活性劑對(duì)高速M(fèi)AG焊焊接過(guò)程及焊縫成形的影響

（南京工程學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100）

0 前言

MAG焊是熔化焊中應(yīng)用非常廣泛的一種焊接方法，為進(jìn)一步提高焊接生產(chǎn)效率，充分發(fā)揮自動(dòng)化焊接的潛力，發(fā)展了高速M(fèi)AG焊。但高速M(fèi)AG焊存在駝峰焊道、焊縫成形差等問(wèn)題，阻礙了其發(fā)展。駝峰焊道是指焊縫金屬沿焊接方向分布嚴(yán)重不均、周期性交替出現(xiàn)“駝峰”和“谷底”的焊縫成形缺陷[1]。近年來(lái)，焊接研究人員在高速M(fèi)AG焊駝峰焊道的形成機(jī)理、抑制駝峰焊道的技術(shù)措施等方面進(jìn)行了深入研究。普遍認(rèn)為電弧、熔滴過(guò)渡、熔池液相表面張力等諸多因素對(duì)熔池的綜合作用導(dǎo)致了高速M(fèi)AG焊駝峰焊道的形成[2-4]。

活性劑焊接是一種新型的焊接工藝，主要通過(guò)活性劑改變?nèi)鄢亓鲃?dòng)模式和電弧形態(tài)來(lái)對(duì)焊接過(guò)程產(chǎn)生作用，目前主要用于增加TIG焊的焊縫熔深[5-7]。本文針對(duì)高速M(fèi)AG焊駝峰焊道和焊縫成形差的問(wèn)題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了Fe2O3、Cr2O3、K2O和CaF2四種單組分活性劑對(duì)高速M(fèi)AG焊電弧穩(wěn)定性、熔滴過(guò)渡及焊縫成形的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)采用規(guī)格為200mm×100mm×3mm的Q235鋼板作為母材。焊前將母材待焊表面打磨至露出金屬光澤，并用酒精清洗。實(shí)驗(yàn)采用的四種單組分活性劑為 Fe2O3、Cr2O3、K2O 和 CaF2，均為粉末狀。焊前，每種活性劑都用酒精調(diào)成糊狀，用毛刷將糊狀活性劑均勻涂敷（以蓋住母材金屬光澤為宜）在母材待焊區(qū)域并晾干。

焊接過(guò)程采用自動(dòng)平板堆焊，焊接設(shè)備為Fronius FK4000R逆變數(shù)字焊機(jī)，焊絲直徑1.2 mm，焊接速度1 000 mm/min，焊接電流200 A，干伸長(zhǎng)12 mm，焊槍傾角 90°，保護(hù)氣為 φ（CO2）20%+φ（Ar）80%，保護(hù)氣流量18 L/min。采用焊接電信號(hào)數(shù)據(jù)采集儀獲取焊接電壓波形及焊接電壓概率密度分布圖。

焊后觀察分析不同活性劑對(duì)應(yīng)的焊縫表面成形并截取各焊縫截面，測(cè)量熔深、熔寬和余高等焊縫幾何尺寸，每一焊縫幾何尺寸數(shù)據(jù)均為5處測(cè)量值的平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 活性劑對(duì)高速M(fèi)AG焊電弧穩(wěn)定性及熔滴過(guò)渡的影響

涂敷4種不同活性劑及無(wú)活性劑等5種條件下的高速M(fèi)AG焊焊接電壓波形如圖1所示。5種條件下高速M(fèi)AG焊熔滴過(guò)渡方式均為短路過(guò)渡，但對(duì)應(yīng)的短路過(guò)渡頻率明顯不同，未涂敷活性劑對(duì)應(yīng)熔滴過(guò)渡頻率約為29滴/s，涂敷Fe2O3、Cr2O3、K2O和CaF2四種活性劑對(duì)應(yīng)的熔滴過(guò)渡頻率分別為 36滴/s、46滴/s、110滴/s和 36滴/s。每次短路過(guò)渡結(jié)束重新燃弧時(shí)，涂敷Cr2O3對(duì)應(yīng)的燃弧電壓最低，約為25 V，其他4種條件對(duì)應(yīng)的重燃弧電壓均約為30V。同時(shí)，涂敷Cr2O3對(duì)應(yīng)的熔滴過(guò)渡最為穩(wěn)定，每次短路過(guò)渡周期基本保持一致。

