埋弧焊電弧空腔行為及其影響

（太原理工大學(xué)焊接材料研究所，山西太原030024）

0 前言

埋弧焊以高效、自動化優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)，包括造船、建筑、能源、管道、風塔和海洋平臺等。雖然工藝原理并沒有被改變（見圖1），但是填充材料和電源設(shè)備方面的技術(shù)在不斷改進。然而，該工藝的一個基本特征是電弧是被掩埋在焊劑之中燃燒的，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該工藝的深入了解，有可能限制了埋弧焊設(shè)備的換代和發(fā)展。隨著高速成像技術(shù)的進步和試驗裝置的不斷更新，有可能對埋弧焊電弧空腔內(nèi)發(fā)生的真實情景有新的認識。為此，作者基于多年的焊接實踐并參考近年來有限的埋弧焊相關(guān)研究文獻，特意將電弧空腔的形成與工藝參數(shù)相聯(lián)系，探討空腔內(nèi)電弧、熔滴過渡、冶金反應(yīng)及其影響。該項工作對進一步認識埋弧焊工藝、豐富埋弧焊理論以及工程應(yīng)用，具有一定的參考價值和理論意義。

1 埋弧焊電弧空腔

1.1 埋弧焊電弧空腔及其形成

1.1.1 電弧空腔概念及性質(zhì)

埋弧焊最明顯的特點是電弧被掩埋在焊劑下，由于電弧熱作用，在電弧周圍形成一個所謂的空腔，空腔內(nèi)壁由半熔化狀態(tài)的熔渣壁組成。在空腔內(nèi)充滿了金屬蒸氣和焊劑分解物混合煙氣。由于其一定的煙氣內(nèi)壓力，撐起了一個電弧空腔（見圖1）。

圖1 埋弧焊工藝原理示意

1.1.2 電弧空腔的形狀

電弧空腔的示意性形狀如圖1所示[1]。用一個隧道插入埋弧電弧空腔抓拍的高速攝像圖如圖2所示[2]。實測的電弧空腔內(nèi)部被弧光照亮，空腔形狀雖然沒有那么規(guī)則和理想，但大致上壁頂近乎圓球形（圖中黑線標出）。

1.1.3 焊絲在空腔的位置

焊絲在空腔位置示意如圖3所示，可以看出，焊絲在空腔的位置大致有兩種情況，在垂直焊接方向截面（見圖3a），焊絲處于空腔頂?shù)膶ΨQ中心位置；在沿焊接方向截面，焊絲偏離空腔頂對稱中心，偏向焊接方向一側(cè)（見圖3b）。

圖2 實拍的埋弧焊空腔形貌（600 A、直流反接、垂直于焊接方向）

圖3 焊絲在空腔位置示意

軟壁空腔動態(tài)特點為：上部為半熔化狀態(tài)的焊劑球形壁面（軟體壁面），底部為水平液態(tài)熔池組成的一個三維空間。該空間一直支撐著上部一層焊劑的覆蓋，并處于連續(xù)運動狀態(tài)。最大特點是隨著時間推移空腔連續(xù)位移，在空腔后側(cè)底部形成焊縫，上部凝固形成熔渣。電弧空腔是一個動態(tài)過程存在的結(jié)構(gòu)，一旦焊接工藝完成，空腔即刻消失。

1.1.4 空腔形成條件

空腔形成條件缺一不可。包括：a.材料因素：焊劑、焊絲、母材；b.設(shè)備因素：弧焊電源及控制箱、焊接機頭和工作臺；c.冶金因素：一是電弧把焊劑、焊絲、母材熔化；二是空腔內(nèi)充滿金屬蒸氣和焊劑分解物混合煙氣，并形成一定氣壓。

1.2 埋弧焊電弧空腔的影響因素

1.2.1 焊劑品質(zhì)

