自保护药芯焊丝弧桥并存过渡试验分析

王志明，刘海云，王 勇，张英乔

(1.太原理工大学，山西 太原 030024；2.中北大学，山西 太原 030051)

自保护药芯焊丝弧桥并存过渡试验分析

王志明1，刘海云1，王 勇1，张英乔2

(1.太原理工大学，山西 太原 030024；2.中北大学，山西 太原 030051)

采用高速摄影、汉诺威弧焊质量分析仪和体式显微镜对自保护药芯焊丝弧桥并存过渡特征和过渡机理进行了试验研究，结果表明：弧桥并存过渡是一种液桥持续存在的同时电弧不熄灭的熔滴过渡模式，是自保护药芯焊丝主要熔滴过渡模式之一；电弧电压和焊接电流波形没有短路过渡特征，表现为一定范围内小幅波动，与弧桥并存过渡特征相对应；电压概率密度分布曲线和电流概率密度曲线都没有短路过渡的特征；弧桥并存过渡的液桥是由熔融渣包裹液态金属混合形成的；自保护药芯焊丝弧桥并存过渡主要是在表面张力和电磁收缩力的共同作用下完成。

自保护药芯焊丝；弧桥并存过渡；电弧参数；熔滴过渡

0 前言

熔滴过渡是重要的电弧物理现象，它对焊条或者焊丝的工艺性产生直接影响。可以说，熔滴过渡的稳定性决定了焊接过程的稳定性，而焊接过程的稳定性对焊接质量的稳定性产生直接影响。研究者对自保护药芯焊丝熔滴过渡和电弧特性做了许多试验研究工作。潘川等人认为自保护药芯焊丝的熔滴过渡形式与焊接工艺密切相关，随着电压的升高依次呈现短路附渣过渡、非短路附渣过渡、颗粒过渡，但是非短路附渣过渡是自保护药芯焊丝的主要过渡形式。栗卓新等人[1]从药芯组成和焊接工艺两方面对自保护药芯焊丝熔滴过渡的影响进行了研究，发现增加药芯中的w(C)、w(O)，添加表面活性剂可增加颗粒过渡、射滴过渡的比例。文献[2]认为，自保护药芯焊丝熔滴过渡形式可分为弧桥并存过渡、排斥过渡和细颗粒过渡，弧桥并存过渡是主要的过渡模式。弧桥并存过渡形态的特点是液桥持续存在的同时电弧不熄灭，可分为弧桥并存爆炸过渡和弧桥并存表面张力过渡。弧桥并存过渡由于液桥的分流作用，在一定程度上减小了熔滴过渡过程中发生电爆炸的几率，有利于工艺性的改善。然而，对于弧桥并存过渡的过程、液桥的结构和组成以及熔滴的受力情况等在文献[2]中没有说明。本研究在自保护药芯焊丝弧桥并存过渡特征试验研究的基础上，从弧桥并存过渡液桥结构和受力分析方面入手，试验探讨了弧桥并存过渡的受力情况和过程机理，对自保护药芯焊丝的研发和焊接质量改进提供实际的参考意义。

1 试验及方法

1.1 试验材料

试验所用焊丝是Hobart公司的Fabshield 81N1焊丝，药芯为高氟化物型渣系，直径φ 2.0 mm，截面形状为O型。为便于高速摄影拍摄，试验母材采用Q235钢管，直径φ 80 mm，壁厚10 mm。

1.2 试验方法

采用中国科学院西安光机所研制的LBS-16型高速摄影机对两种焊丝的熔滴过渡进行拍照，拍摄速度2000f／s。采用汉诺威弧焊质量分析仪测试两种焊丝的电弧参数，测试时间10 s。

在正常焊接时突然移开电弧，保留焊丝端头的熔化状态，将端头剪下制成试样，沿纵向中心剖面，磨制试样，采用体式显微镜放大7倍，对焊丝熔化端头进行观察拍照。

试验采用小电流(25V／210A)和大电流(25V／280A)两个焊接规范，采用时代公司生产的NB-500型直流弧焊机，直流正接极性，送丝速度分别为4.1m／min、2.8 m／min，焊接速度分别为31 cm／min、21 cm／min。

2 试验结果及分析

2.1 弧桥并存过渡特征

高速摄影试验结果表明，自保护药芯焊丝在小参数25 V／210 A和大参数25 V／280 A、直流正接的焊接工艺条件下，弧桥并存过渡是其主要的过渡模式之一，特点是液相桥或者渣桥存在的同时电弧不熄灭，如图1和图2所示，也就是说，这是一种液桥与电弧同时存在的熔滴过渡形态。

观察弧桥并存过渡过程发现，弧桥并存过渡表现为液桥的爆炸过渡和液桥的表面张力过渡。弧桥并存爆炸过渡是液相桥在持续到一定程度后发生爆炸断裂，实现熔滴部分过渡，如图1a和图2b所示，这种爆炸在液桥较细时不太剧烈，类似于绷断；而当液桥较粗时，爆炸比较剧烈，会产生一定的飞溅，如图2b所示。弧桥并存表面张力过渡是液相桥和熔池持续接触，熔化金属或熔融渣在表面张力作用下过渡到熔池，随后液桥在电磁收缩力和表面张力的作用下产生颈缩后断开，形成所谓的表面张力过渡，如图1b和2a所示。

