钛型渣系气保护药芯焊丝熔滴过渡及其控制

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钛型渣系气保护药芯焊丝熔滴过渡及其控制

一，概述

与其他焊接材料一样，药芯焊丝的发展主要取决于两个要素：一是市场的需求，二是产品自身的质量。近年来，我国药芯焊丝的市场需求量是上升的，而国产药芯焊丝的品质质量可以说也是不断提升的。以市场需求量zui大的钛型渣系气保护药芯焊丝E501T一1为例，该焊丝的工艺性普遍改善，已经提高到一个新的水平，对常见焊接缺陷产生原因业已查清，一些被国外企业长期保密的关键技术亦被国人突破。国产药芯焊丝已经冲出，进入市场。这标志着国产药芯焊丝进入了一个新的发展时期。然而，应当看到，发展是不平衡的，药芯焊丝生产厂家的技术水平良莠不齐，有的企业技术开发尚未全面过关，产品质量不稳定，用户反映焊丝的工艺性质量问题居多。有的企业(或公司)因此遭遇退(换)货，有的则在重大工程项目招投标运作中受挫，不仅造成一定经济损失，还影响企业(或公司)形象。药芯焊丝工艺性归根结底是与熔滴过渡相关。关于药芯焊丝的熔滴过渡的研究，已经有不少文献报道，但是观点不尽相同。面对大好形势，那些所谓焊丝有问题的企业难道会束手无策吗?钛型渣系气保护药芯焊丝工艺性改进的关键技术究竟在那里?为此，本文将焊丝的熔滴过渡与工艺性相，探讨影响因素，开展药芯焊丝熔滴过渡及其控制原理研究。该项研究对推动那些产品与水平尚有差距的企业技术进步，提升产品竞争力，具有重要意义和参考价值。

二、钛型渣系气保护药芯焊丝熔滴过渡形态及其分类

在药芯焊丝研究发展过程中，关于钛型药芯焊丝熔滴过渡形态评价出现了几种观点：一种观点认为，这类药芯焊丝的熔滴过渡形态，在小电流区域是细颗粒过渡，在大电流区域是射流过渡，不发生短路过渡。另一种观点则认为，随焊接条件(参数)变化，熔滴过渡分为大滴排斥过渡、细颗粒过渡、射滴过渡、射流过渡和短路过渡五种。在某文献资料中，将这类药芯焊丝熔滴过渡特性归纳为四个方面：①熔滴的周向旋转特性。②熔滴的非轴向过渡特性。③药芯滞熔特性。④熔滴与熔渣分离过渡特性。

本文的试验观察证实，这类药芯焊丝熔滴过渡的基本形态是非轴向排斥滴状过渡，其主要的过渡指标是熔滴尺寸、过渡频率及熔滴过渡的非轴向倾向。熔滴过渡形态的变化，主要依赖于焊接电流变化。在小电流下焊接时，焊丝端部的滴状熔滴受多种力作用下急速地摆动，并以非轴向方式不停地脱离焊丝实现过渡。随焊接电流的增大，熔滴尺寸减小，过渡频率增大，熔滴的非轴向倾向略显减小；当焊接电流大于某范围值后，熔滴尺寸急剧减小，过渡频率急剧增大，熔滴沿焊丝渣柱方向过渡，此时的形态可以称为“射滴过渡”。熔滴沿渣柱的过渡行为，对稳定电弧、减小焊接飞溅、改善操作工艺性；较为有利。在生产现场通常采用较大焊接电流，电弧电压相应提高时，这类焊丝发生短路过渡的机会较小。但是，zui近采用高速摄影和汉诺成分析仪测试显示，以滴状为主的过渡中，在电弧电压较低的那些瞬时，亦会发生短路过渡行为。

