钛型气保护药芯焊丝焊接飞溅与气孔的关系

孙咸

（太原理工大学 焊接材料研究所，山西 太原030024）

钛型气保护药芯焊丝焊接飞溅与气孔的关系

孙咸

（太原理工大学 焊接材料研究所，山西 太原030024）

采用平板堆焊工艺评定、高速摄影等试验方法，探讨了钛型气保护药芯焊丝焊接飞溅与气孔的关系。结果表明，这类焊丝的飞溅属于熔滴中气体逸出或弧气排斥所致飘离飞溅，焊接电流、电弧电压等主要参数控制的熔滴过渡形态对焊接飞溅有重要影响。焊缝中气孔（压坑）的性质主要属氢气孔（压坑），其产生机理基本遵循“熔滴过渡形态对气孔的影响理论”揭示的机理；焊接参数中，焊接电流、电弧电压对气孔（压坑）倾向影响的规律性更明显。“飞溅小与气孔倾向大”不协调的关系，实质上反映的是熔滴状态与气孔间的关系。

焊接飞溅；焊缝中气孔；气保护药芯焊丝；钛型渣系

0 前言

虽然说药芯焊丝高效、自动化的优势在诸多重要工程应用中充分展示，我国药芯焊丝产业在激烈的市场竞争中迎来了一个新的发展时期。然而业内人士对于钛型渣系如E501T-1型气保护药芯焊丝的品质，尤其是工艺质量问题的关注度一直未减。这是因为，一般用户接触到的所谓国产高水平药芯焊丝在细节方面与国际名牌尚有差距。以日本神钢DW-100为例，工艺评定中，飞溅比较小，可是其他指标，如成形、脱渣、电弧等，尤其是气孔敏感性，都很“过得硬”，看不到“飞溅小与气孔倾向大”不协调等现象，其综合工艺非常满意。国产药芯焊丝在焊接飞溅与焊缝气孔关系中出现不协调现象比较突出，科研及生产实践亲历了该种（飞溅与气孔关系）现象全过程[1]。虽然焊接飞溅和焊缝中的气孔，是工程焊接中常见的工艺质量问题，可是关于“焊接飞溅与焊缝气孔关系”的研究文献，迄为今止，鲜见甚至未曾发现。为此，本研究特意将焊接飞溅、焊缝气孔与熔滴过渡相联系，探讨飞溅、气孔之间关系和控制原理。该项研究对推动企业技术进步、提升药芯焊丝品质质量和产品竞争力，具有一定的参考意义和实用价值。

1 试验材料及方法

试验用焊丝为市售φ1.2 mm、E501T-1药芯焊丝，焊丝的性能符合GB/T10045-2001规定。试验用母材为20 mm厚的Q235B钢板，试板尺寸为300 mm×150 mm×20 mm。试验用焊机为松下KR-500型CO2气体保护焊接设备。采用平板堆焊方法进行工艺性试验，焊丝的工艺评定采用对比法，使用的焊接参数见表1。同时使用高速摄影观察电弧行为及焊接飞溅细节。

表1 焊接参数

2 试验结果及分析

2.1 钛型气保护药芯焊丝焊接飞溅

2.1.1 焊接飞溅产生原理

与实芯焊丝相比，钛型气保护药芯焊丝的工艺性得到了明显的改善，焊接飞溅很小，但也不是说完全没有飞溅，比如同类焊丝比较中，有的焊丝飞溅显得略大。该类药芯焊丝焊接飞溅产生与其电弧形态和熔滴过渡形态密切相关。首先，药芯组成物内已经加入一定量K、Na等低电离电位元素，其电弧特性得以改善，但是，由于焊芯内部的药粉不导电，电弧只能沿着焊丝外皮钢带燃烧并运动，因此它的电弧呈连续、活动型，其稳弧性并未达到最佳。其次，熔滴在电弧中处于一种非轴向排斥状态，熔滴与焊丝轴向间的夹角角度呈大角度状态、熔滴在焊丝端存留时间较长时，熔滴极易被甩出。最后，熔滴中气体的膨胀及爆炸倾向与药芯种类、焊接参数等有关。该类药芯焊丝短路过渡的几率很小，发生短路爆炸引起的飞溅也较少（当弧压偏低时，发生短路过渡亦在预料之中）。总体上看，药芯焊丝熔滴尺寸比实芯焊丝的要小，其焊接飞溅也较小。这类飞溅主要发生在熔滴与焊丝之间的缩颈处（熔滴脱离焊丝瞬间），该处通过的电流密度较大使金属过热，熔滴中生成的CO类气体瞬间强烈释放，导致熔滴破碎、爆断，形成颗粒细小的飞溅。此即通常所说的熔滴气体逸出飞溅（见图1）。亦可能出现熔滴在空中被破碎的所谓飘离飞溅，以及极少数熔池中气体逸出飞溅（见图2）。