5種條件下的高速M(fèi)AG焊焊接電壓概率密度分布如圖2所示。

重燃弧電壓反映了電弧的穩(wěn)定性，由圖2可知，5種條件對(duì)應(yīng)焊接過(guò)程中重燃弧電壓超過(guò)30 V的概率從大到小依次為：CaF2、無(wú)活性劑、Fe2O3、K2O、Cr2O3，說(shuō)明涂敷Cr2O3對(duì)應(yīng)的焊接電弧最為穩(wěn)定，涂敷CaF2對(duì)應(yīng)的焊接電弧穩(wěn)定性相對(duì)較差。焊接電壓概率密度分布圖的左峰反映的是熔滴過(guò)渡的短路電壓大小分布特征，雖然5種條件對(duì)應(yīng)的短路電壓均近似正態(tài)分布，但涂敷Cr2O3相對(duì)其他4種條件所對(duì)應(yīng)的焊接短路電壓更為集中，表明涂敷Cr2O3對(duì)應(yīng)的焊接短路電壓變化最小，焊接過(guò)程的穩(wěn)定性最好。

2.2 活性劑對(duì)高速M(fèi)AG焊焊縫成形的影響

5種條件下的高速M(fèi)AG焊焊縫成形如圖3所示。未涂敷活性劑的焊縫成形差，為明顯的駝峰焊道。涂敷CaF2活性劑的焊道不均勻，沒(méi)有完全消除駝峰焊道特征，但焊道駝峰和谷底之間的形狀差異大為降低。K2O、Fe2O3和Cr2O3三種活性劑均完全消除了高速焊焊道駝峰問(wèn)題，焊道均勻，成形美觀，其中Cr2O3活性劑對(duì)應(yīng)的焊縫成形最佳。

5種條件下的焊縫幾何尺寸如表1所示。無(wú)活性劑焊接對(duì)應(yīng)焊縫熔深在駝峰和谷底處相差并不大，分別為0.29 mm和0.24 mm，涂敷4種活性劑對(duì)應(yīng)的焊縫熔深相對(duì)于無(wú)活性劑的情況均明顯增加，其中Cr2O3活性劑對(duì)應(yīng)的焊縫熔深最深，達(dá)到0.69 mm。無(wú)活性劑對(duì)應(yīng)焊縫熔寬在駝峰和谷底處相差很大，分別為 3.91 mm 和 2.52 mm，涂敷 Fe2O3、Cr2O3、K2O三種活性劑對(duì)應(yīng)焊縫熔寬均為4mm左右，涂敷CaF2活性劑對(duì)應(yīng)焊縫熔寬在駝峰和谷底處相差也較大，分別為4.67 mm和3.23 mm。無(wú)活性劑對(duì)應(yīng)焊縫余高在駝峰和谷底處相差非常大，分別為3.87mm和0.61 mm，涂覆CaF2活性劑對(duì)應(yīng)焊縫余高在駝峰和谷底處相差也較大，分別為2.95 mm和1.39 mm。涂敷Fe2O3、Cr2O3、K2O三種活性劑對(duì)應(yīng)焊縫余高一致，完全消除了駝峰焊道特征。

由此可見(jiàn)，在相同焊接參數(shù)下，采用活性劑的高速M(fèi)AG焊焊縫熔深均顯著增加，同時(shí)，F(xiàn)e2O3、Cr2O3、K2O三種活性劑完全消除了高速M(fèi)AG焊駝峰焊道特征，熔寬和余高均勻一致，焊縫成形美觀，其中以Cr2O3對(duì)應(yīng)的焊縫成形最好、焊縫熔深最深。

圖1 不同活性劑及無(wú)活性劑條件下的焊接電壓波形Fig.1 Wave graphs of welding arc voltage with different active agents and no active agent

