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鈦型渣系氣保護(hù)藥芯焊絲熔滴過渡及其控制

一，概述

與其他焊接材料一樣，藥芯焊絲的發(fā)展主要取決于兩個(gè)要素：一是市場(chǎng)的需求，二是產(chǎn)品自身的質(zhì)量。近年來，我國(guó)藥芯焊絲的市場(chǎng)需求量是上升的，而國(guó)產(chǎn)藥芯焊絲的品質(zhì)質(zhì)量可以說也是不斷提升的。以市場(chǎng)需求量zui大的鈦型渣系氣保護(hù)藥芯焊絲E501T一1為例，該焊絲的工藝性普遍改善，已經(jīng)提高到一個(gè)新的水平，對(duì)常見焊接缺陷產(chǎn)生原因業(yè)已查清，一些被國(guó)外企業(yè)長(zhǎng)期保密的關(guān)鍵技術(shù)亦被國(guó)人突破。國(guó)產(chǎn)藥芯焊絲已經(jīng)沖出，進(jìn)入市場(chǎng)。這標(biāo)志著國(guó)產(chǎn)藥芯焊絲進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。然而，應(yīng)當(dāng)看到，發(fā)展是不平衡的，藥芯焊絲生產(chǎn)廠家的技術(shù)水平良莠不齊，有的企業(yè)技術(shù)開發(fā)尚未全面過關(guān)，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，用戶反映焊絲的工藝性質(zhì)量問題居多。有的企業(yè)(或公司)因此遭遇退(換)貨，有的則在重大工程項(xiàng)目招投標(biāo)運(yùn)作中受挫，不僅造成一定經(jīng)濟(jì)損失，還影響企業(yè)(或公司)形象。藥芯焊絲工藝性歸根結(jié)底是與熔滴過渡相關(guān)。關(guān)于藥芯焊絲的熔滴過渡的研究，已經(jīng)有不少文獻(xiàn)報(bào)道，但是觀點(diǎn)不盡相同。面對(duì)大好形勢(shì)，那些所謂焊絲有問題的企業(yè)難道會(huì)束手無策嗎?鈦型渣系氣保護(hù)藥芯焊絲工藝性改進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)究竟在那里?為此，本文將焊絲的熔滴過渡與工藝性相，探討影響因素，開展藥芯焊絲熔滴過渡及其控制原理研究。該項(xiàng)研究對(duì)推動(dòng)那些產(chǎn)品與水平尚有差距的企業(yè)技術(shù)進(jìn)步，提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，具有重要意義和參考價(jià)值。

二、鈦型渣系氣保護(hù)藥芯焊絲熔滴過渡形態(tài)及其分類

在藥芯焊絲研究發(fā)展過程中，關(guān)于鈦型藥芯焊絲熔滴過渡形態(tài)評(píng)價(jià)出現(xiàn)了幾種觀點(diǎn)：一種觀點(diǎn)認(rèn)為，這類藥芯焊絲的熔滴過渡形態(tài)，在小電流區(qū)域是細(xì)顆粒過渡，在大電流區(qū)域是射流過渡，不發(fā)生短路過渡。另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為，隨焊接條件(參數(shù))變化，熔滴過渡分為大滴排斥過渡、細(xì)顆粒過渡、射滴過渡、射流過渡和短路過渡五種。在某文獻(xiàn)資料中，將這類藥芯焊絲熔滴過渡特性歸納為四個(gè)方面：①熔滴的周向旋轉(zhuǎn)特性。②熔滴的非軸向過渡特性。③藥芯滯熔特性。④熔滴與熔渣分離過渡特性。