涉及焊劑熔渣的堿度以及焊劑粒度組成。焊劑熔渣的堿度關(guān)系到焊劑的熔點和凝固點，會影響空腔體積的大小和熔渣凝固的速度。焊劑粒度組成則涉及焊接煙氣的排放。

1.2.2 焊接參數(shù)

a.焊接電流。電流大，提供的熱能量多，空腔溫度高，體積變大，熔池的體積也會變大；反之，空腔體積變小，熔池的體積也會變小。

b.電弧電壓。電弧電壓高，電弧體積增大，空腔體積變大；反之，空腔體積變小。

c.焊接速度。焊接速度加快，熱源存在時間變短，空腔體積變?。环粗?，空腔體積變大。

d.焊劑厚度。焊劑的堆積厚度關(guān)系到對空腔施加的壓力，太厚時壓力過大，可能減小空腔體積?？梢灶A(yù)見的是，在給定的焊劑堆積厚度范圍內(nèi)，通常不會發(fā)生空腔體積被壓小的現(xiàn)象。

e.電源極性。鑒于極性對電弧發(fā)熱機構(gòu)的影響機制，直流正接（DCEN）空腔溫度較低，直流反接（DCEP）空腔溫度較高[2]，前者空腔體積小于后者。

f.焊絲干伸長。應(yīng)當對電弧空腔的體積變化沒有太大影響。

g.焊絲直徑。焊絲直徑大，所需電流大，電弧空腔的體積增大；反之亦然。

2 埋弧焊電弧空腔中的電弧及熔滴過渡行為

2.1 電弧形態(tài)

雖然埋弧焊的電弧是掩埋在焊劑中燃燒的（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(zhì)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(chǎn)生的，同時熔滴在短路過渡瞬間會出現(xiàn)電弧瞬間熄滅現(xiàn)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(xiàn)電弧瞬間熄滅現(xiàn)象，因此該類焊接方法的電弧形態(tài)應(yīng)屬于連續(xù)、非活動型[3]。

2.2 熔滴過渡形態(tài)

埋弧焊電弧在焊劑空腔內(nèi)燃燒，其熔滴過渡方式可能有多種，多個文獻對此的論述如表1所示。文獻[4]認為，在埋弧焊中，收縮效應(yīng)（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的。當埋弧焊縮短弧長時，也會發(fā)生短路，但是短路時間非常短，大約只有1/500～1/1 000 s，瞬間即重新回到燃弧狀態(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[5]認為，通過X射線高速攝影觀察可知，埋弧焊時電弧是在熔渣形成的空腔內(nèi)燃燒的，大部分熔滴都沿著渣壁流入熔池，即成渣壁過渡形式（見圖4）。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(shù)熔滴是通過空腔內(nèi)的電弧直接過渡的（滴狀過渡）。文獻[6]采用一個橫穿焊縫的“隧道”裝置，并用高速錄像、光譜技術(shù)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)。結(jié)果表明，所有情況下都沒有短路過渡；也沒有噴射過渡的證據(jù)；但觀察到非軸向粗滴狀過渡。文獻[7]采用雙絲串聯(lián)埋弧焊等試驗方法分析了埋弧焊中熔滴過渡形態(tài)。結(jié)果表明，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)。

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

埋弧焊熔滴過渡最新的研究成果如表2所示[8]。通過垂直于焊接路徑插入一個薄鋼片隧道，拍攝的視頻截圖（見圖5、圖6）比較清晰，分辨率尚可。電弧空腔內(nèi)比較混濁、不干凈。焊劑顆粒、渣粒紛紛下落，混合煙氣彌漫，熔滴爆炸飛濺隨處可見，嚴重阻擋視線。無論是500 A還是1 000 A電流，電弧中呈現(xiàn)的熔滴形狀非常不規(guī)則，絕對不是明弧中的球形或變形球狀，熔滴表面很不光滑。500 A電流時熔滴尺寸比較大，大于焊絲直徑；1 000 A電流時熔滴尺寸比較小，小于焊絲直徑。熔滴過渡頻率隨電流增大明顯提高。視頻截圖可以明顯看到非軸向滴狀過渡，盡管在1 000 A時非軸向滴狀過渡傾向有減弱趨勢。但觀察到一種新的熔滴過渡形態(tài)和機制。在焊絲尖端逐漸變細處，噴射出熔融的“尾巴”，有點類似于GMAW中的旋轉(zhuǎn)噴射過渡特征。此即所謂“鞭尾”形熔滴過渡（見圖7、圖8），但它也是噴向渣壁方向過渡的。文獻[8]這樣描述：“噴出的金屬對著（渣壁）側(cè)面飛，并撞擊3 638幀圖時的焊劑壁，給出了在焊劑下發(fā)生過程的良好表現(xiàn)”。

