極性對(duì)埋弧焊工藝質(zhì)量的影響

孫 咸

（太原理工大學(xué)焊接材料研究所，山西太原030024）

0 前言

埋弧焊以其高效、自動(dòng)化優(yōu)勢(shì)和成熟的工藝方法，在中厚板規(guī)則焊縫焊接結(jié)構(gòu)中獲得了廣泛的應(yīng)用。然而在重大工程焊接結(jié)構(gòu)中，對(duì)埋弧焊工藝質(zhì)量的要求越來越高。優(yōu)質(zhì)埋弧焊工藝質(zhì)量的獲得，離不開配套的工藝和合理的焊接參數(shù)。可是埋弧焊工藝的一個(gè)基本特征是電弧被掩埋在焊劑之中燃燒，從外部看不到電弧發(fā)出的弧光和電弧形態(tài)。與其他電弧焊工藝相比，這種受限制的可視性在一定程度上影響了對(duì)該工藝的深入理解，進(jìn)而限制了埋弧焊工藝方法功能的極致發(fā)揮。埋弧焊工藝參數(shù)較多，工程現(xiàn)場對(duì)諸如焊接電流、電弧電壓、焊接速度、焊絲伸出長度等參數(shù)的調(diào)控習(xí)以為常，但有的時(shí)候?qū)τ跇O性的關(guān)注較少，甚至被忽略。然而極性的選用是必不可少的，對(duì)焊接工藝質(zhì)量有重要影響。雖然相關(guān)文獻(xiàn)可能涉及到極性，但大多數(shù)像焊絲直徑一樣僅限于一個(gè)參數(shù)的使用被介紹。有關(guān)埋弧焊極性的專題論述或探討文獻(xiàn)較為罕見。迄今為止，全面探討極性與埋弧焊工藝質(zhì)量關(guān)系的文獻(xiàn)未曾查到。為此，作者基于多年的焊接實(shí)踐并參考有限的文獻(xiàn)，特意將極性與埋弧焊工藝質(zhì)量相聯(lián)系，探討極性對(duì)埋弧焊熔滴過渡、焊縫氣孔及焊縫形狀等的影響，并介紹了變極性技術(shù)的原理及其應(yīng)用。該項(xiàng)工作對(duì)于深入認(rèn)識(shí)極性在埋弧焊中的作用、豐富埋弧焊焊接理論，具有一定參考價(jià)值和理論意義。

1 極性概念

1.1 極性定義及影響因素

“極性”是電弧焊工藝中常用的一個(gè)工藝參數(shù)術(shù)語，國內(nèi)外文獻(xiàn)中出現(xiàn)過多個(gè)涉及“極性”的稱謂，例如“電源極性”“電極極性”和“焊接極性”。那么，極性的確切含義究竟怎樣?《焊接詞典》對(duì)“極性”的定義是：“直流電弧焊或電弧切割時(shí)，焊件與焊接電源輸出端正、負(fù)極的接法，分正接和反接兩種[1]?！眹覙?biāo)準(zhǔn)GB/T3375-94焊接術(shù)語中的“極性”被表述為：“直流電弧焊或電弧切割時(shí)，焊件的極性。焊件接電源正極為正極性，接負(fù)極為反極性[2]?！笨梢钥闯?，極性定義中有兩個(gè)要件：一是直流電弧，二是回路中焊件與電源輸出端的接法。二者缺一不可。

根據(jù)極性的定義和作用，極性的應(yīng)用受下列影響因素控制：

①電源或波形種類的影響。嚴(yán)格意義上極性是指直流電源回路上的焊件與焊接電源輸出端的聯(lián)接方法。廣義上講，交流電源具有每秒變換50次極性的正弦波形，也算一種變極性電源。后來出現(xiàn)了真正的可控波形變極性電源。電源或波形的種類不同，極性的實(shí)用意義發(fā)揮的作用不盡相同。

