气保护药芯焊丝熔滴过渡形态的选择与应用

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欢迎访问e展厅 展厅 12 焊接材料展厅 焊锡, 焊锡膏, 铜焊条/钎焊材料, 银焊料, 铝焊料, ... 虽说熔滴过渡形态决定焊接工艺质量的理论已在业内成为共识，但在一些情况下，当焊接材料的熔滴过渡形态已确定，然而在使用中依然出现了不同的工艺质量效果。如药芯焊丝就与电焊条不同，市售定型产品给出的非轴向排斥滴状过渡形态，在不同的使用者或使用情况下，可获得不同的工艺质量效果。正是在药芯焊丝使用中存在一个最佳焊接电流范围，使得熔滴过渡形态的选择，显得更加重要和值得关注。若不了解药芯焊丝特性，就难以正确选用熔滴过渡形态，难免遇到非所想象的工艺质量后果，可能遭遇焊接飞溅大、成形差等不佳工艺现象。为此，本文以E501T-1型药芯焊丝为例，将药芯焊丝熔滴过渡形态选择与熔滴过渡形态特点相联系，探讨熔滴过渡形态与焊丝工艺质量关系，并从典型应用实例论证了熔滴过渡形态正确选用的必要性。该项研究对推动企业技术进步、提升产品竞争力，具有实用价值和参考意义。 1、气保护药芯焊丝熔滴过渡形态的特点 1.1熔滴形成过程 观察对接口“O”形截面药芯焊丝熔滴形成过程，可以发现，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，如图1所示。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。 1.2 熔滴过渡机理及过渡主导力 从药芯焊丝熔滴过渡受力模型，如图1所示可以看出，在电弧中熔滴受以下几种力的作用：表面张力Fσ、重力Fg、电磁力Fc、气体吹力Fq、斑点压力Fb、等离子流力Fd。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。 研究表明，焊接电流较小时，重力和表面张力是熔滴过渡的主导力，此时重力促进熔滴过渡，而表面张力则阻碍熔滴过渡；焊接电流较大时，电磁力、等离子流力以及表面张力是熔滴过渡的主导力，它们均有利熔滴过渡；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，这些力的变化及影响因素比较复杂。 1.3 熔滴过渡形态 试验用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[2]。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。 1.4 电弧形态 本文通过与实芯焊丝的对比观察, 把药芯焊丝的电弧形态分为四种类型：按电弧的连续性分，可以分为连续型和断续型电弧；按电弧的活动性，可以分为活动型和非活动型电弧。实芯焊丝CO2气保护焊时，尽管熔滴的非轴向排斥过渡形态使电弧偏离焊丝轴线, 而且随熔滴在焊丝端急速摆动而飘移不定，但电弧首先是在焊丝端头的整个截面上产生的，同时熔滴在短路过渡瞬间会出现电弧瞬间熄灭现象，因此实芯焊丝的电弧形态属于活动、断续型。而“O”型截面药芯焊丝CO2气保护焊时，熔滴虽然也是非轴向排斥过渡形态，而且随熔滴在焊丝端急速摆动而发生电弧迁移，然而电弧首先是产生在焊丝金属外套管上，况且熔滴的滴状过渡并未出现电弧瞬间熄灭现象，因此该类药芯焊丝的电弧形态应属于活动、连续型。总体上看，药芯焊丝CO2气保护焊时，因为药芯中加有稳弧剂，电弧的挺度和稳定性均比实芯焊丝的好，焊丝的工艺性得到明显的改善。 2、熔滴过渡形态对工艺质量的影响 熔滴过渡形态对工艺质量的关系, 可以通过焊接规范参数的变化，影响熔滴过渡指数变化，进而使工艺质量指标发生变化。见表1，采用Φ1.2mm 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。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，熔滴不完全沿渣柱滑入熔池，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。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，此时电弧稳定性略差，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。 