具有焊縫波紋的鈦型氣體保護藥芯焊絲的研制

孫咸

摘要： 采用平板堆焊、焊絲配方調整、焊絲工藝評定及理化分析等試驗方法，研制了一種具有焊縫波紋的鈦型氣體保護藥芯焊絲。結果表明，當熱源（或熔池）移動速度過快，或者焊絲的熔化速度過慢時，由于熔池輪廓瞬間不重合形成了焊縫波紋。在焊縫波紋的多種影響因素中，熔渣堿度變化是內因，焊絲波紋特征主要受熔渣堿度控制。有波紋焊絲的工藝性比無波紋焊絲略差，但差別不大；有波紋焊絲與無波紋焊絲的熔敷金屬力學性都符合國標規(guī)定。有波紋焊絲對控制焊縫氣孔（壓坑）有利，具有綜合生產成本較低優(yōu)勢，應用前景值得期待。

關鍵詞： 藥芯焊絲；氣體保護；鈦型渣系；焊縫波紋

中圖分類號： TG422.3

Development of titaniumtype gasshielded fluxcoredwire with weld ripple

Sun Xian

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

Abstract： The fluxcored wire with weld ripple were developed by the test methods such as surfacing on the plate， wire formulation adjustment ， Process evaluation of wire， physical and chemical analysis of wire and so on. The results show that the weld molten pool contours instantaneously do not coincide to form the weld ripple when heat source（or molten pool） moves too fast， or when melting speed of fluxcored wire is too slow. The slag basicity changes of wire are internal factors， the weld ripple features of fluxcored wire mainly are controlled by the basicity of slag in the variety influencing factors of weld ripple. The usability of wire with weld ripple is not as good as one with weld ripplefree but the difference is not big， the mechanical properties of deposited metal with weld ripple and ripplefree wire are in line with the national standard. The fluxcored wire with weld ripple can help control weld porosity （press hole）， has the lower comprehensive production cost advantages， and its application prospect is worth looking forward to.

Key words： flux core wire； gasshielded； titanium slag； weld ripple

0 前言

藥芯焊絲高效、自動化優(yōu)勢在諸多重要工程應用中充分展示，國產藥芯焊絲技術水平與世界領先企業(yè)的差距在不斷縮小[1]，國內藥芯焊絲產業(yè)在激烈的市場競爭中迎來了一個新的發(fā)展時期。然而業(yè)內人士對于鈦型渣系氣體保護藥芯焊絲的品質（如E501T-1型）的關注度一直未減。原因是一般用戶接觸到的、所謂國產高水平藥芯焊絲，在細節(jié)方面與國際名牌尚有差距。以日本神鋼DW-100為例，工藝評定中，飛濺較小，可是其他指標，如成形、脫渣、電弧等，尤其是氣孔敏感性，都很“過硬”，其綜合工藝較好。用戶對國產藥芯焊絲氣孔（壓坑）敏感性問題時有反映，有時甚至比較嚴重。根據(jù)現(xiàn)有的理論[2-5]，生產企業(yè)對控制焊絲氣孔（壓坑）采取了必要的措施，可是要使焊絲“無氣孔（壓坑）”成為一種常態(tài)化，尚需業(yè)界作進一步努力或激發(fā)新的思路。筆者在研究中，發(fā)現(xiàn)焊縫表面特征與氣孔（壓坑）有關，迄今為止，未曾見到焊縫中氣孔（壓坑）與焊縫波紋相聯(lián)系的文獻。為此，文中特意研制了一種具有焊縫波紋的鈦型渣系藥芯焊絲，探討焊縫波紋的形成機理及影響因素，測試焊絲各項性能。該項研究對推動企業(yè)技術進步、提升藥芯焊絲品質質量和產品競爭力，具有一定的參考意義和實用價值。

