低氢型结构钢焊条弧桥并存现象及其工艺性问题

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：图3-43是低氢型结构钢焊条熔滴过渡过程的高速摄影照片，从90帧照片中选取的24帧基本上反映了一个大熔滴的过渡过程。图3-44 低氢型结构钢焊条“弧桥并存”现象放大的单帧照片焊条样品：CHE506结构钢焊条，φ3.2mm；直流反接，I=130～140A。

图3-43 低氢型结构钢焊条“弧桥并存”现象的高速摄影照片

焊条样品：CHE506结构钢焊条，φ3.2mm；直流反接，I=130～140A；拍摄速度：1200f/s。

1.低氢型结构钢焊条“弧桥并存”现象

作者在以往的研究中发现，低氢型结构钢焊条熔滴过渡时存在特殊的“弧桥并存”现象^[4]，就是在焊条熔滴与熔池发生持续桥接时，电弧仍然维持燃烧而不中断的现象。图3-43是低氢型结构钢焊条熔滴过渡过程的高速摄影照片，从90帧照片中选取的24帧基本上反映了一个大熔滴的过渡过程。由图看出，悬挂在焊条端部的大熔滴在第4帧照片与熔池发生桥接，桥接的过程中电弧一直在燃烧着并没有熄灭，一直持续到第82帧，弧桥并存的时间约65ms。图3-44是弧桥并存现象的单帧照片，在照片上看渣桥的外形与液体金属桥几乎没有区别。

图3-44 低氢型结构钢焊条“弧桥并存”现象放大的单帧照片

焊条样品：CHE506结构钢焊条，φ3.2mm；直流反接，I=130～140A。

“弧桥并存”现象的形成是由于CaO-CaF₂渣系特殊的物理性能使熔渣与液体金属之间形成较大的界面张力，以至两者不易浸润，焊接时熔渣不能完全地包覆着金属熔滴，当电弧较长时，熔渣在重力作用下往往在金属熔滴的底部聚集，形成熔渣滴。在长弧焊时清楚地看到在熔滴的下面聚集着渣滴，形成两个熔滴相互串联的葫芦状的有趣现象。如图3-45所示，电弧处在上面的熔体底部，而由于下面熔体的遮挡而略偏向一侧（第4帧照片）。在放映高速摄影的影片时会清楚地看到，电弧在上面的熔滴底部活动着，但从未看到过斑点处在下面熔体的表面上，这说明上面是金属熔滴，而下面的是熔渣滴。熔渣滴进一步长大后就会出现如图3-46所示的情况，熔渣滴先于金属熔滴与熔池接触，形成渣桥，而此时电弧仍在熔滴与熔池间燃烧着。

图3-45 相互串联的金属滴与熔渣的高速摄影照片

焊条样品：E347-15（A137）低氢型不锈钢焊条，φ4mm；直流反接，I=140A，拍摄速度：1000f/s。

上述的情况显然只是在长弧时出现，而在正常弧长的条件下焊接时，将会出现另外的情景：沿着金属熔滴表面下坠的熔渣，在熔滴底部尚来不及聚集形成熔渣滴之前就与熔池桥接，形成渣桥，而此时金属熔滴尚未长大到与熔池短路，因此电弧仍然维持着，于是形成“弧桥并存”现象。在图3-43和图3-44上看到的短路桥显然是渣桥，而不是金属桥，而熔渣与熔池的桥接不会形成电气短路，不影响电弧的燃烧，在照片上看渣桥的外形与液体金属桥几乎没有区别。

2.“弧桥并存”现象对焊条工艺性的影响

作者曾对多种低氢型焊条焊接过程高速摄影进行了观察，统计了焊接时电弧过程中“弧桥并存”维持的时间，发现低氢型焊条的“弧桥并存”现象在熔滴过渡过程中，不是偶然发生的，而是伴随电弧过程频繁反复出现并维持较长时间。根据作者早年对拍摄的低氢型焊条高速摄影胶片进行的分析，对焊条燃弧时间、短路时间、“弧桥并存”时间进行过统计，现举其中的一个实例：在统计的2949帧照片中（拍摄速度1000f/s）燃弧时间为1667ms，占56.5%，短路时间111ms，占3.76%，“弧桥并存”时间为1171ms，占39.7%，显然焊接过程中“弧桥并存”现象维持较长时间。焊接时渣桥长时间存在，部分熔滴较长时间被包裹在渣桥中。熔滴与熔渣相接触时其界面张力将大幅度降低，因而处于渣桥内的金属熔滴将得到细化。在焊接过程中，尽管粗大熔滴的短路过渡仍然是大理石-萤石型焊条主要的过渡形态，但部分熔滴以较细的颗粒在渣桥内实现过渡，这对于大理石-萤石型焊条工艺性的改善起着积极的作用。

图3-46 渣滴先于金属熔滴与熔池接触形成渣桥的高速摄影单帧照片

焊条样品：E347-15（A137）低氢型不锈钢焊条，φ4mm；直流反接，I≈140A。

另外，焊接时渣桥的存在对短路电流起到一定的分流作用，在一定程度上减少了熔滴过渡时发生电爆炸飞溅的概率，这是渣桥利于焊条工艺性改善的另一个重要原因。

作者通过对发生短路电爆炸飞溅过程的高速摄影的影片仔细地观察，发现大多数的飞溅不是发生在熔滴刚与熔池短路的瞬间，也不是发生在熔滴短路桥存在的中期，而是发生在短路桥金属过渡基本完成、短路桥变得很细的时候。图3-47是焊条电弧焊发生短路电爆炸时的高速摄影照片，由图看出熔滴在形成短路桥后并没有立刻发生爆炸，而是通过短路桥进行过渡（第4、7帧照片），当过渡过程即将完成、短路桥已经变得很细时（第9、10帧照片），发生了爆炸（第10、12帧照片），爆炸过程造成了飞溅。观察熔滴短路爆炸过程的高速摄影照片，测量金属短路桥最大时的截面直径大约为φ4mm，截面积约为12.6mm²，而当液体金属桥变得最细时，截面直径还不到φ1.0mm，截面积不到0.79mm²，相差16倍之多，如按短路时电流300A估算，那么通过短路桥的电流密度将分别是23.8A/mm²和380A/mm²，这就是为什么爆炸大都发生在液体金属过渡即将完成且金属桥变得很细的时候，显然电流密度的突然增大是引起电爆炸发生的直接导因。

图3-47 焊条发生电爆炸飞溅的高速摄影照片

焊条样品：E5015焊条，φ4mm；直流反接，I≈160A，拍摄速度：1000f/s。

既然电爆炸飞溅与短路桥本身通过大的电流密度有关，那么任何减小短路时电流密度的因素都会减小电爆炸飞溅的可能。低氢型结构钢焊条在焊接过程中的较长时间都存在着渣桥，很多情况下当熔滴与熔池发生短路时渣桥还存在着，这时渣桥对流过金属桥的短路电流起着分流的作用，在一定程度上减小了通过短路桥的短路电流密度，因而减小了金属桥发生电爆炸的概率。

众所周知，历来认为短路电爆炸飞溅是导致E5015（或E5016）焊条工艺性恶化的主要因素，但是也注意到许多市售E5015（或E5016）焊条飞溅并不一定很大，许多情况其飞溅率比E4303焊条小，有的E5015（或E5016）焊条飞溅率控制得非常小，焊条工艺性良好，这与低氢型焊条焊接时存在特殊的“弧桥并存”现象有关。

低氢型结构钢焊条弧桥并存现象及其工艺性问题

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