焊絲藥芯成分中FeSi45 和FeS 的添加量對焊縫金屬潤濕鋪展性的影響

張兵志，徐龍堂，李超，張明，朱勝

(1.北京特種車輛研究所，北京100072;2.裝甲兵工程學院 裝備再制造技術國防科技重點實驗室，北京100072)

0 引言

戰場搶修條件下，采用焊接快速成形(RF)技術實現損傷或損毀零件的現場快速制造/再制造，對裝甲裝備的備件保障具有非常重要意義[1]。焊接RF技術是通過焊接實現近凈成形分層制造/再制造全焊縫金屬零件的先進技術，顯著區別于連接型的結構鋼焊接技術和修復型的耐磨堆焊技術。相對基于微束等離子焊、激光焊以及鎢極惰性氣體保護焊的焊接RF 技術，基于熔化極氣體保護焊的焊接RF 技術具有效率高、成本低的突出優點，在裝甲裝備的戰場搶修中應用前景廣泛，但是面臨著成形精度低的突出問題[2]。為了提高基于熔化極氣體保護焊的焊接RF 技術成形精度，許多研究者從優化焊接工藝參數[3]、三維模型補償[4]和融合數控加工技術[5]等方面進行了有益探索。本研究采用金屬芯焊絲作為成形材料，發揮金屬芯焊絲成分調整容易的優點，通過優化藥芯成分中FeSi45 和FeS 的含量，在一定焊接工藝條件下獲得小余高、大熔寬，具有良好潤濕鋪展性的焊縫，以提高成形精度;同時，通過高速攝像觀察了熔滴過渡方式，探討了焊縫金屬的潤濕鋪展機理。

1 試驗部分

1.1 焊縫金屬潤濕鋪展性的表征方法

在釬焊研究中，通常采用潤濕角θ 表征釬料在金屬表面的潤濕鋪展性好壞。在焊接快速成形中，為了兼顧成形精度和成形件的力學性能，還需要考慮焊縫的熔寬W 和余高R[6]。因此，采用潤濕角θ、熔寬W 和余高R 表征焊縫金屬的潤濕鋪展性，如圖1示意所示。由圖1 可見，θ、R 越小，W 越大，焊縫金屬的潤濕鋪展性就越好。

1.2 試驗材料與方法

對于Fe 基金屬芯焊絲，在合金成分優化的基礎上，按照表1 所示兩種方式調整藥芯成分中FeSi45和FeS 的添加量，除Fe 粉外其他成分含量固定。焊絲直徑為1.2 mm，加粉系數為18% ～20%.

表1 藥芯成分中FeSi45 和FeS 的添加量Tab.1 Contents of FeSi45 and FeS in flux－cored components

焊接試驗在尺寸為200 mm ×100 mm ×10 mm 的Q235 鋼板上，采用Fronius TPS4000 型脈沖MIG/MAG 焊機，由ABB IR2400 機器人夾持焊槍進行單道焊。焊接工藝參數如表2 所示。

表2 單道焊工藝參數Tab.2 Processing parameters of single weld

采用線切割將每一道焊縫試樣切成3 段，磨光后采用5%的硝酸酒精腐蝕，在讀數顯微鏡下觀測焊縫金屬的余高R、熔寬W 和潤濕角θ，測量精度為5.2 μm，每一個參數的測量值均取自3 個測量數據的平均值。

采用德國Optronis 公司的CamRecord CL600X2型高速相機觀察金屬芯焊絲的熔滴過渡，觀察時基板置于數控工作臺上按照設定的焊接速度移動，焊槍固定不動。采用陣列式激光點光源作為背景光，設定的幀頻為10 117 f/s，圖像尺寸為192 像素×200 像素，曝光時間1 μs，將采集到的連續圖像按照每隔19 幀選取1 幀的方法組成連續圖像。

2 試驗結果與分析

2.1 FeSi45 的添加量對焊縫金屬潤濕鋪展性的影響

圖2 和圖3 分別為FeSi45 的添加量與焊縫熔寬、余高的關系圖。由圖2 和圖3 可見，在FeSi45添加量一定的條件下，隨著送絲速度的提高，焊縫的熔寬不斷增加;余高的變化比較復雜;在送絲速度較低(2.6 ～3.4 m/min)時，余高比熔寬增加的速率更高;而隨著送絲速度的進一步提高(3.4 ～4.2 m/min)，熔寬緩慢增加，余高基本不變，甚至出現降低的趨勢;當送絲速度提高到4.2 m/min 以上時，熔寬比余高增加的速率更高。

圖2 FeSi45 的添加量與焊縫熔寬的關系Fig.2 Relations between contents of FeSi45 and weld width

圖3 FeSi45 的添加量與焊縫余高的關系Fig.3 Relations between contents of FeSi45 and weld reinforcement

圖2表明，在相同的送絲速度條件下，熔寬隨FeSi45 添加量的增加而增加。圖3 表明，在相同的送絲速度條件下，FeSi45 添加量過高或過低，均會導致余高較大，FeSi45 添加量在7.38% ～11.21%條件下，余高較小。

