孫咸

(太原理工大學(xué)焊接材料研究所，太原 030024)

0 前言

高效自動(dòng)化的熔化極氣體保護(hù)焊(GMAW)在工業(yè)上獲得了廣泛的應(yīng)用，其電弧行為和熔滴過渡形態(tài)對(duì)焊接工藝質(zhì)量有重要影響。一直以來有關(guān)GMAW熔滴過渡的文獻(xiàn)并不鮮見，從上世紀(jì)80年代中期日本出版的專著《焊接電弧現(xiàn)象》[1]，到中國(guó)最新出版的一本基于數(shù)據(jù)信息的焊接材料電弧物理特性分析和解讀的《焊接材料工藝性的信息化技術(shù)》[2]，業(yè)內(nèi)對(duì)熔滴過渡相關(guān)內(nèi)容的關(guān)注熱情始終未減，電弧物理焊接理論的發(fā)展勢(shì)頭可喜。關(guān)于熔滴過渡現(xiàn)象，國(guó)際焊接學(xué)會(huì)的分類及定義十分詳盡,對(duì)熔滴過渡現(xiàn)象描述及工藝條件的表征亦比較具體[3]。迄今為止，有關(guān)熔滴過渡的研究大都集中在現(xiàn)象描述、影響因素探討，以及對(duì)工藝質(zhì)量的影響等方面。專題性探討焊接冶金反應(yīng)與熔滴過渡形態(tài)關(guān)系的文獻(xiàn)較為罕見。為此，論文特意將電弧中冶金反應(yīng)與熔滴過渡形態(tài)、熔滴過渡的主導(dǎo)力，以及影響因素相聯(lián)系，探討冶金反應(yīng)與熔滴過渡形態(tài)的關(guān)系。該項(xiàng)工作對(duì)于進(jìn)一步揭示GMAW熔滴過渡機(jī)理、研發(fā)新型焊接材料、改善焊接工藝質(zhì)量，具有一定參考價(jià)值和實(shí)用意義。

1 GMAW電弧中的主要化學(xué)冶金反應(yīng)

GMAW電弧中的化學(xué)冶金反應(yīng)及其對(duì)熔滴過渡條件的影響見表1。首先，在探討藥芯焊絲的焊接冶金學(xué)過程特點(diǎn)時(shí)，可以借鑒電焊條的冶金分析方法，認(rèn)為焊絲的焊接化學(xué)冶金過程是分區(qū)連續(xù)進(jìn)行的。它的化學(xué)冶金過程亦可分為3個(gè)反應(yīng)區(qū)。①藥芯反應(yīng)區(qū)，是指從導(dǎo)電嘴至電弧區(qū)的焊絲干伸長(zhǎng)部分。受到電阻熱的作用，該區(qū)焊絲內(nèi)藥粉會(huì)發(fā)生一些物化反應(yīng)，如鐵合金的氧化、水分的蒸發(fā)或者某些物質(zhì)的分解。應(yīng)當(dāng)說，并不排除先期脫氧的可能性；②熔滴反應(yīng)區(qū)，是指從焊絲端部熔滴形成、過渡至焊縫熔池這一區(qū)間。熔滴、芯柱與電弧中CO2及其分解物作用，可能發(fā)生表1中式(1)～式(6)化學(xué)冶金反應(yīng)；芯柱中的SiO2與熔滴中[Fe]或[Mn]作用，可能發(fā)生式(7)～式(8)化學(xué)冶金反應(yīng)(熔滴成分見表2)；芯柱中的脫氧元素與熔滴中[FeO]作用，可能發(fā)生式(9)～式(10)化學(xué)冶金反應(yīng)；渣中氧化物相互作用，可能發(fā)生式(11)化學(xué)冶金反應(yīng)。藥芯中的Al, Mg等強(qiáng)脫氧元素，在藥芯反應(yīng)區(qū)和熔滴反應(yīng)區(qū)與CO2反應(yīng)中，絕大部分已被燒損，因此，不再發(fā)生與熔滴中[FeO]的反應(yīng)。③熔池反應(yīng)區(qū)。在熔池反應(yīng)區(qū)將繼續(xù)進(jìn)行熔滴階段的化學(xué)反應(yīng)，只是反應(yīng)速度和反應(yīng)劇烈程度與熔滴階段不盡相同，也可能出現(xiàn)與焊條電弧焊熔池反應(yīng)區(qū)不同的情況。實(shí)心焊絲電弧中的化學(xué)冶金反應(yīng)，式(12)～式(15)，主要是[Fe]的氧化和[Si]、[Mn]的脫氧反應(yīng)。

