自保護(hù)藥芯焊絲電弧穩(wěn)定性研究

朱珍彪 郭純 孔紅雨

焊接電弧穩(wěn)定性是自保護(hù)藥芯焊絲焊接工藝性的重要指標(biāo)之一，新型焊接材料的研究與開發(fā)乃至現(xiàn)有焊接的改進(jìn)均離不開電弧穩(wěn)定性的研究，焊接材料的電弧穩(wěn)定性也反映了熔滴過渡的穩(wěn)定性，同時(shí)也是新型焊接材料被推廣使用的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

本文依據(jù)強(qiáng)堿性渣系的設(shè)計(jì)理念，以BaF2-Fe2O3-Al-Mg渣系自保護(hù)藥芯焊絲為研究對(duì)象，研究了藥芯組分間對(duì)氣孔敏感性的影響，并對(duì)熔敷金屬組織及其夾雜物進(jìn)行分析討論。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的研究，分析加入各組分含量對(duì)氣孔敏感性的影響規(guī)律，使自保護(hù)藥芯焊絲的質(zhì)量得到進(jìn)一步的改善。

1. 試驗(yàn)過程

（1）試驗(yàn)用原材料 自制焊絲用鋼帶規(guī)格為0.6 mm×12 mm，焊絲直徑為2mm，藥芯填充率為22.5%±0.3%。為保證焊絲的表面質(zhì)量，軋制前要求鋼帶無明顯劃傷，無銹跡，無嚴(yán)重折彎、扭曲。粉芯原材料：BaF2、Fe2O3、Al-Mg合金、CeO2、LiF、Li2CO3、石英等。

（2）試驗(yàn)設(shè)備及方法 焊接設(shè)備選擇LincolnDC—400焊接電源，匹配LN—23P送絲機(jī)。焊接參數(shù)如表1所示。

（3）電弧穩(wěn)定性試驗(yàn) 采用德國(guó)漢諾威大學(xué)發(fā)明的HA—ⅩⅧ—4E型漢諾威弧焊分析儀，對(duì)焊接過程中電弧電壓和焊接電流信號(hào)進(jìn)行重復(fù)多次采集。

表1 焊接參數(shù)

2. 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

（1）氟化物對(duì)電弧穩(wěn)定性的影響 利用漢諾威弧焊質(zhì)量分析儀采取的電弧電壓、焊接電流波形如圖1所示。

由圖1可知，當(dāng)BaF2含量為50%時(shí)，電壓波形比較整齊，焊接電流波動(dòng)范圍相對(duì)較小，電壓跳動(dòng)現(xiàn)象也比較有規(guī)則，這說明此時(shí)熔滴過渡形態(tài)主要以軸向過渡以及小角度排斥過渡形式為主，熔滴過渡過程較穩(wěn)定；當(dāng)BaF2含量增加至55%時(shí)，熔滴過渡時(shí)高電壓引弧電壓和低電壓過渡區(qū)在波形圖上增加明顯，分布增多，焊接過程電弧穩(wěn)定性有所降低；當(dāng)BaF2的含量為60%時(shí)，電弧電壓變化范圍較大，不穩(wěn)定，由焊接低電壓區(qū)向高電壓跳動(dòng)的現(xiàn)象明顯增多，所對(duì)應(yīng)的焊接電流波形較亂，這說明此時(shí)熔滴過渡尺寸較大，過渡方式不穩(wěn)定，沒有規(guī)律。

從圖1還可看出，LiF、Na2AlF6的加入對(duì)電弧穩(wěn)定性有改善作用。在自保護(hù)藥芯焊絲中加入少量的LiF，能夠減小電弧電壓和焊接電流的波動(dòng)范圍，但是當(dāng)LiF的含量進(jìn)一步提高時(shí)，電弧穩(wěn)定性又會(huì)有所惡化（見圖1e）；Na2AlF6的加入會(huì)進(jìn)一步改善電弧穩(wěn)定性（見圖1F）。

（2）氧化性組分對(duì)電弧穩(wěn)定性的影響 本渣系采用的氧化性組分為Fe2O3和Li2CO3。不同組分含量時(shí)電弧電壓以及焊接電流隨時(shí)間變化的波形如圖2所示。

當(dāng)Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)（見圖2a），電壓波形比較整齊，焊接電流波動(dòng)范圍較小，沒有出現(xiàn)明顯的電壓跳動(dòng)現(xiàn)象，當(dāng)Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)（見圖2b），電弧電壓的波動(dòng)值不斷增大，電弧穩(wěn)定性開始下降。

在電弧溫度下，F(xiàn)e2O3極易分解產(chǎn)生大量的氣體，急劇膨脹，當(dāng)其表面張力遠(yuǎn)小于外圍熔滴，受到內(nèi)部的氣體壓力時(shí)，熔滴就發(fā)生了爆炸；此外，隨著藥芯中Fe2O3含量的增加，藥芯熔化的熔點(diǎn)升高，在焊接過程中可能會(huì)產(chǎn)生“滯熔性”渣，使冶金反應(yīng)不充分，造成大顆粒飛濺，使電弧不穩(wěn)。

