高纤维素焊条的熔滴过渡现象及工艺性优化

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：高纤维素焊条焊接时由于大量纤维素形成的强大气流使熔滴形成喷射过渡形态，但不是说高纤维素焊条的熔滴过渡形态完全是喷射过渡，通过高速摄影观察发现高纤维素焊条的熔滴过渡形态是由喷射过渡、滴状过渡和爆炸过渡三种形式组成的。对高纤维素焊条四个样品的高速摄影照片进行统计分析得到的熔滴过渡特征参数的统计数据见表3-6。

1.高纤维素焊条的熔滴过渡形态

为了适应高纤维素焊条向下立焊和打底焊的要求，设计要求电弧吹力比较大，使其在立、仰焊时熔池得以保持不下坠，同时焊根很好熔透，获得良好的双面成形。因此对于高纤维素焊条来说，喷射过渡是高纤维素焊条的主要过渡形态，以便获得最好的工艺效果。对于高纤维素焊条的电弧物理特性的研究，刘海云、王勇和作者较早地进行过这方面的研究^[23-24]，拍摄了焊条在立焊时的高速摄影照片，对立焊条件下高纤维素焊条熔滴行为进行了大量的观察分析，发现高纤维素焊条过渡形态是喷射过渡、滴状过渡和爆炸过渡并存的过渡形态。近些年对高纤维素型焊条电弧物理特性的研究，进一步深化了对高纤维素型焊条工艺特性的认识^[25-27]。最近的研究工作表明，喷射过渡是高纤维素焊条的主要的过渡形态，作者也注意到近期内发表的研究论文认同这一观点^[27]，研究结果与过去的研究结论一致。

为了对比近年来国外出现的一些工艺性能更好的焊条，下面选取四种焊条样品，采用高速摄影和汉诺威分析仪对其进行电弧物理特性的试验分析，并探讨对其工艺性进行评价。选取的焊条样品试验名称是F-5P、FE6010、KE7010和L-60，焊条规格为φ3.2mm和φ4mm，焊接电源采用ZXG-300型硅整流焊机，极性为直流反接，施焊方法为平板堆焊和对接圆碳素钢管开坡口立焊，试板材质为Q235低碳钢。

图3-55、图3-56为FE6010焊条和L-60焊条平焊时细颗粒喷射过渡高速摄影照片，从图中可以看出，熔滴的颗粒特别小，一般不大于φ1mm，且熔滴过渡频率很高，在作者的试验条件下通过高速摄影统计得到的四个样品焊条测试的过渡频率分别是：FE6010焊条117s^-1，F-5P焊条106s^-1，KE7010焊条和L-6010焊条分别是98s^-1和81s^-1。

图3-55 细颗粒喷射过渡高速摄影照片（一）

焊条样品：FE6010焊条，φ3.2mm；直流反接，I≈105A；拍摄速度：2000f/s。

图3-56 细颗粒喷射过渡高速摄影照片（二）

焊条样品：L-60高纤维焊条，φ4mm；直流反接，I≈135A；拍摄速度：2000f/s。

喷射过渡时焊条金属熔滴呈细碎的颗粒由套筒内喷射出来，并以喷射状态快速通过电弧空间，向熔池过渡，其熔滴细碎程度比爆炸过渡还要细得多。喷射过渡基本上不会影响电弧的稳定性，所以电弧的连续性和电弧挺度都比较好，焊接的电参数也相当稳定。喷射过渡的频率特别高，可以超过100s^-1以上，而过渡的熔滴十分细小，φ1mm左右的细熔滴占绝大部分。

高纤维素焊条焊接时由于大量纤维素形成的强大气流使熔滴形成喷射过渡形态，但不是说高纤维素焊条的熔滴过渡形态完全是喷射过渡，通过高速摄影观察发现高纤维素焊条的熔滴过渡形态是由喷射过渡、滴状过渡和爆炸过渡三种形式组成的。这是因为焊接时大量的纤维素的分解形成的强大气流，为熔滴的过渡提供了强大的气体动力。但是纤维素形成的气流对熔滴的作用是一种吹送的作用，是通过气流对熔滴表面的摩擦作用使熔滴被吹碎成滴状、片状、带状及各种不规则的形状，并脱离焊条套筒以喷射状向熔池过渡。这种气流的吹力对熔滴来说是来自外部，它还不足以使大的熔滴完全破碎，因此高纤维素焊条除了喷射过渡外还会出现滴状过渡。这一点与在第2章提到的含有大量铁合金的堆焊焊条形成喷射过渡的机制不完全相同，后者形成喷射过渡主要是源于在套筒内生成的CO气体的强烈、连续释放形成的。显然高纤维素焊条形成喷射过渡的气体动力与其他结构钢焊条所说的气体动力是不同的，在参考文献[3]中讲的气体动力（由碳的氧化形成的CO气体）即第二主导力，与纤维素分解形成的气流对熔滴的作用不同。

