（材料加工工程专业论文）金属粉芯型药芯焊丝熔滴过渡及飞濺的试验研究.pdf

太原理j i ：人学硕+ 研究生学位论文 i i i i i ii i i i ii il l l li i i i i i i i i il u i 金属粉芯型药芯焊丝熔滴过渡及飞溅的试验鼻曼1 5 6 0 4 8 摘要 金属粉芯型药芯焊丝已经广泛应用于桥梁、船舶、航空航天、管道等 领域。但是目前有关金属粉芯型药芯焊丝的研究报道主要在其工艺性方面， 对其电弧物理特性的研究却少见报道。电弧物理特性是指焊接过程中所表 现出来的多种物理特性的过程，包括熔滴过渡模式、熔滴过渡机理、电弧行 为及电弧参数特征等，是指导焊接材料工艺性能和提高焊接材料质量的最 重要的理论之一，也是实现科学和定量评价焊接材料工艺性的必要理论基 础。目前对电弧物理特性的研究主要集中在熔滴过渡、焊接飞溅以及焊接 电参数特征的研究，并结合电参数特征利用数学方法建立模型来表征焊接 过程稳定性、熔滴过渡的稳定性以及飞溅的严重性。 本文以市售的两种不同金属粉芯型药芯焊丝为研究对象，借助高速摄 影技术、汉诺威弧焊分析仪、焊接飞溅试验、数值计算等方法，对不同电 压下的金属粉芯型药芯焊丝的电弧物理特性进行分析研究。 研究结果表明：金属粉芯型药芯焊丝在预设电参数下的熔滴过渡形式 为：短路过渡、排斥过渡、细颗粒过渡、射滴过渡、爆炸过渡。短路过渡 时，电流电压较小，熔滴尚未长大脱落就与熔池接触，形成液桥，液桥处 电流增大，电磁收缩力随之增大，在电磁收缩力和熔池表面张力的共同作 用下向熔池过渡。 排斥过渡时作用于熔滴底部的斑点压力阻碍熔滴的过渡，使得熔滴长时 太原理i1 人学硕十研究生学位论文 间在焊丝端部长大，导致排斥过度时熔滴较大，且偏离焊丝轴线、过渡频 率较低、飞溅较大、电弧稳定性差，整个过程熔滴不停地在焊丝端部摆动 同时熔池也是在不停地翻滚。 细颗粒过渡、射滴过渡时电压的增大使促进熔滴过渡的等离子流力和 电磁收缩力增大并成为主导力，阻碍熔滴过渡的表面张力减小，这些变化 促使熔滴还未长大就已经过渡到熔池中。细颗粒过渡、射滴过渡时熔滴过渡 频率较快、熔滴细小、焊缝成形良好、焊丝熔化效率高，且射滴过渡时整 个过程中电弧呈钟罩状一直罩住整个熔滴直到过渡到熔池。 爆炸过渡是因为熔滴内部气体急剧膨胀导致熔滴爆炸而发发生的过渡 形式。 金属粉芯型药芯焊丝的飞溅形式主要为：气泡放出型飞溅、电弧力引 起的飞溅、熔滴爆炸引起的飞溅、缩颈飞溅、电爆炸飞溅。 通过对电弧电压近似熵值以及近似熵标准偏差值的计算来表征熔滴过 渡的稳定性，结果表明：电弧电压瞬时值平均近似熵越大，近似熵标准差 越小，熔滴过渡过程越稳定。 以平均电压、大电流概率密度和、大电压概率密度和、电压变异系数 为指标，利用单因变量偏最d , - 乘回归法建立数学模型表征飞溅的严重性， 结果表明：平均电压值越小、大电压概率密度和越大、大电流概率密度和 越大、电压变异系数越大则飞溅越严重。其中大电压概率密度和对飞溅率 的影响最大，大电流概率密度和的影响次之；而平均电压和电压变异系数 对飞溅率的影响相对来说较小。 关键字：金属粉型药芯焊丝，熔滴过渡，飞溅，电参数，过渡稳定性 i i 太原理1 人学硕十研究生学位论文 e x p e r i m e n t a ls t u d yo n d r o p l e tt r a n s f e r a n dw e l d i n gs p a t t e ro f m e t a lp o w e rf l u x c o r e dw i r e a b s t r c t m e t a lp o w d e rf l u x c o r e dw i r ei sw id e l yu s e di nb r i d g ee n g i n e e r i n g ，s h i p ， a e r o s p a c e ，p i p e l i n ee n g i n e e r i n g h o w e v e r , t h ec u r r e n tr e p o r ta b o u tt h e m e t a l p o w d e rf l u x c o r e d w i r ew a sc o n c e r t r a t e do ni t sp r o c e s s ，t h ew e l d i n ga r c p h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i co fr e s e a r c hw a sr a r e l yr e p o r t e d a r cp h y s i c st h e o r i e so f w e l d i n gm a t e r i a l ，i n c l u d i n gt h em e t a lt r a n s f e rm o d e ，t h ep h y s i c a lm e c h a n i s mo f m e t a lt r a n s f e r ，a r cb e h a v i o ra n dc h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r i