三、钛型渣系气保护药芯焊丝熔滴过渡

形态与焊丝工艺性间的关系熔滴过渡形态对工艺性的影响，可以通过焊接规范参数的变化，影响熔滴过渡指数变化，进而使工艺性指标发生变化。例如：①采用咖1．2mm焊丝，在平焊位置，焊接电流增大至240～260A时，熔滴尺寸减小，过渡频l率增大，焊丝端部滞熔的渣柱尺寸增大，有一定数量的熔滴沿渣柱滑入熔池，此时电弧稳定性较好，焊接飞溅较小，高温渣流动性适中，熔渣覆盖均匀，焊缝金属光泽鲜亮，成形均匀美观，焊丝工艺性优良。②当焊接电流继续增大至280～300A时，熔滴尺寸再减小．过渡频率再增大，焊丝端部滞熔的渣柱尺寸也增大，此时电弧稳定性反而变差，熔滴不*沿渣柱滑入熔池，焊接飞溅增大，高温渣变稀，熔渣覆盖不均匀，焊缝金属光泽被氧化，成形不均匀，焊丝工艺性变差。③当焊接电流减小至160～200A时，熔滴尺寸略大，过渡频率减小，焊丝端部滞熔的渣柱尺寸小，此时电弧稳定性略显差点，但熔滴绝大多数落入熔池，焊接飞溅不算太大，高温渣的凝固范围较小，形成“短渣”，熔渣覆盖均匀，焊缝金属光泽好，成形均匀美观，此时焊丝的立向上焊接工艺性优良。

四、钛型渣系气保护药芯焊丝熔滴过渡机理

1．熔滴形成过程

以截面为“o”形对接口药芯焊丝为例，其熔滴形成过程为：进入电弧区的焊丝端部，在接口处及其附近的钢带首先快速熔化，而在接口的径向处钢带则滞后熔化，于是很快形成了偏心熔滴悬于焊丝端部；与此同时处于焊丝端部、熔滴下方的还有滞后钢带熔化的所谓渣柱，有时还有滞后熔化的一小段细钢带(见下图)。随着焊丝不断送进，熔滴在电弧中急速旋转、飘移并过渡。可以看出，电弧燃烧时，焊丝端部沿圆周方向不能同步熔化，而是沿接口处熔化速度快，接口径向处熔化速度慢，结果出现偏心熔化(或马蹄形熔化)、熔滴沿焊丝周边悬挂运动和熔滴的非轴向过渡现象。至于处于熔滴下方的渣柱的形成，则是由于药芯组成物熔点比钢带高所致。

2．熔滴过渡机理

电弧中熔滴的过渡，zui终靠作用于熔滴上的各种力的综合变化。为此本文建立了药芯焊丝熔滴过渡受力模

型(见下图)。该模型认为，药芯焊丝的熔滴在电弧中受到模型中诸作用力的共同作用，随焊接参数的变化，各种力的大小和方向可能发生变化，致使熔滴过渡指数不断改变，熔滴过渡形态发生变化。药芯焊丝熔滴受以下几种力的作用：表面张力F。、重力F。、电磁力一、气体吹力L、斑点压力‘、等离子流力‘。

(1)表面张力F． 表面张力是在焊丝端头上保持熔滴的主要作用力。若焊丝的半径为尺，这时焊丝和熔滴间的表面张力为：F。。2丌R盯 (1)其中，盯为表面张力系数(10。3N／m)，它与熔滴的成分、温度及气体介质等因素有关。

(2)重力F。 在焊接电流较小时，在平焊位置情况下，它是促使熔滴过渡的主导力，其大小为：3t=mg=——7c y 3P g(2)。4式中y——熔滴半径，mm；p——熔滴的密度，g／cm3；g——重力加速度，cm／sce2。立焊和仰焊时，重力将阻碍熔滴过渡。

(3)电磁力F 电流流过熔滴时，导体的截面是变化的，将产生电磁力的轴向分力，其方向总是从小截面指向大截面，大小与电流的平方成正比。在熔滴与焊丝的缩颈处，电磁力的轴向分力促使熔滴过渡。在熔滴与弧柱的电极斑点处，电磁力的轴向分力对熔滴过渡的影响取决于电弧的斑点面积。如果斑点尺寸大于焊丝直径，则促使熔滴过渡；反之，斑点尺寸小于焊丝直径，则阻碍熔滴过渡。钛型渣系药芯焊丝焊接时，弧根面积大，电磁力促使熔滴过渡。