組分中Li2CO3的加入使電弧穩(wěn)定性有所改善（見圖2c、2d）。適量的Li2CO3還可以增加電弧氣氛的氧化性，增加電弧挺度，同時(shí)Li的電離電位較低，故Li2CO3含量較低時(shí)具有穩(wěn)弧作用；但產(chǎn)生的CO2氣體對(duì)熔池也有強(qiáng)烈的攪拌作用，故在含量較高時(shí)電弧穩(wěn)定性下降。合適的Li2CO3含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）應(yīng)＜8%。

（3）脫氧固氮元素對(duì)氣孔敏感性的影響 利用漢諾威弧焊質(zhì)量分析儀采取的不同Al－Mg合金含量的電弧電壓、焊接電流波形如圖3所示。

從圖3可以看出，隨著Al－Mg含量的增加，電弧電壓的波動(dòng)范圍不斷增大。8%Al－Mg合金焊絲的電弧電壓的波動(dòng)程度較小，焊接過程也較為平穩(wěn)；14%Al－Mg合金焊絲的電弧電壓的波動(dòng)范圍有所增大，焊接過程電弧穩(wěn)定性開始下降，但其下降程度并不嚴(yán)重，焊接電流、電弧電壓波形顯得較為有規(guī)律；進(jìn)一步增大Al－Mg合金含量，16%的Al－Mg合金，焊接過程電弧電壓波動(dòng)程度較為明顯，焊接電流波形顯得比較散亂，焊接過程中能夠觀察到電弧嚴(yán)重跳動(dòng)現(xiàn)象，電弧穩(wěn)定性惡化；當(dāng)使用Al粉取代部分Al－Mg合金時(shí)，即2%Al+16%Al－Mg合金，電弧穩(wěn)定性有所提高。

圖 1

圖 2

3. 自保護(hù)藥芯焊絲電弧穩(wěn)定性能對(duì)比

試驗(yàn)采用三種自保護(hù)藥芯焊絲，分別是進(jìn)口焊絲HS－1、自制焊絲HS－2以及國(guó)產(chǎn)焊絲HS－3。對(duì)漢諾威弧焊分析儀采取的電壓電流波形圖及概率密度分布圖，進(jìn)行定性或定量分析自保護(hù)藥芯焊絲的電弧穩(wěn)定性。

（1）電弧電壓和焊接電流波形圖分析 結(jié)合圖4中三幅波形圖的整體來看，HS－3焊絲的電壓電流波形有較大幅度的跳動(dòng)，電弧穩(wěn)定性較差，HS－1藥芯焊絲的電壓電流波形平穩(wěn)，HS－2焊絲的電弧穩(wěn)定性居中。

（2）電壓電流概率密度分布圖分析 HS－1、HS－2和HS－3的電弧電壓概率密度分布疊加如圖5a所示。該圖描述了在某統(tǒng)計(jì)測(cè)試的時(shí)間內(nèi)，電弧電壓隨機(jī)出現(xiàn)的概率密度分布。從圖中可以看出，曲線1、2、3三個(gè)區(qū)域組成了電弧電壓概率密度分布圖，分別為：低電壓區(qū)1；概率密度較低的高壓分布區(qū)3（為跳弧、再引弧高電壓區(qū)）；正常燃弧區(qū)2。跳弧、再引弧高電壓區(qū)3主要反應(yīng)了焊接過程中電弧排斥過渡、爆炸過渡完成后，電弧跳弧、再引弧現(xiàn)象等相關(guān)信息。爆炸過渡、電弧排斥過渡越多，熔滴過渡后出現(xiàn)的跳弧現(xiàn)象就越多，出現(xiàn)高電壓的比例也就越多，此時(shí)該信息就會(huì)越顯著，焊接過程電弧越不穩(wěn)定。3區(qū)大電壓概率越小，曲線越集中，焊接過程就比較穩(wěn)定。

圖5a結(jié)果表明：HS－2焊絲和HS－3焊絲3區(qū)的電壓概率密度較小，說明其電壓波動(dòng)相對(duì)較小，而HS－1焊絲3區(qū)的電壓概率密度較高，電弧電壓的大電壓概率很大，說明其電壓波動(dòng)較大，說明HS－1焊絲出現(xiàn)再引弧、跳弧現(xiàn)象較多，電弧穩(wěn)定性較差，產(chǎn)生的飛濺較多。

