药芯焊丝CO2气体保护焊中渣柱对熔滴过渡的影响

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：图5-50 药芯焊丝CO2气体保护焊时在渣柱末端渣滴过渡的实例（二）焊丝样品：KFX-71药芯焊丝；焊接参数：32V/150dm/min，直流反接；拍摄速度：1200f/s。药芯焊丝CO2气体保护焊时出现熔滴与熔渣两者分别独立进行过渡的现象，很容易被解读为金属熔滴与渣的不融合，实际上多幅照片表现出的两者不相融合只是从已经长大的熔滴与渣柱之间相互接触程度而言，由此得到在排斥过渡时渣柱对粗大熔滴的过渡影响不大的结论有失偏颇。

焊接时，在熔滴形成、长大和过渡的过程中渣柱始终存在着，当弧长较大、电压设置较高时，渣柱特别容易被观察到。在大熔滴排斥过渡的情况下，最容易观察到熔渣形成的渣柱，观察熔滴排斥过渡时的高速摄影照片时，经常看到在焊丝端部停留着偏向一侧的一个大的熔滴，而在焊丝端下面中心线上停留着渣柱。图5-45是在较高的电压和小电流条件下出现大颗粒排斥过渡的高速摄影照片，此时可以清楚地看到熔滴过渡前和熔滴过渡后渣柱一直存在着。

图5-45 药芯焊丝CO₂气体保护焊大熔滴排斥过渡的高速摄影照片

焊丝样品：2YC50204.7.2，φ1.2mm；焊接参数：28.5V/140A；拍摄速度：2000f/s。

有时在熔滴形成初期能明显看到伸在下面的渣柱（图5-46第1～24帧照片），但随着熔滴的长大，大熔滴将其包裹起来，渣柱隐匿在大熔滴中而无法观察到（图5-46第30～42帧照片）。还有这样的情况，如图5-47所示，起初在焊丝端部只看到悬挂着的大的熔滴，看不到渣柱，熔滴在脱离焊丝端部向熔池过渡后，才看到在焊丝的端部保持着渣柱（第13帧照片），这说明熔滴在过渡前，实际上渣柱已经存在，显然渣柱是被熔滴包裹着的。由图5-47第12、13帧照片看出，熔滴附着在渣柱上滑向金属熔池。

图5-46 排斥过渡时显现的渣柱（从42帧照片撷取的8帧）

焊丝样品：KFX-71药芯焊丝，φ1.2mm；焊接参数：21V，60dm/min；拍摄速度：1200f/s。

图5-47 药芯焊丝CO₂气体保护焊时渣柱对熔滴导向作用实例

焊丝样品：KFX-71药芯焊丝，φ1.2mm；焊接参数：21V/60dm/min；拍摄速度：1200f/s。

观察如图5-48所示的情况，看到好像熔滴与熔渣之间相互不融合，熔滴被排斥到焊丝的一侧，使熔滴与渣柱彼此分开，显然渣柱和粗大熔滴之间直接机械接触程度不大，看不出渣柱对熔滴过渡时的导向作用。

图5-48 药芯焊丝CO₂气体保护焊时形成渣柱与熔滴不相融合的照片

焊丝样品：2YC50204.7.2，φ1.2mm；焊接参数：28.5V/140A；拍摄速度：2000f/s。

排斥过渡时大熔滴与渣柱未能熔合，因此发生渣柱单独进行过渡的现象，从图5-49第1～6帧照片看出渣柱在慢慢长大、伸长，从第7帧照片开始伸长的渣柱与熔池接触并进行过渡，至第11帧过渡完成，渣柱变短。在图5-50中同样观察到在渣柱的末端有渣滴过渡，看到第1～10帧照片渣柱与熔池桥接进行熔渣的过渡过程，在第10帧照片熔滴过渡完成，第11～12帧照片中残留变短的渣柱。

图5-49 药芯焊丝CO₂气体保护焊时在渣柱末端渣滴过渡的实例（一）

焊丝样品：KFX-71药芯焊丝，φ1.2mm；焊接参数：21V/60dm/min，直流反接；拍摄速度：1200f/s。

图5-50 药芯焊丝CO₂气体保护焊时在渣柱末端渣滴过渡的实例（二）

焊丝样品：KFX-71药芯焊丝；焊接参数：32V/150dm/min，直流反接；拍摄速度：1200f/s。

如图5-51所示为一个显示熔滴与熔渣分别进行过渡的实例。在图中看到第1～8帧照片熔滴还处在焊丝端部，熔滴下端伸出熔融的渣柱，从第9帧照片开始金属熔滴脱离焊芯进行过渡，过渡完成后，可看到一个小的渣滴在焊丝端部停留着（第20帧照片），从渣柱逐渐分离出来（第26、27帧照片），向熔池过渡，至第33帧照片渣滴完全进入熔池。

