活性剂对高速MAG焊焊接过程及焊缝成形的影响

2019-09-28

电焊机 2019年9期

（南京工程学院材料科学与工程学院，江苏南京 211100）

0 前言

MAG焊是熔化焊中应用非常广泛的一种焊接方法，为进一步提高焊接生产效率，充分发挥自动化焊接的潜力，发展了高速MAG焊。但高速MAG焊存在驼峰焊道、焊缝成形差等问题，阻碍了其发展。驼峰焊道是指焊缝金属沿焊接方向分布严重不均、周期性交替出现“驼峰”和“谷底”的焊缝成形缺陷[1]。近年来，焊接研究人员在高速MAG焊驼峰焊道的形成机理、抑制驼峰焊道的技术措施等方面进行了深入研究。普遍认为电弧、熔滴过渡、熔池液相表面张力等诸多因素对熔池的综合作用导致了高速MAG焊驼峰焊道的形成[2-4]。

活性剂焊接是一种新型的焊接工艺，主要通过活性剂改变熔池流动模式和电弧形态来对焊接过程产生作用，目前主要用于增加TIG焊的焊缝熔深[5-7]。本文针对高速MAG焊驼峰焊道和焊缝成形差的问题，通过实验研究了Fe2O3、Cr2O3、K2O和CaF2四种单组分活性剂对高速MAG焊电弧稳定性、熔滴过渡及焊缝成形的影响。

1 实验材料与方法

实验采用规格为200mm×100mm×3mm的Q235钢板作为母材。焊前将母材待焊表面打磨至露出金属光泽，并用酒精清洗。实验采用的四种单组分活性剂为 Fe2O3、Cr2O3、K2O 和 CaF2，均为粉末状。焊前，每种活性剂都用酒精调成糊状，用毛刷将糊状活性剂均匀涂敷（以盖住母材金属光泽为宜）在母材待焊区域并晾干。

焊接过程采用自动平板堆焊，焊接设备为Fronius FK4000R逆变数字焊机，焊丝直径1.2 mm，焊接速度1 000 mm/min，焊接电流200 A，干伸长12 mm，焊枪倾角 90°，保护气为 φ（CO2）20%+φ（Ar）80%，保护气流量18 L/min。采用焊接电信号数据采集仪获取焊接电压波形及焊接电压概率密度分布图。

焊后观察分析不同活性剂对应的焊缝表面成形并截取各焊缝截面，测量熔深、熔宽和余高等焊缝几何尺寸，每一焊缝几何尺寸数据均为5处测量值的平均值。

2 试验结果与分析

2.1 活性剂对高速MAG焊电弧稳定性及熔滴过渡的影响

涂敷4种不同活性剂及无活性剂等5种条件下的高速MAG焊焊接电压波形如图1所示。5种条件下高速MAG焊熔滴过渡方式均为短路过渡，但对应的短路过渡频率明显不同，未涂敷活性剂对应熔滴过渡频率约为29滴/s，涂敷Fe2O3、Cr2O3、K2O和CaF2四种活性剂对应的熔滴过渡频率分别为 36滴/s、46滴/s、110滴/s和 36滴/s。每次短路过渡结束重新燃弧时，涂敷Cr2O3对应的燃弧电压最低，约为25 V，其他4种条件对应的重燃弧电压均约为30V。同时，涂敷Cr2O3对应的熔滴过渡最为稳定，每次短路过渡周期基本保持一致。

5种条件下的高速MAG焊焊接电压概率密度分布如图2所示。

重燃弧电压反映了电弧的稳定性，由图2可知，5种条件对应焊接过程中重燃弧电压超过30 V的概率从大到小依次为：CaF2、无活性剂、Fe2O3、K2O、Cr2O3，说明涂敷Cr2O3对应的焊接电弧最为稳定，涂敷CaF2对应的焊接电弧稳定性相对较差。焊接电压概率密度分布图的左峰反映的是熔滴过渡的短路电压大小分布特征，虽然5种条件对应的短路电压均近似正态分布，但涂敷Cr2O3相对其他4种条件所对应的焊接短路电压更为集中，表明涂敷Cr2O3对应的焊接短路电压变化最小，焊接过程的稳定性最好。

2.2 活性剂对高速MAG焊焊缝成形的影响

5种条件下的高速MAG焊焊缝成形如图3所示。未涂敷活性剂的焊缝成形差，为明显的驼峰焊道。涂敷CaF2活性剂的焊道不均匀，没有完全消除驼峰焊道特征，但焊道驼峰和谷底之间的形状差异大为降低。K2O、Fe2O3和Cr2O3三种活性剂均完全消除了高速焊焊道驼峰问题，焊道均匀，成形美观，其中Cr2O3活性剂对应的焊缝成形最佳。