可以借助于圖1分析化學(xué)冶金反應(yīng)對(duì)熔滴過渡主導(dǎo)力的影響。其中：Fb為斑點(diǎn)壓力；Fq為氣體排斥力；Fσ為表面張力：Fem為電磁力：Fg為熔滴重力；Fd為等離子流力。式(1)～式(6)主要形成液態(tài)熔渣和CO氣體，在熔滴下方形成向上的氣體排斥力Fq，阻礙熔滴過渡。藥芯焊絲中含有較多的TiO2和SiO2對(duì)熔滴反應(yīng)區(qū)滲Si反應(yīng)式(7)、式(8)有重要促進(jìn)作用[4]。熔滴中Si含量增加的同時(shí)，使熔滴氧化增氧，減小了阻礙熔滴過渡向上的的表面張力Fσ。式(9)～式(11)主要是脫氧和熔渣的形成，對(duì)熔滴過渡主導(dǎo)力的影響可能較小。式(12)～式(15)主要是氧化反應(yīng)，熔滴具有增氧作用。但是由于CO2高溫分解吸熱，對(duì)電弧產(chǎn)生冷卻作用，造成電弧和斑點(diǎn)面積收縮，向上的斑點(diǎn)壓力Fb阻礙熔滴過渡；同時(shí)CO2高溫分解的氣體體積膨脹產(chǎn)生的向上氣體排斥力Fq，同樣阻礙熔滴過渡。

表1 焊接電弧中的主要化學(xué)冶金反應(yīng)及其對(duì)熔滴過渡主導(dǎo)力的影響

表2 鋼帶、熔滴和熔敷金屬主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 作用在熔滴上的力

2 GMAW中的主要熔滴過渡形態(tài)

GMAW的3種熔滴過渡形態(tài)列于表3?？梢钥闯?，在CO2電弧焊中，主要的過渡形態(tài)是滴狀過渡和短路過渡形態(tài)。對(duì)于噴射過渡形態(tài)，則需要滿足富氬混合保護(hù)氣體及其他必須的條件。

滴狀過渡。在CO2氣體保護(hù)下，實(shí)心焊絲使用較大焊接電流和弧長(zhǎng)較長(zhǎng)(如φ1.2 mm焊絲，焊接電流180～250 A，電弧電壓22～26 V) 時(shí)，會(huì)形成熔滴尺寸大于焊絲直徑的、非軸向排斥滴狀過渡形態(tài)。此種過渡形態(tài)的電弧不穩(wěn)、飛濺較大、成形較差，且對(duì)氣孔敏感，工程上應(yīng)用較少。對(duì)于藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊，由于加入藥粉的作用，電弧中發(fā)生了不同的冶金反應(yīng)(見表1)，作用在熔滴上的主導(dǎo)力表面張力Fσ和斑點(diǎn)壓力Fb被減小，熔滴細(xì)化，加之熔滴沿渣柱滑落，此時(shí)滴狀過渡形態(tài)得以改善，飛濺明顯減小，成形細(xì)密，工藝質(zhì)量較之實(shí)心焊絲大有改觀，工程上廣為應(yīng)用。