本文的試驗(yàn)觀察證實(shí)，這類藥芯焊絲熔滴過渡的基本形態(tài)是非軸向排斥滴狀過渡，其主要的過渡指標(biāo)是熔滴尺寸、過渡頻率及熔滴過渡的非軸向傾向。熔滴過渡形態(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)過渡。隨焊接電流的增大，熔滴尺寸減小，過渡頻率增大，熔滴的非軸向傾向略顯減??；當(dāng)焊接電流大于某范圍值后，熔滴尺寸急劇減小，過渡頻率急劇增大，熔滴沿焊絲渣柱方向過渡，此時(shí)的形態(tài)可以稱為“射滴過渡”。熔滴沿渣柱的過渡行為，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)通常采用較大焊接電流，電弧電壓相應(yīng)提高時(shí)，這類焊絲發(fā)生短路過渡的機(jī)會(huì)較小。但是，zui近采用高速攝影和漢諾成分析儀測(cè)試顯示，以滴狀為主的過渡中，在電弧電壓較低的那些瞬時(shí)，亦會(huì)發(fā)生短路過渡行為。

三、鈦型渣系氣保護(hù)藥芯焊絲熔滴過渡

形態(tài)與焊絲工藝性間的關(guān)系熔滴過渡形態(tài)對(duì)工藝性的影響，可以通過焊接規(guī)范參數(shù)的變化，影響熔滴過渡指數(shù)變化，進(jìn)而使工藝性指標(biāo)發(fā)生變化。例如：①采用咖1．2mm焊絲，在平焊位置，焊接電流增大至240～260A時(shí)，熔滴尺寸減小，過渡頻l率增大，焊絲端部滯熔的渣柱尺寸增大，有一定數(shù)量的熔滴沿渣柱滑入熔池，此時(shí)電弧穩(wěn)定性較好，焊接飛濺較小，高溫渣流動(dòng)性適中，熔渣覆蓋均勻，焊縫金屬光澤鮮亮，成形均勻美觀，焊絲工藝性優(yōu)良。②當(dāng)焊接電流繼續(xù)增大至280～300A時(shí)，熔滴尺寸再減?。^渡頻率再增大，焊絲端部滯熔的渣柱尺寸也增大，此時(shí)電弧穩(wěn)定性反而變差，熔滴不*沿渣柱滑入熔池，焊接飛濺增大，高溫渣變稀，熔渣覆蓋不均勻，焊縫金屬光澤被氧化，成形不均勻，焊絲工藝性變差。③當(dāng)焊接電流減小至160～200A時(shí)，熔滴尺寸略大，過渡頻率減小，焊絲端部滯熔的渣柱尺寸小，此時(shí)電弧穩(wěn)定性略顯差點(diǎn)，但熔滴絕大多數(shù)落入熔池，焊接飛濺不算太大，高溫渣的凝固范圍較小，形成“短渣”，熔渣覆蓋均勻，焊縫金屬光澤好，成形均勻美觀，此時(shí)焊絲的立向上焊接工藝性優(yōu)良。

四、鈦型渣系氣保護(hù)藥芯焊絲熔滴過渡機(jī)理

1．熔滴形成過程

以截面為“o”形對(duì)接口藥芯焊絲為例，其熔滴形成過程為：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(見下圖)。隨著焊絲不斷送進(jìn)，熔滴在電弧中急速旋轉(zhuǎn)、飄移并過渡。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。

2．熔滴過渡機(jī)理

電弧中熔滴的過渡，zui終靠作用于熔滴上的各種力的綜合變化。為此本文建立了藥芯焊絲熔滴過渡受力模

型(見下圖)。該模型認(rèn)為，藥芯焊絲的熔滴在電弧中受到模型中諸作用力的共同作用，隨焊接參數(shù)的變化，各種力的大小和方向可能發(fā)生變化，致使熔滴過渡指數(shù)不斷改變，熔滴過渡形態(tài)發(fā)生變化。藥芯焊絲熔滴受以下幾種力的作用：表面張力F。、重力F。、電磁力一、氣體吹力L、斑點(diǎn)壓力‘、等離子流力‘。

(1)表面張力F． 表面張力是在焊絲端頭上保持熔滴的主要作用力。若焊絲的半徑為尺，這時(shí)焊絲和熔滴間的表面張力為：F。。2丌R盯 (1)其中，盯為表面張力系數(shù)(10。3N／m)，它與熔滴的成分、溫度及氣體介質(zhì)等因素有關(guān)。

