自保護(hù)藥芯焊絲弧橋并存過(guò)渡試驗(yàn)分析

王志明，劉海云，王 勇，張英喬

(1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；2.中北大學(xué)，山西 太原 030051)

自保護(hù)藥芯焊絲弧橋并存過(guò)渡試驗(yàn)分析

王志明1，劉海云1，王 勇1，張英喬2

(1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；2.中北大學(xué)，山西 太原 030051)

采用高速攝影、漢諾威弧焊質(zhì)量分析儀和體式顯微鏡對(duì)自保護(hù)藥芯焊絲弧橋并存過(guò)渡特征和過(guò)渡機(jī)理進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：弧橋并存過(guò)渡是一種液橋持續(xù)存在的同時(shí)電弧不熄滅的熔滴過(guò)渡模式，是自保護(hù)藥芯焊絲主要熔滴過(guò)渡模式之一；電弧電壓和焊接電流波形沒(méi)有短路過(guò)渡特征，表現(xiàn)為一定范圍內(nèi)小幅波動(dòng)，與弧橋并存過(guò)渡特征相對(duì)應(yīng)；電壓概率密度分布曲線和電流概率密度曲線都沒(méi)有短路過(guò)渡的特征；弧橋并存過(guò)渡的液橋是由熔融渣包裹液態(tài)金屬混合形成的；自保護(hù)藥芯焊絲弧橋并存過(guò)渡主要是在表面張力和電磁收縮力的共同作用下完成。

自保護(hù)藥芯焊絲；弧橋并存過(guò)渡；電弧參數(shù)；熔滴過(guò)渡

0 前言

熔滴過(guò)渡是重要的電弧物理現(xiàn)象，它對(duì)焊條或者焊絲的工藝性產(chǎn)生直接影響?？梢哉f(shuō)，熔滴過(guò)渡的穩(wěn)定性決定了焊接過(guò)程的穩(wěn)定性，而焊接過(guò)程的穩(wěn)定性對(duì)焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響。研究者對(duì)自保護(hù)藥芯焊絲熔滴過(guò)渡和電弧特性做了許多試驗(yàn)研究工作。潘川等人認(rèn)為自保護(hù)藥芯焊絲的熔滴過(guò)渡形式與焊接工藝密切相關(guān)，隨著電壓的升高依次呈現(xiàn)短路附渣過(guò)渡、非短路附渣過(guò)渡、顆粒過(guò)渡，但是非短路附渣過(guò)渡是自保護(hù)藥芯焊絲的主要過(guò)渡形式。栗卓新等人[1]從藥芯組成和焊接工藝兩方面對(duì)自保護(hù)藥芯焊絲熔滴過(guò)渡的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)增加藥芯中的w(C)、w(O)，添加表面活性劑可增加顆粒過(guò)渡、射滴過(guò)渡的比例。文獻(xiàn)[2]認(rèn)為，自保護(hù)藥芯焊絲熔滴過(guò)渡形式可分為弧橋并存過(guò)渡、排斥過(guò)渡和細(xì)顆粒過(guò)渡，弧橋并存過(guò)渡是主要的過(guò)渡模式。弧橋并存過(guò)渡形態(tài)的特點(diǎn)是液橋持續(xù)存在的同時(shí)電弧不熄滅，可分為弧橋并存爆炸過(guò)渡和弧橋并存表面張力過(guò)渡。弧橋并存過(guò)渡由于液橋的分流作用，在一定程度上減小了熔滴過(guò)渡過(guò)程中發(fā)生電爆炸的幾率，有利于工藝性的改善。然而，對(duì)于弧橋并存過(guò)渡的過(guò)程、液橋的結(jié)構(gòu)和組成以及熔滴的受力情況等在文獻(xiàn)[2]中沒(méi)有說(shuō)明。本研究在自保護(hù)藥芯焊絲弧橋并存過(guò)渡特征試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，從弧橋并存過(guò)渡液橋結(jié)構(gòu)和受力分析方面入手，試驗(yàn)探討了弧橋并存過(guò)渡的受力情況和過(guò)程機(jī)理，對(duì)自保護(hù)藥芯焊絲的研發(fā)和焊接質(zhì)量改進(jìn)提供實(shí)際的參考意義。

1 試驗(yàn)及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用焊絲是Hobart公司的Fabshield 81N1焊絲，藥芯為高氟化物型渣系，直徑φ 2.0 mm，截面形狀為O型。為便于高速攝影拍攝，試驗(yàn)?zāi)覆牟捎肣235鋼管，直徑φ 80 mm，壁厚10 mm。

