（材料加工工程专业论文）自保护药芯焊丝及其熔滴过渡的研究.pdf

摘要 随着长输管道事业的发展，自保护药芯焊丝得到广泛的应用。我国管道焊 接应用的全位置自保护药芯焊丝主要依靠进口美国林肯公司和哈伯特公司的产 品。目前迫切需要提高国产自保护药芯焊丝的质量。 熔滴过渡会影响药芯焊丝的工艺性能和力学性能。本文借助高速摄像及汉 诺威焊接质量分析仪( 以下简称汉诺威分析仪) ，对市售管道焊接用全位置自保 护药芯焊丝的熔滴过渡形态及其工艺参数和冶金因素对其的影响进行研究，发 现全位置自保护药芯焊丝具有“弧桥并存”的熔滴过渡特征，并建立起熔滴过 渡形态与汉诺威波形曲线的对应关系。对分析汉诺威分析仪采集的数据进行分 析发现，焊接电流在1 8 0 a 左右时有最好的工艺性能，偏离这个电流值焊接工艺 性会变差。 通过大量试验总结出n a 2 c 0 3 k 2 c 0 3 、大理石白云石、石英、长石是对熔滴 过渡有较大影响的因子。设计三组试验，借助汉诺威波形曲线考察了 n a 2 c 0 3 k 2 c 0 3 、大理石白云石、石英、长石对熔滴过渡及焊接工艺性的影响规 律，得出结论：当n a 2 c 0 3 k 2 c 0 3 ：1 ，大理石白云石：l 2 ，石英：l ，长石： 2 时配方整体效果最好。 研制成功一种高氟化物铝镁渣系的2 c r l 3 型自保护药芯焊丝，该焊丝的硬 度和熔敷金属化学成分均满足a w s 、j i s 、g b 的相关标准，且具有良好的工艺性 能。使用试验优化技术，确定了对脱渣性有较大影响的b a f 2 c a f 2 ，大理石，s i 0 2 的最佳配比：b a f 2 c a f 2 ：2 5 0 ；大理石：4 ；s i 0 2 ：3 。设计配方，对如何 提高熔渣覆盖性能、降低自保护药芯焊丝的飞溅也进行了研究，确定了综合效 果最好的药芯配比为：b a f 2 ：2 5 ；长石：1 ；。n a 2 c 0 3 k 2 c 0 3 ：1 ；高碳铬铁： 4 。 关键词自保护药芯焊丝；熔滴过渡；高速摄像；高氟化物铝镁渣系 a b s t r a c t s e l f - s h i e l d e df l u xc o r e dw i r e ( s s f c v oi sw i d e l yu s e df o ra l l - p o s i t i o nw d d i n g o fp i p e l i n e b u tt h em a j o r i t yo fc o n s u m e ds s f c wi nc h i n ar e l i e so ni m p o r t i n gt h e p r o d u c to fl i n c o l na n dh o b a r tc o r p o r a t i o nd u et ot h ep o o rq u a l i t yo fd o m e s t i c s s f c w s ot h e r ei sa nu r g e n tn e e dt od e v e l o pt h ed o m e s t i cs s f c w d r o p l e tt r a n s f e rb r i d g e st h eo p e r a t i o nw e l d a b i l i t yo fs s f c wa n dt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h ew e l d i nt h i st h e s i s ，t h ed r o p l e tt r a n s f e ro fs s f c w o na l l - p o s i t i o n p i p e l i n e sw e l d i n gh a v eb e e ns t u d i e db ym e a n so fh i g hs p e e dv i d e os y s t e ma n d h a n o v e ra n a l y z e r t h ee f f e c to fw e l d i n gp a r a m e t e r sa sw e l la st h em e t a l l u r g i c a l f a c t o 心h a v ea l s ob e e ns t u d i e d i ti so b s e r v o dm a tm e t a lt r a n s f e rh a sap r i m a r y c h a r a c t e r i s t i co f b r i d # n gt r a n s f e rw i t h o u ta r ci n t e r r u p t i o n t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h e d r o p l e tt r a n s f c ra n dt h es i n g n a l c u r v eo b t a i n e