图5-51 药芯焊丝CO₂气体保护焊时熔滴与熔渣分别过渡的实例（一）

焊丝样品：2YC50204.07.0.2，φ1.2mm；焊接参数：28.5V/140A；拍摄速度：2000f/s。

图5-52所示同样为熔滴与渣柱分别进行过渡的情景。由图看到，第1～3帧照片悬垂的熔滴处于长大的过程中，尚未与熔池接触，第4～10帧照片熔滴形成短路桥，并进行金属的过渡，此前渣柱一直被包裹在大熔滴和短路桥内，而外面看不到。当熔滴过渡完成后，在第12帧照片才看到裸露的渣柱，此时开始了渣柱自身的过渡过程，从第16帧照片开始渣柱的末端与熔池相接触，通过桥接的形式使渣流入熔池中，至第21帧完成了过渡。熔渣过渡后在焊芯端部残留的液渣呈锥形（第23帧照片），仔细看可发现在锥形渣柱的上部悬挂着小的刚刚形成的金属熔滴。在渣柱过渡的同时电弧始终维持着，电弧的燃烧不受影响（第22～25帧照片）。以上列举了诸多发生熔滴与熔渣分别进行熔化与过渡的实例，说明熔滴与熔渣分别进行熔化与过渡是药芯焊丝电弧物理普遍现象之一。有的研究论文对这一特殊现象进行了描述，并对其发生机理进行了探讨^[25]。

图5-52 药芯焊丝CO₂气体保护焊时熔滴与熔渣分别过渡的实例（二）

焊丝样品：KFX-71药芯焊丝，φ1.2mm；焊接参数：21V～60dm/min；拍摄速度：1200f/s。

药芯焊丝CO₂气体保护焊时出现熔滴与熔渣两者分别独立进行过渡的现象，很容易被解读为金属熔滴与渣的不融合，实际上多幅照片表现出的两者不相融合只是从已经长大的熔滴与渣柱之间相互接触程度而言，由此得到在排斥过渡时渣柱对粗大熔滴的过渡影响不大的结论有失偏颇。对图5-52进一步解读，可以发现熔滴形成和长大以及液体金属与熔池形成短路桥接并进行过渡的全过程，只在图中第1～10帧照片中有所反映，而熔滴的形成和长大的整个过程在第1帧照片之前就已经进行，这一点在图5-52中没有完全展现出来。实际上在很多情况下，在熔滴的形成和长大的阶段，在焊丝端部只看到熔滴，而看不到渣柱，如图5-53所示，在熔滴脱离焊丝端部向熔池过渡后，才看到在焊丝的端部保持着渣柱（第8、9帧照片），这说明在熔滴过渡前渣柱已经存在，渣柱被熔滴包裹着。在排斥过渡时，熔滴在形成、长大过程中，两者的直接接触和相互作用是毋庸置疑的，因此熔滴与渣柱的接触和互融，应该说在很大程度上是充分的，这里说的接触与融合不仅是指机械的，而且也包含冶金的。正是这样的接触与融合使渣柱对熔滴的行为发生重要的影响，其影响首先是熔滴附着在渣柱的周围，降低了熔滴的界面张力，在一定程度上减小熔滴尺寸；另外，熔滴金属与渣充分接触与融合过程中进行的冶金作用赋予金属熔滴更具本质特征的电弧物理特性，导致其不同渣系焊丝冶金性能与工艺性能的明显不同。至于在熔滴过渡过程中，熔滴是否附着于渣柱，渣柱对熔滴过渡产生怎样的直接影响，则是有随机性的，两种不同的情况都可能出现，有时候表现为熔滴依附于渣柱向熔池过渡，更多的情况是金属熔滴偏离焊丝中心线，与滞熔的渣柱分离，两者分别进行过渡。

图5-53 药芯焊丝CO₂气体保护焊金属熔滴与渣柱相互作用的实例

焊丝样品：15DW10004.05.21，φ1.2mm；焊接参数：31V/210A；拍摄速度：2000f/s。

当熔滴依附于渣柱进行过渡时，渣柱对熔滴的过渡起着引导作用，它使得熔滴在过渡过程中不太偏离焊丝的中心线，顺着渣柱滑落进入熔池，增加熔滴过渡的频率，提高焊接过程的稳定性，也减少熔滴飞溅的机会。当然这是排斥过渡时理想的情况，实际上出现这种情况的概率不是非常大。

细颗粒过渡时，在强大电磁收缩力的作用下，熔滴被排斥力推向焊丝一侧的情况明显减少，很多情况是熔滴沿焊丝中心线向熔池过渡，这时熔滴依附在渣柱表面，熔渣在一定程度上降低了熔滴的表面张力并细化了熔滴，同时对熔滴的过渡起着导向的作用。这时由于熔滴处于中心线的位置，与渣柱是彼此相融合的，在高速摄影照片上很难把两者区分开。熔滴依附于渣柱与熔渣一同过渡到熔池，即所谓的附渣过渡^[26，27]。