表3 GMAW熔滴過渡形態(tài)比較

短路過渡。在CO2氣體保護(hù)下，實(shí)心焊絲使用較小焊接電流和弧長(zhǎng)較短(如φ1.2 mm焊絲，焊接電流120～180 A，電弧電壓18～22 V) 時(shí)，盡管熔滴尺寸仍大于焊絲直徑，但弧長(zhǎng)短、弧壓低，依靠熔滴的向下表面張力克服向上的表面張力將熔滴拉入熔池，形成所謂的表面張力短路過渡形態(tài)。飛濺與滴狀過渡形態(tài)不相上下，成形尚可，對(duì)氣孔敏感亦有所減弱，是工程上常用的過渡形態(tài)。當(dāng)弧長(zhǎng)為中等長(zhǎng)度(如φ1.2 mm焊絲，焊接電流180～250 A，電弧電壓22～26 V)時(shí)，CO2電弧中可能出現(xiàn)滴狀和短路2種過渡形態(tài)共存現(xiàn)象。這種過渡形態(tài)焊絲的工藝質(zhì)量繼承了2種形態(tài)的問題，即飛濺大、成形差、對(duì)氣孔敏感，工程上很少應(yīng)用。對(duì)于藥芯焊絲，在CO2氣體保護(hù)下，小電流、低電壓時(shí)(如φ1.2 mm焊絲，焊接電流160 A，電弧電壓20 V)，形成短路過渡，電弧劇烈飄移、熔滴粗大、飛濺嚴(yán)重、成形差,工程上幾乎沒有應(yīng)用。

噴射過渡。噴射過渡形態(tài)的熔滴細(xì)(小于焊絲直徑)、飛濺小、熔深深、成形優(yōu)良、熔敷效率高，適合于厚板焊接結(jié)構(gòu)中應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)噴射過渡的條件是：①富氬混合(或純氬)保護(hù)氣體；②電磁力作用方向向下；③焊接電流等于或大于轉(zhuǎn)變電流。三者缺一不可?；趪娚溥^渡形態(tài)的形成條件(見表3)，實(shí)心焊絲在純CO2氣體保護(hù)下，基本無望實(shí)現(xiàn)噴射過渡[6]。對(duì)于藥芯焊絲而言，同樣在純CO2氣體保護(hù)下噴射過渡形態(tài)也是難以實(shí)現(xiàn)的。必須滿足噴射過渡形態(tài)形成的上述三條件?？墒撬霓D(zhuǎn)變電流可能比實(shí)心焊絲的小一些。在純氬保護(hù)氣下，藥芯焊絲薄鋼皮過早熔化，焊絲端形成細(xì)長(zhǎng)渣柱，電弧飄移不穩(wěn)，渣柱成段脫落，焊縫成形惡化[7]。只有在富氬混合保護(hù)氣體中才有可能獲得滿意的噴射過渡形態(tài)。

3 冶金反應(yīng)與熔滴過渡形態(tài)間的關(guān)系

GMAW在100% CO2氣體保護(hù)下電弧中相關(guān)冶金反應(yīng)與熔滴過渡形態(tài)間的關(guān)系列于表4?？梢钥闯?，在藥芯焊絲中加入較多的TiO2和SiO2，很容易發(fā)生滲Si增氧反應(yīng)(見表2、文獻(xiàn)[4])，該反應(yīng)雖然無法改變粗熔滴被排斥的非軸向性，但對(duì)熔滴過渡中主導(dǎo)力之一的表面張力Fσ卻有減小的作用，有利于熔滴過渡條件F分離力>F保持力進(jìn)行[8]。同時(shí)，藥芯中的K,Na低電離物質(zhì)能改善電弧特性，縱然對(duì)大熔滴非軸向排斥性難以撼動(dòng)，卻能增大弧根面積，減小熔滴向上的斑點(diǎn)壓力Fb，致使熔滴上的保持力F保持力有所減弱，有利熔滴過渡條件F分離力>F保持力進(jìn)行。藥芯焊絲中對(duì)焊絲端熔滴保持力F保持力減弱的雙因素作用，使其熔滴過渡形態(tài)得以改善。而實(shí)心焊絲電弧中的冶金反應(yīng)式(2)雖然也具有氧化增氧作用，但是CO2的高溫分解導(dǎo)致向上的斑點(diǎn)壓力Fb和氣體排斥力Fq增大，強(qiáng)烈阻礙熔滴過渡，焊絲端熔滴的保持力不降反升，非常不利于熔滴過渡條件F分離力>F保持力進(jìn)行。不難看出，2種焊絲冶金反應(yīng)與熔滴過渡形態(tài)間的關(guān)系，取決于熔滴過渡的力學(xué)條件，當(dāng)冶金反應(yīng)促使F分離力增大，或促使F保持力減小時(shí)，熔滴過渡形態(tài)得以改善。

