（材料加工工程专业论文）钛型气保护药芯焊丝熔滴过渡及其工艺性研究.pdf

太原理：人学硕十研究生学位论文 钛型气保护药芯焊丝熔滴过渡及其工艺性研究 摘要 综述了国内外钛型气保护药芯焊丝熔滴过渡及其工艺性的研 究状况及进展，提出了本课题的研究方向及内容。 采用水中收集熔滴、高速摄影、汉诺威焊接质量分析、平板 堆焊、理化分析等测试方法，对国内外三种典型钛型c o ：气保护 药芯焊丝y c y j 5 0 2 ( q ) ( 文中标记为a ) 、s u p e r c o r e d 7 l h ( 文中 标记为b ) 、d w - 1 0 0 ( 文中标记为c ) 的熔滴过渡形态、工艺性、 影响因素、焊接冶金特性等方面展开试验研究，结果表明：焊接 电流是影响熔滴过渡的关键因素，随着焊接电流的增大，熔滴细 化，熔滴平均质量减小，熔滴过渡频率提高。焊接电流也是影响 - 丁艺性的关键因素，存在着工艺性最佳的焊接电流范围。在 2 4 0 a 、2 8 v 的焊接参数范围内，药芯焊丝的熔滴过渡形态基本属 于非轴向细颗粒滴状过渡形态，发现了大角度排斥过渡、小角度 排斥过渡现象及对工艺性的重要影响。a 焊丝以人角度排斥过渡 为主，工艺性较差；b 焊丝以半稳的小角度排斥过渡为主，工艺 羹s d 8 太原理，1 大学顷十研究生学位论文 性最好；而c 焊丝则是大小角度排斥过渡交替出现， ：艺性介于 二者之问。b 焊丝的熔滴最细小，过渡频率最高，其次是a 焊丝， c 焊丝的熔滴最大，过渡频率最低。熔滴反应区的冶金反应中， 三种焊丝的m n 元素及s i 元素含量差异表明：b 焊丝增硅高，增 氧强烈，熔滴细化，c 焊丝增氧弱、熔滴细化弱，a 焊丝居中。 首次发现了钛型药芯焊丝熔滴排斥过渡中，熔滴与焊丝轴向 夹角的变化现象及其对工艺性的重要影响。提出了用“熔滴大角 度排斥过渡、过渡问隔时间”等指数评价熔滴过渡及工艺性，在 一定程度上充实了熔滴过渡理论。 揭示了三种典型钛型药芯焊丝的熔滴过渡形态及工艺性与焊 接电流之间的关系，对获得最佳工艺性、正确选用焊接参数具有 指导意义和实用价值。 通过分析三种焊丝钢带、熔滴及熔敷金属的化学成分，首次 揭示了该药芯焊丝焊接冶金反应与熔滴过渡及工艺性之间的关 系。 关键词：熔滴过渡，工艺性，药：占焊丝，钛型，c o ：气保护 太原理一j 。大学硕十研究生学位论文 t h es t u d yo nm e t a lt r a n s f e ra n d o p e r a t i o np e r f o r m a n c eo fr u t i l eg a s s h i e l d e df l u x c o r e dw i r e a b s t r a c t t h ew o r l d w i d er e s e a r c hd e v e l o p m e n to fm e t a lt r a n s f e ra n d o p e r a t i o np e r f o r m a n c eo fr u f f l ef l u x c o r e da r cw e l d i n g ( f c a w ) i s r e v i e w e d t h es t u d yd i r e c t o ra n dm a i nc o n t e n to ft h i s p a p e ra r e p r o p o s e d t h em e t a l t r a n s f e r , o p e r a t i o np e r f o r m a n c e ，e f f e c t f a c t o r , m e t a l l u r g y c h a r a c t e r i s t i co ft h r e er u f f l ef l u x c o r e dw i r e sa r e i n v e s t i g a t e db yc o l l e c t i n gd r o p l e t i n w a t e r , h i g hs p e e d c i n e m a p h o t o g r a p h i ct e c h n i q u e ，a n a l y s a t o rh a n n o v e r , h a r d f a c i n g o nt h e p l a t ea n dp h y s i c a l - c h e m i c a la n a l y s i s t h ew i r e su s e di ne x p e r i m e n t a r e y c y j 5 0 2 ( q ) ( m a r k e da ) ，s u p e r c o r e d7 1 h ( m a r k e db ) ， d w - 10 0 ( m a r k e dc ) t h er e s u l ts h o w s ：t h ew e l d i n gc u r r e n ti st h e i l l 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 