2.1.2 焊接飞溅影响因素

（1）熔滴过渡形态的影响。

图1 熔滴中气体逸出飞溅高速摄影

图2 熔池中气体逸出飞溅高速摄影

①熔滴被甩出性影响。这类药芯焊丝熔滴的主流过渡形态是非轴向排斥滴状过渡[3]，过渡形态本身决定了熔滴具有很大的易甩出性，稍不留神小的金属碎滴就可能被甩出熔池，遇有阴极斑点压力过大的情况时熔滴被甩出的几率更大。而熔滴过渡形态直接受其冶金过程特性所控制，一旦过渡形态改善，熔滴被甩出的数量减小，飞溅就小；反之，飞溅严重。②熔滴尺寸影响。在熔滴的过渡区，熔滴的渗硅氧化反应，使熔滴细化，质量变小，被甩出倾向减小；反之，熔滴尺寸较大时，质量较重，被甩出倾向较大。③出现熔滴混合过渡的影响。当弧压偏低时会发生短路过渡，短路爆炸引发的飞溅随即加大。即便不发生短路过渡，偏低的弧压冲力会使熔池金属被喷挤出一些细碎颗粒飞溅。④熔滴中携带水气的影响。熔滴中携带气体较多时，在熔滴过渡区熔滴内部急剧膨胀爆开，导致飞溅增大的情况也有之。

（2）工艺因素的影响。

a.焊接电流与电弧电压匹配的影响。

焊接电流-电弧电压-熔滴尺寸-过渡形态关系如表2所示[4]。

表2 焊接电流-电弧电压-熔滴尺寸-过渡形态关系[4]

由表2可知，焊接电流、电弧电压匹配改变熔滴过渡形态。具体来说，焊接电流160 A、电弧电压19 V时，熔滴粗大，电弧电压偏低，熔滴呈短路过渡形态；焊接电流195 A、电弧电压提高到26 V时，不发生短路，熔滴很粗大，呈大滴非轴向排斥滴状过渡；焊接电流240 A、电弧电压26 V时，熔滴变细了，不短路，仍为非轴向排斥滴状过渡。电流单参数变化难以改变熔滴过渡形态，然而电弧电压偏低一定会发生短路过渡。可见，电流与电弧电压匹配时，能够改变熔滴过渡形态。上述熔滴过渡形态变化的原因是，随焊接电流增大（弧压相应提高），弧柱温度升高，电弧氧化性增强，焊丝端熔融金属表面张力减小，熔滴容易被细化。同时熔滴沿渣柱滑落，飞溅也减小。焊接电流对熔滴细化起主要作用，弧压对熔滴是否短路起决定作用。

图3是根据文献[4]试验数据绘制的焊丝焊接电流-电弧点压-焊接飞溅率关系曲线。由图3可知，焊接电流150 A时，由于电弧电压只有21 V，熔滴呈短路过渡形态，飞溅率很高；当电流增至180 A时，由于电弧电压提至24 V，熔滴呈短路+滴状混合过渡，飞溅减小；焊接电流210～240 A时，电弧电压升至25～27 V，熔滴呈非轴向滴状过渡，飞溅比弧压24 V时减小；焊接电流270 A时，由于电弧电压提至30 V，熔滴呈细滴状过渡，飞溅明显减小；焊接电流300～330 A时，电弧电压升至33～35 V，出现飞溅率很小情况。此时的飞溅率与试验结果（见表3）截然不同。试验结果为：电流大于300 A，电弧电压高于33 V后，飞溅反而增大，成形变差。文献[5]分析认为，焊接电流增大到一定程度时，熔滴内部冶金反应更剧烈，斑点压力过大，熔滴被甩出的更多；电弧电压太高时，熔滴落下行程太长，不能完全沿渣柱滑入熔池，加剧了熔滴被甩出的倾向，更增大飞溅。