图1 自保护药芯焊丝弧桥并存过渡(25 V／210 A)

图2 自保护药芯焊丝弧桥并存过渡(25 V／280 A)

2.2 弧桥并存过渡电弧参数特征

采用汉诺威弧焊质量分析仪测定的自保护药芯焊丝电弧电压和焊接电流波形如图3所示。

由图3可知，自保护药芯焊丝熔滴过渡的电压波形有类似短路过渡的波动特征，但是波动比较小，没有陡降到10 V(短路电压阈值)以下；电流波形也表现为相应的规律。焊接电压和电流波形曲线的特征，不同于短路过渡，表现为短路桥部分导电和电弧同时存在的特征。

两种焊接规范下自保护药芯焊丝电弧电压概率密度分布如图4所示。由图4可知，曲线都不具有短路过渡的“双驼峰”形状，理论上“小驼峰”区域的大小反映的是短路过程占整个测试过程的比重，而且“小驼峰”的短路电压应在5 V以下。本试验中没有“小驼峰”的特征，不是短路过渡的电弧电压特征，说明焊丝没有短路过渡现象。

图5为两种焊接规范下自保护药芯焊丝的焊接电流概率密度分布图。它反映在测试时间内，统计的焊接电流随机出现的概率密度分布。图5中只有一个明显的驼峰，反映电弧稳定燃烧时电流的概率密度分布。驼峰的右边反映熔滴过渡引起的焊接电流增大的电流概率，曲线越靠近右边且电流越大，熔滴短路过渡的比例就越多。焊丝的电流大部分集中在210 A和280 A，小参数下大电流的数值不高，所占比例也不多，说明短路过渡几乎不存在。焊接电流在一定的范围内波动，符合弧桥并存过渡的电流波动的分布特征。

图3 自保护药芯焊丝电压电流波形

图4 自保护药芯焊丝电弧电压概率密度分布

2.3 弧桥并存过渡熔滴的结构特征

将焊丝熔化端头纵向镶嵌，抛磨后采用体式显微镜对其拍照，典型的熔化端头特征如图6所示。

由图6可知，金属熔滴被熔渣不完全包裹，金属熔滴的内侧有暴露的部分，电弧便在此处燃烧，致使钢皮的另一侧熔化变短，由于熔渣弱的导电性，致使整个熔滴与熔池接触后形成不完全短路甚至不短路，因此，在“桥接”后电弧不熄灭，形成了既有液桥又有电弧存在的弧桥并存过渡形态。液桥具有一定的导通性，有部分电流流过液桥，随着焊丝熔化，液桥的导通性也在不断变化。

3 弧桥并存过渡机理

3.1 弧桥并存过渡“液桥”的形成

在渣与金属的界面张力、金属的表面张力、渣的表面张力和电弧的共同作用下形成了如图7所示的熔融渣包裹着熔化金属的状态。

金属熔滴的表面张力Fm要比液态熔渣的表面张力Fs大。加之本试验所选焊丝为高氟渣系，药芯含有大量的萤石CaF2，其分解出的F-和Ca2+均为表面活性元素[3]，可大大降低液态熔渣的表面张力Fs和渣与金属的界面张力Fsm，导致液态金属的表面张力Fm远大于液态熔渣的表面张力Fs和渣与金属的界面张力Fsm之和，使液态熔渣能够很好地润湿液态金属，形成了如图6所示的现象。

图5 自保护药芯焊丝的电流概率密度分布

图6 焊丝熔化端头剖面

3.2 弧桥并存过渡的受力

对于金属熔滴受力的研究已有很多。王宝[4]提出了气体吹力和表面张力是焊条熔滴过渡的两个主导力。Chen等人[7]研究了焊条的颗粒状熔滴过渡，并指出导致熔滴过渡的力是表面张力，认为由其他原因产生的力(如重力和电磁力)影响较小。

图7 熔融渣与熔化金属的润湿现象

经过仔细分析，本研究认为，自保护药芯焊丝熔滴长大后与熔池接触产生“桥接”现象，电弧不熄灭，形成弧桥并存过渡，过渡的主要作用力为表面张力和电磁力，分别表示为F1和F2。

熔滴受到的表面张力F1是保持熔滴于焊丝端头的主要作用力。所谓熔滴表面张力是金属熔滴和熔融渣的界面张力与熔渣表面张力之和[6]。本研究中表面张力分两部分：一是与焊丝端头接触的阻碍熔滴过渡的表面张力及界面张力；二是与熔池接触的促进熔滴过渡的界面张力。