滴状过渡是高纤维素焊条的熔滴过渡形态之一，和一般焊条粗熔滴过渡的情况相似，只是熔滴的尺寸没有像普通焊条那样可长大到接近焊芯直径，因此在过渡时可能与熔池发生短路，也可能不与熔池短路。图3-57是KE7010高纤维素焊条滴状过渡过程的高速摄影照片，可以看出，熔滴在过渡过程中与熔池形成了桥接短路，但熔滴的尺寸不很大，此时熔滴金属通过短路桥“平静”地过渡到熔池。图3-58是FE6010焊条滴状过渡高速摄影照片。由图中第10～13帧照片看到，熔滴刚与焊条端部脱离就立刻进入熔池，过渡过程没有形成短路桥，这种情况在弧长较大时更容易出现。为了容易观察，在高速摄影时有意将弧长拉长了，可以想象在正常弧长焊接时，熔滴将与熔池桥接，形成短路过渡。当然较大熔滴的短路过渡是最容易引起电爆炸飞溅的，这一点高纤维素焊条与其他焊条是一样的。

图3-57 高纤维素焊条短路过渡高速摄影照片

焊条样品：KE7010高纤维素焊条，φ4mm；直流反接，I≈130A；拍摄速度：2000f/s。

图3-58 高纤维素焊条短路过渡高速摄影照片

焊条样品：FE6010高纤维素焊条，φ4mm；直流反接，I≈130A；拍摄速度：2000f/s。

通过高速摄影照片对滴状过渡数据进行统计分析，结果是KE7010焊条短路过渡频率最高，达到9.65s^-1，FE6010焊条短路过渡频率最小，为2.26s^-1，F-5P焊条和L-60焊条短路过渡频率居中，分别为6.31s^-1和7.86s^-1。

高纤维素焊条与结构钢焊条一样含有一定量的碳，药皮中的氧化性也足够大，形成熔滴的爆炸过渡的条件和机制与普通结构钢焊条是一样的，因此爆炸过渡也是高纤维素焊条的一种过渡形态之一。

图3-59为L-60焊条的爆炸过渡高速摄影照片，由图可以清晰地看到，熔滴开始慢慢地长大，到第5帧照片的时候熔滴最大，然后经过第6、7帧照片，熔滴发生爆炸，破碎的熔滴最后落入熔池（第10～18帧照片）。

对高纤维素焊条四个样品的高速摄影照片进行统计分析得到的熔滴过渡特征参数的统计数据见表3-6。统计四个焊条样品的爆炸过渡频率是：KE7010焊条的爆炸过渡频率为1.21s^-1是四个样品中爆炸过渡频率最高的；F-5P焊条爆炸过渡频率为0.79s^-1，爆炸过渡频率最小；L-60焊条和FE6010焊条爆炸过渡频率分别为0.98s^-1和0.94s^-1，爆炸过渡频率居中。

图3-59 高纤维素焊条爆炸过渡高速摄影照片

焊条样品：L-60高纤维素焊条，φ3.2mm；直流反接，I=100A；拍摄速度：2000f/s。

表3-6 高纤维素焊条熔滴过渡特征参数统计数据

由表3-6统计的数据可以看出，高纤维素焊条的主要过渡形态为喷射过渡，同时伴有滴状过渡和爆炸过渡，FE6010焊条和F-5P焊条的喷射过渡频率最高，超过100s^-1，而滴状过渡和爆炸过渡频率最小，L-60焊条滴状过渡频率较大，KE7010焊条的滴状过渡和爆炸过渡频率都最大，而细颗粒喷射过度频率最小。滴状过渡和爆炸过渡不但影响电弧的连续性，而且电弧挺度和电参数的稳定性也比较差，所以对于高纤维素焊条来说，具有较多的喷射过渡的焊条工艺性较好，反之工艺性比较差。

根据表3-7中的数据，可以认为FE6010的熔滴过渡形态最为理想，从熔滴过渡形态角度来看，它的工艺性应该是最好的，其次是F-5P，然后是L-60，KE7010焊条是最差的。作者进行的大量的工艺试验也证明，其工艺性与熔滴过渡形态的表现是一致的。

2.高纤维素焊条的飞溅现象

飞溅是影响焊条工艺性的重要因素，飞溅现象是评价焊条工艺性优劣的一个重要的方面。高纤维素焊条的飞溅主要表现为短路电爆炸飞溅、熔滴爆炸飞溅、喷洒飞溅，也会出现熔池飞溅和飘离飞溅等，这些飞溅现象大都和焊条的过渡形态有关。

（1）喷洒飞溅喷洒飞溅是伴随喷射过渡出现的一种小颗粒飞溅，高纤维素焊条熔滴在喷射过渡过程中，一些未能进入熔池的金属颗粒喷洒在焊缝的周围，形成喷洒飞溅。由于喷射过渡是高纤维素焊条熔滴过渡的主要形式，所以喷洒飞溅也是高纤维素焊条的一种主要的飞溅形式。喷洒飞溅的密集飞溅物颗粒喷洒在熔池周围，并黏敷在焊件表面，难以清除，这种飞溅也是影响焊条工艺性的一个重要原因。