k e ys o l u t i o nt ot h em e t a lt r a n s f e r t h ed r o p l e tb e c o m e ss m a l l e r ，a n d t h et r a n s f e rf r e q u e n c yg o e su pa st h ei n c r e a s i n gc u r r e n t t h ec u r r e n t i sa l s oc r i t i c a lt ot h eo p e r a t i o np e r f o r m a n c e ，a n dt h e r ei sac u r r e n t l i m i ti nw h i c ht h eu s a b i l i t yi st h eb e s t i nt h ew e l d i n gc o n d i t i o no f 2 4 0 a ，2 8v ，t h em e t a lt r a n s f e rm o d ei sn o n a x i sd r o ps p r a yt r a n s f e r t h el a r g ea n g l ea n ds m a l l i m p o r t a n te f f e c to nu s a b i l i t y a n g l er e p e l l e dt r a n s f e rm o d e ，a n dt h e a r ed i s c o v e r e d aw i r ei si nl a r g ea n g l e r e p e l l e dt r a n s f e rm o d e ，t h eo p e r a t i o np e r f o r m a n c ei sp o o r , bw i r e m e t a lt r a n s f e ri ns m a l la n g l e r e p e l l e dt r a n s f e r , t h eo p e r a t i o n p e r f o r m a n c ei st h eb e s t ，t h ea b o v et w om o d ea p p e a ra l t e r n a t e l yi n t h ecw i r e ，s ot h eo p e r a t i o np e r f o r m a n c ei si n t e r m e d i a t e t h ed r o p l e t o fbw i r ei st h es m a l l e s tw h i l et h et r a n s f e r 厅e q u e n c yi st h eh i g h e s t a m o n gt h et h r e ew i r e s ，aw i r ei s i n f e r i o rt obw i r e ，t h ec a s eo fc w i r ei sc o n v e r s et obw i r e t h ed i f f e r e n c eo fc o m p o s i t i o no fm n ，s i i nt h ed r o p l e tr e a c t i o ns h o w st h a tb e c a u s es ia d d e dt ot h ed r o p l e to f bw i r ei sm o r et h a naw i r ea n dcw i r e ，t h ed r o p l e to fbw i r ei s s m a l l e rt h a naw i r ea n dcw i r e ，a n dt h ed r o p l e to fcw i r ei s t h e b i g g e s ta m o n g t h e m a x l s a r e t h ep h e n o m e n ao fd r o p l e tt r a n s f e r r i n gd e v i a t e df o r mt h ew i r e i nd i f f e r e n ta n g l ea n dt h e e f f e c to nt h eo p e r a t i o np e r f o r m a n c e d i s c o v e r e df i r s tt i m ei nt h i sp a p e nt h e l a r g ea n g l er e p e l l e d i v 太原理：人学颐十研究生学位论文 t r a n s f e r , t r a n s f e ri n t e r v a lt i m e a r ep u tf o r t ht or e v a l u et h em e t a l t r a n s f e ra n dt h eu s a b i l i t yw h i c he n