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氣保護藥芯焊絲熔滴過渡形態的特點

查看：1630 　發稿日期：2016-01-13 19:46:25

、氣保護藥芯焊絲熔滴過渡形態的特點
1.1熔滴形成過程
觀察對接口“O”形截面藥芯焊絲熔滴形成過程，可以發現，進入電弧區的焊絲端部，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，有時還有滯后熔化的一小段細鋼帶，如圖1所示。隨著焊絲不斷送進，熔滴在電弧中急速旋轉、飄移并過渡�？梢钥闯�，電弧燃燒時，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，結果出現偏心熔化（或馬蹄形熔化）、熔滴沿焊絲周邊懸掛運動和熔滴的非軸向過渡現象。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比鋼帶高所致。
1.2 熔滴過渡機理及過渡主導力
從藥芯焊絲熔滴過渡受力模型，如圖1所示可以看出，在電弧中熔滴受以下幾種力的作用：表面張力Fσ、重力Fg、電磁力Fc、氣體吹力Fq、斑點壓力Fb、等離子流力Fd。隨焊接參數的變化，各種力的大小和方向可能發生變化，致使熔滴過渡指數不斷改變，熔滴過渡形態發生變化。

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研究表明，焊接電流較小時，重力和表面張力是熔滴過渡的主導力，此時重力促進熔滴過渡，而表面張力則阻礙熔滴過渡；焊接電流較大時，電磁力、等離子流力以及表面張力是熔滴過渡的主導力，它們均有利熔滴過渡；斑點壓力與電源極性有關，保護氣體吹力則對熔滴過渡可能產生負面影響。應當看到，熔滴過渡是上述各種力綜合作用的結果，熔滴過渡的控制實質上就是控制作用在熔滴上的各種力，這些力的變化及影響因素比較復雜。
1.3 熔滴過渡形態
試驗用藥芯焊絲熔滴過渡的基本形態是非軸向排斥滴狀過渡，其主要的過渡指標是熔滴尺寸、過渡頻率及熔滴過渡的非軸向傾向。熔滴過渡形態的變化，主要依賴于焊接電流變化。在小電流下焊接時，焊絲端部的滴狀熔滴受多種力作用下急速地擺動，并以非軸向方式不停地脫離焊絲實現過渡。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小；當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, 此時的形態可以稱為“射滴過渡”。熔滴沿渣柱的過渡行為，對穩定電弧、減小焊接飛濺、改善操作工藝性較為有利[2]。在生產現場通常采用較大焊接電流，電弧電壓相應提高時，這類焊絲發生短路過渡的機會較小。
1.4 電弧形態
本文通過與實芯焊絲的對比觀察, 把藥芯焊絲的電弧形態分為四種類型：按電弧的連續性分，可以分為連續型和斷續型電�。话措娀〉幕顒有裕梢苑譃榛顒有秃头腔顒有碗娀　嵭竞附zCO2氣保護焊時，盡管熔滴的非軸向排斥過渡形態使電弧偏離焊絲軸線, 而且隨熔滴在焊絲端急速擺動而飄移不定，但電弧首先是在焊絲端頭的整個截面上產生的，同時熔滴在短路過渡瞬間會出現電弧瞬間熄滅現象，因此實芯焊絲的電弧形態屬于活動、斷續型。而“O”型截面藥芯焊絲CO2氣保護焊時，熔滴雖然也是非軸向排斥過渡形態，而且隨熔滴在焊絲端急速擺動而發生電弧遷移，然而電弧首先是產生在焊絲金屬外套管上，況且熔滴的滴狀過渡并未出現電弧瞬間熄滅現象，因此該類藥芯焊絲的電弧形態應屬于活動、連續型�？傮w上看，藥芯焊絲CO2氣保護焊時，因為藥芯中加有穩弧劑，電弧的挺度和穩定性均比實芯焊絲的好，焊絲的工藝性得到明顯的改善。
2、熔滴過渡形態對工藝質量的影響
熔滴過渡形態對工藝質量的關系, 可以通過焊接規范參數的變化，影響熔滴過渡指數變化，進而使工藝質量指標發生變化。見表1，采用Φ1.2mm 焊絲，在平焊位置，焊接電流增大至240~260A時，熔滴尺寸減小，過渡頻率增大，焊絲端部滯熔的渣柱尺寸增大，有一定數量的熔滴沿渣柱滑入熔池，此時電弧穩定性較好，焊接飛濺較小，高溫渣流動性適中，熔渣覆蓋均勻，焊縫金屬光澤鮮亮，成形均勻美觀，焊絲工藝性優良。當焊接電流繼續增大至280~300A時，熔滴尺寸再減小，過渡頻率再增大，焊絲端部滯熔的渣柱尺寸也增大，此時電弧穩定性反而變差，熔滴不完全沿渣柱滑入熔池，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。當焊接電流減小至160~200A時，熔滴尺寸略大，過渡頻率減小，焊絲端部滯熔的渣柱尺寸小，此時電弧穩定性略差，但熔滴絕大多數落入熔池，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，此時焊絲的立向上焊接工藝性優良。
3、熔滴過渡形態的選擇