参考文献[28]的作者在研究用碳钢带制造的CO₂气体保护焊SQA102不锈钢药芯焊丝的熔滴过渡形态时发现，这种焊丝端部熔滴具有由碳钢外皮组成的外部熔滴和由药芯成分组成的内部熔滴分别进行过渡的复合过渡的模式。作者认为文献中提到的熔滴复合过渡的模式与图5-51中熔滴与熔渣滴分别进行过渡的行为在形式上很相似，但本质上有所不同，SQA102不锈钢药芯焊丝的药芯中加入了多量的合金粉，药芯中的非金属成分很少，只占18%，显然文献中所说的由药芯成分构成的内部熔滴主要不是熔渣滴而是金属，而图5-51中的焊丝样品是普通钛系的药芯焊丝，药芯主要成分是在焊接时形成的熔渣。

图5-54是这种不锈钢药芯焊丝进行复合过渡的高速摄影照片，可看出在第3、4帧照片发生外部熔滴的过渡，接着在第5～7帧又进行内部熔滴的过渡。通过对高速摄影照片分析发现该样品在本试验条件下，钢皮形成的外部熔滴的过渡频率为25.4s^-1，而药芯形成的内部熔滴过渡频率比外部熔滴要大得多，但具体的数据很难进行统计。

图5-54 药芯焊丝进行复合过渡时的高速摄影照片（一）

焊丝样品：TFW309，φ1.6mm；焊接参数：28.5V/190A；拍摄速度：2000f/s。

药芯中存在多量合金粉与渣共同组成的内部熔滴或液柱，较容易地对钢皮形成的外部熔滴的过渡起到引导作用。图5-55是另一组这种不锈钢药芯焊丝熔滴过渡的高速摄影照片，图中第4～6帧照片进行了外部熔滴的过渡，这时看到渣柱对外部熔滴良好的导向作用，当外部的熔滴依附在渣柱进行过渡时，渣柱中合金成分显然应该与外部的熔滴的合金成分相融合，实现过渡；第5、6帧照片看到的渣柱应该是药芯中造渣成分形成的渣柱；接下来看到第7～12帧照片形成了渣滴和熔渣的飞溅。

图5-55 药芯焊丝进行复合过渡时的高速摄影照片（二）

焊丝样品：TFW309，φ1.6mm；焊接参数：28.5V/190A；拍摄速度：2000f/s。

含有多量合金粉的内部熔滴与外部金属熔滴很容易相互融合，合并形成一个熔滴后进行过渡。有的文献也曾经提到关于渣滴基本上与金属熔滴融为一体的概念。图5-56是同一焊丝的另一组高速摄影照片，显示了内外熔滴相互融合形成一个熔滴的情形。在照片中看到，第1～3帧照片焊丝端部的大熔滴进行过渡，然后焊丝一侧的熔滴与药芯形成的内部熔滴两者合并（第4、5帧照片），并进行过渡（第6、7帧照片）。无论是药芯成分形成的液柱（包括合金成分和熔渣）对钢皮形成的外部熔滴的过渡发挥了明显的引导作用，还是药芯形成的内部熔滴与钢皮形成的外部熔滴融合成为一个熔滴，其结果不仅使得外部熔滴在焊丝一侧的停留时间缩短，提高了熔滴的过渡频率，而且减少了外部熔滴的偏离程度，有利于焊接过程的稳定。药芯中加入多量合金粉的不锈钢焊丝所表现的熔滴行为特征，可以解释金属粉型的药芯焊丝具有优良焊接工艺性的重要原因。

图5-56 含有多量合金粉的药芯焊丝熔滴过渡时的高速摄影照片

焊丝样品：TFW309，φ1.6mm；焊接参数：28.5V/140A；拍摄速度：2000f/s。

可以想象，含有多量合金粉的药芯焊丝具有一定的导电性，对熔滴和电弧行为都会产生影响，由于药芯的导电性使电弧不完全依附于外层的钢皮，减少了电弧的偏斜程度，提高了电弧稳定性。图5-57所示为一个药芯焊丝渣柱表现导电功能的例证，由图看出，第1～3帧照片中电弧在焊丝及熔滴底部燃烧，但在第4帧照片显示，当熔滴已脱离焊丝后仅与渣柱相连时，电弧斑点仍处于熔滴上，说明电流通过渣柱与已下落的熔滴相连，使得焊丝、渣柱、熔滴、电弧之间形成导电通道，直至第5帧照片电弧也没完全移开熔滴。这个例子表明，熔滴是导体，而渣柱也同样具有导电功能。

图5-57 表现熔渣具有导电行为的高速摄影照片

焊丝样品：YC507碱性药芯焊丝，φ1.6mm；焊接参数：25.4V/52dm/min；保护气体：80%Ar+20%CO₂；拍摄速度：2000f/s。

药芯焊丝CO2气体保护焊中渣柱对熔滴过渡的影响

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