r i c ht h em e t a lt r a n s f e rt h e o r yt o s o m ed e g r e e t h i sp a p e re x p o s e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em e t a lt r a n s f e r a n dt h eu s a b i l i t yo ft h et h r e et y p i c a lr u t i l ef l u x c o r e dw i r e s t h i s w o r kg i v et h eg u i d a n c et os e l e c tc o r r e c to p e r a t i n gc o n d i t i o n so f w e l d i n g ，s oi th a st h ep r a c t i c ev a l u e t h i sp a p e ra l s os h o w su pt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ew e l d i n g m e t a l l u r g ya n dm e t a lt r a n s f e ra n dt h eu s a b i l i t yb ya n a l y s i so ft h e c o m p o s i t i o n o fs h e a t h ，d r o p l e ta n dd e p o s i t e dm e t a l k e y w o r d s ：m e t a lt r a n s f e r , o p e r a t i o np e r f o r m a n c e ，f l u x c o r e d w i r e ，r u f f l e ，c 0 2g a ss h i e l d e d v 太原理r 大学硕十研究生学位论文 1 1 概述 第一章文献综述 药芯焊丝也称为管状焊丝或粉芯焊丝，由外皮金属( 钢带或钢管) 里面 裹着药粉而构成，是2 0 世纪5 0 年代发展起来的高效焊接材料。它具有生 产效率高、焊接工艺性能好、以及焊缝形状好、外观平坦、熔深大等优点。 按保护气体的不同，药芯焊丝分为自保护药芯焊丝和气保护药芯焊丝。 按填充药粉的组成不同，分为熔渣型药芯焊丝和金属粉型药芯焊丝。熔渣型 药芯焊丝按照渣的碱度又可分为钛型、钛钙型和碱性药芯焊丝。钛型气保护 药芯焊丝在焊接过程中的特点是：电弧柔软，可在较大的电流范围内稳定地 燃烧，飞溅小，脱渣容易，熔渣的熔点较高，粘度较大，可托住下坠的熔池 使其具有良好的全位置焊接性。从五、六十年代至今，经过几十年的研究和 努力，现在的钛型气保护药芯焊丝在药芯配方、制造工艺以及应用范围等方 面有了长足的进步，综合了酸性渣的优异工艺性能及碱性渣的良好机械性能、 低的扩散氢含量的特点，已成为造船、海洋结构、建筑、桥梁、重型机械、 锅炉、压力容器、输送管道、钢结构等行业的首选 2 1 。 在我国，自2 0 世纪9 0 年代以来，经过十几年的努力，药芯焊丝形成了 一定的生产烈模，日时幽内共有药芯焊丝生产企业4 0 多家，生产线总计6 0 条以上【3 j 其产量从1 9 9 6 年不足千吨( 以粗丝为主) ，发展到2 0 0 1 年的近1 2 万吨( 以细丝为主) ，平均每年以5 0 的增长率在发展【2j 。钛型气保护药芯焊 丝以其独特的优势，其年消耗量在我国呈逐年上升趋势，发展速度前所未有， 太原理一l 大学硕士研究生学位论文 而且工艺质量比以前有了较大提高，一些产品的性能指标也达到或接近国际 同类产品的性能水平。然而，同国外知名药芯焊丝产品相比，焊接工艺性能 仍存在一定的差距和不足，有的焊接工艺质量稳定性较差，不能达到工况条 件的要求及使用客户的满意；有的对气孔、压坑较敏感；有的飞溅较大、焊 接烟尘较大等，这些工艺质量问题削弱了我国钛型气保护药芯焊丝的竞争力， 许多重要工程项目或重要部位不得不采用进口药芯焊丝产品，使其市场受到 了严重冲击。丛某种意义上说，改善和提高焊接工艺性，缩短我国产品与国 外名牌产品之间的差距，已成为亟待解决的问题。 鉴于熔滴过渡形态对焊接工艺性的关键影响，在焊接材料的工艺性研究 中，熔滴过渡形态是研究的重点。因此，钛型气保护药芯焊丝的工艺性研究 也从其熔滴过渡形态、特性等电弧物理现象的研究开始。 1 2 钛型气保护药芯焊丝熔滴过渡形态 钛型气保护药芯焊丝熔滴过渡形态的分类没有统一的标准，因而观点众 多。见表1 1 。一种观点认为，钛型气保护药芯焊丝的熔滴过渡形态分为三 种：短路过渡( s h o r t - c i r c u i t i n gt r a n s f e r ) 、大颗粒过渡( g l o b u l a rt r a n s f e r ) 和 细颗粒过渡( s p r a y t r a n s f e r ) 4 j 【5 j 【6 】【7 】 8 】【9 j ，这种观点的分类是根据熔滴的颗粒 大小及是否存在短路。