钛型气体保护药芯焊丝熔滴细化机理及其控制

2014-10-15孙咸

机械制造文摘(焊接分册) 2014年5期

孙咸

(太原理工大学焊接材料研究所，山西太原030024)

0 前言

钛型渣系E501T-1型药芯焊丝，是造船、钢结构等工业部门使用药芯焊丝中用量最大的一种药芯焊丝，焊丝生产企业不仅对该产品性能的关注度一直很高，而且产品市场竞争异常激烈。经过持续不断改进，国产该类药芯焊丝的综合性能要比以前改善不少，尤其是操作手感方面在工程应用中获得了一定肯定。较为专业的人士都很明白，好的熔滴过渡形态必然伴随好的操作工艺性能，对于E501T-1型药芯焊丝来说，以大电流、强规范(含高的电弧电压)条件施焊时，该焊丝熔滴的主流过渡形态是非轴向细滴状过渡，对大多数现场施工人员其操作工艺性满意［1］。国外同类名牌药芯焊丝无一不是非轴向细滴状过渡形态。研究表明，非轴向细滴状过渡形态形成条件:一是临界电流熔滴尺寸小，二是大电流、强规范(含高的电弧电压)。细熔滴既是首要条件也是工艺规范结果。焊丝熔滴如何细化，熔滴细化机理如何，有哪些影响因素，细化后操作工艺性怎么样，会不会还有新的问题出现，怎样解决?众多药芯焊丝生产企业急需这些理论，使焊丝品质能再上一个台阶。

为此，本文特意将药芯添加物种类和焊接参数对熔滴尺寸的影响，与焊丝熔滴细化相联系，探讨熔滴细化机理及其控制方法。该项研究对正确选用工艺参数和药芯添加物种类，采用合理、有效的熔滴细化控制方法，促进企业转型发展，不断提升药芯焊丝质量水平，具有一定参考意义和实用价值。

1 电弧物理基础

1.1 电弧形态

文献［2］通过与实心焊丝的对比观察，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;按电弧的活动性分，可以分为活动型和非活动型电弧。实心焊丝CO2气体保护焊时，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，因此实心焊丝的电弧形态属于活动、断续型。而“O”型截面药芯焊丝CO2气体保护焊时，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气体保护焊时，由于药芯中加有稳弧剂，电弧的挺度和稳定性均比实心焊丝的好，焊丝的工艺性理应得到明显的改善。

1.2 熔滴过渡特性

1.2.1 熔滴形成过程

图1是药芯焊丝熔滴过渡受力模型。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。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。

图1 熔滴过渡的各种力

1.2.2 熔滴过渡形态

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”，亦有文献［3，4］称为“喷射过渡”。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。在生产现场平焊位置焊接时，通常采用较大焊接电流，电弧电压相应提高，这类焊丝发生短路过渡的机会较小。

2 熔滴细化机理

2.1 熔滴过渡条件

从图1可以看出，在GMAW中采用CO2时，电弧中熔滴上有多种力在起作用，按照是否促进熔滴过渡来分类，主要分为两种力，即促进熔滴从焊丝端分离的力:熔滴重力Fg、电磁力Fem、等离子流力Fd等;阻碍熔滴过渡的力:熔滴的表面张力Fσ、熔滴上的斑点压力Fb，以及熔滴下方的气体(含金属蒸气)排斥力Fq等。按照力学中静平衡原理，沿焊丝轴线方向的力达到平衡时的条件:

当F分离力＞F保持力时，即

熔滴从焊丝端被分离，实现过渡。

钛型CO2气体保护药芯焊丝熔滴过渡最突出特点是熔滴过渡的非轴向性。为什么是这样的呢?这是由于作用在熔滴上的各种力阻碍熔滴过渡所造成的。首先是斑点压力Fb的作用。CO2气体高温吸热对电弧的冷却作用，使电弧电场强度提高，电弧收缩，弧根面积减小，增大了熔滴上的斑点压力Fb，阻碍熔滴过渡。第二是表面张力Fσ的作用。通常表面张力Fσ是力图把已熔化的金属拉回焊丝末端，阻碍熔滴过渡的力。第三是蒸发气体反作用力的作用(属于斑点压力范畴)。在熔滴电弧斑点处，电流密度很高，金属物质强烈蒸发对熔滴表面产生很大的反作用力，一定程度上阻碍熔滴过渡。最后是保护气体排斥力Fq作用。堆积在熔池上部的CO2气体被电弧加热，体积膨胀对熔滴产生排斥作用，阻碍熔滴过渡。总而言之，是这几种力综合作用的结果。对于某一牌号的药芯焊丝，随着焊接参数的变化，各种力的大小和方向随时发生变化，致使作用于熔滴上F分离力和F保持力的对比发生变化，熔滴不仅发生过渡，而且过渡指数不断改变，熔滴过渡形态亦发生变化。