1 試驗材料及方法

試驗用焊絲2種：焊絲A為市售1.2 mm的E501T-1型藥芯焊絲（通常焊縫表面無明顯波紋），焊絲B為自制的1.2 mm的E501T-1型藥芯焊絲（焊縫表面有明顯波紋）。兩種焊絲的性能均符合GB/T 10045—2001《碳鋼藥芯焊絲》規(guī)定。試驗用母材為20 mm厚的Q235B鋼板，試板尺寸為300 mm×150 mm×20 mm。試驗用焊機為松下KR-500型CO2氣體保護焊接設備，采用平板半自動堆焊方法進行焊絲工藝性試驗，工藝評定采用對比法，焊絲熔敷金屬化學成分分析及力學性能試驗均按GB/T 10045—2001《碳鋼藥芯焊絲》規(guī)定進行，試驗用焊接參數(shù)見表1。

2 試驗結果及分析

2.1 焊縫波紋形成機理

在電弧熱源作用下，母材上由熔化焊絲與局部熔化的母材所組成的、具有一定幾何形狀的焊接熔池（圖1、圖2）。通常情況下，焊接熔池是以等速隨熱源而移動，在熔池中金屬的熔化和凝固過程是同時進行的，即熔池前半部進行熔化過程，而后半部進行凝固過程。熔池持續(xù)平穩(wěn)移動，熔池凝固便形成了具有一定熔寬、熔深和一定余高的連續(xù)焊縫。熔池的外形是橢球狀曲面（圖2），該曲面也就是熔池結晶等溫面（或簡稱熔池輪廓）。焊縫波紋的形狀就是熔池結晶等溫面平穩(wěn)移動在焊縫表面呈現(xiàn)的痕跡。由于熔池結晶等溫面前半部瞬間被熔化，焊縫波紋呈現(xiàn)的僅僅是熔池結晶等溫面的后半部輪廓線（帶有弧度曲線）的平移花紋。當該花紋間距很小時，焊縫波紋顯得很致密，以至于宏觀上看不出明顯的波紋。在焊縫的熄弧處，呈現(xiàn)的就是熔池平面輪廓全貌。這種致密焊縫波紋的形成要素（條件）有2個：一是熱源（或焊絲）移動速度必須均勻、穩(wěn)定；二是焊絲熔化速度均勻、穩(wěn)定。前者是必要條件，后者是充分條件。二者缺一不可。上述要素一旦受到干擾，在下列幾種情況下焊縫就會出現(xiàn)明顯波紋花樣：①熱源移動過快或不均勻時，熔池輪廓超前（或被拉長），形成波紋節(jié)距；②當熱源移動過慢或焊絲熔化過快時，出現(xiàn)余高突然增大；③當熱源移動速度不變，焊絲熔化速度過慢時，出現(xiàn)缺肉，波紋節(jié)距過大；④當熱源能量不穩(wěn)定，如電弧受控（脈沖），電弧喘息（甚至斷弧）等，熔池輪廓都不能嚴格重疊（或靠得很緊）。

通常焊縫表面形狀，宏觀上應當分為兩大類：即有波紋焊縫與無波紋焊縫（圖3）。所謂無波紋，是宏觀上的感覺，其實，適當?shù)姆糯蠛蠹毠?jié)上看也是有波紋的，只是節(jié)距很小，密度很大，以至于看上去成了連續(xù)平整外表面。對于有波紋表面焊縫，還可以從節(jié)距寬窄、疏密分為粗波紋焊縫和細波紋焊縫。焊縫表面的V字形波紋尖端形狀也有變化，可分為弧度大一點的或弧度小（尖）一點的。

