0前言
熔滴過(guò)渡是非常重要的焊接冶金過(guò)程｡它不僅決定著焊條､焊絲的工藝性能,而且對(duì)焊接化學(xué)冶金反應(yīng)､焊縫成形甚至接頭的力學(xué)性能也有影響｡手工焊條熔滴過(guò)渡的形態(tài)主要受兩種力的作用[1]｡對(duì)實(shí)芯焊絲[2]通常把熔滴過(guò)渡分為自由過(guò)渡､接觸過(guò)渡及渣保護(hù)過(guò)渡｡并且從焊接工藝參數(shù)､電源外特性方面對(duì)熔滴過(guò)渡的影響進(jìn)行了大量的研究[3,4],一致認(rèn)為MIG焊時(shí),當(dāng)焊接電流大于某臨界電流,出現(xiàn)噴射過(guò)渡時(shí),焊絲的工藝性能最好｡對(duì)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(dòng)力對(duì)熔滴過(guò)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(shí)芯焊絲相似,電磁收縮力､斑點(diǎn)壓力和等離子流力對(duì)熔滴過(guò)渡的影響加強(qiáng)｡從藥芯組成和配比､焊接工藝參數(shù)以及電源外特性3方面來(lái)控制和改善熔滴過(guò)渡的形態(tài)､特征｡這3個(gè)方面歸根到底是通過(guò)改變?nèi)鄣蔚氖軣?#65380;受力情況來(lái)控制熔滴過(guò)渡的｡本文將從藥芯組成及焊接工藝參數(shù)兩個(gè)方面來(lái)研究其對(duì)熔滴過(guò)渡的影響｡相信這些工作不僅對(duì)改進(jìn)自保護(hù)藥芯焊絲工藝性能,而且對(duì)提高焊絲的力學(xué)性能以及改善電源動(dòng)特性,都具有重要的參考價(jià)值｡
1試驗(yàn)方法
在標(biāo)準(zhǔn)的焊接工藝參數(shù)下施焊,對(duì)表1的焊絲在自制的自保護(hù)藥芯焊絲熔滴過(guò)渡高速攝影裝置上進(jìn)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(zhǔn)確判斷熔滴過(guò)渡的形態(tài)｡在研究藥芯組成､配比對(duì)熔滴過(guò)渡的影響時(shí),在基礎(chǔ)配方上系統(tǒng)地改變長(zhǎng)石等藥芯組成的比例見(jiàn)表1｡在考察藥芯組成的影響時(shí),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(duì)熔滴過(guò)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(shí),共配制拉拔14種焊絲｡在焊接工藝參數(shù)對(duì)熔滴過(guò)渡的影響試驗(yàn)中,采用美國(guó)Lincoln公司的NR311,圍繞標(biāo)準(zhǔn)工藝參數(shù),改變電流,電壓值以觀察其對(duì)熔滴過(guò)渡特性的影響｡焊接工藝參數(shù)的變化見(jiàn)表2｡
2 試驗(yàn)結(jié)果
經(jīng)過(guò)大量高速攝影資料的觀察､判讀,藥芯組成和配比對(duì)熔滴過(guò)渡形態(tài)及特征參數(shù)的影響統(tǒng)計(jì)于表3｡電流､電壓對(duì)熔滴過(guò)渡及特征參數(shù)的影響統(tǒng)計(jì)列表4｡
3分析與討論
決定焊絲熔滴過(guò)渡形態(tài)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(shù)對(duì)熔滴過(guò)渡的影響,首先分析自保護(hù)藥芯焊絲熔滴的受力情況｡
3.1 自保護(hù)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(hù)藥芯焊絲的熔滴一般比焊條熔滴大,故重力也較大｡平焊時(shí)促進(jìn)熔滴過(guò)渡｡其他位置焊接時(shí),阻礙熔滴過(guò)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(guò)渡｡在熔滴短路時(shí),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(guān)｡由于液面彎曲,將產(chǎn)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(dāng)|ρr|>|ρa(bǔ)|時(shí),表面張力總的作用是促使液橋金屬向熔池中過(guò)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(guān)｡
(3)斑點(diǎn)壓力:電弧中的正離子和電子在電弧附近電極區(qū)的電場(chǎng)作用下被加速,分別撞擊陰極斑點(diǎn)和陽(yáng)極斑點(diǎn)而產(chǎn)生的沖力｡陰極斑點(diǎn)受到的正離子沖力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陽(yáng)極斑點(diǎn)受到的電子沖力｡因此自保護(hù)藥芯焊絲多采用直流反接,以利熔滴過(guò)渡｡