②母材板厚的影響。厚板焊縫需要大的熱量，工件為正極時(shí)即直流正極性有利。薄板容易被燒穿，焊縫加熱溫度需加以控制，工件為負(fù)極，即直流反極性有利。

③母材材質(zhì)的種類的影響。無論黑色或有色金屬，反極性較為常用；有特殊性能或其他要求的材料，可以視具體情況而定。

④焊縫位置的影響。向上立焊或仰焊時(shí)，需要快速凝固焊縫和大的保持力，避免熔池鐵水下墜，要使用較少熱量集中在工件上的反極性。在容易產(chǎn)生磁偏吹的焊縫位置，可以考慮交流電源焊接。

⑤焊接方法生產(chǎn)效率的影響。強(qiáng)規(guī)范、大電流生產(chǎn)效率高，但電流太大直流電時(shí)磁偏吹嚴(yán)重，采用交流焊接可以克服，追求效率需要改變極性種類。

⑥焊接材料種類的影響。a.實(shí)心焊接材料通常采用反接性，焊接工藝質(zhì)量好。b.帶有藥粉的焊接材料（藥皮、藥芯、焊劑）要考慮藥粉成分可能影響加熱條件，例如厚藥皮焊條焊接時(shí),電弧中放出的氣體致使負(fù)極產(chǎn)生最大熱量。熔渣堿度大的要用反極性，電弧穩(wěn)、飛濺小、成形好、缺陷少。焊材種類不同，極性變換各異。

1.2 弧焊方法中極性的選用及影響

弧焊方法中極性的選用及影響比較如表1所示。之所以列出交流電（AC）及變極性（VP）與直流電進(jìn)行比較，是從廣義上考慮極性的種類，更有利于研究開展，并不排斥極性原有的定義。由表1可知，6種弧焊方法對(duì)應(yīng)4種極性方式，并不是每種焊接工藝都可選4種極性，而是有多有少。對(duì)于極性的選用，基本遵循“合于使用”選用原則，這是一種個(gè)性化選用原則，主要強(qiáng)調(diào)工藝過程穩(wěn)定性和焊縫質(zhì)量滿意性。其中，SMAW工藝較復(fù)雜，通常有3種極性可供選用，主要取決于焊條藥皮類型和焊縫成形。SMAW極性選用有兩點(diǎn)說明：一是關(guān)于極性對(duì)加熱條件（或熱量分配）的影響。由于藥皮在電弧中的作用，放出的氣體可能改變加熱條件，因此在正接法（DCEN）時(shí)熱量集中在焊條（負(fù)極），導(dǎo)致熔深小、焊縫寬，而在反接法（DCEP）時(shí)熱量集中在工件（負(fù)極），導(dǎo)致熔深大、焊縫窄。二是關(guān)于薄板適用極性問題。根據(jù)上述理論，SMAW正接時(shí)，較小的熔深有利于薄板焊接。但是正接時(shí)電弧不穩(wěn)，尤其在小電流時(shí)電弧更不穩(wěn)，只有穩(wěn)定的過程才有好的質(zhì)量。因此在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，無論用堿性或酸性焊條都選用直流反接。對(duì)于GTAW工藝，4種工藝中有3種可供選用，變極性效果最佳，但成本高。PAW也有3種極性可供選用，常用正極性；變極性雖好，但成本高。GMAW和FCAW的實(shí)用極性是反接法。SAW常用反接法，大于900 A超大電流時(shí)，多用交流極性。同樣，最佳極性為變極性，只是成本較高。

表1 弧焊方法中極性的選用及影響

2 極性對(duì)埋弧焊工藝質(zhì)量的影響

2.1 極性對(duì)埋弧焊熔滴過渡的影響

文獻(xiàn)[3-4]通過垂直于焊接路徑插入一個(gè)薄鋼片“隧道”，拍攝埋弧焊電弧空腔中的熔滴過渡形態(tài)，并對(duì)典型規(guī)范下不同極性埋弧焊熔滴過渡視頻進(jìn)行比較如表2所示。