ca r cp a r a m e t e r se t c i s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt h e o r yf o rg u i d i n gt oe n h a n c et h el e v e lo fo p e r a t i o n a l b e h a v i o ra n di m p r o v et h eq u a l i t yo fw e l d i n gm a t e r i a l sa sw e l la sf o rs c i e n t i f i c a n dq u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o no fi t so p e r a t i o n a lb e h a v i o r a tp r e s e n t ，t h er e p o r to nt h ea r cp h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i cr e s e a r c hm a i n l y c o n c e n t r a t e do nt h e d r o p l e tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s & m e c h a n i s m ，w e l d i n g s p a t t e r c h a r a c t e r i s t i c s & m e c h a n i s ma n dt h e c h a n g e o f w e l d i n g e l e c t r i c p a r a m e t e r s ，a tt h es a m et i m ea c c o r d i n gt ot h ec h a n g eo fw e l d i n ge l e c t r i c p a r a m e t e r s ，t h r o u g ht h em a t h e m a t i c a lm e t h o dt ob u i l dam o d e lt oe v a l u a t i o nt h e s t a b i l i t yo fw e l d i n gp r o c e s s ，t h es t a b i l i t yo fd r o p l e tt r a n s f e ra n dt h es e v e r i t yo f i i i s p a t t e r t h ep a p e ro nab a s eo fa n a l y z i n gt w ot y p i c a lc o m m e r c i a lm e t a lp o w d e r f l u x c o r e dw i r e ，u s et h eh i g h - s p e e d p h o t o g r a p h ya n dt h ea n a l y s a t o r h a n n o v e ra sw e lla sw e l d i n gs p a t t e rt e s tm e t h o d sa n dt h en u m e r i c a l e x p e r i m e n ta td i f f e r e n tv o l t a g e ，t or e s e a r c ht h ec h a r a c t e r i s t i co f a r cp h y s i c a l t h em a t a lt r a n s f e ro fm e t a lp o w d e rf l u x c o r e dw i r ei n c l u d e ：s h o r tc i r c u i t i n g t r a n s f e r 、g l o b u l a rr e p e l l e dt r a n s f e r 、f i n et r a n s f e r 、s p r a yt r a n s f e r ，e x p l o s i v e t r a n s f e r 。w h e nt h es h o r tc i r c u i t i n gt r a n s f e rt a k ep l a c e ，t h em e t a li sc o n t a c tw i t h t h em o l t e np o o lw h e ni ti sn o tb i ge n o u g h ，t h el i q u i d b r i d g ei s f o r m e d t h e c u r r e n ti nt h el i q u i d b r i d g ei n c r e a s er a p i d l ya sw e l l a st h ee l e c t r o m a g n e t i c r e t r a c t i l ep o w e ri