自保護藥芯焊絲弧橋并存過渡試驗分析

王志明，劉海云，王 勇，張英喬

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

自保護藥芯焊絲弧橋并存過渡試驗分析

王志明1，劉海云1，王 勇1，張英喬2

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

采用高速攝影、漢諾威弧焊質量分析儀和體式顯微鏡對自保護藥芯焊絲弧橋并存過渡特征和過渡機理進行了試驗研究，結果表明：弧橋并存過渡是一種液橋持續存在的同時電弧不熄滅的熔滴過渡模式，是自保護藥芯焊絲主要熔滴過渡模式之一；電弧電壓和焊接電流波形沒有短路過渡特征，表現為一定范圍內小幅波動，與弧橋并存過渡特征相對應；電壓概率密度分布曲線和電流概率密度曲線都沒有短路過渡的特征；弧橋并存過渡的液橋是由熔融渣包裹液態金屬混合形成的；自保護藥芯焊絲弧橋并存過渡主要是在表面張力和電磁收縮力的共同作用下完成。

自保護藥芯焊絲；弧橋并存過渡；電弧參數；熔滴過渡

0 前言

熔滴過渡是重要的電弧物理現象，它對焊條或者焊絲的工藝性產生直接影響?？梢哉f，熔滴過渡的穩定性決定了焊接過程的穩定性，而焊接過程的穩定性對焊接質量的穩定性產生直接影響。研究者對自保護藥芯焊絲熔滴過渡和電弧特性做了許多試驗研究工作。潘川等人認為自保護藥芯焊絲的熔滴過渡形式與焊接工藝密切相關，隨著電壓的升高依次呈現短路附渣過渡、非短路附渣過渡、顆粒過渡，但是非短路附渣過渡是自保護藥芯焊絲的主要過渡形式。栗卓新等人[1]從藥芯組成和焊接工藝兩方面對自保護藥芯焊絲熔滴過渡的影響進行了研究，發現增加藥芯中的w(C)、w(O)，添加表面活性劑可增加顆粒過渡、射滴過渡的比例。文獻[2]認為，自保護藥芯焊絲熔滴過渡形式可分為弧橋并存過渡、排斥過渡和細顆粒過渡，弧橋并存過渡是主要的過渡模式。弧橋并存過渡形態的特點是液橋持續存在的同時電弧不熄滅，可分為弧橋并存爆炸過渡和弧橋并存表面張力過渡。弧橋并存過渡由于液橋的分流作用，在一定程度上減小了熔滴過渡過程中發生電爆炸的幾率，有利于工藝性的改善。然而，對于弧橋并存過渡的過程、液橋的結構和組成以及熔滴的受力情況等在文獻[2]中沒有說明。本研究在自保護藥芯焊絲弧橋并存過渡特征試驗研究的基礎上，從弧橋并存過渡液橋結構和受力分析方面入手，試驗探討了弧橋并存過渡的受力情況和過程機理，對自保護藥芯焊絲的研發和焊接質量改進提供實際的參考意義。

1 試驗及方法

1.1 試驗材料

試驗所用焊絲是Hobart公司的Fabshield 81N1焊絲，藥芯為高氟化物型渣系，直徑φ 2.0 mm，截面形狀為O型。為便于高速攝影拍攝，試驗母材采用Q235鋼管，直徑φ 80 mm，壁厚10 mm。

1.2 試驗方法

采用中國科學院西安光機所研制的LBS-16型高速攝影機對兩種焊絲的熔滴過渡進行拍照，拍攝速度2000f／s。采用漢諾威弧焊質量分析儀測試兩種焊絲的電弧參數，測試時間10 s。

在正常焊接時突然移開電弧，保留焊絲端頭的熔化狀態，將端頭剪下制成試樣，沿縱向中心剖面，磨制試樣，采用體式顯微鏡放大7倍，對焊絲熔化端頭進行觀察拍照。

試驗采用小電流(25V／210A)和大電流(25V／280A)兩個焊接規范，采用時代公司生產的NB-500型直流弧焊機，直流正接極性，送絲速度分別為4.1m／min、2.8 m／min，焊接速度分別為31 cm／min、21 cm／min。

