流、電壓、焊接速度的影響。①焊接電流是決定熔深的主要參數。電流太小，熔滴較粗，挖掘作用小，焊接速度較快時，坡口或母材來不及熔化已被鐵水覆蓋，容易造成未熔合。焊接速度過低時，會使熔融金屬流到電弧下方，電弧不能直達坡口，會出現未熔合、未熔透及夾渣等缺陷。②電弧電壓是決定熔寬的主要參數。通常電壓是與電流匹配應用，匹配不當會造成缺陷。③焊接速度也是不可或缺的基本參數。通常與電流、電壓匹配使用，充分發(fā)揮熔滴的挖掘作用。焊接速度過快或過慢都有可能引起焊接缺陷。

（2）氣孔（壓坑）。主要涉及焊劑的性能及含水量，但與熔滴過渡也相關。當焊接參數不當時，比如焊接電流過大，熔滴過細，攜帶進入熔池的氫總量增多，同時熔深過大使熔池中氣體逸出路徑加大，氣孔（壓坑）傾向增大；再比如焊接速度過快，熔池存在時間太短，熔池中氣體逸出條件惡化，很容易出壓坑[6]。

（3）焊接裂紋。分為冷裂紋和熱裂紋兩大類。熱裂紋主要受冶金因素和力的因素控制，冷裂紋的產生則受三要素，即淬硬組織、焊接應力和氫的影響。焊接裂紋屬于不允許的焊接缺陷。影響因素很多，具體到本研究的情況，與熔滴過渡有關的因素就是焊縫斷面形狀。如果焊縫成形系數（φ=B/H）不合適，形成深而窄的焊縫，在焊接應力作用下極易產生裂紋。當然，形成深而窄焊縫與焊接參數有關，主要是焊接電流、電弧電壓、焊接速度、電源極性等。

（4）咬邊。所謂咬邊是指焊縫焊趾部位因填充金屬不足而產生的缺口。咬邊使接頭承載面積減小，應力集中比較嚴重，極易引發(fā)裂紋。產生的主要原因是：①焊接速度過快；②焊接電流過大；③焊槍角度或運條方法不當。

（5）焊接接頭的理化性能。涉及到焊接冶金原理。與埋弧焊熔滴過渡有關，即與焊接參數有關。正確的焊接參數下，單絲埋弧焊呈現渣壁過渡形態(tài)，應獲得所需的焊縫理化性能。反之，如果焊接參數不正確，導致過渡形態(tài)變異或較差時，直接影響焊縫形狀系數或者產生焊接缺陷，這些都對焊縫理化性能有不利影響。

3 熔滴過渡形態(tài)與埋弧焊工藝質量的關系

通過工藝參數的變化，熔滴過渡形態(tài)與焊接工藝質量建立了關系，如表3所示，內在聯系集中在三個方面：①熔滴尺寸的變化；②電弧力和熔滴沖擊力的變化；③電弧覆蓋面的變化。其中①和②的變化聯系緊密。通常，熔滴細時，電弧力和熔滴沖擊力增大；反之亦然。圖3和表4是雙絲埋弧焊時熔滴過渡形態(tài)對焊接質量的影響的一個實例[5]。可以看出，熔滴過渡形態(tài)對焊接質量的影響規(guī)律：①不同過渡形態(tài)對焊接質量參數的作用和貢獻不同：噴射過渡具有深挖作用，因為噴射過渡時熔滴細，電弧力和熔滴沖擊力大；渣壁過渡不具有強力深挖作用，但可保證熔寬，因為渣壁過渡的熔滴略粗，電弧力和熔滴沖擊力較?。坏螤钸^渡也不具有強力深挖作用，只能對熔寬作貢獻，因為滴狀過渡的熔滴比噴射略粗，電弧力和熔滴沖擊力不夠強烈。②前后絲過渡形態(tài)的匹配有講究：對比3號（前絲1 000 A，后絲400A）和7號（前絲400 A，后絲1 000 A）案例，它們正好是前后絲電流值互換，案例3前絲噴射、后絲渣壁，案例7前絲渣壁、后絲噴射，焊接質量參數相去甚遠。表明過渡形態(tài)作用的發(fā)揮與前后絲的位置有重要關系。噴射過渡只在前絲位置時深挖作用明顯，而在后絲位置時深挖作用被減弱。對比6號（前絲700 A，后絲400 A）和8號（前絲400 A，后絲700 A）案例，它們也是前后絲電流值互換，案例6是前絲噴射、后絲渣壁，案例8是前絲渣壁、后絲噴射，焊接質量參數截然不同。噴射過渡的深挖作用在前絲位置時作用明顯，而置于后絲位置時作用微弱。