2.2 各作用力对熔滴过渡的贡献

作用在熔滴上的力大小不一，方向可变，对熔滴最终过渡所做贡献各异。如表1所示，有一些力并非主导力，但其中5种力应当是主导力，即重力Fg、电磁力Fem、等离子流力Fd、表面张力Fσ、斑点压力Fb。研究表明，焊接电流较小时，熔滴重力Fg和表面张力Fσ是熔滴过渡的主导力，此时熔滴重力Fg促进熔滴过渡，而表面张力Fσ则阻碍熔滴过渡;焊接电流较大时，电磁力Fem、等离子流力Fd以及表面张力Fσ是熔滴过渡的主导力，它们均有利熔滴过渡;斑点压力Fb与电源极性、药芯组成元素等有关，气体排斥力Fq则对熔滴过渡产生负面影响。既然熔滴过渡是上述各种力综合作用的结果，那么，熔滴过渡的控制，实质上就是要控制作用在熔滴上的各种力。而这些力的变化及影响因素又比较复杂。

鉴于熔滴细化是熔滴质量减小过程，应当通过增大主导力Fem和Fd，同时减小主导力Fb和Fσ，实现F分离力大于F保持力的条件，最终使熔滴被细化。

表1 熔滴作用力对熔滴过渡的贡献(水平位焊接)

3 焊接参数对熔滴细化的影响

焊接参数对熔滴尺寸的影响试验(表2)，是在表3所列基本参数基础上，单调变化某一参数的实测结果。可以看出，在所试验的6个参数变化中，仅有焊接电流、电弧电压和电源极性3个参数对熔滴细化有作用。从焊接电流来看，随焊接电流增大，电弧的温度升高，使作用在熔滴上的表面张力Fσ减小;另一方面，随焊接电流的增大，作用在熔滴上的电磁力Fem的分离作用也在增大。作用力一小一大的变化，有利于公式(2)进行，熔滴被细化。从电弧电压看，电弧电压过低，如20 V以下时，电弧剧烈飘移，焊丝成段脱落，不成熔滴，这种参数对生产毫无意义。电压升至25 V时，电弧仍有飘移，熔滴粗大，飞溅严重。在如此短的电弧长度下焊接，熔滴过渡形态将会变为短路过渡。该情况与文献［6］所示的规律(图2)完全一致。随电弧升至30 V时，熔滴呈滴状过渡形态，电弧飘移明显减弱，熔滴变小，过渡频率增大，飞溅减小，脱渣、成形满意。电弧电压升高时熔滴被细化的原因，需要考虑当时采用了280 A焊接电流(表3)，电弧温度的升高，电磁力的作用，致使熔滴的表面张力Fσ减小。最后是电源极性的影响。与直流正接相比，直流反接时，阳极斑点面积略增大，斑点压力Fb减小，过渡阻力减小，熔滴也减小。

表3 基本焊接参数

图2 焊接电流、电弧电压与熔滴过渡形态间的关系［6］

如前所述，焊接电流对熔滴细化的影响，是增大电流熔滴细化，然而焊接电流不能无限增大，因为太大的电流将导致工艺恶化。如表4所示，对于φ1.2 mm的焊丝，平焊位置的最佳电流是240～260 A，此时熔滴细小、飞溅较小、电弧稳定、高温渣覆盖均匀、成形美观，综合工艺性十分满意;更大的焊接电流280～300 A时，虽然熔滴更细，但飞溅增大、电弧不稳、熔渣覆盖不全、成形变差、表面氧化严重，综合工艺性不能令人满意。