db yh a n o v e ra n a l y z e ri s e s t a b l i s h e d t h eo p t i m a lo p e r a t i o nw e l d a b i l i t yi sf o u n da tt h ew e l d i n gc u r r e n to f 18 0 a ，a n yd e v i a t i o no f t h ec u r r e n tw i l ll e a dt od e t e r i o r a t et h eo p e r a t i o nw e l d a b i l i t y b a s e do nl o t so fe x p e r i m e n t , i ti ss u m m a r i z e dt h a tt h ec o n t e n to f n a 2 c o j k 2 c 0 3 ， m a r b l e d o l o m i t e , q u a r t z ，f e l d s p a rh a sas i g n i f i c a n te f f e c to nt h ed r o p l e tt r a n s f e r b e h a v i o ra sw e l la st h eo p e r a t i o nw e l d a b i l i t y f u r t h e ro p t i m i z a t i o ne x e r p e r i m e n ta r e d e s i g n e db yv a r y i n gt h ec o a n to fm a i ne l e m e n tw h i l ek e e p i n gt h em i n o re l e m e n t u n c h a n g e d t h eo p t i m a lr a t i o ni sn a 2 c 0 3 k 2 c 0 3 ：1 ，m a r b l e d o l o m i t e ：1 2 ，q u a r t z ： l ，f e l d s p a r ：2 a l l i g h f l u o r i d ea i - m gs l a g s y s t e m2 c r l 3s s f c wh a sb e e nd e v e l o p e d s u c c e s s f u l l y i tp r e s e n t sag o o do p e r a t i o nw e l d a b i l i t ya n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o ft h ed e p o s i tm e e tt h er e q u i r e m e n to ft h er e l e v a n ts t a n d a r d s ，e g a w s ，j i s ，g b t h r o u g ho p t i m i z i n gt e c h n o l o g y , e f f e c t so fc a f 2 r b a f 2 ，m a r b l e ，s i 0 2 o ns l a g d e t a c h a b i l i t ya r es t u d i e d t h eo p t i m a lc o m p o s i t i o ni sb a f 2 c a f 2 ：2 5 0 ；m a r b l e ：4 ：q u a r t g ：3 f u r t h e re x p e r i m e n t sh a v eb e e nm a d ei no r d e rt oi m p r o v et h es l a g 8 c o v e r i n ga b i l i t ya n dt or e d u c et h ew e l d i n gs p a t t e r t h eo p t i m a lc o m p o s i t i o ni sb a f 2 ： 2 5 ；f e l d s p a r ：l n a 2 c 0 3 k 2 c 0 3 ：l ；h i g hc a r b o nf e r r o c h r o m e ：4 s e l f s h i e l d e df l u xc o r e dw i r e ；d r o p l e tt r a n s f e r ：h i 曲s p e e dv i d e os y s t e m ： h i g hf l u o r i d ea i - m gs l a gs y s t e m i l l - 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 签名：筮垂日期：兰翌：! ：! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盈盟垂 导师签名：日期：巫生：! 