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        鈦型氣體保護(hù)藥芯焊絲熔滴細(xì)化機(jī)理及其控制

        2014-10-15 03:33:04孫咸
        機(jī)械制造文摘(焊接分冊) 2014年5期
        關(guān)鍵詞:藥芯熔滴表面張力

        孫咸

        (太原理工大學(xué)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(jié)構(gòu)等工業(yè)部門使用藥芯焊絲中用量最大的一種藥芯焊絲,焊絲生產(chǎn)企業(yè)不僅對該產(chǎn)品性能的關(guān)注度一直很高,而且產(chǎn)品市場競爭異常激烈。經(jīng)過持續(xù)不斷改進(jìn),國產(chǎn)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(yīng)用中獲得了一定肯定。較為專業(yè)的人士都很明白,好的熔滴過渡形態(tài)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(qiáng)規(guī)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(tài)是非軸向細(xì)滴狀過渡,對大多數(shù)現(xiàn)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(xì)滴狀過渡形態(tài)。研究表明,非軸向細(xì)滴狀過渡形態(tài)形成條件:一是臨界電流熔滴尺寸小,二是大電流、強(qiáng)規(guī)范(含高的電弧電壓)。細(xì)熔滴既是首要條件也是工藝規(guī)范結(jié)果。焊絲熔滴如何細(xì)化,熔滴細(xì)化機(jī)理如何,有哪些影響因素,細(xì)化后操作工藝性怎么樣,會不會還有新的問題出現(xiàn),怎樣解決?眾多藥芯焊絲生產(chǎn)企業(yè)急需這些理論,使焊絲品質(zhì)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(shù)對熔滴尺寸的影響,與焊絲熔滴細(xì)化相聯(lián)系,探討熔滴細(xì)化機(jī)理及其控制方法。該項研究對正確選用工藝參數(shù)和藥芯添加物種類,采用合理、有效的熔滴細(xì)化控制方法,促進(jìn)企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展,不斷提升藥芯焊絲質(zhì)量水平,具有一定參考意義和實用價值。

        1 電弧物理基礎(chǔ)

        1.1 電弧形態(tài)

        文獻(xiàn)[2]通過與實心焊絲的對比觀察,把藥芯焊絲的電弧形態(tài)分為四種類型:按電弧的連續(xù)性分,可以分為連續(xù)型和斷續(xù)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(hù)焊時,盡管熔滴的非軸向排斥過渡形態(tài)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(chǎn)生的,同時熔滴在短路過渡瞬間會出現(xiàn)電弧瞬間熄滅現(xiàn)象,因此實心焊絲的電弧形態(tài)屬于活動、斷續(xù)型。而“O”型截面藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊時,熔滴雖然也是非軸向排斥過渡形態(tài),而且隨熔滴在焊絲端急速擺動而發(fā)生電弧遷移,然而電弧首先是產(chǎn)生在焊絲金屬外套管上,況且熔滴的滴狀過渡并未出現(xiàn)電弧瞬間熄滅現(xiàn)象,因此該類藥芯焊絲的電弧形態(tài)應(yīng)屬于活動、連續(xù)型??傮w上看,藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊時,由于藥芯中加有穩(wěn)弧劑,電弧的挺度和穩(wěn)定性均比實心焊絲的好,焊絲的工藝性理應(yīng)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(fā)現(xiàn),進(jìn)入電弧區(qū)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(xì)鋼帶。隨著焊絲不斷送進(jìn),熔滴在電弧中急速旋轉(zhuǎn)、飄移并過渡??梢钥闯?,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(jié)果出現(xiàn)偏心熔化(或馬蹄形熔化)、熔滴沿焊絲周邊懸掛運(yùn)動和熔滴的非軸向過渡現(xiàn)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(tài)

