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鈦型渣系氣保護藥芯焊絲熔滴過渡及其控制

一，概述

與其他焊接材料一樣，藥芯焊絲的發展主要取決于兩個要素：一是市場的需求，二是產品自身的質量。近年來，我國藥芯焊絲的市場需求量是上升的，而國產藥芯焊絲的品質質量可以說也是不斷提升的。以市場需求量zui大的鈦型渣系氣保護藥芯焊絲E501T一1為例，該焊絲的工藝性普遍改善，已經提高到一個新的水平，對常見焊接缺陷產生原因業已查清，一些被國外企業長期保密的關鍵技術亦被國人突破。國產藥芯焊絲已經沖出，進入市場。這標志著國產藥芯焊絲進入了一個新的發展時期。然而，應當看到，發展是不平衡的，藥芯焊絲生產廠家的技術水平良莠不齊，有的企業技術開發尚未全面過關，產品質量不穩定，用戶反映焊絲的工藝性質量問題居多。有的企業(或公司)因此遭遇退(換)貨，有的則在重大工程項目招投標運作中受挫，不僅造成一定經濟損失，還影響企業(或公司)形象。藥芯焊絲工藝性歸根結底是與熔滴過渡相關。關于藥芯焊絲的熔滴過渡的研究，已經有不少文獻報道，但是觀點不盡相同。面對大好形勢，那些所謂焊絲有問題的企業難道會束手無策嗎?鈦型渣系氣保護藥芯焊絲工藝性改進的關鍵技術究竟在那里?為此，本文將焊絲的熔滴過渡與工藝性相，探討影響因素，開展藥芯焊絲熔滴過渡及其控制原理研究。該項研究對推動那些產品與水平尚有差距的企業技術進步，提升產品競爭力，具有重要意義和參考價值。

二、鈦型渣系氣保護藥芯焊絲熔滴過渡形態及其分類

在藥芯焊絲研究發展過程中，關于鈦型藥芯焊絲熔滴過渡形態評價出現了幾種觀點：一種觀點認為，這類藥芯焊絲的熔滴過渡形態，在小電流區域是細顆粒過渡，在大電流區域是射流過渡，不發生短路過渡。另一種觀點則認為，隨焊接條件(參數)變化，熔滴過渡分為大滴排斥過渡、細顆粒過渡、射滴過渡、射流過渡和短路過渡五種。在某文獻資料中，將這類藥芯焊絲熔滴過渡特性歸納為四個方面：①熔滴的周向旋轉特性。②熔滴的非軸向過渡特性。③藥芯滯熔特性。④熔滴與熔渣分離過渡特性。

本文的試驗觀察證實，這類藥芯焊絲熔滴過渡的基本形態是非軸向排斥滴狀過渡，其主要的過渡指標是熔滴尺寸、過渡頻率及熔滴過渡的非軸向傾向。熔滴過渡形態的變化，主要依賴于焊接電流變化。在小電流下焊接時，焊絲端部的滴狀熔滴受多種力作用下急速地擺動，并以非軸向方式不停地脫離焊絲實現過渡。隨焊接電流的增大，熔滴尺寸減小，過渡頻率增大，熔滴的非軸向傾向略顯減小；當焊接電流大于某范圍值后，熔滴尺寸急劇減小，過渡頻率急劇增大，熔滴沿焊絲渣柱方向過渡，此時的形態可以稱為“射滴過渡”。熔滴沿渣柱的過渡行為，對穩定電弧、減小焊接飛濺、改善操作工藝性；較為有利。在生產現場通常采用較大焊接電流，電弧電壓相應提高時，這類焊絲發生短路過渡的機會較小。但是，zui近采用高速攝影和漢諾成分析儀測試顯示，以滴狀為主的過渡中，在電弧電壓較低的那些瞬時，亦會發生短路過渡行為。