(4)氣體動(dòng)力:在自保護(hù)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(guò)的氣體摩擦力引起｡通常也稱為氣體吹力｡當(dāng)氣體吹力不太大時(shí),有利于熔滴過(guò)渡;當(dāng)氣體吹力過(guò)大時(shí),可使熔滴上翅,阻礙過(guò)渡｡另一種氣體動(dòng)力,實(shí)質(zhì)是指CO引起的膨脹力｡CO氣體動(dòng)力適當(dāng),促進(jìn)生成二次熔滴,提高顆粒過(guò)渡､射滴過(guò)渡的比例｡如果CO氣體動(dòng)力過(guò)大,將會(huì)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(duì)熔滴過(guò)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(guān)｡自保護(hù)藥芯焊絲焊接時(shí),弧根面積越大,電磁力越有利于過(guò)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(chǎn)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(guò)渡,并和電流大小成正比｡從以上對(duì)自保護(hù)藥芯焊絲熔滴的受力分析,可以得出促進(jìn)過(guò)渡的力:等離子流力,重力(平焊)阻礙過(guò)渡的力:斑點(diǎn)壓力,表面張力｡有可能促進(jìn)過(guò)渡的力:電磁力､氣體動(dòng)力｡自保護(hù)藥芯焊絲熔滴受力的示意圖見(jiàn)圖1｡藥芯組成主要影響表面張力和氣體動(dòng)力而焊接工藝參數(shù)主要影響電磁力和等離子流力｡從這兩個(gè)方面研究熔滴過(guò)渡的行為,對(duì)改善自保護(hù)藥芯焊絲熔滴過(guò)渡形態(tài)具有重要意義｡
3.2 藥芯組成､配比對(duì)熔滴過(guò)渡形態(tài)的影響
由表3可見(jiàn),隨著長(zhǎng)石和表面活性添加劑的增加,外擺短路過(guò)渡的比例､爆炸過(guò)渡的比例下降,顆粒過(guò)渡的比例略有增加｡這是因?yàn)殚L(zhǎng)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(guò)渡的比例,同時(shí)也使爆炸過(guò)渡的比例減小,因?yàn)檫^(guò)渡頻率加快,氣體動(dòng)力作用的積累時(shí)間減小｡隨著高碳錳鐵､石墨和碳酸鹽的增大,顆粒過(guò)渡､射滴過(guò)渡､爆炸過(guò)渡的比例略有增加｡其他形式的過(guò)渡沒(méi)有明顯的規(guī)律性｡可以這樣解釋這一現(xiàn)象｡高碳錳鐵､石墨的加入,使藥芯中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,CO氣體動(dòng)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(guò)渡都和二次熔滴的產(chǎn)生關(guān)系較大｡圖2是二次熔滴產(chǎn)生的模型及對(duì)應(yīng)的高速攝影片｡電弧中因CO生成及渣-金屬冶金反應(yīng),使熔滴中溶入了一定量的CO氣體,可能在熔滴某點(diǎn)形成CO氣泡見(jiàn)圖2的2,隨著氣體動(dòng)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(jiàn)適當(dāng)增大CO氣體動(dòng)力,有利于顆粒過(guò)渡､射滴過(guò)渡的形成｡由表3還可發(fā)現(xiàn),隨著強(qiáng)還原劑和生石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,外擺短路過(guò)渡的比例增大｡因?yàn)樯液蛷?qiáng)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(qiáng)還原劑的增加,使脫氧更徹底,CO氣體動(dòng)力降低,所以外擺短路過(guò)渡的比例增加｡而整個(gè)自由飛渡的比例相對(duì)于CO氣體動(dòng)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(guò)渡的形態(tài)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(duì)熔滴過(guò)渡形態(tài)有影響,使用一種碳酸鹽時(shí)外擺短路過(guò)渡的比例比多種碳酸鹽時(shí)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(duì)短路時(shí)間的影響
