焊条电弧焊熔滴渣壁的过渡优化方法

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：图2-11是焊条电弧焊渣壁过渡的高速摄影单帧照片。一般钛型不锈钢焊条采用正常焊接参数时熔滴渣壁过渡频率大约为9～11s-1。E4324高效铁粉结构钢焊条具有完全的渣壁过渡形态，是渣壁过渡形态代表性的焊条之一。图2-13是E4324高效铁粉焊条熔滴进行渣壁过渡过程的连续高速摄影照片，在照片中看到在焊条端部同时存在的两个熔滴先后进行过渡的情景。

1.焊条电弧焊熔滴的渣壁过渡现象

所谓渣壁过渡是指焊条电弧焊时，焊条端部的熔化金属或者是埋弧焊时焊丝熔化金属沿着套筒内壁或是熔渣壁表面流向熔池的一种过渡形态。渣壁过渡这一术语最早于1978年由国际焊接学会在熔滴过渡形态分类中提出（表1-2），最初是针对埋弧焊时熔滴沿着焊剂形成的熔渣壁面进行过渡的方式，后来由于高钛型（钛型或金红石型）不锈钢焊条的出现而发现了熔滴过渡的这一特征，于是把这一术语套用在焊条套筒内细熔滴的敷壁过渡行为，并在1985年中国机械工程学会焊接学会编的《焊接词典》中解释了这一概念^[5]。1998年在作者的著作^[4]中将渣壁过渡列为焊条熔滴过渡的四种主要过渡形态之一。

图2-11是焊条电弧焊渣壁过渡的高速摄影单帧照片。熔滴细小是渣壁过渡的主要特征，也是渣壁过渡形成的必要条件，因为细小的熔滴才有可能沿着套筒的某一侧滑落到金属熔池。也正是由于熔滴十分细小，因此当熔滴在焊条端部形成、长大，直到脱离焊芯端部之前，一个熔滴不会占据焊芯的整个端面，焊芯的端面上可能同时存在两个或两个以上的熔滴，这是渣壁过渡所独有的现象，它和粗熔滴过渡时形成鲜明的对照，在粗熔滴过渡时，焊芯的整个端面往往被一个粗大的熔滴所独占。在图2-11a、b的两幅照片中可以看到在焊条端部同时停留着2～3颗熔滴，这是渣壁过渡最为明显的外部特征之一，也是在观察高速摄影影片时最容易看到的情景。

图2-11 焊条电弧焊渣壁过渡的高速摄影照片

a）、b）E308钛型不锈钢焊条，φ4.0mm，直流反接，I=135A c）E4324钛型铁粉结构钢焊条，φ4.0mm，直流反接，I=180A d）A102Fe钛型碳钢芯高效不锈钢焊条，φ4.0mm，直流反接，I=165A

图2-12也是一组反映渣壁过渡特征的单帧照片，可以清楚地看出在焊条端部待下落的小熔滴，同时可以看到熔滴金属通过桥接的形式向熔池过渡的画面。一般钛型不锈钢焊条采用正常焊接参数时熔滴渣壁过渡频率大约为9～11s^-1。

E4324高效铁粉结构钢焊条具有完全的渣壁过渡形态，是渣壁过渡形态代表性的焊条之一。图2-13是E4324高效铁粉焊条熔滴进行渣壁过渡过程的连续高速摄影照片，在照片中看到在焊条端部同时存在的两个熔滴先后进行过渡的情景。

图2-12 焊条电弧焊渣壁过渡的高速摄影照片

焊条样品：CHS102不锈钢焊条，φ3.2mm；直流反接，I=95～105A；拍摄速度：1200f/s。

图2-13 焊条电弧焊渣壁过渡的高速摄影照片

焊条样品：E4324高效铁粉结构钢焊条，φ4.0mm；直流反接，I=195～210A；拍摄速度：1200f/s。

图2-14 渣壁过渡和粗熔滴过渡焊条端部横截面示意图

a）渣壁过渡 b）粗熔滴过渡

图2-15 渣壁过渡时焊条端部纵截面示意图

a）在套筒内熔滴与焊芯端部相连 b）在套筒内熔滴已经与焊芯端部脱离

图2-14、图2-15是渣壁过渡和粗熔滴过渡焊条端部横截面示意图和渣壁过渡时焊条端部纵截面解析图，它对渣壁过渡和粗熔滴过渡特征进行了解析，解释了熔滴的渣壁过渡过程不形成短路的原理。由图看出，当熔滴沿着套筒内壁滑出套筒边缘并逐渐长大后，熔滴与熔池接触，从高速摄影的照片上看似乎形成了短路桥，但实际上此时金属熔滴在套筒内已经与焊芯端部脱离了（图2-15b）。从图2-16a高速摄影第61～77帧照片可以清楚地看到，当熔滴滑出套筒以外并且与熔池发生桥接时，以及进行金属的过渡的整个过程中，电弧仍然从套筒内“伸出”，电弧一直维持着，电弧的形态也没有任何改变。图2-16b反映了同样的情况，熔滴在整个过渡过程中对电弧行为没有影响。这种情景证明了渣壁过渡时熔滴与焊芯在套筒内相脱离的事实，同时让人们很容易理解渣壁过渡时能够保持电弧很好的挺度的原因。

图2-16 渣壁过渡时熔滴金属通过桥接形式进行过渡的高速摄影照片

试验焊条样品：CHS102不锈钢焊条，φ3.2mm；直流反接，I=95～105A；拍摄速度：1200f/s。

2.渣壁过渡引起的飞溅现象

由于渣壁过渡熔滴细小，过渡时不会与熔池发生桥接短路，因此也不会出现短路电爆炸飞溅现象。

图2-17 高效铁粉焊条发生飘离飞溅的高速摄影照片

试验焊条样品：E4324高效铁粉焊条结构钢焊条，φ4.0mm；

直流反接，I=195～210A；拍摄速度：1200f/s。

观察渣壁过渡时经常看到如图2-17所示的飞溅现象，照片中清楚地展示套筒边缘细小的熔体飞离形成的飘离飞溅的情景，它不像爆炸飞溅那样突然间大量的颗粒同时飞散出去。在观察高速摄影的照片时，看到飞散的小颗粒熔体缓慢地飘落出去，根据拍摄速度和熔滴飘离的距离估算，熔滴飘离的速度为0.2～0.5m/s，比喷射过渡时熔滴的飞行速度慢很多。因此在参考文献[4]中曾将其称为“飘离”飞溅。飘离飞溅的发生显然是由于焊条套筒内产生的强大气流将悬挂在套筒缘边的小熔滴（也可能是熔渣滴）吹离造成的。

由于飘离的飞溅物飞行速度比较缓慢，飞溅不那么猛烈，因此对工艺性影响不大，这是渣壁过渡工艺性能大幅度优于粗熔滴过渡的主要原因之一。

焊条电弧焊熔滴渣壁的过渡优化方法

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