三、鈦型渣系氣保護藥芯焊絲熔滴過渡

形態與焊絲工藝性間的關系熔滴過渡形態對工藝性的影響，可以通過焊接規范參數的變化，影響熔滴過渡指數變化，進而使工藝性指標發生變化。例如：①采用咖1．2mm焊絲，在平焊位置，焊接電流增大至240～260A時，熔滴尺寸減小，過渡頻l率增大，焊絲端部滯熔的渣柱尺寸增大，有一定數量的熔滴沿渣柱滑入熔池，此時電弧穩定性較好，焊接飛濺較小，高溫渣流動性適中，熔渣覆蓋均勻，焊縫金屬光澤鮮亮，成形均勻美觀，焊絲工藝性優良。②當焊接電流繼續增大至280～300A時，熔滴尺寸再減小．過渡頻率再增大，焊絲端部滯熔的渣柱尺寸也增大，此時電弧穩定性反而變差，熔滴不*沿渣柱滑入熔池，焊接飛濺增大，高溫渣變稀，熔渣覆蓋不均勻，焊縫金屬光澤被氧化，成形不均勻，焊絲工藝性變差。③當焊接電流減小至160～200A時，熔滴尺寸略大，過渡頻率減小，焊絲端部滯熔的渣柱尺寸小，此時電弧穩定性略顯差點，但熔滴絕大多數落入熔池，焊接飛濺不算太大，高溫渣的凝固范圍較小，形成“短渣”，熔渣覆蓋均勻，焊縫金屬光澤好，成形均勻美觀，此時焊絲的立向上焊接工藝性優良。

四、鈦型渣系氣保護藥芯焊絲熔滴過渡機理

1．熔滴形成過程

以截面為“o”形對接口藥芯焊絲為例，其熔滴形成過程為：進入電弧區的焊絲端部，在接口處及其附近的鋼帶首先快速熔化，而在接口的徑向處鋼帶則滯后熔化，于是很快形成了偏心熔滴懸于焊絲端部；與此同時處于焊絲端部、熔滴下方的還有滯后鋼帶熔化的所謂渣柱，有時還有滯后熔化的一小段細鋼帶(見下圖)。隨著焊絲不斷送進，熔滴在電弧中急速旋轉、飄移并過渡。可以看出，電弧燃燒時，焊絲端部沿圓周方向不能同步熔化，而是沿接口處熔化速度快，接口徑向處熔化速度慢，結果出現偏心熔化(或馬蹄形熔化)、熔滴沿焊絲周邊懸掛運動和熔滴的非軸向過渡現象。至于處于熔滴下方的渣柱的形成，則是由于藥芯組成物熔點比鋼帶高所致。

2．熔滴過渡機理

電弧中熔滴的過渡，zui終靠作用于熔滴上的各種力的綜合變化。為此本文建立了藥芯焊絲熔滴過渡受力模

型(見下圖)。該模型認為，藥芯焊絲的熔滴在電弧中受到模型中諸作用力的共同作用，隨焊接參數的變化，各種力的大小和方向可能發生變化，致使熔滴過渡指數不斷改變，熔滴過渡形態發生變化。藥芯焊絲熔滴受以下幾種力的作用：表面張力F。、重力F。、電磁力一、氣體吹力L、斑點壓力‘、等離子流力‘。

(1)表面張力F． 表面張力是在焊絲端頭上保持熔滴的主要作用力。若焊絲的半徑為尺，這時焊絲和熔滴間的表面張力為：F。。2丌R盯 (1)其中，盯為表面張力系數(10。3N／m)，它與熔滴的成分、溫度及氣體介質等因素有關。

(2)重力F。 在焊接電流較小時，在平焊位置情況下，它是促使熔滴過渡的主導力，其大小為：3t=mg=——7c y 3P g(2)。4式中y——熔滴半徑，mm；p——熔滴的密度，g／cm3；g——重力加速度，cm／sce2。立焊和仰焊時，重力將阻礙熔滴過渡。

(3)電磁力F 電流流過熔滴時，導體的截面是變化的，將產生電磁力的軸向分力，其方向總是從小截面指向大截面，大小與電流的平方成正比。在熔滴與焊絲的縮頸處，電磁力的軸向分力促使熔滴過渡。在熔滴與弧柱的電極斑點處，電磁力的軸向分力對熔滴過渡的影響取決于電弧的斑點面積。如果斑點尺寸大于焊絲直徑，則促使熔滴過渡；反之，斑點尺寸小于焊絲直徑，則阻礙熔滴過渡。鈦型渣系藥芯焊絲焊接時，弧根面積大，電磁力促使熔滴過渡。