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從表1可以看出，該類藥芯焊絲熔滴過渡形態和電弧形態大的類型已經確定，但是焊接電流參數能在很大程度上影響熔滴非軸向排斥過渡指數，進而影響焊絲的工藝質量。試驗表明, 存在一個最佳規范范圍，在此規范下, 熔滴過渡形態和電弧形態基本未變，熔滴非軸向排斥過渡指數被控制，焊絲的工藝質量較滿意。比如，Φ1.2mm 焊絲，水平位置焊接時最佳焊接電流范圍為240~260A，而立向上焊接時最佳焊接電流范圍則為160~180A。當然, 還必須匹配其他焊接參數，如電弧電壓、焊接速度、焊絲干伸長、氣體流量、電源極性以及運絲技術等。對于使用者或者用戶，只要根據被焊構件特點選用并調節焊接電流，同時匹配其他焊接參數，就可選定相應的熔滴過渡形態，并獲得較滿意的焊絲工藝質量。對于焊絲生產者，在研發某產品時他的出發點是通過配方設計，控制熔滴過渡指數中的核心指標，進而確定產品的熔滴過渡形態，以保證用戶在較寬松的規范范圍內選擇自己滿意的熔滴過渡形態和工藝質量。
根據以上分析，筆者比較傾向于這樣一個用戶熔滴過渡形態的選用原則，即“合于使用+參數匹配”原則。該原則的特點是強調產品特征或用戶要求，注重其他焊接參數的合理匹配。比如，有的產品結構中含有大量水平和平角焊縫，而且要求高效率、焊縫成形美觀，此時可以選用具有熔滴尺寸較小、過渡頻率較高、焊接飛濺小、焊縫光澤鮮亮、成形均勻美觀，焊絲工藝性優良的過渡形態（此時最佳焊接電流范圍為240~260A）。再如，有的產品結構中立向上焊位置焊縫較多, 此時就應選用“全位置焊接適應性”指標好的過渡形態（此時最佳焊接電流范圍為160~180A）。還有，有的產品結構要求致密性很高，特別強調抗氣孔性要好，此時就應選用具有熔滴尺寸略粗、過渡頻率略低、氣孔敏感性小的過渡形態，而不能一味追求顆粒細、過渡頻率高等指標。
由此可見，熔滴過渡形態的選擇具有一定技術含量。對于一個好的藥芯焊絲制造企業，必須具有較強的研發能力，以致于在生產某一個產品品種時，能夠及時提供不同選用原則的軟件配方。否則，僅靠一個配方“打天下”，不僅不能應對復雜多變的市場需求，而且必將影響市場開發，甚至導致用戶流失。
4、熔滴過渡形態的應用
4.1 控制藥芯焊絲焊接飛濺的應用
表2是3種藥芯焊絲熔滴過渡指數與焊接飛濺關系測試結果。