第1 章绪论 第1 章绪论 药芯焊丝是近年来国际上发展迅猛的一种焊接材料，由于其技术先进性和 经济效益好的优势，被公认为焊接材料领域技术最先进、发展最快的技术之一。 本章首先简单介绍药芯焊丝的发展历史，然后对药芯焊丝及其相关领域的研究 进展情况进行综述，最后介绍本课题的研究内容及其意义。 1 1 药芯焊丝的发展历史 药芯焊丝又称管状焊丝或粉芯焊丝，其发展可追溯到1 9 2 7 年，当时的药芯 焊丝是将药粉灌入钢管切成长段，用氧乙炔焰进行焊接，其保护效果较差，无 法产生高质量的熔敷金属，同时由于制造工艺复杂，生产成本高，并没有立即 引起人们的兴趣。随后的焊接领域主要以涂料焊条和埋弧焊方法主导。到1 9 4 8 年出现了熔化极气体保护电弧焊方法( m i g ) ，并提供了连续送丝设备，使得药 芯焊丝在工业上的应用成为可能。1 9 5 4 年5 月，美国首次成功地使用了药芯焊 丝【1 0 翔，并于1 9 5 6 年首先在美国出现了商品化的药芯焊丝。此时的药芯焊丝使 用两个保护气源，一是药芯中的造气剂，二是外部保护气体。1 9 5 9 年，在保护 气源方面出现新的突破，取消了外部保护气体，通过增加造气剂，脱氧、脱氮 合金制造出一种所谓“自保护药芯焊丝”的产品。同年9 月，美国l i n c o l n 公司 申请了第一个自保护药芯焊丝的专利 4 1 ，几乎同时，前苏联巴顿焊接研究所 p o k o d n y a i k 也报道了自制的自保护药芯焊丝【5 】。几十年后的今天，自保 护药芯焊丝以其特有的优越性得到了很大的发展，今天它可以进行不同位置、 不同强度级别钢材的焊接，因而被广泛应用于造船、石油化工、冶金建筑和机 械制造的工业部门。在一些发达国家，自保护药芯焊丝电弧焊正在成为一种重 要的焊接方法。据1 9 9 0 年统计，美国药芯焊丝已占焊接材料总量的2 1 1 ，其 中自保护药芯焊丝占5 ，日本自保护药芯焊丝占3 【6 l 。在前苏联及i i w 成员 国，药芯焊丝的应用也十分广泛。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 2 论文选题的目的和意义 自保护药芯焊丝( s e l f - s h i e l d e df l u xc o r e dw i r e ) 是通过在芯料组成中添加 造渣、造气、脱氧、脱氮等物质，在没有保护气体的条件下焊接形成质量良好 的焊接接头的1 7 , 8 3 ，由于这种焊接材料抗风能力强，允许风速达到四级，同时焊 接时无需气瓶等辅助设备，焊接操作方便，焊接生产效率高，特别适用于大型 构件的现场补焊和野外施焊等工程场合，目前在油气管线现场安装、阀门堆焊、 大型水轮机叶片及轴的补焊等场合有较大的市场需求【9 0 1 。针对管线焊接，根据 有关方面的规划，未来1 0 年内，我国将建成1 4 条油气输送管道干线，形成“两 纵、两横、四枢纽、五气库”，总长上万公里的干线和连通2 7 0 个城市长达1 4 万k m 支线的油气管输格局【l 。在管道施工技术中，管道焊接技术是非常重要 的一项关键工艺技术。随着管道建设的发展，焊接工作者不断地在研究开发新 型焊接材料，完善和改进已有的焊接工艺技术。 自保护药芯焊丝9 0 年代开始应用到管道施工焊接中，具有熔敷效率高，全 位置焊成形好，环境适应能力强，焊工易于掌握等特点。采用纤维素焊条手工 向下焊打底，半自动自保护药芯焊丝下向焊填充、盖面的复合型下向焊技术是 目前最成熟、应用较广的管道焊接施工技术【1 2 。6 】。表l - 1 例举的是涩宁兰输气 管道工程焊接施工工艺，焊接流程如图1 - 1 所示，由两个焊工同时在两侧进行 焊接( 1 刀。 舡甲 飞3 起 乡 乙 图卜1 全位置焊接施焊示意图 f i g 1 1w e l d i n gp r o c e s sf o ra l lp o s i t i o np i p ew e l d i n g 表卜1 自保护药芯焊丝全位置管道焊接工艺参数“” t a b l e l lp a r a m e t e ro f s s f c wa l lp o s i t i o np i p ew e l d i n g 针对这一管道焊接复合型下向焊技术的工艺和焊接材料的试验研究是管道 焊接研究的一个重要领域。目前国内油气管道中采用的0 2 0 自保护药芯焊丝几 乎全部依靠进口美国l i n c o l n 和h o b a r t 的产品。所以，自主专用焊接材料 的研发工作非常紧迫。 熔滴过渡的研究，对高水平焊接材料产品的整个研发过程具有重要的理论 指导和实际参考意义，是焊材开发研究最有效的途径之一。该课题的主要任务 就是探索焊接材料的工艺性能与焊接电弧过程的内在联系，分析工艺因素和冶 金因素对焊接熔滴过渡的影响规律，并运用这一规律指导焊接材料的开发工作。 研究借助高速摄像装置和汉诺威分析仪对长输管道用自保护药芯焊丝熔滴过渡 的图像信息和波形信息进行捕捉，通过对观察图像和汉诺威波形及大量统计数 据的分析，确定熔滴过渡的特征，探索工艺参数和冶金因素对熔滴过渡的影响 规律。该课题由山西省科技型中小企业技术创新基金项目资助。 