2 試驗結果及分析

2.1 弧橋并存過渡特征

高速攝影試驗結果表明，自保護藥芯焊絲在小參數25 V／210 A和大參數25 V／280 A、直流正接的焊接工藝條件下，弧橋并存過渡是其主要的過渡模式之一，特點是液相橋或者渣橋存在的同時電弧不熄滅，如圖1和圖2所示，也就是說，這是一種液橋與電弧同時存在的熔滴過渡形態。

觀察弧橋并存過渡過程發現，弧橋并存過渡表現為液橋的爆炸過渡和液橋的表面張力過渡。弧橋并存爆炸過渡是液相橋在持續到一定程度后發生爆炸斷裂，實現熔滴部分過渡，如圖1a和圖2b所示，這種爆炸在液橋較細時不太劇烈，類似于繃斷；而當液橋較粗時，爆炸比較劇烈，會產生一定的飛濺，如圖2b所示。弧橋并存表面張力過渡是液相橋和熔池持續接觸，熔化金屬或熔融渣在表面張力作用下過渡到熔池，隨后液橋在電磁收縮力和表面張力的作用下產生頸縮后斷開，形成所謂的表面張力過渡，如圖1b和2a所示。

圖1 自保護藥芯焊絲弧橋并存過渡(25 V／210 A)

圖2 自保護藥芯焊絲弧橋并存過渡(25 V／280 A)

2.2 弧橋并存過渡電弧參數特征

采用漢諾威弧焊質量分析儀測定的自保護藥芯焊絲電弧電壓和焊接電流波形如圖3所示。

由圖3可知，自保護藥芯焊絲熔滴過渡的電壓波形有類似短路過渡的波動特征，但是波動比較小，沒有陡降到10 V(短路電壓閾值)以下；電流波形也表現為相應的規律。焊接電壓和電流波形曲線的特征，不同于短路過渡，表現為短路橋部分導電和電弧同時存在的特征。

兩種焊接規范下自保護藥芯焊絲電弧電壓概率密度分布如圖4所示。由圖4可知，曲線都不具有短路過渡的“雙駝峰”形狀，理論上“小駝峰”區域的大小反映的是短路過程占整個測試過程的比重，而且“小駝峰”的短路電壓應在5 V以下。本試驗中沒有“小駝峰”的特征，不是短路過渡的電弧電壓特征，說明焊絲沒有短路過渡現象。

圖5為兩種焊接規范下自保護藥芯焊絲的焊接電流概率密度分布圖。它反映在測試時間內，統計的焊接電流隨機出現的概率密度分布。圖5中只有一個明顯的駝峰，反映電弧穩定燃燒時電流的概率密度分布。駝峰的右邊反映熔滴過渡引起的焊接電流增大的電流概率，曲線越靠近右邊且電流越大，熔滴短路過渡的比例就越多。焊絲的電流大部分集中在210 A和280 A，小參數下大電流的數值不高，所占比例也不多，說明短路過渡幾乎不存在。焊接電流在一定的范圍內波動，符合弧橋并存過渡的電流波動的分布特征。

圖3 自保護藥芯焊絲電壓電流波形

圖4 自保護藥芯焊絲電弧電壓概率密度分布

2.3 弧橋并存過渡熔滴的結構特征

將焊絲熔化端頭縱向鑲嵌，拋磨后采用體式顯微鏡對其拍照，典型的熔化端頭特征如圖6所示。

由圖6可知，金屬熔滴被熔渣不完全包裹，金屬熔滴的內側有暴露的部分，電弧便在此處燃燒，致使鋼皮的另一側熔化變短，由于熔渣弱的導電性，致使整個熔滴與熔池接觸后形成不完全短路甚至不短路，因此，在“橋接”后電弧不熄滅，形成了既有液橋又有電弧存在的弧橋并存過渡形態。液橋具有一定的導通性，有部分電流流過液橋，隨著焊絲熔化，液橋的導通性也在不斷變化。

3 弧橋并存過渡機理

3.1 弧橋并存過渡“液橋”的形成

在渣與金屬的界面張力、金屬的表面張力、渣的表面張力和電弧的共同作用下形成了如圖7所示的熔融渣包裹著熔化金屬的狀態。

金屬熔滴的表面張力Fm要比液態熔渣的表面張力Fs大。加之本試驗所選焊絲為高氟渣系，藥芯含有大量的螢石CaF2，其分解出的F-和Ca2+均為表面活性元素[3]，可大大降低液態熔渣的表面張力Fs和渣與金屬的界面張力Fsm，導致液態金屬的表面張力Fm遠大于液態熔渣的表面張力Fs和渣與金屬的界面張力Fsm之和，使液態熔渣能夠很好地潤濕液態金屬，形成了如圖6所示的現象。