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可以看出, 3種焊絲的熔滴過渡形態、電弧形態基本相同，均為非軸向排斥滴狀為主的過渡形態和連續、活動型電弧形態。它們的熔滴過渡指數的主要差別是：①過渡頻率不同，其中B焊絲最高，達33.95Hz，A焊絲和C焊絲的比較接近，分別為27.06Hz和28.55Hz。②熔滴的大角度排斥過渡（熔滴與焊絲軸線間的夾角大于60°的過渡）次數不同，其中A焊絲最多，達39次，B焊絲最少，僅為6次，C焊絲居中，為22次。③大角度過渡熔滴存在時間和過渡間隔均勻性不同，其中A焊絲的存在時間較長, 間隔不均勻，B焊絲的存在時間較短、間隔較均勻，C焊絲的存在時間短、間隔很均勻。④熔滴依附渣柱過渡次數不同，其中A焊絲最少，為3次，B焊絲最多，為22次，C焊絲居中，為13次。⑤飛濺次數不同，其中A焊絲最多，達16次，B焊絲和C焊絲比較接近, 分別為7 次和8次。
不難看出，熔滴的粒度和過渡頻率不一定是影響飛濺的關鍵因素，飛濺小需要的是熔滴過渡阻力小，熔滴過渡區冶金反應生成CO氣體少�！叭鄣蔚拇蠼嵌扰懦膺^渡次數”和“大角度過渡熔滴存在時間、過渡間隔均勻性”，以及“熔滴依附渣柱過渡次數”指數，可以很大程度上反映熔滴過渡阻力大小。熔滴與焊絲軸線間夾角越大，熔滴過渡所受到的阻力就越大，熔滴過渡越困難。熔滴的大角度過渡次數越多，焊接工藝性就會變差，如圖2所示。

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反之，熔滴與焊絲軸線間夾角越小，熔滴過渡所受到的阻力就越小，熔滴的小角度過渡次數越多，焊接工藝性就會變好，如圖3所示。據此, 本文提出改善熔滴過渡特性新觀點，即控制熔滴尺寸是必要條件，而控制“大角度過渡次數”、“熔滴存在時間和過渡間隔均勻性”、“依附渣柱過渡次數”則是充分條件。二者缺一不可。用該理論可以很好解釋上述試驗結果。A焊絲的大角度排斥過渡次數高，而且熔滴存在時間長、過渡間隔不均勻、依附渣柱過渡次數最少，熔滴過渡阻力大（斑點壓力大），熔滴的冶金反應時間長，產生的CO氣體量多，焊接飛濺傾向大，焊絲的綜合工藝性比較差。C焊絲正是在“充分條件”方面比A焊絲優先，故其焊接飛濺傾向較小，綜合工藝性比較好。而B 焊絲在“充分”和“必要”條件方面均占優勢，其綜合工藝性最好。
4.2 控制藥芯焊絲焊縫中氣孔（壓坑）的應用
4.2.1 熔滴過渡特性與氣孔（壓坑）關系的測試結果
鈦型渣系氣保護藥芯焊絲氣孔（壓坑）的出現率具有隨意性和伴隨性。氣孔和壓坑的外觀形態呈多樣性，其中氣孔以圓孔形為主，壓坑則以溝槽狀為主。從氣孔（壓坑）的內表特征看，都具有較光滑的內表面。綜合分析其特征可以判斷，除密集蜂窩狀型氣孔屬氮氣孔之外，其余形態氣孔（壓坑）的性質主要屬氫氣孔（壓坑）。

