基于表面張力的氧化物組分及含量對焊接飛濺的影響

劉西洋， 徐鍇， 楊淼森， 霍樹斌， 許可貴

(1.上海電機(jī)學(xué)院，上海 201306 ；2.哈爾濱焊接研究院有限公司， 哈爾濱 150028；3. 哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司，哈爾濱 150028)

0 前言

自保護(hù)藥芯焊絲藥芯中含有大量的造氣物質(zhì)，如碳酸鹽，大理石、螢石等，焊接時不需要外接氣體保護(hù)，具有操作方便、抗風(fēng)性好、熔敷速度高等優(yōu)點。但自保護(hù)藥芯焊絲也存在焊接飛濺大、氣孔敏感性高和易夾渣等缺點。焊接飛濺不但影響焊縫成形、降低熔敷效率，而且污染環(huán)境、增加焊后清理工作以及降低堆焊層性能[1-4]。

目前國內(nèi)外學(xué)者對飛濺的類型、產(chǎn)生機(jī)理及影響因素等問題做了一些相關(guān)研究。李昱等人[5]認(rèn)為藥芯中含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的NaF時，焊接飛濺最少，主要以小顆粒飛濺為主。Zhang等人[6]認(rèn)為在藥芯中加入20%的CaF2，可有效降低氣孔、飛濺和夾雜物等缺陷，焊縫成形良好。王皇等人[7]認(rèn)為金屬粉芯型藥芯焊絲焊接飛濺類型主要包括氣泡放出型飛濺、縮頸飛濺和爆炸飛濺。Iordachescu等人[8]認(rèn)為自保護(hù)藥芯焊絲熔滴過渡中弧橋并存過渡形成的飛濺很少。劉海云等人[9]為自保護(hù)藥芯焊絲熔滴過渡中弧橋并存過渡占比越多，飛濺越小。Schwab等人[10]發(fā)現(xiàn)脈沖電壓焊接時的飛濺率明顯低于恒定電壓焊接時的飛濺率。并按飛濺顆粒尺寸D，將其分為小尺寸飛濺(D<0.7 mm)、中等尺寸飛濺(0.7 mm1.3 mm)。明珠等人[11]研究發(fā)現(xiàn)高氮不銹鋼藥芯焊絲焊接時，飛濺的產(chǎn)生主要來自CO氣體的高溫膨脹爆炸。王勇等人[12]認(rèn)為堿性藥芯焊絲焊接時，熔體的表面張力過大，易產(chǎn)生大顆粒飛濺。

文中從藥芯中氧化物表面張力變化角度，研究了藥芯中氧化物組分及含量對焊接飛濺的影響規(guī)律，對降低自保護(hù)藥芯焊絲飛濺率的研究有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗方法

試驗用弧焊電源(NBC-630)，具有直流平特性，采用直流反接，等速送絲。選定的基礎(chǔ)試驗參數(shù)見表1。焊接圖像采用日本FU-512型高速攝像機(jī)采集，采集頻率為2 000幀/s。

表1 選定的基礎(chǔ)試驗參數(shù)

參照GB/T 25776—2010推薦的方法進(jìn)行試驗。試板選用鞍鋼生產(chǎn)的Q235鋼板，尺寸為300 mm×50 mm×20 mm。試驗時，將試板放在1 mm厚紫銅板圍成的圓筒中進(jìn)行焊接試驗，便于飛濺的收集，如圖1所示。焊接過程中分別記錄焊前、焊后焊絲的質(zhì)量及飛濺物的質(zhì)量，飛濺率按式(1)進(jìn)行計算。

(1)

式中：S為飛濺率；m為飛濺物質(zhì)量；A為焊前焊絲質(zhì)量；B為焊后焊絲質(zhì)量。

圖1 用于收集焊接飛濺的裝置

2 試驗結(jié)果與分析

焊接飛濺的產(chǎn)生主要與熔滴受力密切相關(guān)，自保護(hù)藥芯焊絲熔滴所受的表面張力主要取決于藥芯組分的表面張力，藥芯組分的表面張力越大，熔滴所受的表面張力越大。自保護(hù)藥芯焊絲的藥芯中含有大量的氧化物(如金紅石、螢石等)，而常見氧化物的表面張力可以通過查表獲得，見表2。因此借助藥芯中各氧化物的表面張力不同，研究藥芯中氧化物組分及含量對飛濺的影響規(guī)律。

藥芯中添加氧化物的表面張力可由硅酸鹽渣系的表面張力近似求得，見式(2)：

σS=∑σiXi

(2)

式中：σS為藥芯中添加氧化物的表面張力；σi為組元i的表面張力(N/m2)；Xi為組元i的摩爾分?jǐn)?shù)。

表2 常見氧化物1 400 ℃時表面張力 (N·m-2)

在保證藥芯中其它組分(合金元素、氟化物、冰晶石、鉀長石、碳酸鹽)及鋼帶不變的情況下，按照公式(2)進(jìn)行了藥芯中添加不同氧化物(金紅石、鋯英砂、鎂鋁合金)的配比設(shè)計，獲得了表面張力不同的6種藥芯焊絲，并對其進(jìn)行飛濺率測定，結(jié)果見表3。

表3 6種藥芯焊絲對應(yīng)的飛濺率

TiO2，ZrO2、鋁鎂合金單一因素變化時，對焊接飛濺的影響規(guī)律可以由表3直觀得出：

表中，1號和6號可知，ZrO2和Al-Mg合金含量不變時，TiO2含量增大，有利于飛濺減??；2號和3號及1和4號可知，TiO2和Al-Mg合金含量不變時，少量ZrO2有利于飛濺減小，ZrO2含量過高時，飛濺變大；2號和4號可知，ZrO2和TiO2含量不變，Al-Mg合金含量增大，有利于飛濺減小。