n c r e a s er a p i d l y t h r o u g ht h ei n t e r a c t i o no ft h es u r f a c et e n s i o n o ft h em o l t e np o o la n dt h ee l e c t r o m a g n e t i cr e t r a c t i l ep o w e rt h em e t a lt r a n s f e r r e d t ot h em o l t e np 0 0 1 b e c a u s eo ft h es p o tp r e s s u r er e s i s i tt h et r a n s f e ro fm a t a la tt h eg l o b u l a r r e p e l l e dt r a n s f e r , t h ec h a r a c t e r s t i c s o fg o b u l a rr e p e l l e dt r a n s f e ri st h eb i g g e rd r o p s i z e ，t h el o w e rm e t a lt r a n s f e rf r e q u e n c y , t h em o r es p a t t e r , t h ew o r s ea r cs t a b i l i t y a n dt h el o w e rm e l t i n ge f f i c i e n c y b e c a u s eo ft h ei n c r e a s eo ft h ev o l t a g e ，l e a dt ot h ei n c r e a s eo f p l a s m ap o w e r a n de l e c t r o m a g n e t i cr e t r a c t i l ep o w e ra sw e l la st h ed e c r e a s es u r f a c et e n s i o n ，t h e m e t a lt r a n s f e r r e dt ot h em o l t e np o o lw h e nt h em e t a li sn o tb i ge n o u g h t h et h e c h a r a c t e r s t i c s o ff i n et r a n s f e r 、s p r a yt r a n s f e ra r et h es m a l l e rd r o ps i z e ，t h es i z ei s a l m o s te q u a lt ot h ew i r ed i a m e t e r , t h em e t a lt r a n s f e rf r e q u e n c yi sh i g h e r , t h e i v w e l d i n gp r o c e s si ss t a b l e ，t h es p a t t e r i sl e s s ，t h ea p p e a r a n c eo fw e l di sb e t t e r t h e e x p l o s i v et r a n s f e r i st a k ep l a c e dw h e nt h e g a s i n s i d et h em e t a l e x p a n s i o nr a p i d l yl e a dt ot h ee x p l o s i v eo f m e t a l t h es p a t t e ro fm e t a lp o w d e rf l u x - c o r e dw i r ei n c l u d e ：e l e c t r o e x p l o s i v e s p a t t e r , s p a t t e rc r e a t e db ya r cf o r c e ，s p a t t e r c r e a t e db ym e t a lb u r s t ，n e c k i n g s p a t t e r , b u b b l er e l e a s es p a t t e r t h r o u g ht h es t a t i s t i c a la n a l y s i so fi n s t a n t a n e o u sv a l u eo f t h ea r cv o l t a g e ，i t u n f o l d st h a tt h ea p p r o x i m a t ee n t r o p yo fa r cv o l t a g ec a nb eu s e dt oa s s e s st h e s t a b i l i t yo fm e t a lt r a n s f e r t h eh i g h e rt h ea v e r a g ea p p r o x i m a t ee n t r