电磁力F2是由流过液态熔滴和电弧的电流引起的[7-8]，取决于流过熔滴的电流的分散或聚集情况。当电流分散时，洛伦兹力产生使熔滴脱离电极端头的力；当电流聚集时，洛伦兹力产生使阻碍熔滴脱离电极端头的力。本研究的电磁力主要是指流经液桥电流产生的对液桥有压缩撕裂作用的电磁收缩力。

3.3 弧桥并存过渡机理分析

对自保护药芯焊丝弧桥并存过渡时液桥的受力进行分析，如图8所示。

液桥具有部分导通性。随着焊丝的熔化，电弧位置下移致使电弧变短，液桥的导通性增强，流经液桥的电流增大，液桥在电磁收缩力F2的作用下颈缩并分成上下两个部分，如图8所示，上半部分液桥金属受轴向电磁收缩力F22的作用向上收缩，下半部分液桥金属受轴向电磁收缩力F22的作用向熔池过渡；径向电磁收缩力F21水平压缩液桥使其缩颈。而此时液桥受到的表面张力包括四个部分：在液桥与熔池接触处，存在阻碍液桥铺展的表面张力F13和促进液桥铺展过渡的界面张力F14；在颈缩处上部存在促使液桥金属向焊丝端头收缩的表面张力F11，而下部存在促使下部液桥金属向熔池过渡的表面张力F12。

在电磁收缩力F2和表面张力F1的作用下，液桥缩颈处越来越细，此处的电流密度也急剧变大，产生电爆炸；有时液桥会发生瞬间的接触导通，电流密度急剧增大，液桥产生爆炸；两种情况都实现弧桥并存爆炸过渡。随着液桥颈缩程度的增大，液桥内部的液态金属在上述表面张力和界面张力的作用下提前与焊丝端头断开而过渡到熔池，随后液桥在表面张力的作用下断开，实现弧桥并存表面张力过渡。

图8 液桥受力分析

4 结论

(1)弧桥并存过渡是一种液桥持续存在的同时电弧不熄灭的熔滴过渡模式，是自保护药芯焊丝的主要过渡模式之一。

(2)自保护药芯焊丝的电弧电压和焊接电流波形没有短路过渡特征，表现为一定范围内的小幅波动，与弧桥并存过渡特征相对应。电压概率密度分布曲线和电流概率密度分布曲线都不支持短路过渡的特征。

(3)弧桥并存过渡的液桥是熔融渣与液态金属的混合桥，其分布特征为熔融渣包裹在液态金属外面。桥的这种结构特征是在金属表面张力、熔渣的表面张力、渣与金属的界面张力共同作用下形成的。

(4)自保护药芯焊丝弧桥并存过渡是由桥的特殊结构导致电流部分导通，并在液桥表面张力和电磁收缩力的共同作用下完成的。

[1]栗卓新，皇甫平，陈邦固，等.自保护药芯焊丝熔滴过渡的控制[J].机械工程学报，2001，37(7)：108-112.

[2] Liu H Y，Li Z X，Li H，et al.Study on metal transfer modes and welding spatter characteristics of self-shielded flux cored wire[J].Science and Technology of Welding and Joining，[不详](11)：777-780.

[3]孟庆森，王 宝，陆文雄.焊条药皮组成物对熔滴表面张力的影响[J].焊接学报，1993，14(2)：63-68.

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[6]栗卓新，皇甫平，陈邦固，等.自保护药芯焊丝熔滴过渡的控制[J].机械工程学报，2001，37(7)：108-112.

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[8] L A Jones，T W Eagar，J H Lang.Magnetic force acting on molten drops in gas metal arc welding[J].Journal of Physics.，1998，(31)：83-106.

Experimental analysis of bridging transfer without arc interruption of self-shielded flux cored wire

WANG Zhi-ming1，LIU Hai-yun1，WANG Yong1，ZHANG Ying-qiao2
(1.Taiyuan University of Tecnology，Taiyuan 030024，China；2.North University of China Shanxi，Taiyuan 030051，China)

By using the high speed photography，Hanover analyzer and macro-microscope，the tranfer characteristic and the tranfer mechanisim of metal transfer of self-shielded flux cored wire have been studied.The results reaveal that bridging transfer without arc interruption transfer is a kind of transfer which the bridge exists lastingly while the arc isn't extinguished，and it is one of the metal transfer models of self-shielded flux cored wire.Without the characteristic of short-circuit transfer，the wave pattern of arc voltage and welding current represent the slight waving within a certain scope，corresponding to the characteristic of bridging transfer without arc interruption，the U-PDD＆I-PDD doesn't show the characteristic of short circuit transfer.The bridge of bridging transfer without arc interruption is formed of mixture of the slag's covering the liquid metal.The accomplishment of bridging transfer without arc interruption is mainly conducted by joint work of surface tension and electromagnetic force.

self-shielded flux cored wire；bridging transfer without arc interruption；arc parameters；droplet transfer

TG422.3

A

1001-2303(2011)07-0085-05

2010-12-24；

2011-06-28

王志明(1985—)，男，甘肃白银人，在读硕士，主要从事焊接材料及电弧物理的研究。