图3-17是钛型结构钢焊条有代表性的波形图之一，从图中可以看出其短路十分密集，显示出C型短路特征。由于熔滴内CO气体的产生而导致B型短路的观点，有其重要的现实意义，它解释了只有钛钙型和低氢型结构钢焊条才可能出现密集的B型短路，而对于某些铝、铜及其合金焊条，则不会发生B型短路的事实。由于结构钢焊条波形具有的这种特征，因此实际上可以根据波形判断焊条种类，以及分析某种冶金特性。......
2023-06-30
钛钙型结构钢焊条熔滴过渡形态分析
【摘要】：对钛钙型结构钢焊条熔滴行为的观察，证实了钛钙型碳钢焊条具有粗熔滴过渡、渣壁过渡、爆炸过渡和喷射过渡四种类型共存的混合过渡形态，包含了其他各类型焊条熔滴过渡形态某些主要特征。选取的图3-5的视频资料，反映了钛钙型结构钢焊条有代表性的熔滴过渡形式。由于药皮厚度大，套筒增长，使其形成完全的渣壁过渡，因此渣壁过渡成为E4324型高效铁粉焊条基本的过渡形态。
钛钙型结构钢焊条药皮成分中含有大量硅、铝酸盐、钛酸盐和碳酸盐等矿物，长石、云母、白泥等硅、铝酸盐矿物占有较大比重，使熔滴表面张力降低，第一主导力作用较大，有利于熔滴形成渣壁过渡；另外，钛钙型结构钢焊条为保证熔敷金属的力学性能，在焊芯和铁合金中需要有一定的碳含量，钛钙型渣系又有较强的氧化性，在焊接过程中焊芯和铁合金中的碳必然要发生较激烈的氧化，形成CO气体的强烈析出，因此碳钢焊条同时也具备第二主导力存在的条件，为喷射过渡和爆炸过渡的形成提供了气体动力源。第一和第二主导力的共同作用决定了钛钙型结构钢焊条具有粗熔滴短路过渡、渣壁过渡、爆炸过渡和喷射过渡共存的混合型过渡形态，在P′-P″关系图中处于P′＞20、P″=-4.0～0混合过渡形态区（见图2-43），从理论上回答了钛钙型焊条存在复杂的熔滴过渡形态的必然性。对钛钙型结构钢焊条熔滴行为的观察，证实了钛钙型碳钢焊条具有粗熔滴过渡、渣壁过渡、爆炸过渡和喷射过渡四种类型共存的混合过渡形态，包含了其他各类型焊条熔滴过渡形态某些主要特征。下面将给出几幅高速摄像照片，直观地展示钛钙型结构钢焊条熔滴行为特征。
1.钛钙型结构钢焊条熔滴的短路过渡
钛钙型结构钢焊条熔滴的短路过渡有不同的情况，按熔滴颗粒大小可区分为粗熔滴短路过渡和细熔滴短路过渡，按短路时间的长短可分为持续性短路和瞬时短路。
（1）粗熔滴短路过渡 粗熔滴短路过渡是钛钙型结构钢焊条熔滴过渡的主要形态之一，图3-1为钛钙型结构钢焊条典型短路过渡过程的高速摄像照片，从图中看出，熔滴的直径超过了3mm（焊条规格为3.2mm，药皮外径为5.1mm），从第11帧照片至33帧照片为熔滴短路和熔滴过渡，短路时间约为18.3ms，而图3-2显示的熔滴短路过程的时间约为6.7ms（第8～15帧照片），持续时间都相当长。
图3-1 钛钙型结构钢焊条粗熔滴短路过渡的高速摄影照片（一）
焊条样品：J422焊条，φ3.2mm；直流反接，I=100～110A；拍摄速度：1200f/s。
图3-2 钛钙型结构钢焊条粗熔滴短路过渡的高速摄影照片（二）
焊条样品：J422焊条，φ3.2mm；直流反接，I=100～110A；拍摄速度：1200f/s。
列举的两个短路过渡实例的共同特点是：熔滴有较大的尺寸，其直径一般接近或超过焊芯直径；由于熔滴直径大，在正常的弧长操作时，熔滴与熔池发生桥接短路，短路过程伴随着液体金属的过渡；过程持续较长的时间，具有持续性的特点；这里将金属过渡持续时间较长的短路形式称为A型短路。观察图3-1第3、4帧照片，看到熔滴与熔池瞬间发生接触短路，但熔滴没有发生过渡，这种短路现象称之为B型短路[4，5]。
