南京航空航天大学
硕士学位论文
碱性渣系混合气体保护药芯焊丝焊接工艺性能的研究
姓名：张平
申请学位级别：硕士
专业：材料加工工程
指导教师：刘仁培
20080301
南京航空航天大学硕士学位论文
摘 要
药芯焊丝是近几年来发展最快、最有吸引力的新型焊接材料。为改善和提高碱性渣系药芯焊丝的焊接工艺性能，本文对己有的普通碱性渣系进行了改进，研制了一种碱性MgO-氟化物-SiO2-TiO2渣系的混合气体保护药芯焊丝。围绕渣系组分对药芯焊丝熔滴过渡行为、焊接电弧稳定性、熔渣覆盖及脱渣性等方面的影响进行了系统的研究和探讨。
通过高速摄影观察熔滴过渡过程、水中收集熔滴和焊接飞溅测试等方法，研究了渣系组分对焊丝熔滴过渡行为以及焊接飞溅的影响。结果表明：当MgO含量小于25%时，熔滴颗粒相对细小，沿着焊丝轴向平稳过渡，焊接飞溅较小。用一部分氟硅酸钠代替萤石时，可以细化熔滴，降低飞溅。但是氟硅酸钠的含量超过12%以上时，又会使得焊接飞溅增大。
通过与焊机相匹配的Lookout Weldoffice2000软件同步测试焊接过程的电弧电压和焊接电流数据，生成电弧电压、焊接电流波形图；同时结合高速摄影观察电弧的形态，研究了渣系组分对焊接电弧稳定性的影响。结果表明：当MgO为22%左右，CaF2为6%、Na2SiF6为9%时，焊接电弧稳定性较好。
通过熔渣覆盖性评定及落球脱渣性试验研究了渣系组分对渣覆盖及脱渣性的影响，并建立了脱渣率的数学模型。结果表明：当MgO含量22%~25%左右，SiO2含量5%~7%左右，氟化物含量15%左右，TiO2含量13%~15%左右时，焊缝熔渣覆盖良好，脱渣性好。此外，分析了熔渣微观组织结构、内表面形貌和断口特征对焊缝脱渣性的影响。结果表明：当熔渣的组织粗大，第二相为方向性较强的条带状，熔渣结构密实时，脱渣性较好；反之，脱渣性较差。
最后，本文得出了具有较好焊接工艺性能的药芯焊丝渣系主要成分配比为：MgO(22%~25%)-CaF2+Na2SiF6(15%)-SiO2(5%~7%)-TiO2(15%)。
关键词: 药芯焊丝，焊接工艺性能，熔滴过渡，电弧稳定性，脱渣性
I
碱性渣系混合气体保护药芯焊丝焊接工艺性能的研究
ABSTRACT
Flux cored wires are the most attractive new welding materials with the fastest developing speed in recent years. In order to improve the welding operation performance of basic flux cored wire, the paper has modified the present slag system and developed a new slag system for mixture gas-shielded flux cored wire, i.e. MgO-fluoride-SiO2-TiO2 slag system. The paper has carried on systematic research and discussion around slag system composition influences on droplet transfer formations, welding arc stability, slag covering ability and detachability of the flux cored wire.
The effects of slag system composition on droplet transfer formations of flux cored wire and welding spatter were investigated by high-speed photography, by collecting droplets in a water through and test of spatter. The results showed that when MgO was less than 25%, the droplet transfer was steady with relatively small molten droplets and welding spatter was smaller too. Replacing a part of CaF2 with Na2SiF6 could reduce welding spatter with thinning molten drops. But when the Na2SiF6 was more than 12%, it would increase the welding spatter.
The arc voltage and welding current was recorded synchronous with the software Lookout Weldoffice2000 which matched with the welding machine, and then the arc voltage and welding electric current oscillogram were produced according these data. At the same time, the electric arc shape could be observed through the high-speed photography. The effects of slag system composition on welding arc stability of the flux cored wire were therefore studied. The results showed that when MgO was about 22%, CaF2 was 6% and Na2SiF6 was 9%, the welding arc stability was well.
The paper has investigated the slag system composition influences on slag covering ability and slag detachability by slag covering ability evaluating and slag detachability testing, and established slag detachability mathematical model. The results showed that when the contents of MgO was 22%~25%, SiO2 was5%~7%, fluoride was about 15% and TiO2 was 13%~15%, the slag was covered well and it was easy to take off. In addition, the paper has analyzed the microstructures of slag, the inner surface structure of slag and the characteristic of slag fracture. The results showed that it was benefit for the slag detachability when the microstructure of slag II
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was coarse, the second phase of microstructure presented strip-shaped distribution, and the slag structure was compact, and, contrariwise, the slag
detachability became worse.
Finally, the paper has acquired the slag system composition for the flux cored wire with favorable welding operation performance, i.e. MgO was 22%~25%, CaF2 and Na2SiF6 were15%, SiO2 was 5%~7% and TiO2 was about 15%.
Key words: Flux cored wire, Welding operation performance, Droplet transfer,
Arc stability, Slag detachability
III
碱性渣系混合气体保护药芯焊丝焊接工艺性能的研究
图 表 清 单
图清单
图1.1 药芯焊丝的截面形状.....................................................................................2
图1.2 成品药芯焊丝.................................................................................................2
图1.3 日本各行业焊接材料使用情况.....................................................................4
图2.1 药芯焊丝的生产工艺流程...........................................................................17
图2.2 药芯焊丝的生产设备...................................................................................18
图2.3 Fronius 数字焊机.........................................................................................18
图2.4 混合气体输出配比器...................................................................................18
图2.5 高速摄影装置及示意图...............................................................................19
图2.6 溶滴收集试验示意图...................................................................................20
图2.7 飞溅收集试验示意图...................................................................................21
图2.8 电弧电压、电流波形测试装置示意图.......................................................22
图2.9 渣覆盖试验示意图.......................................................................................22
图2.10 脱渣性试验设备示意图.............................................................................23
图3.1 不同MgO含量时的熔滴过渡形态.........................................................................25
图3.2 不同MgO含量时的熔滴颗粒.................................................................................25
图3.3 不同MgO含量时焊接飞溅实物图.........................................................................26
图3.4 MgO含量对飞溅率的影响......................................................................................27
图3.5 不同萤石含量时的熔滴颗粒...................................................................................29
图3.6 氟化物含量不同时试板上残留飞溅的实物照片....................................................31
图3.7 飞溅形成过程高速摄影...........................................................................................32
图3.8 不同金红石含量时熔滴过渡形态...........................................................................33
表清单
表2.1 钢带的化学成分...........................................................................................16
表2.2 焊接工艺参数...............................................................................................18
表3.1 MgO对熔滴质量比的影响..........................................................................24
表3.2 飞溅率试验数据...........................................................................................26 表3.3 CaF2对熔滴质量比的影响...........................................................................28
表3.4 氟化物对焊接飞溅的影响...........................................................................30
表3.5 金红石与萤石之比对熔滴过渡和飞溅的影响...........................................32