2.2 焊縫波紋的影響因素

在鈦型渣系條件下，焊縫表面波紋影響因素試驗結果見表2。由結果可知：①熔渣堿度影響焊縫表面波紋的影響。隨熔渣堿度提高，波紋節(jié)距從小到大或從密到疏變化，堿性藥芯焊絲焊縫粗大的波紋就是典型的例證。這是因為隨熔渣堿度提高，高溫渣變稀，電弧后的熔渣不再緊跟電弧，清晰裸露的熔池形狀被拉長，這就相當于提高焊接速度（熱源移動速度）對焊縫波紋形成的影響。同時考慮熔滴粗化、過渡頻率降低、焊絲熔化速度變慢等因素，其綜合作用致使焊絲熔化的金屬未能及時填滿熔池，發(fā)生焊肉微脫節(jié)現(xiàn)象所致。其原理與上述波紋形成理論頗為一致。②焊接速度影響焊縫表面波紋。焊接速度過快時，焊絲熔化速度并未及時提升，由于前一瞬間熔池體積未被填滿，而后一瞬間熔池輪廓已經(jīng)超前，前后瞬間熔池輪廓不重合，必然形成熔池輪廓節(jié)距，而且焊速越快，焊波節(jié)距越寬。即使采用無波紋標準型E501T-1焊絲，在提高焊接速度或直線往返運絲時，由于焊絲熔化量跟不上前一瞬間熔池需求（未能填滿），也會產生明顯波紋。③熔滴過渡參數(shù)變化影響焊縫表面波紋。在不改變焊絲配方條件下，僅依靠小范圍工藝參數(shù)變化是不能使其產生波紋的（焊接速度明顯增大情況除外）。只有改變配方，使焊絲的熔化速度變慢，發(fā)生不能及時填滿熔池瞬間，才可能出現(xiàn)波紋。在正常焊速時，對于標準的E501T-1型藥芯焊絲，應當是不出現(xiàn)明顯焊波的。因為在正常規(guī)范下該類焊絲的熔滴顆粒比實心焊絲要細，熔滴過渡頻率比實心焊絲高很

多，熔池移動速度與焊絲熔化速度不可能脫節(jié)，更何況該焊絲高溫渣流動性適中，熔渣覆蓋完全、均勻，高溫渣緊跟電弧，焊縫連續(xù)無明顯波紋屬該類焊絲正常特征。當然，如果采用脈沖電弧技術，控制熱源能量的變化，使瞬間熔池輪廓不能重合，可以獲得明顯的波紋。④操作方式影響焊縫表面波紋。焊接位置的改變，導致操作技術方式（含規(guī)范參數(shù)及熔滴過渡形態(tài)）變化，焊波不僅出現(xiàn)，而且波距很寬，比如，水平位置無波紋的焊縫（焊絲），在立向上焊接時卻能出現(xiàn)明顯的波紋，橫焊和仰焊位置也會出波紋。操作方式還影響V字形波紋尖端弧度變化，放慢焊接速度或者采用微量橫擺運絲，焊縫V字波紋尖端弧度變大、變圓。

2.3 兩種焊絲工藝性能對比

從表3可以看出，兩種焊絲的電弧形態(tài)和熔滴過渡形態(tài)都沒有明顯的不同?？墒?，有波紋的B焊絲，操作手感雖然可以，但比無波紋的A焊絲略差，熔滴比后者略大，飛濺也大點；熔池比后者清晰，可以全位置焊接，但比后者難點，需要一定技術支撐。后者有時對氣孔或壓坑敏感，前者不太敏感。

有波紋焊縫明顯提高了焊絲的抗氣孔（壓坑）性能（表3）。這是由于熔滴的滯后落入熔池，熔滴變粗攜帶氫量相對較小，進入熔池的氫總量就少，是熔滴粗化在起作用；另外，高溫渣變得略稀，有利于熔池中氣體逸出。

與標準型E501T-1焊絲相比，有波紋焊絲在保持原有鈦酸性渣系、熔敷金屬力學性能基礎上，操作工藝性變化不大，可是焊絲的抗氣孔（壓坑）能力提高了。這就使得該焊絲使用中的一個潛在弱項被強化，為該焊絲焊接性改善提供了一個方向。