圖5 自保護藥芯焊絲的電流概率密度分布

圖6 焊絲熔化端頭剖面

3.2 弧橋并存過渡的受力

對于金屬熔滴受力的研究已有很多。王寶[4]提出了氣體吹力和表面張力是焊條熔滴過渡的兩個主導力。Chen等人[7]研究了焊條的顆粒狀熔滴過渡，并指出導致熔滴過渡的力是表面張力，認為由其他原因產生的力(如重力和電磁力)影響較小。

圖7 熔融渣與熔化金屬的潤濕現象

經過仔細分析，本研究認為，自保護藥芯焊絲熔滴長大后與熔池接觸產生“橋接”現象，電弧不熄滅，形成弧橋并存過渡，過渡的主要作用力為表面張力和電磁力，分別表示為F1和F2。

熔滴受到的表面張力F1是保持熔滴于焊絲端頭的主要作用力。所謂熔滴表面張力是金屬熔滴和熔融渣的界面張力與熔渣表面張力之和[6]。本研究中表面張力分兩部分：一是與焊絲端頭接觸的阻礙熔滴過渡的表面張力及界面張力；二是與熔池接觸的促進熔滴過渡的界面張力。

電磁力F2是由流過液態熔滴和電弧的電流引起的[7-8]，取決于流過熔滴的電流的分散或聚集情況。當電流分散時，洛倫茲力產生使熔滴脫離電極端頭的力；當電流聚集時，洛倫茲力產生使阻礙熔滴脫離電極端頭的力。本研究的電磁力主要是指流經液橋電流產生的對液橋有壓縮撕裂作用的電磁收縮力。

3.3 弧橋并存過渡機理分析

對自保護藥芯焊絲弧橋并存過渡時液橋的受力進行分析，如圖8所示。

液橋具有部分導通性。隨著焊絲的熔化，電弧位置下移致使電弧變短，液橋的導通性增強，流經液橋的電流增大，液橋在電磁收縮力F2的作用下頸縮并分成上下兩個部分，如圖8所示，上半部分液橋金屬受軸向電磁收縮力F22的作用向上收縮，下半部分液橋金屬受軸向電磁收縮力F22的作用向熔池過渡；徑向電磁收縮力F21水平壓縮液橋使其縮頸。而此時液橋受到的表面張力包括四個部分：在液橋與熔池接觸處，存在阻礙液橋鋪展的表面張力F13和促進液橋鋪展過渡的界面張力F14；在頸縮處上部存在促使液橋金屬向焊絲端頭收縮的表面張力F11，而下部存在促使下部液橋金屬向熔池過渡的表面張力F12。

在電磁收縮力F2和表面張力F1的作用下，液橋縮頸處越來越細，此處的電流密度也急劇變大，產生電爆炸；有時液橋會發生瞬間的接觸導通，電流密度急劇增大，液橋產生爆炸；兩種情況都實現弧橋并存爆炸過渡。隨著液橋頸縮程度的增大，液橋內部的液態金屬在上述表面張力和界面張力的作用下提前與焊絲端頭斷開而過渡到熔池，隨后液橋在表面張力的作用下斷開，實現弧橋并存表面張力過渡。

圖8 液橋受力分析

4 結論

(1)弧橋并存過渡是一種液橋持續存在的同時電弧不熄滅的熔滴過渡模式，是自保護藥芯焊絲的主要過渡模式之一。

(2)自保護藥芯焊絲的電弧電壓和焊接電流波形沒有短路過渡特征，表現為一定范圍內的小幅波動，與弧橋并存過渡特征相對應。電壓概率密度分布曲線和電流概率密度分布曲線都不支持短路過渡的特征。

(3)弧橋并存過渡的液橋是熔融渣與液態金屬的混合橋，其分布特征為熔融渣包裹在液態金屬外面。橋的這種結構特征是在金屬表面張力、熔渣的表面張力、渣與金屬的界面張力共同作用下形成的。

(4)自保護藥芯焊絲弧橋并存過渡是由橋的特殊結構導致電流部分導通，并在液橋表面張力和電磁收縮力的共同作用下完成的。

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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，甘肅白銀人，在讀碩士，主要從事焊接材料及電弧物理的研究。