(4)气体吹力F 由于。气体高温分解吸热，oCO对电弧产生冷却作用，使电弧电场强度提高，电弧收缩，弧根面积减小，作用在熔滴上的电极斑点压力增大，导致熔滴非轴向过渡。严重时影响电弧稳定性或增大飞溅。

(5)斑点压力t 电弧中的带电质点(正离子和电子)对电极斑点处撞击产生斑点压力，此力阻碍熔滴顺利过渡。阴极斑点压力比阳极的斑点压力大，所以直流反接时熔滴过渡较为顺利。

(6)等离子流力F。电弧从焊丝到工件其截面逐渐增大，电弧中产生的轴向推力，导致从焊丝向工件方向产生的等离子气流。电流较大时，高速等离子流对焊丝端部的熔滴产生很大的作用力，有利于熔滴的轴向运动。该作用力的大小与电流大小有密切关系。综上所述，可以看出，焊接电流较小时，重力对促进熔滴过渡起重要作用，而表面张力阻碍熔滴过渡；焊接电流较大时，电磁力、等离子流力以及表面张力均有利熔滴过渡；斑点压力与电源极性有关，保护气体吹力则对熔滴过渡可能产生负面影响。应当看到，熔滴过渡是上述各种力综合作用的结果，熔滴过渡的控制实质上就是控制作用在熔滴上的各种力，这些力的影响因素比较复杂，将在下一节讨论。

五、钛型渣系气保护药芯焊丝熔滴过渡影响因素及控制

1．药芯组成物的影响

某文献研究了多种药芯组成物对熔滴过渡的影响：

(1)金红石的含量增大时不能降低熔滴的界面张力，对熔滴的细化作用并不强烈，原因是金红石其中的主要成分TiO，结构十分稳定，在电弧中不使熔滴增氧。

(2)硅铝酸盐矿石粉含量增大时对熔滴有明显的细化作用，原因是其中所含的SiO，以及K，O、Na，O使熔滴的表面张力减小，熔滴被细化。

(3)铝和铝镁合金对熔滴有一定的细化作用，机理可能是这些组元燃烧放热，使熔滴温度升高，熔滴的表面张力减小。

(4)氟化物含量增大时，虽然能减小熔渣的表面张力，使熔渣变稀，但是由于CaF．是反电离物质，增大电极斑点压力，阻碍熔滴顺利过渡，因而使熔滴尺寸变大，电弧稳定性变差，加剧了熔滴非轴向排斥过渡倾向。某文献在药芯中加入白云石，焊接时放出CO。使药粉不易烧结(有利克服“滞熔”现象)；药芯中加入的金属镁，在焊接过程中燃烧，放出大量热，有利控制焊丝的“滞熔”现象，改善电弧稳定性和熔滴过渡形态。某文献研究了铁粉的影响，随药芯中铁粉含量增加，焊丝的熔化速度降低，熔滴尺寸和渣柱长度减小，有利熔滴过渡；然而，随药芯中铁粉含量增大，熔滴增氧，硅、锰元素含量降低，焊缝中气孔倾向增大，影响焊缝的质量。为此，提出限定铁粉含量的zui大值为药芯总重的40％。