1.2 試驗(yàn)方法

采用中國(guó)科學(xué)院西安光機(jī)所研制的LBS-16型高速攝影機(jī)對(duì)兩種焊絲的熔滴過(guò)渡進(jìn)行拍照，拍攝速度2000f／s。采用漢諾威弧焊質(zhì)量分析儀測(cè)試兩種焊絲的電弧參數(shù)，測(cè)試時(shí)間10 s。

在正常焊接時(shí)突然移開(kāi)電弧，保留焊絲端頭的熔化狀態(tài)，將端頭剪下制成試樣，沿縱向中心剖面，磨制試樣，采用體式顯微鏡放大7倍，對(duì)焊絲熔化端頭進(jìn)行觀察拍照。

試驗(yàn)采用小電流(25V／210A)和大電流(25V／280A)兩個(gè)焊接規(guī)范，采用時(shí)代公司生產(chǎn)的NB-500型直流弧焊機(jī)，直流正接極性，送絲速度分別為4.1m／min、2.8 m／min，焊接速度分別為31 cm／min、21 cm／min。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 弧橋并存過(guò)渡特征

高速攝影試驗(yàn)結(jié)果表明，自保護(hù)藥芯焊絲在小參數(shù)25 V／210 A和大參數(shù)25 V／280 A、直流正接的焊接工藝條件下，弧橋并存過(guò)渡是其主要的過(guò)渡模式之一，特點(diǎn)是液相橋或者渣橋存在的同時(shí)電弧不熄滅，如圖1和圖2所示，也就是說(shuō)，這是一種液橋與電弧同時(shí)存在的熔滴過(guò)渡形態(tài)。

觀察弧橋并存過(guò)渡過(guò)程發(fā)現(xiàn)，弧橋并存過(guò)渡表現(xiàn)為液橋的爆炸過(guò)渡和液橋的表面張力過(guò)渡?；虿⒋姹ㄟ^(guò)渡是液相橋在持續(xù)到一定程度后發(fā)生爆炸斷裂，實(shí)現(xiàn)熔滴部分過(guò)渡，如圖1a和圖2b所示，這種爆炸在液橋較細(xì)時(shí)不太劇烈，類似于繃斷；而當(dāng)液橋較粗時(shí)，爆炸比較劇烈，會(huì)產(chǎn)生一定的飛濺，如圖2b所示?；虿⒋姹砻鎻埩^(guò)渡是液相橋和熔池持續(xù)接觸，熔化金屬或熔融渣在表面張力作用下過(guò)渡到熔池，隨后液橋在電磁收縮力和表面張力的作用下產(chǎn)生頸縮后斷開(kāi)，形成所謂的表面張力過(guò)渡，如圖1b和2a所示。

圖1 自保護(hù)藥芯焊絲弧橋并存過(guò)渡(25 V／210 A)

圖2 自保護(hù)藥芯焊絲弧橋并存過(guò)渡(25 V／280 A)

2.2 弧橋并存過(guò)渡電弧參數(shù)特征

采用漢諾威弧焊質(zhì)量分析儀測(cè)定的自保護(hù)藥芯焊絲電弧電壓和焊接電流波形如圖3所示。

由圖3可知，自保護(hù)藥芯焊絲熔滴過(guò)渡的電壓波形有類似短路過(guò)渡的波動(dòng)特征，但是波動(dòng)比較小，沒(méi)有陡降到10 V(短路電壓閾值)以下；電流波形也表現(xiàn)為相應(yīng)的規(guī)律。焊接電壓和電流波形曲線的特征，不同于短路過(guò)渡，表現(xiàn)為短路橋部分導(dǎo)電和電弧同時(shí)存在的特征。

兩種焊接規(guī)范下自保護(hù)藥芯焊絲電弧電壓概率密度分布如圖4所示。由圖4可知，曲線都不具有短路過(guò)渡的“雙駝峰”形狀，理論上“小駝峰”區(qū)域的大小反映的是短路過(guò)程占整個(gè)測(cè)試過(guò)程的比重，而且“小駝峰”的短路電壓應(yīng)在5 V以下。本試驗(yàn)中沒(méi)有“小駝峰”的特征，不是短路過(guò)渡的電弧電壓特征，說(shuō)明焊絲沒(méi)有短路過(guò)渡現(xiàn)象。

圖5為兩種焊接規(guī)范下自保護(hù)藥芯焊絲的焊接電流概率密度分布圖。它反映在測(cè)試時(shí)間內(nèi)，統(tǒng)計(jì)的焊接電流隨機(jī)出現(xiàn)的概率密度分布。圖5中只有一個(gè)明顯的駝峰，反映電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)電流的概率密度分布。駝峰的右邊反映熔滴過(guò)渡引起的焊接電流增大的電流概率，曲線越靠近右邊且電流越大，熔滴短路過(guò)渡的比例就越多。焊絲的電流大部分集中在210 A和280 A，小參數(shù)下大電流的數(shù)值不高，所占比例也不多，說(shuō)明短路過(guò)渡幾乎不存在。焊接電流在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，符合弧橋并存過(guò)渡的電流波動(dòng)的分布特征。