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從表3可以看出，熔滴過渡形態對氣孔（壓坑）有一定的影響。綜合工藝性優良的A焊絲，對氣孔（壓坑）敏感，工藝性稍差的B焊絲，對氣孔（壓坑）不敏感。原因是：A焊絲熔滴顆粒細，比表面積大，在電弧中熔滴吸收的氫多，進入熔池中的氫總量多，過渡頻率高時，進入熔池中的氫總量更多，當氫的逸出條件差時，就易生氣孔；當氫在熔渣中的逸出條件差時，就易生壓坑。與之相反，B焊絲熔滴顆粒較粗，比表面積較小，熔滴吸收的氫少，進入熔池中的氫總量少，氣孔（壓坑）傾向小。
4.2.2 藥芯組成物的影響
作者研究了8種藥芯組成物對熔滴過渡形態的影響。結果表明，除氟化物對氣孔（壓坑）不敏感外，其余都對氣孔（壓坑）敏感。石英加入量的增加使氣孔（壓坑）傾向增大。其機理是，石英中的SiO2使熔滴的表面張力減小，熔滴被細化，細熔滴在電弧中吸收的氫多，進入熔池中氫總量增加，同時高溫渣變稠使熔池中氣體的逸出條件變差，綜合作用加劇了氣孔（壓坑）敏感性。長石加入量的增加, 使氣孔（壓坑）傾向增大。其機理是, 長石中的SiO2以及K2O和Na2O使熔滴的表面張力減小，熔滴細化。鋯英石加入量對氣孔（壓坑）敏感，也是熔滴細化的結果。鎂砂、鋁鎂合金加入量對氣孔（壓坑）敏感，是熔滴被細化, 高溫渣變稠，兩個因素影響所致。
隨藥芯中金紅石加入量的增加，電弧穩定性變好，熔滴尺寸未細化，高溫渣變稠，脫渣性變好，飛濺減小, 氣孔（壓坑）傾向并未減小。熔滴未被細化是由于金紅石中含有大量的TiO2, TiO2的鍵能小，表面張力也小，在渣中會使其表面張力下降；但是TiO2結構十分穩定，在焊接條件下不使熔滴增氧, 不能降低熔滴界面張力，致使它對熔滴的細化作用很弱所致。焊縫中氣孔（壓坑）傾向未減小原因較復雜：一方面熔滴未被細化，在電弧中吸收的氫量少，進入熔池中氫總量少，有利減小氣孔（壓坑）敏感性；另一方面藥芯中金紅石含量的增大，高溫渣變得太稠，不利于熔池中氣體的逸出，反而增大氣孔（壓坑）敏感性。后者的影響比前者大，因此氣孔（壓坑）傾向并未減小。
隨藥芯中氟化物加入量的增加，電弧穩定性變差，熔滴的顆粒增大，飛濺和爆炸嚴重，高溫渣變稀，抗氣孔（壓坑）性增強。一方面是粗熔滴吸收的氫少，另一方面是在熔滴反應區氟化物與硅酸鹽發生冶金反應，降低電弧氣氛中的氫分壓, 熔滴中的氫和進入熔池中的氫總量減少，從而降低了氫氣孔（壓坑）傾向。盡管如此，氟化物的加入量還是不宜過多，因為過量的氟化物會嚴重損害焊絲的工藝性。
4.2.3 工藝因素的影響
測試結果表明，工藝因素很大程度上通過改變熔滴過渡形態，進而影響氣孔（壓坑）敏感性。在諸多焊接參數中，焊接電流、電弧電壓對熔滴過渡形態—氣孔（壓坑）傾向影響的規律性，基本遵循了“熔滴過渡形態對氣孔的影響理論[3]”揭示的機理。
5、結束語
5.1 藥芯焊絲熔滴過渡的基本形態是非軸向排斥過渡，焊絲的電弧形態屬于活動、連續型，焊絲熔滴過渡受主導力控制。
5.2 在熔滴過渡形態和電弧形態基本未變條件下，隨焊接電流參數變化，熔滴過渡主導力發生變化，致使熔滴過渡指數改變和焊接工藝質量迥異。
5.3 藥芯焊絲熔滴過渡形態的“合于使用+參數匹配”選用原則，強調產品特征或用戶要求，注重其他焊接參數的合理匹配。
5.4 提出了通過熔滴過渡指數控制焊接飛濺，和通過電弧中熔滴吸收氫的總重量控制焊縫中氣孔（壓坑）的應用新思路。

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