夏立乾

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

熔化極氣體保護(hù)焊方法中把焊絲作為電極,焊絲因電弧熱而產(chǎn)生熔化,并成為熔滴向熔池過(guò)渡。焊接過(guò)程的穩(wěn)定與否,直接關(guān)系到焊縫的成形情況、缺陷的形成和焊接接頭的質(zhì)量。焊接保護(hù)氣體作為熔化極氣體保護(hù)焊中的一項(xiàng)重要影響因素,有研究表明,焊接保護(hù)氣體的不同選擇,會(huì)對(duì)焊接電弧的溫度分布、熔滴的過(guò)渡模式、熔池的形態(tài)、焊縫的成形以及最終焊接接頭的力學(xué)性能造成影響[1-4]。在焊接過(guò)程中,每當(dāng)熔滴從焊絲端部脫落時(shí),就斷續(xù)性使電弧長(zhǎng)度發(fā)生變化。因此過(guò)渡熔滴的大小、形狀、過(guò)渡頻率決定著電弧的穩(wěn)定性,對(duì)焊接操作性及焊縫品質(zhì)構(gòu)成影響[5]。為了研究焊接保護(hù)氣體對(duì)熔滴過(guò)渡過(guò)程的影響,從而為氣體的選擇提供指導(dǎo),選用了典型的二元?dú)怏w、三元?dú)怏w、四元?dú)怏w不同的組分配比,開(kāi)展焊接工藝性能試驗(yàn),對(duì)比不同焊接保護(hù)氣體組分和配比對(duì)焊接過(guò)程的影響。

1 試驗(yàn)過(guò)程

焊接設(shè)備為Fronius TranSteel 5000型氣體保護(hù)焊焊機(jī),拍攝設(shè)備為PHANTOM VEO710L型高速攝像機(jī),焊接材料為直徑1.2 mm超高強(qiáng)氣體保護(hù)焊焊絲,其熔敷金屬力學(xué)性能如表1所示,試樣平臺(tái)的搭設(shè)如圖1所示。

表1 超高強(qiáng)焊絲熔敷金屬力學(xué)性能

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)

固定焊絲干伸長(zhǎng)度,采用大電流參數(shù)規(guī)范在平焊位置進(jìn)行堆焊試驗(yàn),改變保護(hù)氣體組分,由此來(lái)對(duì)比研究保護(hù)氣體對(duì)大電流焊接時(shí)的工藝穩(wěn)定性影響。實(shí)際焊接試驗(yàn)中,將干伸長(zhǎng)設(shè)定為16 mm,電流360 A進(jìn)行焊接,具體的焊接參數(shù)如表2所示。由于采用的焊接保護(hù)氣體的差異,焊接電壓會(huì)存在差異。

表2 焊接工藝參數(shù)

焊接過(guò)程中,利用高速攝像機(jī)以5 000幀/s記錄下電弧微區(qū)影像。高速攝像機(jī)與照明激光設(shè)置在同一側(cè),通過(guò)激光強(qiáng)度和攝像機(jī)曝光設(shè)置,使畫(huà)面可以記錄下電弧形態(tài)和熔滴過(guò)渡的信息。采用不同保護(hù)氣體的焊接過(guò)程如圖2所示。

圖2 焊接過(guò)程高速攝影圖像

如圖3所示,經(jīng)過(guò)對(duì)焊接過(guò)程的觀察與分析,利用示意圖對(duì)其進(jìn)行描述。從電弧形態(tài)上看,二元?dú)怏w焊接時(shí)電弧成半圓狀,電弧覆蓋范圍最寬；三元?dú)怏w焊接時(shí)電弧成鐘狀,電弧高度最大；四元?dú)怏w焊接時(shí)電弧成掃帚狀,電弧最矮也最窄。