三種典型自保護(hù)藥芯焊絲焊接電弧電壓焊接電流的變異系數(shù)δU和δI、標(biāo)準(zhǔn)偏差ΔU和ΔI如表2和表3所示。表2和表3結(jié)果表明，電流標(biāo)準(zhǔn)偏差、焊接電弧電壓和變異系數(shù)有著相同的趨勢(shì)，即ΔU越小，ΔI也越小，并且δU和δI也越小，電弧穩(wěn)定性越好。同時(shí)，由表2可知，HS－1 焊絲電弧電壓變化范圍和變化率都較大，電弧穩(wěn)定性較差。

圖 3

圖 5

圖5 b為焊接過程中電流概率密度分布圖。圖5b結(jié)果表示，HS－3焊絲的焊接電流主要集中在100～360A之間，分布范圍最窄，即焊接電流較集中，焊接過程電流波動(dòng)較小，電弧穩(wěn)定性最好。而HS－1焊絲的電流分布范圍較大，達(dá)50～600A，且400～700A之間的比例較大，電弧穩(wěn)定性最差。HS－2焊絲的電流分布在50～450A之間，居于上述兩種焊絲之間。結(jié)合表3可知，HS－1 焊絲焊接電流變化范圍和變化率都較大，電弧穩(wěn)定性較差。

（3）瞬時(shí)電壓電流U－I圖分析 HS－1的瞬時(shí)電壓電流U－I曲線如圖6所示，分析表明，HS－1焊絲電弧燃燒時(shí)，大電壓、大電流的比例較高，且所覆蓋的面積最大，工作點(diǎn)軌跡最分散。不僅低電壓區(qū)燃弧工作點(diǎn)比較分散，且再引弧、跳弧高電壓區(qū)出現(xiàn)的工作點(diǎn)軌跡多，說明在焊接過程中存在較多的高電壓跳弧的現(xiàn)象和低電壓熔滴短路過渡頻率較高，這些因素都導(dǎo)致了焊接過程飛濺較大，電弧穩(wěn)定性差。結(jié)合表2和表3結(jié)果也可以看出，HS－1焊絲的電弧電壓和焊接電流標(biāo)準(zhǔn)偏差、變異系數(shù)最大，也說明電弧燃燒和熔滴過渡穩(wěn)定性最差。

焊絲HS－2的瞬時(shí)電壓電流U－I曲線如圖7所示，分析表明，其電弧燃燒時(shí)的工作點(diǎn)軌跡覆蓋面積較HS－1集中，與HS－3焊絲相比，覆蓋面積偏大，集中度稍差，并且再引弧、跳弧高電壓區(qū)出現(xiàn)，工作點(diǎn)軌跡較HS－3焊絲多， HS－2在焊接過程中出現(xiàn)跳弧現(xiàn)象、抖動(dòng)所占比例較HS－3高，電弧穩(wěn)定稍性較差。結(jié)合表2和表3，其電弧電壓，焊接電流，標(biāo)準(zhǔn)偏差、變異系數(shù)都比HS－3焊絲要大，說明其電弧燃燒穩(wěn)定性比HS－1焊絲差。

焊絲HS－3瞬時(shí)電壓電流U－I曲線如圖8所示，電弧燃燒時(shí)的覆蓋的面積較小，工作點(diǎn)軌跡比較集中，說明跳弧、再引弧高電壓區(qū)出現(xiàn)的工作點(diǎn)軌跡少，其電弧燃燒較為穩(wěn)定，高焊接參數(shù)下反映了同樣地趨勢(shì)。

4. 結(jié)語

本文得出的主要結(jié)論如下：

第一，藥芯組分中氟化物增加，電弧穩(wěn)定性變差。適量的LiF、 Na2AlF6有改善電弧穩(wěn)定性的作用，最佳的BaF2含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為50%～60%。

第二，隨著藥芯組分中氧化性物質(zhì)含量的增加，電弧穩(wěn)定性逐漸惡化，適量的Li2CO3可以改善電弧穩(wěn)定性，最佳的Li2CO3含量為5%。

第三，隨著藥芯組分中鋁鎂合金含量的增加，電弧穩(wěn)定性呈惡化的趨勢(shì)，最佳的Al-Mg含量為8%～14%。

第四，瞬時(shí)電壓-電流圖、電壓電流概率密度函數(shù)可以反映電弧穩(wěn)定性；變異系數(shù)、電弧電壓、焊接電流的標(biāo)準(zhǔn)差有著相同的變化趨勢(shì)，標(biāo)準(zhǔn)偏差ΔU越小，ΔI也越小，并且變異系數(shù)δU和δI也越小，熔滴過渡與電弧穩(wěn)定性好。

表 2

表 3

圖 6

圖 7

圖 8

[1] 薛振奎，國(guó)內(nèi)長(zhǎng)輸管道下向焊用焊接材料的發(fā)展現(xiàn)狀與建議[J]．機(jī)械工人，2006，10)：16－17

[2] Yoshiya Sakai, Yasuhiro Nagai，Kazuo Ikemoto，etal. Flux cored wire electrodes For selF-shielded arc welding [P]. U.S .Patent，4571480，1986.