可以看出：（1）電流500A、電弧電壓30 V時(shí)，2種極性（直流反接和交流，以下同）空腔內(nèi)氛圍差不多，比較渾濁，焊劑顆粒紛紛下落，混合氣體彌漫。直流反接的電弧形態(tài)屬于連續(xù)、非活動(dòng)型，交流電的電弧屬于斷續(xù)、活動(dòng)型。熔滴形狀不規(guī)則，完全不是明弧中所見的球形。過渡形態(tài)均為非軸向滴狀+爆炸過渡（非短路爆炸）。直流反接的熔滴直徑（3.58mm）大于交流的（2.65mm），而且前者的直徑大于焊絲直徑，后者則小于焊絲直徑。直流反接的熔滴過渡頻率（8.73 Hz）遠(yuǎn)低于交流的（27.93Hz）。（2）電流1 000A、電弧電壓42 V時(shí)，2種極性（直流反接和交流，以下同）空腔內(nèi)氛圍相較500A時(shí)變化不大。2種極性的電弧形態(tài)與500 A時(shí)相同。此時(shí)，2種極性的過渡形態(tài)在非軸向傾向減小、熔滴細(xì)化的同時(shí)，出現(xiàn)了在焊絲尖端逐漸變細(xì)處，噴射出熔融“尾巴”的所謂“鞭尾”型熔滴過渡形態(tài)如圖1所示。直流反接和交流的熔滴直徑分別為2.37mm和2.52mm，都已被細(xì)化，均小于焊絲直徑，且粒度比較接近。直流反接和交流的熔滴分離頻率分別為81.94 Hz和76.28 Hz，都已大大提高，且2種差別不大。

表2 不同極性埋弧焊熔滴過渡視頻比較（焊絲直徑3.2mm）

圖1 61號(hào)試驗(yàn)中觀察到的扭曲不穩(wěn)定現(xiàn)象（800 A、38 V、0.914m/m in，焊絲直徑3.2mm、直流反接）

視頻雖然沒有刻意出示典型渣壁過渡形態(tài)，但文獻(xiàn)確有兩組文字描述：①對(duì)于直流反接1 000 A時(shí)，“噴出的金屬對(duì)著側(cè)面（渣壁）飛，并撞擊3 638幀圖時(shí)的焊劑壁，給出了在焊劑下發(fā)生過程的良好表現(xiàn)?！雹趯?duì)于交流電接近1 000 A時(shí)，“爆炸形成的熔滴對(duì)著側(cè)面（渣壁）飛，并撞擊1 004至1 031幀圖時(shí)的焊劑壁。”“在交流1 000 A時(shí)，鞭尾噴出的熔化金屬橫向飛行，可能在碰到焊劑（壁）之處，向下落入焊接熔池?！笨梢哉J(rèn)為，此即確認(rèn)了埋弧焊的渣壁過渡形態(tài)。

綜上所述，2種極性的電弧形態(tài)不同。直流反接時(shí)屬于連續(xù)、非活動(dòng)型；交流時(shí)屬于斷續(xù)、活動(dòng)型。雖然2種極性沒有完全改變?nèi)鄣芜^渡類型（均屬渣壁過渡），但熔滴直徑和熔滴分離頻率各不相同，包括熔滴直徑和熔滴分離頻率隨電流增大變化趨勢(shì)不同。極性對(duì)埋弧焊熔滴過渡形態(tài)的影響與不同極性電極產(chǎn)熱機(jī)理、焊劑的種類，以及埋弧焊的冶金特性等因素有關(guān)。