(2)重力F。 在焊接電流較小時(shí)，在平焊位置情況下，它是促使熔滴過渡的主導(dǎo)力，其大小為：3t=mg=——7c y 3P g(2)。4式中y——熔滴半徑，mm；p——熔滴的密度，g／cm3；g——重力加速度，cm／sce2。立焊和仰焊時(shí)，重力將阻礙熔滴過渡。

(3)電磁力F 電流流過熔滴時(shí)，導(dǎo)體的截面是變化的，將產(chǎn)生電磁力的軸向分力，其方向總是從小截面指向大截面，大小與電流的平方成正比。在熔滴與焊絲的縮頸處，電磁力的軸向分力促使熔滴過渡。在熔滴與弧柱的電極斑點(diǎn)處，電磁力的軸向分力對(duì)熔滴過渡的影響取決于電弧的斑點(diǎn)面積。如果斑點(diǎn)尺寸大于焊絲直徑，則促使熔滴過渡；反之，斑點(diǎn)尺寸小于焊絲直徑，則阻礙熔滴過渡。鈦型渣系藥芯焊絲焊接時(shí)，弧根面積大，電磁力促使熔滴過渡。

(4)氣體吹力F 由于。氣體高溫分解吸熱，oCO對(duì)電弧產(chǎn)生冷卻作用，使電弧電場(chǎng)強(qiáng)度提高，電弧收縮，弧根面積減小，作用在熔滴上的電極斑點(diǎn)壓力增大，導(dǎo)致熔滴非軸向過渡。嚴(yán)重時(shí)影響電弧穩(wěn)定性或增大飛濺。

(5)斑點(diǎn)壓力t 電弧中的帶電質(zhì)點(diǎn)(正離子和電子)對(duì)電極斑點(diǎn)處撞擊產(chǎn)生斑點(diǎn)壓力，此力阻礙熔滴順利過渡。陰極斑點(diǎn)壓力比陽極的斑點(diǎn)壓力大，所以直流反接時(shí)熔滴過渡較為順利。

(6)等離子流力F。電弧從焊絲到工件其截面逐漸增大，電弧中產(chǎn)生的軸向推力，導(dǎo)致從焊絲向工件方向產(chǎn)生的等離子氣流。電流較大時(shí)，高速等離子流對(duì)焊絲端部的熔滴產(chǎn)生很大的作用力，有利于熔滴的軸向運(yùn)動(dòng)。該作用力的大小與電流大小有密切關(guān)系。綜上所述，可以看出，焊接電流較小時(shí)，重力對(duì)促進(jìn)熔滴過渡起重要作用，而表面張力阻礙熔滴過渡；焊接電流較大時(shí)，電磁力、等離子流力以及表面張力均有利熔滴過渡；斑點(diǎn)壓力與電源極性有關(guān)，保護(hù)氣體吹力則對(duì)熔滴過渡可能產(chǎn)生負(fù)面影響。應(yīng)當(dāng)看到，熔滴過渡是上述各種力綜合作用的結(jié)果，熔滴過渡的控制實(shí)質(zhì)上就是控制作用在熔滴上的各種力，這些力的影響因素比較復(fù)雜，將在下一節(jié)討論。

五、鈦型渣系氣保護(hù)藥芯焊絲熔滴過渡影響因素及控制

1．藥芯組成物的影響

某文獻(xiàn)研究了多種藥芯組成物對(duì)熔滴過渡的影響：

(1)金紅石的含量增大時(shí)不能降低熔滴的界面張力，對(duì)熔滴的細(xì)化作用并不強(qiáng)烈，原因是金紅石其中的主要成分TiO，結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，在電弧中不使熔滴增氧。

(2)硅鋁酸鹽礦石粉含量增大時(shí)對(duì)熔滴有明顯的細(xì)化作用，原因是其中所含的SiO，以及K，O、Na，O使熔滴的表面張力減小，熔滴被細(xì)化。