表4 冶金反應(yīng)與熔滴過渡形態(tài)間的關(guān)系

4 GMAW熔滴過渡形態(tài)的影響因素

4.1 焊絲成分的影響

2種焊絲化學(xué)成分對(duì)熔滴過渡形態(tài)的影響見表5(100% CO2氣體保護(hù))。其中，熔滴過渡形態(tài)的評(píng)定，主要通過分析高速攝影照片，采用3個(gè)特征指數(shù)，即熔滴直徑、熔滴過渡頻率和熔滴過渡間隔標(biāo)準(zhǔn)誤差進(jìn)行的[9]。

表5 焊絲成分對(duì)熔滴過渡形態(tài)的影響

對(duì)于藥芯焊絲而言，添加物的影響如下：①TiO2。隨藥芯中TiO2含量增加，熔滴過渡指數(shù)和過渡形態(tài)得以改善(圖3[9])。這是由于以下原因所致：一方面，鈦型藥芯焊絲金紅石中含有大量TiO2，雖然TiO2的鍵能小，表面張力也小，在渣中會(huì)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渣增氧，不能降低熔滴的界面張力，致使它對(duì)熔滴的細(xì)化作用很微弱。另一方面，TiO2具有促進(jìn)式(7)SiO2的還原反應(yīng)作用，一定程度上降低了熔滴向上的表面張力Fσ。鈦型藥芯焊絲中的CaF2很少，式(12)～式(14)式反應(yīng)幾乎不會(huì)發(fā)生；同時(shí)，(TiO2)熔渣蒸發(fā)形成的氣體排斥力Fq較小。(TiO2)較小的氣體排斥力Fq，可能是熔滴被細(xì)化主要原因。②Si-Fe。隨藥芯中Si-Fe含量增加，熔滴過渡指數(shù)和過渡形態(tài)得以改善(圖4[9])。這是由于發(fā)生式(1)～式(3)反應(yīng)，形成的[FeO]進(jìn)入熔滴增氧，而形成向上的(SiO2)蒸氣排斥壓力Fq較弱(圖2[9])，熔滴不僅不易長(zhǎng)大，反而被細(xì)化所致。③Mn-Fe。隨藥芯中Mn-Fe含量增加，熔滴過渡指數(shù)和過渡形態(tài)略有改善(圖5[9])。這是由于發(fā)生式(1)、式(2)、式(4)反應(yīng)，形成的 [FeO]進(jìn)入熔滴增氧，而形成的(MnO)向上蒸氣排斥壓力Fq比(TiO2)、(SiO2)大所致(圖2[9])。④鐵粉。隨藥芯中鐵粉含量增加，熔滴過渡指數(shù)和過渡形態(tài)改善不明顯(圖6[9])。這是由于發(fā)生式(1)、式(2)式反應(yīng)，形成的[FeO]進(jìn)入熔滴增氧，而(FeO)蒸發(fā)形成向上的蒸氣排斥壓力Fq比(SiO2)和(TiO2)，甚至比(MnO)大(圖2)所致。⑤CaF2。隨藥芯中CaF2含量增加，熔滴過渡指數(shù)和過渡形態(tài)惡化(圖7[9])。這是由于發(fā)生式(12)、式(15)反應(yīng)，在電弧中形成的氣體化合物TiF4和SiF4的負(fù)離子阻礙電子從陰極發(fā)射，增大斑點(diǎn)壓力Fb，同時(shí)CaF2的蒸氣排斥壓力Fq最大所致(圖2)。⑥Al2O3。隨藥芯中Al2O3含量增加，熔滴過渡指數(shù)和過渡形態(tài)得以改善(圖8)。這是由于(Al2O3)熔渣蒸發(fā)形成的氣體排斥力Fq較小所致(圖2)。⑦SiO2。隨藥芯中SiO2含量增加，熔滴過渡指數(shù)和過渡形態(tài)得以改善(圖8[9])。這是由于發(fā)生式(7)反應(yīng)，形成的 [FeO]進(jìn)入熔滴增氧，(SiO2)熔渣蒸發(fā)形成的氣體排斥力Fq較小所致(圖2)。⑧MnO。隨藥芯中MnO含量增加，熔滴過渡指數(shù)和過渡形態(tài)改善不明顯。這是由于(MnO)熔渣蒸發(fā)形成的氣體排斥力Fq增大所致(圖2)，其氣體排斥力比(SiO2)、(Al2O3)和(TiO2)大。⑨Fe3O4。隨藥芯中Fe3O4含量增加，熔滴過渡指數(shù)和過渡形態(tài)沒有改善。這是由于式(16)反應(yīng)具有一定氧化增氧作用，但生成大量O2導(dǎo)致向上的氣體排斥力Fq增大。式(9)、式(10)式使[Si]、[Mn]燒損，形成熔渣。同時(shí)，(Fe3O4)熔渣蒸發(fā)形成的氣體排斥力Fq增大所致(圖2)。

