0前言
熔滴过渡是非常重要的焊接冶金过程｡它不仅决定着焊条､焊丝的工艺性能,而且对焊接化学冶金反应､焊缝成形甚至接头的力学性能也有影响｡手工焊条熔滴过渡的形态主要受两种力的作用[1]｡对实芯焊丝[2]通常把熔滴过渡分为自由过渡､接触过渡及渣保护过渡｡并且从焊接工艺参数､电源外特性方面对熔滴过渡的影响进行了大量的研究[3,4],一致认为MIG焊时,当焊接电流大于某临界电流,出现喷射过渡时,焊丝的工艺性能最好｡对于药芯焊丝,一方面由于药芯组成的介入,和焊条相似,表面张力､气体动力对熔滴过渡有重要影响｡另一方面由于药芯焊丝具有较高的电流密度,和实芯焊丝相似,电磁收缩力､斑点压力和等离子流力对熔滴过渡的影响加强｡从药芯组成和配比､焊接工艺参数以及电源外特性3方面来控制和改善熔滴过渡的形态､特征｡这3个方面归根到底是通过改变熔滴的受热､受力情况来控制熔滴过渡的｡本文将从药芯组成及焊接工艺参数两个方面来研究其对熔滴过渡的影响｡相信这些工作不仅对改进自保护药芯焊丝工艺性能,而且对提高焊丝的力学性能以及改善电源动特性,都具有重要的参考价值｡
1试验方法
在标准的焊接工艺参数下施焊,对表1的焊丝在自制的自保护药芯焊丝熔滴过渡高速摄影装置上进行分析[5],摄影频率为1000幅/s和2000幅/s,并使用SC-10型示波器同步记录焊接电流､电压波形,以准确判断熔滴过渡的形态｡在研究药芯组成､配比对熔滴过渡的影响时,在基础配方上系统地改变长石等药芯组成的比例见表1｡在考察药芯组成的影响时,主要研究一种氟盐和多种氟盐,一种碳酸盐和多种碳酸盐对熔滴过渡的影响｡为此只改变氟盐､碳酸盐的种类,不改变其总量配制拉拔两种焊丝Gs13､Gs14｡在研究药芯组成配比的影响时,共配制拉拔14种焊丝｡在焊接工艺参数对熔滴过渡的影响试验中,采用美国Lincoln公司的NR311,围绕标准工艺参数,改变电流,电压值以观察其对熔滴过渡特性的影响｡焊接工艺参数的变化见表2｡
2 试验结果
经过大量高速摄影资料的观察､判读,药芯组成和配比对熔滴过渡形态及特征参数的影响统计于表3｡电流､电压对熔滴过渡及特征参数的影响统计列表4｡
3分析与讨论
决定焊丝熔滴过渡形态的根本因素是作用在焊丝端头的热､力｡为了能更好地分析药芯组成､配比及焊接工艺参数对熔滴过渡的影响,首先分析自保护药芯焊丝熔滴的受力情况｡
3.1 自保护药芯焊丝熔滴的受力分析
(1)重力由熔滴自身重量引起,由于自保护药芯焊丝的熔滴一般比焊条熔滴大,故重力也较大｡平焊时促进熔滴过渡｡其他位置焊接时,阻碍熔滴过渡｡
(2)表面张力是使熔滴表面积缩小的张力,表面张力使熔滴保留在焊丝末端｡该力可分解为径向和轴向
径向分力:
Fr=σsinΦ
轴向分力:Fa=σcosΦ
径向分力可使熔滴缩颈,有利于熔滴从焊丝末端分离;轴向分力使熔滴停留在焊丝末端,阻碍熔滴过渡｡在熔滴短路时,表面张力的作用与液柱径向曲率半径ρr和轴向曲率半径ρa有关｡由于液面弯曲,将产生垂直于液面指向圆心的附加压力和径向附加压力,促使液柱颈缩､轴向附加压力阻碍液柱收缩,当|ρr|>|ρa|时,表面张力总的作用是促使液桥金属向熔池中过渡｡熔滴表面张力与熔滴成分､熔渣的表面张力以及渣—金属间的界面张力有关｡
(3)斑点压力:电弧中的正离子和电子在电弧附近电极区的电场作用下被加速,分别撞击阴极斑点和阳极斑点而产生的冲力｡阴极斑点受到的正离子冲力远远大于阳极斑点受到的电子冲力｡因此自保护药芯焊丝多采用直流反接,以利熔滴过渡｡