3、熔滴过渡形态的选择 从表1可以看出，该类药芯焊丝熔滴过渡形态和电弧形态大的类型已经确定，但是焊接电流参数能在很大程度上影响熔滴非轴向排斥过渡指数，进而影响焊丝的工艺质量。试验表明, 存在一个最佳规范范围，在此规范下, 熔滴过渡形态和电弧形态基本未变，熔滴非轴向排斥过渡指数被控制，焊丝的工艺质量较满意。比如，Φ1.2mm 焊丝，水平位置焊接时最佳焊接电流范围为240~260A，而立向上焊接时最佳焊接电流范围则为160~180A。当然, 还必须匹配其他焊接参数，如电弧电压、焊接速度、焊丝干伸长、气体流量、电源极性以及运丝技术等。对于使用者或者用户，只要根据被焊构件特点选用并调节焊接电流，同时匹配其他焊接参数，就可选定相应的熔滴过渡形态，并获得较满意的焊丝工艺质量。对于焊丝生产者，在研发某产品时他的出发点是通过配方设计，控制熔滴过渡指数中的核心指标，进而确定产品的熔滴过渡形态，以保证用户在较宽松的规范范围内选择自己满意的熔滴过渡形态和工艺质量。 根据以上分析，笔者比较倾向于这样一个用户熔滴过渡形态的选用原则，即“合于使用+参数匹配”原则。该原则的特点是强调产品特征或用户要求，注重其他焊接参数的合理匹配。比如，有的产品结构中含有大量水平和平角焊缝，而且要求高效率、焊缝成形美观，此时可以选用具有熔滴尺寸较小、过渡频率较高、焊接飞溅小、焊缝光泽鲜亮、成形均匀美观，焊丝工艺性优良的过渡形态（此时最佳焊接电流范围为240~260A）。再如，有的产品结构中立向上焊位置焊缝较多, 此时就应选用“全位置焊接适应性”指标好的过渡形态（此时最佳焊接电流范围为160~180A）。还有，有的产品结构要求致密性很高，特别强调抗气孔性要好，此时就应选用具有熔滴尺寸略粗、过渡频率略低、气孔敏感性小的过渡形态，而不能一味追求颗粒细、过渡频率高等指标。 由此可见，熔滴过渡形态的选择具有一定技术含量。对于一个好的药芯焊丝制造企业，必须具有较强的研发能力，以致于在生产某一个产品品种时，能够及时提供不同选用原则的软件配方。否则，仅靠一个配方“打天下”，不仅不能应对复杂多变的市场需求，而且必将影响市场开发，甚至导致用户流失。 4、熔滴过渡形态的应用 4.1 控制药芯焊丝焊接飞溅的应用 表2是3种药芯焊丝熔滴过渡指数与焊接飞溅关系测试结果。 可以看出, 3种焊丝的熔滴过渡形态、电弧形态基本相同，均为非轴向排斥滴状为主的过渡形态和连续、活动型电弧形态。它们的熔滴过渡指数的主要差别是：①过渡频率不同，其中B焊丝最高，达33.95Hz，A焊丝和C焊丝的比较接近，分别为27.06Hz和28.55Hz。②熔滴的大角度排斥过渡（熔滴与焊丝轴线间的夹角大于60°的过渡）次数不同，其中A焊丝最多，达39次，B焊丝最少，仅为6次，C焊丝居中，为22次。③大角度过渡熔滴存在时间和过渡间隔均匀性不同，其中A焊丝的存在时间较长, 间隔不均匀，B焊丝的存在时间较短、间隔较均匀，C焊丝的存在时间短、间隔很均匀。④熔滴依附渣柱过渡次数不同，其中A焊丝最少，为3次，B焊丝最多，为22次，C焊丝居中，为13次。⑤飞溅次数不同，其中A焊丝最多，达16次，B焊丝和C焊丝比较接近, 分别为7 次和8次。 不难看出，熔滴的粒度和过渡频率不一定是影响飞溅的关键因素，飞溅小需要的是熔滴过渡阻力小，熔滴过渡区冶金反应生成CO气体少。“熔滴的大角度排斥过渡次数”和“大角度过渡熔滴存在时间、过渡间隔均匀性”，以及“熔滴依附渣柱过渡次数”指数，可以很大程度上反映熔滴过渡阻力大小。熔滴与焊丝轴线间夹角越大，熔滴过渡所受到的阻力就越大，熔滴过渡越困难。熔滴的大角度过渡次数越多，焊接工艺性就会变差，如图2所示。 反之，熔滴与焊丝轴线间夹角越小，熔滴过渡所受到的阻力就越小，熔滴的小角度过渡次数越多，焊接工艺性就会变好，如图3所示。据此, 本文提出改善熔滴过渡特性新观点，即控制熔滴尺寸是必要条件，而控制“大角度过渡次数”、“熔滴存在时间和过渡间隔均匀性”、“依附渣柱过渡次数”则是充分条件。二者缺一不可。用该理论可以很好解释上述试验结果。A焊丝的大角度排斥过渡次数高，而且熔滴存在时间长、过渡间隔不均匀、依附渣柱过渡次数最少，熔滴过渡阻力大（斑点压力大），熔滴的冶金反应时间长，产生的CO气体量多，焊接飞溅倾向大，焊丝的综合工艺性比较差。C焊丝正是在“充分条件”方面比A焊丝优先，故其焊接飞溅倾向较小，综合工艺性比较好。