o p yo fa r c v o l t a g ei s ，t h el o w e r t h ea p p r o x i m a t ee n t r o p ys t a n d a r dd e v i a t i o nw i l lb e ，a n dt h e m o r es t a b i l i t yo fm e t a lt r a n s f e r t h r o u g h t h ep l s re s t a b l i s hm a t h e m a t i c a lm o d e lb e t w e e nt h ea v e r a g e v o l t a g e ，n ( t m ) ，n ( i s ) ，t h ec o e f f i c i e n t o fv a r i a t i o no fv o l t a g ea n dt h e s e v e r i t yo fs p a t t e r t h er e s u l ti n d i c a t e ：t h a tt h el o w e rt h ea v e r a g ev o l t a g ei s ，t h e h i g h e rt h ezn ( u b ) w i l lb e ；t h eh i g h e rt h e n ( i s ) ，t h em o r es e r i o u st h es p a t t e r o fm e t a lp o w d e rf l u x c o r e dw i r ew i l lb e f u r t h e r m o r e ，t h ee f f e c t so ft h eh i g h v o l t a g ep r o b a b i l i t yd e n s i t ya r et h eb i g g e s t ，t h ee f f e c t so fh i g hc u r r e n tp r o b a b i l i t y d e n s i t yc o m e sn e x t ，w h e r e a st h ee f f e c t so fa v e r a g ev o l t a g ea n dt h ec o e f f i c i e n to f v a r i a t i o no f v o l t a g ei sr e l a t i v e l ys m a l l k e yw o r d s ：m e t a lp o w d e rf l u x c o r e dw i r e ，m e t a l t r a n s f e r , s p a t t e q t h e s t a b i l i t yo ft r a n s f e r v 太原理i ：人学硕士研究生学位论文 v i 太原理l ：人学硕十研究生学位论文 第一章绪论 1 1 金属粉芯型药芯焊丝的发展 金属粉芯型药芯焊丝最早出现在上个世纪5 0 年代，1 9 5 7 年英国人在药粉中全部使 用金属粉进行堆焊，第二年英国人公布了世界上第一项关于金属粉芯型药芯焊丝的专 利。当时金属粉芯型药芯焊丝的出现主要是因为可以通过调整药芯成分来满足不同生产 需要以获得不同成分的焊缝，而实心焊丝由于成分很难改变所以很难实现这点，因此金 属粉芯型药芯焊丝被称为“代替实心焊丝的焊材”。8 1 。 金属粉芯型药芯焊丝作为后起之秀之所以发展如此迅速，是因为他有着独特的优点 n 7 3 ：1 ) 由于金属粉芯型药芯焊丝的药粉中金属粉比例占到至少8 0 以上，所以在相 同焊接参数下，同直径的金属粉芯型药芯焊丝与渣系药芯焊丝和实心焊丝相比，其电流 密度更大；同时由于金属粉( 主要含f e 粉) 熔点比非金属型矿物质熔点低很多，因而 更容易熔化分解，这些原因使得金属粉芯型药芯焊丝有着更高的熔敷速度。根据相关试 验统计，金属粉芯型药芯焊丝的熔敷速度可达1 3 。7 k g h ，熔敷效率能达到9 8 以上，比 实心焊丝提高约1 0 一2 0 左右。2 ) 金属粉芯型药芯焊丝粉末中只有少量的造渣成分， 所以焊后渣的量很少甚至无渣，这样可以连续进行多层焊而无需清渣，这样节省了大量 工作时间而提高了工作效率；同时在焊接时产生的烟尘较少，这样有利于焊接工作者的 身体健康。3 ) 焊接飞溅小、焊缝成型好金属粉芯型药芯焊丝粉末中含有大量n a 、 k 等低电离化合物，所以与其他焊丝相比，金属粉芯型药芯焊丝其电弧更稳定、焊接飞 溅小。良好的电弧特性以及较小的焊接飞溅和焊接烟尘使得焊接操作者更易于控制焊接 操作过程，能够焊出理想的焊缝。4 ) 品种齐全、性能好因为金属粉芯型药芯焊丝 药芯成分可以根据生产需要进行调节，因而可以生产品种齐全的焊丝品牌。例如为了降 低焊缝的含氢量，改善焊缝韧性厂家可以在药粉粉末中加入适量m g 、a 1 、稀土等物质。 在国外，金属粉型药芯焊丝的研发和生产都取得了巨大的发展，日本于1 9 8 6 年开 始了对金属粉芯型药芯焊丝的研究，到目前为止，其国内金属粉型药芯焊丝的已经被广 泛用于诸如桥梁、重工等各个领域。日本金属粉芯型药芯焊丝一般采用1 0 0 c 0 。