（2）细熔滴短路过渡 图3-3为钛钙型结构钢焊条的另外一种细熔滴短路过渡形态的照片，在图中第6帧照片看出短路时间很短，短路后即刻发生了桥接并完成了熔滴的过渡，接着第7～9帧照片发现过渡后残留的金属细滴又与熔池发生了短路和金属的过渡，这两次熔滴短路的时间都十分短暂，不到1ms。这种瞬时短路又伴有熔滴过渡的短路形式定义为C型短路[4，5]。
图3-4a也是一个典型的熔滴C型短路的实例，由图看到细小的熔滴在过渡过程中与熔池发生短暂的接触短路，将熔滴金属过渡到熔池。
图3-4b看到的熔滴短路过程比较复杂，第3帧照片熔滴与熔池发生短暂的接触短路，而后第4帧照片又迅速脱离接触，电弧复燃，紧接着又在第5帧照片熔滴又一次发生瞬时的短路，同时进行了熔滴的过渡，之后电弧复燃。这里接连发生的两次短路行为，前一个熔滴短路没有伴随熔滴的过渡，属于B型短路，而接下来的短路行为则伴随着熔滴金属的过渡，为C型短路。
图3-3 钛钙型结构钢焊条瞬时短路过渡的高速摄影照片（一）
焊条样品：J422焊条，φ3.2mm；直流反接，I=100～110A；拍摄速度：1200f/s。
图3-4 钛钙型结构钢焊条瞬时短路过渡的高速摄影照片（二）
a）C型短路 b）B型短路+C型短路
焊条样品：J422焊条，φ3.2mm；直流反接，I=100～110A；拍摄速度：1200f/s。
（3）细熔滴非短路过渡 当熔滴进一步细化时，熔滴的过渡不再与熔池发生短路，形成了钛钙型结构钢焊条细熔滴非短路过渡形态（图3-5）。由图中看出，细熔滴过渡时电弧不受熔滴行为的影响，保持在焊条的中心位置稳定地燃烧，同样熔滴基本上也不受电弧力的影响，与熔滴渣壁过渡时受力状态相近，是十分理想的过渡形态。选取的图3-5的视频资料，反映了钛钙型结构钢焊条有代表性的熔滴过渡形式。
图3-5 钛钙型结构钢焊条细熔滴非短路过渡形态
焊条样品：J422焊条，φ3.2mm；直流反接，I=100～110A；拍摄速度：1200f/s。
2.熔滴的渣壁过渡
渣壁过渡是钛钙型结构钢焊条的熔滴过渡形态之一，如图3-6a、b所示，在套筒边缘停留的小熔滴向熔池过渡，过程中没有发生熔滴的爆炸行为，也没有出现熔滴的短路，电弧一直燃烧着，熔滴平稳地过渡到熔池。
图3-6 钛钙型结构钢焊条熔滴渣壁过渡现象（一）
焊条样品：J422焊条，φ3.2mm；直流反接，I=100～110A；拍摄速度：1200f/s。
图3-7也是一组反映钛钙型结构钢焊条渣壁过渡高速摄影照片，图中展示了熔滴渣壁过渡全过程，仔细观察发现，在套筒边缘停留着两个小熔滴（第1～4帧照片），其中照片右边的那一个更细小的熔滴被套筒喷出的气流吹送出去，形成飘离飞溅（第6～11帧照片），而左边的那一个熔滴过渡到熔池，它的直径约为2.1mm，渣壁过渡过程持续了至少16ms。
图3-7 钛钙型结构钢焊条熔滴渣壁过渡现象（二）
焊条样品：J422焊条，φ3.2mm；直流反接，I=100～110A；拍摄速度：1200f/s。
图3-8是选取的E4324型高效铁粉焊条熔滴行为照片，从图中可以清楚地看到渣壁过渡的明显特征，在套筒的边缘同时存在着多个熔滴的现象。由于E4324型高效铁粉焊条的药皮中加入了大量铁粉，因此药皮重量系数很大。由于药皮厚度大，套筒增长，使其形成完全的渣壁过渡，因此渣壁过渡成为E4324型高效铁粉焊条基本的过渡形态。图3-9所示为一个熔滴进行渣壁过渡的情景，对这一样品的观察发现，在熔滴整个过渡过程中电弧的燃烧一直十分稳定，电弧始终处于焊条的中心位置，几乎不发生任何偏斜。