對(duì)于實(shí)心焊絲而言，例如無鍍銅焊絲表面涂有特殊用途涂層時(shí)，熔滴過渡指數(shù)和過渡形態(tài)得以改善，則是由于涂層中的低電離活性元素，提高了電子發(fā)射能力，使弧柱擴(kuò)展，弧根面積擴(kuò)大，向上的斑點(diǎn)壓力Fb減小所致(圖9[10-11])。其中，保護(hù)氣體80% Ar+20% CO2，焊絲直徑1.2 mm，焊接電流260 A。

圖2 蒸氣壓力與單位藥芯百分比熔滴直徑變化間的關(guān)系

圖3 藥芯中TiO2含量對(duì)熔滴過渡的影響

圖4 藥芯中Si-Fe含量對(duì)熔滴過渡的影響

圖5 藥芯中Mn-Fe含量對(duì)熔滴過渡的影響

圖6 藥芯中鐵粉含量對(duì)熔滴過渡的影響

圖7 藥芯中CaF2含量對(duì)熔滴過渡的影響[9]

總之，焊絲成分(單獨(dú)作用)對(duì)熔滴過渡形態(tài)的影響比較明顯。對(duì)藥芯焊絲來說，能改善過渡形態(tài)的添加物是TiO2, Si-Fe, Al2O3和SiO2；略有改善的是Mn-Fe；改善不明顯的是鐵粉和MnO；沒有改善的是Fe3O4；惡化熔滴過渡的是CaF2。實(shí)心焊絲中無鍍銅焊絲表面的涂層有利于改善熔滴過渡形態(tài)。

圖8 藥芯中Al2O3含量對(duì)熔滴過渡的影響

圖9 2種焊絲熔滴過渡形態(tài)

4.2 焊接工藝參數(shù)的影響

2種焊絲工藝參數(shù)對(duì)熔滴過渡形態(tài)的影響見表6(100% CO2氣體保護(hù))。對(duì)于藥芯焊絲，其影響如下：①焊接電流增大時(shí)，熔滴過渡指數(shù)和過渡形態(tài)得以改善(圖10[9])。這是由于作用在熔滴上向上的表面張力Fσ減小及向下的電磁力Fem增大所致；②電弧電壓增大時(shí)，熔滴過渡指數(shù)和過渡形態(tài)變化不明顯(圖11[9])。這是由于與實(shí)心焊絲不同，藥芯的作用使熔滴過渡主導(dǎo)力變化不大所致；③保護(hù)氣體成分。隨氣體中Ar含量的增大，熔滴過渡指數(shù)和過渡形態(tài)得以改善，排斥過渡變?yōu)檩S向過渡(圖12[12])。這是由于作用在熔滴上向上的斑點(diǎn)壓力Fb減小、向下的電磁力Fem增大所致；④焊絲截面形狀。當(dāng)“O”形截面變?yōu)椤癟”形截面時(shí)，熔滴過渡指數(shù)和過渡形態(tài)有微小變化，焊絲端渣柱消失(圖13[9])。這是由于作用在熔滴上向上的主導(dǎo)力變化不大，以及“T”形截面金屬將渣柱熔化所致；⑤藥芯填充率。隨藥芯填充率增大，熔滴過渡指數(shù)和過渡形態(tài)得以改善(圖14[9])。