表5.1 渣系组分对渣覆盖性的影响.......................................................................45
表5.2 渣系组分对脱渣性的影响...........................................................................48
表5.3 焊丝熔渣成分...............................................................................................49 VI
承诺书
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第一章 绪论
1.1 引言
焊接技术是现代工业高质量、高效率制造技术中一种不可缺少的加工工艺。近半个多世纪以来，焊接技术发生了很大的变化，为提高生产效率、缩短生产周期和降低成本，焊接技术正向着自动化、精密化的方向不断快速的发展[1]。焊接技术的发展基本是焊接材料和焊接方法的发展相辅相成，互相促进，又互相制约的过程。自从1881年俄国发明家贝纳尔多斯发明了利用碳棒电极进行电弧焊接的方法以来，人类对焊接材料的研制一直在进行中。焊接材料从光焊条到薄药皮焊条、埋弧焊丝、气体保护焊丝到今天的药芯焊丝，经过了长期的发展，每种新材料的出现都使得焊接技术的发展产生了一个新的飞跃。目前、药芯焊丝是熔化焊接材料的最新形式，是一种跨世纪的新型焊接材料，几年来在世界各国都得到了广泛的应用，具有广阔的发展前景[2,3]。
1.2 药芯焊丝的特点、国内外发展概况
1.2.1 药芯焊丝的特点
药芯焊丝是由薄钢带卷成圆形钢管或异形钢管的同时，填满一定成分的药芯粉后经拉制而成的一种焊丝。药芯粉所起作用和涂料焊条的药皮相似，具有：稳定电弧、脱氧、脱氮、脱硫、保护熔滴和熔池免受空气的氧化、氮化、添加合金元素、改善接头力学性能以及辅助焊缝成形等作用。图1.1列出了常用药芯焊丝的几种截面结构，图1.2为成品的药芯焊丝。一般而言，药芯焊丝的截面形状越复杂、越对称、药芯粉的冶金反应和保护作用
越充分，熔敷金属含氢、氮量就越少。但是随着药芯焊丝直径的减小，这些差别将逐渐缩小。当直径减小到1.6mm时，不同截面形状药芯焊丝的冶金性能及电弧稳定性能等，基本趋于一致。所以，目前直径2.0mm以下的焊丝一般采用简单的“O”型截面。 1
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图1.1 药芯焊丝的截面形状
图1.2 成品药芯焊丝
药芯焊丝几乎具有其它熔焊材料所有的优点，且其优良的综合使用性能和熔敷金属力学性能是其它焊接材料难以匹敌的[4]。研究和使用效果表明，药芯焊丝具有以下优点：(1) 具有良好的焊接工艺性能；(2) 具有良好的化学冶金性能，熔敷金属力学性能高，抗气孔、抗裂纹能力强；(3) 实现自动化焊接程度好；(4) 能比较方便地调制成各种类型的金属焊接材料；(5) 用途广，不仅用于连接，也可用于表面防护，还可以用于各种金属快速成形的填充材料等。
药芯焊丝与手工焊条相比具有十分明显的优势。首先，把断续的焊接过程变为连续的
生产方式，它在焊接时不需更换焊条，从而减少了接头数目，节约更换焊条、引弧和收弧等辅助工序时间，可进行自动化和半自动化作业[5,6]；其次，药芯焊丝熔敷效率高，并且飞溅小，提高了焊缝质量和生产效率；此外，由于药芯焊丝焊接电流密度大，电弧穿透力强，而人工工时费低，因而电能消耗也比手工焊条减少许多[7]。
药芯焊丝与实芯焊丝相比其优势主要有：第一，操作工艺性能优良。药芯焊丝在药芯组分中加入了稳弧剂、造渣剂、合金剂等，因此电弧燃烧稳定，熔滴过渡平稳，飞溅大为减少，克服了实芯焊丝飞溅大、成形差的固有弊病。第二，药芯焊丝焊缝成形美观。药芯焊丝焊接过程有熔渣的辅助作用，熔融金属2
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依靠渣的表面张力生成一个软的铸型，有利于焊缝金属的成型。而实芯焊丝无法依靠渣的作用，只依靠熔融金属自身的粘性，重量和表面张力形成焊缝，故实芯焊丝焊缝波纹较粗，余高较大。第三，药芯焊丝焊缝力学性能好，尤其是冲击韧性高，可用于许多重要的焊接结构。药芯焊丝焊接过程是气–渣联合保护，焊缝的纯净度高，S、P、N、H、O含量低，同时药芯焊丝可通过钢皮和药芯两种途径过渡合金元素，合金系调整方便，可充分利用现有焊接冶金理论，获得优良的力学性能。第四，药芯焊丝品种较多。目前，药芯焊丝的品种已包括了各种常用的金属材料，如低碳低合金钢系列、不锈钢系列、耐热钢系列、堆焊合金系列等[8]。
1.2.2 国外药芯焊丝的使用及研究概况
目前，在美国、日本、欧洲等经济发达国家，药芯焊丝被广泛地用于造船和海洋结构、建筑和桥梁、机车车辆、石油化工、锅炉与压力容器、重型机械等多种行业。近年来国外对于药芯焊丝的研究使用主要集中在以下一些方面：
1. 开发多品种、适用性强的药芯焊丝[9]
现在美国的药芯焊丝占焊接材料总产量的40%左右。药芯焊丝品种齐全达75种，其中林肯(LINCOLN)公司的产品多达50余种，包括通用药芯焊丝(牌号utershield)、低合金药芯焊丝(牌号LAC)、自保护药芯焊丝(牌号NR)和堆焊药
AWS 芯焊丝(牌号LinCORE)等。美国共有四个药芯焊丝电弧填充材料规程[10-13]：
A5. 22《铬及铬镍耐腐蚀药芯焊丝》；AWS A5. 20《碳钢药芯焊丝》；AWS A5. 26《碳钢和低合金高强钢电力焊药芯焊丝》；AWS A5. 29《低合金钢药芯焊丝》。
日本共有药芯焊丝80余种，神钢公司的产品达50种之多，其焊丝牌号一般以“DW”、“MX”、“OW”开头。气体保护药芯焊丝的品种齐全，适用于各种级别钢种、各种板厚、各种接头形式的焊接，可用于平焊、立焊、横焊和全位置焊接。图1.3为日本各行业中使用焊接材料的比例。
欧洲和前苏联药芯焊丝发展较早，70年代开始应用。前苏联1986年药芯焊丝产量约1.8万吨，占焊材总量3%，但品种齐全达73种。瑞士共有57种，其中奥利康公司的
气体保护药芯焊丝有26种，以碱性渣系为主，牌号均以“Fluxofil”开头。其中Fluxofi1 31气体保护碱性渣系药芯焊丝具有全位置焊接的性能，适用于焊接含碳量高的钢种。
3
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图1.3 日本各产业焊接材料使用情况
2. 研制与开发低飞溅、抗气孔和全位置的药芯焊丝
在减少飞溅方面，研究表明，减少渣量可使药芯焊丝的飞溅比一般钛型药芯焊丝的低34%~40%，同时还能减少清除喷嘴的作业时间。赫伯特公司(Hobart brasher L.Co.)产的Fabco90 (AWSE70T-l焊丝)使用中发现焊接飞溅极小，无需清理焊嘴，焊接速度可达到8.5mm/s。在抗气孔性能方面，用于涂层钢的金属型药芯焊丝(MX-200型)比一般钛型药芯焊丝好得多，在相同焊接条件下MX-200型焊丝焊接气孔发生率要比一般焊丝降低60%左右[14]。在全位置焊接方面，要求在立向上和仰焊时熔渣能托住铁水，保证良好成型，特别是对于垂直角焊立向上的焊接，采用一般的药芯焊丝很难实现。日本新研制的DW-100V就能成功地解决这一问题。日本神钢的SG-2自动垂直焊机和DWS-43G CO2气保护药芯焊丝，用于12mm~30mm厚钢板的立焊，可一次成形，生产效率比手工电弧焊提高5倍以上。德国梅萨公司用F35药芯焊丝堆焊Cr-Ni-Mn过渡层，用F46药芯焊丝堆焊Cr-Mo-Mn耐磨层修复水泥磨盘，只用7000马克替代了更换新部件所需的4万马克开支。
3. 焊接低温钢用的药芯焊丝
由于一般钛型药芯焊丝的焊缝含有较多的H2、O2及杂质，因此冲击韧性低，不宜用于重要焊接结构。在不改变渣系的条件下，神钢公司利用微合金化及原材料预先处理，开发出DW-55LSR 药芯焊丝。该药芯焊丝的冲击韧性比以往的提高许多，这样就打破了低温钢焊接长期使用手工焊条及实芯焊丝的垄断局面，4
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开辟了药芯焊丝的新用途，这是一项重大改革。
4. 用于中、薄板的小脚角焊缝的药芯焊丝
工程上有许多中、薄板焊接结构(2mm~5mm)，如船体的隔舱、车辆侧壁等，为此在TiO2的基础上，加入少量速凝剂，开发了一种新渣系的药芯焊丝，它适用于中、薄板的小脚长角焊缝。对于薄板来讲，由于焊脚短，焊接变形很小，可大大降低整个工程矫形的工时及成本。
此外，国外的科研人员还致力于药芯焊丝制造技术的改进，追求高效率、高质量和低成本[15]。研究的重点是提高生产质量及能力控制系统，包括在线质检系统和入料检测筛选系统等。
1.2.3 我国药芯焊丝的发展过程
我国从60年代后期开始研制药芯焊丝，大规模的应用始于宝山钢铁公司的建设。现已用于冶金工程、船舶制造、输油及输气管线、机械制造行业、能源化工行业、压力容器制造和桥梁业等领域。例如在宝山钢铁公司的建设中，7万根钢管桩，每根钢管需焊接4道环缝，共计6.8万条焊缝；在300t转炉车间框架结构中的双H立柱，以及烧结分厂总重达2500t的200m烟囱焊接中都使用了药芯焊丝。武钢3号高炉炉壳直径为17m，板厚65m，采用直径2.0mm和直径2.4mm药芯焊丝焊接，总计耗时24~26h，比焊条电弧焊约快3倍。在造船行业中，由于船舶的制造要求很高，同时为尽量减少船台的占用时间，焊接材料中药芯焊丝的使用效率不断地得到提高，极大的提高了焊工日均消耗的焊材数量，进一步降低了造船成本，缩短了造船周期。在能源及化工建设方面是药芯焊丝应用的又一个重要领域。“西气东输”4000km管线工程中，药芯焊丝的应用得到了很大的发挥，使得焊材费用、焊接工时等得到了很大的节约。
综观几十年来我国药芯焊丝的发展，走了一条曲折上升的道路，大体经历了以下几个阶段:
第一阶段从60年代后期到80年代中期，为研究探索和试制阶段。
第二阶段从80年代中期到1996年，先后有12个单位从国外引进了15条药芯焊丝生产线，共花费约一千万美元。但是，由于体制上的原因，不少引进带有盲目性，引进的设备并不是国外的先进设备，难以正常运转。同时由于技术、资金分散，形不成综合能力，焊丝产量较低[16]。
第三阶段为1997~2000年，是我国药芯焊丝生产和使用的稳步发展阶段。1997年的全国药芯焊丝消费量约5000t，其中国产药芯焊丝约1000t，进口约4 5
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000t。1998年全国药芯焊丝消费量约6000t左右，其中国产约1500t，进口约4000t(从日本进口2938t)。1999年全国药芯焊丝消费量近8000t，其中国产药芯焊丝首次超过2500t，进口超过5000t。
第四阶段从2001年开始，我国药芯焊丝的使用进人稳步增长阶段，2002年我国国产药芯焊丝的产量突破了18000t，超过了进口药芯焊丝产量，到2005年我国药芯焊丝的消费量达到了2~3万吨。我国药芯焊丝的产量在不断增加，这意味着我国工业发展对药芯焊丝的需求及药芯焊丝的生产能力在不断增加。
1.2.4 我国药芯焊丝发展现存的问题
我国焊材的生产总体上是与钢材同步增长的，近年来产量不断增加，据统计数据显示我国是世界最大的焊材生产与消费国家。但我国生产的焊材一直以手工焊条为主，自动化程度相对于世界工业发达国家还相对较低[17]。我国焊材产业与工业发达国家之间的差距
已经不在产量上，而是在整体素质和科研水平上[18]。药芯焊丝的研究是满足高效、自动化焊接的需要，发展节能环保焊接的需要，适应新材料技术发展的需要。从总体上看，落后的手工电弧焊在我国仍占主导地位，焊接的机械化、自动化率较低，药芯焊丝的普及率不高。我国药芯焊丝目前主要存在以下几方面的问题：
1. 产品质量及稳定性有待进一步提高。虽然我国药芯焊丝的生产技术己经有了较大的突破，但产品在耐凹坑、耐气孔、降低烟尘、减少飞溅及提高产品质量稳定性等方面仍然有许多工作要做。
2. 产品品种和规格急待增加。目前我国药芯焊丝产品的品种较单一，产品规格也不齐全，不能适应各个行业的不同需要，急需增加适应不同需求的品种和规格。
3. 生产规模化程度应进一步扩大。产品生产规模小，将会造成产品成本居高不下、产品质量稳定性差等许多问题，只有达到一定的生产规模，才会进入良性循环。
由此可见，加强对药芯焊丝的研究，对提高我国焊材业的发展、加快焊接自动化的发展是有着重要意义的。
1.3 药芯焊丝的焊接工艺性能
通常对焊接工艺性能的评定主要包括以下方面：焊接电弧稳定性、熔滴过渡行为、焊接飞溅大小、熔渣的覆盖性及脱渣性、焊缝成形情况等。焊接过程6
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中，这些方面又是相互关联和相互影响的。如熔滴过渡行为对焊接电弧稳定性以及焊接飞溅有着重要的影响，熔渣覆盖的好坏对焊缝脱渣及焊缝成型有影响。
1.3.1 熔滴过渡及其机理
熔滴过渡是弧焊过程中重要的电弧物理现象[19]，它不仅影响焊丝的工艺性能，而且对焊接化学冶金、焊缝成型和焊缝的性能都产生重要的影响[20,21]。
在电弧力的作用下，焊丝端头的熔化金属形成熔滴，受到各种力的作用向母材过渡，称为熔滴过渡[22]。研究表明，药芯焊丝钢皮的导电性要强于药芯的导电性，焊接过程中钢皮首先熔化，药芯跟随熔化，但药芯的熔化速度往往跟不上钢皮的熔化速度，这将产生药芯焊丝焊接过程中特有的现象–滞熔现象。所以与焊条和实芯焊丝相比，药芯焊丝熔滴过渡存在其自身的特点：(1) 药芯焊丝端部与熔池之间始终有半熔化状态的渣柱存在，熔滴粘着于渣柱之上，以附渣的状态进行过渡，这对减少飞溅大有益处[23]。(2) 药芯焊丝的药芯包在金属外皮里面，焊接时，电弧和熔滴首先在钢皮的个别部位形成，熔化药芯的热主要是通过热传导进行的。
目前，国内外大多数学者普遍采用高速摄影观察和电弧信号参数检测的方法[23-25]来研究焊丝熔滴过渡的行为。高速摄影机的摄影频率较高，能够完整的拍摄熔滴过渡每个周期内的细微过渡行为以及电弧形态的变化。通过多个周期图像信息的综合，可以定性的分析熔滴过渡的形态、过渡的路径以及熔滴颗粒的大小。与传统光学感光胶片摄影技术相比，用高速摄影技术研究电弧形态与熔滴过渡有以下优势：(1) 拍摄方式可灵活选择；(2) 记录信息量大；(3) 被记录的信息可直接显示、取舍，且易于在电脑上编辑处理；(4) 大大
缩短了试验周期；(5) 试验成本大幅度降低。
德国汉诺威大学研制的焊接质量分析仪也是一种研究熔滴过渡行为的好方法。它通过对焊接过程电弧电压和焊接电流信号大量的取点，然后生成电弧电压、焊接电流、熔滴过渡时间、燃弧时间、短路周期等概率密度分布图，可准确描述焊接过程中电弧电压和焊接电流的随机变化，能够很好的预测熔滴过渡的形态[26,27]。目前该方法已在国内外得到广泛的应用。
目前，关于气体保护药芯焊丝熔滴过渡行为主要有三种观点。第一，气体保护药芯焊丝的熔滴过渡形式可简单分为：短路过渡、大颗粒过渡和细颗粒过渡[28,29]。这种观点是侧重考虑熔滴过渡颗粒的大小以及是否存在短路现象而分类的。第二，气体保护药芯焊丝熔滴过渡形式可分为：排斥过渡，细颗粒短路 7
碱性渣系混合气体保护药芯焊丝焊接工艺性能的研究
过渡和滴状过渡[30]，其中排斥过渡又可分为大角度排斥过渡和小角度排斥过渡两种。这种分类方式不仅考虑了熔滴颗粒的大小以及是否存在短路现象，而且还考虑了熔滴过渡时的非轴向特征。第三，药芯焊丝熔滴过渡形式可细分为：大滴排斥过渡，细颗粒过渡，射滴过渡，射流过渡和短路过渡等多种形态[31]。这种观点不仅考虑了熔滴颗粒的大小、是否存在短路以及熔滴过渡的非轴向特征，还进一步考虑了熔滴过渡的频率。