藥芯中TiO2作為造渣劑、穩(wěn)弧劑，其含量增多，可以使電弧更加穩(wěn)定，熔池平靜，有利于降低焊接飛濺；Al-Mg合金能降低FeO含量，進(jìn)而減少CO的釋放，降低焊接飛濺，但是Al-Mg合金反應(yīng)產(chǎn)物主要為Al2O3和MgO，Al2O3和MgO易和SiO2，Na2O，K2O等成分在高溫條件下形成玻璃物質(zhì)，降低熔渣的透氣性，易產(chǎn)生焊接飛濺；ZrO2在1 100～1 200 ℃時能發(fā)生晶態(tài)的可逆轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生相變過程，使體積發(fā)生較大變化，少量ZrO2有利于脫渣，然而ZrO2熔點可達(dá)2 700 ℃，含量較高時，藥芯易產(chǎn)生嚴(yán)重滯熔，焊接飛濺變大。

TiO2，ZrO2、鋁鎂合金之間交互作用對焊接飛濺的影響分析較難，可借助于藥芯中添加氧化物表面張力對飛濺率的影響曲線圖進(jìn)行分析，如圖2所示。

如圖2所示，添加氧化物的表面張力變化對飛濺率的影響顯著。該試驗條件下，焊接飛濺率隨添加氧化物表面張力的增加，呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢；當(dāng)添加氧化物表面張力為0.409 N/m2時，飛濺率達(dá)到最小值為4.52%。說明藥芯的表面張力存在一個最佳值，可以有效降低焊接飛濺。

圖2 氧化物表面張力對飛濺率的影響曲線

通過高速攝像觀察其熔滴過渡和飛濺時，發(fā)現(xiàn)3號、4號和6號三個焊絲熔滴過渡和飛濺產(chǎn)生的形式有顯著差別，并統(tǒng)計了其1 s內(nèi)熔滴過渡的主要形式和周期，見表4。

表4 1 s內(nèi)熔滴過渡情況

3號藥芯中的氧化物主要由TiO2和少量的Al-Mg合金組成，藥芯的表面張力較小。熔滴在電磁收縮力和等離子流力的作用下易發(fā)生小顆粒大角度排斥過渡，熔滴飛離焊接熔池，產(chǎn)生小顆粒飛濺(如圖3中的227 ms所示)，即熔滴過渡類型為小顆粒偏飛型飛濺，如圖3所示。

圖3 小顆粒偏飛型飛濺

6號藥芯中TiO2含量減小，ZrO2和Al-Mg合金含量增加，藥芯表面張力增大，熔滴在表面張力的作用下直徑達(dá)到30 mm(見圖4的85 ms)，易發(fā)生大顆粒短路過渡，產(chǎn)生電爆炸飛濺，即熔滴過渡類型為電爆炸型飛濺，如圖4所示。

圖4 電爆炸型飛濺

4號藥芯中TiO2,ZrO2和Al-Mg三種氧化物含量匹配適當(dāng)，該試驗條件下藥芯表面張力值處于最佳區(qū)間，焊絲與熔池間產(chǎn)生了液橋(見圖5的238 ms)，熔滴沿液橋過渡，即發(fā)生弧橋并存過渡，此時飛濺多為液橋縮頸斷開時產(chǎn)生的(見圖5的240 ms)，且飛濺較小，即熔滴過渡類型為液橋爆斷型飛濺，如圖5所示。

圖5 液橋爆斷型飛濺

采用極端頂點混料回歸方法，運用Design Expert軟件，進(jìn)行藥芯中礦物質(zhì)組分及含量(A-為金紅石、B-為鋯英砂、C-為氟化物、D-為冰晶石、E-為鉀長石、F-碳酸鹽、G-為鋁鎂合金)與飛濺率相關(guān)性的研究中，獲得了TiO2,ZrO2和Al-Mg合金含量關(guān)于飛濺率回歸方程的二維等值線圖及三維響應(yīng)曲面圖，如圖6所示。

由圖6可知，當(dāng)C-為氟化物、D-冰晶石、E-鉀長石、F-碳酸鹽含量一定(C含量為0.094 kg、D含量為0.080 kg，E的含量為0.066 kg，F(xiàn)的含量為0.07 kg)時，A-金紅石、B-鋯英砂、G-鋁鎂合金含量存在最佳匹配值，使得飛濺率最小，與上文規(guī)律相同。

圖6 C，D，E，F(xiàn)含量一定時，A，B，G對飛濺率的影響

3 結(jié)論

(1)用藥芯中添加不同氧化物組分及含量的焊絲焊接時，飛濺產(chǎn)生的類型不同。藥芯表面張力較小時，易發(fā)生小顆粒偏飛型飛濺，表面張力較大時，易發(fā)生電爆炸型飛濺，表面張力適中時發(fā)生液橋爆斷型飛濺。

(2)藥芯中添加不同氧化物時，對焊接飛濺的影響十分明顯。當(dāng)藥芯中氧化物組分及含量配比合適時，改善了熔滴表面張力，發(fā)生弧橋并存過渡，有效地降低了焊接飛濺。

(3)該試驗條件下，通過調(diào)節(jié)藥芯中金紅石、鋯英砂和鋁鎂合金含量，使添加氧化物的表面張力達(dá)到最佳值(σ=0.409 N/m2)，可以有效地降低焊接飛濺。