0前言
熔滴過渡是非常重要的焊接冶金過程｡它不僅決定著焊條､焊絲的工藝性能,而且對焊接化學冶金反應､焊縫成形甚至接頭的力學性能也有影響｡手工焊條熔滴過渡的形態主要受兩種力的作用[1]｡對實芯焊絲[2]通常把熔滴過渡分為自由過渡､接觸過渡及渣保護過渡｡并且從焊接工藝參數､電源外特性方面對熔滴過渡的影響進行了大量的研究[3,4],一致認為MIG焊時,當焊接電流大于某臨界電流,出現噴射過渡時,焊絲的工藝性能最好｡對于藥芯焊絲,一方面由于藥芯組成的介入,和焊條相似,表面張力､氣體動力對熔滴過渡有重要影響｡另一方面由于藥芯焊絲具有較高的電流密度,和實芯焊絲相似,電磁收縮力､斑點壓力和等離子流力對熔滴過渡的影響加強｡從藥芯組成和配比､焊接工藝參數以及電源外特性3方面來控制和改善熔滴過渡的形態､特征｡這3個方面歸根到底是通過改變熔滴的受熱､受力情況來控制熔滴過渡的｡本文將從藥芯組成及焊接工藝參數兩個方面來研究其對熔滴過渡的影響｡相信這些工作不僅對改進自保護藥芯焊絲工藝性能,而且對提高焊絲的力學性能以及改善電源動特性,都具有重要的參考價值｡
1試驗方法
在標準的焊接工藝參數下施焊,對表1的焊絲在自制的自保護藥芯焊絲熔滴過渡高速攝影裝置上進行分析[5],攝影頻率為1000幅/s和2000幅/s,并使用SC-10型示波器同步記錄焊接電流､電壓波形,以準確判斷熔滴過渡的形態｡在研究藥芯組成､配比對熔滴過渡的影響時,在基礎配方上系統地改變長石等藥芯組成的比例見表1｡在考察藥芯組成的影響時,主要研究一種氟鹽和多種氟鹽,一種碳酸鹽和多種碳酸鹽對熔滴過渡的影響｡為此只改變氟鹽､碳酸鹽的種類,不改變其總量配制拉拔兩種焊絲Gs13､Gs14｡在研究藥芯組成配比的影響時,共配制拉拔14種焊絲｡在焊接工藝參數對熔滴過渡的影響試驗中,采用美國Lincoln公司的NR311,圍繞標準工藝參數,改變電流,電壓值以觀察其對熔滴過渡特性的影響｡焊接工藝參數的變化見表2｡
2 試驗結果
經過大量高速攝影資料的觀察､判讀,藥芯組成和配比對熔滴過渡形態及特征參數的影響統計于表3｡電流､電壓對熔滴過渡及特征參數的影響統計列表4｡
3分析與討論
決定焊絲熔滴過渡形態的根本因素是作用在焊絲端頭的熱､力｡為了能更好地分析藥芯組成､配比及焊接工藝參數對熔滴過渡的影響,首先分析自保護藥芯焊絲熔滴的受力情況｡
3.1 自保護藥芯焊絲熔滴的受力分析
(1)重力由熔滴自身重量引起,由于自保護藥芯焊絲的熔滴一般比焊條熔滴大,故重力也較大｡平焊時促進熔滴過渡｡其他位置焊接時,阻礙熔滴過渡｡
(2)表面張力是使熔滴表面積縮小的張力,表面張力使熔滴保留在焊絲末端｡該力可分解為徑向和軸向
徑向分力:
Fr=σsinΦ
軸向分力:Fa=σcosΦ
徑向分力可使熔滴縮頸,有利于熔滴從焊絲末端分離;軸向分力使熔滴停留在焊絲末端,阻礙熔滴過渡｡在熔滴短路時,表面張力的作用與液柱徑向曲率半徑ρr和軸向曲率半徑ρa有關｡由于液面彎曲,將產生垂直于液面指向圓心的附加壓力和徑向附加壓力,促使液柱頸縮､軸向附加壓力阻礙液柱收縮,當|ρr|>|ρa|時,表面張力總的作用是促使液橋金屬向熔池中過渡｡熔滴表面張力與熔滴成分､熔渣的表面張力以及渣—金屬間的界面張力有關｡
(3)斑點壓力:電弧中的正離子和電子在電弧附近電極區的電場作用下被加速,分別撞擊陰極斑點和陽極斑點而產生的沖力｡陰極斑點受到的正離子沖力遠遠大于陽極斑點受到的電子沖力｡因此自保護藥芯焊絲多采用直流反接,以利熔滴過渡｡