2.2 極性對(duì)埋弧焊焊縫氣孔的影響

表3和表4是根據(jù)文獻(xiàn)[5]提供的試驗(yàn)結(jié)果，分別制作的“極性對(duì)埋弧焊焊縫中氣孔的影響”和“埋弧焊縫中氣孔的影響因素分析”表格。由表3可知，極性對(duì)埋弧焊焊縫氣孔的影響程度順序是：交流最敏感，其次是直流正接法，直流反接法影響最小。通過綜合分析埋弧焊縫中氣孔的影響因素（見表4），可以解釋表3試驗(yàn)結(jié)果。從交流電看，表4中的4項(xiàng)影響因素中有2項(xiàng)（編碼6和編碼12）介于直流正接與反接之間，但有兩個(gè)因素即編碼3和編碼9的氣孔敏感性作用比編碼1和編碼7強(qiáng)烈。綜合效應(yīng)，交流電的氣孔傾向最大。

表3 極性對(duì)埋弧焊焊縫中氣孔的影響（在相同試驗(yàn)條件下）

雖然極性對(duì)埋弧焊焊縫氣孔有一定影響，但從焊縫氣孔產(chǎn)生機(jī)理來分析，是進(jìn)入熔池的水分不能及時(shí)充分逸出所造成。熔池中水分的來源排除了坡口處的鐵銹、油污等之外，主要來源于埋弧焊焊劑，因此控制焊劑中水分是防止氣孔的最重要措施。

2.3 極性對(duì)埋弧焊焊縫形狀的影響

為了定量測試極性對(duì)埋弧焊焊縫幾何形狀的影響，采用直徑3.15mm的低碳鋼焊絲加燒結(jié)焊劑，對(duì)低碳鋼板（尺寸250mm×90mm×10mm）進(jìn)行平板堆焊試驗(yàn)[6]。所用焊接參數(shù)如表5所示。沿焊后狀態(tài)焊接試板長度方向中心線，橫向截取試樣如圖2所示，然后使用軟件測量焊縫形狀（熔深p、余高h(yuǎn)、焊縫寬度w和稀釋率D）及熱影響區(qū)寬度。圖3～圖5和表6是測試結(jié)果?？梢钥闯?，極性對(duì)焊道幾何形狀有明顯影響，特別是在熱影響區(qū)寬度和母材稀釋率方面，正極性小于反極性；前者焊縫寬而淺，后者焊縫窄而深。這與埋弧焊的陰陽極產(chǎn)熱機(jī)理有關(guān)。正極性時(shí)，工件接正極，焊絲接負(fù)極，負(fù)極發(fā)熱比正極大，焊絲端部溫度高，電弧鋪展區(qū)大，導(dǎo)致較大的熔寬和較淺的熔深，熱影響區(qū)寬度和母材稀釋度均較小。反極性時(shí)，焊絲接正極，工件接負(fù)極，焊絲發(fā)熱比工件小，焊絲端部溫度不高，電弧鋪展不開，導(dǎo)致焊縫窄、熔深大，熱影響區(qū)寬度和母材稀釋度均較大。正極性時(shí)，送絲速度變化（電流變化）對(duì)焊縫熔深變化影響不大。這是因?yàn)檎龢O性時(shí)，工件接正極，焊絲發(fā)熱比工件大，雖然改變送絲速度，如增大送絲速度，可能使得熔滴細(xì)化，但不改變發(fā)熱機(jī)構(gòu)，熔深可能有小的變化，但不明顯。至于極性從反接到正接變化時(shí)，母材稀釋率被降低，從圖4 中可以一目了然。

表4 埋弧焊縫中氣孔的影響因素分析

表5 試驗(yàn)用參數(shù)[6]

圖2 焊接試板尺寸示意

圖3 焊縫形狀示意

圖4 極性對(duì)稀釋率的影響[6]

圖5 極性對(duì)熱影響區(qū)的影響[6]