为保护 气体，较少以富氩为保护气体。近年来工业的的发展，对金属粉型药芯焊丝的使用要求 也在提高，针对不同使用条件日本研发生产了多品种的金属粉芯型药芯焊丝。例如，焊 】 太原理1 人学硕十研究生! 学位论文 接涂漆钢时，焊接时产生的高温效应会使漆分解为h 。、c 0 等气体而造成焊缝产生气孔， 针对这种情况神钢专门开发了涂漆钢焊接专用金属粉芯型药芯焊丝，通过减少焊后渣的 含量、降低渣的熔点和年度而达到减少的目的隋。7 - 川。 欧美各国以美国为代表。美国赫伯特公司旗下拥有诸如h o b a r t 、t r i m a r k 、c o r e x 等品牌金属粉芯型药芯焊丝。其中c o r e x 金属粉芯型药芯焊丝是用于低碳钢和碳钢的焊 接。在我国我国西气东输二线工程上，x 8 0 管线钢的焊接就是结合结合赫伯特公司开发 的r m d 技术，利用m e t a l l o y l 0 0 进行焊接的。 目前金属粉芯型药芯焊丝在我国已经取得初步成就，但是与国外相比无论实在品 种、质量上还存在较大差距。主要表现在生产厂家少、品种不足、应用领域有限。目前 仅天津三英、江苏天泰、武汉铁锚等少数几家够生产出有限的品种。所以，为了满足经 济的发展需要，适应焊接自动化工业生产的需要，研发生产性能优越、价格低廉、品种 齐全、环境友好型的金属粉芯型药芯焊丝是我国焊接事业当前的迫切任务。 1 2 药芯焊丝电弧物理特性研究现状 电弧物理特性是指焊丝( 焊条) 等焊接材料在焊接过程中产生的物理现象的过程。 目前电弧物理特性主要包括：焊丝( 焊条) 的加热以及熔化、焊丝( 焊条) 的熔滴过渡 的模式、焊接飞溅特征、电弧稳定性特征以及电参数特征。 1 2 1 药芯焊丝熔滴过渡的研究现状 焊接过程中的各种冶金反应主要发生在熔滴过渡过程中，所以熔滴过渡与焊缝的成 型、焊接接头的力学性能以及焊丝的工艺性有着紧密联系。 目前对于熔滴过渡特征的研究内容主要包括熔滴的过渡速度、熔滴过渡形式、熔滴 尺寸大小以及熔滴过渡频率。而对熔滴过渡特征的研究途径主要包括：观察熔滴过渡模 式、分析熔滴过渡机理、利用数学方法建立熔滴过渡的力学模型和数学模型，揭示熔滴 过渡与焊接材料工艺性之间的关系。 研究者n 卜1 8 ，2 7 1 通过高速摄影技术认为随着焊接电参数的增大药芯焊丝的熔滴过渡 形式主要存在着如下几种：大滴排斥过渡；细颗粒过渡；射滴过渡；射 流过渡；短路过渡。在细颗粒过渡时，电弧稳定性好、焊缝成形美观、焊接飞溅小、 焊丝熔化率高。作者同时指出在使用纯a r 作为保护气体的条件下药芯焊丝可以呈现出 2 太原理l 人学硕十研究生学位论文 射滴过渡和射流过渡。作者发现：在整个焊接过程中半熔化的渣柱至始至终都存于在熔 池与焊丝端部之间；适当的渣柱存在有利于熔滴的过渡，但短路过渡除外；实心焊丝在 焊接时端部会呈现铅笔尖状，药芯焊丝由于渣柱的存在，所呈现的铅笔尖状不如实心焊 丝明显甚至没有。 陈邦固、曹文山n 5 1 认为将药芯焊丝中药粉进行预熔处理使形成一种熔点比原材料熔 点更低的一种均匀复合体，这样加速了单位时间内药粉的熔化量有效的改善了焊接过程 中的滞熔现象。 因圆囝 图1 1 药芯焊丝在不同焊接参数下的滞熔现象心2 _ 2 3 3 a ) i = 1 6 0 a ，u = 1 9 vb ) i = 2 4 0 a ，u = 2 6 vc ) i = 3 3 0 a ，u 2 3 6 v f i g 1 - 1l a g g i n gm e l tp h e n o m e n o na td i f f e r e n tw e l d i n gc o n d i t i o n f o rt h et e s t e df l u x c o r e dw i r e s 众多研究者都认为滞熔是药芯焊丝在焊接时特有的一种现象n 争埔j 2 0 1 ，研究者根据滞 熔程度的不同而将滞熔分为：轻度滞熔、中度滞熔以及严重滞熔。如图卜l a 所示为在 较小焊接电参数下的滞熔现象，由于在小的焊接电参数下一般是以不稳定的短路过渡为 主，所以滞熔现象不太明显。图卜1 b 是在中等焊接电参数下的滞熔现象，可以看出此 时滞熔比较明显，液态熔滴在焊丝端部形成，在熔池与熔滴之间可以明显的看到渣柱的 存在。图卜1 c 所示是在大的焊接电参数下的滞熔现象，与图卜l b 相比，图卜1 c 的滞 熔现象不明显，可能是因为电参数的增高，加速了渣的熔化。 王宝印等利用高速摄影技术和汉诺威弧焊分析仪以1 0 0 c 0 。为保护气体，分析认 为随着焊接电参数的增大，熔滴过渡由非轴向的大滴排斥过渡向表面张力过渡转变，最 后为细颗粒过渡；作者认为表面张力过渡时因为熔滴在长大之前便于熔池接触，在熔池 表面张力的作用下而过渡到熔池中；排斥过渡是一种不稳定过渡，排斥过渡时熔滴尺寸 较大且悬挂于焊丝端部不停地摆动，大熔滴可能会与熔池接触而发生电爆炸产生大量飞 溅，整个过程中熔滴过渡频率较低、电弧不稳波动较大。 余圣甫等n 7 3 采用水冷法收集熔滴，认为c 0 ：气体保护焊碱性药芯焊丝的熔滴过渡形 式随着焊接电流、焊接电压的增加逐步转变为短路过渡、粗滴排斥过渡和细颗粒过渡。 3 太原理：人学硕十研究生学位论文 张富巨明等利用高速摄影技术对酸性药芯焊丝、碱性药芯焊丝、金属粉芯型药芯 焊丝按照从小到大的的焊接电参数排列研究了药芯焊丝的熔滴过渡特性。