表4 焊接电流对熔滴过渡及工艺性影响测试结果［7］

4 药芯组成物对熔滴细化的影响

表5列出了8种药芯组成物的试验结果。可以看出，具有细化熔滴效果的组成物有5种，其余均没有细化效果。随药芯中金红石加入量的增加，熔滴未被细化的原因，是由于金红石中含有大量TiO2，虽然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的结构十分稳定，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微弱。石英随其加入量的增加，熔滴被细化的原因，是石英中的SiO2使熔滴的表面张力减小所致。长石加入量的增加，熔滴被细化，其机理是:长石中的SiO2，以及K2O和Na2O使熔滴的表面张力减小，且可能使弧根面积微增所致。锆英石加入量增加，熔滴被细化是因为锆英石中的SiO2使熔滴的表面张力减小。镁砂对熔滴的微细化作用主要考虑其对电弧稳定性改善，弧根面积微增所致。随氟化物加入量增加，由于含有反电离元素，稳弧性恶化，弧根面积减小，斑点压力增大，熔滴过渡阻力增大，熔滴明显变粗。铝镁合金对熔滴的细化作用与弧根面积扩大，电弧温度升高，熔滴表面张力减小有关。铁粉多数进入熔池，在熔滴过渡区的冶金反应对熔滴上的作用力无明显作用，熔滴尺寸变化不大。综上，有5种熔滴细化添加物可供选用，然而焊丝的工艺质量不尽相同。也就是说，熔滴被细化焊丝的综合工艺质量未必一定完好，因为矿物中其他成分的冶金作用可能造成一定的负面影响，甚至是严重的负面影响。可是，综合工艺质量比较好的焊丝，其熔滴一定比较细小。很显然，熔滴细化是改善焊丝工艺质量的必备条件和重要条件，但还不是充分条件。综合分析比较而言，有实用价值的首推长石。

表5 药芯组成物对熔滴尺寸的影响［5］

5 熔滴细化的控制方法

对于直径φ1.2 mm的“O”形截面药芯焊丝，选择滴状过渡而不是短路过渡前提条件下，亦在选定的焊接参数条件下，该类药芯焊丝熔滴细化的控制原则首先是:

即接下来考虑焊接参数或配方因素的选控，如图3所示。

(1)降低熔滴表面张力Fσ。采用强规范大电流，提高弧柱温度;另一方面，在药芯中加入细化熔滴的组成物，使熔滴表面张力明显减小。

(2)降低熔滴斑点压力Fb。采用直流反接法是必须的，因为阳极斑点面积略增大，斑点压力Fb减小，过渡阻力减小，熔滴也减小。在药芯中加入含K、Na低电离组成物能改善稳弧性，增大弧根面积，减小熔滴上的斑点压力。还有，严格控制药芯中氟化物含量(或把氟化物含量控制在最低)，使熔滴上的斑点压力不至于太大，能控制熔滴过渡阻力。

(3)降低熔滴重力Fg。它不是细化熔滴的既定措施，而是熔滴细化的结果，亦是焊丝工艺性设计的目标所在。

(4)提高电磁力Fem(和等离子流力Fd)。电磁力的方向取决于电流传输状态。发散的电流传输会产生一个分离力(焊丝与熔滴连接处)，而汇聚的电流则会产生一个阻碍力(熔滴底部托力)。电磁力与焊接电流呈正比，采用大电流时，电磁力总的趋势是促进熔滴过渡的主导力。

综上所述，该焊丝熔滴细化控制方法思路新颖，因素匹配合理。在给定焊丝情况下，大多数施工现场，可以采用大电流、强规范，充分发挥电弧热及电磁力的有利作用，如在平焊位置用I=260～280 A(U=28～30V)，甚至I=3 00A(U=32 V)。此时，焊丝熔滴过渡形态为非轴向排斥细滴状过渡，不可能有短路过渡，焊丝工艺性较好，为操作者所认可。在某些专用焊丝或研制新焊丝时，可以在焊芯中添加低电离物质或限制氟化物含量，用以控制熔滴上的斑点压力。当然，更应着力选用综合效果好的细化熔滴组成物。这两种方法已被业内企业采用。日本DW-100焊丝的熔滴较细、均匀，但不是太细，然而熔敷金属的综合性能非常稳定、满意，在控制熔滴细化等方面颇具特色，值得借鉴。