而B 焊丝在“充分”和“必要”条件方面均占优势，其综合工艺性最好。 4.2 控制药芯焊丝焊缝中气孔（压坑）的应用 4.2.1 熔滴过渡特性与气孔（压坑）关系的测试结果 钛型渣系气保护药芯焊丝气孔（压坑）的出现率具有随意性和伴随性。气孔和压坑的外观形态呈多样性，其中气孔以圆孔形为主，压坑则以沟槽状为主。从气孔（压坑）的内表特征看，都具有较光滑的内表面。综合分析其特征可以判断，除密集蜂窝状型气孔属氮气孔之外，其余形态气孔（压坑）的性质主要属氢气孔（压坑）。 从表3可以看出，熔滴过渡形态对气孔（压坑）有一定的影响。综合工艺性优良的A焊丝，对气孔（压坑）敏感，工艺性稍差的B焊丝，对气孔（压坑）不敏感。原因是：A焊丝熔滴颗粒细，比表面积大，在电弧中熔滴吸收的氢多，进入熔池中的氢总量多，过渡频率高时，进入熔池中的氢总量更多，当氢的逸出条件差时，就易生气孔；当氢在熔渣中的逸出条件差时，就易生压坑。与之相反，B焊丝熔滴颗粒较粗，比表面积较小，熔滴吸收的氢少，进入熔池中的氢总量少，气孔（压坑）倾向小。 4.2.2 药芯组成物的影响 作者研究了8种药芯组成物对熔滴过渡形态的影响。结果表明，除氟化物对气孔（压坑）不敏感外，其余都对气孔（压坑）敏感。石英加入量的增加使气孔（压坑）倾向增大。其机理是，石英中的SiO2使熔滴的表面张力减小，熔滴被细化，细熔滴在电弧中吸收的氢多，进入熔池中氢总量增加，同时高温渣变稠使熔池中气体的逸出条件变差，综合作用加剧了气孔（压坑）敏感性。长石加入量的增加, 使气孔（压坑）倾向增大。其机理是, 长石中的SiO2以及K2O和Na2O使熔滴的表面张力减小，熔滴细化。锆英石加入量对气孔（压坑）敏感，也是熔滴细化的结果。镁砂、铝镁合金加入量对气孔（压坑）敏感，是熔滴被细化, 高温渣变稠，两个因素影响所致。 随药芯中金红石加入量的增加，电弧稳定性变好，熔滴尺寸未细化，高温渣变稠，脱渣性变好，飞溅减小, 气孔（压坑）倾向并未减小。熔滴未被细化是由于金红石中含有大量的TiO2, TiO2的键能小，表面张力也小，在渣中会使其表面张力下降；但是TiO2结构十分稳定，在焊接条件下不使熔滴增氧, 不能降低熔滴界面张力，致使它对熔滴的细化作用很弱所致。焊缝中气孔（压坑）倾向未减小原因较复杂：一方面熔滴未被细化，在电弧中吸收的氢量少，进入熔池中氢总量少，有利减小气孔（压坑）敏感性；另一方面药芯中金红石含量的增大，高温渣变得太稠，不利于熔池中气体的逸出，反而增大气孔（压坑）敏感性。后者的影响比前者大，因此气孔（压坑）倾向并未减小。 随药芯中氟化物加入量的增加，电弧稳定性变差，熔滴的颗粒增大，飞溅和爆炸严重，高温渣变稀，抗气孔（压坑）性增强。一方面是粗熔滴吸收的氢少，另一方面是在熔滴反应区氟化物与硅酸盐发生冶金反应，降低电弧气氛中的氢分压, 熔滴中的氢和进入熔池中的氢总量减少，从而降低了氢气孔（压坑）倾向。尽管如此，氟化物的加入量还是不宜过多，因为过量的氟化物会严重损害焊丝的工艺性。 4.2.3 工艺因素的影响 测试结果表明，工艺因素很大程度上通过改变熔滴过渡形态，进而影响气孔（压坑）敏感性。在诸多焊接参数中，焊接电流、电弧电压对熔滴过渡形态—气孔（压坑）倾向影响的规律性，基本遵循了“熔滴过渡形态对气孔的影响理论[3]”揭示的机理。 5、结束语 5.1 药芯焊丝熔滴过渡的基本形态是非轴向排斥过渡，焊丝的电弧形态属于活动、连续型，焊丝熔滴过渡受主导力控制。 5.2 在熔滴过渡形态和电弧形态基本未变条件下，随焊接电流参数变化，熔滴过渡主导力发生变化，致使熔滴过渡指数改变和焊接工艺质量迥异。 5.3 药芯焊丝熔滴过渡形态的“合于使用+参数匹配”选用原则，强调产品特征或用户要求，注重其他焊接参数的合理匹配。 5.4 提出了通过熔滴过渡指数控制焊接飞溅，和通过电弧中熔滴吸收氢的总重量控制焊缝中气孔（压坑）的应用新思路。 参考文献 [1] 孙咸,王红鸿,张汉谦等. 药芯焊丝熔滴过渡特性及其影响因素研究[J]. 石油工程建设,2007,33(1):49~53 [2] 孙咸,王红鸿,张汉谦等. 国内外典型药芯焊丝的熔滴过渡及其工艺特性[J]. 焊接, 2007,(6):7~10 [3] 孙咸. 不锈钢焊缝中气孔形成机理研究及其进展[J]. 焊接, 2003,(6):5~8(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/28/2012)