2.3 活性劑對(duì)高速M(fèi)AG焊焊接過(guò)程和焊縫成形的影響

高速焊接時(shí)，熔池向后液體流被拉長(zhǎng)、厚度變薄，凝固形成駝峰焊道的谷底，阻止了液態(tài)金屬繼續(xù)向后流動(dòng)，隆起部分開(kāi)始凝固，形成駝峰焊道的駝峰，如此循環(huán)，形成了駝峰焊道[8]。在焊接區(qū)涂敷合適的活性劑消除了高速M(fèi)AG的駝峰問(wèn)題，其原因如下：首先，F(xiàn)e2O3、Cr2O3、K2O 三種活性劑均為金屬氧化物，具有較低的逸出功，焊接過(guò)程中發(fā)射電子能力強(qiáng)，促進(jìn)焊接電弧穩(wěn)定燃燒，也使得每次短路過(guò)渡結(jié)束后的重燃弧電壓明顯變小。重燃弧變得容易，一方面促進(jìn)了熔滴過(guò)渡的穩(wěn)定性，另一方面也加快了熔滴過(guò)渡的頻率。K2O中的K為典型的低電離電位元素，成為氣態(tài)后的K元素進(jìn)一步促進(jìn)了電弧穩(wěn)定燃燒，其熔滴過(guò)渡頻率達(dá)到最高的110滴/s。焊接過(guò)程穩(wěn)定性的提高，熔滴過(guò)渡頻率的加快，使得熔滴變細(xì)小，且短路液橋頸縮斷開(kāi)時(shí)間變短。熔滴快頻率進(jìn)入熔池，使熔池向后液體流不易被拉長(zhǎng)，阻礙了焊道谷底和駝峰的形成。而CaF2中的F元素為反電離元素，不利于電弧穩(wěn)定燃燒，因而其焊接電壓波形相對(duì)不穩(wěn)定，雖然熔滴過(guò)渡頻率也有所提高，但焊縫成形相對(duì)Fe2O3、Cr2O3、和K2O都差，沒(méi)有完全消除焊道駝峰現(xiàn)象。其次，活性劑改變了熔池的流動(dòng)模式，實(shí)驗(yàn)中4種活性劑均顯著增加了焊縫熔深，說(shuō)明活性劑通過(guò)降低熔池液相的表面張力，促使熔池液相在熔池中心形成下沉式流動(dòng)，將大量電弧熱量帶至熔池底部，從而大大加深了焊縫熔深，同時(shí)也抑制了高速焊過(guò)程中熔池向后液體流被拉長(zhǎng)的效應(yīng)，從而進(jìn)一步阻礙了谷底和駝峰的形成。

圖2 不同活性劑及無(wú)活性劑條件下的焊接電壓概率密度分布Fig.2 Probabilistic density distributions of welding voltage with different active agents and no active agent

表1 不同活性劑及無(wú)活性劑條件下的焊縫幾何尺寸Table1 Geometric dimensions of welds with different active agents and no active agent

圖3 不同活性劑及無(wú)活性劑條件下的焊縫表面形貌Fig.3 Welding seam surface morphology with different active agents and no active agent

綜上所述，F(xiàn)e2O3、Cr2O3、K2O 及 CaF2均大大優(yōu)化了高速M(fèi)AG焊的焊縫成形，但由于4種活性劑的逸出功、電離勢(shì)及對(duì)熔池金屬液相表面張力的影響程度不同，因而對(duì)焊縫成形的優(yōu)化效果也存在一定的差異，其中以Cr2O3的優(yōu)化效果最佳，完全消除了高速M(fèi)AG焊駝峰焊道且焊縫成形非常美觀，而CaF2效果欠佳，未完全消除駝峰焊道現(xiàn)象。

3 結(jié)論

（1）Fe2O3、Cr2O3、K2O 及 CaF2四種活性劑均能增加高速M(fèi)AG焊熔滴過(guò)渡頻率，其中K2O活性劑對(duì)應(yīng)的熔滴過(guò)渡頻率達(dá)到 110 滴/s；Fe2O3、Cr2O3和K2O三種活性劑增加了高速M(fèi)AG焊電弧穩(wěn)定性，其中Cr2O3活性劑對(duì)應(yīng)的焊接電弧最穩(wěn)定。

（2）Fe2O3、Cr2O3、K2O 及 CaF2四種活性劑均顯著增大了高速M(fèi)AG焊焊縫熔深。

（3）Fe2O3、Cr2O3及K2O三種活性劑通過(guò)穩(wěn)定焊接電弧、增加熔滴過(guò)渡頻率和改變?nèi)鄢匾合嗔鲃?dòng)模式，消除了1 000 mm/min高速M(fèi)AG焊條件下的駝峰焊道現(xiàn)象，其中Cr2O3活性劑效果最為顯著。