(4)气体动力:在自保护药芯焊丝中泛指两种力｡一种是由药芯分解出的气体作用在熔滴突出表面上,和顺着熔滴流过的气体摩擦力引起｡通常也称为气体吹力｡当气体吹力不太大时,有利于熔滴过渡;当气体吹力过大时,可使熔滴上翅,阻碍过渡｡另一种气体动力,实质是指CO引起的膨胀力｡CO气体动力适当,促进生成二次熔滴,提高颗粒过渡､射滴过渡的比例｡如果CO气体动力过大,将会引起爆炸,造成飞溅｡
(5)电磁力:电弧中电磁力的方向和电流方向垂直,大小和电流的平方成正比｡电磁力对熔滴过渡行为的影响和熔滴的弧根面积大小,即电流线的分布有关｡自保护药芯焊丝焊接时,弧根面积越大,电磁力越有利于过渡｡
(6)等离子流力:在电磁力磁缩作用下,电弧等离子体将在轴线上产生最大的流体静压力,其大小和弧柱截面积成反比｡即从焊丝末端向熔池表面逐渐减小,因而沿弧柱方向形成等离子流力,该力始终促使熔滴过渡,并和电流大小成正比｡从以上对自保护药芯焊丝熔滴的受力分析,可以得出促进过渡的力:等离子流力,重力(平焊)阻碍过渡的力:斑点压力,表面张力｡有可能促进过渡的力:电磁力､气体动力｡自保护药芯焊丝熔滴受力的示意图见图1｡药芯组成主要影响表面张力和气体动力而焊接工艺参数主要影响电磁力和等离子流力｡从这两个方面研究熔滴过渡的行为,对改善自保护药芯焊丝熔滴过渡形态具有重要意义｡
3.2 药芯组成､配比对熔滴过渡形态的影响
由表3可见,随着长石和表面活性添加剂的增加,外摆短路过渡的比例､爆炸过渡的比例下降,颗粒过渡的比例略有增加｡这是因为长石和表面活性剂的加入,降低了熔滴的表面张力,使熔滴的尺寸减小,降低了外摆短路过渡的比例,同时也使爆炸过渡的比例减小,因为过渡频率加快,气体动力作用的积累时间减小｡随着高碳锰铁､石墨和碳酸盐的增大,颗粒过渡､射滴过渡､爆炸过渡的比例略有增加｡其他形式的过渡没有明显的规律性｡可以这样解释这一现象｡高碳锰铁､石墨的加入,使药芯中碳的质量分数增大,CO气体动力增加｡碳酸盐的增大,药芯中析出气体增多,气体吹力加大｡而且这几种过渡都和二次熔滴的产生关系较大｡图2是二次熔滴产生的模型及对应的高速摄影片｡电弧中因CO生成及渣-金属冶金反应,使熔滴中溶入了一定量的CO气体,可能在熔滴某点形成CO气泡见图2的2,随着气体动力的增大,熔滴开始变形,最终和大熔滴分离,形成二次熔滴,并以一定的速度落入熔池中｡可见适当增大CO气体动力,有利于颗粒过渡､射滴过渡的形成｡由表3还可发现,随着强还原剂和生石灰质量分数的增大,外摆短路过渡的比例增大｡因为生石灰和强还原剂均使熔滴表面张力增大,更容易形成大颗粒熔滴,而强还原剂的增加,使脱氧更彻底,CO气体动力降低,所以外摆短路过渡的比例增加｡而整个自由飞渡的比例相对于CO气体动力较大的Gs5､Gs6､Gs7､Gs8减小｡多种氟化物与一种氟化物从熔滴过渡的形态上看不出有何明显差别,这可能是由于一般多种氟化物加入量较少的缘故;多种碳酸盐与一种碳酸盐对熔滴过渡形态有影响,使用一种碳酸盐时外摆短路过渡的比例比多种碳酸盐时大,这可以从气体吹力容易地得到解释｡
3.3 药芯组成配比对短路时间的影响