(4)氣體動力:在自保護藥芯焊絲中泛指兩種力｡一種是由藥芯分解出的氣體作用在熔滴突出表面上,和順著熔滴流過的氣體摩擦力引起｡通常也稱為氣體吹力｡當氣體吹力不太大時,有利于熔滴過渡;當氣體吹力過大時,可使熔滴上翅,阻礙過渡｡另一種氣體動力,實質是指CO引起的膨脹力｡CO氣體動力適當,促進生成二次熔滴,提高顆粒過渡､射滴過渡的比例｡如果CO氣體動力過大,將會引起爆炸,造成飛濺｡
(5)電磁力:電弧中電磁力的方向和電流方向垂直,大小和電流的平方成正比｡電磁力對熔滴過渡行為的影響和熔滴的弧根面積大小,即電流線的分布有關｡自保護藥芯焊絲焊接時,弧根面積越大,電磁力越有利于過渡｡
(6)等離子流力:在電磁力磁縮作用下,電弧等離子體將在軸線上產生最大的流體靜壓力,其大小和弧柱截面積成反比｡即從焊絲末端向熔池表面逐漸減小,因而沿弧柱方向形成等離子流力,該力始終促使熔滴過渡,并和電流大小成正比｡從以上對自保護藥芯焊絲熔滴的受力分析,可以得出促進過渡的力:等離子流力,重力(平焊)阻礙過渡的力:斑點壓力,表面張力｡有可能促進過渡的力:電磁力､氣體動力｡自保護藥芯焊絲熔滴受力的示意圖見圖1｡藥芯組成主要影響表面張力和氣體動力而焊接工藝參數主要影響電磁力和等離子流力｡從這兩個方面研究熔滴過渡的行為,對改善自保護藥芯焊絲熔滴過渡形態具有重要意義｡
3.2 藥芯組成､配比對熔滴過渡形態的影響
由表3可見,隨著長石和表面活性添加劑的增加,外擺短路過渡的比例､爆炸過渡的比例下降,顆粒過渡的比例略有增加｡這是因為長石和表面活性劑的加入,降低了熔滴的表面張力,使熔滴的尺寸減小,降低了外擺短路過渡的比例,同時也使爆炸過渡的比例減小,因為過渡頻率加快,氣體動力作用的積累時間減小｡隨著高碳錳鐵､石墨和碳酸鹽的增大,顆粒過渡､射滴過渡､爆炸過渡的比例略有增加｡其他形式的過渡沒有明顯的規律性｡可以這樣解釋這一現象｡高碳錳鐵､石墨的加入,使藥芯中碳的質量分數增大,CO氣體動力增加｡碳酸鹽的增大,藥芯中析出氣體增多,氣體吹力加大｡而且這幾種過渡都和二次熔滴的產生關系較大｡圖2是二次熔滴產生的模型及對應的高速攝影片｡電弧中因CO生成及渣-金屬冶金反應,使熔滴中溶入了一定量的CO氣體,可能在熔滴某點形成CO氣泡見圖2的2,隨著氣體動力的增大,熔滴開始變形,最終和大熔滴分離,形成二次熔滴,并以一定的速度落入熔池中｡可見適當增大CO氣體動力,有利于顆粒過渡､射滴過渡的形成｡由表3還可發現,隨著強還原劑和生石灰質量分數的增大,外擺短路過渡的比例增大｡因為生石灰和強還原劑均使熔滴表面張力增大,更容易形成大顆粒熔滴,而強還原劑的增加,使脫氧更徹底,CO氣體動力降低,所以外擺短路過渡的比例增加｡而整個自由飛渡的比例相對于CO氣體動力較大的Gs5､Gs6､Gs7､Gs8減小｡多種氟化物與一種氟化物從熔滴過渡的形態上看不出有何明顯差別,這可能是由于一般多種氟化物加入量較少的緣故;多種碳酸鹽與一種碳酸鹽對熔滴過渡形態有影響,使用一種碳酸鹽時外擺短路過渡的比例比多種碳酸鹽時大,這可以從氣體吹力容易地得到解釋｡
3.3 藥芯組成配比對短路時間的影響