        這類藥芯焊絲熔滴過渡的基本形態(tài)是非軸向排斥滴狀過渡,其主要的過渡指標(biāo)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(tài)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(xiàn)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(dāng)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(tài)可以稱為“射滴過渡”,亦有文獻(xiàn)[3,4]稱為“噴射過渡”。熔滴沿渣柱的過渡行為,對穩(wěn)定電弧、減小焊接飛濺、改善操作工藝性較為有利。在生產(chǎn)現(xiàn)場平焊位置焊接時,通常采用較大焊接電流,電弧電壓相應(yīng)提高,這類焊絲發(fā)生短路過渡的機(jī)會較小。

        2 熔滴細(xì)化機(jī)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(jìn)熔滴過渡來分類,主要分為兩種力,即促進(jìn)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(xué)中靜平衡原理,沿焊絲軸線方向的力達(dá)到平衡時的條件:

        當(dāng)F分離力>F保持力時,即

        熔滴從焊絲端被分離,實現(xiàn)過渡。

        鈦型CO2氣體保護(hù)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(qiáng)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(fā)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(zhì)強(qiáng)烈蒸發(fā)對熔滴表面產(chǎn)生很大的反作用力,一定程度上阻礙熔滴過渡。最后是保護(hù)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(chǎn)生排斥作用,阻礙熔滴過渡??偠灾?,是這幾種力綜合作用的結(jié)果。對于某一牌號的藥芯焊絲,隨著焊接參數(shù)的變化,各種力的大小和方向隨時發(fā)生變化,致使作用于熔滴上F分離力和F保持力的對比發(fā)生變化,熔滴不僅發(fā)生過渡,而且過渡指數(shù)不斷改變,熔滴過渡形態(tài)亦發(fā)生變化。

        2.2 各作用力對熔滴過渡的貢獻(xiàn)

        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(xiàn)各異。如表1所示,有一些力并非主導(dǎo)力,但其中5種力應(yīng)當(dāng)是主導(dǎo)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(dǎo)力,此時熔滴重力Fg促進(jìn)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(dǎo)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(guān),氣體排斥力Fq則對熔滴過渡產(chǎn)生負(fù)面影響。既然熔滴過渡是上述各種力綜合作用的結(jié)果,那么,熔滴過渡的控制,實質(zhì)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(fù)雜。

        鑒于熔滴細(xì)化是熔滴質(zhì)量減小過程,應(yīng)當(dāng)通過增大主導(dǎo)力Fem和Fd,同時減小主導(dǎo)力Fb和Fσ,實現(xiàn)F分離力大于F保持力的條件,最終使熔滴被細(xì)化。

        表1 熔滴作用力對熔滴過渡的貢獻(xiàn)(水平位焊接)

        3 焊接參數(shù)對熔滴細(xì)化的影響

        焊接參數(shù)對熔滴尺寸的影響試驗(表2),是在表3所列基本參數(shù)基礎(chǔ)上,單調(diào)變化某一參數(shù)的實測結(jié)果??梢钥闯?,在所試驗的6個參數(shù)變化中,僅有焊接電流、電弧電壓和電源極性3個參數(shù)對熔滴細(xì)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(jìn)行,熔滴被細(xì)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(shù)對生產(chǎn)毫無意義。電壓升至25 V時,電弧仍有飄移,熔滴粗大,飛濺嚴(yán)重。在如此短的電弧長度下焊接,熔滴過渡形態(tài)將會變?yōu)槎搪愤^渡。該情況與文獻(xiàn)[6]所示的規(guī)律(圖2)完全一致。隨電弧升至30 V時,熔滴呈滴狀過渡形態(tài),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(xì)化的原因,需要考慮當(dāng)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(shù)

        圖2 焊接電流、電弧電壓與熔滴過渡形態(tài)間的關(guān)系[6]

        如前所述,焊接電流對熔滴細(xì)化的影響,是增大電流熔滴細(xì)化,然而焊接電流不能無限增大,因為太大的電流將導(dǎo)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(xì)小、飛濺較小、電弧穩(wěn)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(xì),但飛濺增大、電弧不穩(wěn)、熔渣覆蓋不全、成形變差、表面氧化嚴(yán)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(jié)果[7]