由表3可知药芯组成配比对短路非爆炸附渣过渡时间的影响｡随着长石､表面活性剂的增加对短路过渡的时间影响不大,这是因为表面张力相对于电弧力的影响较小之故｡高碳锰铁､石墨､碳酸盐的比例增大使颗粒过渡､射滴过渡的时间减小｡因为CO气体动力增大｡对短路非爆炸附渣过渡时间开始基本没有影响,最后使过渡时间减小｡这是因为碳是强还原剂,使熔滴氧的质量分数降低,表面张力增大,同时碳酸盐分解后的氧化物也使熔滴表面张力增大,对短路过渡,表面张力是促使过渡的力,因而使短路非爆炸过渡时间减小｡强还原剂和生石灰的变化,使短路非爆炸过渡时间减小,使颗粒过渡､射滴过渡的时间略有增长｡这自然是由于表面张力变大的缘故｡
由以上的讨论可知:药芯组成和配比对熔滴过渡的形态和参数都有影响,减小熔滴表面张力,适当增大气体动力,有助于形成更多的颗粒过渡､射滴过渡｡但同时注意不能使气体动力过大,否则会增大短路非爆炸过渡的时间,影响焊丝熔化效率｡更重要的是使焊丝保护效果下降､造成飞溅｡因此要兼顾表面张力和气体动力两方面的影响｡
3.4 焊接工艺参数对熔滴过渡的影响
由表4可以看出,电流增大,短路非爆炸附渣过渡､短路爆炸过渡以及爆炸过渡的比例增大｡而颗粒过渡､射滴过渡的比例减小｡这是因为电流增大,等离子流力､电磁收缩力增大｡一方面促使短路过渡的发生;另一方面使由能量积累引起的“电爆炸”增大,飞溅增大｡同时过渡的频率加快,颗粒过渡､射滴过渡的二次熔滴不易产生,过渡的比例降低｡电流增大对短路非爆炸附渣过渡的时间有较大影响,图3是电流为180A和360A时,短路非爆炸附渣过渡时间的直方图,可见电流值增大2ms､4ms以下的过渡比例增加,8ms以上的过渡比例减少｡
由表4可见:电压增大短路爆炸过渡､颗粒过渡的比例增加｡因为电压增大,弧长变长,相应短路过渡时间增大,CO气体膨胀,以及能量积累引起的“电爆炸”可能性增大,这样就有可能在短路液柱尚未完成过渡时发生爆炸,形成短路爆炸过渡｡颗粒过渡的比例增加是因为弧长增大后,原来进行短路过渡的二次熔滴也有可能在尚未和熔池接触之前,脱离焊丝端头,形成颗粒过渡｡焊丝工艺性表现为小颗粒飞溅增多,大颗粒飞溅增少｡电压变化对短路非爆炸附渣过渡时间的影响见图4,可见电压增大,6ms到8ms内的过渡比例增大｡所以电压增大的一个明显变化是短路爆炸过渡的比例增大,短路非爆炸附渣过渡的时间增长,从而使保护效果下降,生成气孔的可能性增加｡
图4 电压对短路非爆炸附渣过渡时间的影响综上所述,焊接工艺参数中电流电压对自保护药芯焊丝熔滴过渡形态及特征参数均有影响,从而影响着药芯焊丝工艺性能､保护效果以及焊丝的力学性能｡选择一个合适的焊接工艺参数对自保护药芯焊丝尤为重要｡
4 结论
(1)适当增加气体动力即增大药芯中C､O质量分数,添加表面活性剂,可提高颗粒过渡､射滴过渡的比例｡但同时注意不能使气体动力过大,否则会增大短路非爆炸过渡的时间,影响焊丝熔化效率｡更重要的是使焊丝保护效果下降､造成飞溅｡
(2)多种氟化物与一种氟化物从熔滴过渡的形态上看不出有何明显差别,这可能是由于一般多种氟化物加入量较少的缘故;多种碳酸盐与一种碳酸盐对熔滴过渡形态有影响,使用一种碳酸盐时外摆短路过渡的比例比多种碳酸盐时大｡
(3)电流､电压主要影响作用在熔滴上的电弧力,电流增大短路非爆炸附渣过渡､短路爆炸过渡及爆炸过渡的比例增大｡颗粒过渡､射滴过渡的比例减小｡电压增大使短路爆炸过渡､颗粒过渡的比例增加｡电流电压同样也对过渡时间有影响｡而过渡时间对熔滴保护效果以及飞溅大小有重要影响｡
参考文献
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