熔滴过渡机理的研究一般基于两种理论：静态平衡力理论和缩颈力不稳定理论[32-34]。
静态平衡理论认为，当熔滴所受的静态剥离力大于静态保持力时，熔滴从焊丝端头剥离。通常焊丝端头熔滴受四种力的作用，它们是重力、电磁力、等离子流力和表面张力。其中，重力、电磁力、等离子流力是剥离力，表面张力是维持力。焊接过程中，作用于熔滴上的这些力的大小受多种因素的影响。焊接电流较小时，重力、等离子流力是促进熔滴过渡的主导力。在该焊接条件下，熔滴较大，以大颗粒过渡或排斥形态过渡；焊接电流较大时，作用于熔滴上的电磁力及等离子流力逐渐增大，成为促使熔滴过渡的主导力。在这种焊接条件下，熔滴颗粒相对细小。上述解释与实际焊接过程相符。
缩颈力不稳定理论认为，同相电流通过熔融的金属液柱时会产生电磁收缩力，该力是使金属液柱破碎成熔滴的主导力。随着焊接电流的增加，电磁收缩力增加，因此，熔滴颗粒减小。可见。缩颈力不平衡理论解释了随电流增大而熔滴尺寸减小的原因。
以上关于熔滴过渡行为的研究成果为本文研究碱性渣系药芯焊丝的焊接工艺性能提供了很好的参考，也为本文研究渣系组分对熔滴过渡行为的影响、获得稳定的熔滴过渡过程提供了理论依据。
1.3.2 焊接飞溅
焊接过程中，大部分焊丝熔化金属会过渡到熔池当中，但也有一部分焊丝熔化金属可能飞向熔池之外而形成飞溅。飞溅是衡量药芯焊丝工艺性能的重要指标之一，飞溅的危害主要体现在：降低焊接熔敷效率；飞溅物易粘附在焊件上，影响焊接质量；使焊接熔池不稳定，焊缝外形较为粗糙等。
飞溅的大小和焊丝熔滴过渡行为、焊接工艺参数、电源特性等因素有关。许多学者[27,30,32]对飞溅产生的原因进行了深入的研究，获得了以下结论：
1. 短路过渡时产生的飞溅
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当焊接电流、电压较小时，熔滴过渡一般为短路过渡。熔滴与熔池接触，由熔滴把焊丝与熔池连接起来，形成液体小桥。此时接触面积小，电阻和电流较大，由于短路电流急剧增加，使缩颈小桥金属迅速的加热，熔滴受电磁力过大，熔滴被迅速排斥出熔池，形成飞溅。同时由于引燃电弧对熔池产生一定的冲击力，也会引起飞溅。
2. 大颗粒过渡时产生的飞溅
当焊接电流较小，电压较高时，熔滴过渡一般为大颗粒过渡。熔滴在斑点压力等作用下可能上挠，并偏离焊丝轴向过渡，易产生大颗粒飞溅。
3. 细颗粒过渡时产生的飞溅
当焊接电流较大，电压较高时，熔滴过渡形式将变为细颗粒过渡。这种情况下飞溅较少，主要产生在熔滴与焊丝之间的缩颈处，该处通过的电流密度较大使金属过热而爆断，形成颗粒细小的飞溅。
还有其它一些原因同样会引起药芯焊丝焊接过程中的飞溅，如：溶入熔池或熔滴的CO2气体体积膨胀、爆炸，会造成金属飞溅；药粉中含有水分时飞溅率会大大增加；焊丝成分中随着氟化物含量的增加，飞溅变大；保护气体流量过大时，保护气体的紊流度增大，增加飞溅倾向；保护气体流量过小时，对熔滴的保护作用降低，飞溅亦增加。
总的说来，飞溅的产生主要是受熔滴过渡的影响。熔滴颗粒细小，过渡稳定时焊接飞溅较小；熔滴颗粒粗大，过渡稳定性差时焊接飞溅较大。因此通常情况下，焊接飞溅的研究与熔滴过渡形式的研究是分不开的。
1.3.3 焊接电弧稳定性
药芯焊丝电弧燃烧是一个复杂的电弧物理和化学冶金过程。所谓电弧稳定状态，是指在边界条件不变时，电弧中所进行的电、热物理及化学冶金过程均处于相对平衡状态。
影响药芯焊丝焊接电弧稳定性的因素很多，对于气体保护药芯焊丝，影响焊接电弧稳定性的因素主要有:
1. 渣系中的氟化物 氟化物在焊接电弧高温的作用下分解放出F，易与电弧气氛中自由电子结合形成氟离子F-。减少电弧气氛中的自由电子，降低电弧的导电性，使焊接电弧的稳定性变差。
2. 渣系中的碱金属氧化物 碱性氧化物能增加熔滴和熔渣的表面张力，粗化熔滴，使熔滴呈大颗粒过渡，导致焊接电弧的稳定性下降。
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碱性渣系混合气体保护药芯焊丝焊接工艺性能的研究
3. 粉芯的熔点 熔点过高时，药芯的熔化严重滞后焊丝钢带的熔化，使药芯呈块状脱落，同样会引起焊接电弧稳定性的下降。
4. 气体介质 气体介质对电弧稳定性的影响主要由它的电、热物理性质决定的。一般说来，随着气体介质的电离电位、热导率和电负性值的增大，电弧稳定性变差。
5. 焊丝的填充率 在细焊丝条件下，适度减小填充率，有利于熔滴细化，电弧稳定性改善。但填充率过小时，药芯粉含量太少，不能发挥应有的冶金作用，电弧稳定性反而变差。
6. 焊接电流 随焊接电流的增大，熔滴被强烈细化，提高了稳弧性。但过大的焊接电流也会恶化焊丝的工艺质量，如增大出现压坑、气孔的倾向。
7. 电弧电压 随电弧电压增大，电弧长度变长，熔滴排斥过渡的倾向增大，电弧稳定性变差，飞溅产生量增多，合金元素的氧化损耗增大，在保护气体不充足时还易产生气孔。相反，电弧电压过低时，电弧长度过短，使得焊接电弧不稳定。
1.3.4 熔渣的覆盖性
药芯焊丝的熔渣主要有以下作用：
机械保护作用。焊接时形成的熔渣覆盖在熔滴和熔池的表面上，把液态金属与空气隔开，防止液态金属的氧化和氮化。熔渣凝固后形成的渣壳覆盖在焊缝上，可以防止处于高温的焊缝金属受空气的有害作用。
改善工艺性能的作用。良好的焊接工艺性能是保证焊接化学冶金过程顺利进行的前提。在熔渣中加入适当的物质可使电弧容易引燃、稳定燃烧、减少飞溅，保证具有良好的操作性、脱渣性和焊缝成型等。
冶金处理的作用。熔渣和液体金属能发生一系列的反应，从而对焊缝金属的成分给予很大的影响。在一定条件下熔渣可以去除焊缝中的有害杂质，如脱氧、脱硫、脱磷、去氢，还可以使焊缝金属合金化。总之，通过控制熔渣的成分和性能，可以在很大程度上调整和控制焊缝金属的成分和性能。
可以看出，熔渣覆盖性的好坏对于气体保护药芯焊丝焊接工艺性能有着重要的影响，而熔渣覆盖性主要受以下几个因素的影响。
1. 熔渣的粘度
粘度是熔渣的主要物理性质之一，它代表熔渣内部相对运动时各层之间产生的摩擦力。在焊缝冷却过程中，如果熔渣的粘度太高，那么熔化的渣无法及10
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时的铺展开来覆盖住焊缝，会产生压铁水现象，使焊缝表面凹凸不平。如果粘度太
低，即熔渣太稀，全流淌在焊缝的两侧，也无法保护焊缝。因此，焊渣必需具有合适的粘度才具有良好的覆盖性，才能很好的保护焊缝。
2. 熔渣的熔点
焊接熔渣是一个多元体系，它的固液转变是在一定温度区间进行的，常把固态熔渣开始熔化的温度称为熔渣的熔点。熔渣的熔点是影响焊接工艺性能和质量的重要因素之一，因此，要求熔渣的熔点与母材和焊丝相匹配。熔点太高，熔渣凝固的太早，无法铺展；熔点太低，凝固时间长，无法很好的保护焊缝。
其它因素，如熔渣的表面张力和界面张力等，也对熔渣的覆盖性有影响。主要是改变熔渣向金属表面的润湿扩展，而影响其覆盖性。
1.3.5 焊缝脱渣性
脱渣性即去除焊缝表面所覆盖的凝固状态的焊渣的难易程度。药芯焊丝的脱渣性是衡量焊丝工艺性能的重要指标。脱渣困难不仅增加了焊工的劳动强度，降低了生产效率，同时由于清渣不净而造成焊缝夹渣。因此，改善脱渣性对于降低焊缝夹渣的可能性，提高生产效率，减轻工人的劳动强度都有重要意义。药芯的化学成分决定了熔渣的脱渣性，因为药芯的化学组成对熔渣的微观组织和熔渣的物化性质有较大的影响。因此在脱渣性的深入研究中，人们己经开始注意到脱渣性和熔渣微观结构的关系。
1.4 药芯焊丝渣系与焊接性能
1.4.1 药芯焊丝渣系的类型与性能特点
前已述及，药芯焊丝焊接过程是气–渣联合保护，适宜的渣系对获得具有良好焊接工艺性能和优良焊缝力学性能的药芯焊丝起着重要的作用。
药芯焊丝渣系按照酸碱性可以分为：酸性渣系和碱性渣系。目前市场上酸性渣系药芯焊丝用量占主导地位，因为这种渣系类型的药芯焊丝有良好的操作工艺性和全位置焊接能力[35]。但是，对一些要求抗裂性较高的合金钢、高强度细晶粒钢、低温钢等不能满足焊接要求[36]。主要问题是酸性渣系药芯焊丝焊缝金属韧性差，其原因主要表现在以下两个方面：
1. 这种高TiO2渣向焊缝中不适量的渗Ti，Ti偏聚于晶界，与C、N形成化合物而削弱晶界致脆；同时渣系中较多的TiO2对熔滴反应区的渗硅增氧反应具有 11
碱性渣系混合气体保护药芯焊丝焊接工艺性能的研究
促进作用，使熔滴和焊缝中非金属夹杂物含量增多[37]；另一方面，渣系中酸性氧化物含量较多，导致其脱硫、脱磷，去杂质能力较差。这些都致使焊缝洁净度不高，影响了力学性能的提高。
2. 由于药芯焊丝不能进行烘干，对扩散氢来源控制较差，酸性熔渣透气性差，不利于降低扩散氢含量，因此影响了其韧性。
为解决酸性渣系药芯焊丝的上述缺点，人们采用碱性渣系来改善性能[38]。 碱性渣系
药芯焊丝比酸性渣系药芯焊丝力学性能好的原因是：
1. 碱性渣系药芯焊丝中含有氟化物，在焊接冶金过程中可以起到去氢的作用，大大降低焊缝金属扩散氢的含量。同时，氟化物可以显著提高渣中FeO的活度，增加氧气的透过能力。此外，氮气在碱性渣中可能以CN22-、CN-、N2-离子形式存在，所以碱性渣溶解氮气的能力较强，减少了焊缝金属的氮含量。
2. 碱性渣对焊缝金属的净化作用强于酸性渣，熔敷金属中硫、磷含量比较低。熊征[39]等人研究指出提高熔渣碱度一方面能够使渣中自由氧化物(如CaO)数量增加，使脱硫能力增强；另一方面能够使电弧气氛氧势增大，电弧气氛氧势的提高有利于磷的深度氧化，氧化形成的磷酸盐进入熔渣当中，从而使熔敷金属中的含磷量降低。
需要指出的是，碱性药芯焊丝药芯粉中的氟化物在焊接冶金过程中发生分解，影响焊接电弧的稳定性，有时会发生断弧现象，导致电弧飘移(迁移)严重，直接影响焊接飞溅的产生、焊缝成型及焊接质量[40]。此外，药芯中的氟化物、碱性氧化物会粗化熔滴，影响熔渣的流动性、覆盖性，恶化焊接工艺性能。
1.4.2 国内碱性渣系药芯焊丝的研究状况
碱性渣系药芯焊丝凭借其焊接力学性能方面的优点而获得焊接工作者的重用。但是由于其存在操作工艺性能较差，电弧不稳定、飞溅多、不便全位置焊接等[41,42]问题，而使其应用受到限制。为解决碱性药芯焊丝焊接工艺性方面的缺点，许多学者进行了研究，提出了一些解决措施：例如用多种氟化物代替单一的萤石，可以提高焊接电弧的稳定性，
而且能改善焊缝的脱渣性和成型，降低熔渣表面张力，细化熔滴，减少焊接飞溅[43]；在碱性渣系的基础上加入一定量的金红石，即TiO2，作为酸性氧化物，有稳弧、改善焊缝成型、减少飞溅等作用；直接用一些碱性氧化物代替碳酸盐，避免了在焊接过程中会分解产生大
同时可以保证熔渣具有一定的碱度、合适的熔点和粘量的CO2气体而导致飞溅，
度[44]。
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应该说，就目前国内的水平而言，在气体保护下焊接，碱性渣系药芯焊丝的工艺性能尚达不到酸性焊丝的水平。虽然王晖，张静[45]等人研制的氟化物-CaO-SiO2-Al2O3 渣系可成功进行立向下焊接，但不能像酸性焊丝那样进行立向上焊接。胡勇[46]等人研制的588MPa级碱性药芯焊丝具有超低氢、高韧性、优异的抗裂性和抗气孔能力，可满足三峡工程用钢的焊接，但是由于是使用大量氟化物作为渣系，因此加大了焊接过程中烟尘的发生量，尤其是HF等有毒气体的排出严重影响焊接工人的健康问题。陈邦固，雷万钧[47]等人在大量工艺性试验的基础上，讨论了碱性气体保护药芯焊丝特有的药芯滞熔现象及其对熔滴过渡形式的影响，并对影响药芯滞熔的因素(药芯填充率、矿物成分和金属粉)进行了正交试验，分析探讨了这些因素对药芯滞熔程度和飞溅的影响规律，指出控制药芯滞熔程度是减小飞溅的有效措施。他们的研究对提高碱性药芯焊丝的焊接工艺性能有着很大的
帮助，但未具体提出如何控制滞熔程度的措施。另外如闫红，张容[48]等人研究了MgO渣系的各组分对渣覆盖率和渣壳断面形状的影响，分析了各组分及因素对渣覆盖的影响规律，并通过回归分析的方法， 得出了配方成分与YHJ507 渣覆盖率之间关系的数学模型，这对碱性药芯焊丝的配方设计具有指导意义，但是未考虑该配方对熔滴过渡及焊接电弧稳定性等方面的影响，并且在实际应用中的报道也较少见。
从以上介绍的情况分析以及近年来对于碱性药芯焊丝方面的报道来看，国内对于碱性药芯焊丝的研究主要集中在熔滴过渡方式的研究，渣覆盖和脱渣性的研究，以及某种碱性氧化物如MgO、CaO或者氟化物等对于焊接工艺性能影响的研究。而具体到哪种渣系或者哪几种药粉配比对于综合工艺性能的影响的研究报道较为少见，这主要是因为渣系配比对于工艺性能的影响是多方面的。比如在研究渣系对于脱渣性的影响时往往会忽视了对于飞溅性、焊缝成形，焊接烟尘等问题的影响，而使得焊接工艺的整体效果进展不大，导致了所研制的焊丝得不到广泛的推广。这也是我国药芯焊丝尤其是碱性焊丝发展落后于国外的原因之一。
1.5 本课题研究的内容及意义
本课题主要研究一种碱性气体保护药芯焊丝渣系。目的是为了提高现有碱性渣系药芯焊丝的焊接工艺性能，掌握焊丝渣系组分对焊接工艺性能的影响规律，为药芯焊丝在焊接生产中选择合理焊接规范提供参考。该研究对推动企业 13
碱性渣系混合气体保护药芯焊丝焊接工艺性能的研究
技术进步，进一步扩大碱性渣系气体保护药芯焊丝的应用范围，具有重要意义和推广应用价值。
主要研究内容如下：
1. 采用高速摄影方法观察熔滴的形成和其动态过渡过程，水中收集不同渣系焊丝的熔滴颗粒以及焊接飞溅测试等手段，研究渣系组分对熔滴过渡形式的影响。
2. 研究熔滴过渡形式与飞溅的关系，并进一步根据试验结果及理论分析得出渣系中氧化镁、氟化物、金红石等主要成分对熔滴过渡形式及飞溅的影响规律，确定它们合理的配比范围。
3. 使用Lookout Weldoffice2000软件同步提取不同组分药芯焊丝焊接过程的电弧电压和焊接电流波形，研究其焊接电弧的稳定性。
4. 通过熔渣覆盖性测试、脱渣性测试，研究渣系组分对药芯焊丝熔渣覆盖及脱渣性的影响。
5. 收集焊后熔渣，进一步研究熔渣化学成分、熔渣微观组织结构与脱渣性的关系。
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第二章 试验材料的制备及试验方法
2.1 渣系组分的选择
渣系组分对药芯焊丝的焊接工艺性能、焊缝力学性能有很大影响，因此，选择并确定适宜的渣系是研究性能优良的药芯焊丝的关键技术之一。
通常碱性渣系焊条中含有大量的大理石和萤石。大理石的主要作用是造气和造渣。大理石主要成分为CaCO3，分解后产生的CaO是碱性氧化物。该氧化物能够提高熔渣的碱度，使熔渣的脱磷、脱硫的能力增强。这不仅提高焊缝金属的力学性能，而且提高焊缝金属的抗热裂纹能力。同时，CaO增大熔渣的表面张力和熔渣与熔化金属的界面张力，因而对熔滴的过渡形态有较大的影响。大理石分解产生的另一种物质是CO2气体。该气体能增强电弧气氛的氧化性，可降低电弧气氛中的氢分压，使焊缝金属中的含氢量降低，进而使焊缝金属的韧性，特别是低温韧性大大提高。但是，由于药芯焊丝的粉芯被包裹在钢皮内部，焊接时大理石分解产生的CO2气体易产生爆溅，使焊接飞溅增加。因此，在研制药芯焊丝时，人们一般考虑在药芯焊丝直接中加入一定量的碱性氧化物(如MgO)，而不是加入大理石。
萤石的主要成分为CaF2，在焊接电弧高温的作用下分解出F与电弧中的电子结合形成F-，并与H+结合为非常稳定的HF。这降低了焊缝金属中的扩散氢含量。但是，由于分解出的F减少了焊接电弧中的自由电子，使焊接电弧的稳定性变差，焊接飞溅增加，对焊接工艺性能不利。为此，本文考虑选择多种氟化物以代替单一的萤石，从而达到降低飞溅的目的。