由表3可知藥芯組成配比對短路非爆炸附渣過渡時間的影響｡隨著長石､表面活性劑的增加對短路過渡的時間影響不大,這是因為表面張力相對于電弧力的影響較小之故｡高碳錳鐵､石墨､碳酸鹽的比例增大使顆粒過渡､射滴過渡的時間減小｡因為CO氣體動力增大｡對短路非爆炸附渣過渡時間開始基本沒有影響,最后使過渡時間減小｡這是因為碳是強還原劑,使熔滴氧的質量分數降低,表面張力增大,同時碳酸鹽分解后的氧化物也使熔滴表面張力增大,對短路過渡,表面張力是促使過渡的力,因而使短路非爆炸過渡時間減小｡強還原劑和生石灰的變化,使短路非爆炸過渡時間減小,使顆粒過渡､射滴過渡的時間略有增長｡這自然是由于表面張力變大的緣故｡
由以上的討論可知:藥芯組成和配比對熔滴過渡的形態和參數都有影響,減小熔滴表面張力,適當增大氣體動力,有助于形成更多的顆粒過渡､射滴過渡｡但同時注意不能使氣體動力過大,否則會增大短路非爆炸過渡的時間,影響焊絲熔化效率｡更重要的是使焊絲保護效果下降､造成飛濺｡因此要兼顧表面張力和氣體動力兩方面的影響｡
3.4 焊接工藝參數對熔滴過渡的影響
由表4可以看出,電流增大,短路非爆炸附渣過渡､短路爆炸過渡以及爆炸過渡的比例增大｡而顆粒過渡､射滴過渡的比例減小｡這是因為電流增大,等離子流力､電磁收縮力增大｡一方面促使短路過渡的發生;另一方面使由能量積累引起的“電爆炸”增大,飛濺增大｡同時過渡的頻率加快,顆粒過渡､射滴過渡的二次熔滴不易產生,過渡的比例降低｡電流增大對短路非爆炸附渣過渡的時間有較大影響,圖3是電流為180A和360A時,短路非爆炸附渣過渡時間的直方圖,可見電流值增大2ms､4ms以下的過渡比例增加,8ms以上的過渡比例減少｡
由表4可見:電壓增大短路爆炸過渡､顆粒過渡的比例增加｡因為電壓增大,弧長變長,相應短路過渡時間增大,CO氣體膨脹,以及能量積累引起的“電爆炸”可能性增大,這樣就有可能在短路液柱尚未完成過渡時發生爆炸,形成短路爆炸過渡｡顆粒過渡的比例增加是因為弧長增大后,原來進行短路過渡的二次熔滴也有可能在尚未和熔池接觸之前,脫離焊絲端頭,形成顆粒過渡｡焊絲工藝性表現為小顆粒飛濺增多,大顆粒飛濺增少｡電壓變化對短路非爆炸附渣過渡時間的影響見圖4,可見電壓增大,6ms到8ms內的過渡比例增大｡所以電壓增大的一個明顯變化是短路爆炸過渡的比例增大,短路非爆炸附渣過渡的時間增長,從而使保護效果下降,生成氣孔的可能性增加｡
圖4 電壓對短路非爆炸附渣過渡時間的影響綜上所述,焊接工藝參數中電流電壓對自保護藥芯焊絲熔滴過渡形態及特征參數均有影響,從而影響著藥芯焊絲工藝性能､保護效果以及焊絲的力學性能｡選擇一個合適的焊接工藝參數對自保護藥芯焊絲尤為重要｡
4 結論
(1)適當增加氣體動力即增大藥芯中C､O質量分數,添加表面活性劑,可提高顆粒過渡､射滴過渡的比例｡但同時注意不能使氣體動力過大,否則會增大短路非爆炸過渡的時間,影響焊絲熔化效率｡更重要的是使焊絲保護效果下降､造成飛濺｡
(2)多種氟化物與一種氟化物從熔滴過渡的形態上看不出有何明顯差別,這可能是由于一般多種氟化物加入量較少的緣故;多種碳酸鹽與一種碳酸鹽對熔滴過渡形態有影響,使用一種碳酸鹽時外擺短路過渡的比例比多種碳酸鹽時大｡
(3)電流､電壓主要影響作用在熔滴上的電弧力,電流增大短路非爆炸附渣過渡､短路爆炸過渡及爆炸過渡的比例增大｡顆粒過渡､射滴過渡的比例減小｡電壓增大使短路爆炸過渡､顆粒過渡的比例增加｡電流電壓同樣也對過渡時間有影響｡而過渡時間對熔滴保護效果以及飛濺大小有重要影響｡
參考文獻
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