另一种认为，钛型气保护药芯焊丝的熔滴过渡形态也 分为三种，分别是：排斥过渡，细颗粒短路过渡和滴状过渡。这种分类不 仅根据熔滴的颗粒大小及是否存在短路，而且考虑了熔滴过渡时的特性。第 三种观点认为，钛型气保护药芯焊丝的熔滴过渡形态只分为细颗粒过渡 太原理l 人学项十研究生学位论文 ( g l o b u l a rt r a n s f e r ) 和喷射过渡( s p r a yt r a n s f e r ) ，不会有短路过渡形态。 除以上观点外，有文献在试验中观察到一种新的熔滴过渡方式复合过渡方 式幢1 ，文献 5 作者认为复合过渡模式是两种过渡形态同时存在的方式，一 是药芯焊丝外皮生成的外部熔滴的细颗粒过渡，另一是由药芯熔化生成的内 部熔滴的短路过渡。 焊接参数对熔滴过渡形态起着至关重要的作用，熔滴过渡形态随着焊接 参数而变化。第一种观点指出，焊接电流较小，电弧电压较高时，容易出现 大颗粒过渡形态：电弧电压较低时，容易出现短路过渡形态：细颗粒过渡形 态一般在焊接电流较大，电弧电压较高的范围内。第二种观点指出，焊接电 流较小，电弧电压较高时，熔滴过渡的形态具有排斥的特性；随着焊接电流 的增大，出现滴状过渡形态：如果电弧电压较低，就出现细颗粒短路过渡形 态。第三种观点指出，熔滴过渡在小电流区域是细颗粒过渡，在大电流区域 是喷射过渡，由于焊接生产中很少采用过低的电弧电压，因而不会出现短路 过渡形态。 钛型药芯焊丝在熔滴过渡过程中存在着一个显著的特性，即滞熔的渣柱 6 1 1 8 l 【9 】，如图l 一1 所示。这是由于药芯焊丝仅钢皮导电，钢皮在电弧热和电阻 热的作用下熔化，而药芯仅靠电弧的辐射热来熔化，两者熔化速度的差别引 起了钢皮的超前熔化，形成了滞熔的渣柱【”】。渣柱随电流的变化规律见图1 2 。 l 七! - 流较小时，渣柱不明显，随着电流的增大，滞熔的渣柱逐渐显现，到2 8 0 a 电流时，滞熔的渣柱达到最长，之后，随着电流的增大又逐渐减小。渣柱的 存在，一方面，使熔滴偏离焊丝轴线形成、长大和过渡，加剧了非轴向过渡 的特性。另一方面，可能会对熔滴过渡起到依附作用，使熔滴平滑地过渡到 奎堕堡王查堂堕塑茎尘堂堡堡苎 熔池中【6 】【8 1 ；如果药粉的组成物都是高熔点物质，且在固态下都不是良好的导 热荆，从焊接冶金方面考虑，也有可能对焊接工艺性产生不良的影响i l l l 。 u x c o r e d w i t c e t a i d t o o l e t l a gp o l e 图卜1 带滞熔的细颗粒过渡1 6 i f i g1 - 2d r o p l e tt r a n s f e rw i t hs l a g c | )( b ) ( c )卸 l i 犍“ i ) c f l 哪 。咖 图卜2 熔滴脱离焊丝前的形态【6 】 ( a ) 1 8 0 a2 2 v ( b ) 2 0 0 a2 2 v ( c ) 2 2o c t2 2 v ( d ) 2 4 0 h2 4 v( e ) 2 5 0 a2 4 v( f ) 2 8 0 a3 0 v ( g ) 3 0 0 a3 0 v ( h ) 3 2 0 a 3 2 v f i g l 一3d r o p l e tf o r m a t i o nb e f o r ed e t a c h m e n t 在钛型气保护药芯焊丝的熔滴过渡过程中，不可能是单一的某种过渡形 式，有可能是两种或两种以上的过渡形式共同存在。熔消以细颗粒过渡时， 焊接过程中的电弧燃烧稳定，飞溅小，焊缝成形好，生产效率较高，是药芯 焊丝熔滴过渡的主要形式p 1 。 太原理1 ：人学硕十研究生学位论文 g 至娶雅量 斑 赢稿 蠹慢 靛接 gg 世婆 芒爿 却卜裂菇篓褰冬至籍 聋 粤曰一 捌 翟潼 装刊至 丑 型 征丑 删血二g 兰翅 嚣基掣g 捌拍茸 鼍_2 站交蓑坷一世 髌 蹬 釜馨画 墨莹 。靛 g 均垂矗至 蓬囊贷蓑 餐糯蕞 七呻掣避 霍划予g窭 捌坩备 警 划螂擦督 穰捌 等挺 i 捌蓑 毒 竣窭丑型窭 掣剧掣裂撂裂撂鲻 簦蔷 撂捌 桶蟹兰氍捌薛捌娶捌醭篓 婆 牲长撂爨_ k 型 簟耋驾 蠹嚣 蜊 矗盖馨 ，蟹，娶，醛 彗零鑫 矮螽鲻 捌裂蓑蜊熹罄景 鲁i 晕捌，盈，捌，捌，捌蜘 肇舞裂舂螂密裂舞辫 薹篓 世斑 搬量囊捌壤捌鬟捌尉捌最囊 g 糕 q 船善抵 n 一 也n i 翊 二 噩 寸 二二 h 群 - 二 一 r o 趟 岛 二 丑 群群 班 目目目 l 雹童 裴 吲 薹量 兰 d 羲。 f o ￥ 葺8 ooo 毛u 享 uur j 萼昔 毯 ；喜 喹 嚣武 薹；b i 薰； _ ： 目 均暗 墨 氢蓄! 舀g 副 l萋甏 冀： 堑 - 1 5 吾 划竺 蝰 耋e 妻薹i 醣 器蕊l o 型 吾善 - 2 1 萋| i 嚣l i 舞l l 蘸驻 i q 划 称 醛； 乏 杂】 驶 ：0 糯 ，燕 燃燃 ，髌 ，筐 爆爆装 饕#晕 囊莲划蝼魍 校 薹羹蜒 蠢臣 越摧“臻驶# 裂 删婆害 鞲掣。