(4)氣體吹力F 由于。氣體高溫分解吸熱，oCO對電弧產生冷卻作用，使電弧電場強度提高，電弧收縮，弧根面積減小，作用在熔滴上的電極斑點壓力增大，導致熔滴非軸向過渡。嚴重時影響電弧穩定性或增大飛濺。

(5)斑點壓力t 電弧中的帶電質點(正離子和電子)對電極斑點處撞擊產生斑點壓力，此力阻礙熔滴順利過渡。陰極斑點壓力比陽極的斑點壓力大，所以直流反接時熔滴過渡較為順利。

(6)等離子流力F。電弧從焊絲到工件其截面逐漸增大，電弧中產生的軸向推力，導致從焊絲向工件方向產生的等離子氣流。電流較大時，高速等離子流對焊絲端部的熔滴產生很大的作用力，有利于熔滴的軸向運動。該作用力的大小與電流大小有密切關系。綜上所述，可以看出，焊接電流較小時，重力對促進熔滴過渡起重要作用，而表面張力阻礙熔滴過渡；焊接電流較大時，電磁力、等離子流力以及表面張力均有利熔滴過渡；斑點壓力與電源極性有關，保護氣體吹力則對熔滴過渡可能產生負面影響。應當看到，熔滴過渡是上述各種力綜合作用的結果，熔滴過渡的控制實質上就是控制作用在熔滴上的各種力，這些力的影響因素比較復雜，將在下一節討論。

五、鈦型渣系氣保護藥芯焊絲熔滴過渡影響因素及控制

1．藥芯組成物的影響

某文獻研究了多種藥芯組成物對熔滴過渡的影響：

(1)金紅石的含量增大時不能降低熔滴的界面張力，對熔滴的細化作用并不強烈，原因是金紅石其中的主要成分TiO，結構十分穩定，在電弧中不使熔滴增氧。

(2)硅鋁酸鹽礦石粉含量增大時對熔滴有明顯的細化作用，原因是其中所含的SiO，以及K，O、Na，O使熔滴的表面張力減小，熔滴被細化。

(3)鋁和鋁鎂合金對熔滴有一定的細化作用，機理可能是這些組元燃燒放熱，使熔滴溫度升高，熔滴的表面張力減小。

(4)氟化物含量增大時，雖然能減小熔渣的表面張力，使熔渣變稀，但是由于CaF．是反電離物質，增大電極斑點壓力，阻礙熔滴順利過渡，因而使熔滴尺寸變大，電弧穩定性變差，加劇了熔滴非軸向排斥過渡傾向。某文獻在藥芯中加入白云石，焊接時放出CO。使藥粉不易燒結(有利克服“滯熔”現象)；藥芯中加入的金屬鎂，在焊接過程中燃燒，放出大量熱，有利控制焊絲的“滯熔”現象，改善電弧穩定性和熔滴過渡形態。某文獻研究了鐵粉的影響，隨藥芯中鐵粉含量增加，焊絲的熔化速度降低，熔滴尺寸和渣柱長度減小，有利熔滴過渡；然而，隨藥芯中鐵粉含量增大，熔滴增氧，硅、錳元素含量降低，焊縫中氣孔傾向增大，影響焊縫的質量。為此，提出限定鐵粉含量的zui大值為藥芯總重的40％。