图3 焊接电流-电弧电压-飞溅率之间关系

表3 主要焊接参数对焊丝熔滴过渡及工艺性影响测试结果[5]

b.其他参数的影响。

焊丝干伸长变化不可能太大，要变化也仅限于15 mm、20 mm、25 mm之间，对熔滴过渡形态无实质性影响，故对焊接飞溅的影响不太大。当然，焊丝干伸长太长了，气体保护效果不好，焊缝质量就变差。保护气体流量变化（15 L/min、20 L/min、25 L/min）对熔滴过渡形态无大影响，故对焊接飞溅影响不明显。焊接速度变化主要影响焊缝成形，对焊接飞溅无明显影响。电源极性变化对工艺性影响十分强烈。直流正极性时焊接飞溅很大，工艺性很差。反极性时焊接飞溅减小，工艺性改善。焊接操作技术（含焊丝倾角）等对焊接工艺质量的影响不可小视。

综上所述，影响焊接飞溅的因素比较复杂。熔滴过渡形态的影响是焊丝冶金特性所决定的，属于冶金因素，涉及渣系选择和配方设计。焊接工艺因素的影响，涉及参数优化和合理匹配，其中焊接电流和电弧电压有重要影响。前者（熔滴过渡形态的影响）是焊丝内在因素，后者（工艺因素影响）是外在因素，外因通过内因起作用。最终归结为焊丝设计、制造核心技术在起作用。

2.2 钛型气保护药芯焊丝焊缝中气孔

2.2.1 焊缝中气孔类型、性质

前期的国产钛型气保护药芯焊丝对气孔（压坑）比较敏感。焊缝中气孔（压坑）的出现率具有随意性和伴随性。所谓随意性是指焊接规范和条件未改变而突发出现的气孔（压坑），所谓伴随性是指气孔与压坑同时出现的情况。气孔的形态有密集蜂窝状型，亦有单个的或双孔串接型；气孔的尺寸为φ0.1mm～3.2 mm；压坑的形态更是多姿多态，有长短不等、宽度各异、深浅不均、走向变化的沟槽状压坑，亦有与气孔相连接或短段串接的条虫状压坑，还有大小不等的岛状型压坑，出现几率较多的是针状（俗称“麻点”）型压坑。从焊接条件和环境看，在坡口内焊接比坡口外（包括盖面）出现气孔（压坑）的几率小，在室内焊接比室外出现气孔（压坑）的几率小。从焊接位置看，有的焊丝在水平位置焊时并不出气孔（压坑），但立向上焊接时，压坑（气孔）倾向较大，该压坑多呈与焊接方向接近平行的、大小不等的条沟状，有的是气孔与条状气沟共存，有的只有条状气沟。从气孔的内表特征看，气孔的纵断面呈喇叭型或半喇叭型，而且内表面较光滑。条状压坑的内壁亦较平滑。综合分析其特征可以判断，除了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）。

2.2.2 气孔产生的原因

焊缝气孔的产生，归根结底是熔池中水分的行为在起作用。但是在研究过程中，对一些细节演变的描述出现了一些相关理论，比如有一种“熔滴过渡形态对气孔的影响理论[5]”。该理论认为，焊缝中气孔的产生，不仅取决于熔池中吸收氢气的总量，还取决于熔池中氢气逸出的难易程度。焊缝中压坑的产生，与气孔的产生具有同源性，即焊缝中的气体及其逸出行为是其根源。当气体从焊缝金属中逸出被阻止于焊缝中，就形成了气孔；当气体从焊缝金属中逸出被困于熔渣下面，或在焊缝金属表面聚集时，就形成了焊缝表面压坑。可以说，压坑是气孔的另一种表现形式。略有区别的是，后者对焊接熔渣的凝固速度、熔渣中气体逸出的难易程度具有更强的依赖性。当焊丝熔滴颗粒细、比表面积大、在电弧中熔滴吸收的氢多、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（此即“熔滴过渡形态对气孔的影响理论[6]”）；当氢在熔渣中的逸出条件差时，就易生压坑。

2.2.3 焊缝中气孔影响因素

2.2.3.1 药芯组成物的影响

研究表明，除了氟化物对气孔（压坑）不敏感外，促使熔滴细化的组成物如石英、长石等，都对气孔（压坑）敏感。其中，促使熔滴细化作用强烈的组成物，产生气孔（压坑）的倾向更严重。

金红石加入量增大时，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，有利于减小气孔（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。