圖4 渣壁過渡示意

綜合分析表1、表2可知：（1）空腔內(nèi)的熔滴呈滴狀過渡。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。（2）熔滴是否沿渣壁滑落進入熔池，尚需具備兩個條件：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(jīng)具備，條件②因空腔內(nèi)充滿了焊劑高溫熔化產(chǎn)生的CO和金屬蒸氣，對熔滴有排斥作用，同時還有磁偏吹作用[4]，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。此即典型的渣壁過渡形態(tài)機制（見圖4）。（3）縱然在近期的研究中，當1 000 A電流時出現(xiàn)了新的過渡形態(tài)，即所謂“鞭尾”形過渡，但熔滴最終也要通過渣壁落入熔池。另外，雖然在雙絲串聯(lián)埋弧焊中，大電流時可能出現(xiàn)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400～800 A常用電流時，渣壁過渡仍應(yīng)成為主導(dǎo)過渡形態(tài)。

表2 最近的埋弧焊熔滴過渡觀察結(jié)果（焊絲直徑3.2 mm、直流反接）

圖5 71號試驗（500 A，30 V）期間SAW中的熔滴過渡

3 電弧空腔內(nèi)的冶金行為及其影響

3.1 電弧空腔行為與焊絲、熔滴及焊縫中氧含量的關(guān)系

圖6 62號試驗（1 000 A、42 V）期間SAW中的熔滴過渡

圖7 61號試驗中觀察到的扭結(jié)不穩(wěn)定現(xiàn)象（800 A、38 V、0.914 m/min，焊絲直徑3.2 mm、直流反接）

圖8 X射線成像中觀察到的“鞭尾”特征（箭頭所指）（800A、38 V、0.914 m/min，焊絲直徑3.2 mm、直流反接）

圖9是采用氧氮氫分析儀和載氣熔體萃取法測取的埋弧焊焊絲、熔滴及焊縫金屬中的氧含量[2]。可以看出：（1）在多種試驗條件下，熔滴中的氧含量最高，焊縫中其次，焊絲最低。這是熔滴過渡區(qū)的增氧反應(yīng)所致。焊縫中增氧比熔滴中少是由于焊縫中有硅、鋁脫氧結(jié)果。（2）在焊接電流為600 A時，直流反接（DCEP）的熔滴和焊縫中氧含量高于直流正接（DCEN）的。這是由于直流反接時空腔溫度比直流正接時高[1]，增氧反應(yīng)更加劇烈所致。（3）在相同焊接電流（600 A）時，交流電（AC）的熔滴和焊縫中氧含量居中。這是因為電流波形要過零點，空腔溫度居中，增氧反應(yīng)程度居中，自然氧含量居中。（4）在極性相同時，隨著焊接電流的增大，熔滴和焊縫中氧含量也增大。這是由于電流增大時，空腔溫度增高，增氧反應(yīng)激烈所致。

圖9 焊絲、熔滴和焊縫中的氧含量

3.2 熔滴過渡區(qū)的氧化還原反應(yīng)

表3是埋弧焊試樣的焊絲和熔敷金屬化學(xué)成分實測結(jié)果[3]?？梢钥闯觯c焊絲成分相比，熔敷金屬成分中的Mn和C的含量減少了，而Si的含量增加了（P和S含量也有變化）。這是由于焊劑中含有少量的SiO2，在熔滴反應(yīng)區(qū)可能發(fā)生了下列反應(yīng)：

表3 焊絲和熔敷金屬的化學(xué)成分%

上述三式均屬于滲硅反應(yīng)，但式（2）是典型的滲Si增氧反應(yīng)，式（3）是熔滴中的碳與熔渣中的SiO2反應(yīng)，可能生成CO氣體。式（1）是焊絲中錳元素的氧化燒損反應(yīng)，由于焊劑渣中加入MnO較少，錳的過渡系數(shù)通常不高，約為0.60，可以反映Mn氧化反應(yīng)進行的激烈程度。