酸性渣系药芯焊丝中通常主要含有金红石、石英等矿物质。金红石具有稳弧、造渣、调整熔渣物理性能、改善焊缝成形、减少飞溅等作用。石英具有提高电弧电压、细化熔滴的作用。因此，渣系中加入了金红石和石英的药芯焊丝一般焊接电流稳定、焊接飞溅小、焊接成形美观、焊接工艺性能良好。
综上，本文研制的药芯焊丝渣系，选择以碱性氧化物、氟化物、硅酸盐为主要成分，在此基础上再添加少量的金红石、稳弧剂和一些脱氧剂，最终确定所研究的气体保护碱性药芯焊丝渣系为MgO-CaF2-Na2SiF6-SiO2-TiO2，本文简称为MgO型渣系。
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碱性渣系混合气体保护药芯焊丝焊接工艺性能的研究
2.2 药芯焊丝的制备
2.2.1 试验原材料
本文研制的气体保护药芯焊丝是采用低碳薄钢带经轧拔加工成形后制造的有缝药芯焊丝。钢带的化学成分见表2.1，钢带的厚度为0.5mm，宽度为10mm。为保证焊丝的表面质量，轧制前要求钢带无明显划伤，无锈迹，无严重折弯、扭曲。
表2.1 钢带的化学成分
C /% Mn /% Si /% S /% ≤ 0.015 P /% ≤ 0.010 0.03~0.05 0.18~0.25 ≤ 0.01
药芯焊丝中的主要造渣剂及化学组成如下:
镁砂：化学组成MgO，含少量SiO2、CaO，Fe2O3和B2O3。其MgO含量大于98%，粒度80目。
萤石：又称氟石，化学组成CaF2，混入物常有Cl及Fe2O3、Al2O3、SiO2。其中，CaF2含量一般为92%~96%之间，S≤ 0.03%，P≤ 0.02%，粒度为80目。
氟硅酸钠：化学组成Na2SiF6，Na2SiF6含量大于98.5%，Pb、Hg、Bi、Cu的含量少于0.08%，粒度80目。
人造金红石：化学组成TiO2，常含Fe、Nb、Ta 等元素，其TiO2 的含量一般大于等于85.0%，S≤ 0.040%，P≤ 0.040%，粒度为80目。
石英：化学组成SiO2，常含有一些机械混合物，如金红石、电气石等，其SiO2含量一般90%以上，Fe2O3≤ 0.5%，S≤ 0.040%，P≤ 0.040%，粒度80目。
铝镁合金粉：化学组成配比为镁含量47~53%，铝含量47~53%，杂质含量Si≤ 0.2%，Fe≤ 0.4%，Cl≤ 0.02%。
2.2.2 药粉的处理
药粉的处理主要有以下几步：
1. 烘干
药芯焊丝中的药粉包括合金粉和矿石粉。合金粉的烘干温度一般为160℃左右；矿石粉的烘干程序分两步进行，第一次在160℃烘干3个小时，第二次在380℃条件下烘干5个小时。烘干后的药粉放在炉内保温，温度为80℃，保证药粉不吸潮。
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2. 配粉
配粉时药粉经80目标准筛过筛，一料一称进行校对，误差不超过0.5%，配好的药粉未用完应放炉内保温，以防吸潮。
3. 混粉
一般混粉时间为50分钟，以保证各种药粉混合均匀。
2.2.3 焊丝直径和填充率
依照强度用钢药芯焊丝的制备标准要求，本文研制的气体保护药芯焊丝直径为1.2mm。研究认为[49]，对于该直径的药芯焊丝，填充率小于14%时，由于熔化相同量的金属外皮时药芯的熔化量过少，对焊缝金属的保护不够，熔渣覆盖不全，出现较多的气
孔；填充率大于16%时，熔渣过厚，不利于熔池中气体的逸出，也不利于获得成形美观的焊缝。因此，从熔渣覆盖、熔池保护等方面综合考虑，本文药粉填充率定为15%。
2.2.4 焊丝的生产
药芯焊丝的制造方法主要有三种[50]：即钢管法、钢带法、盘圆法。目前，我国比较成熟的制造方法是钢带法和盘圆法。采用钢带法制造药芯焊丝，因生产药芯焊丝的原材料成本低，焊丝利润空间大，而受到人们的青睐[51]。本课题所用药芯焊丝的制备也采用钢带法。药芯焊丝的生产工艺流程如图2.1所示。生产过程中，钢带首先通过清洗、烘干后经过成形轧辊加工成U形槽。然后按15%的填充率在U形槽钢带中填入药粉，接着装入药粉的U形钢带由闭合成型轧辊轧成管状焊丝。最后管状焊丝被送入拔丝机，通过拉拔减径加工制成所需的焊丝。试验用焊丝的制造设备如图2.2所示。
图2.1 药芯焊丝的生产工艺流程
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图2.2 药芯焊丝的生产设备
生产出的药芯焊丝产品要达到以下要求：
1. 确保药芯的均匀度，使单位长度焊丝的药芯重量相对波动小于5%；
2. 成形接口需成直线，如为螺旋状接口将影响送丝的稳定性；
3. 成品焊丝应为“硬丝”，在送丝时应有挺度，不易被送丝轮夹扁；
4. 焊丝绕圈良好，便于使用；
5. 焊丝防锈好，在包装不损坏的条件下，至少可保存半年不生锈。
2.3 试验设备及方法
2.3.1 焊接设备及焊接工艺参数
试验所用焊机为TransPuls Synergic 4000 Fronius 数字化焊机(如图2.3)，混合气体输出配比器为HQP-2型(如图2.4)。
图2.3 Fronius 数字焊机 图2.4 混合气体输出配比器
混合保护气体为CO2气体和Ar气，CO2气体和Ar气的比例为1:4。其中，CO2气体纯度>98%，Ar气是工业纯氩，纯度为99.99%。焊接过程中采用直流反接(工件接负极)，焊接工艺参数见表2.2。
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表2.2 焊接工艺参数
保护气体 焊接电流
I/A
20%CO2+80%Ar电弧电压U/V 焊接速度 v/cm·min-1 28~30 气体流量 Q/L·min-1 20 焊丝干伸长L/mm 18~20 240~260 26~28
2.3.2 熔滴过渡及焊接飞溅测试
2.3.2.1 熔滴过渡动态行为测试试验
本文采用高速摄影的方法进行熔滴过渡行态研究，图2.5为高速摄影试验装置示意图。它由四大部分组成，分别是：光源机构、扩束机构、成像机构及摄影机构。光源机构使用的是波长为6.328×10-7m的氦-氖激光器；扩束机构包括显微目镜和凸透镜的扩束镜，即图2.5中的透镜1和透镜2；成像机构由焊丝、成像物镜、小孔光阑、干涉滤光片
组成，干涉滤光片的中心波长为6.328×10-7m；摄影机构使用的是Fastcam super 10kc型彩色高速摄影机，摄影频率为800幅/s。
图2.5 高速摄影装置及示意图
高速摄影的工作原理如下：由于电弧光的波长分布在从紫外到红外的很宽范围内，而在某一波长上其强度不一定高。因此，功率不大的激光器发出的激光亮度就可能超过电弧中对应波长的弧光。激光为单一波长平行光，经扩束后为近似平行光束。当该平行光束投射到成像物镜上时，透镜会将此光束在其焦点位置会聚成一点，并顺利地通过小孔光阑；而电弧光则是球面光，在成像物镜的焦点处则形成一个一定大小的光斑，其中仅有小孔部分通过光阑，其余部分被阻挡，从而达到衰减弧光的目的。干涉滤光片对相应激光波长的光是透明的，而对其它波长的光则不透明，这样弧光中只剩下与激光波长相同的光透过，其它光则全被消去。同时弧光是球面波，其强度与距离的平方成反比地迅速衰减；激光经扩束后是接*行的光束，光强几乎与距离无关。增大拍摄距离，可使弧光消除得更多。通过上述措施衰减电弧光，在摄影机中便可获得熔滴过 19
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渡的清晰图像。
试验程序如下：(1) 首先在可移动的工件台上放上焊接试板，调整摄像机的镜头、试板以及光源之间的位置，使它们在一条直线上。然后盖上滤光片。(2) 进行焊接，并将焊接过程电弧处的熔滴过渡过程完整的拍摄下来，拍摄过程始终保持频率不变，为500幅/s，同时采用单片机对拍摄下来的图像数据进行采集。
(3) 在计算机中提取拍摄的图像，对熔滴过渡形态进行分析。
2.3.2.2 熔滴收集试验
熔滴收集装置示意图如图2.6所示：
图2.6 熔滴收集试验示意图
首先，采用碳棒引弧，并让引燃后的电弧在焊丝和碳棒之间燃烧。在此过程中，电弧
热使焊丝熔化，形成的熔滴随即落入水槽中。经过一定焊接时间后，断开电弧，将熔滴捞起、吹干，并用摩擦法将熔滴和熔渣分离。然后，用孔径为2.5mm的标准筛网筛选，将熔滴分成直径大于2.5mm(记质量为m1)和直径小于
2.5mm(记质量为m2)的两组，用精度为0.0lg的WT2102型电子天平分别称量其质量m1、m2。最后，用小直径熔滴和大直径熔滴的质量比m2/m1计算熔滴的质量比R，并以R来评定药芯焊丝熔滴过渡是属于细颗粒过渡还是大颗粒过渡[52]。R>1表示属于细颗粒过渡，R<1表示属于大颗粒过渡。
2.3.2.3 飞溅收集试验
飞溅收集试验装置示意图如图2.7所示。试验过程如下：第一步，在水槽中放置一垫块，然后将一定尺寸(160mm×18mm×15mm)的焊接工件放在垫块上；第二步，选定一种试验焊丝在工件上进行堆焊，焊接时产生的飞溅就会飞到水20
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槽中，凝固成颗粒。焊前称出工件的质量m3，焊后收集飞溅颗粒，烘干，称出其质量为m0，并称出工件的质量m4，最后通过公式f=m0/(m4-m3)计算飞溅率f。
图2.7 飞溅收集试验示意图
2.3.3 焊接电弧稳定性测试试验
众所周知，焊接材料熔化形成熔滴，熔滴长大及脱离焊接材料端部向熔池过渡的过程会使焊接弧长发生变化，进而影响电弧电压和焊接电流的大小。因此通过记录焊接电弧电压和电流的变化曲线，不仅可以判断熔滴的过渡行为，还可以评定电弧的稳定性[53-57]。
电弧稳定性试验主要是测量并记录焊接过程中的焊接电流、电弧电压波形。通过对比焊接电流、电弧电压波形图的波动程度来确定焊接电弧的稳定性。试验中焊接电弧电压和电流数值的采集是通过焊机配套数据采集软件Lookout weldoffice2000同步进行的。采集的数值以Excel文档形式保存，再通过Excel做适当处理即可得到焊接时的电流、电压波形图。试验装置示意图如2.8所示。 21
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图2.8 电弧电压、电流波形测试装置示意图
2.3.4 熔渣覆盖及脱渣性测试试验
熔渣的覆盖性试验是在160mm×60mm×15mm的试板上进行的。焊后试板在空气中自然冷却，依据熟练的焊工技师观察熔渣覆盖的效果来评定与拍照。评定结果按照差(熔渣覆盖不上)、一般(熔渣抱团，不均匀)、良好(熔渣覆盖均匀)三个等级打分记录。图2.9为覆盖性及焊缝成形性试验示意图。
图2.9 渣覆盖试验示意图
脱渣性试验是在自制的落球试验机上进行的，试验示意图见图2.10。试验机钢球重3kg，钢球到焊接试板的高度为500mm。试验过程为：先进行熔渣覆盖的焊接性试验，对熔渣评定和拍照，并在1min内完成。然后把试板放于落球试验机上，从试板背面砸焊道正对位置。落球试验后仔细测量并记录完全脱渣长度、22
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轻度粘渣长度和严重粘渣长度。
图2.10 脱渣性试验设备示意图
脱渣性的评定参考1989年全国焊条评定比中有关脱渣性的规定。脱渣率按下式计
算：
D=L−(L0+0.5L1+0.2L2)×100% (2-1) L
式中：D为脱渣率(%)；L为焊道总长度(mm)；L0为未脱渣长度(mm)；L1为严重粘渣长度(mm)；L2为轻微粘渣长度(mm)。
2.3.5 熔渣显微组织结构分析
脱渣性试验后，分别收集脱渣性较好的熔渣和脱渣性较差的熔渣，进行成分、微观组织结构分析。本文采用EDAX分析熔渣的化学成分，采用光学金相显微镜和扫描电镜观察熔渣的微观组织、表面形貌和断口形貌。
金相试样的制备过程为：第一步，对取下来的熔渣渣壳经过树脂封装冷镶嵌；第二步，分别在100、300、400目的氧化铝砂纸上进行预磨；第三步，在抛光机上进行抛光、并清洗；第四步，用王水腐蚀30s后，清洗和烘干试样。熔渣的金相试样制备完成以后，采用上述各种微观分析手段对熔渣成分、微观组织结构进行观察与分析。
23
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第三章 药芯焊丝熔滴过渡试验结果与分析
3.1 熔滴过渡的研究重要性
熔滴过渡在焊接过程中具有重要的意义：第一，熔滴过渡行为直接影响焊接过程的稳定性、焊接飞溅的大小。第二，熔滴过渡的形态、过渡的时间、熔滴比表面积和温度，对金属与熔渣和气相的冶金反应均有很大的影响[58]。第三，熔滴过渡的不同方式会影响焊缝金属的结晶过程，改变热影响区的尺寸和性能。第四，熔滴过渡不同方式还能影响焊接材料的熔化速度。所以，研究熔滴过渡的有关规律对提高焊接质量和生产率都具有很重要的意义。
3.2 试验结果及分析
3.2.1 氧化镁对熔滴过渡形态的影响
表3.1是采用熔滴收集试验，并通过熔滴质量比公式R= m2/m1计算后获得的MgO质量百分数不同的五种药芯焊丝熔滴质量比R的试验结果。
表3.1 MgO对熔滴质量比的影响
焊丝 MgO含量/ % 熔滴质量比R
1号 15 2.40 2号 18 1.73 3号 20 1.51 4号 25 1.01 5号 30 0.59 从表3.1可以看出，总的趋势是随着药芯中MgO含量的增加，熔滴的质量比R减小，即熔滴颗粒逐渐变大。
图3.1是通过高速摄影方法拍摄记录得到的上述五种药芯焊丝熔滴过渡的形态；图3.2是收集到的典型的熔滴颗粒。通过图3.1的高速摄影照片可看出，随着MgO含量的增加，熔滴过渡方式逐渐由细颗粒过渡向大颗粒排斥过渡转变。1号、2号和3号焊丝的熔滴质量比R>1，熔滴颗粒相对细小，熔滴沿着焊丝轴向过渡平稳；4号焊丝熔滴颗粒开始增大，熔滴质量比R接近于1，熔滴偏离焊丝轴向的倾向增加。说明熔滴为细颗粒和粗颗粒混合存在；5号焊丝的熔滴质量比R<1，熔滴颗粒粗大，偏离焊丝轴向排斥过渡，甩出几率变大。 24
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(a) 1号
(b) 2号
号
(c) 3
(d) 4号
(e) 5号
图3.1 不同MgO含量时的熔滴过渡形态
(a) 3号焊丝熔滴 (b) 5号焊丝熔滴
图3.2 不同MgO含量时的熔滴颗粒
25
碱性渣系混合气体保护药芯焊丝焊接工艺性能的研究
3.2.2 氧化镁对焊接飞溅的影响
图3.3为不同MgO质量分数时工件上残留焊接飞溅的实物图。从图中可以看出MgO含量增加时，焊缝周围残留的焊接飞溅增多。
(a) 18%MgO时的飞溅
(b) 20%MgO时的飞溅
(c) 30%MgO时的飞溅
图3.3 不同MgO含量时焊接飞溅实物图
表3.2是采用飞溅测试方法得到的焊丝飞溅性试验数据。为研究MgO含量对飞溅率的影响趋势，绘制了MgO含量与飞溅率的关系曲线，结果如图3.4。
表3.2 飞溅率试验数据
焊丝 焊前质量
m3 /g 焊后质量m4 /g 飞溅金属质量 m0 /g
4.8
5.6
5.3
6.1
9.8 熔敷金属质量 m=m4-m3 /g 77 88 80 85 90 飞溅率 f/% 6.23 6.36 6.59 7.18 10.81 1号 1757 1834 2号 1816 1904 3号 1687 1767 4号 1724 1809 5号 1630 1720
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南京航空航天大学硕士学位论文
图3.4 MgO含量对飞溅率的影响