2．焊絲截面形狀的影響

研究表明，藥芯焊絲熔滴過渡形態與焊絲截面形狀關系密切。簡單截面(0形，對接縫)藥芯焊絲為非軸向排斥滴狀過渡，首先與位于外皮的薄鋼帶先于藥芯熔化，形成的熔滴懸于焊絲一側(偏心焊絲軸線)，并沿周邊長大有關，再加上CO，電弧特性使熔滴的受力狀況惡化，作用在熔滴上的電極斑點壓力增大，導致電弧不穩、飛濺大，產生渣柱，甚至出現藥芯成塊脫落等不利的工藝特性。由于熔滴過渡區冶金反應不*，還導致焊縫力學性能的不穩定、不均勻，嚴重影響焊絲的工藝質量。復雜截面藥芯焊絲為細熔滴滴狀過渡，非軸向傾向被減弱，有的焊絲也可能呈軸向過渡。此時由于弧根面積大，電磁軸向分力促使熔滴過渡，克服了簡單截面焊絲熔滴過渡的不利因素，表現出電弧穩定、飛濺較小、過渡頻率適中等一系列優點。熔滴過渡區冶金反應較為*、充分，焊縫中合金元素分布均勻，顯微組織品粒較細，熔敷金屬力學性能優良、穩定，尤其是缺口沖擊韌性值遠高于簡單截面焊絲。研究還表明，焊絲截面形狀越復雜，焊縫金屬含氮量越低。這是熔敷金屬力學性能優良、穩定的重要因素。

3．焊絲直徑、鋼帶厚度的影響

研究表明，隨藥芯焊絲直徑的減小，熔滴弧根面積增大，電磁軸向分力促使熔滴過渡，此時焊接電弧穩定、飛濺減小、熔滴細化，焊絲的操作工藝性滿意。反之，藥芯焊絲直徑增大后，熔滴過渡阻力增大，電弧不穩、飛濺增大、熔滴粗化，焊絲的操作工藝性急轉直下。因此對于大直徑焊絲，采用復雜截面。關于鋼帶的厚度，對于相同直徑的焊絲，采用略厚一點的鋼帶有利熔滴過渡。原因是厚帶生產時，焊絲的填充系數較小，熔滴弧根面積較大，同時產生的渣柱較小，焊絲的工藝性好。

4．焊接工藝參數的影響

焊接工藝參數的影響因素如下：

(1)焊接電流 是熔滴尺寸、過渡形態發生明顯變化的關鍵參數，其影響規律如第2節所述。其機理是，

隨焊接電流增大，電弧熱亦增大，熔滴的溫度提高，熔滴的表面張力被減小。

(2)電弧電壓 隨電弧電壓增大，熔滴有細化傾向。原因是電弧電壓增大使電弧長度增大，電弧的氧化性增大，熔滴的表面張力被減小。

(3)電源極性 在相同焊接電流條件下，直流反接時，熔滴較細，過渡頻率較高；直流正接時，情況相反。這與電弧中電子發射機理及熔滴所受斑點壓力有關。其余參數，如焊絲伸出長度、保護氣流量、焊接速度等對熔滴過渡形態無明顯影響。

六、結語

(1)該焊絲熔滴過渡的基本形態是非軸向滴狀過渡。熔滴過渡形態的變化，主要依賴于焊接電流變化。以滴狀為主的過渡中，在電弧電壓較低瞬時，亦會發生短路過渡行為。

(2)這類焊絲熔滴過渡形態對工藝性的影響，取決于焊接規范參數的變化，主要是焊接電流。通過影響熔滴過渡指數，進而使工藝性指標發生變化。在本文試驗條件下，焊接電流為240～260A時，焊絲工藝性優良。當焊接電流為280～300A時，焊絲工藝性變差。當焊接電流為160～200A時，焊絲的立向上焊接工藝性優良。的政府特殊津貼。(3)依據該焊絲熔滴形成過程特點，建立了藥芯焊絲熔滴過渡受力模型。焊接電流較小時，重力對促進熔滴過渡起重要作用，而表面張力阻礙熔滴過渡；焊接電流較大時，電磁力、等離子流力以及表面張力均有利熔滴過渡；斑點壓力與電源極性有關，保護氣體吹力則對熔滴過渡可能產生負面影響。

(4)通過調整藥芯組成物，選擇焊絲截面形狀，改變焊絲直徑和鋼帶厚度，優化焊接工藝參數等，改變作用于熔滴上相關力的大小或方向，zui終實現對熔滴過渡的控。

鈦型渣系氣保護藥芯焊絲熔滴過渡及其控制

作者簡介：

孫成，教授，長期從事焊接材料及金屬焊接性方面的研究和教學工作，對焊接材料軟件開發具有豐富經驗；獲國家科技進步二等獎1項(2000年)。省(部)級科技進步一等獎2項，二等獎5項，發表學術論文70多篇；1 992年獲國務院頒發的政府特殊津貼。

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