1 3 相关研究领域的研究现状和进展 1 3 1 气保护药芯焊丝熔滴过渡形态及其过渡特性研究现状 目前对于药芯焊丝熔滴过渡的研究主要集中在气保护药芯焊丝领域。c 0 2 气保护药芯焊丝的熔滴过渡方式基本上只有短路过渡、大滴过渡和细滴过渡三 种。在正常的工艺参数下施焊时一般都是细滴过渡方式。细滴过渡形成的熔滴 北京工业大学工学硕士学位论文 是由渣、金属和渣包裹金属三类组成。细滴过渡形成的熔滴脱离焊丝的方式是 沿着滞熔的渣柱流下或者自由下落 1 5 , 1 9 】。 文献 2 0 】认为，碳钢钢带c c h 气保护3 0 8 型不锈钢药芯焊丝，具有一种特 有的熔滴过渡方式复合过渡模式。复合过渡模式就是一种由药芯焊丝外皮生 成的外部熔滴的细颗粒过渡与由药芯熔化生成的内部熔滴的短路过渡( 或称表 面张力过渡) 同时存在的熔滴过渡方式。 文献 2 h 认为药芯焊丝熔滴过渡特性表现为：( 1 ) 电弧轴向旋转特性( 2 ) 熔滴的非轴向过渡特性( 3 ) 药芯的“滞熔”特性( 4 ) 熔滴渣滴的分离过渡( 5 ) 电弧扩散角增大，径向能量分布梯度大幅减小，熔深浅，成形系数大。 文献 2 2 】按形成条件的不同，把药芯焊丝的熔滴过渡分为以下几种形式： 大滴排斥过渡；细颗粒过渡；射滴过渡；射流过渡；短路过渡。除短路过渡 以外，渣柱不影响正常的熔滴过渡。当药芯有适当的滞熔时，有利于药芯焊丝的熔 滴过渡。 文献 2 3 ，2 4 在肯定药芯焊丝短路过渡、颗粒过渡和射滴过渡形态的同时又 指出存在有爆炸过渡，并将短路过渡进一步细分为短路非爆炸过渡、短路爆炸 过渡和短路外摆过渡，并着重探讨了以上熔滴过渡形态和药芯焊丝的工艺关系。 文献 2 5 1 认为c 0 2 保护碱性药芯焊丝熔滴过渡的形态为，短路过渡、粗熔 滴排斥过渡和细颗粒过渡，所有过渡都是围绕所谓“渣柱”进行的，在大滴排 斥过渡中，长大的熔滴受到某种排斥力的作用，绕着“渣柱”不断旋转，直到 最后落入熔池，见图1 - 2 。电流电压以及药芯成分是影响熔滴过渡的主要因素。 综合文献资料内容，随着焊接电流的增加，气保护药芯焊丝熔滴过渡的方 式可描述为：短路过渡；大颗粒过渡；细颗粒过渡；射滴过渡；射流过渡。细 颗粒过渡是较为理想的过渡形式。和实心焊丝相比，由于药芯的非导电性，使 得药芯滞后于钢皮熔化，形成滞熔的渣柱，从而形成金属熔点和熔渣的分离过 渡，这是药芯焊丝熔滴过渡不同于实心焊丝的最大特点，见图1 3 。而影响熔滴 过渡特征的因素主要是焊接工艺参数，和焊丝药芯的物理冶金特性。对于管道 复合技术中自保护药芯焊丝全位置( 包括平焊、立向下焊和仰焊) 焊接的熔滴 过渡形态研究尚未见报道。 第1 章绪论 图1 2 熔滴过渡的旋转特性。习 f i g 1 - 2 c i r c u m v o l v ec h a r a c t e r o f d r o p l e tt r a n s f e r 图1 - 3f c a w 典型滞熔现象2 q f i g 1 3t y p i c a lr e t a r d a t i o no f f c a w 1 3 2 药芯焊丝熔滴过渡形态的影响因素 药芯焊丝熔滴过渡形态与其受力有关，研究者对药芯焊丝过渡熔滴的受力 情况做了定性的分析【2 4 捌。药芯焊丝过渡熔滴所受的力主要有：重力、表面张 力、斑点压力、气体动力、电磁力、等离子流力。促进过渡的力有：等离子流 力、重力( 平焊) ，阻碍过渡的力：斑点压力，表面张力。有可能促进过渡的力： 电磁力、气体动力。电磁力对熔滴过渡行为的影响和熔滴的弧根面积大小，即 电流线的分布有关。自保护药芯焊丝焊接时，弧根面积越大，电磁力越有利于 过渡。当气体吹力不太大时，有利于熔滴过渡；当气体吹力过大时，可使熔滴 上翘，阻碍过渡。熔滴受力的示意图见图l _ 4 。 电流和电压是影响药芯焊丝熔滴过渡的主要因素，其影响可归结为对过渡 形式的影响和对“滞熔”的影响。随焊接电流、电压的增加，能量增加，熔滴 的温度升高，熔滴的表面张力减小，电磁力、气体吹力增大，熔滴质量减小， 直径小于2 0 m 1 1 1 的细熔滴增多，熔滴过渡频率增加，熔滴过渡形式从短路过渡 转变为粗滴排斥过渡，最后变为细颗粒过渡。 北京t 业大学工学硕十学位论文 熔滴疑触删一恻 r gt ：熔滴与药芯的界面张力 图l - 4 熔滴受力示意图口q f i g 1 - 4s k e t c hm a po f f o r c eo nd r o p l e t 药芯焊丝的熔化速度v 可以表示成函数式( 1 1 ) ： 归赤2 p ( h ( + ) 4 ， o + 6 ) ” 式中：p 一密度，g t h i n 3 ； h 0 - - 熔滴的热含量，j g ； 矿一熔化时当量电压，v ； l 一千伸长度，m m ； j 一电流密度，a m m 2 ： a 一热力学常数，q m i l l ； b 一热力学常数 因药芯焊丝的电流密度比实芯焊丝大，由公式1 1 可知，药芯焊丝熔化速 度比实芯焊丝快，同时熔滴受电弧力的作用明显增强。表1 - 2 反映了药芯组成 和截面形状对熔滴尺寸的影响。由表1 2 可知，截面形状越简单( o 型) 熔滴 尺寸越大。