由表3.2和图3.4可以看出：随着药芯焊丝渣系中MgO含量的增加，焊接过程中飞溅率是逐渐增大的。当MgO含量小于25%时，飞溅率随MgO含量的增加变化较小，飞溅率曲线增大幅度较平缓。从图3.3(a)、(b)也可以看出，含量为18%和20%的MgO的焊丝焊接后，焊缝周围残留的飞溅数量并不多，飞溅颗粒相对细小。而当MgO的含量由25%增加到30%后，焊接飞溅率陡增，飞溅较大。从图3.3(c)可以看出含30%MgO的药芯焊丝焊接飞溅数量较多，大颗粒飞溅也明显增加。结合上述MgO含量对熔滴过渡方式的影响结果，可以看出，MgO含量对飞溅大小的影响与熔滴过渡方式有关。熔滴颗粒细小，过渡平稳时，焊接飞溅较少；熔滴颗粒粗大，非轴向排斥过渡时，焊接飞溅较大。
有关研究认为，含MgO的药芯焊丝弧焊过程中，一方面，有部分MgO可能被分解出Mg，分解的Mg被电离：Mg=Mg2++2e，放出电子，从而增加电弧中的自由电子。这在一定程度上会改善稳弧性。稳弧性的改善，意味着电极斑点压力的减小，从而减小了熔滴长大的倾向[59,60]。另一方面，MgO的加入又会增加熔滴的表面张力，从而阻碍熔滴的过渡。这是因为，液态熔滴上的表面张力是使熔滴保持在焊丝末端而不脱离的主要力，熔滴表面张力Fσ的大小由式(3-1)决定[61]。
Fσ = 2πRσ (3-1)
式中：σ为表面张力系数(10-3N/m)，R为焊丝的半径(mm)。
MgO离子键的键能较大，会使液态熔滴的表面张力系数σ增大，因此增大熔滴的表面张力Fσ，使熔滴颗粒变大。
事实上，MgO对熔滴过渡形态的影响是以上两者综合作用的结果。开始时MgO含量较少，熔滴颗粒长大趋势较小，颗粒相对细小，过渡平稳。这是因为
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碱性渣系混合气体保护药芯焊丝焊接工艺性能的研究
随着MgO含量的增加，尽管熔滴的表面张力有一定增加，但是电弧中的自由电子较多，因而改善了电弧的稳定性。当熔滴细小，过渡较稳定时，过渡的阻力较小。因此减小
了熔滴下端偏离轴线摆动、上挠形成飞溅的概率，使得焊接飞溅较少[62]。当MgO的含量超过25%以后，MgO含量过多时，大颗粒熔滴开始增多。随MgO含量的不断增加，MgO增大熔滴表面张力的作用将起主导作用，熔滴颗粒变大趋势增加，熔滴颗粒增大迅速。由于MgO的熔点较高，含量过多时，降低了药芯的熔化速率，此时焊丝熔化和熔滴形成过程进行的相对缓慢。熔滴在较大的表面张力的阻碍作用下在焊丝端部不断长大，形成的大颗粒熔滴在焊丝端部停留时间较长。熔滴在电弧吹力，斑点压力等作用下在焊丝端部强烈的晃动，增加了被摔出的几率，逐步转变为大颗粒排斥过渡的方式(见图3.1e)。在这种过渡方式下，熔滴在电弧力等作用下脱离焊丝端部后，易于偏离焊丝轴向偏离飞出，形成大颗粒飞溅。
当然，大颗粒排斥过渡时飞溅较大的原因还可能有以下方面：从收集到的5号焊丝的熔滴颗粒可看出(见图3.2b)，焊丝的熔滴颗粒中有很多都有内孔。这说明焊接时焊丝外层钢皮首先熔化，未完全熔化的药粉是在被熔滴包裹着的状态下熔化的。当熔滴颗粒粗大，在焊丝端头停留的时间较长，加热温度很高时，熔滴内部包裹的药粉会发生强烈的冶金反应或蒸发，同时猛烈的析出气体，会使熔滴爆炸而造成飞溅[63]；颗粒较大的熔滴落入熔池时，增加了对熔池的冲击力，同样易导致飞溅；未完全熔化的药粉在被熔滴包裹着的状态下进入熔池后，在熔池热的作用下熔化、分解，分解的气体也会造成飞溅。
3.2.3 氟化物对熔滴过渡和飞溅的影响
表3.3是采用熔滴收集试验，并计算后获得的萤石(CaF2)质量分数不同的五种药芯焊丝熔滴质量比的试验结果；图3.5是收集到的上述五种药芯焊丝的熔滴颗粒实物。
表3.3 萤石对熔滴质量比的影响
焊丝 CaF2含量/% 熔滴质量比R
a号 8 1.58 b号 13 1.31 c号 15 1.06 d号 18 0.71 e号 22 0.69
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(a) a
焊丝熔滴
(b) b焊丝熔滴
(c) c 焊丝熔滴
(d) d焊丝熔滴 (e) e 焊丝熔滴
图3.5 不同萤石含量时的熔滴颗粒
从表3.3和图3.5可以看出：随着CaF2含量的增加，熔滴的质量比R减小，即直径大于2.5mm的熔滴颗粒逐渐增多，熔滴颗粒逐渐变大。当CaF2含量小于13%的时候，熔滴颗粒的质量比R大于1，说明熔滴颗粒相对细小；当CaF2的含量为15%的时候，熔滴质量比R接近1，说明此时熔滴颗粒开始变大，为大颗粒增多，但未占主导地位。而当CaF2的含量为18%以上时，熔滴颗粒直径
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碱性渣系混合气体保护药芯焊丝焊接工艺性能的研究
比R小于1，说明熔滴颗粒变的粗大，随着CaF2含量再进一步增加，熔滴颗粒的大小变化基本上趋向稳定，熔滴颗粒基本达到最大，变化很小。
由试验结果可以看出，为了获得稳定的熔滴过渡形态，渣系中CaF2的含量应该控制在15%以内。此时CaF2对熔滴过渡方式的影响主要是细颗粒过渡。
渣系中的CaF2使熔滴粗化的原因如下：CaF2在焊接化学冶金过程中能分解出大量的F，F的电负性很大，易与电弧中自由电子形成F-离子。这样会产生两方面的影响：一方面，减少了电弧中的自由电子，降低了电子从阴极进入弧柱区的概率，从而提高了阴极电压降；另一方面，F-离子质量比电子大的多，运动速度低，易与正离子复合成中性原子。由于这两方面的影响，使得CaF2含量的增加将明显地改变电弧形态，使电弧变成集中型，电弧导电截面减小。这样将减少电弧对熔滴的加热面积，从而降低了熔滴的温度，致使熔滴的表面张力增大；同时还加剧了电弧斑点压力对熔滴的排斥、阻碍作用。电弧的导电性和电弧的温度的降低，熔滴表面张力和斑点压力阻碍的增大，这些因素都使的熔滴颗粒变粗。
在上述试验结果的基础上，在氟化物中加入一定量的氟硅酸钠(Na2SiF6),改变渣系中CaF2和Na2SiF6的配比含量，配制药芯焊丝，进行飞溅性测试试验。
表3.4是通过飞溅测试试验，获得的氟化物配比含量不同的六种药芯焊丝焊接飞溅率试验结果。图3.6是上述六种焊丝中CaF2含量分别为8%、15%时和6%CaF2加9%Na2SiF6时的焊接实物照片。
表3.4 氟化物对焊接飞溅的影响
焊丝 氟化物含量/% 熔敷金属重量/g 飞溅重量/g 飞溅率/% 1 8 CaF2 77 4.2 5.45 2 15 CaF2 80 5.5 6.87 3 10 CaF2, 5 Na2SiF6 82
4 6 CaF2, 9 Na2SiF6 83
5 3 CaF2, 12 Na2SiF6 79 3.8 4.63 3.6 4.34 3.9 4.93 6 15 Na2SiF6 88 4.6 5.23 30
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(a) 8% CaF2时的飞溅
(b) 15% CaF2时的飞溅
(c) 6% CaF2+9%Na2SiF6时的飞溅
图3.6 氟化物含量不同时试板上残留飞溅的实物照片
从表3.4可以看出随着萤石含量的增加，焊接飞溅增大，用部分氟硅酸钠代替萤石时，可以使得焊接飞溅减小。但是，当氟硅酸钠的含量超过一定的数量(试验中为12%)时，飞溅率又开始升高。当氟化物全部是氟硅酸钠的时候，焊接飞溅率也会变的比较大，最理想的含量配比是CaF2 为6%、Na2SiF6 为9%左右，此时焊接飞溅最少(如图3.6c所示)。
渣系中加入氟硅酸钠后，对飞溅产生上述影响的原因如下：一方面，在焊接过程中氟硅酸钠首先分解成NaF，然后NaF与药芯中的Al发生如下反应：
Na2SiF6=SiF4+2NaF (3-2)
3NaF+Al=AlF3+3Na (3-3)
3Na=3Na++3e (3-4)
氟硅酸钠在焊接冶金过程中生成许多钠离子和电子，这将增加电弧中带电粒子。开始随着氟硅酸钠的增加，焊接电弧稳定性增加。加上钠离子附着在熔滴的表面，降低了熔滴表面张力。这些使得熔滴细化，过渡稳定，所以降低了焊接飞溅。另一方面，氟硅酸钠分解出的SiF4和AlF3在高温下为气体。当氟硅酸钠含量过多(超过12%时)，会产生大量的SiF4和AlF3气体，增大了气体吹力，产生蒸气压阻碍溶滴过渡，使熔滴粗化。熔滴在焊丝端部停留时间较长，在较大气
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碱性渣系混合气体保护药芯焊丝焊接工艺性能的研究
体吹力及斑点力等作用下，沿着焊丝端部偏转。熔滴易被顶偏，偏离焊丝轴向，排斥倾向增大，过渡时易被甩出而成为大颗粒的飞溅。此外，NaF离解出的F-，减少了电弧中的自由电子，破坏电弧稳定性，也会使得焊接飞溅增加。图3.7为熔滴颗粒偏向轴向排斥过渡，飞出成为大颗粒飞溅过程的高速摄影照片。从图中可以清晰的看出，飞溅形成过程为：首先在焊丝端部形成熔滴，熔滴颗粒长大并偏在焊丝端部一侧，然后熔滴脱离焊丝端部，由于受力的作用熔滴被甩出，没有沿焊丝轴向过渡下落到熔池当中，而是飞出熔池之外；最后飞出熔池的熔滴就成为焊缝周围的飞溅。
(a ) (b) (c)
(d)
(e ) (f) (g) (h)
图3.7 飞溅形成过程高速摄影
3.2.4 金红石对熔滴过渡和飞溅的影响
表3.5为金红石与固定质量分数的萤石不同比例时，通过试验所得到的焊丝熔滴质量比和焊接飞溅率测试结果。图3.8是通过高速摄影方法拍摄，并记录得到的上述金红石含量不同时的药芯焊丝熔滴过渡形态图。
表3.5 金红石与萤石之比对熔滴过渡和飞溅的影响
金红石/% 萤石/% 比例 熔滴质量比R 飞溅率/%
5 18 0.27:1 0.83 7.02 10 18 0.56:1 1.12 5.18 15 18 0.83:1 1.43 4.31 32
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(a) 5%TiO2 (18%CaF2)时熔滴过渡
(b) 10%TiO2 (18%CaF2) 时熔滴过渡
(c) 15%TiO2 (18%CaF2) 时熔滴过渡
图3.8 不同金红石含量时熔滴过渡形态
由前面两小节的试验我们知道，当渣系组分中不含有金红石时，萤石的含量超过18%以后，熔滴的质量比R<1，即直径大于2.5mm的熔滴颗粒较多，熔滴颗粒粗大。此
时的焊接飞溅率也比较高。但是当药芯组分中添加了金红石时，由表3.5试验结果可以看出，在萤石含量保持18%不变时，三种焊丝随着金红石含量的增加焊接飞溅逐渐降低，熔滴的质量比R逐渐变大，即熔滴颗粒细化。从图3.8不同金红石含量时焊丝的熔滴过渡形态也可以看出，金红石含量多的焊丝熔滴颗粒明显比金红石含量少的焊丝熔滴颗粒细小。这说明金红石的加入改变了熔滴过渡的形态，有利于细化熔滴颗粒，从而降低焊接飞溅。
渣系中添加金红石后，产生上述结果的原因是：一方面，金红石对熔滴区的渗Si反应有重要促进作用[64]，导致熔滴中Si含量增加，使熔滴氧化增氧。从而减小熔滴的表面张力，使熔滴细化。另一方面，CaF2与金红石对熔滴过渡会产生交互作用，对熔滴尺寸的影响是互为制约的。CaF2在熔滴反应区与TiO2可进行以下反应：
2CaF2+TiO2=2CaO+TiF4 (3-5)
TiF4+3H=TiFg+3HF (3-6)
TiF4+2H2O=2TiO2g+4HF (3-7)
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碱性渣系混合气体保护药芯焊丝焊接工艺性能的研究
生成的气体化合物HF和TiF4形成负离子阻碍电子从阴极发射，会降低电弧导电性，从而降低熔滴的温度，增加熔滴表面张力，使熔滴粗化。
当金红石含量多、比值大时，对熔滴细化作用强烈。随比值的减小金红石的作用减弱，萤石中的反电离作用变强，一方面使电弧中的带电粒子减少；另一方面，萤石对熔滴的粗化作用，导致熔滴过渡行为恶化，粗熔滴短路瞬时电弧极易熄灭，造成爆炸飞溅。只有当细熔滴过渡时，电极斑点面积大，导电通道面积大，此时电弧斑点压力促进熔滴过渡，熔滴过渡平稳，焊接飞溅较少，工艺性能较好。
这里需要指出的是，本文研究的药芯焊丝为碱性渣系，根据碱度公式(3-8)可计算焊丝熔渣的碱度。为保证熔渣的碱度B3>1.5，根据本文渣系组分中所加入的各组分的含
量，结合公式(3-8)计算，本试验设计的渣系中金红石的含量控制在18%以内。
B3=CaO+MgO+K2O+Na2O+0.4(MnO+FeO+Ca2F) SiO2+0.3(TiO2+Al2O3+ZrO2)
(3-8)
式中：B3为熔渣碱度，各化合物均以重量百分数计算。当B3>1.5时，熔渣为碱性；当B3<1.0时，熔渣为酸性；当B3=1.0~1.5时，熔渣为中性。
3.3 本章小结
1. 随着MgO质量分数的增加，熔滴质量比减小，过渡熔滴由细颗粒逐渐变为大颗粒。当MgO含量小于25%时，熔滴颗粒细小，沿着焊丝轴向平稳过渡，且焊接飞溅较小；当MgO含量超过25%以后，熔滴颗粒变的粗大，熔滴偏离焊丝轴向排斥过渡。熔滴被甩出几率增大，导致飞溅变大，工艺性能变差。
2. 氟化物对熔滴过渡形式和焊接飞溅大小影响比较明显，萤石质量分数增加，熔滴颗粒变粗，焊接飞溅增大。在药芯中用一部分氟硅酸钠代替萤石可以细化熔滴，降低飞溅；但是氟硅酸钠的含量过多(其含量超过12%以上)时，又会使得焊接飞溅增大。试验结果表明当萤石为6%左右、氟硅酸钠为9%左右时，对焊接飞溅影响最小。
3. 药芯中加入金红石时，可以细化熔滴颗粒，降低焊接飞溅，提高工艺性能。但为了保证渣系的碱度，考虑其加入量一般不超过18%。
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第四章 药芯焊丝电弧稳定性试验结果与分析
4.1 电弧稳定性的研究重要性
焊接过程中，焊接电弧电压和焊接电流随时间波动幅度越大，表明焊接电弧的稳定性越差。因此，人们常常采用提取焊接电弧电压和焊接电流波形的方法考察焊接电弧的稳定性。
稳定的焊接电弧对减少焊接飞溅，细化熔滴，保证良好的焊缝成形有重要作用。同时也是这种药芯焊丝能否被推广使用的一项重要指标，任何一种新型焊接材料的研究与开发以及现有焊接材料的改进都离不开对其焊接电弧稳定性的研究。同时焊丝电弧稳定性也反应了其熔滴过渡的稳定性。
4.2 试验结果及分析
4.2.1 氧化镁对电弧稳定性的影响
图4.1是采用焊机配套数据采集软件Lookout-worldoffice2000同步记录、并经Excel对数值处理所得到的MgO质量分数分别为18%、22%、25%和28%时，不同焊丝焊接过程中的焊接电流、电弧电压随时间变化的波形图。
焊接的电弧电压波形图上分为3个部分：1. 熔滴过渡电压；2. 燃弧电压；
3. 再引弧电压。再引弧电压反应了跳弧现象和空载电压信息，当焊接过程不稳定，熔滴过渡后电弧不易重新引燃，焊接过程出现较多的跳弧现象时，该信息就越显著[65]。通过试验发现，随着MgO含量的增加，焊接电压和焊接电流的波动是逐渐增大的，这将导致电弧的稳定性变差。
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碱性渣系混合气体保护药芯焊丝焊接工艺性能的研究
(a) MgO18%
(b) MgO22% 图4.1 不同MgO含量时焊丝的电流、电压波形图
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(c) MgO25%
(d) MgO28%
图4.1（续）
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碱性渣系混合气体保护药芯焊丝焊接工艺性能的研究