(3)鋁和鋁鎂合金對(duì)熔滴有一定的細(xì)化作用，機(jī)理可能是這些組元燃燒放熱，使熔滴溫度升高，熔滴的表面張力減小。

(4)氟化物含量增大時(shí)，雖然能減小熔渣的表面張力，使熔渣變稀，但是由于CaF．是反電離物質(zhì)，增大電極斑點(diǎn)壓力，阻礙熔滴順利過渡，因而使熔滴尺寸變大，電弧穩(wěn)定性變差，加劇了熔滴非軸向排斥過渡傾向。某文獻(xiàn)在藥芯中加入白云石，焊接時(shí)放出CO。使藥粉不易燒結(jié)(有利克服“滯熔”現(xiàn)象)；藥芯中加入的金屬鎂，在焊接過程中燃燒，放出大量熱，有利控制焊絲的“滯熔”現(xiàn)象，改善電弧穩(wěn)定性和熔滴過渡形態(tài)。某文獻(xiàn)研究了鐵粉的影響，隨藥芯中鐵粉含量增加，焊絲的熔化速度降低，熔滴尺寸和渣柱長(zhǎng)度減小，有利熔滴過渡；然而，隨藥芯中鐵粉含量增大，熔滴增氧，硅、錳元素含量降低，焊縫中氣孔傾向增大，影響焊縫的質(zhì)量。為此，提出限定鐵粉含量的zui大值為藥芯總重的40％。

2．焊絲截面形狀的影響

研究表明，藥芯焊絲熔滴過渡形態(tài)與焊絲截面形狀關(guān)系密切。簡(jiǎn)單截面(0形，對(duì)接縫)藥芯焊絲為非軸向排斥滴狀過渡，首先與位于外皮的薄鋼帶先于藥芯熔化，形成的熔滴懸于焊絲一側(cè)(偏心焊絲軸線)，并沿周邊長(zhǎng)大有關(guān)，再加上CO，電弧特性使熔滴的受力狀況惡化，作用在熔滴上的電極斑點(diǎn)壓力增大，導(dǎo)致電弧不穩(wěn)、飛濺大，產(chǎn)生渣柱，甚至出現(xiàn)藥芯成塊脫落等不利的工藝特性。由于熔滴過渡區(qū)冶金反應(yīng)不*，還導(dǎo)致焊縫力學(xué)性能的不穩(wěn)定、不均勻，嚴(yán)重影響焊絲的工藝質(zhì)量。復(fù)雜截面藥芯焊絲為細(xì)熔滴滴狀過渡，非軸向傾向被減弱，有的焊絲也可能呈軸向過渡。此時(shí)由于弧根面積大，電磁軸向分力促使熔滴過渡，克服了簡(jiǎn)單截面焊絲熔滴過渡的不利因素，表現(xiàn)出電弧穩(wěn)定、飛濺較小、過渡頻率適中等一系列優(yōu)點(diǎn)。熔滴過渡區(qū)冶金反應(yīng)較為*、充分，焊縫中合金元素分布均勻，顯微組織品粒較細(xì)，熔敷金屬力學(xué)性能優(yōu)良、穩(wěn)定，尤其是缺口沖擊韌性值遠(yuǎn)高于簡(jiǎn)單截面焊絲。研究還表明，焊絲截面形狀越復(fù)雜，焊縫金屬含氮量越低。這是熔敷金屬力學(xué)性能優(yōu)良、穩(wěn)定的重要因素。