鞭挺末 蝠捌导 裂鼎 蚓导蹦括硎 一直*琶* 三鼎 一f 也 立曼巴 = 董 舞 藿 签 藿肇 权 爿 爿爿爿杖 杈 太原理【：人学硕士研究生学位论文 表l 一2 焊接工艺参数【4 | t a b l e1 - 2 o p e r a t i n g c o n d i t i o n so f w e l d i n g 焊接工艺参数单位数值 焊接电压 v2 0 ，3 6 送丝速度 m 盯v s e c3 4 ，5 7 ，8 8 ，1 2 5 ，1 6 8 焊接速度 m m ，m i n6 0 0 气体流量 l m i n2 0 干伸氏m m 2 0 焊枪角度 9 0 极性直流反接 表1 3 试验用药芯焊丝的尺寸和形状p t a b l e1 - 3d i m e n s i o n sa n ds h a p e so f f l u , x - c o r e dw i r e su s e d 焊丝类型标记截面形状直径壁厚金属砸积重量比( 嘲 ( m m )( m m ) ( m m )比例( )金属 药芯 7 折叠型a 十】n 2 00 2 51 9 26 1 17 6 92 3 1 ， 十i ： b2 oo 2 41 8 45 8 67 7 42 2 6 m c2 0o2 01 8 45 8 67 7 52 25 j l 9 9空洞型d 一 2 00 3 32 0 56 3 39 0 1 e2 0o 2 41 9 06 0 57 4 22 5 8 无约粉“o ”型 1 60 5 51 4 87 3 4 6 一 太原理r 大学硕七研究生学位论文 ( a ) ( c ) 三 i ； ( b ) ( d ) ( e ) 图1 3 不同截面形状的药芯焊丝的熔滴过渡形态在电流和电压分布图中的划分【4 】 ( i ) 自由落体过渡 1 1 ) 短路过渡( 1 l i ) 大颗粒过渡 图( a ) ( b ) ( c ) ( d ) ( e ) 分别对应表卜2 的前五种截面 f i g l 3c u r r e n ta n dv o l t a g ec h a r a c t e r i s t i co f c 0 2w e l d i n ga r cw i t hv a r i o u st y p e so f f l u x c o r e d w i r e si nv a r i o u sf e e d i n gr a t e s ，a n dc l a s s i f i c a t i o no f m e t a lt r a n s f e rm o d er e l a t e dt oa r cc o n d i t i o n 一7 一，-t!l，i 太原理1 ：大学硕十研究生学位论文 表1 - 4s q a l 0 2 配方组成 t a b l e l - 4 p r e s c r i p t i o no f s q a l 0 2 c rn jm 1 1r u t 1 e q u a r t z a i m g c r y o l i t en a 2 c 0 3 r e s ie i s e 4 5 - 7 01 0 一3 02 1 05 2 00 - 1 0o 5o 一5o 2o 20 - - - l o 焊丝截面为“o ”型，焊丝直径1 6 m m ，填充率为3 5 - - , 4 0 表卜5 焊接工艺参数口1 t a b l e l - 5 w e l d i n gc o n d i t i o n s i 焊接电流，a电弧电压焊接速r y d m m s e e 。焊丝干伸长m m气体流量l m i n 。1 l f2 5 。2 36 12 0 2 0 a r cc u r r e t ( a ) 图1 4 熔滴过渡形态分布图【7 1 f i g1 - 4m e t a lt r a n s f e rm o d e sd i s t r i b u t i o n s 一8 太原理： 。大学硕士研究生学位论文 表卜6 焊接参数及熔滴过渡类型【8 i t a b l e l 一6 w e l d i n gc o n d i t i o n sa n dd r o p l e tt r a n s f e rm o d e s 过渡类型短路过渡大颗粒过渡细颗粒过渡 焊接电流，a 1 6 02 4 03 0 0 电弧电压v 1 9 2 63 6 1 3 研究熔滴过渡的方法 研究焊接电弧物理现象和熔滴过渡形态的方法分为直接法和间接法 1 4 】。直 接法有摄影、高速摄影、高速录象及熔滴分析法，间接法有焊接电流、电弧电 压波形分析法等。 直接法可通过摄影影片、照片直接观察到熔滴过渡的情形或者通过收集到 的熔滴直接进行测量和评定。收集焊接过程中的熔滴可对熔滴过渡和焊接电弧 现象进行定性或定量分析。收集熔滴有两种方法：一种是湿法，将焊条在碳 极或金属极一侧引燃，使熔滴落入水中。另一种方法是干法，使熔滴落入干的 石棉粉中进行收集。熔滴颗粒大小评定的方法也有两种，一种是石琦敬三等人 提出的d 5 0 法【1 5 】，大体步骤如下：首先将收集到的熔滴用标准筛进行筛选分 类，根据情况将熔滴分为4 5 组，并求出每组熔滴的质量分数( ) ，然后由每 组中选5 0 - i 0 0 粒熔滴，求出每粒熔滴平均质量m j - 5 ，再根据球体公式计算出每 组熔滴的平均直径d 。最后以每组熔滴从大到小对应的质量分数的叠加值为 纵坐标，以各组熔滴平均直径为横坐标，绘出熔滴平均直径与累积质量分数的 关系曲线。