由图4.1a、b可以看出，当MgO含量为18%和22%时，焊接时的电流波形比较整齐，电流稳定，波动相对较小，焊接过程平稳。从电压波形图上可以看出，1、3区域的熔滴过渡电压和再引弧电压波动范围较小，焊接过程中不易出现明显的电压跳弧现象。实际焊接过程电弧为平稳的“劈啪劈啪”声，焊接飞溅较少。从图4.1c可以看出，添加25%MgO的焊丝焊接时电流的波动幅度不算大，但是电压的波动偏差比较明显。焊丝熔滴过渡时低电压过渡区和再引弧电压在波形图上反应明显，分布较多，焊接电弧稳定性开始降低。当MgO的含量为28%的时候，焊丝在焊接时电流、电压波动不仅大，而且显得比较乱(图4.1d)。此时，从图中的电流波形图可以看出，电流变化跨度较大，极不稳定；从电压波形图中看出，低电压过渡和高电压跳弧或再燃弧现象比较多。从而导致焊接电弧稳定差，飞溅多。在实际焊接过程中也发现，MgO含量较高时电弧漂移、抖动现象明显，焊接过程爆炸声较大，为“啪啪啪”不稳定的电弧声响。
前已述及，在焊接过程中，有部分MgO会电离放出电子，从而增加电弧中的自由电子。自由电子的增加能改善稳弧性。从试验过程来看，当MgO的含量小于25%的时候，焊接电弧稳定性还是可以的。但随着MgO含量的进一步提高，焊接电弧稳定性越来越差。这是因为电离电压高低只是影响电弧稳定性的诸多因素之一，而不是唯一的因素。电弧的稳定性与熔滴过渡行为有着重要影响。
电弧中的熔滴过渡，实际上是对电弧燃烧过程、状态及其参数的一种扰动。研究表明，熔化极电极能否稳定燃烧，以其熔滴过渡稳定与否为重要条件。而熔滴过渡的稳定性又与电弧成形密切相关(电弧成形是指弧柱与电弧斑点的形态及其尺寸)。因为电弧成形不
仅强烈的影响阳极斑点向焊丝金属传热以及焊丝熔化和熔滴形成过程进行的剧烈程度，而且强烈地影响着作用于焊丝端部上电弧力的大小和方向[66]。前面的试验表明，随着MgO含量的提高，对熔滴过渡的形态有着不同的影响。MgO的键能比较大，随着MgO的加入，增大了熔滴的表面张力。这将阻碍熔滴过渡，造成熔滴尺寸变大，熔滴在电弧气氛中的停留时间变长，大颗粒的熔滴在各种力的作用下偏离轴向排斥过渡。此时，形成一个过渡需要熔滴不断地长大、变形、直到脱离焊丝端头，熔滴过渡频率低，焊丝熔化效率不高。同时由于一个大颗粒熔滴过渡后，电弧要内移，重新形成熔滴后，大颗粒熔滴沿焊丝边缘旋转摆动，导致电弧又要外迁(如图4.2所示)。这种电弧不断地外迁、内移过程影响了电弧的稳定性，使得焊接电弧稳定性变差。此外，MgO的熔点较高(2800℃)，其含量过多时可能出现未熔化的固体颗粒，使药芯的熔化速度远落后于钢皮的熔化速度，从而产生严重的滞熔现象。滞熔38
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的渣柱插入熔池当中，也会影响熔滴过渡，降低焊接电弧稳定性。
图4.2 电弧外迁–内移现象
4.2.2 氟化物对电弧稳定性的影响
图4.3是采用高速摄影拍摄记录的CaF2质量分数分别为8%、12%、15%和CaF2为10%、Na2SiF6为5%；CaF2为6%、Na2SiF6为9%以及Na2SiF6为15%时的药芯焊丝电弧形态图。图4.4是从上述焊丝中选取的，CaF2含量分别为8%、15%和CaF2为6%、Na2SiF6为9%以及Na2SiF6为15%时的焊接电流波形图。
(a) 8%CaF2 (b) 12% CaF2 (c) 15% CaF2
(d) CaF2为10%、Na2SiF65% (e) CaF2为6%、Na2SiF6为9% (f) Na2SiF6为15%
图4.3 不同氟化物含量的电弧形态
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40碱性渣系混合气体保护药芯焊丝焊接工艺性能的研究 (a) 8%CaF2
(b) 15% CaF2
(c) CaF2为6%、Na2SiF6为9% 图4.4 不同氟化物含量的电流波形图
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(d) Na2SiF6为15%
图4.4（续）
从图4.4可以看出随着CaF2含量的增加，电流波动变大，电弧稳定性变差。从图4.3可以看出随着CaF2加入量的增大，将明显地改变电弧形态，使电弧形态变成集中型。当CaF2含量较少，为8%的时候，电弧形态如4.3a所示。电弧轮廓呈钟罩形，弧根面积较大。这时有利于药芯的熔化，熔滴过渡平稳，焊接电弧较稳定。当CaF2的含量提高，其含量为12%时的电弧形态如4.3b所示。可以看出电弧弧根面积开始变小。当CaF2含量进一步提高到15%的时候，电弧集中程度明显，电弧形态变差。在这种情况下，减少了电弧对熔滴的加热面积，从而降低了熔滴的温度，致使熔滴的表面张力增大。同时还加剧了斑点压力对熔滴过渡的阻碍作用，使熔滴过渡稳定性变差，焊接电弧稳定性降低[67]。
从试验结果还可以看出，Na2SiF6的加入对电弧稳定性有改善作用。当CaF2为
6%、Na2SiF6为9%时，电流波形平稳，波动较小，电弧稳定性较好。但是当Na2SiF6的含量进一步提高时，电弧稳定性又会变差。如图4.4(d)所示，Na2SiF6含量为15%的时候，电流波形波动又将变大。研究认为，Na2SiF6在焊接冶金过程中生成许多钠离子和电子，增加电弧中的带电粒子，从而提高焊接电弧的稳定性。因此在氟化物中加入部分的Na2SiF6将使得电弧稳定，电弧形态呈现钟罩形，电弧轮廓清晰圆滑，电弧燃烧稳定(如图4.3e所示)，熔滴颗粒过渡平稳；但是Na2SiF6产生Na+和电子的同时，会分解出SiF4和A1F3气体。当Na2SiF6在药芯焊丝中的含量较大时，会产生大量的SiF4和A1F3气体，使得电弧吹力增加。从图4.3f可以看出电弧形态产生一定的偏差，电弧轮廓不再是完好的钟罩形。同时，大量的气体增大了熔滴的爆炸力，破坏了熔滴的稳定过渡，在较大的气体吹力下，熔滴在焊丝端部易产生强烈晃动，阳极斑点的位置和电弧长度、成形及其参数等均处在剧烈变化之中，使得焊接电弧的稳定性变差，也增加了焊接飞溅。
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碱性渣系混合气体保护药芯焊丝焊接工艺性能的研究
4.2.3 金红石的加入对电弧稳定性的影响
金红石作为酸性渣系药芯焊丝渣系中最主要的组分，对改善焊丝焊接工艺性能有重要的影响。本文所配制的碱性渣系药芯焊丝中也加入了一定量的金红石，对其影响焊接电弧稳定性的原因进行了研究分析。发现金红石是通过改变电弧形态，进而影响电弧稳定性的。图4.5是渣系中不含金红石，以及金红石质量分数分别为7%、13%、15%时不同焊丝的电弧形态。图4.6是金红石含量分别为7%和15%时焊丝的焊接电流、电弧电压波形图。
(a) 不含TiO2 (b) 7% TiO2
(c) 13% TiO2 (d) 15% TiO2
图4.5不同金红石含量时的电弧形态
由图4.5可以看出，当渣系中不含金红石或金红石含量较少时(图4.5 a、b)，焊接过程电弧形态明显集中。实际焊接过程时感觉电弧吹力较大。从图4.6a可以看出焊接电流、电弧稳定性不高，电弧出现跳弧现象。随着金红石含量的增加(逐渐增加到15%左右时)，电弧逐渐扩展，弧根面积变大(图4.5d)，完全封罩熔化了的焊丝端部和熔滴。这时，使斑点压力和电磁收缩力都有利于熔滴过渡，只有表面张力对熔滴过渡起阻碍作用。这种情况下，熔滴容易下落，过渡平稳。并且可以看出电弧趋向柔和，清晰明亮，电弧稳定性增强，电流、电压波形的波动幅度减小(图4.6b)。在实际焊接过程中可以感觉焊接电弧声音变好，飞溅减小。这说明金红石的加入能够使电弧稳定性得到提高，改善焊接工艺性能。 42
南京航空航天大学硕士学位论文
(a) 金红石含量7%时电流、电压波形图
(b) 金红石含量15%时电流、电压波形图 图4.6 不同金红石含量时的电流、电压波形图
43
碱性渣系混合气体保护药芯焊丝焊接工艺性能的研究
金红石对于电弧形态的影响，以及电弧稳定性的提高主要在于：一方面，金红石可以降低熔滴的表面张力，使熔滴过渡的阻力减小，熔滴容易脱离焊丝端部，避免了熔滴粗化，从而提高了电弧的稳定性。另一方面，金红石电离出大量的钛离子能够降低电弧的电离电位，从而提高电弧稳定性。
4.3 本章小结
1. 当MgO质量分数为18%和22%时，焊接时电流及电压比较稳定，波动相对较小，焊接过程平稳，不易出现电压跳弧显现；添加25%的MgO的焊丝焊接时电流的波动幅度不算大，但是电压的波动偏差比较明显，焊接电弧稳定性开始降低；当MgO的含量为28%的时候，焊丝在焊接时电流、电压波动不仅大，而且显得比较乱，焊接稳定性较差。
2. 随着渣系组分中CaF2含量的增加，电流波动变大，电弧稳定性变差。Na2SiF6的加入对电弧稳定性有改善作用，当CaF2为6%、Na2SiF6为9%时，电流波形平稳，波
动较小，电弧稳定性较好。但是当Na2SiF6的含量过多时，电弧稳定性又会变差。
3. 金红石的加入有利于电弧稳定性的改善，随着其含量的增加，电弧变的柔软，焊接稳定性提高，工艺性变好。
44
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第五章 药芯焊丝熔渣覆盖及脱渣性试验结果与分析
5.1 熔渣覆盖及脱渣性的研究重要性
药芯焊丝的熔渣覆盖性和脱渣性是衡量焊丝工艺性能的重要指标。焊接时脱渣困难，不仅增加劳动强度，降低生产效率，也容易因为清渣不净而造成焊缝夹渣。焊缝金属表面的熔渣覆盖不好，不仅会影响焊缝成型，而且影响焊缝的保护效果，进而影响接头力学性能。一般而言，碱性渣的脱渣性和覆盖性比酸性渣差。因此，分析碱性渣系药芯焊丝熔渣覆盖的影响因素，改善焊丝的脱渣性，研究具有优良工艺性能的药芯焊丝具有较高的实用价值。
5.2 实验结果及分析
5.2.1 渣系组分对渣覆盖性的影响
渣系中主要成分MgO、SiO2、CaF2和TiO2对渣覆盖性的影响结果如表5.1所示。图5.1为MgO含量不同的药芯焊丝焊缝熔渣覆盖实际情况的照片。图5.2为SiO2含量不同的药芯焊丝焊缝熔渣覆盖实际情况的照片。
表5.1 渣系组分对渣覆盖性的影响
渣系组分
MgO SiO2 CaF2 TiO2
渣覆盖
差(覆盖不全)
渣覆盖
一般
良好
良好
一般
试验结果
含量/% 15 18 22 25 30
一般
良好
良好
差(熔渣抱
团) 差(熔渣偏
聚)
含量/% 12 14 15 17 20 渣覆盖
一般
良好 7 一般
良好
差(局部覆盖不良)
含量/% 5 渣覆盖
差
一般
良好(覆盖均匀)
差(中间无
渣) 良好(覆盖均匀)
含量/% 3 5 7 9 12
10 13 15
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碱性渣系混合气体保护药芯焊丝焊接工艺性能的研究
(a) 22%MgO覆盖良好
(b) 30%MgO轻微抱团
(c) 35%MgO严重抱团
图5.1不同 MgO含量的渣覆盖情况
(a) 5%SiO2覆盖良好
(b) 9%SiO2覆盖不均匀
(c) 12%SiO2覆盖不全
图5.2不同SiO2含量的渣覆盖情况
从表5.1可以看出：
MgO含量适当增加，熔渣覆盖性变好，当其含量为22%~25%时，渣覆盖效果最好。进一步增加MgO含量，会造成熔渣抱团，覆盖性变差。
当SiO2含量为5%~7%时，熔渣覆盖性良好，随着其含量进一步提高，会导致熔渣变稀，覆盖性变差。
46
南京航空航天大学硕士学位论文
当CaF2含量为14%左右时熔渣覆盖良好，其含量超过17%后，熔渣覆盖变差。
TiO2对熔渣覆盖主要起改善作用。但为了保证熔渣的碱度，试验过程中TiO2的含量控制在18%以内。
渣系中的MgO为主要的造渣成分，能够提高渣的碱度，增大熔渣的表面张力。试验过程中适当提高熔渣中MgO含量，可使熔渣粘度下降，流动性得到改善。这是因为适当增加渣中MgO含量的比率，可以带入较多的O2-离子。熔渣共存理论认为，MgO在固态下即以面心立方离子晶格存在，也就是其在固态下即以Mg2-、O2-的状态存在，这样就为熔渣中提供了较多的O2-[68]，因而减少了Si-O、Al-O阴离子团的聚合度，破坏了它们的网状结构，例如：
2Si3O96-+3O2-=3Si2O76- (5-1)
Si2O76-+O2-=2SiO44- (5-2)
使熔渣粘度降低；同时还能与Al2O3生成一系列低熔点物质，改善熔渣的流动性[69]。所以当MgO的含量增加到25%左右时，熔渣的流动性改善，覆盖性变好，如图5.1(a)所示。但是当MgO含量过高时，可能出现未熔化的固体颗粒，增大了熔渣的流动阻力，此外由于MgO离子键的键能较大，并且随着MgO的增加，增大了熔渣中络合阴离子与金属阳离子间的静电引力，从而使体系的表面张力变大，流动性变差，这些将导致焊接过程中熔渣覆盖不均匀，会产生抱团、压铁水现象，从而致使焊缝表面氧化严重。试验中随MgO 含量再增加到30%以上时，熔渣粘度过大覆盖性就差，易产生抱团、压铁水现象，出现如图
5.1(b) 、(c)中所示的焊缝情况。
渣系中的SiO2有稀渣作用而降低渣的粘度，改善渣的流动性。这是因为当渣系中SiO2的加入，复杂的Si-O离子增加，升高温度时，Si-O离子的热振动能增加，使其极性键局部断开，出现尺寸较小的Si-O离子，因而黏度降低[70]。此外，SiO2形成综合矩较小的阴离子，导致阴离子结构复杂变化，这种体积变大的阴离子团减小了对阳离子的静电引力，与阳离子的结合力较弱，被排挤到熔渣的表面层中，降低了熔渣的表面张力。当SiO2含量过多时，会导致渣粘度下降，熔渣变稀，降低渣的覆盖性。试验过程中随着SiO2含量的提高，熔渣的流动性改善，渣覆盖性提高，当 SiO2的含量在5%~7%范围时，其效果比较理想(图5.2a)。当SiO2含量继续增加时，熔渣覆盖变的不均匀，如图5.2b所示。当其含量超过12%以后，会使熔渣流向焊缝两边，中间覆盖不全，或偏聚焊缝一侧，使得覆盖性降低，如图5.2c所示。
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碱性渣系混合气体保护药芯焊丝焊接工艺性能的研究
渣系中CaF2的熔点相对较低，可使熔渣共熔点降低。CaF2影响电弧的稳定性，增加熔渣的流动性，当其含量过多时会导致熔渣严重变稀，流向焊缝两边，使熔渣覆盖性变差。这是因为CaF2能在熔渣中产生阴离子F-，破坏Si-O键，从而降低渣的粘度[71]。试验中控制CaF2的含量不超过15%，其含量过多会降低熔渣的覆盖性，还会使焊接烟尘增大。
TiO2的加入起到稳弧、调整熔渣的物理性能、改善焊缝成形的作用。但是必需控制其含量不能过多，有前面的熔渣碱度计算所知，试验中不超过18%，否则会降低熔渣的碱度，弱化碱性渣系原有的作用。
5.2.2 渣系组分对脱渣性的影响
焊丝的脱渣性与熔渣的宏观形貌、微观结构和化学成分有密切关系。在渣覆盖试验基础上，选择渣系中主要成分MgO、SiO2、CaF2和TiO2为因素，每个因素的变化取3个水平，焊缝脱渣率为指标，进行正交试验。不考虑因素间的交互作用，选用L9(34)正交表，配制9种焊丝进行焊接试验，试验结果如表
5.2所示。这9种焊丝的熔渣成分分析见表5.3所示。
表5.2 渣系组分对脱渣性的影响
成分
编号 MgO/ % SiO2/ % CaF2/ % TiO2/ % 脱渣率/ %
1 18 5 14 10 70.4 2 18 7 16 15 77.3 3 18 9 18 18 86.8 4 22 5 16 18 73.4 5 22 7 18 10 68.2 6 22 9 14 15 97.3 7 25 5 16 15 91.4 8 25 7 14 18 88.8 9 25 9 16 10 78.5