药芯组成与熔滴尺寸的关系见图1 5 。研究发现钛型焊丝有最小的熔 滴尺寸。 现有的其他关于药芯组成对熔滴过渡的研究非常少，对焊接工艺性的研究 主要集中在直观的观察飞溅量，焊后熔滴颗粒收集并进行颗粒大小统计上。 第1 章绪论 表卜2 渣系和截面形状对自保护药芯焊丝熔滴尺寸的影响“” t a b l e l - 2e f f e c t so f s l a gs y s t e ma n ds e g t i o ns h a p eo i ls s f c wd r o p l e ts i z e bcn 图卜5 药芯组成对熔滴尺寸的影响 ( 电流范围：3 0 0 7 0 0 a ：b 一铁粉；c - - 钛型渣n 一含有强氧化剂的c a f z c a c 0 。渣) f i g 1 - 5e f f e c t so f f l u xc o m p o s i t i o no nd r o p l e ts i z e 1 3 3 药芯焊丝熔滴过渡研究趋向 综合以上文献资料的分析，药芯焊丝熔滴过渡有以下研究方向： ( 1 ) 药芯焊丝熔滴过渡特征研究方向。一方面，气保护药芯焊丝在平焊位 置的熔滴过渡形态已经确认，而对于自保护药芯焊丝的熔滴过渡形态尚待试验 研究。另一方面，焊接工艺参数、焊接冶金因素对药芯焊丝熔滴渡形态的影响 也需要进行试验研究。 ( 2 ) “滞熔”是普通药芯焊丝熔滴过渡特有的现象，但是对于自保护药芯 北京工业大学工学硕上学位论文 焊丝由于焊接过程中主要靠药芯反应造气、造渣形成保护氛围，所以自保护药 芯焊丝“滞熔”的形态特征以及滞熔对焊接工艺性的影响都有待进一步研究。 1 4 自保护药芯焊丝国内外研究现状简述 2 0 世纪6 0 年代是自保护药芯焊丝的初始发展阶段。8 0 年代开始出现一些 工艺性能和力学性能都较令人满意的产品，如美国l i n c o l n 公司的n r 3 1 1 ( n i ) 、n r 2 3 2 ，日本新日铁公司的s a n 5 5 a 等。同时对自保护药芯焊丝烟雾大 的问题也正在解决，如日本研制的d 1 系列和n 5 5 s 药芯焊丝的发尘量都明显 下降。到九十年代，国外已经开发并发展了有特点的自保护药芯焊丝【2 8 1 ，控制 扩散氢含量的新型焊丝【2 9 1 ，新一代低尘低飞溅的工艺性优良的药芯焊丝【3 们，特殊 专用全位置脉冲焊碱性的药芯焊丝【3 l 】及其他一些特殊要求的专用药芯焊丝等。 我国虽然对药芯焊丝的研制起步较早，但直到1 9 8 8 年北京焊条厂引进英国 c o r e i r e 公司药芯焊丝生产线及相应的配方后，国内市场才出现了批量供应的药 芯焊丝。自保护药芯焊丝的研制单位不少，但存在着不宜全位置施焊、冲击韧 性偏低等问题，工艺性能和力学性能不够稳定【7 】。对于专用药芯焊丝的开发工 作更是做的不够。表1 3 是对1 9 9 3 1 9 9 8 年各国药芯焊丝专利公开数目的粗略 统计僻】。近年来日本、美国等国家更有一大批关于自保护药芯焊丝的专利公开 发表 3 3 - 4 0 ，而我国这方面的专利无论数量和种类都和国外相差很多。 表卜31 9 9 2 1 9 9 7 年各国药芯焊丝专利公开数目 t a b l e l 一3p u b l i s h e dp a t e n t so f f c wd u r i n g1 9 9 0t o1 9 9 6 目前国内长输油气管道工程全位置焊接主要应用的是美国l i n c o l n 公司 第1 覃绪论 生产的n r - 2 0 7 自保护药芯焊丝和h o b a r t 公司生产的f a b s h i e l d8 1 n i l 自保护 药芯焊丝，这两种产品已非常成熟。国内产品主要有金桥公司生产的j c - 2 9 ， j c 2 9 n i l 等，但主要应用于中小工程。 自保护药芯焊丝的理论国内外都很少研究，这是因为自保护药芯焊丝的开 发和研制多在企业，更重视实际效果，即使有一些成熟的结论也属技术秘密不 愿公开。关于包括熔滴过渡在内的电弧物理性能等基础理论的研究更几乎为零， 所以从世界范围内看，对自保护药芯焊丝无论理论研究还是实践探索都是单方 面的，既不系统也不完善。 1 5 本选题的主要研究内容、重点和特点 根据我国焊接材料行业的发展和自保护药芯焊丝国内外的研究应用情况， 以及现有的试验条件，确定了如下的研究内容： ( 1 ) 长输管道用自保护药芯焊丝全位置焊接熔滴过渡形态的确认 对长输管道用自保护药芯焊丝平焊、立焊位置焊接过程拍摄高速摄像，同 时借助汉诺威分析仪的电流电压波形及统计规律数据对平焊、立焊位置焊接熔 滴过渡特点进行确认，并探讨熔滴过渡形态与汉诺威波形的对应关系。 ( 2 ) 工艺参数和冶金因素对熔滴过渡形态的影响 通过改变工艺参数，主要是焊接电流，对自保护药芯焊丝，借助高速摄像 和汉诺威分析仪分析工艺参数对熔滴过渡形态的影响。经过配方调节试验得出， 基础配方，在此基础上调节药芯成份，通过汉诺威分析仪研究冶金因素对熔滴 过渡形态的影响。 ( 3 ) 在上述研究基础上，研制一种同样是高氟化物铝镁渣系的自保护药芯 焊丝。控制熔敷金属成分在2 c r l 3 成分范围，调节其工艺性能达到满意效果。 