取累积质量分数为5 0 时所对应的熔滴平均直径( d 5 0 ) 作为评价熔 9 太原理r 人学硕十研究生学位论文 滴颗粒度的标准。这种方法对熔滴颗粒度的评定比较科学，但处理起来比较麻 烦，同时对熔滴的收集工作要求较高。另一种是比较粗略的比值法，即首先将 收集到的熔滴用m 1 o m m 筛孔的筛子，除掉直径不到l m m 的熔滴，再将剩下 的熔滴通过一个确定的标准筛将熔滴分成粗和细两大类，算出各类熔滴的质量 分数( ) ，相对比较熔滴的颗粒度。这些用来研究焊条和实芯焊丝的熔滴过 渡形态的方法，仍在药芯焊丝熔滴过渡研究中沿用。 间接法是依据熔滴过渡时焊接电流和电弧电压的变化，以及记录下来的燃 弧过程中的电弧信号，间接分析判别熔滴过渡行为的方法。随着药芯焊丝熔滴 过渡形态研究的深入进行和计算机在该领域的广泛应用和发展，许多先进和精 确的研究方法应运而生，如利用声学信号来监控熔滴过渡的方法、在分析波形 图的基础上建立的电弧信号电压波动值法则和f f t ( f a s tf o u r i o rt r a n s f o r m ) 技术 方法【7 】等，进一步丰富了熔滴过渡形态的研究方法。目前最新的测试方法是汉 诺威焊接质量分析仪，该仪器系统地对焊接过程电弧电压和焊接电流信号每秒 上百万次地大量取点，准确描述了在焊接过程中电弧电压和焊接电流的随机变 化，能自动生成电压和电流的概率密度分布图、熔滴的短路时间、燃弧时间、 短路周期等概率密度分布图，并提供焊接电流、电弧电压、短路时问、燃弧时 间的最大值、最小值、平均值等相关参数1 7 1 1 1 8 】。该方法已在国内外广泛应用， 本文也采用了该试验方法，来研究钛型药芯焊丝的熔滴过渡形态。 表1 7 足研究焊接巾熔滴过渡形态和r 乜弧形态的不同方法的比较f 】。每一 种方法有其优点和不足。研究者常常将其中两种或多种方法结合起来使用。 1 0 太原理：r 大学顶十研究生学位论文 超求 餐 蜚 竣导 婆迥 魁 球 佟靛 h 嫂q 冀 霹 蜊檀 枨 星 萋蓁 舡 刳 堂爨 糌鹾 裳基 型 彩 基疑攫 毒僻 制 ， j 亘竣 最 坦 籁髅拦髅 星赛*爨 梢 颦 蜮嚣 啦厘爸厘髌 覃s捌 控邻 镤 扫匣 竣隶 剿超 擎斑 g而制七 厘 叫 富拦 # k 娶 k 僵 蓁霎 羔冀 聪悟 砖娃 群盘j 霉 g 伊竣 林 蒜 - 蟛日 交 斟 暮车 k 书 隶 导求 豪 煺捌 吾帮 颦蹬磐 眷掣 豉靶秘 瓣 鄹#攫箍 蠡襄蠢 磺 摄 嫂 目 斑 晷 星 皇蠡蚕婪 辅畏壁 盛 出【： 剥 $忙 ， 窝瓣 卷忸延挺翌雎 妊咚娃斟摆罄 娶荪划器求鲻 趔 副鲁棼锵驶 聋 群太 p瓤文 七k眯窭茛 皿嚣 谗 嫂 求 羹 虽 g 扑 米 鲻 捌 建匿 竣 蓑 聃垛 鼠选露 熊世蝼 恒墨 舡 删 超超 龄 潮 噶 捶 哐 箍竣竣 燃峰 w 襄羹 疆媒媒 趟 燃 薹泰 燃 矧擎擎 盒 妲手 韫 刊 兰r 爆燃 可 丑， 框 剁h _ 臻 媸 手 一 x燃燃 型颦 粼艇厘 太原理l 大学硕十研究生学位论文 1 4 描述熔滴过渡的指数 任何物理现象都需要恰当的指数来准确描述。药芯焊丝熔滴过渡现象也是 如此。但是不同的试验角度，所使用的指数不同。总结描述熔滴过渡的指数有： 熔滴过渡频率、熔滴质量、熔滴尺寸及其分布、熔滴存在时间、熔滴长大速度、 熔滴过渡次数、熔滴过渡平均时间、熔滴过渡比例等。 熔滴过渡频率是描述熔滴过渡的基本指数，它表述了熔滴过渡的速度，同 时也提供了关于焊接过程工艺稳定性、过渡速度、正在过渡的熔滴的尺寸和过 渡形式之问的行为等的信息。熔滴过渡频率定义为两个依次过渡的熔滴之间的 过渡时间的倒数。每一焊接电流和电弧电压相匹配，熔滴过渡频率的范围在焊 接过程中可以实测到。作为可选择的过渡时间的分布，熔滴过渡频率的分布可 用来表明工艺的稳定性。通常认为，最佳的过渡频率与最佳的工艺参数相关联。 熔滴尺寸及其分布是另一表征熔滴过渡的指数，它可直接表达熔滴过渡的 特性。如果焊接过程中焊丝熔化速率保挣厘定，不同的熔滴尺寸范围表明不同 的熔滴过渡形式和不同的过渡频率。文献【7 】在焊接电流为1 4 6 a 、电弧电压为 2 3 v 时，送丝速度为5 2 9 m m s 时，测出平均直径为0 1 2 6 m m 的熔滴过渡形式 为细颗粒过渡，平均直径为o 2 7 3 m m 的熔滴过渡形式为粗颗粒过渡，平均直径 为0 4 1 9 m m 的熔滴过渡形式为短路过渡。一般来说，熔滴尺寸小时，过渡频率 大，两者呈反比天系。 熔滴质量与熔滴尺寸成讵比关系，熔滴尺寸小时，熔滴质量必然小。 测试熔滴在过渡过程中的动态参数如熔滴存在时问、熔滴长大速度等也可 反映熔滴过渡的信息。熔滴存在时间越长，过渡频率越低，熔滴存在时叫越长， 1 2 ， 太原理i 。人学硕十研究生学位论文 熔滴长大速度越慢，即熔滴存在时间与熔滴过渡频率成倒数关系，与熔滴长大 速度成正比关系。 在采用高速摄影方法研究药芯焊丝熔滴过渡形态时，较常使用熔滴过渡次 数、过渡比例和过渡平均时间【2 0 】作为熔滴过渡指数，因为在放映底片上很容 易得出这三个指数。过渡次数是指在确定的观察时间内，熔滴以某一过渡形式 过渡的次数。过渡比例是指某一过渡形式所占总过渡形式的百分比。