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南京航空航天大学硕士学位论文
表5.3 焊丝熔渣成分
成分 编号
MgO/ %
CaO/ %
CaF2/%
Na2O/%
SiO2/ %
TiO2/ %
MnO/%
Al2O3/ %
FeO/%
1 14.74 1.51 10.382 15.66 1.81 12.213 16.11 1.73 16.634 20.13 1.65 13.115 20.07 1.41 15.076 20.01 1.88 10.787 23.71 1.51 13.538 23.58 1.37 11.089 24.56 1.46 13.71
1.48 7.65 9.21 5.88 7.71 5.91 1.31 4.61 14.851.07 8.31 16.771.12 7.89 17.711.27 10.071.38 8.47 13.291.24 8.97 14.011.35 9.37 17.11
5.31 8.56 4.76 5.91 7.57 6.17 5.21 7.41 3.09 4.88 3.88 3.11 5.27 4.96 2.77 5.35 4.07 2.63
8.83 5.43 7.22 3.43
1.16 8.97 8.89 5.76 6.53 3.43
5.2.2.1 熔渣的宏观形貌与脱渣性
图5.3分别为焊缝脱渣性较好与焊缝脱渣较差的情况。由图可以看出，脱渣的好坏与熔渣的宏观形态有很大关系。脱渣性好的熔渣宏观上表现为：结构密实，致密度高，气孔少，并且渣壳厚度均匀。这种形态的渣经落球冲击后成块开裂脱落。在这种情况下，脱渣后的焊缝成型好，显露强烈的金属光泽(如图5.3a)。脱渣性差的熔渣宏观上表现为：渣壳内表面气孔多，气孔尺寸较大，熔渣结构疏松，质地较脆，并且厚度不均。这种形态的渣，经落球冲击后，渣壳大部分己与金属脱开，焊缝显露出金属光泽。但在焊缝表面局部地区或较长地区还残留一些薄层熔渣与金属表面结合较紧密，不易去除，焊缝成型也不美观(如图5.3b所示)。
(a) 焊缝脱渣性良好
(b) 焊缝脱渣性差 图5.3 焊缝脱渣情况
49
碱性渣系混合气体保护药芯焊丝焊接工艺性能的研究
5.2.2.2渣系组分因子对脱渣性影响
在脱渣性试验基础上，本文对表5.2的试验结果用Excel中的“回归”工具进行回归
分析[72]，建立了焊丝渣系组分与脱渣率之间的数学关系式。主要步骤为：首先对脱渣试验数据进行适当处理，计算出x1*x1，x2*x2，x3*x3，x4*x4的值，列出回归分析数据表，如表5.4所示。然后进入Excel中的【回归】对话框，填写相关内容(如图5.4所示)。最后，根据得到回归分析结果(见图5.5)，得出渣系组分与脱渣率的数学关系。
表5.4 回归分析数据表
试验
号 MgO/% SiO2/% CaF2/%x1 x2 x3 TiO2/%x4 x1*x1 x2*x2 x3*x3 x4*x4 脱渣率％y
1 18 5 14 10 324 25 196 100 70.4 2 18 7 16 15 324 49 256 225 77.3 3 18 9 18 18 324 81 324 324 86.8 4 22 5 16 18 484 25 256 324 73.4 5 22 7 18 10 484 49 324 100 68.2 6 22 9 14 15 484 81 196 225 97.3 7 25 5 16 15 625 25 256 225 91.4 8 25 7 14 18 625 49 196 324 88.8 9 25 9 16 10 625 81 256 100
78.5
图5.4【回归】对话框
50
南京航空航天大学硕士学位论文
图5.5 回归分析结果
图5.6 回归方差分析结果
根据以上分析结果，得到的试验指标y与自变量之间的函数关系数学模型为：
y=68.1−1.6x1−2.1x2−7.1x3+2.4x4+0.4x1+1.6x2+2.3x3−0.8x4(5-3)
式中：y为脱渣率(%)，x1为渣系组分中MgO的含量(%)，x2为SiO2的含量(%)，x3为CaF2的含量(%)，x4为TiO2的含量(%)。
由复相关系数R=0.974(如图5.5)，以及方差分析的结果(如图5.6)，可以看出方程对试验结果有显著的影响，与试验数据拟合的较好。
从式(5-3)可以看出各因子对焊缝脱渣率的影响均是非线性的，通过大量试验也发现渣系各组分的加入对于脱渣性的影响也不是单一的线性关系，其影响规律复杂。在本文试验各因子的含量范围内，式(5-3)较好的反映了渣系组分对脱渣率的影响，对渣系配方设计具有一定的参考价值。
5.2.3 熔渣的微观组织与脱渣性的关系
脱渣性较好的熔渣渣壳和脱渣性较差的熔渣渣壳的微观组织形态如图5.7所示，相应的熔渣内表面以及熔渣断口形貌的SEM照片如图5.8、图5.9所示。对熔渣组织中第二相进行EDAX物相分析和成分分析，结果见图5.10和表5.5，熔渣组织第二相的显微特征及主要组成物见表5.6。
512222
碱性渣系混合气体保护药芯焊丝焊接工艺性能的研究
由图5.7可以看出脱渣性不同的两种熔渣内表面微观组织结构相差较大，熔渣内表面微观组织具有不均匀性。熔渣组织大体由三种相组成：暗色的基体相，淡白色第二相以及少量的白色球状相。其中第二相的形态相差较大，在每种渣中分布不同，它组织结构的变化使熔渣的微观形貌产生变化。脱渣性较好的熔渣中(如图5.7a)第二相密度较高，呈条块状分布，方向性好；脱渣性较差的熔渣中(如图4.7b)第二相组织细小，分散分布。从表5.5和5.6可以看出熔渣第二相主要组成物基本相同，但是其微观组织形态不同，从而使得焊缝脱渣率相差较大。这与不同的渣与金属界面之间在冶金物化过程中的特性各异有关。
熔渣微观组织结构的不同与熔渣化学成分变化以及冶金反应特性有关，由熔渣物相的化学成分分析可知(见表5.5)。脱渣性好的熔渣微观组织中粗大的第二相主要成分为MgO-TiO2-SiO2-CaO，Mg/Ti的比例约为1.7。这种熔渣中可形成低熔点的MgTiO3、CaO·SiO2等复合物[70,73]。液态熔渣凝固过程存在较大的温度梯度，熔渣的散热方向性好。因此，晶粒容易长大，长大方向与散热方向一致，易形成粗大的条状组织。脱渣性较
差的熔渣组织中细小的第二相主要成分为MgO-SiO2-TiO2-Al2O3-CaO，Mg/Ti的比例约为3.8，比例较高，且SiO2的含量较高。这种情况下，熔渣组织细小的原因可能是：第一，熔渣中存在未完全熔化的MgO等固体颗粒，可以作为非自发形核的晶核。非自发形核的晶粒增多，且熔渣流动性不好，散热性差，使得晶粒不容易长大；第二，熔渣中易形成含FeO的尖晶石型化合物，这些化合物熔点较高，减小了温度梯度，使晶粒不易长大。
冶金学结晶理论认为，结晶凝固时，晶粒粗大或组织严重不均匀材料中所引起的内应力比晶粒细小材料中的大[70]。因此，熔渣的微观组织粗大，方向性好，多为条带状时。增加了熔渣质点间纵向内聚力，冷却收缩量大，熔渣与焊缝金属之间的线胀系数差值较大。焊后熔渣伴有成段的横向开裂，容易成块脱落，且熔渣结构密实(图5.8a)，熔渣断口属脆性断裂(图5.9a)。这种情况下，焊缝的脱渣性好。而当熔渣微观组织的晶粒细小，熔渣结构疏松、多孔(图5.8b)时。熔渣内部的结合力小，结晶时产生的纵向收缩应力被熔渣中弥散的孔洞所吸收，在冷却过程中不易使渣壳与金属在界面上分离。往往是渣壳内部先碎裂，造成焊缝粘渣，脱渣率降低。
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(a) 脱渣性较好 (b) 脱渣性较差
图5.7 熔渣内表面的微观组织
(a) 脱渣性较好 (b) 脱渣性较差
图5.8 熔渣内表面形貌(SEM)
(a) 脱渣性较好的断口 (b) 脱渣性较差的断口
图5.9 熔渣断口形貌(SEM)
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碱性渣系混合气体保护药芯焊丝焊接工艺性能的研究
(a) 脱渣性较好熔渣 (b) 脱渣性较差熔渣
图5.10 熔渣组织第二相物相分析
表5.5 熔渣组织第二相EDAX成分分析
熔渣
组 织 OK FK NaK MgK AlK SiK CaK TiK MnK FeK 脱渣Wt% 30.39 07.59 01.18 23.76 03.71 08.33 08.88 13.06 02.85 00.03 较 好 At% 45.37 09.54 01.23 23.30 03.29 07.08 07.31 11.52 01.24 00.02 脱渣Wt% 21.17 08.23 01.53 30.73 08.97 10.17 08.42 08.63 02.19 00.41 较 差 At% 30.99 10.35 01.55 30.67 08.35 09.10 07.40 07.40 00.93 00.28
表5.6 熔渣组织第二相的显微特征及主要组成物
熔渣
脱渣性较好
脱渣性较差 显微组织特征 第二相：尺寸较大的块状、条带状，方向性强第二相：尺寸细小的小团状或自由体，分散分布，无方向性 主要组成物 MgO-TiO2-SiO2-CaO MgO-SiO2-TiO2-Al2O3-CaO
研究认为，熔渣和金属间的反应可分为两个阶段：一是熔化金属与熔化的渣；二是固相金属与液态熔渣。产生粘渣的过程主要发生在第二阶段的后期，粘渣的主要原因是熔渣里含有能形成体心立方晶格的尖晶石型化合物的二价和三价氧化物(如MgO、A12O3、CaO、FeO等)，它们的尖晶石型化合物(MeO·Me2O3，，如图5.11)的晶格常数与FeO的晶格常数相差不大，因此可以搭建在焊缝金属表面FeO的晶格上[74]，这样使得熔渣和金属之间的界面张力σ液渣-固金变小。加上熔渣
中过多的MgO增大了熔渣的表面张力[68]，根据熔渣对焊缝金属的附着功[75](见公
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式5-4)可以看出，熔渣对焊缝金属的附着功W附将变大，从而导致熔渣难以清除。
W附=σ液渣+σ固金−σ液渣−固金 (5-4)
式中：W附为熔渣对焊缝金属的附着功；σ液渣为熔渣表面张力；σ固金为焊缝金属表面张力；σ液渣−固金为熔渣与金属之间的界面张力。
图5.11熔渣内表面的尖晶石型化合物
5.2.4 保护气体对渣覆盖及脱渣性的影响
在焊接过程中改变混合保护气体的流量比例，试验得出在混合保护气体不同流量比例下对药芯焊丝渣覆盖及脱渣性的影响，结果如表5.7。
表5.7 保护气体流量不同比例下的脱渣情况
混合保护气体流量比例
试验结果
CO2 >95% Ar<5%
脱渣率 熔渣情况
CO2 =82% Ar=18%
CO2 =50% Ar=50%
CO2 =18% Ar=82%
CO2 <5% Ar>95%
71.7% 73.3% 87.2% 98.1% 93.4% 渣壳较厚
渣壳较厚
渣壳变薄
渣壳薄，厚度
均匀
渣壳较薄，易
破碎
由表5.7可以看出，随着保护气体CO2流量的减少，Ar气流量的增加，焊丝的脱渣性得到改善，脱渣容易。当保护气体完全为CO2气体时脱渣性较差；而当完全为Ar气时，药芯焊丝的脱渣性也并不理想。当在CO2气体和Ar气比例接近1:4时脱渣性最好。
当混合保护气体流量为CO2>95%，Ar<5%时，即基本上为CO2气体时。电
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碱性渣系混合气体保护药芯焊丝焊接工艺性能的研究
弧的稳定性较差，熔滴呈非轴向过渡，飞溅较大，焊缝成形较差。因为CO2气体在电弧高温下分解CO和O2，电弧气氛中同时有CO2、O2和CO存在，使得保护气体的
氧势增强。这样会使焊丝中的Mn、Si等元素的烧损量增大，过渡系数减小，容易在渣中生成尖晶石型氧化物，从而对焊丝的脱渣造成影响[76]。又由于O2气高温下进一步分解为游离态的氧原子，当温度为3000K时，CO2保护气氛中将含有将近20%的氧。所以CO2气体在高温时有很强的氧化性，这样在焊接的过程中很容易使铁氧化[77]：
与CO2直接作用时：Fe + CO2 = FeO + CO；
与高温分解出的氧原子作用：O + Fe = FeO。
通过这个变化，气相中的氧可透过熔渣层传递给金属熔池，氧化铁在熔渣和金属之间发生着强烈的交换。上述反应的进行使得焊缝表面氧化，生成一层FeO氧化膜，它的晶格结构是体心立方晶格，它搭建在焊缝金属a-Fe的体心立方晶格上，这层氧化膜牢固地粘在金属表面上，对脱渣造成严重的影响。
而当混合保护气体流量为CO2 <5%，Ar>95%时，即基本上为Ar气时。会使阴极斑点漂移大，易造成电弧不稳，导致焊缝成形较差，脱渣性也变差。研究表明[78]，碳钢及低合金钢焊接表面的氧化物分布不均匀。而且在纯氩气的保护下，氩弧在直流反接下有阴极破碎作用，焊接工件表面几乎不产生氧化物。因为金属氧化物的电子逸出功低，能够稳定阴极斑点，所以电弧的阴极斑点总是在有氧化物的地方产生。如果阴极斑点处的氧化物很快被破碎清除，那么阴极斑点就会向其它有氧化物的地方转移。在氧化物分布不均的情况下，这种不停的破碎和转移便形成阴极斑点的飘移现象，导致电弧不稳定。
当CO2气体比例由95%逐渐减少到20%左右，Ar气比例逐渐增加到80%左右时。
焊缝的脱渣率随之提高到最佳值，脱渣性最好。这是因为在Ar气中加入一定比例的CO2气体，对电弧有一定的冷却作用，可提高弧柱的电场强度，提高电弧的稳定性。氧化性气体CO2使作为阴极的熔池金属表面上不断的产生均匀的氧化膜，该氧化膜容易成为阴极斑点，使电子逸出功降低，所以能稳定阴极斑点，提高电弧稳定性，改善焊缝成形，提高脱渣性。
5.3 本章小结
1. 当药芯焊丝渣系组分中MgO含量为22%~25%左右，SiO2含量为5%~7%左右，CaF2含量为15%左右，TiO2含量在13%~15%左右时，焊缝熔渣覆盖良56
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好。
2. MgO含量超过25%以后，随着其含量的增加，会导致熔渣覆盖不好，易产生抱团现象；SiO2含量过多时会使熔渣变稀，覆盖性变差；CaF2含量过多会使熔渣局部覆盖不良，继而成团状，往焊缝两侧分开；TiO2对渣覆盖起改善作用，但为了保证熔渣的碱度，其含量不超过18%。
3. 通过试验研究和理论分析，研究了渣系组分含量与脱渣率之间的关系。通过选取主要组分为因子，进行正交试验和回归分析，建立了脱渣率的数学模型，并通过试验进行验证，证明了该模型的合理性。
4. 熔渣的微观组织结构对脱渣性的影响有以下规律：当熔渣的组织粗大，第二相为方向性较强的条带状，熔渣结构密实时，脱渣性较好；当熔渣的晶粒组织细小，结构疏松、多孔、渣中易形成尖晶石型化合物时，脱渣性较差。
5. 脱渣性较好的熔渣易形成低熔点化合物，熔渣散热方向性好，凝固过程温度梯度大，因而组织粗大；脱渣性差的熔渣凝固时非自发形核晶粒多，熔渣散热性差，温度梯度小，晶粒不易长大。
6. 混合保护气体的流量比例对熔渣的覆盖性及脱渣性有一定的影响，当CO2气体和Ar气比例接近1:4时渣覆盖和脱渣性最好。
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碱性渣系混合气体保护药芯焊丝焊接工艺性能的研究
第六章 结论
药芯焊丝是熔焊材料的最新形式，市场对其需求量越来越大。与酸性渣系药性焊丝相比，碱性渣系药芯焊丝熔敷金属力学性能较好，但焊接工艺性能较差。针对这一现状，本文对碱性渣系气体保护药芯焊丝的焊接工艺性能进行了研究，主要结论如下：
MgO对药芯焊丝的熔滴过渡形态和飞溅率有较大的影响。药芯焊丝渣系1.