普通的E4303或钛型E4313焊条渣壁过渡形成的概率都不是非常高，对这种焊条来说，完全的渣壁过渡是不可能出现的。
图3-8 E4324型高效铁粉焊条熔滴行为照片
图3-9 E4324型高效铁粉焊条渣壁过渡实例
焊条样品：E4324型高效铁粉焊条，φ3.2mm；直流反接，I=170～190A；拍摄速度：1200f/s。
3.熔滴的爆炸过渡
钛钙型结构钢焊条为保证足够的力学性能，而具有一定的碳含量，钛钙型渣系又具有较强的氧化性，因此焊接过程中碳的氧化比较强烈，产生的CO形成熔滴过渡的气体动力，成为钛钙型结构钢焊条发生爆炸过渡和喷射过渡的主要因素。如图3-10所示为钛钙型结构钢焊条发生爆炸过渡的实例。在高速摄影照片中看到，停留在焊条端部的熔滴突然发生了爆炸使其破碎（第3～5帧照片），破碎的熔体进入熔池，形成爆炸过渡。图3-11也是一组典型的爆炸过渡的高速摄影照片，在第3、4帧照片看到，悬挂在套筒外的较大熔滴突然发生了爆炸，完全破碎，细碎的熔体一部分进入熔池形成爆炸过渡，而更多的熔体向周围飞散形成爆炸飞溅。这一实例看出，爆炸过渡和爆炸飞溅是同时发生的。
图3-10 钛钙型结构钢焊条发生爆炸过渡的高速摄影照片（一）
焊条样品：J422焊条，φ3.2mm；直流反接，I=100～110A；拍摄速度：1200f/s。
4.熔滴的喷射过渡
钛钙型结构钢焊条在焊接时激烈的冶金反应形成的CO气体，在套筒内产生强大的CO气体动力，使尚未来得及形成大颗粒的熔体被撕碎，从套筒内喷出，形成喷射过渡。
图3-12是结构钢焊条样品用高速摄影拍摄的几幅发生喷射过渡的实物照片。图3-13是钛钙型结构钢焊条喷射过渡的高速摄影照片，从图中可以看出细的熔滴从套筒内喷射出来，很快进入熔池，由于在套筒内产生的强大气流，使得滴状的熔体被撕成块状、片状或带状等无规则的形状，向熔池过渡。其中块状和片状的熔体很容易与熔池发生接触，形成C型短路。
图3-11 钛钙型结构钢焊条发生爆炸过渡的高速摄影照片（二）
焊条样品：J422焊条，φ3.2mm；直流反接，I=100～110A；拍摄速度：1200f/s。
图3-12 钛钙型结构钢焊条形成喷射过渡的高速摄影照片（拍摄速度：1200f/s）
a）、b）焊条样品：J422焊条，φ3.2mm；直流反接，I=100～110A； c）焊条样品：JT结构钢焊条，φ3.2mm；直流反接，I=100～110A
图3-13 钛钙型结构钢焊条喷射过渡的高速摄影照片
焊条样品：JT结构钢焊条，φ3.2mm；直流反接，I=100～110A。
熔滴喷射过渡的最大优点是电弧挺度好，焊接电压与焊接电流的波动最小，而缺点是密集的喷洒飞溅对焊条的工艺性造成负面影响。对422结构钢焊条样品观察时发现，焊接时几乎不发生较大熔滴的短路过渡，爆炸过渡和渣壁过渡也很少出现，主要表现为熔滴的喷射过渡以及掺杂细小颗粒的被撕成块状、片状或带状等无规则形状熔体的过渡，即瞬时C型短路过渡或者完全的不短路的细滴过渡，粗略统计焊条喷射过渡的过渡频率超过100s-1。
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