由表3可知藥芯組成配比對(duì)短路非爆炸附渣過(guò)渡時(shí)間的影響｡隨著長(zhǎng)石､表面活性劑的增加對(duì)短路過(guò)渡的時(shí)間影響不大,這是因?yàn)楸砻鎻埩ο鄬?duì)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(guò)渡､射滴過(guò)渡的時(shí)間減小｡因?yàn)?/SPAN>CO氣體動(dòng)力增大｡對(duì)短路非爆炸附渣過(guò)渡時(shí)間開始基本沒(méi)有影響,最后使過(guò)渡時(shí)間減小｡這是因?yàn)樘际菑?qiáng)還原劑,使熔滴氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低,表面張力增大,同時(shí)碳酸鹽分解后的氧化物也使熔滴表面張力增大,對(duì)短路過(guò)渡,表面張力是促使過(guò)渡的力,因而使短路非爆炸過(guò)渡時(shí)間減小｡強(qiáng)還原劑和生石灰的變化,使短路非爆炸過(guò)渡時(shí)間減小,使顆粒過(guò)渡､射滴過(guò)渡的時(shí)間略有增長(zhǎng)｡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(duì)熔滴過(guò)渡的形態(tài)和參數(shù)都有影響,減小熔滴表面張力,適當(dāng)增大氣體動(dòng)力,有助于形成更多的顆粒過(guò)渡､射滴過(guò)渡｡但同時(shí)注意不能使氣體動(dòng)力過(guò)大,否則會(huì)增大短路非爆炸過(guò)渡的時(shí)間,影響焊絲熔化效率｡更重要的是使焊絲保護(hù)效果下降､造成飛濺｡因此要兼顧表面張力和氣體動(dòng)力兩方面的影響｡
3.4 焊接工藝參數(shù)對(duì)熔滴過(guò)渡的影響
由表4可以看出,電流增大,短路非爆炸附渣過(guò)渡､短路爆炸過(guò)渡以及爆炸過(guò)渡的比例增大｡而顆粒過(guò)渡､射滴過(guò)渡的比例減小｡這是因?yàn)殡娏髟龃?/SPAN>,等離子流力､電磁收縮力增大｡一方面促使短路過(guò)渡的發(fā)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(shí)過(guò)渡的頻率加快,顆粒過(guò)渡､射滴過(guò)渡的二次熔滴不易產(chǎn)生,過(guò)渡的比例降低｡電流增大對(duì)短路非爆炸附渣過(guò)渡的時(shí)間有較大影響,圖3是電流為180A和360A時(shí),短路非爆炸附渣過(guò)渡時(shí)間的直方圖,可見(jiàn)電流值增大2ms､4ms以下的過(guò)渡比例增加,8ms以上的過(guò)渡比例減少｡
由表4可見(jiàn):電壓增大短路爆炸過(guò)渡､顆粒過(guò)渡的比例增加｡因?yàn)殡妷涸龃?/SPAN>,弧長(zhǎng)變長(zhǎng),相應(yīng)短路過(guò)渡時(shí)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(guò)渡時(shí)發(fā)生爆炸,形成短路爆炸過(guò)渡｡顆粒過(guò)渡的比例增加是因?yàn)榛￠L(zhǎng)增大后,原來(lái)進(jìn)行短路過(guò)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(guò)渡｡焊絲工藝性表現(xiàn)為小顆粒飛濺增多,大顆粒飛濺增少｡電壓變化對(duì)短路非爆炸附渣過(guò)渡時(shí)間的影響見(jiàn)圖4,可見(jiàn)電壓增大,6ms到8ms內(nèi)的過(guò)渡比例增大｡所以電壓增大的一個(gè)明顯變化是短路爆炸過(guò)渡的比例增大,短路非爆炸附渣過(guò)渡的時(shí)間增長(zhǎng),從而使保護(hù)效果下降,生成氣孔的可能性增加｡
圖4 電壓對(duì)短路非爆炸附渣過(guò)渡時(shí)間的影響綜上所述,焊接工藝參數(shù)中電流電壓對(duì)自保護(hù)藥芯焊絲熔滴過(guò)渡形態(tài)及特征參數(shù)均有影響,從而影響著藥芯焊絲工藝性能､保護(hù)效果以及焊絲的力學(xué)性能｡選擇一個(gè)合適的焊接工藝參數(shù)對(duì)自保護(hù)藥芯焊絲尤為重要｡
4 結(jié)論
(1)適當(dāng)增加氣體動(dòng)力即增大藥芯中C､O質(zhì)量分?jǐn)?shù),添加表面活性劑,可提高顆粒過(guò)渡､射滴過(guò)渡的比例｡但同時(shí)注意不能使氣體動(dòng)力過(guò)大,否則會(huì)增大短路非爆炸過(guò)渡的時(shí)間,影響焊絲熔化效率｡更重要的是使焊絲保護(hù)效果下降､造成飛濺｡
(2)多種氟化物與一種氟化物從熔滴過(guò)渡的形態(tài)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(duì)熔滴過(guò)渡形態(tài)有影響,使用一種碳酸鹽時(shí)外擺短路過(guò)渡的比例比多種碳酸鹽時(shí)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(guò)渡､短路爆炸過(guò)渡及爆炸過(guò)渡的比例增大｡顆粒過(guò)渡､射滴過(guò)渡的比例減小｡電壓增大使短路爆炸過(guò)渡､顆粒過(guò)渡的比例增加｡電流電壓同樣也對(duì)過(guò)渡時(shí)間有影響｡而過(guò)渡時(shí)間對(duì)熔滴保護(hù)效果以及飛濺大小有重要影響｡
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