组分中，随着MgO含量的增加，过渡的熔滴由细颗粒逐渐转变为粗颗粒，过渡方向
逐渐偏离电弧中心线，即由轴向过渡向排斥过渡转变，焊接飞溅现象也越来越明显。但是，当MgO含量小于25%时，上述熔滴过渡变差和飞溅增大倾向较小。只有当MgO含量超过25%以后，熔滴过渡和飞溅指标才严重恶化。
即渣系组分中随2. 萤石(CaF2)对焊丝熔滴过渡与飞溅的影响与MgO相似，
萤石含量的增加，过渡熔滴变粗，飞溅增加。但如果渣系中用一部分氟硅酸钠代替萤石时，可以细化熔滴，降低飞溅。只是氟硅酸钠的加入量不能超过12%，否则飞溅率又会增加。
3. 渣系中加入金红石时，可以细化熔滴颗粒，降低焊接飞溅。但为了保证熔渣的碱度，试验中金红石的含量一般不超过18%。
4. 渣系中MgO、SiO2、CaF2和TiO2对熔渣覆盖性的影响：MgO、SiO2、CaF2和TiO2太少时，因造渣太少，易产生熔渣覆盖不全的现象；MgO含量超过28%后，熔渣易产生抱团现象，因而覆盖不好；SiO2含量超过7%，CaF2含量超过15%后，熔渣太稀，受重力的影响，熔渣往焊缝两边分开，因而覆盖性也不好。TiO2对熔渣覆盖起促进作用，但TiO2过多会降低熔渣的碱度。
5. 通过正交试验和回归分析，建立了脱渣率与渣系组分的数学关系：y=68.1−1.6x1−2.1x2−7.1x3+2.4x4+0.4x1+1.6x2+2.3x3−0.8x4 2222试验结果表明，在本文设计的渣系含量范围内，该模型反映了渣系组分对脱渣率的影响规律，对渣系组分配比的选择有一定的参考价值。
6. 熔渣的微观组织结构对脱渣性的影响为：当熔渣的组织粗大，第二相呈方向性较强的条带状，熔渣结构密实时，脱渣性较好。反之脱渣较差。脱渣性较好的熔渣易形成低熔点化合物，熔渣散热方向性好，凝固过程温度梯度大，因而组织粗大；脱渣性差的熔渣凝固时非自发形核晶粒多，熔渣散热性差，温度梯度小，晶粒不易长大。
7. 混合保护气体的流量比例对熔渣的覆盖性及脱渣性有一定的影响，当58
南京航空航天大学硕士学位论文
CO2气体和Ar气比例接近1:4时熔渣覆盖和脱渣性最好。
8. 渣系中MgO、CaF2、Na2SiF6、TiO2对焊接电弧稳定性的影响结果如下：
当MgO含量为18%~22%左右，CaF2和Na2SiF6含量为15%左右，TiO2含量较多时，焊接电弧稳定性能优良。
在综合对比MgO、CaF2、Na2SiF6、SiO2及TiO2对药芯焊丝熔滴过渡行为、电弧稳定性、熔渣覆盖性和脱渣性影响规律的基础上，研制了一种新型碱性药芯焊丝渣系。该渣系的主要成分为：MgO含量为22%~25%，CaF2含量6%左右，Na2SiF6含量9%左右，SiO2含量为5%~7%，TiO2含量15%左右。该渣系焊接工艺性能优良，对于碱性药芯焊丝的研制有较好的参考价值。
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碱性渣系混合气体保护药芯焊丝焊接工艺性能的研究
参 考 文 献
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南京航空航天大学硕士学位论文
致 谢
在本课题开题、试验和论文的撰写过程中，始终得到我的导师刘仁培教授的悉心指导
和教诲，对我课题的完成提出了许多宝贵的意见和建议。刘老师是一个为人宽厚、待人至诚、学识渊博的科学工作者。在两年多的时间里，在学习和生活上刘老师以及魏老师都给予了我很多的启迪，尤其是他们严谨的治学态度和认真务实的教学、科研态度，使我从中学到了很多做人、做事的道理。在此，向刘仁培老师多年来对学生的培养、关怀和教诲表示崇高的敬意和衷心的感谢。
同时要感谢材料学系王蕾、胡孝昀老师在试验中给予的指导和帮助、经常为我们加工试样的顾荣海老师，以及在高速摄影试验中给予指导和帮助的江苏科技大学的杨丰老师和王晓梁同学。
在焊接试验过程中得到了实验室吴键、汪虎等同学的帮助，在制作焊接金相试样过程中得到了史益平同学的帮助，在此也向他们表示感谢！
最后，向在攻读硕士期间所有指导、帮助和关心我的老师和同学们致以崇高的敬意!
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碱性渣系混合气体保护药芯焊丝焊接工艺性能的研究
在学期间的研究成果及发表的学术论文
[1] 张平, 吴键, 汪虎. 渣系组分对碱性药芯焊丝渣覆盖性的影响[J]. 机械工人(热加工),
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[2] 张平, 刘仁培, 汪虎. MgO对碱性气保护药芯焊丝熔滴过渡行为的影响[J]. 焊管, (已录
用，待刊).
[3] 张平, 刘仁培, 吴键, 汪虎. 渣系组分对碱性药芯焊丝脱渣性的影响[J]. 材料开发与应
用, (已录用，待刊).
[4] Liu Renpei, Zhang Ping. Study on droplet transfer behaviors of mixture gas-shielded basic
flux cored wire[C].International Conference on Trends in Welding Research, to be held 2-6 June 2008 at the Callaway Gardens Resort in Pine Mountain, Georgia, U.S.A.
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碱性渣系混合气体保护药芯焊丝焊接工艺性能的研究
作者：
学位授予单位：张平南京航空航天大学
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自保护焊药芯焊丝焊接技术,焊接工艺是为提高管线工程建设质量的一种焊接材料,它在管线建设中的应用将会越来广泛.通过在管线建设中采用自保焊药芯焊丝焊接工艺的应用,对提高焊接生产效率和焊接质量获得了较好效果.
2.会议论文 田悦.田立 长输管道药芯焊丝半自动焊接工艺试验研究 2000
本文介绍了用于长输管道建设的药芯焊丝半自动焊焊接工艺的试验情况.主要分析了在研制焊接工艺的过程中出现的问题.实践证明,本文所介绍的焊接工艺是适合我国管道建设特点的.
3.学位论文 阎利 E级钢钩舌药芯焊丝及焊接工艺改进 2006
针对铁路货车的E级钢钩舌，在厂修时，钩耳孔磨耗量大，采用手工焊接，难度大，生产效率底，焊接质量无法保证。E级钢(QG-E1)与B级钢(ZG230-450)、C级钢
(ZG25MnCrNiMo)的化学成份及机械性能均有很大差别。若直接采用C级钢专用的药芯焊丝的焊接工艺，难以保证质量要求。本文研制了适合E级钢钩舌孔、钩耳孔堆焊的药芯焊丝及其焊接工艺。因药芯焊丝熔敷速度高，消耗的熔敷金属量小，人工工时费用
低、消耗能源少等优势，因而其综合生产成本最低。
对新研制的焊丝进行了焊接工艺性能试验、熔敷金属化学成分分析、熔敷金属的拉伸、弯曲、冲击韧性等机械性能试验。试验焊缝熔合良好，E级钢药芯焊丝采用CO2气体保护焊时抗裂性良好。对E级钢药芯焊丝的焊缝材料机械性能试验结果与E级钢比较，力学性能达到了E级钢母材的要求。
该焊丝经过各项焊接工艺性能试验后，进入试生产阶段，针对在试生产阶段中出现的一些质量问题，如堆焊厚度不够、焊缝表面不平、加工后出现气孔等缺陷以及电弧不稳飞溅较大等缺陷，进行了焊丝成分改进、焊接工艺调试和焊接设备的调整及改进等工作。
经小批量生产验证，采用改进后合理的工艺，E级钢药芯焊丝具有良好的焊接工艺性能、电弧稳定、脱渣容易等优点。在E级钢车钩配件焊接生产中应用前景广阔。
4.期刊论文 曾平 药芯焊丝CO2单面焊接工艺的研究 -焊接技术2003,32(6)
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5.期刊论文 王辉.王学军 涩-宁-兰管道工程中的焊条电弧焊和药芯焊丝半自动焊混合焊接工艺 -焊接2003,\"\"(3)
介绍了涩-宁-兰输气管道工程中采用\"焊条电弧焊+药芯焊丝半自动焊\"焊接X60管材的工艺和X70管材的对照实验.根据施工实际,给出了该工艺的操作要点.指出该混合焊接工艺在西气东输管道工程焊接施工中有着很好的应用效果和前景.
6.期刊论文 孙咸 碱性渣系气体保护药芯焊丝立向上焊接工艺 -焊接2003,\"\"(9)
采用平板对接立向上焊接、焊接电弧物理观察等试验方法,观察了碱性渣系气体保护药芯焊丝熔滴过渡和电弧特性,研究了立向上焊焊缝成形机理及影响因素.结果表明,碱性焊丝立向上焊时,粗熔滴非轴向过渡和集中、活动型电弧特性使熔滴过渡的定向性很差,熔滴飞溅增大;碱性熔渣的流动性大,凝固速度慢,对熔池的扶托作用差,熔池的形状较难控制,焊缝成形相对困难.采用合理的、最佳匹配的焊接参数和有效的操作技术和运丝方式是获得满意立向上焊缝的必要条件.
7.学位论文 王斌 不锈钢药芯焊丝的工艺质量及抗气孔性研究 2009
2000年我国不锈钢的表观消费量约200万吨，预计2010年表观消费量将达800多万吨，约为2000年的4倍。不锈钢在工业领域中的强劲增势，必将带动不锈钢焊材的增长。不锈钢药芯焊丝具有生产效率高、焊接质量好、综合成本低等优点，近年来得到了大力发展，但其焊接工艺性仍存在一些问题，如脱渣性、焊缝中压坑的敏感性和高温热裂性以及全位置焊的适应性等问题。因此，研制一种焊接工艺优良、抗高温热裂性好的全位置不锈钢药芯焊丝，一直是近年来国内外焊接工作者追求的目标。
本文从以下几方面对308L不锈钢药芯焊丝的工艺性能进行了较为全面、系统的研
究。
(1)对含A种添加剂的不锈钢药芯焊丝的脱渣性进行了研究。试验结果表明，A种添加剂对药芯焊丝具有明显的脱渣作用，但A种添加剂对焊接接头的性能影响很大，因而需对其进行严格控制，并找到了含A量较少的一种配方且脱渣性稍好；进而通过均匀化设计，对药芯焊丝的主要矿物元素进行深入研究。结果表明，合理调整天然金红石、石英、氟化物、金属锰的比例可以解决含少量A种添加剂的不锈钢药芯焊丝的脱渣性问题。
(2)使用汉诺威电弧质量分析仪对4种不锈钢药芯焊丝的立焊性能进行了统计分析。试验结果表明，瞬时电弧电压、电流信号的变化以及焊接电压、电流概率密度分布(PPD)，短路时间频率N(T1)分布(CFD)和它们的标准偏差，可以准确、客观地反应出不锈钢药芯焊丝立焊的优劣性，并可实现立焊工艺(电弧稳定性、熔滴过渡、飞溅等)的可视化和定量化，对药芯焊丝全位置性的配方优化设计，具有指导意义。
(3)对不锈钢焊丝熔覆金属中易产生气孔(压坑)的主要矿物元素、药粉含水量等影响因素进行了研究。试验结果表明，合理调整矿物粉中的冰晶石、Al-Mg合金、氟化物的含量以及调整烘干工艺都可以降低熔覆金属的气孔(压坑)倾向，并对不同焊接工艺参数下熔覆金属中产生压坑倾向进行了研究，指出随焊接参数的增大，气孔(压坑)率具有先减小后增大的趋势；随焊接速度增大，气孔(压坑)率具有先增大后减小的趋势。
8.期刊论文 桂赤斌.朱泉.龙彪 10CrSiNiCuA CO2气保护药芯焊丝焊接工艺适应性评价 -焊接2002,\"\"(8)
通过试验,对10CrSiNiCuA CO2气保护药芯焊丝的焊接工艺适应性进行了评价.结果表明,10CrSiNi-CuA CO2气保护药芯焊丝的造船焊接工艺适应性良好.应用图表法对10CrSiNiCuACO2气保护药芯焊丝焊接10CrSiNiCuA的抗冷裂能力进行了分析.
9.会议论文 桂赤斌.朱泉.龙彪 10CrSiNiCuA CO<,2>气保护药芯焊丝焊接工艺适应性评价 2002
通过试验,对10CrSiNiCuA CO<,2>气保护药芯焊丝的焊接工艺适应性进行了评价.结果表明,10CrSiNiCuA CO<,2>气保护药芯焊丝的造船焊接工艺适应性良好.应用图表法对10CrSiNiCuA CO<,2>气保护药芯焊丝焊接10CrSiNiCuA的抗冷裂能力进行了分析.
10.期刊论文 左延红.缪宪文.Zuo Yanhong.Miao Xianwen 药芯焊丝混合气体保护焊在压路机转向机构焊接中的应用 -工程机械2008,39(9)
从压路机焊接式转向机构的材质、结构和焊缝布置入手,对焊接工艺性进行详细分析,从而得出尽管转向机构材质的可焊性较好,但由于构件的板厚较大且构件间板厚不均匀而导致转向机构焊接工艺性较差的结论.结合压路机转向机构工作环境恶劣、转向转矩大和焊接质量要求高的工作特点,以及药芯焊丝混合气体保护焊生产率高、焊接质量好和综合成本低等优点,从焊接方法、焊接参数选择、焊接环境及焊接工装选用等方面对压路机转向机构的焊接工艺进行深入探讨.在应用药芯焊丝混合气体保护焊焊接转向机构时,综合考虑焊接参数、焊接环境和焊接工装等因素,制定合理的焊接工艺并在生产中严格执行,能有效保证转向机构的焊缝质量.经检验证明,选用的焊接方法和制定的焊接工艺是合理有效的.
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下载时间：2010年10月19日
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