2．焊丝截面形状的影响

研究表明，药芯焊丝熔滴过渡形态与焊丝截面形状关系密切。简单截面(0形，对接缝)药芯焊丝为非轴向排斥滴状过渡，首先与位于外皮的薄钢带先于药芯熔化，形成的熔滴悬于焊丝一侧(偏心焊丝轴线)，并沿周边长大有关，再加上CO，电弧特性使熔滴的受力状况恶化，作用在熔滴上的电极斑点压力增大，导致电弧不稳、飞溅大，产生渣柱，甚至出现药芯成块脱落等不利的工艺特性。由于熔滴过渡区冶金反应不*，还导致焊缝力学性能的不稳定、不均匀，严重影响焊丝的工艺质量。复杂截面药芯焊丝为细熔滴滴状过渡，非轴向倾向被减弱，有的焊丝也可能呈轴向过渡。此时由于弧根面积大，电磁轴向分力促使熔滴过渡，克服了简单截面焊丝熔滴过渡的不利因素，表现出电弧稳定、飞溅较小、过渡频率适中等一系列优点。熔滴过渡区冶金反应较为*、充分，焊缝中合金元素分布均匀，显微组织品粒较细，熔敷金属力学性能优良、稳定，尤其是缺口冲击韧性值远高于简单截面焊丝。研究还表明，焊丝截面形状越复杂，焊缝金属含氮量越低。这是熔敷金属力学性能优良、稳定的重要因素。

3．焊丝直径、钢带厚度的影响

研究表明，随药芯焊丝直径的减小，熔滴弧根面积增大，电磁轴向分力促使熔滴过渡，此时焊接电弧稳定、飞溅减小、熔滴细化，焊丝的操作工艺性满意。反之，药芯焊丝直径增大后，熔滴过渡阻力增大，电弧不稳、飞溅增大、熔滴粗化，焊丝的操作工艺性急转直下。因此对于大直径焊丝，采用复杂截面。关于钢带的厚度，对于相同直径的焊丝，采用略厚一点的钢带有利熔滴过渡。原因是厚带生产时，焊丝的填充系数较小，熔滴弧根面积较大，同时产生的渣柱较小，焊丝的工艺性好。

4．焊接工艺参数的影响

焊接工艺参数的影响因素如下：

(1)焊接电流 是熔滴尺寸、过渡形态发生明显变化的关键参数，其影响规律如第2节所述。其机理是，

随焊接电流增大，电弧热亦增大，熔滴的温度提高，熔滴的表面张力被减小。

(2)电弧电压 随电弧电压增大，熔滴有细化倾向。原因是电弧电压增大使电弧长度增大，电弧的氧化性增大，熔滴的表面张力被减小。

(3)电源极性 在相同焊接电流条件下，直流反接时，熔滴较细，过渡频率较高；直流正接时，情况相反。这与电弧中电子发射机理及熔滴所受斑点压力有关。其余参数，如焊丝伸出长度、保护气流量、焊接速度等对熔滴过渡形态无明显影响。

六、结语

(1)该焊丝熔滴过渡的基本形态是非轴向滴状过渡。熔滴过渡形态的变化，主要依赖于焊接电流变化。以滴状为主的过渡中，在电弧电压较低瞬时，亦会发生短路过渡行为。

(2)这类焊丝熔滴过渡形态对工艺性的影响，取决于焊接规范参数的变化，主要是焊接电流。通过影响熔滴过渡指数，进而使工艺性指标发生变化。在本文试验条件下，焊接电流为240～260A时，焊丝工艺性优良。当焊接电流为280～300A时，焊丝工艺性变差。当焊接电流为160～200A时，焊丝的立向上焊接工艺性优良。的政府特殊津贴。(3)依据该焊丝熔滴形成过程特点，建立了药芯焊丝熔滴过渡受力模型。焊接电流较小时，重力对促进熔滴过渡起重要作用，而表面张力阻碍熔滴过渡；焊接电流较大时，电磁力、等离子流力以及表面张力均有利熔滴过渡；斑点压力与电源极性有关，保护气体吹力则对熔滴过渡可能产生负面影响。

(4)通过调整药芯组成物，选择焊丝截面形状，改变焊丝直径和钢带厚度，优化焊接工艺参数等，改变作用于熔滴上相关力的大小或方向，zui终实现对熔滴过渡的控。

钛型渣系气保护药芯焊丝熔滴过渡及其控制

作者简介：

孙成，教授，长期从事焊接材料及金属焊接性方面的研究和教学工作，对焊接材料软件开发具有丰富经验；获国家科技进步二等奖1项(2000年)。省(部)级科技进步一等奖2项，二等奖5项，发表学术论文70多篇；1 992年获国务院颁发的政府特殊津贴。

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