5种条件下的焊缝几何尺寸如表1所示。无活性剂焊接对应焊缝熔深在驼峰和谷底处相差并不大，分别为0.29 mm和0.24 mm，涂敷4种活性剂对应的焊缝熔深相对于无活性剂的情况均明显增加，其中Cr2O3活性剂对应的焊缝熔深最深，达到0.69 mm。无活性剂对应焊缝熔宽在驼峰和谷底处相差很大，分别为 3.91 mm 和 2.52 mm，涂敷 Fe2O3、Cr2O3、K2O三种活性剂对应焊缝熔宽均为4mm左右，涂敷CaF2活性剂对应焊缝熔宽在驼峰和谷底处相差也较大，分别为4.67 mm和3.23 mm。无活性剂对应焊缝余高在驼峰和谷底处相差非常大，分别为3.87mm和0.61 mm，涂覆CaF2活性剂对应焊缝余高在驼峰和谷底处相差也较大，分别为2.95 mm和1.39 mm。涂敷Fe2O3、Cr2O3、K2O三种活性剂对应焊缝余高一致，完全消除了驼峰焊道特征。

由此可见，在相同焊接参数下，采用活性剂的高速MAG焊焊缝熔深均显著增加，同时，Fe2O3、Cr2O3、K2O三种活性剂完全消除了高速MAG焊驼峰焊道特征，熔宽和余高均匀一致，焊缝成形美观，其中以Cr2O3对应的焊缝成形最好、焊缝熔深最深。

图1 不同活性剂及无活性剂条件下的焊接电压波形Fig.1 Wave graphs of welding arc voltage with different active agents and no active agent

2.3 活性剂对高速MAG焊焊接过程和焊缝成形的影响

高速焊接时，熔池向后液体流被拉长、厚度变薄，凝固形成驼峰焊道的谷底，阻止了液态金属继续向后流动，隆起部分开始凝固，形成驼峰焊道的驼峰，如此循环，形成了驼峰焊道[8]。在焊接区涂敷合适的活性剂消除了高速MAG的驼峰问题，其原因如下：首先，Fe2O3、Cr2O3、K2O 三种活性剂均为金属氧化物，具有较低的逸出功，焊接过程中发射电子能力强，促进焊接电弧稳定燃烧，也使得每次短路过渡结束后的重燃弧电压明显变小。重燃弧变得容易，一方面促进了熔滴过渡的稳定性，另一方面也加快了熔滴过渡的频率。K2O中的K为典型的低电离电位元素，成为气态后的K元素进一步促进了电弧稳定燃烧，其熔滴过渡频率达到最高的110滴/s。焊接过程稳定性的提高，熔滴过渡频率的加快，使得熔滴变细小，且短路液桥颈缩断开时间变短。熔滴快频率进入熔池，使熔池向后液体流不易被拉长，阻碍了焊道谷底和驼峰的形成。而CaF2中的F元素为反电离元素，不利于电弧稳定燃烧，因而其焊接电压波形相对不稳定，虽然熔滴过渡频率也有所提高，但焊缝成形相对Fe2O3、Cr2O3、和K2O都差，没有完全消除焊道驼峰现象。其次，活性剂改变了熔池的流动模式，实验中4种活性剂均显著增加了焊缝熔深，说明活性剂通过降低熔池液相的表面张力，促使熔池液相在熔池中心形成下沉式流动，将大量电弧热量带至熔池底部，从而大大加深了焊缝熔深，同时也抑制了高速焊过程中熔池向后液体流被拉长的效应，从而进一步阻碍了谷底和驼峰的形成。

图2 不同活性剂及无活性剂条件下的焊接电压概率密度分布Fig.2 Probabilistic density distributions of welding voltage with different active agents and no active agent

表1 不同活性剂及无活性剂条件下的焊缝几何尺寸Table1 Geometric dimensions of welds with different active agents and no active agent

图3 不同活性剂及无活性剂条件下的焊缝表面形貌Fig.3 Welding seam surface morphology with different active agents and no active agent

综上所述，Fe2O3、Cr2O3、K2O 及 CaF2均大大优化了高速MAG焊的焊缝成形，但由于4种活性剂的逸出功、电离势及对熔池金属液相表面张力的影响程度不同，因而对焊缝成形的优化效果也存在一定的差异，其中以Cr2O3的优化效果最佳，完全消除了高速MAG焊驼峰焊道且焊缝成形非常美观，而CaF2效果欠佳，未完全消除驼峰焊道现象。