根据试验总结 了随着电参数的增大熔滴过渡模式由短路过渡变为大滴排斥过渡最后转为细颗粒过渡。 孙小兵呦1 以3 0 8 型不锈钢药芯焊丝为研究对象，认为该焊丝在预设参数下熔滴的 过渡模式为复合过渡模式。复合过渡模式指的是药芯熔化生成的内部熔滴以短路方式过 渡而药芯焊丝外皮钢带熔化形成的外部熔滴以细颗粒方式过渡，两种过渡模式同时存在 的一种现象。 潘川等阻2 1 利用高速摄影技术对白保护药芯焊的熔滴过渡特点进行了分析。作者认 为自保护药芯焊丝熔滴过渡主要包括颗粒过渡与附渣过渡( 非短路附渣过渡和短路附渣 过渡) 。作者认为在电弧电压较低时熔滴过渡是以短路附渣过渡和非短路附渣过渡为 主；随着电参数的升高，短路附渣过渡次数逐渐减少，非短路附渣过渡次数逐步增加； 当达到较高电参数时，开始出现颗粒过渡，但熔滴过渡形式还是以非短路附渣过渡为主。 截止目前为止，关于熔滴过渡形态的说法还没有形成一个确切的统一认识，但基本 所有研究者均将高速摄像和高速摄影作为研究熔滴过渡特征的研究手段，其结论根据观 察者的经验不同而不尽相同。下面是总结的是比较统一的结论： ( 1 ) 药芯焊丝熔滴大小跟电流紧密相关，随着电流的增大，熔滴尺寸减小。 ( 2 ) 在电弧区域存在着滞熔渣柱现象，滞熔渣柱与焊接工艺和药芯组成有关系， 主要取决于钢皮与药粉的导电性的差异以及钢皮与药粉熔点的差异。滞熔渣柱对焊接工 艺性的影响还未达成共识。 ( 3 ) 药芯焊丝的特殊性对应着焊接工艺的特殊性，所以熔滴的过渡形态不能简单 的说是以短路过渡、排斥过渡、细颗粒过渡、射滴过渡、射流过渡中某一单一的过渡形 式，熔滴过渡时一般是某一过渡形式为主，同时混有其他过渡形式。 1 2 2 熔滴过渡机理的研究 焊丝的熔滴过渡实际上是焊丝端部在加热时不断熔化形成液态球状金属，液态金属 逐渐长大最后在各种力的综合作用下过渡到熔池中去。由于熔滴过渡时包含着许多物理 化学过程，所以对g m a w 熔滴过渡的机理国内外众多学者都给予了深入研究，并通过建 立数学理论模型对熔滴过渡时的动态变化进行了分析模拟。 研究者利用计算机借助数学方法建立了许多关于熔滴理论过渡的模型，其中最为主 要的有伫8 。3 5 1 ：静力平衡理论、电磁收缩不稳定理论、流体体积法理论、“质量一弹簧”理 4 太原理】：人学硕十研究生! 孚：位论文 论、流体动力学理论以及能量最小原理理论模型等。 其中最为经典的是静力平衡理论与电磁收缩不稳定理论了。 1 9 6 2 年a l r l s o l ll c 率先提出了经典的静力平衡理论，该理论几乎考虑到了熔滴 过渡时所受到的各种力，诸如重力、等离子流力、轴向电磁收缩力、表面张力。该理论 认为熔滴之所以能够脱离焊丝而过渡到熔池中去是因为作用在熔滴上的静态保持力小 于静态分离力。但是静力平衡理论存在着不足，该理论虽然考虑到了轴向力的变化对熔 滴过渡所产生的影响，但是却忽略了焊接时电流的瞬时变化以及轴向力的变化对熔滴过 渡产生的影响；同时将液态熔滴完全假设为球体状，对诸如喷射过渡所预测的熔滴尺 寸和实际试验结果不相符，也未考虑电流变化、焊丝干伸长、气体流量以及比例等等对 熔滴过渡的影响，所以其精确度比较低。 电磁收缩不稳定理论认为迫使液态金属收缩形成熔滴扰动的临界波长可以近似的 来计算熔滴的大小。但是这种计算结果与通过高速摄影技术观察到的熔滴形状有很大差 别，同时该理论对熔滴过渡时的计算虽然考虑了熔滴在脱离时刻的静态平衡或波长的不 稳定性，但没有没有考虑到熔滴在长大过程中在焊丝端部不停地摇摆震荡等因素对熔滴 过渡行为的影响。因而理论预测值与试验结果有很大的偏差 2 8 - 3 0 3 。 静力平衡理论、电磁收缩不稳定理论都属于静态理论，虽然它们能够近似的计算 出熔滴直径的大小，但不能描述出熔滴在过渡时其形貌大小的变化过程以及在过渡时流 经熔滴的诸如电场、磁场等各种流场，也不能预测随着焊接电参数的增大，熔滴过渡形 态的转变情况，根据理论计算的熔滴直径大小跟试验测定值有较大差异。静力平衡理论、 电磁收缩不稳定理论仅仅是一种理论模型，跟实际遇到的情况有很大差别，例如没有考 虑到焊接时产生的电阻热和电流热对焊丝的热作用，也没有考虑到焊接速度和气体流量 对熔滴过渡的影响，所以静力平衡理论、电磁收缩不稳定理论也仅仅只能作为试验时一 种参考。 1 2 3 焊接电弧参数的研究 焊接过程中，电参数的变化反映了焊接过程的稳定性。例如，以细颗粒过渡的为主 的焊接过程，其电参数稳定；在短路过渡以及大滴排斥过渡时时，电参数波动较大。 研究者m 3 利用汉诺威弧焊分析仪分析总结得出：焊接过程中短路过渡时电压波动较 大，一般超过l o v ，电压波动在1 到l o v 之内时可以认为是球状过渡，在0 3 到1 v 之 间可以认为是熔滴过渡稳定的射滴过渡。焊接时，由于噪声等因素的影响，认为波动范 5 太原理t 人学硕+ 研究生学位论文 围在0 3 v 以下是由于噪声等外在影响所致。 研究者h 0 引1 将电流、电压瞬时值连接成u - i 图，根据图形曲线轨迹的集中程度以及 图形面积的大小可以判断焊接时电弧的稳定性。图形轨迹越集中、图形面积越小反应电 弧越稳定。 