表6 焊接工藝參數(shù)對(duì)熔滴過渡形態(tài)的影響

圖10 焊接電流與熔滴過渡間的關(guān)系

圖11 電弧電壓與熔滴過渡間的關(guān)系

圖12 相同送絲速度和電弧電壓、不同保護(hù)氣體

條件下的熔滴過渡形態(tài)這是由于作用在熔滴上向上的表面張力Fσ，以及斑點(diǎn)壓力Fb減小所致。

圖13 焊絲截面形狀對(duì)熔滴過渡的影響(φ1.6, YFW24, 300 A)

圖14 焊絲填充率對(duì)熔滴過渡的影響(φ1.6，YFW24，300 A)

對(duì)于實(shí)心焊絲，其影響如下：①焊接電流增大時(shí)，熔滴過渡指數(shù)和過渡形態(tài)得以改善。其原因與藥芯焊絲相同，即作用在熔滴上向上的表面張力Fσ減小及向下的電磁力Fem增大所致；②電弧電壓增大時(shí)，熔滴過渡指數(shù)和過渡形態(tài)未改善。其原因是基于最小電壓原理，即隨電弧電壓增大，弧根面積減小，作用在熔滴上向上的斑點(diǎn)壓力Fb增大所致；③焊絲直徑減小時(shí)，熔滴過渡指數(shù)和過渡形態(tài)得以改善。這是由于作用在熔滴上向上的斑點(diǎn)壓力Fb減小所致；④電源極性。直流反接性時(shí)，熔滴過渡指數(shù)和過渡形態(tài)得以改善。這是由于作用在熔滴上的斑點(diǎn)壓力Fb減小所致；⑤保護(hù)氣體成分。隨氣體中Ar含量的增大，熔滴過渡指數(shù)和過渡形態(tài)得以改善。其原因與藥芯焊絲相同，即作用在熔滴上向上的斑點(diǎn)壓力Fb減小、向下的電磁力Fem增大所致。

綜上所述，焊絲的工藝參數(shù)對(duì)熔滴過渡形態(tài)有重要影響。對(duì)于藥芯焊絲而言，能改善熔滴過渡形態(tài)的參數(shù)及變化是增大焊接電流、增大保護(hù)氣中的Ar含量及增大藥芯填充率；提高電弧電壓和改變截面形狀對(duì)熔滴過渡形態(tài)影響不明顯。對(duì)實(shí)心焊絲而言，能改善熔滴過渡形態(tài)的參數(shù)及變化是增大焊接電流、減小焊絲直徑、增大保護(hù)氣中的Ar含量，以及采用直流反極性；升高電弧電壓及采用直流正極性未能改善熔滴過渡形態(tài)。

5 結(jié)論

(1)GMAW電弧中發(fā)生的主要冶金反應(yīng)是氣體分解、脫氧及滲硅增氧等，對(duì)作用于熔滴上的主導(dǎo)力產(chǎn)生不同的影響。

(2)GMAW電弧焊中主要的過渡形態(tài)是滴狀過渡和短路過渡形態(tài)。對(duì)于噴射過渡形態(tài)，則需要滿足富氬混合保護(hù)氣體及其他必備的條件。

(3)GMAW冶金反應(yīng)與熔滴過渡形態(tài)間的關(guān)系，取決于熔滴過渡的力學(xué)條件，當(dāng)冶金反應(yīng)促使F分離力增大，或促使F保持力減小時(shí)，熔滴過渡形態(tài)得以改善。

(4)能改善藥芯焊絲熔滴過渡形態(tài)的藥芯添加物是TiO2, Si-Fe, Al2O3和SiO2，無鍍銅焊絲的涂層成分有利改善熔滴過渡形態(tài)。

(5)能改善藥芯焊絲熔滴過渡形態(tài)的焊接參數(shù)及其變化是增大焊接電流、增大保護(hù)氣中的Ar含量及增大藥芯填充率；能改善實(shí)心焊絲熔滴過渡形態(tài)的焊接參數(shù)及變化是增大焊接電流、減小焊絲直徑、增大保護(hù)氣中的Ar含量及采用直流反極性。