高钛不锈钢焊条熔滴行为的可视化信息

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：图4-12是三组高钛型不锈钢焊条典型的熔滴渣壁过渡时的高速摄影照片。

1.高钛型不锈钢焊条渣壁过渡形态特征

设计的新型酸性不锈钢焊条渣系为高钛型，也可称为钛酸型，国外更多称作金红石型。根据焊芯和药皮成分计算得到的第一主导力作用指数P′＞35，第二主导力作用指数P″＜-4，在熔滴过渡形态P′-P″关系图中处于A区，熔滴呈渣壁过渡。图4-12是三组高钛型不锈钢焊条典型的熔滴渣壁过渡时的高速摄影照片。

将图4-16高钛型不锈钢焊条渣壁过渡形态与图4-12钛钙型不锈钢焊条粗熔滴过渡形态相对照，可知渣壁过渡有如下的特点：一是熔滴尺寸小，一般不超过焊芯直径；二是熔滴过渡过程不与熔池发生短路；三是焊条的熔化速度快，熔滴过渡周期短。第2章2.4.4节中表2-5和表2-6对焊条熔滴过渡形态特征和工艺特性做了详细的描述。

2.高钛型不锈钢焊条渣壁过渡的波形

高钛型不锈钢焊条渣壁过渡时，虽然熔滴与熔池不发生短路，但熔滴的每一次过渡都引起电弧长度的变化，引起波形相应的波动，形成渣壁过渡特有的锯齿状波形。在正常的焊接参数下高钛型不锈钢焊条渣壁过渡频率一般为7～9s^-1，锯齿状波形波动的频率往往与熔滴过渡的频率相对应。图4-17是高钛型不锈钢焊条渣壁过渡时电弧电压、焊接电流波形图，从图中可以看出与其他过渡形态完全不同的明显的锯齿状特征。图4-17b是将时间坐标放大的渣壁过渡时电弧电压、焊接电流波形图，仔细观察发现，每一个波动的周期有时会出现电压的跃升现象，图中标出了三处电压跃升的电压值，这也许是导致渣壁过渡时名义电压升高的另一方面原因。至于发生电压跃升现象的机理，可暂不做讨论，但电压跃升现象的客观存在却是渣壁过渡形态电压波形的显著特征之一。当然应该说明的是，电压波形的这种特殊表现与电焊机的特性有关，图中所示的情况是在作者的试验条件下出现的。

渣壁过渡是高钛型不锈钢焊条理想的过渡形态，但实际上不同厂商生产的不锈钢焊条往往由于设计或制造方面的缺陷，焊条没能实现理想的过渡形态，而是出现少量的短路过渡的情况，熔滴呈渣壁过渡和短路过渡的混合过渡形态。

图4-16 高钛型不锈钢焊条典型的熔滴渣壁过渡时的高速摄影照片

样品名及编号：CHSA102不锈钢焊条，φ3.2mm；直流反接，I=110～120A；拍摄速度：1200f/s。

图4-17 不锈钢焊条渣壁过渡时电弧电压、焊接电流波形图

样品名称；TY102-B，φ4.0mm；U=21.11V，I=136.15A；焊接电源：ZXG-300型弧焊整流器，直流反接。

概括起来说，不锈钢焊条熔滴过渡形态基本类型有三种：一是钛钙型渣系的粗熔滴短路过渡，二是高钛型渣系的渣壁过渡，三是介于这两者之间的混合过渡形态。

图4-18是汉诺威分析仪生成的不锈钢焊条熔滴短路过渡、渣壁过渡和混合过渡的电弧电压、焊接电流波形图。由波形图的对比可以直观地看出不锈钢焊条过渡形态的一些特征：粗熔滴过渡时，熔滴是以短路的形式过渡（图4-18a），短路过渡的周期大约为2～4s^-1；而渣壁过渡时熔滴与熔池不发生短路（图4-18b），形成锯齿状波形，过渡频率一般为7～9s^-1，比粗熔滴时要高；混合过渡波形图明显地看出具有短路过渡和渣壁过渡两种形态特征（图4-18c）。

图4-18 不锈钢焊条短路过渡、混合过渡和渣壁过渡电弧电压、焊接电流波形图

a）TY102-B，φ4.0mm，U=21.11V，I=136.15A，粗熔滴短路过渡波形 b）E308-12，φ3.2mm，U=30.50，I=119.01A，熔滴渣壁过渡波形 c）E308-11，φ4.0mm，I=122.21A，熔滴混合过渡波形

焊接电源：ZXG-300型弧焊整流器，直流反接。

3.高钛型不锈钢焊条熔滴的其他过渡形态

高钛型不锈钢焊条具有典型的渣壁过渡形态，对不同厂商高钛型不锈钢焊条样品观察发现，除了渣壁过渡形态以外，熔滴有时也会出现其他异常过渡形态，如熔滴呈喷射状过渡和不规则块状形态的过渡等（见图4-19a、b）。出现这种异常的过渡形态对高钛型不锈钢焊条电弧过程的稳定性会产生一定的影响。列举如图4-19所示的例子对于全面认识不锈钢焊条熔滴过渡形态特征和工艺特性十分必要。渣壁过渡是高钛型不锈钢焊条的基本的、主导的过渡形态，决定了高钛型不锈钢焊条良好的工艺特性。