表3 工藝參數對埋弧焊工藝質量的影響

表4 熔滴過渡形態(tài)對雙絲埋弧焊工藝質量的影響

4 熔滴過渡形態(tài)與埋弧焊工藝質量關系控制原理

以雙絲埋弧焊為例，發(fā)現大致有三種類型的熔滴過渡形態(tài)——滴狀、噴射和渣壁過渡，它們在前后絲的位置明顯影響埋弧焊接工藝質量。從9個試驗案例中選用5個典型對比結果見圖4，提出焊接工藝質量滿意度控制原則?？梢钥闯?，有3組（4、5、7案例）前后絲熔滴過渡形態(tài)組合的焊接工藝質量參數滿意。它們的內在聯系是電弧力和熔滴沖擊力適中。有2組（3、9案例）前后絲熔滴過渡形態(tài)組合的焊接工藝質量參數不滿意。其中，3號案例焊縫斷面窄而深，容易產生焊接裂紋；9號案例焊縫斷面寬而淺，根部出現未焊透和氣孔。該控制原則可供雙絲埋弧焊工程應用作參考。當然，前提條件是施工前要進行焊接工藝評定。

圖3 9個案例的宏觀斷面圖（L-前焊絲，T-后焊絲；焊接參數見表2）

圖4 熔滴過渡形態(tài)與埋弧焊工藝質量關系控制原理

5 結論

（1）在單絲埋弧焊中，渣壁過渡是熔滴的主導過渡形態(tài)；在雙絲埋弧焊中，可能存在渣壁和噴射多種過渡形態(tài)，但不會有短路過渡形態(tài)。

（2）影響埋弧焊熔滴過渡的多種因素中，焊接電流是改變過渡形態(tài)的決定因素。

（3）單絲埋弧焊中，通過工藝參數的變化建立了熔滴過渡形態(tài)與焊接工藝質量間的關系，其內在聯系主要是熔滴尺寸、電弧力和熔滴沖擊力變化。

（4）在雙絲埋弧焊中，渣壁、噴射和滴狀過渡對焊接質量參數的作用各異，前后焊絲過渡形態(tài)的位置匹配對焊接質量參數的影響強烈。

（5）提出的熔滴過渡與焊接工藝質量關系控制原理，可供雙絲埋弧焊工程應用作參考。

[1]安藤弘平，長谷川光雄．焊接電弧現象[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1985：465-468．

[2]唐伯鋼，尹士科，王玉榮．低碳鋼與低合金鋼焊接材料[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1987：1-88．

[3]孫 咸．氟堿型燒結焊劑的電弧、冶金特性及其應用[J]．電焊機，2014，44（1）：1-4，38．

[4]Mendez P F，Goett G，Guest S D.High Speed Video of Metal Transfer in Submerged Arc Welding[J].Welding Jouma1，2015，94（10）：326-333．

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[6]孫 咸．燒結焊劑的冶金過程及工藝質量的控制[J]．機械制造文摘—焊接分冊，2015（1）：1-5．

Relationship between droplet transfer form and welding usability quality of submerged arc welding

SUN Xian
（Institute of Welding Consumables，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

The relationships between droplet transfer form and welding usability quality of SAW are discussed.The results show that the flux wall guided transfer is leading the transfer form in single wire submerged arc welding；the flux wall guided transfer and spray transfer etc.are likely to exist in twin wire submerged arc welding，but there will be no short circuiting transfer form.The welding current is the decisive factor to change the droplet transfer form，in a variety of factors affecting the droplet transfer of submerged arc welding.In single wire submerged arc welding，the relationships between droplet transfer form and welding usability quality are established by changing welding parameters，and their inner link is mainly the droplet size，arc force and droplet impact force changes.In twin wire submerged arc welding，the effects of flux wall guided transfer，spray and globular metal transfer on the welding quality parameters are different，and the position matching of droplet transfer forms of leading and trailing electrode affects the welding quality parameters strongly.

droplet transfer form；welding usability quality；submerged arc welding；arc cavity

TG445，TG403

A

1001－2303（2017）02－0001-07

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.01

獻

孫咸.埋弧焊熔滴過渡形態(tài)與焊接工藝質量的關系[J].電焊機，2017，47（02）：1-7.

2016-10-31

孫 咸（1941—），男，山西孝義人，教授，主要從事焊接材料及金屬焊接性方面的研究和教學工作。