围绕药芯成份对脱渣性、气孔、飞溅的影响进行研究，得出一些可靠的规律。 为今后开发该渣系下新品种药芯焊丝提供了参考依据。 ( 4 ) 对该渣系2 c r l 3 型自保护药芯焊丝的工艺性能的影响因素进行研究， 探讨该渣系药芯焊丝脱渣性、焊接飞溅等的影响因素及规律。 第2 章全位置自保护药芯焊丝熔滴过渡形式与特点 第2 章全位置自保护药芯焊丝熔滴过渡的 形式与特点 随着西气东输等大型管道工程的建设，传统的焊接工艺已不能适应长距离 输运管道施工的需要。2 0 世纪9 0 年代初，我国从美国引进了药芯焊丝半自动 焊接设备和工艺，由于其焊接合格率以及生产效率高、抗风能力强、适合野外 焊接等优势，目前在我国大、中型直径长距离输运管道建设中得到广泛应用。 目前国内大中型长输管道焊接主要采用l i n c o l n 公司的n r 2 0 7 和h o b a r t 公司的 f a b s h i e l d8 1 n i 自保护药芯焊丝。由于焊丝的熔滴过渡特性与焊丝的工艺质量之 间有良好的对应关系，对于自保护药芯焊丝全位置焊接熔滴过渡理论的研究有 助于国内同类产品的开发和提高。本文利用高速摄像与汉诺威数据分析的试验 手段，对自保护药芯焊丝平焊、立焊位黄的熔滴过渡行为进行了研究，总结出 自保护药芯焊丝全位置焊接特有的熔滴过渡形式及其特点。 2 1 试验方法 本文采用高速摄像的方法并结合汉诺威分析仪对管道用全位置自保护药芯 焊丝f a b s h i e l d8 1 n l 在正常工艺不同位置条件下的熔滴过渡行为进行试验研究。 高速摄像系统具体由以下部分组成：( 1 ) p s s 5 0 0 0 k e m p p i 焊接电源，及其 自带的送丝系统；( 2 ) 光路系统：氙灯、显微目镜、凸透扩束镜、毛玻璃物镜、 导轨；( 3 ) 摄像及信号采集系统：c c d 传感摄像机、数字信号采集卡、p c 处 理器；( 4 ) 自动行走系统：可调速匀速运动小车及其控制系统。高速摄像试验 的装置及光路示意图如图2 - 1 所示，在强烈的氙灯背光照射下，焊接过程中的 弧光被大幅削弱，熔滴过渡的实景通过凸透镜以后在毛玻璃上成像，通过高速 摄像拍摄毛玻璃所成的像实时记录熔滴过渡的过程。 汉诺威分析仪是由德国汉诺威大学研制的用于分析焊接电流和电压各项参 数的专用设备。汉诺威分析仪主要由两部分组成，信号采集模块，试验专用的 处理数据软件。汉诺威分析仪主要为使用者提供焊接过程中的电压电流波形， 北京工业大学工学硕士学位论文 并可以用软件进行统计规律的计算及分析。图2 - 2 为汉诺威分析仪的数据采集 系统示意图。焊接时电压输入通过由分压器和最大限值器组成的滤波器输入到 计算机。电流通过金属通道连接电流传感器，把瞬时的工作电流输入计算机。 本试验采用双通道汉诺威分析仪数据采集系统，同步采集电流电压信号。应用 汉诺威系统进行分析，使焊接材料工艺性由依靠人的直接经验和定性评估，提 高到以数据信息为基础定量评价的科学层面上来。为焊接材料工艺性的科学评 价提供了方面、快捷、有效的实用工具。 4 q 三一 高速摄像机 图2 - 1 高速摄像试验的装置及光路示意图 f i g 2 1s k e t c hm a po f h i g h s p e e dp h o t o g r a p h ye q u i p m e n t 触发脉 冲接口 高速摄 像接口 图2 - 2 汉诺威分析仪的数据采集系统示意图 f i g 2 - 2s k e t c hm a po f d a t ac o l l e c t i n gs y s t e mo f a n a l y s a t o rh a n n o v e r 汉诺威分析仪测试的主要电参数如图2 - 3 所示，t 1 为熔滴的短路时间，t 2 为燃弧时间，t 3 为加权燃弧时间，是忽略熔滴瞬间的短路行为( 短路电压u u n 的条件下发生的，t l 中描述的短路时间 中短时间短路所占的概率密度最大。 所有的证据表明，自保护药芯焊丝具有“弧桥并存”的过渡特征，该种过 渡形式表现为电弧不熄灭，熔滴频繁的与熔池发生时间很短的接触来实现过渡 金属，可以称之为瞬时短路过渡。在过渡过程中还伴随着少量间断性的熄弧过 程，可以认为是当熔滴长大积累到一定程度时发生一次性的大滴短路过程，可 命名为完全短路过渡。这样少量的过程并不会对焊接工艺造成恶劣影响。同时 也建立起汉诺威波形与熔滴过渡形式之间的对应关系，有利于后期的研究采用 汉诺威分析仪这种便捷分析手段对熔滴过渡过程进行有效的分析。 2 4 焊接电流对自保护药芯焊丝熔滴过渡的影响 2 4 1 试验方法 由于自保护药芯焊丝的焊接工艺特点决定了其焊接过程必须保证在较低的 焊接电压下实现，且电压波动范围要小于1 v ，而在电压固定且保证焊接工艺性 良好的前提下焊接电流的选择有一定范围。焊接电流的变化对熔滴过渡和焊接 工艺性的影响是后面要研究的内容。 试验选用市售h o b a r t 生产的f a b s h i e l d 8 1 n 1 自保护药芯焊丝，其焊接规范 依其参考规范及参考文献 1 5 , 1 7 】，并经作者多次试验确定，如表2 1 所示，在平 焊位置焊接。