3．焊絲直徑、鋼帶厚度的影響

研究表明，隨藥芯焊絲直徑的減小，熔滴弧根面積增大，電磁軸向分力促使熔滴過渡，此時(shí)焊接電弧穩(wěn)定、飛濺減小、熔滴細(xì)化，焊絲的操作工藝性滿意。反之，藥芯焊絲直徑增大后，熔滴過渡阻力增大，電弧不穩(wěn)、飛濺增大、熔滴粗化，焊絲的操作工藝性急轉(zhuǎn)直下。因此對(duì)于大直徑焊絲，采用復(fù)雜截面。關(guān)于鋼帶的厚度，對(duì)于相同直徑的焊絲，采用略厚一點(diǎn)的鋼帶有利熔滴過渡。原因是厚帶生產(chǎn)時(shí)，焊絲的填充系數(shù)較小，熔滴弧根面積較大，同時(shí)產(chǎn)生的渣柱較小，焊絲的工藝性好。

4．焊接工藝參數(shù)的影響

焊接工藝參數(shù)的影響因素如下：

(1)焊接電流 是熔滴尺寸、過渡形態(tài)發(fā)生明顯變化的關(guān)鍵參數(shù)，其影響規(guī)律如第2節(jié)所述。其機(jī)理是，

隨焊接電流增大，電弧熱亦增大，熔滴的溫度提高，熔滴的表面張力被減小。

(2)電弧電壓 隨電弧電壓增大，熔滴有細(xì)化傾向。原因是電弧電壓增大使電弧長(zhǎng)度增大，電弧的氧化性增大，熔滴的表面張力被減小。

(3)電源極性 在相同焊接電流條件下，直流反接時(shí)，熔滴較細(xì)，過渡頻率較高；直流正接時(shí)，情況相反。這與電弧中電子發(fā)射機(jī)理及熔滴所受斑點(diǎn)壓力有關(guān)。其余參數(shù)，如焊絲伸出長(zhǎng)度、保護(hù)氣流量、焊接速度等對(duì)熔滴過渡形態(tài)無明顯影響。

六、結(jié)語

(1)該焊絲熔滴過渡的基本形態(tài)是非軸向滴狀過渡。熔滴過渡形態(tài)的變化，主要依賴于焊接電流變化。以滴狀為主的過渡中，在電弧電壓較低瞬時(shí)，亦會(huì)發(fā)生短路過渡行為。

(2)這類焊絲熔滴過渡形態(tài)對(duì)工藝性的影響，取決于焊接規(guī)范參數(shù)的變化，主要是焊接電流。通過影響熔滴過渡指數(shù)，進(jìn)而使工藝性指標(biāo)發(fā)生變化。在本文試驗(yàn)條件下，焊接電流為240～260A時(shí)，焊絲工藝性優(yōu)良。當(dāng)焊接電流為280～300A時(shí)，焊絲工藝性變差。當(dāng)焊接電流為160～200A時(shí)，焊絲的立向上焊接工藝性優(yōu)良。的政府特殊津貼。(3)依據(jù)該焊絲熔滴形成過程特點(diǎn)，建立了藥芯焊絲熔滴過渡受力模型。焊接電流較小時(shí)，重力對(duì)促進(jìn)熔滴過渡起重要作用，而表面張力阻礙熔滴過渡；焊接電流較大時(shí)，電磁力、等離子流力以及表面張力均有利熔滴過渡；斑點(diǎn)壓力與電源極性有關(guān)，保護(hù)氣體吹力則對(duì)熔滴過渡可能產(chǎn)生負(fù)面影響。

(4)通過調(diào)整藥芯組成物，選擇焊絲截面形狀，改變焊絲直徑和鋼帶厚度，優(yōu)化焊接工藝參數(shù)等，改變作用于熔滴上相關(guān)力的大小或方向，zui終實(shí)現(xiàn)對(duì)熔滴過渡的控。

鈦型渣系氣保護(hù)藥芯焊絲熔滴過渡及其控制

作者簡(jiǎn)介：

孫成，教授，長(zhǎng)期從事焊接材料及金屬焊接性方面的研究和教學(xué)工作，對(duì)焊接材料軟件開發(fā)具有豐富經(jīng)驗(yàn)；獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)(2000年)。省(部)級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)，二等獎(jiǎng)5項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文70多篇；1 992年獲國(guó)務(wù)院頒發(fā)的政府特殊津貼。

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