2.2.3.2 工艺因素的影响

工艺因素对气孔（压坑）的影响如表4所示。

表4 工艺因素对气孔（压坑）的影响

由表4可知，影响因素中的焊接参数较多，但没有具体的影响规律。

（1）焊接电流。焊接电流增大，电弧飘移减弱，电弧挺度变好，熔滴尺寸变细，过渡频率提高，飞溅及成形改善，沟槽压坑倾向增大。这可以用“细熔滴吸收氢多，带入熔池的氢多，气孔倾向大”的所谓熔滴过渡形态对气孔的影响理论[5]来解释。

（2）电弧电压。在本研究试验条件下，电弧电压增大，电弧飘移减弱，电弧挺度变好，熔滴尺寸减小，过渡频率提高，飞溅减小，成形变好，但沟槽压坑倾向加剧。这是由于电弧电压适度提高后，熔滴细化、过渡频率提高，熔滴吸收的氢多，带入熔池的氢多，气孔倾向大。

（3）保护气体流量。试验表明，保护气体流量的变化对焊丝工艺性影响并不明显，但随保护气体流量提高，焊缝中沟槽倾向出现减小趋势。这可能是保护气体流量增大后，气氛的氧化性增强，熔渣的流动性变好，气体从熔池及熔渣中的逸出条件改善所致。

（4）焊丝干伸长度。焊丝干伸长度在试验范围内变化时，焊丝工艺性的变化不明显，但L=25 mm时沟槽倾向减弱。这是由于干伸长度增大后，焊丝干伸部分的电阻热增大，对药芯粉的加热使其水分蒸发，进入熔池中的氢少，沟槽压坑倾向减小。

（5）焊接速度。在本试验条件下，焊接速度对工艺性主要影响焊缝成形系数，即焊接速度快，焊道窄、余高大；反之，焊速慢，焊道宽、余高小。然而，随焊接速度提高，沟槽压坑倾向却减小。该现象似乎与“焊速慢，熔池存在时间长，有利气体逸出，气孔倾向减小理论”相悖。但是从另一方面考虑，焊速很快时，熔渣不能紧跟电弧，熔池裸露，气体容易逸出，有利减小沟槽压坑倾向。

（6）电源极性。无论正反接，沟槽压坑倾向并未减小。直流正接时不仅工艺性很差，而且沟槽压坑与气孔倾向要比前者严重。这是由于氢是以离子形态熔于熔池金属的。直流反接时，熔池为负极，它发射大量电子，使熔池表面的氢离子又复合为原子，因而减少了进入熔池的氢离子数量；反之，正接时，熔池为正极，熔池表面的氢离子很容易进入熔池，熔池中含氢量高，气孔（压坑）倾向比前者大。

此外，运丝方式也有影响：直线运丝易生气孔（压坑）；横摆能加强熔池铁水搅动，有利熔池中气体逸出，气孔（压坑）倾向减小。摆幅越大，速度越慢，效果越好。

挡风方式也有明显影响：坡口内焊接比坡口外（包括盖面）出现气孔（压坑）几率小，室内比室外好，在焊接区设置挡风装置比不设置好。

综上可知，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）倾向影响的规律性更直接、更明显，基本遵循了“熔滴过渡形态对气孔的影响理论[5]”揭示的机理。

2.3 钛型气保护药芯焊丝焊接飞溅与焊缝气孔的关系

在钛型渣系条件下，可以调试出工艺性差距明显的焊丝品种：一种是飞溅小、工艺手感好，但气孔（压坑）倾向大；另一种是飞溅大、手感差点，然而气孔（压坑）倾向明显减小。两种焊丝工艺质量规律性较强，再现性颇好。飞溅与气孔之间一定存在某种内在联系，其实，其源头仍然是熔滴过渡形态，内在的联系者或主导者就是熔滴。飞溅和气孔这两项指标都要和熔滴发生关系，它们三者间的关系如图4所示。

图4 焊接飞溅与焊缝中气孔关系

这两个指标之间不和谐关系，究其原因可以用熔滴过渡理论中所谓的熔滴尺寸控制理论予以解释。焊接飞溅大的，一方面由于气体从熔滴内部冲出而形成，另一方面由于斑点压力造成的大角度熔滴破碎被甩出而形成。前者导致熔滴带入熔池的氢总量减小，后者，熔滴很粗，又是大角度飘荡，熔滴中氢量也能被甩出，进入熔池的氢总量也被减小，总的效果是进入熔池氢总量较小，气孔倾向减小。反之，飞溅小的，熔滴细，带入熔池的氢的总量较大，气孔敏感。说到底，飞溅之所以与气孔扯上关系，盖源于熔滴携带氢的行为。