另一組試驗(yàn)結(jié)果如表7所示[7]?？梢钥闯?，焊縫熔寬主要受電弧電壓控制。電弧電壓增大時(shí)，熔寬明顯變寬。這是因?yàn)殡娀‰妷涸龃髸r(shí)，弧柱直徑增大，覆蓋焊縫面積也增大，熔池變寬，熔寬增大。在相同電弧電壓下，反極性的熔寬比正極性的有所增大。當(dāng)電弧電壓較高或更高時(shí)，反極性的熔寬比正極性的明顯增大。這是由于反極性時(shí)工件為負(fù)極，焊絲為正極，正極溫度高于負(fù)極，焊絲熔化速度快，而且弧柱覆蓋的熱量增大，因而熔寬略有增加。電弧電壓更高時(shí)，這種效應(yīng)更強(qiáng)烈，所以反極性比正極性熔寬增大更為明顯。另一方面，熔寬的增加使得熔池表面積同步增加，在熔池體積不變的情況下，余高反而略有減小。

表6 極性對(duì)埋弧焊焊縫形狀的影響

表7 不同極性埋弧焊時(shí)電弧電壓對(duì)熔寬的影響[7]

表7中極性對(duì)熔寬的影響與表6結(jié)果不一致。這可以歸結(jié)于2個(gè)試驗(yàn)中電極發(fā)熱機(jī)制不同，也就是前面提及的帶有藥粉焊接材料成分可能改變陰陽極產(chǎn)熱條件，導(dǎo)致2個(gè)試驗(yàn)中相同極性產(chǎn)熱大小各異。

2.4 極性對(duì)埋弧焊焊縫力學(xué)性能的影響

極性對(duì)低碳鋼母材埋弧焊焊縫力學(xué)性能影響試驗(yàn)結(jié)果如表8所示?？梢钥闯?，成分方面除了C以外，交流電的其他成分均小于直流反接。性能方面除了斷后伸長率（A）以外，交流電的其他性能指標(biāo)均高于直流反接，其中比例延伸強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及沖擊吸收能量明顯高于直流反接。文獻(xiàn)[8]認(rèn)為，極性影響的上述結(jié)果取決于所用焊劑的種類。

對(duì)21/4Cr-1Mo耐熱鋼母材埋弧焊焊縫的試驗(yàn)結(jié)果如表9所示?？梢钥闯觯绷鞣唇訒r(shí)幾個(gè)元素如Mn、Cr、Mo的成分略高于交流電時(shí)，抗拉強(qiáng)度也略高一點(diǎn)。然而對(duì)于低溫韌性指標(biāo)，卻是交流電的明顯高于直流反接的。分析認(rèn)為，在相同焊接規(guī)范下，與直流反接相比，交流電焊接時(shí)焊縫金屬熔寬較大，熔深較淺；在多層多道焊接時(shí)，交流焊接的后續(xù)焊道對(duì)前道的再熱作用區(qū)域較大，使得焊縫金屬二次細(xì)化組織比例提高，從而改善韌性。另一方面，由于交流電每秒變換50次極性，電弧形態(tài)屬于斷續(xù)活動(dòng)型，作用在熔滴上的等離子流力和電磁力對(duì)熔池液態(tài)金屬有一定的沖刷、攪拌作用，打亂柱狀晶結(jié)晶方向，可細(xì)化晶粒，從而改善結(jié)晶組織，提高韌性[9]。

兩組試驗(yàn)結(jié)果對(duì)焊縫強(qiáng)度的影響不同：前1組（見表8）交流的大于直流反接的，第2組（見表9）交流的小于直流反接的。但是對(duì)于焊縫低溫韌性的影響規(guī)律卻頗為一致：前1組（見表8）交流的明顯大于直流反接的，第2組（見表9）交流的同樣明顯大于直流反接的?？梢姌O性對(duì)埋弧焊焊縫力學(xué)性能的影響機(jī)制較為復(fù)雜。這是因?yàn)樯婕暗钠渌蛩剌^多，如焊劑的種類、焊接熱過程中焊縫組織的細(xì)化，以及母材種類、焊縫狀態(tài)等。