圖3 熔滴過(guò)渡及電弧形態(tài)示意圖

從熔滴過(guò)渡的形式上看,采用二元?dú)怏w作為保護(hù)氣氛焊接時(shí),焊絲熔化后,電弧會(huì)將熔滴托起,熔滴不斷長(zhǎng)大,有的熔滴過(guò)渡到熔池當(dāng)中,有的熔滴從電弧上方甩出。采用三元?dú)怏w作為保護(hù)氣氛焊接時(shí),焊絲熔化后熔滴在電弧內(nèi)部長(zhǎng)大,形成大小不一的熔滴,從焊絲端部脫落并落入熔池當(dāng)中。采用四元?dú)怏w作為保護(hù)氣氛焊接時(shí),焊絲熔化后在電弧內(nèi)部成流水狀過(guò)渡到熔池當(dāng)中。

2 分析與討論

焊接電弧中焊絲前端的熔化金屬脫離、過(guò)渡到熔池當(dāng)中,其主要受到的作用力有:重力、表面張力、電磁力、摩擦力等,如圖4所示[5]。在大電流規(guī)范的焊接過(guò)程中,電磁力對(duì)熔滴脫落、熔滴過(guò)渡的影響是非常大的,起到了不可忽略的作用。

圖4 熔滴所受作用力示意圖

采用二元?dú)怏w焊接時(shí),電弧形態(tài)寬矮,處于焊絲端部熔化液體的下方,此時(shí)電磁力向上作用,阻礙熔滴向熔池的過(guò)渡。在大電流焊接時(shí),較大的電磁力將熔滴托起,甚至是拋出電弧范圍造成飛濺,呈現(xiàn)出排斥過(guò)渡的形式。采用三元?dú)怏w焊接時(shí),熔滴在表面張力的作用下不斷長(zhǎng)大,一部分電磁力使熔滴發(fā)生收縮,一部分電磁力向下將熔滴推向熔池,故形成了上述大滴過(guò)渡的形式；采用四元?dú)怏w焊接時(shí),焊絲金屬熔化形成細(xì)小的液滴或是連續(xù)的液體柱,在電磁力的作用下驅(qū)使液體從頸縮部位向膨脹部位流動(dòng),即促使熔滴向熔池的過(guò)渡,呈現(xiàn)出射流過(guò)渡的形式。

從不同成分保護(hù)氣體作用的角度進(jìn)行分析:CO2熱導(dǎo)率較大,并且CO2分解后產(chǎn)生CO和自由氧,使得電弧冷卻,對(duì)弧柱起到壓縮作用。使用80%Ar+20%CO2保護(hù)氣體時(shí),電弧收縮集中在熔滴底部的一個(gè)窄小區(qū)域,阻礙了熔滴的過(guò)渡。O2的存在有利于克服電弧的陰極飄逸現(xiàn)象,增加電弧的穩(wěn)定。同時(shí)能降低熔池的表面張力,可以改善圓潤(rùn)性,減小熔滴尺寸。使用85%Ar+10%CO2+5%O2保護(hù)氣體時(shí),電弧可以將焊絲末端包覆其中,而未被過(guò)度壓縮。He具有較高的電離能,能夠提高電弧能量,改變電弧形態(tài),使得電弧挺度增加。采用65%Ar+26.5%He+8%CO2+0.5%O2保護(hù)氣體時(shí),其電弧較矮且形態(tài)最利于熔化的液體向熔池進(jìn)行過(guò)渡。

3 結(jié)論

通過(guò)高速攝影對(duì)焊接過(guò)程的電弧形態(tài)和熔滴過(guò)渡行為進(jìn)行分析,對(duì)比了不同保護(hù)氣體組分對(duì)焊接穩(wěn)定性的影響。

(1) 在大電流規(guī)范時(shí),采用二元、三元、四元保護(hù)氣體分別呈現(xiàn)出排斥過(guò)渡、大滴過(guò)渡和射流過(guò)渡的不同熔滴過(guò)渡形式。

(2) 電弧形態(tài)的不同,電磁力對(duì)于熔滴的過(guò)渡也會(huì)有阻礙和促進(jìn)的區(qū)別。

(3) 對(duì)于本文采用的三種焊接保護(hù)氣體,四元保護(hù)氣相比于三元和二元保護(hù)氣可以提高焊接過(guò)程的穩(wěn)定性。