圖3 自保護(hù)藥芯焊絲電壓電流波形

圖4 自保護(hù)藥芯焊絲電弧電壓概率密度分布

2.3 弧橋并存過(guò)渡熔滴的結(jié)構(gòu)特征

將焊絲熔化端頭縱向鑲嵌，拋磨后采用體式顯微鏡對(duì)其拍照，典型的熔化端頭特征如圖6所示。

由圖6可知，金屬熔滴被熔渣不完全包裹，金屬熔滴的內(nèi)側(cè)有暴露的部分，電弧便在此處燃燒，致使鋼皮的另一側(cè)熔化變短，由于熔渣弱的導(dǎo)電性，致使整個(gè)熔滴與熔池接觸后形成不完全短路甚至不短路，因此，在“橋接”后電弧不熄滅，形成了既有液橋又有電弧存在的弧橋并存過(guò)渡形態(tài)。液橋具有一定的導(dǎo)通性，有部分電流流過(guò)液橋，隨著焊絲熔化，液橋的導(dǎo)通性也在不斷變化。

3 弧橋并存過(guò)渡機(jī)理

3.1 弧橋并存過(guò)渡“液橋”的形成

在渣與金屬的界面張力、金屬的表面張力、渣的表面張力和電弧的共同作用下形成了如圖7所示的熔融渣包裹著熔化金屬的狀態(tài)。

金屬熔滴的表面張力Fm要比液態(tài)熔渣的表面張力Fs大。加之本試驗(yàn)所選焊絲為高氟渣系，藥芯含有大量的螢石CaF2，其分解出的F-和Ca2+均為表面活性元素[3]，可大大降低液態(tài)熔渣的表面張力Fs和渣與金屬的界面張力Fsm，導(dǎo)致液態(tài)金屬的表面張力Fm遠(yuǎn)大于液態(tài)熔渣的表面張力Fs和渣與金屬的界面張力Fsm之和，使液態(tài)熔渣能夠很好地潤(rùn)濕液態(tài)金屬，形成了如圖6所示的現(xiàn)象。

圖5 自保護(hù)藥芯焊絲的電流概率密度分布

圖6 焊絲熔化端頭剖面

3.2 弧橋并存過(guò)渡的受力

對(duì)于金屬熔滴受力的研究已有很多。王寶[4]提出了氣體吹力和表面張力是焊條熔滴過(guò)渡的兩個(gè)主導(dǎo)力。Chen等人[7]研究了焊條的顆粒狀熔滴過(guò)渡，并指出導(dǎo)致熔滴過(guò)渡的力是表面張力，認(rèn)為由其他原因產(chǎn)生的力(如重力和電磁力)影響較小。

圖7 熔融渣與熔化金屬的潤(rùn)濕現(xiàn)象

經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，本研究認(rèn)為，自保護(hù)藥芯焊絲熔滴長(zhǎng)大后與熔池接觸產(chǎn)生“橋接”現(xiàn)象，電弧不熄滅，形成弧橋并存過(guò)渡，過(guò)渡的主要作用力為表面張力和電磁力，分別表示為F1和F2。

熔滴受到的表面張力F1是保持熔滴于焊絲端頭的主要作用力。所謂熔滴表面張力是金屬熔滴和熔融渣的界面張力與熔渣表面張力之和[6]。本研究中表面張力分兩部分：一是與焊絲端頭接觸的阻礙熔滴過(guò)渡的表面張力及界面張力；二是與熔池接觸的促進(jìn)熔滴過(guò)渡的界面張力。

電磁力F2是由流過(guò)液態(tài)熔滴和電弧的電流引起的[7-8]，取決于流過(guò)熔滴的電流的分散或聚集情況。當(dāng)電流分散時(shí)，洛倫茲力產(chǎn)生使熔滴脫離電極端頭的力；當(dāng)電流聚集時(shí)，洛倫茲力產(chǎn)生使阻礙熔滴脫離電極端頭的力。本研究的電磁力主要是指流經(jīng)液橋電流產(chǎn)生的對(duì)液橋有壓縮撕裂作用的電磁收縮力。