2.4 兩種焊絲熔敷金屬化學成分和力學性能對比

表4列出了兩種焊絲熔敷金屬的化學成分和力學性能實例?？梢钥闯?，兩種焊絲的抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率等指標都能達到GB/T 10054—2001《碳鋼藥芯焊絲》規(guī)定要求，表明焊縫的波紋對熔敷金屬力學性能無影響。至于兩種焊絲具體指標的差異，如后者的屈服強度、抗拉強度略高點，韌性指標略低點，則與焊縫含氧量、成分變化以及其他因素有關。

2.5 有波紋焊絲的應用及展望

標準的E501T-1型或鈦型氣保護藥芯焊絲的焊縫表面通常是不出明顯波紋的。該焊絲優(yōu)良的工藝性和內在質量充分體現(xiàn)了FCAW方法的優(yōu)質、高效和自動化特點。但是，這并不意味著在所有的情況下這類焊絲都是完美無缺的。在一些情況下，有的焊絲對氣孔（壓坑）比較敏感。文中研制的有波紋的E501T-1型藥芯焊絲，在抗氣孔（壓坑）方面具有明顯優(yōu)勢，能彌補這類焊絲的不足，并大大減少焊縫返修率，見表5。標準的E501T-1型焊縫無波紋藥芯焊絲，就制造工藝而言，可分為兩種情況：一種（焊絲2）是焊絲藥粉需經(jīng)嚴格的高溫處理，采用先進水平的生產線設備，成品絲還要進行去除水分熱處理。另一種（焊絲3）是焊絲藥粉只需一般高溫處理，采用普通生產線設備，成品絲不進行去除水分熱處理，直接打包入庫。前者對氣孔（壓坑）不敏感，后者敏感。有波紋藥芯焊絲（焊絲1）采用的是國內焊絲廠家通用的生產線設備和生產工藝，就因為焊縫表面出了波紋，對氣孔（壓坑）不再敏感。從生產成本看，在較好抗氣孔（壓坑）性能條件下，有波紋焊絲成本較低、優(yōu)勢明顯。

綜上，有理由認為，這種有波紋的藥芯焊絲，盡管存在持續(xù)改進的必要和可能性，然而它的應用前景應當是有希望或看好的。更何況，在藥芯焊絲現(xiàn)有國標BG/T 10054—2001《碳鋼藥芯焊絲》中，并沒有特別指出該類焊絲的波紋特征要求[6]。

3 結論

（1）當熱源（或熔池）移動速度過快，或者焊絲的熔化速度過慢時，由于熔池輪廓瞬間不重合形成了焊縫波紋，熱源移動速度越快，焊波節(jié)距越寬，波紋越粗。

（2）熔渣堿度提高、焊接速度加快、熔滴過渡參數(shù)變化，以及操作方式的改變等因素都對焊縫表面波紋有影響，其中熔渣堿度變化是內因，標準型號焊絲波紋特征主要受熔渣堿度控制。

（3）有波紋焊絲的工藝性比無波紋焊絲略差點，但差別不大；有波紋焊絲的熔敷金屬力學性能與無波紋標準E501T-1型焊絲接近，都符合國標規(guī)定。

（4）有波紋焊絲的最大特色是對控制焊縫氣孔（壓坑）有利，而且具有綜合生產成本較低優(yōu)勢，應用前景值得期待。

參考文獻

[1] 中國機械工程學會.走向世界的中國焊接——關于2013年第18屆德國埃森焊接與切割展覽會的行與思[J].機械工程導報，2014（2）：37-44.

[2] 田志凌，潘 川，梁東圖.藥芯焊絲[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1999：90-92.

[3] 孫 咸.鈦型渣系氣保護藥芯焊絲研究進展[J].焊接，2012（6）：6-12.

[4] 孫 咸.鈦型氣保護藥芯焊絲熔滴過渡與氣孔（壓坑）的關系[J].焊接，2007（12）：9-12，32.

[5] 孫 咸.鈦型氣保護藥芯焊絲焊接飛濺與氣孔的關系[J].電焊機，2015，45（10）：11-16.

[6] 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 10045—2001碳鋼藥芯焊絲 [S].北京：中國標準出版社，2001.