鈦型氣體保護藥芯焊絲熔滴細化機理及其控制

孫咸

(太原理工大學焊接材料研究所，山西太原030024)

0 前言

鈦型渣系E501T-1型藥芯焊絲，是造船、鋼結構等工業部門使用藥芯焊絲中用量最大的一種藥芯焊絲，焊絲生產企業不僅對該產品性能的關注度一直很高，而且產品市場競爭異常激烈。經過持續不斷改進，國產該類藥芯焊絲的綜合性能要比以前改善不少，尤其是操作手感方面在工程應用中獲得了一定肯定。較為專業的人士都很明白，好的熔滴過渡形態必然伴隨好的操作工藝性能，對于E501T-1型藥芯焊絲來說，以大電流、強規范(含高的電弧電壓)條件施焊時，該焊絲熔滴的主流過渡形態是非軸向細滴狀過渡，對大多數現場施工人員其操作工藝性滿意［1］。國外同類名牌藥芯焊絲無一不是非軸向細滴狀過渡形態。研究表明，非軸向細滴狀過渡形態形成條件:一是臨界電流熔滴尺寸小，二是大電流、強規范(含高的電弧電壓)。細熔滴既是首要條件也是工藝規范結果。焊絲熔滴如何細化，熔滴細化機理如何，有哪些影響因素，細化后操作工藝性怎么樣，會不會還有新的問題出現，怎樣解決?眾多藥芯焊絲生產企業急需這些理論，使焊絲品質能再上一個臺階。

為此，本文特意將藥芯添加物種類和焊接參數對熔滴尺寸的影響，與焊絲熔滴細化相聯系，探討熔滴細化機理及其控制方法。該項研究對正確選用工藝參數和藥芯添加物種類，采用合理、有效的熔滴細化控制方法，促進企業轉型發展，不斷提升藥芯焊絲質量水平，具有一定參考意義和實用價值。

1 電弧物理基礎

1.1 電弧形態

文獻［2］通過與實心焊絲的對比觀察，把藥芯焊絲的電弧形態分為四種類型:按電弧的連續性分，可以分為連續型和斷續型電弧;按電弧的活動性分，可以分為活動型和非活動型電弧。實心焊絲CO2氣體保護焊時，盡管熔滴的非軸向排斥過渡形態使電弧偏離焊絲軸線，而且隨熔滴在焊絲端急速擺動而飄移不定，但電弧首先是在焊絲端頭的整個截面上產生的，同時熔滴在短路過渡瞬間會出現電弧瞬間熄滅現象，因此實心焊絲的電弧形態屬于活動、斷續型。而“O”型截面藥芯焊絲CO2氣體保護焊時，熔滴雖然也是非軸向排斥過渡形態，而且隨熔滴在焊絲端急速擺動而發生電弧遷移，然而電弧首先是產生在焊絲金屬外套管上，況且熔滴的滴狀過渡并未出現電弧瞬間熄滅現象，因此該類藥芯焊絲的電弧形態應屬于活動、連續型。總體上看，藥芯焊絲CO2氣體保護焊時，由于藥芯中加有穩弧劑，電弧的挺度和穩定性均比實心焊絲的好，焊絲的工藝性理應得到明顯的改善。

1.2 熔滴過渡特性

1.2.1 熔滴形成過程

圖1是藥芯焊絲熔滴過渡受力模型。觀察對接口“O”形截面藥芯焊絲熔滴形成過程，可以發現，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。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。

圖1 熔滴過渡的各種力

1.2.2 熔滴過渡形態

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”，亦有文獻［3，4］稱為“噴射過渡”。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。在生產現場平焊位置焊接時，通常采用較大焊接電流，電弧電壓相應提高，這類焊絲發生短路過渡的機會較小。

2 熔滴細化機理

2.1 熔滴過渡條件

從圖1可以看出，在GMAW中采用CO2時，電弧中熔滴上有多種力在起作用，按照是否促進熔滴過渡來分類，主要分為兩種力，即促進熔滴從焊絲端分離的力:熔滴重力Fg、電磁力Fem、等離子流力Fd等;阻礙熔滴過渡的力:熔滴的表面張力Fσ、熔滴上的斑點壓力Fb，以及熔滴下方的氣體(含金屬蒸氣)排斥力Fq等。按照力學中靜平衡原理，沿焊絲軸線方向的力達到平衡時的條件:

當F分離力＞F保持力時，即

熔滴從焊絲端被分離，實現過渡。

鈦型CO2氣體保護藥芯焊絲熔滴過渡最突出特點是熔滴過渡的非軸向性。為什么是這樣的呢?這是由于作用在熔滴上的各種力阻礙熔滴過渡所造成的。首先是斑點壓力Fb的作用。CO2氣體高溫吸熱對電弧的冷卻作用，使電弧電場強度提高，電弧收縮，弧根面積減小，增大了熔滴上的斑點壓力Fb，阻礙熔滴過渡。第二是表面張力Fσ的作用。通常表面張力Fσ是力圖把已熔化的金屬拉回焊絲末端，阻礙熔滴過渡的力。第三是蒸發氣體反作用力的作用(屬于斑點壓力范疇)。在熔滴電弧斑點處，電流密度很高，金屬物質強烈蒸發對熔滴表面產生很大的反作用力，一定程度上阻礙熔滴過渡。最后是保護氣體排斥力Fq作用。堆積在熔池上部的CO2氣體被電弧加熱，體積膨脹對熔滴產生排斥作用，阻礙熔滴過渡。總而言之，是這幾種力綜合作用的結果。對于某一牌號的藥芯焊絲，隨著焊接參數的變化，各種力的大小和方向隨時發生變化，致使作用于熔滴上F分離力和F保持力的對比發生變化，熔滴不僅發生過渡，而且過渡指數不斷改變，熔滴過渡形態亦發生變化。

2.2 各作用力對熔滴過渡的貢獻

作用在熔滴上的力大小不一，方向可變，對熔滴最終過渡所做貢獻各異。如表1所示，有一些力并非主導力，但其中5種力應當是主導力，即重力Fg、電磁力Fem、等離子流力Fd、表面張力Fσ、斑點壓力Fb。研究表明，焊接電流較小時，熔滴重力Fg和表面張力Fσ是熔滴過渡的主導力，此時熔滴重力Fg促進熔滴過渡，而表面張力Fσ則阻礙熔滴過渡;焊接電流較大時，電磁力Fem、等離子流力Fd以及表面張力Fσ是熔滴過渡的主導力，它們均有利熔滴過渡;斑點壓力Fb與電源極性、藥芯組成元素等有關，氣體排斥力Fq則對熔滴過渡產生負面影響。既然熔滴過渡是上述各種力綜合作用的結果，那么，熔滴過渡的控制，實質上就是要控制作用在熔滴上的各種力。而這些力的變化及影響因素又比較復雜。

鑒于熔滴細化是熔滴質量減小過程，應當通過增大主導力Fem和Fd，同時減小主導力Fb和Fσ，實現F分離力大于F保持力的條件，最終使熔滴被細化。

表1 熔滴作用力對熔滴過渡的貢獻(水平位焊接)

3 焊接參數對熔滴細化的影響

焊接參數對熔滴尺寸的影響試驗(表2)，是在表3所列基本參數基礎上，單調變化某一參數的實測結果。可以看出，在所試驗的6個參數變化中，僅有焊接電流、電弧電壓和電源極性3個參數對熔滴細化有作用。從焊接電流來看，隨焊接電流增大，電弧的溫度升高，使作用在熔滴上的表面張力Fσ減小;另一方面，隨焊接電流的增大，作用在熔滴上的電磁力Fem的分離作用也在增大。作用力一小一大的變化，有利于公式(2)進行，熔滴被細化。從電弧電壓看，電弧電壓過低，如20 V以下時，電弧劇烈飄移，焊絲成段脫落，不成熔滴，這種參數對生產毫無意義。電壓升至25 V時，電弧仍有飄移，熔滴粗大，飛濺嚴重。在如此短的電弧長度下焊接，熔滴過渡形態將會變為短路過渡。該情況與文獻［6］所示的規律(圖2)完全一致。隨電弧升至30 V時，熔滴呈滴狀過渡形態，電弧飄移明顯減弱，熔滴變小，過渡頻率增大，飛濺減小，脫渣、成形滿意。電弧電壓升高時熔滴被細化的原因，需要考慮當時采用了280 A焊接電流(表3)，電弧溫度的升高，電磁力的作用，致使熔滴的表面張力Fσ減小。最后是電源極性的影響。與直流正接相比，直流反接時，陽極斑點面積略增大，斑點壓力Fb減小，過渡阻力減小，熔滴也減小。