表8 極性對(duì)低碳鋼埋弧焊焊縫成分及力學(xué)性能的影響（焊后狀態(tài)，熔煉型焊劑）

表9 極性對(duì)21/4Cr-1M o鋼埋弧焊焊縫成分及力學(xué)性能的影響（焊后經(jīng)690℃×8 h消除應(yīng)力處理狀態(tài)，焊劑不詳）

2.5 變極性技術(shù)在埋弧焊中的應(yīng)用

一些先進(jìn)的埋弧焊電源[10]采用波形控制技術(shù)和交流電，改變正負(fù)半波的峰值電流值和時(shí)間，控制或改變焊縫熔深和焊道形狀。同時(shí)焊絲負(fù)半周熔敷也無需擔(dān)心電弧磁偏吹現(xiàn)象，如圖6所示。從下列2組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出波形控制技術(shù)原理的實(shí)用意義。（1）電流正負(fù)半波比對(duì)焊縫熔深的影響（見圖7）。當(dāng)占空比50%DC+時(shí)，焊縫熔深8.8mm；當(dāng)占空比提至70%DC+時(shí)，焊縫熔深9.8mm，明顯變深；當(dāng)占空比降至30%DC+時(shí)，焊縫熔深6.1mm，明顯變淺。（2）電流正負(fù)半波幅值對(duì)焊縫熔深的影響（見圖8）。當(dāng)正向電流增大時(shí)，焊縫熔深9.3mm，比額定分量熔深8.8mm增深0.5mm；當(dāng)反向電流增大時(shí)，焊縫熔深7.1mm，比額定分量熔深8.8mm變淺1.7mm?？偠灾撾娫丛趩位『笗r(shí)提供了滿意的焊縫熔深，以及優(yōu)異的電弧穩(wěn)定性和焊接熔敷速率。它還具有控制交流波的平衡、電流和頻率偏移的能力，以進(jìn)一步控制焊接特性。

圖6 波形控制技術(shù)改變?nèi)凵詈腿鄯舐适疽?/p>

圖7 電流正負(fù)半波比與熔深的關(guān)系

在多絲埋弧焊時(shí)，新電源的輸出波形之間的位相角可以任意設(shè)定，從而確保電弧之間的吸引和排斥力盡可能多的切換，以達(dá)到減少電弧間的相互作用。該電源已用于造船、橋梁、建筑、海洋平臺(tái)，以及壓力容器、螺旋焊管、模具修補(bǔ)堆焊等結(jié)構(gòu)中，獲得了滿意的工程質(zhì)量。

圖8 電流正負(fù)半波幅值與熔深的關(guān)系

3 結(jié)論

（1）作為電弧焊工藝中常用工藝參數(shù)極性的選用，基本遵循“合于使用”選用原則，主要強(qiáng)調(diào)工藝過程穩(wěn)定性和焊縫質(zhì)量滿意性。

（2）兩種極性（直流反接和交流）的SAW電弧形態(tài)不同，極性沒有完全改變?nèi)鄣芜^渡類型（均屬渣壁過渡），但熔滴直徑和熔滴分離頻率各不相同。

（3）雖然極性對(duì)埋弧焊焊縫氣孔有一定影響，但考慮到熔池中水分主要來自埋弧焊焊劑，控制焊劑中水分是防止氣孔的最重要措施。

（4）極性明顯影響SAW焊道幾何形狀,熱影響區(qū)寬度和母材稀釋率數(shù)值正極性比反極性小，但是所用焊劑不同時(shí)可能導(dǎo)致不同的結(jié)果。

（5）極性對(duì)埋弧焊焊縫力學(xué)性能的影響機(jī)制較為復(fù)雜。

（6）在波形控制技術(shù)下，變極性埋弧焊電源能顯著提高熔敷效率和焊接速度，易于控制熔深和焊縫形狀，帶給埋弧焊領(lǐng)域一個(gè)全新的概念。

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