研究者4 2 1 利用汉诺威弧焊分析仪对设定参数下c 0 2 气体保护药芯焊丝的电参数进 行测试，认为药芯焊丝工艺性的好坏跟短路过渡频率、短路大电流概率密度和、瞬时短 路时间和以及瞬时短路频率有密切联系，结合主成成分分析建立了焊接工艺参数与短路 过渡频率、短路大电流概率密度和、瞬时短路时间和以及瞬时短路频率的数学模型，认 为瞬时短路频率越大，短路过渡频率、短路大电流概率密度和、瞬时短路时间越小则焊 丝工艺性越好。 研究者【4 3 - 4 4 1 利用汉诺威弧焊分析仪测试对五种药芯焊丝在相同焊接参数下进行测 试，用过对比大电流概率和、大电流概率和以及大于l m s 平均短路时间来评价焊丝工 艺性好坏。作者认为以l m s 的平均短路时间的变异系数s 【t ( t 】) 小于短路大电流概率和 的变异系数和作为判据，可以很好的对不同种类药芯焊丝焊接工艺性进行对比。 1 3 金属粉芯型药芯焊丝的电弧物理特性研究现状 金属粉芯型药芯焊丝虽然已经发展了数十年，但是有关其电弧物理特性研究的却少 见报道。目前国内外对于金属粉芯型药芯焊丝的研究报道主要集中在对于其工艺性能的 介绍，而对电弧物理的研究却少见报道。 田志凌陆1 主要介绍了从金属粉芯型药芯焊丝的发展历史、工艺性的优点、国内外对 于金属粉芯型药芯焊丝认识和应用以及我国与国外的的差距来介绍金属粉芯型药芯焊 丝。 李建海h 们以焊接工艺性为对比点，将金属粉芯型药芯焊丝与其他熔渣型药芯焊丝和 实心焊丝作比较认为金属粉芯型药芯焊丝存在诸多诸如飞溅小、熔敷效率高等优点；国 内应用方面，虽然近年来国内金属粉芯型药芯焊丝的研究、应用和开发取得了一些成绩 但是仍然存在瓶颈；同时介绍了国外金属粉芯型药芯焊丝的研究、应用和开发情况，认 为国外已经形成了多品牌、多型号并取的广泛的应用。 研究者h 7 3 主要介绍了所研制的金属粉芯型药芯焊丝的研制的工艺过程以及工艺 性。认为金属粉芯型药芯焊丝具有较好的工艺性，焊接过程中即使使用较小时熔滴过渡 6 太原理i ：人学硕士研究生学位论文 都比较流畅、电弧稳定、飞溅小；焊缝气孔少、焊缝成形完美、焊缝有着良好的力学 性能。 杨祥海n 5 叫6 主要介绍金属粉芯型药芯焊丝在石油管道堆焊上的工艺性研究。对焊接 接头进行力学试验以及化学成分分析认为使用金属粉芯型药芯焊丝焊后焊接头的性能 大大提高。 文献n l l 8 利用数码照相技术对金属粉芯型药芯焊丝的熔滴过渡进行也研究，作者认 为随着焊接电参数的增大熔滴过渡形式逐渐变为：短路过渡、排斥过渡和细颗粒过渡； 在中等参数下电弧呈钟罩型，电弧张角较大；在任何参数下金属粉芯型药芯焊丝均有一 定程度的滞熔现象，但是滞熔程度均比渣系的药芯焊丝的轻，主要原因是金属粉芯型药 芯焊丝药芯内含有大量金属粉末，使得单位密度的电流增大，单位时间内产生的热量增 多，粉末与钢带几乎可以同时熔化，因而滞熔现象较轻。 1 4 电弧物理研究方法 目前较为经典和常用的研究熔滴过渡模式及电弧物理参数测试的方法常用的主要 有以下四种：( 1 ) 高速摄影技术：根据高速摄影所拍摄的影像可以观察熔滴过渡模式、 焊接飞溅特征以及电弧的变化特征；( 2 ) 波形分析法：根据焊接过程中电弧电压、焊 接电流的波动情况定量的分析熔滴过渡模式以及电弧的稳定性。波形分析法种类比较 多，目前比较先进的有汉诺威弧焊质量分析仪法，该方法利用计算机以及相应的测试软 件对焊接过程中焊接电流电压的瞬时值可以准确取点，可以准确的记录焊接过程中电流 电压值的瞬时变化；( 3 ) 金属熔滴分析：该方法主要包括水法收集和干法收集：通过 金属熔滴法可以分析焊接工艺参数对熔滴大小的影响。( 4 ) 光谱分析法h 8 。5 2 l ，由于本 课题不涉及此方法所以此处不详述。 1 4 1 高速摄影法 高速摄影可以准确直观的将熔滴过渡、电弧变化、焊接飞溅这一瞬时变化变化的过 程记录下来。通过对高速摄影影片的研究分析就可以了解熔滴过渡时电弧的行为特 征，通过高速摄影照片可以观察熔滴的形成、长大、过渡的全过程以及在这一过程中发 生的种种诸如飞溅、烟雾、桥接等焊接现象。图卜3 为焊条的单幅高速摄影照片，照片 中可以很清晰地观察到金属熔滴悬挂在焊条端部，并偏向焊丝右侧，焊接电弧在金属熔 7 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 滴下面持续的燃烧。 1 4 2 波形分析法 条 熔滴 电弧 图1 - 3 高速摄影拍摄时的单幅照片 f i g 1 3as i n g l ep i c t u r eb yh i g h - s p e e do fp h o t o g r a p h y 波形分析法是研究焊接时熔滴过渡和电弧行为的最常用、最直接、最有效的方法。 在焊接时熔滴的不断变化导致电弧电压和焊接电流的不断变化，我们通过示波器记 录电弧电压和焊接电流的瞬时变化并生成图形，根据图形可以定性的判断焊接时熔 滴过渡特征以及电弧行为。5 0 1 。 图卜4 是典型大滴短路过渡和喷射过渡的电弧电压、焊接电流波形图的照片。图中 ( a ) 是熔滴周期性的短路过渡波形。图中( b ) 电压、电流波形都近似于一条直线，描述了 喷射过渡时，电弧电压和焊接电流十分稳定的特点心8 | 。 ( b ) 图1 4 电弧电压、焊接电流波形曲线 ( a ) 粗熔滴短路( b ) 喷射过渡 f i g 1 - 4t h eo s c i l l o g r a m so fa r cv o l t a g ea n dw e l d i n gc u r r e n t ( a ) g l o b u l a rs h o r t c i r c u i t i n gt r a n s f e r( b ) s p r a yt r a n s f e r 8 太原理l ：人学硕+ 研究生学位论文 1 4 3 金属熔滴分析法 焊接时熔滴颗粒的大小对熔滴的过渡形态、焊丝的工艺性以及焊接冶金反应有着重 要影响。因此，研究者5 3 朝认为对熔滴颗粒大小的研究电弧物理特性的一个重要方法。 目前对熔滴颗粒大小的测试主要分为两步骤：1 熔滴的收集；2 、熔滴金属尺寸大小的 计算和分析。 熔滴颗粒的收集目前主要有两种方法：水法收集 们和干法收集晦副。 对熔滴大小的评定方法最早是由日本学者石崎敬三提出的d 。法喁3 。5 引，主要步骡为： 首先将收集到的熔滴用直径o 5m m 、1 0m m 、1 5l l l m 、2 0m i l l 、2 5 m m 、3 on l m 、3 5 m m 、4 0 咖的标准筛进行筛选分类，根据实际情况将熔滴组，一般分为4 5 组，求 出每组熔滴的质量分数( ) ，然后在每组中选取一定数量的熔滴，一般选取5 0 - - 1 0 0 个 为宜，求出每粒熔滴平均质量m ，再将熔滴假设为球体并根据球体公式计算出每组熔滴 的平均直径d h 。 根据公式：( 4 3 ) r a = m , c 7 8 6 可得：乩= o 6 2 4 砺五 最后以计算出的熔滴平均直径为横坐标，熔滴质量分数为纵坐标作图，以累积质量 分数为5 0 时所对应的熔滴平均直径( d 轴) 作为评价熔滴颗粒度的标准。d 。法是- , e e 比较 科学熔滴大小评定方法，但其处理过程比较繁琐。 1 5 课题的目的和意义 金属粉芯型药芯焊丝的研制和应用始于上个世纪5 0 年代，由于其药芯粉末是由占 8 0 以上的金属粉组成，这就使得它有着更大的电流密度，而具有更高的熔化效率以及 熔敷效率；其次由于其药芯粉末是以金属粉为主的，所以在焊接时只产生少量渣甚至无 渣，这样减少了焊后的清理工作，提高了生产效率；同时因为在金属粉末中加入了大量 的n a 、k 等易电离的化合物，所以电弧更稳定、焊接飞溅少、焊缝成型美观。就目前而 言发达国家已经形成多品种、多型号、多品牌的金属粉芯型药芯焊丝，并已经广泛应用 于管道、船舶、桥梁、航空航天、大型钢结构等领域的自动或半自动焊接过程中。 虽然目前国内对于金属粉芯型药芯焊丝的认识和应用已经取得了较大发展，但是与 发达国家相比仍然有着较大差距，国内仅仅局限在大型船舶的自动或半自动焊接过程 9 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 中。在金属粉芯型药芯焊丝的生产和研发上，国内还存在诸多不足。例如，没有大品牌、 产品的品种也有限。在一些大型的重要工程上对金属粉芯型药芯焊丝的的需求还主要来 源于进口。对收集的资料的进行总结发现，当前国内外对金属粉芯型药芯焊丝的研究报 道还限于其焊接工艺性方面，而对电弧物理特性的研究报道却较为少见。众所周知，焊 接材料的电弧物理特性对焊接工艺性有着十分重要的影响，所以在电弧焊的条件下来研 究焊接材料的电弧物理特性就显得更加有意义。就目前而言，对焊接材料( 无论是焊丝 或者焊条) 电弧物理特性的研究，主要集中在对熔滴过渡的形态特征、焊接电弧的稳定 性以及焊接飞溅的研究，因为这三者对焊接工艺性、焊接过程的稳定以及焊接质量有着 密切的联系。 为了新的金属粉芯型药芯焊丝的研制开发以及为实际的焊接生产提供借鉴指导，对 金属粉芯型药芯焊丝的电弧物理特性的研究是必不可少的。 本课题以金属粉芯型药芯焊丝为研究对象，以研究金属粉芯型药芯焊丝电弧物理特 性为出发点，以熔滴过渡和飞溅为主要研究对象，利用高速摄影技术、汉诺威弧焊分析 仪以及焊接飞溅率测试为试验手段，分析研究熔滴过渡特征、焊接飞溅以及电参数特征， 并结合数学建模对熔滴过渡的稳定性以及飞溅的严重性与焊接电参数的关系，为新的金 属粉芯型药芯焊丝的研制和实际的焊接生产提供参考借鉴。 1 6 本文主要研究内容及研究方法 1 、采用高速摄影技术研究金属粉芯型药芯焊丝的熔滴过渡形态特征及焊接飞溅特 征： a ) 观察熔滴的形成、长大、过渡的过程，总结熔滴过渡的模式和特征，并分析过渡 机理； b ) 观察飞溅的形态和特征，分析产生飞溅的原因。 2 、采用汉诺威弧焊分析仪测试分析电弧电压和焊接电流参数分布特征。 3 、通过数学方法采用电参数分析评价金属粉芯型药芯焊丝熔滴过渡过程的稳定性。 4 、通过数学方法采用电参数分析评价金属粉芯型药芯焊丝飞溅的严重性。 1 0 太原理一i ：人学硕十研究生学位论文 第二章试验材料及方法 2 1 试验材料及试验设备 试验材料为江苏天泰焊材生产的t e c - 7 0 型金属粉芯型药芯焊丝以及天滓三英生产 的s q j 5 0 m x 型金属粉芯型药芯焊丝。江苏天泰焊材生产的t e c 7 0 型金属粉芯型药芯焊丝 芯焊丝其药粉中金属粉含量较高所以焊后焊缝没有熔渣产生，在富氩保护( 7 5 8 5 a r + 其余c 0 ：) 下焊接。天津三英生产的s q j 5 0 m x 型金属粉芯型药芯焊丝药粉中金属粉含量 较低焊后焊缝有熔渣产生，在纯c 0 ：保护下焊接。因成分