图4-19 高钛型不锈钢焊条出现熔滴异常过渡的情况

a）熔滴的喷射状过渡 b）熔滴的块状过渡

样品名及编号：CHS102不锈钢焊条，φ3.2mm；直流反接，I=105～115A；拍摄速度：1200f/s。

4.渣壁过渡时的飞溅现象

第2章曾谈到飘离飞溅是渣壁过渡时主要的飞溅形式。图4-20是渣壁过渡发生飘离飞溅的照片，从中可以看出停留在套筒边缘的小熔滴被气流吹离，形成小颗粒飘离飞溅（图4-20a）。飘离飞溅也可能是由于电弧力的作用引起的，如图4-20b所示，第1～9帧照片电弧力作用于熔滴的底部，第13～17帧照片明显地看出在电弧力的作用下，熔滴已偏向焊条端的一侧，接着第21～25帧照片熔滴开始脱离了套筒边缘而飞离，熔滴的飞离过程十分缓慢，根据照片估算的飞行速度大约为0.28m/s。

由于不同焊条冶金条件的差异，有的不锈钢焊条还保持一定的气体动力，第二主导力具一定的强度，焊接时偶尔也会表现喷射行为，因此由气体动力而形成的断续的喷射过渡或喷洒飞溅也时有发生。图4-21是三幅高钛型不锈钢焊条产生喷洒飞溅的照片，从形态上看与碳钢焊条出现的喷射过渡十分相似，只不过不像碳钢焊条那样频繁发生。由于钛钙型不锈钢焊条熔滴有较大的表面张力，熔滴表现出足够的刚性，在熔滴形成和长大的过程中一般情况下都保持整齐的边界，形成完整的大熔滴过渡，不至于散开。而高钛型渣壁过渡时的熔滴表面张力小，熔滴表现得十分松弛，在电弧力等各种力的作用下很容易被解体、破碎，形成飞溅。

图4-20 不锈钢焊条渣壁过渡时发生飘离飞溅的照片（拍摄速度：1200f/s）

a）CHS102不锈钢焊条，φ3.2mm，直流反接，I=105～115A b）GDA102钛钙型不锈钢焊条，φ4.0mm，直流反接，I=135～145A

5.高钛型不锈钢焊条的电弧稳定性

电弧稳定性好是渣壁过渡形态突出的特点之一，这是因为：首先，渣壁过渡时电弧属于连续型，熔滴过渡时不与熔池发生短路，电弧保持连续不中断；其次，高钛型的药皮成分具有良好的稳定电弧的作用，电弧为敞开型；再次，从电弧的活动性来看，渣壁过渡电弧的活动性不大，在第2章的一些渣壁过渡形态典型照片（图2-16a第61～77帧照片）可以清楚地看到，当熔滴滑出套筒外，与熔池发生桥接并进行金属的过渡的整个过程中，电弧仍然从套筒内“伸出”，保持着很好的挺度，由图2-16b可以更清楚地看出在整个过渡过程中熔滴行为对电弧行为没有影响，电弧的形态也没有任何改变。

然而也会出现电弧根在套筒内和熔滴底部之间发生转移的情况。如图4-22所示，电弧不是一直处于焊条套筒内，有时电弧根随着悬挂在套筒边缘上的熔滴底部移出套筒之外，在熔滴的底部与熔池之间燃烧（第1～6帧照片），这说明此时熔滴在套筒内与焊芯相连形成导电的回路；但这种情况很快发生了变化，随着熔滴的进一步长大，在套筒内液体金属与焊芯脱离，熔滴的导电回路中断，此时在熔滴底部的弧根迅速脱离熔滴而转移到套筒内（第6～7帧照片），之后熔滴的进一步长大、与熔池的桥接以及金属的过渡过程都不改变电弧的行为。像图4-22这样发生弧根转移的现象是渣壁过渡比较经常发生的，但是从图中照片看出，弧根转移的现象对电弧挺度的影响程度很小，由此造成的电弧偏摆不是很大，不改变电弧非活动型电弧的属性。但是也会出现十分极端的情况，即弧根的转移引起电弧的激烈飘移。如图4-23所示为这种极端飘移的情况，在图中第1～7帧照片看到电弧处于熔滴的底部，由于熔滴的偏离，使电弧明显地偏向套筒的右侧，而在第8帧照片清楚地看到电弧飞快地转移到套筒内，仔细观察第8帧照片还能看出电弧由熔滴底部移走的影像痕迹。如图4-23所示的明显的弧根转移现象是渣壁过渡十分极端的情况，在电弧长度较大的特定条件下才有可能出现，正常焊接条件下这种情况出现的概率很小。