3.3 弧橋并存過(guò)渡機(jī)理分析

對(duì)自保護(hù)藥芯焊絲弧橋并存過(guò)渡時(shí)液橋的受力進(jìn)行分析，如圖8所示。

液橋具有部分導(dǎo)通性。隨著焊絲的熔化，電弧位置下移致使電弧變短，液橋的導(dǎo)通性增強(qiáng)，流經(jīng)液橋的電流增大，液橋在電磁收縮力F2的作用下頸縮并分成上下兩個(gè)部分，如圖8所示，上半部分液橋金屬受軸向電磁收縮力F22的作用向上收縮，下半部分液橋金屬受軸向電磁收縮力F22的作用向熔池過(guò)渡；徑向電磁收縮力F21水平壓縮液橋使其縮頸。而此時(shí)液橋受到的表面張力包括四個(gè)部分：在液橋與熔池接觸處，存在阻礙液橋鋪展的表面張力F13和促進(jìn)液橋鋪展過(guò)渡的界面張力F14；在頸縮處上部存在促使液橋金屬向焊絲端頭收縮的表面張力F11，而下部存在促使下部液橋金屬向熔池過(guò)渡的表面張力F12。

在電磁收縮力F2和表面張力F1的作用下，液橋縮頸處越來(lái)越細(xì)，此處的電流密度也急劇變大，產(chǎn)生電爆炸；有時(shí)液橋會(huì)發(fā)生瞬間的接觸導(dǎo)通，電流密度急劇增大，液橋產(chǎn)生爆炸；兩種情況都實(shí)現(xiàn)弧橋并存爆炸過(guò)渡。隨著液橋頸縮程度的增大，液橋內(nèi)部的液態(tài)金屬在上述表面張力和界面張力的作用下提前與焊絲端頭斷開(kāi)而過(guò)渡到熔池，隨后液橋在表面張力的作用下斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)弧橋并存表面張力過(guò)渡。

圖8 液橋受力分析

4 結(jié)論

(1)弧橋并存過(guò)渡是一種液橋持續(xù)存在的同時(shí)電弧不熄滅的熔滴過(guò)渡模式，是自保護(hù)藥芯焊絲的主要過(guò)渡模式之一。

(2)自保護(hù)藥芯焊絲的電弧電壓和焊接電流波形沒(méi)有短路過(guò)渡特征，表現(xiàn)為一定范圍內(nèi)的小幅波動(dòng)，與弧橋并存過(guò)渡特征相對(duì)應(yīng)。電壓概率密度分布曲線和電流概率密度分布曲線都不支持短路過(guò)渡的特征。

(3)弧橋并存過(guò)渡的液橋是熔融渣與液態(tài)金屬的混合橋，其分布特征為熔融渣包裹在液態(tài)金屬外面。橋的這種結(jié)構(gòu)特征是在金屬表面張力、熔渣的表面張力、渣與金屬的界面張力共同作用下形成的。

(4)自保護(hù)藥芯焊絲弧橋并存過(guò)渡是由橋的特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電流部分導(dǎo)通，并在液橋表面張力和電磁收縮力的共同作用下完成的。

[1]栗卓新，皇甫平，陳邦固，等.自保護(hù)藥芯焊絲熔滴過(guò)渡的控制[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2001，37(7)：108-112.

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[3]孟慶森，王 寶，陸文雄.焊條藥皮組成物對(duì)熔滴表面張力的影響[J].焊接學(xué)報(bào)，1993，14(2)：63-68.

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[6]栗卓新，皇甫平，陳邦固，等.自保護(hù)藥芯焊絲熔滴過(guò)渡的控制[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2001，37(7)：108-112.

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[8] L A Jones，T W Eagar，J H Lang.Magnetic force acting on molten drops in gas metal arc welding[J].Journal of Physics.，1998，(31)：83-106.

Experimental analysis of bridging transfer without arc interruption of self-shielded flux cored wire

WANG Zhi-ming1，LIU Hai-yun1，WANG Yong1，ZHANG Ying-qiao2
(1.Taiyuan University of Tecnology，Taiyuan 030024，China；2.North University of China Shanxi，Taiyuan 030051，China)

By using the high speed photography，Hanover analyzer and macro-microscope，the tranfer characteristic and the tranfer mechanisim of metal transfer of self-shielded flux cored wire have been studied.The results reaveal that bridging transfer without arc interruption transfer is a kind of transfer which the bridge exists lastingly while the arc isn't extinguished，and it is one of the metal transfer models of self-shielded flux cored wire.Without the characteristic of short-circuit transfer，the wave pattern of arc voltage and welding current represent the slight waving within a certain scope，corresponding to the characteristic of bridging transfer without arc interruption，the U-PDD＆I-PDD doesn't show the characteristic of short circuit transfer.The bridge of bridging transfer without arc interruption is formed of mixture of the slag's covering the liquid metal.The accomplishment of bridging transfer without arc interruption is mainly conducted by joint work of surface tension and electromagnetic force.

self-shielded flux cored wire；bridging transfer without arc interruption；arc parameters；droplet transfer

TG422.3

A

1001-2303(2011)07-0085-05

2010-12-24；

2011-06-28

王志明(1985—)，男，甘肅白銀人，在讀碩士，主要從事焊接材料及電弧物理的研究。