试板材料选用q 2 3 5 钢。 表2 一l 试验中采用的焊接规范 t a b l e2 - lw e l d i n gp a r a m e t e r sf o re x p e r i m e n t 第2 章全位置自保护药芯焊丝熔滴过渡形式与特点 2 4 2 试验结果 在不同规范下焊接5 秒采集到的汉诺威电压电流波形曲线中截取两秒如图 2 1 0 所示，对应的电压概率密度分布曲线如图2 1 1 所示，短路时间概率密度分 布曲线如图2 1 2 所示。 曲1 6 0 a ，1 8 5 - , 1 9 5 v b )1 8 0 a ，1 8 5 1 9 5 v c 12 0 0 a ，1 8 5 1 9 5 v 赫睡：。蔓； 辩删耻：蓼f f w f 盯邛i ，h猎嘟慨；拳三强群雠释铆慨j m2 4 0 a ，1 8 5 1 9 5 v 图2 一l o 不同规范下的电流电压波形 f i g 2 - 1 0c u r r e n ta n dv o l t a g ew a v e si nd i f f e r e n tw e l d i n gp a r a m e t e r s 图2 - 1 1 电压概率密度分布曲线 f i g 2 1 1v o l t a g e d i s t r i b u t i n g t , a u t v e s i n d i f f e r e n t w e l d i n g p a r a m e t e r s 2 2 一 篆蠡逞：iilii；。 第2 章全位置自保护药芯焊丝熔滴过渡形式与特点 图2 1 2 短路时间概率密度分布曲线 f i g 2 - 1 2s h o r t - c u r r e n tt i m ed i s t r i b u t i n gc u n i n d i f f e r e n tw e l d i n gp a r a m e t e r s 2 4 3 试验结果分析 2 4 3 1 电压电流波形曲线对比结果。首先需要说明的是汉诺威分析仪采 集到的电压信号具有一定的误差，理论上与焊接电流对应的是电弧电压，即焊 丝端部到熔池之间燃烧的电弧区间的电压值，而汉诺威分析仪采集电压信号时 导线不可能连接到电弧区域，只能连接到焊枪导电嘴部位和焊接背板上，故即 使出现完全短路，由于导线端头到电弧两端的中间段导电部分的分压作用，汉 诺威分析仪采集到的焊接电压值也不会是零，而是始终存在着一个初始电压值， 有电压波形可以判断，这段分压值大概在5 6 v 左右。 对比四个工艺参数下电流、电压的波形曲线看，1 6 0 a 时，无论瞬时短路还 是完全短路，其短路频次都比大电流情况下的短路频次要低，而且一次短路周 期长，完全短路的压降相对要大，从而可以判断熔滴相对粗大。在短路过程中 发生的焊接电流突然上扬的情况相对较少，但上扬幅度要大。通过高速摄像发 现，由于每次瞬时短路只过渡少量金属，熔化的金属累积后使悬在焊丝端头不 断旋转的熔滴尺寸不断增加，终于在积累到某个临界值后发生的一次完全短路 中焊丝与熔池长时间接触，过渡大量金属，造成了焊接电流大幅上扬的情况。 北京r t 业大学丁学硕士学位论文 这时候再次燃弧时会有爆炸发生，造成大量的大颗粒飞溅，对焊接效果有恶劣 影响，在焊接过程中应该避免。2 0 0 a 时，短路频次比1 6 0 a 时要高，一次短路 周期缩短，完全短路时的压降相对要小，从而可以判断熔滴有了一定的细化， 每次短路过渡的熔滴量减少。在短路过程中发生的焊接电流突然上扬的情况变 多而且有一定的规律性，但是这种情况发生持续的时间缩短，产生的电流电压 波动幅值也有所降低。2 4 0 a 时，短路频次进一步增加，一次短路的周期进一步 缩短，发生完全短路的压降也有进一步减小的趋势，从而可以判断每次过渡的 金属进一步减少。整个过程中发生的焊接电流上扬的情况也不少，可是幅度减 少，可以判断积累的熔滴量的临界值减小，每次这样过渡过渡的金属量也减少。 不过由于送丝速度随电流同比增长，在焊接过程中会发生熔滴来不及大量过渡， 即焊丝来不及熔化就直接扎入熔池发生项丝的现象，此过程会发生大量的飞溅 产生，图2 一l o d ) 中电压、电流曲线的一次大幅波动就记录了这种情况。图2 - - 1 3 是高速摄像对这种情况的反映。焊接电流在1 8 0 a 时与上面三种情况相比， 短路频次介于1 6 0 a 到2 0 0 a 之间，可见短路频次是随着焊接电流的加大而不断 增加的，所不同的是焊接电流很稳定，熔滴短路以频繁的瞬时短路为主，完全 短路的情况很少发生。类似以上三个电流参数下得到的电流突然上扬的情况几 乎没有发生，电压、电流的波动很小。实际焊接过程中，以该规范焊接时的焊 接工艺性最好，焊接飞溅量最小。 图2 1 3 焊接电流2 4 0 a 时焊丝项丝时爆断的现象 f i g 2 - 1 3w i r eb u r a tb r e a k o nt h ec u r r e n to f 2 4 0 a 2 4 3 2 概率密度曲线分析。表2 2 反映了电流、电压的标准差和变异系 数，标准差反映了电流、电压值偏离平均值的“绝对”程度，变异系数反映了 电流、电压波动程度大小的相对程度。