过渡平均 时间是指某一过渡形式从熔滴脱离焊丝端部到滴落到熔池中的平均时间。计算 熔滴过渡时间时，要考虑拍摄速度和放映速度。 1 5 钛型气保护药芯焊丝熔滴过渡的影响因素 影响钛型药芯焊丝熔滴过渡的因素主要分为三类：焊接规范、药芯成份和 焊丝截面结构。 ( 1 ) 影响熔滴过渡的焊接规范包括：焊接电流和电压、焊丝干伸长、保护气 体和气体流量、焊丝极性等。其中，焊接电流和电压的影响最为显著。从图1 1 中就可直观地看出，焊接电流低于2 0 0 a 时，熔滴以滴状形式过渡，但熔滴尺 寸相对较大；随着焊接电流增大到2 0 0 a 5 0 0 a 、电弧电压很高时，熔滴以细颗 粒滴状形式过渡；如果降低电弧电压，电弧短路频繁出现，熔滴主要以桥接短 路形式过渡。图1 - 4 也说明了焊接电流与电弧电压对熔滴过渡形态的影响。 药芯焊丝干伸长度在其它参数一定的条件下，药芯焊丝干伸长度越长， 药芯焊丝熔化速度越快，因而熔滴过渡频率加快。 保护气体组成纯c 0 2 、c 0 2 + a r 混合气体、或者是纯a r 作为保护气体的 一1 3 太原理i ：人学硕+ 研究生学位论文 条件下，药芯焊丝熔滴过渡形式是不同的。在混合保护气体中，加入时使保 护气体的活性降低，从而使电弧扩展、同时使电弧能量有所下降。随着氩气流 量的增加，熔滴过渡模式从大滴过渡转变为带滞熔的细滴过渡1 6 】。使用纯衄 作保护气体时，会出现射滴过渡，这是因为纯m 作保护气体时，电弧弧根面 积扩大并包围熔滴，使斑点压力和电磁收缩力都有利于熔滴过渡，只有表面张 力对熔滴过渡起阻碍作用，在这种情况下，熔滴容易下落，并被电磁收缩力、 等离子流力、重力等加速，形成射滴过渡。纯c 0 2 气作为保护气体时，适当增 大气体流量，电弧气氛中氧化性增大，熔滴被细化，提高了稳弧性【2 l j 。 药芯焊丝极性在焊丝为正极时，电弧出现在焊丝顶部，燃烧稳定，药芯 和金属外皮一起熔化，在焊丝端部形成熔滴，过渡到熔池。金属外皮与药芯的 熔化速度差距极小，因而，只有极小的药芯渣形成。在这种情况下，焊缝成形 较好，飞溅极少。在焊丝为负极时，金属外皮熔化速度要比药芯快得多，熔滴 形成于焊丝一侧，以非轴向过渡。药芯滞熔，形成渣柱，渣滴与熔滴分别熔化 和过渡2 2 1 。以上因素主要是通过改变熔滴的受力而起作用的川。 ( 2 ) 药芯组成成份药芯组成的不同，熔滴过渡形式不同。如果药芯组成属 钛型渣系，药芯焊丝的熔滴在小电流区域是大颗粒过渡，在大电流区域是细颗 粒过渡；如果药芯组成呈碱性，则药芯焊丝的熔滴过渡主要有短路过渡、粗滴 排斥过渡和细颗粒过渡三种形式【1 6 1 。 对于钛型药芯￥丝，如果适量添加z r 0 2 ，可使熔滴尺寸变小，焊道两边整 齐；如果配方中添加a i m g 合金粉，可细化熔滴，减小飞溅：随着n a 2 0 + k 2 0 含量的增加，电弧的稳定性增加，呈喷射状态，熔滴尺寸变小【2 4 j ：随着药芯中 铁粉的增加，渣柱长度减小，随之熔滴尺寸减小口”。 1 4 太原理：r ：大学硕十聊f 究生字位论文 对于其它的药芯组成的影响因素，文献1 2 6 i 认为气体形成材料和易挥发金属 对金属熔滴过渡形式有显著的影响。这些材料减小金属熔滴的尺寸，并在某些 情况下产生一种喷射过渡。 ( 3 ) 药芯焊丝截面形状在c 0 2 气保护焊中，折叠型焊丝的熔滴尺寸要小于 “o ”型焊丝的熔滴尺寸。原因是折叠型焊丝在焊接过程中形成了复合的渣柱， 而熔滴分别沿各个渣柱过渡h 。药芯焊丝的截面越复杂，熔滴越细小，熔滴过 渡时的非轴向倾向越小。在细焊丝条件下，适度减小药芯填充率，有利熔滴细 化川。药芯焊丝直径减小，熔滴也明显细化【2 ”。 1 6 熔滴过渡机理 熔滴过渡机理研究基于两种理论，它们是静态平衡力理论( t h es t a t i cf o r c e b a l a n c et h e o r y ) t 2 6 】【2 7 】 2 8 1 p l 和缩颈力不稳定理论2 6 1 耻7 1 0 8 1 口9 1 ( t h ep i n c hi n s t a b i l i t y t h e o 忉。此外，等离子力理论、关键速度理论也用来解释熔滴过渡形式之间的 转变。以上理论适用于g m a w ( 气保护金属弧焊) 中。 1 6 1 静态平衡力理论 该理论认为当熔滴所受的静态剥离力大于静态保持力时，熔滴从焊丝端头 剥离。通常考虑的四种不同的力1 3 0 ：重力、电磁力、等离子力是剥离力，表面 张力是维持力。作用于熔滴的各种力依赖于多种因素，在实际中很难量化。熔 滴从焊丝端头剥离的行为应看成一种随时间变化的现象，用下式表示： + f ，+ c 。= + ( 1 - 1 ) 1 5 太原理i ：大学硕+ 研究生学位论文 式中为 重力、厅为保护气体吹力、e 。为电磁力、f 、为表面张力、f v 为熔滴 表面金属蒸汽托力。 重力f g 是熔滴质量的函数，在平焊时是剥离力，表示为 f g = 毛积3 粥 ( 1 2 ) 式中r 是熔滴直径，是p 熔融金属密度，g 是垂直方向的重力加速度。当焊接 电流较小时，熔滴尺寸较大，重力是使熔滴过渡的主导力。 保护气体吹力的表达式为： f q = 0 5 x v 2 p 嘭2 c l d ( 1 3 ) 式中p 是气体密度，如是熔滴直径，c d 是修正系数。 