（2）短路电爆炸飞溅高纤维素焊条存在着较大熔滴的短路过渡，当然也会因此产生电爆炸飞溅，高纤维素焊条熔滴短路电爆炸飞溅形成条件和机制与普通结构钢焊条是一样的。由于短路电爆炸飞溅的飞溅物的颗粒比较大，过程进行得非常猛烈，波及范围也较大，飞溅物沾污焊件的表面，严重恶化了工作条件，同时它还破坏电弧的稳定性，所以这类飞溅对高纤维素焊条的工艺性影响很大，对于短路滴状过渡较多的高纤维素焊条，这种飞溅形式成为影响焊条工艺性的主要因素之一。

（3）熔滴爆炸飞溅高纤维素焊条具备碳的激烈反应的冶金条件，在熔滴阶段，熔滴内部产生CO气体，使悬挂在焊条端部的熔滴自身发生爆炸，熔滴爆炸飞溅是伴随熔滴爆炸过渡出现的，在爆炸过渡过程中未进入熔池的金属或熔渣颗粒形成了飞溅。

如图3-60所示为KE7010焊条熔滴引起爆炸飞溅的高速摄影照片。熔滴爆炸飞溅对电弧的稳定性影响最大，而且飞溅颗粒比较大，和短路电爆炸飞溅一样，飞溅非常猛烈，也是影响焊条工艺性的一个重要因素。

图3-60 高纤维素焊条发生的熔滴爆炸飞溅高速摄影照片

焊条样品：KE7010高纤维素焊条，φ3.2mm；直流反接，I≈110A；拍摄速度：2000f/s。

（4）气体吹送引起的飘离飞溅高纤维素焊条焊接时，焊条套筒内产生的强大气流通常将悬挂于套筒边缘的熔滴吹离焊条中心而飞离出去，造成飞溅。如图3-61所示，悬挂在套筒边缘上的熔滴在气体吹送力的作用下脱离套筒，形成飘离飞溅。这种飞溅形式对于高纤维素焊条并不少见。

图3-61 高纤维素焊条飘离飞溅高速摄影照片

焊条样品：F-5P高纤维素焊条，φ3.2mm；直流反接，I≈100A；拍摄速度：2000f/s。

另外，高纤维素焊条焊接时同样会发生熔池飞溅，但熔池飞溅不是高纤维素焊条的主要飞溅形式，这种飞溅比喷洒飞溅和爆炸飞溅要弱一些。

对四个焊条样品飞溅率进行测试，结果是：L-60焊条飞溅率为27.43%，远远大于其他三种焊条；其次为KE7010焊条；飞溅率为21.02%；F-5P焊条飞溅率为15.15%；FE6010焊条飞溅最小，为12.21%。测试的结果表明飞溅率的大小与滴状过渡和爆炸过渡概率大小有关，滴状过渡和爆炸过渡概率较大，不仅削弱了电弧吹力，同是也导致大颗粒飞溅的增大，这正是KE7010焊条和L-60焊条飞溅率大的原因；而F-5P和FE6010这两种焊条喷射过渡较强，滴状过渡的概率较小，因此飞溅率也小。飞溅率的测试是在平焊的条件下进行的，在立焊时熔滴受到的力的情况将发生改变，特别是较大颗粒的熔滴在重力作用下容易出现偏飞现象^[26]，从而使大颗粒飞溅增大。

3.高纤维素焊条焊接时的烟雾

烟雾是焊接时伴随电弧过程产生的物理现象之一。焊条电弧焊时产生的烟尘给焊工带来严重的损害，也污染了环境。

形成的烟尘大小与熔滴行为有关，熔滴越小，其比表面积越大，形成的烟雾则越大，因此在焊接过程中粗大的熔滴不易产生大量烟尘，而往往在产生飞溅的瞬间出现浓烟。图3-62是KE7010焊条滴状过渡形成飞溅时产生烟尘的高速摄影照片，在图3-60的高速摄影照片中同样看出，在熔滴发生爆炸的同时产生的浓烈的烟雾，使得画面十分昏暗。

图3-62 高纤维素焊条焊接时产生飞溅和烟尘的高速摄影照片

焊条样品：KE7010高纤维素焊条，φ4.0mm；直流反接，I≈135A；拍摄速度：2000f/s。

由于高纤维素焊条的基本过渡形态为细熔滴的喷射过渡，同时引起喷洒飞溅形成的细小飞溅物，散发着浓烈的烟雾，另外电爆炸飞溅和熔滴自身爆炸飞溅都伴随着烟雾强烈析出，因此高纤维素焊条普遍烟尘比较大，这是高纤维素焊条的主要缺陷之一。

高纤维素焊条的熔滴过渡现象及工艺性优化

相关推荐