为了能够更清楚的反映电压、电流波动 程度的变化，绘制了电流电压的变异系数变化曲线图，如图2 1 4 所示。 第2 章全位置自保护药芯焊丝熔清过渡形式与特点 从变异系数变化曲线图可以明显发现，在1 8 0 a 下焊接时，焊接电压、电 流的变化系数出现最小值，随着焊接电流的降低，电压、电流的变异系数急剧 增加，随着焊接电流的增大，电压电流的变异系数也要增加。说明存在一个焊 接电流值，使得焊接规范处于这个值时，焊接电压、电流的波动最小，此时焊 接过程最稳定。表现在自保护药芯焊丝熔滴过渡形态上即瞬时短路所占的比例 越高，焊接过程越稳定。 表2 - 2 电压、电流的标准差和变异系数 t a b l e2 - 2v o l t a g e c u r r e n t ss t a n d a r dd e v i a t i o na n dc o e f f i c i e n to f v a r i a t i o n 船 舶 3 5 。柏 辐 嫉笛 嗽 揪 1 5 1 0 5 9 0 t o 籁 懈 咪 制 3 0 2 0 1 0 1 6 0 a1 8 0 a2 0 0 a2 4 0 a 焊接电流a 图2 1 4 电压、电流的变异系数变化曲线图 f i g 2 - 1 4e f f e c t so f c u r r e n to nv o l t a g e c u r r e n t ss t a n d a r dd e v i a t i o na n dc o e f f i c i e n to f v a r i a t i o n 北京工业大学工学硕士学位论文 研究发现，在自保护药芯焊丝熔滴过渡过程中存在一个熔化金属与过渡金 属量之间的一个平衡关系，“弧桥并存”现象表示熔滴与熔池发生瞬时短路，每 次短路过程过渡一定量的金属，如果这样的短路过渡的金属量与这段时间内焊 丝熔化的金属量相等，旋摆在焊丝端头的熔滴就会保持一个稳定的尺寸，此时 单位时间熔化的金属量与过渡到熔池的金属量时相同的，熔滴过渡以瞬时短路 形式为主。而实验证明，这样的熔滴过渡过程使得焊接过程最稳定。 当焊接电流低于该值在1 6 0 a 焊接时，焊丝端头的温度降低，熔滴的表面 张力增大，同时焊丝的熔化速度降低，送丝速度下降，停留在焊丝端头的熔滴 尺寸增加，此时熔滴每次与熔池接触过渡的会属量比较多，这也是为什么焊接 电流、焊接电压波动相对较大的原因。当熔滴与熔池接触时，形成的短路液桥 直径比较大，在焊接电流小比较小的情况下产生的电磁收缩力不足以扯断熔滴 与熔池的联系，从而造成一次大量的熔滴短路过渡过程，电弧熄灭，完全短路。 瞬时短路伴随着频繁的大滴完全短路是低电流焊接时的熔滴过渡特征。现场焊 接发现，在此规范下进行焊接，过程相对柔和，可是会间歇性的发生大颗粒飞 溅爆溅出去的现象，这样的工艺效果当然是我们不希望看到的。 当焊接电流处于2 0 0 a 焊接时，焊丝端头的温度升高，熔滴的表面张力减 小，焊丝的熔化速度增加，同时送丝速度也增加，停留在焊丝端头的熔滴尺寸 减小，似乎发生完全短路的情况应该少才对，可是为什么此时同样出现了大量 的完全短路的情况呢? 结合高速摄像发现，焊接过程中电弧长度缩短，可以判 断是由于焊机的自反馈调节系统在送丝速度增加后在正常弧长下焊接焊丝的熔 化速度赶不上送丝速度而自动缩短电弧导致。电弧长度缩短以后，未长大的熔 滴频繁的在如此小的电弧空间与熔池接触，每次都过渡很少量的金属，可是， 终于在熔滴熔化的速度落后于焊丝送丝速度一定程度后，来不及熔化的焊丝直 接与熔池发生了接触，焊接电流瞬时大幅增加，大量金属熔化并过渡到熔池。 而在这个过程中即发生了图2 1 3 所示的在焊丝与熔池接触短路的部位电弧再次 爆发并导致大量飞溅产生的情况，同时也解释了为什么焊接电流为2 0 0 a 时的 电流波形曲线瞬间短路频率要高，而且会间歇性的出现大幅上扬的现象。此时 现场焊接的效果符合分析结果，焊接过程相对稳定，焊接电弧强烈燃烧，电弧 空间短，会出现频繁的大量飞溅爆发的情况。 第2 章全位置自保护药芯焊丝熔滴过渡形式与特点 焊接电流继续增加到2 4 0 a ，此时的波形变化与焊接电流为2 0 0 a 时的情况 类似，只不过瞬时短路频率进一步增加，可以判断每次短路过渡的金属量进一 步减少。在实际焊接中，有焊丝将手持焊枪顶离试板的趋势，即所谓的“项丝” 现象比较严重，甚至出现焊丝顶在熔池上，电弧完全熄灭，再次燃弧发生在焊 丝干伸的中间部位的现象，如图2 1 5 所示。可以判断焊接规范已接近焊机自反 馈系统可自动调节范围的临界值。此时的焊接工艺类似在2 0 0 a 下焊接时的焊 接工艺，只是焊接过程更激烈而已。此时的工艺规范当然更不适合于焊接操作。 图2 一1 5 焊丝在干伸中部顶断的现象 f i g 2 - 1 5w i r eb r e a k i n go f f o nc e n t r a ls e c t i o n 综合以上四组试验的分析结果得到如下表格2 3 。 表2 - 3 焊接电流对熔滴过渡形态及焊接工艺性的影响 t a b l e2 - 3e f f e c t so f w e l d i n gc u r r e n to