保护气体吹力是促进熔滴过渡的力，在熔滴较大时，作用更明显。 电磁力是由于焊丝中电流线的分散和聚合而产生的。当电流线在熔滴中分 散，产生的是剥离力，由洛仑兹力法则表示电磁力为 巴= 歹画( 1 - 4 ) 式中j 是电流密度，b 是磁场强度。假设熔滴上的电流密度是不相同的， 熔滴上的总电磁力可用下式表示： 已= 等厶 ( 1 5 ) 其中 = ( m 半南+ 声裔加志) m s ， 式中，是焊接电流；珈是空间导电率。 当导电区域d 、，电流线聚集，正为负，电磁力是阻挠力。 一1 6 一 太原理：大学硕十研究生学位论文 当导电区域变大，电流线分散，正为正，电磁力是推动力。 作用于熔滴上的等离子流力可用下式表示： 氍4 华 m ， 式中c d 是拉力系数； a p 是垂直于液体流的一个平面的设定的面积；p ，是液 态宽度；w 是气体速度。 等离子流力是在电磁力收缩作用下，电弧等离子体在轴线上产生的最大的 流体静压力。该力始终促使熔滴过渡，并与电流大小成正比。 f 表面张力，作为将熔滴维持在焊丝端部的作用力，表示如下： f = 2 ：r c t 7 ( 1 - 8 ) 式中口是焊丝的直径；y 是液态金属的表面张力系数。 在焊接电流较小时，重力、保护气体吹力是促进熔滴过渡的主导力，熔滴 较大，以大颗粒过渡或排斥形态过渡。在大电流时，作用于熔滴上的电磁力及 等离子流力逐渐增大，成为促使熔滴过渡的主导力。 静态平衡力理论在大颗粒过渡时与试验结果吻合，但在细颗粒过渡时，与 试验结果偏离较大。此外，该理论很难解释焊丝干伸长度对熔滴过渡的影响， 因为干伸长度不会影响到熔滴力的平衡。 1 6 2 收缩力不稳定理论 该理论假定：由于电流通过熔融的金属液柱而产生的电磁力，作用于熔融 金属液柱的缩颈力将加速使金属液柱破碎成熔滴。推导出的关键波长的一个近 似分析值表示为【2 6 】 一1 7 太原理j ：人学硕士研究生学位论文 ( 1 9 ) 如上式所示，焊接电流的增大减小了液柱中的不稳定的关键波长，于是减 小了熔滴尺寸。在这种情况下，缩颈力不平衡理论解释了随电流增大而熔滴尺 寸减小的原因。 该理论与静态力平衡理论一样，也有其局限性，它无法解释焊丝干伸长度 的作用以及熔滴过渡的排斥形态。 药芯焊丝由于药芯的作用，熔滴过渡机理较药皮电焊条和实芯焊丝复杂。 在气保护药芯焊丝熔滴过渡机理的研究中是否可借鉴和适用静态平衡理论和 缩颈力不稳定理论，还有待进一步试验证明。 1 7 钛型气保护药芯焊丝熔滴过渡形态与焊丝工艺- i 生的关系 焊丝的工艺性指焊接过程中的电弧稳定性、飞溅、焊丝的熔化特性、脱渣 性、焊缝成形、全位置焊接适应性等。 钛型药芯焊丝的熔滴过渡形态对焊丝的工艺质量有重要影响【2 1 】，国外名牌 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：钛型渣系焊丝 以细熔滴状非轴向过渡为特征，焊丝头与熔池之间始终有半熔化状态的或液态 的渣柱存在，当滞熔的渣柱长度适宜时，熔滴附着渣柱落入熔池中，有利于熔 滴稳定过渡、电弧稳定燃烧和减少飞溅【9 1 ，此时，熔滴过渡频率高，弧根面积 大，电弧连续性好，焊丝的操作工艺性极好【6 j 。 钛型药芯焊丝，如果焊接电流、电压最佳匹配时，其熔滴过渡形式与飞溅 一1 8 太原理i 人学硕士研究生学位论文 的关系是f 3 1 】：在小电流情况下，为短路过渡，熔滴在焊丝与工件间形成缩颈后 破断，产生的飞溅细小；随着电流提高，熔滴为颗粒过渡，出于药芯导电性比 外皮差，电弧主要在外皮和工件间形成，熔丝端头的熔滴在电弧斑点力的作用 下十分不稳定，不断地在外皮间跳动，被顶到焊丝的侧面，使熔滴上翘。有的 熔滴在重力和斑点力的共同作用下，飞离焊丝而成为飞溅，这种飞溅比较严重， 为大颗粒飞溅；再增大电流，将变为细滴过渡，这时飞溅较小，主要产生在熔 滴与焊丝之间的缩颈处，该处通过的电流密度较大，使金属过热而爆断，这种 飞溅为颗粒细小的飞溅。 文献2 1 1 近期研究进一步发现，药芯焊丝的熔滴过渡形态与焊缝中的压坑、 气孔有关，即细熔滴滴状过渡形态对电弧稳定性、减少飞溅、改善成形有利， 但却增大了压坑、气孔敏感性：反之，粗熔滴排斥过渡时压坑、气孔倾向虽小， 但电弧稳定性差，飞溅增大，工艺性能恶化。 熔滴过渡形态与焊丝工艺性之间有着本质的联系，但二者之间的规律，有 待进一步深入研究。 1 8 小结 ( 1 ) 根据不同的分类标准，钛型气保护药芯焊丝的熔滴过渡形态分为大 颗粒过渡、细颗粒过渡、短路过渡，或者分为排斥过渡、细颗粒短路过渡、滴 状过渡，或者分为大颗粒过渡、细颗粒过渡等。 ( 2 ) 钛型药芯焊丝熔滴过渡的特性之一是形成了滞熔的渣柱，由于渣柱 的存在，加剧了熔滴在形成、长大和过渡过程中的非轴向特性。滞熔的渣柱及 - 1 9 一 太原理i + 火学硕+ 研究生学位论文 非轴向过渡的特性对钛型药芯焊丝在焊接过程中的电弧稳定性、焊接飞溅及烟 尘等工艺性产生了一定的影响。 ( 3 ) 钛型气保护药芯焊丝的熔滴以细颗粒过渡形态过渡时，电弧较软、 燃烧稳定，焊接飞溅小，焊接烟尘小，焊缝成形好，是比较理想的过渡形态。 ( 4 ) 国产钛型药芯焊丝的焊接工艺性与国