在熔滴反應(yīng)區(qū)，主要是滲硅氧化和錳元素的氧化燒損反應(yīng)，而且進行得比較激烈。在熔池反應(yīng)區(qū)，上述反應(yīng)也可能進行，但反應(yīng)的激烈程度可能較弱。埋弧焊電弧空腔內(nèi)充滿了焊絲、焊劑熔化和加熱后產(chǎn)生的氣體（含金屬和非金屬礦物蒸氣）。

圖9直接測試了空腔內(nèi)焊絲、熔滴和焊縫中的氧含量，而表3和式（2）測試的是焊絲和焊縫的化學(xué)成分變化，推演出空腔內(nèi)確實發(fā)生了滲硅增氧反應(yīng)。兩種方法或兩條途徑指向了同一個結(jié)果。

3.3 空腔內(nèi)的增氧對熔滴過渡的影響

熔滴過渡理論表明，熔滴的表面張力是決定熔滴尺寸的主導(dǎo)作用力之一，而熔滴反應(yīng)區(qū)熔滴的增氧是減小表面張力、細化熔滴的有效方式。如上所述，埋弧焊空腔內(nèi)熔滴的增氧是明顯的（見圖9），但是否在所有情況下熔滴都能被細化？圖10和圖11分別是空腔內(nèi)熔滴尺寸和熔滴內(nèi)含氧量隨焊劑熔渣堿度變化實測結(jié)果[9]。可以看出，①當焊劑堿度不變時，直流反接的熔滴尺寸要小于直流正接的。原因是直流反接時熔滴明顯增氧，熔滴被細化；而直流正接時熔滴增氧不明顯，熔滴未被細化。②在直流反接時，隨焊劑熔渣堿度增大，熔滴尺寸減?。ㄒ妶D10）。這是由于隨焊劑熔渣堿度增大，熔滴中氧含量明顯增高（見圖11），熔滴增氧被細化。③在直流正接時，隨焊劑熔渣堿度增大，熔滴尺寸增大（見圖10）。因為隨焊劑熔渣堿度增大，熔滴中氧含量不升反降（見圖11），熔滴被粗化。

圖10 焊劑熔渣堿度與熔滴直徑的關(guān)系（焊絲直徑：φ4mm，焊接電流：400 A）

圖11 焊劑熔渣堿度與熔滴中含氧量的關(guān)系（焊絲直徑：φ4 mm，焊接電流：300 A）

綜合分析圖9、圖10和圖11可知，盡管在電弧空腔內(nèi)增氧反應(yīng)是不爭的事實，但是與焊絲直徑相比，實測的熔滴尺寸變化不是太大，尤其在直流反接、熔滴被細化時，沒有觀察到焊絲變尖、熔滴特細，發(fā)生噴射過渡現(xiàn)象（這可能與圖10試驗電流較小有關(guān)）。也就是說，空腔內(nèi)的增氧反應(yīng)不可能改變埋弧焊渣壁過渡這一典型熔滴過渡形態(tài)，電弧的形態(tài)也不會受到大的影響。至于焊接熔渣堿度對熔滴尺寸的影響，取決于熔滴增氧的程度。遺憾的是沒有試驗表明熔滴能被細化到改變渣壁過渡形態(tài)。

4 結(jié)論

（1）電弧空腔是由半熔化焊劑壁組成的、內(nèi)部充滿金屬蒸氣和焊劑分解物混合煙氣的、頂部圓球形底部熔池的一個三維電弧空間，受控于焊劑和工藝參數(shù)。

（2）空腔內(nèi)電弧形態(tài)屬于連續(xù)、非活動型；在單絲埋弧焊中，渣壁過渡是熔滴的主導(dǎo)過渡形態(tài)。

（3）在空腔內(nèi)熔滴和焊縫中有增氧現(xiàn)象發(fā)生，其中熔滴的增氧最大，電源極性和電流變化對增氧量有影響。熔滴反應(yīng)區(qū)的滲硅增氧反應(yīng)佐證了空腔內(nèi)的增氧事實。

（4）電源極性和焊劑熔渣堿度有可能使熔滴增氧、細化熔滴，但不至于改變?nèi)鄣蔚脑谶^渡形態(tài)。