表3 基本焊接參數

圖2 焊接電流、電弧電壓與熔滴過渡形態間的關系［6］

如前所述，焊接電流對熔滴細化的影響，是增大電流熔滴細化，然而焊接電流不能無限增大，因為太大的電流將導致工藝惡化。如表4所示，對于φ1.2 mm的焊絲，平焊位置的最佳電流是240～260 A，此時熔滴細小、飛濺較小、電弧穩定、高溫渣覆蓋均勻、成形美觀，綜合工藝性十分滿意;更大的焊接電流280～300 A時，雖然熔滴更細，但飛濺增大、電弧不穩、熔渣覆蓋不全、成形變差、表面氧化嚴重，綜合工藝性不能令人滿意。

表4 焊接電流對熔滴過渡及工藝性影響測試結果［7］

4 藥芯組成物對熔滴細化的影響

表5列出了8種藥芯組成物的試驗結果。可以看出，具有細化熔滴效果的組成物有5種，其余均沒有細化效果。隨藥芯中金紅石加入量的增加，熔滴未被細化的原因，是由于金紅石中含有大量TiO2，雖然TiO2的鍵能小，表面張力也小，在渣中會使其表面張力下降;但是TiO2的結構十分穩定，在焊接條件下不使熔滴增氧，不能降低熔滴界面張力，致使它對熔滴的細化作用很微弱。石英隨其加入量的增加，熔滴被細化的原因，是石英中的SiO2使熔滴的表面張力減小所致。長石加入量的增加，熔滴被細化，其機理是:長石中的SiO2，以及K2O和Na2O使熔滴的表面張力減小，且可能使弧根面積微增所致。鋯英石加入量增加，熔滴被細化是因為鋯英石中的SiO2使熔滴的表面張力減小。鎂砂對熔滴的微細化作用主要考慮其對電弧穩定性改善，弧根面積微增所致。隨氟化物加入量增加，由于含有反電離元素，穩弧性惡化，弧根面積減小，斑點壓力增大，熔滴過渡阻力增大，熔滴明顯變粗。鋁鎂合金對熔滴的細化作用與弧根面積擴大，電弧溫度升高，熔滴表面張力減小有關。鐵粉多數進入熔池，在熔滴過渡區的冶金反應對熔滴上的作用力無明顯作用，熔滴尺寸變化不大。綜上，有5種熔滴細化添加物可供選用，然而焊絲的工藝質量不盡相同。也就是說，熔滴被細化焊絲的綜合工藝質量未必一定完好，因為礦物中其他成分的冶金作用可能造成一定的負面影響，甚至是嚴重的負面影響。可是，綜合工藝質量比較好的焊絲，其熔滴一定比較細小。很顯然，熔滴細化是改善焊絲工藝質量的必備條件和重要條件，但還不是充分條件。綜合分析比較而言，有實用價值的首推長石。

表5 藥芯組成物對熔滴尺寸的影響［5］

5 熔滴細化的控制方法

對于直徑φ1.2 mm的“O”形截面藥芯焊絲，選擇滴狀過渡而不是短路過渡前提條件下，亦在選定的焊接參數條件下，該類藥芯焊絲熔滴細化的控制原則首先是:

即接下來考慮焊接參數或配方因素的選控，如圖3所示。

(1)降低熔滴表面張力Fσ。采用強規范大電流，提高弧柱溫度;另一方面，在藥芯中加入細化熔滴的組成物，使熔滴表面張力明顯減小。

(2)降低熔滴斑點壓力Fb。采用直流反接法是必須的，因為陽極斑點面積略增大，斑點壓力Fb減小，過渡阻力減小，熔滴也減小。在藥芯中加入含K、Na低電離組成物能改善穩弧性，增大弧根面積，減小熔滴上的斑點壓力。還有，嚴格控制藥芯中氟化物含量(或把氟化物含量控制在最低)，使熔滴上的斑點壓力不至于太大，能控制熔滴過渡阻力。

(3)降低熔滴重力Fg。它不是細化熔滴的既定措施，而是熔滴細化的結果，亦是焊絲工藝性設計的目標所在。

(4)提高電磁力Fem(和等離子流力Fd)。電磁力的方向取決于電流傳輸狀態。發散的電流傳輸會產生一個分離力(焊絲與熔滴連接處)，而匯聚的電流則會產生一個阻礙力(熔滴底部托力)。電磁力與焊接電流呈正比，采用大電流時，電磁力總的趨勢是促進熔滴過渡的主導力。

綜上所述，該焊絲熔滴細化控制方法思路新穎，因素匹配合理。在給定焊絲情況下，大多數施工現場，可以采用大電流、強規范，充分發揮電弧熱及電磁力的有利作用，如在平焊位置用I=260～280 A(U=28～30V)，甚至I=3 00A(U=32 V)。此時，焊絲熔滴過渡形態為非軸向排斥細滴狀過渡，不可能有短路過渡，焊絲工藝性較好，為操作者所認可。在某些專用焊絲或研制新焊絲時，可以在焊芯中添加低電離物質或限制氟化物含量，用以控制熔滴上的斑點壓力。當然，更應著力選用綜合效果好的細化熔滴組成物。這兩種方法已被業內企業采用。日本DW-100焊絲的熔滴較細、均勻，但不是太細，然而熔敷金屬的綜合性能非常穩定、滿意，在控制熔滴細化等方面頗具特色，值得借鑒。

圖3 熔滴細化控制方法

6 結論

(1)鈦型渣系CO2氣體保護藥芯焊絲的電弧形態應屬于活動、連續型，焊絲熔滴過渡的基本形態是非軸向排斥滴狀過渡。

(2)鑒于熔滴細化是熔滴質量減小過程，應當通過增大主導力Fem和Fd，同時減小主導力Fb和Fσ，實現F分離力大于F保持力條件，最終使熔滴細化。

(3)焊接參數對熔滴細化的影響主要是電流和電弧電壓的影響，在給定電壓時，較大電流通過電磁力的有利作用，是熔滴細化、工藝滿意的主要和重要因素。

(4)綜合分析5種添加物對熔滴細化的試驗效果，比較而言，有實用價值的首推長石。

(5)以綜合工藝性滿意為目標的熔滴細化控制方法，思路新穎，因素匹配合理，已被業內企業采用，國外名牌產品熔滴細化頗具特色，值得借鑒。

［1］孫咸.鈦型氣體保護藥芯焊絲焊接參數的選擇與應用［J］.機械制造文摘-焊接分冊，2013(2):1-6.

［2］孫咸.氣體保護藥芯焊絲熔滴過渡形態的研究［J］.MM現代制造(現代焊接工程)，2010(2):57-61.

［3］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.中華人民共和國國家標準碳鋼藥芯焊絲GB/T10045—2001［S］.北京:中國標準出版社，2002.

［4］J Norrish，I F Richardson.Metal transfer mechanisms［J］.Welding＆Metal Fabrication，1988(1/2):17-22.

［5］孫咸.鈦型氣體保護藥芯焊絲熔滴過渡與氣孔(壓坑)的關系［J］.焊接，2007(12):9-12，32.

［6］田志凌，潘川，梁東圖.藥芯焊絲［M］.北京:冶金工業出版社，1999:82，100.

［7］孫咸，王紅鴻，張漢謙，等.藥芯焊絲熔滴過渡特性及其影響因素研究［J］.石油工程建設，2007，33(1):49-53.