        4 藥芯組成物對熔滴細(xì)化的影響

        表5列出了8種藥芯組成物的試驗結(jié)果??梢钥闯?,具有細(xì)化熔滴效果的組成物有5種,其余均沒有細(xì)化效果。隨藥芯中金紅石加入量的增加,熔滴未被細(xì)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(jié)構(gòu)十分穩(wěn)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(xì)化作用很微弱。石英隨其加入量的增加,熔滴被細(xì)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(xì)化,其機(jī)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(xì)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(xì)化作用主要考慮其對電弧穩(wěn)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(wěn)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(xì)化作用與弧根面積擴(kuò)大,電弧溫度升高,熔滴表面張力減小有關(guān)。鐵粉多數(shù)進(jìn)入熔池,在熔滴過渡區(qū)的冶金反應(yīng)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(xì)化添加物可供選用,然而焊絲的工藝質(zhì)量不盡相同。也就是說,熔滴被細(xì)化焊絲的綜合工藝質(zhì)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(fù)面影響,甚至是嚴(yán)重的負(fù)面影響。可是,綜合工藝質(zhì)量比較好的焊絲,其熔滴一定比較細(xì)小。很顯然,熔滴細(xì)化是改善焊絲工藝質(zhì)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(xì)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(shù)條件下,該類藥芯焊絲熔滴細(xì)化的控制原則首先是:

        即接下來考慮焊接參數(shù)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(qiáng)規(guī)范大電流,提高弧柱溫度;另一方面,在藥芯中加入細(xì)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(wěn)弧性,增大弧根面積,減小熔滴上的斑點壓力。還有,嚴(yán)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(xì)化熔滴的既定措施,而是熔滴細(xì)化的結(jié)果,亦是焊絲工藝性設(shè)計的目標(biāo)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(tài)。發(fā)散的電流傳輸會產(chǎn)生一個分離力(焊絲與熔滴連接處),而匯聚的電流則會產(chǎn)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(jìn)熔滴過渡的主導(dǎo)力。

        綜上所述,該焊絲熔滴細(xì)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(shù)施工現(xiàn)場,可以采用大電流、強(qiáng)規(guī)范,充分發(fā)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(tài)為非軸向排斥細(xì)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(rèn)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(zhì)或限制氟化物含量,用以控制熔滴上的斑點壓力。當(dāng)然,更應(yīng)著力選用綜合效果好的細(xì)化熔滴組成物。這兩種方法已被業(yè)內(nèi)企業(yè)采用。日本DW-100焊絲的熔滴較細(xì)、均勻,但不是太細(xì),然而熔敷金屬的綜合性能非常穩(wěn)定、滿意,在控制熔滴細(xì)化等方面頗具特色,值得借鑒。

        圖3 熔滴細(xì)化控制方法

        6 結(jié)論

        (1)鈦型渣系CO2氣體保護(hù)藥芯焊絲的電弧形態(tài)應(yīng)屬于活動、連續(xù)型,焊絲熔滴過渡的基本形態(tài)是非軸向排斥滴狀過渡。

        (2)鑒于熔滴細(xì)化是熔滴質(zhì)量減小過程,應(yīng)當(dāng)通過增大主導(dǎo)力Fem和Fd,同時減小主導(dǎo)力Fb和Fσ,實現(xiàn)F分離力大于F保持力條件,最終使熔滴細(xì)化。

        (3)焊接參數(shù)對熔滴細(xì)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(xì)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(xì)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(biāo)的熔滴細(xì)化控制方法,思路新穎,因素匹配合理,已被業(yè)內(nèi)企業(yè)采用,國外名牌產(chǎn)品熔滴細(xì)化頗具特色,值得借鑒。

        [1]孫咸.鈦型氣體保護(hù)藥芯焊絲焊接參數(shù)的選擇與應(yīng)用[J].機(jī)械制造文摘-焊接分冊,2013(2):1-6.

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

        [3]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)碳鋼藥芯焊絲GB/T10045—2001[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)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(hù)藥芯焊絲熔滴過渡與氣孔(壓坑)的關(guān)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(yè)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(shè),2007,33(1):49-53.

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