2.4 工程应用中飞溅与气孔关系的协调或控制原理

对于焊接飞溅与焊缝气孔关系的协调或控制，从工程上大量使用该类焊丝特征上，可以归纳为两种控制（或协调）原则：一是药芯组成物或成品焊丝低水分原则。即对药芯组成物进行低水分处理，或者对成品焊丝低水分处理，涉及药芯组成物或成品焊丝的烘烤工艺。这其中药芯组成物实施烘烤并不意味着焊丝已经被彻底无水分化，只有成品丝高温烘烤后才有可能获得极低水分含量。二是适当牺牲焊丝工艺性原则（见图5），即在合理焊接参数前提条件下，采用适当牺牲焊丝工艺性，容许少量飞溅，确保焊缝不出气孔为原则。需要通过调整配方，使焊丝熔滴变得略为粗点，飞溅有一点，不影响质量，然而气孔基本不出现。该原则已为部分国内外知名品牌焊丝所采用。当然，第一种原则方法在诸如伊萨等国际品牌药芯焊丝上用得较多，效果显著。两种原则或方法比较，第一种低水分的焊丝使用性能更好，飞溅小、气孔不敏感、焊缝金属超低氢含量等。可是产品须经高温烘烤而使生产工艺复杂化，成本提升。第二种焊丝使用性能用户已接受，产品生产工艺无需更多改进，成本提升很小，国内外药芯焊丝已广为应用。

图5 适当牺牲焊丝工艺性原则框图

3 结论

（1）基于非轴向滴状过渡形态，这类焊丝的焊接飞溅是熔滴中气体逸出飞溅或弧气排斥所致飘离飞溅；焊接电流、电弧电压等主要参数控制的熔滴过渡形态对焊接飞溅有重要影响。

（2）焊缝中气孔（压坑）的性质主要属氢气孔（压坑），其产生机理与进入熔池的水分行为密切相关，基本遵循“熔滴过渡形态对气孔的影响理论[5]”揭示的机理；焊接参数中，焊接电流、电弧电压对气孔（压坑）倾向影响的规律性更明显。

（3）焊丝飞溅与气孔倾向关系的内在主导者是焊丝熔滴，“飞溅小与气孔倾向大”不协调的关系，实质上反映的是熔滴状态与气孔间的关系。

（4）工程上常采用两种原则来处理飞溅与气孔矛盾关系，两种方法都获得满意效果，适当牺牲焊丝工艺原则已广泛应用。

[1] 孙咸.气保护药芯焊丝工艺质量的选择与控制[J].电焊机，2014，44（10）：33-38.

[2] 王宝，宋永伦.焊接电弧现象与焊接材料工艺性[M].北京：机械工业出版社，2012：134-135.

[3]孙咸.钛型渣系气保护药芯焊丝研究进展[J].焊接，2012，（6）：6-12.

[4] 王燕.药芯焊丝电弧焊熔滴过渡与焊接飞溅[J].电焊机，2013，43（4）：96-99.

[5] 孙咸.钛型气保护药芯焊丝焊接参数的选择与应用[J].机械制造文摘焊接分册，2013（2）：1-6.

[6]孙咸.钛型气保护药芯焊丝熔滴过渡与气孔（压坑）的关系[J].焊接，2007（12）：9-12，32.

Relation between welding spatter and porosity of titanium type gas shielded flux cored wire

SUN Xian
（Institute of Welding Consumables，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

The relationships between of welding spatter and porosity in weld metal for titanium-type gas-shielded flux-cored wire were discussed by flat-surfacing procedure qualification，high-speed photography and other test methods.The results show that the welding spatters are belongs to the one of escaping gas from droplet or one of caused from arc air excluding droplet，and the droplet transfer forms that controlled by main parameters such as welding current，arc voltage,have a significant effect on welding spatter.The nature of weld porosity（press hole）mainly is belongs to hydrogen-induced porosity（press hole），its generating mechanism basically follows the mechanism that is revealed by the theory about the effect of the droplet transfer shape on the porosity.The effect of welding current，arc voltage on porosity（press hole）tendency is more evident.The uncoordinated relations between about the small spatter and larger porosity tendency substantially reflect the relations between droplet shape and porosity.

welding spatter；porosity in weld metal；gas shielded flux cored wire；titanium slag system

TG403

：A

：1001-2303（2015）10-0011-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.03

2015-01-27；

：2015-03-20

孙 咸（1941—），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3项，发表学术论文140多篇；1992年获国务院颁发的政府特殊津贴。