圖4 為FeSi45 添加量與焊縫潤濕角的關系曲線圖。由圖4 可見，在相同的送絲速度條件下，Fe－Si45 添加量過低，導致焊縫金屬的潤濕角急劇增加，潤濕鋪展性非常差;FeSi45 添加量在7.38% ～15.04%條件下，焊縫金屬的潤濕角較小，說明焊縫金屬的潤濕鋪展性較好;其中，FeSi45 添加量在11.21%條件下，潤濕角最小。

圖4 FeSi45 添加量與焊縫潤濕角的關系Fig.4 Relations between contents of FeSi45 and wetting angle

2.2 FeS 的添加量對焊縫金屬潤濕鋪展性的影響

圖5 和圖6 分別為FeS 的添加量與焊縫熔寬、余高的關系圖。由圖5 可見，在FeS 添加量一定的條件下，隨著送絲速度的提高，焊縫的熔寬呈現不斷增加的趨勢。在送絲速度較低(2.6 m/min)時，焊縫的熔寬較小，而余高較大，形成了窄而高的焊縫，這種形狀的焊縫在成形過程中極容易造成搭接不良，形成氣孔缺陷，不適于焊接快速成形。

圖5 FeS 的添加量與焊縫熔寬的關系Fig.5 Relations between contents of FeS and weld width

由圖6 可見，當藥芯中FeS 添加量為0.2%時，在很大的送絲速度范圍內，焊縫的余高均小于1.0 mm，而增加FeS 的添加量，余高均出現相應的增加。

圖7 為FeS 添加量與焊縫潤濕角的關系曲線圖。由圖7 可以看出，在藥芯成分中FeS 添加量相同的條件下，隨送絲速度的提高，潤濕角先是急劇減小，而后先增加后減小。總的來說，潤濕角隨送絲速度的提高表現為降低的趨勢。在送絲速度一定的條件下，潤濕角不隨藥芯成分中FeS 添加量的增加而減小，但是在送絲速度為3.0 ～4.2 m/min 條件下，藥芯成分中FeS 添加量為0.2%時，焊縫金屬的潤濕角最小，處于40°以下水平。

圖6 FeS 的添加量與焊縫余高的關系Fig.6 Relations between contents of FeS and weld width

圖7 FeS 的添加量與焊縫潤濕角的關系Fig.7 Relations between contents of FeS and wetting angle

綜上分析可見，當金屬芯焊絲藥芯成分中Fe－Si45 添加量為11.21%、FeS 添加量為0.2% 條件下，可以獲得潤濕鋪展性較好的焊縫。

2.3 焊縫金屬的潤濕鋪展機理

表面活性元素(如Si、S、O 等)可以顯著降低液態金屬的表面張力[7－8]，從而可能改變焊接過程中熔滴的過渡形式，影響焊縫金屬的潤濕鋪展性，最終形成不同幾何形狀的焊縫。本研究中，FeSi45 和FeS 的不同添加量直接決定了液態熔滴中Si 和S 兩種表面活性元素的含量，兩者均可起到降低液態金屬表面張力的作用。

焊接快速成形過程中，為防止熱輸入過大導致熔池金屬流淌以及基板和成形件的變形、翹曲，通常采用小電流(70 ～200 A)焊接以降低熱輸入。因此，在送絲速度為4.2 m/min 條件下(焊接電流約為150 A)，采用高速相機觀察了藥芯成分中添加FeSi45為11.21%、FeS 為0.2%的金屬芯焊絲熔滴過渡情況，如圖8 所示。

由圖8 可見，金屬芯焊絲的最大熔滴直徑接近2 倍焊絲直徑，熔滴過渡形式為大滴過渡，熔滴過渡穩定，無明顯飛濺。通常，小電流焊接條件下，熔滴過渡形式會出現穩定的大滴過渡。本研究中，在小電流焊接條件下，藥芯成分中雖然添加了一定量的FeSi45 和FeS，但液態熔滴中所含的表面活性元素Si 和S 并沒有致使熔滴過渡形式由大滴過渡轉變為射滴過渡。當金屬芯焊絲的熔滴過渡形式為大滴過渡時，熔滴被電弧加熱的時間較長，熔滴熱焓較大[9]，從而更加有利于形成鋪展性較好的焊縫。

圖8 熔滴過渡過程的高速攝像照片Fig.8 Photographs of high velocity camera for transition process of weld droplets

3 結論

本文針對提高裝甲裝備備件焊接快速成形精度對焊縫金屬潤濕鋪展性的需求，提出了采用熔寬、余高和潤濕角表征焊縫金屬潤濕鋪展性的方法，通過試驗研究了藥芯成分中FeSi45 和FeS 的添加量對金屬芯焊絲焊縫金屬潤濕鋪展性的影響規律，探討了焊縫金屬的潤濕鋪展機理。根據試驗結果與分析，得到如下結論:

1)FeSi45 和FeS 的添加量對焊縫金屬潤濕鋪展性的影響與焊接工藝參數相關，在一定焊接工藝參數范圍內，藥芯成分中FeSi45 和FeS 添加量分別為11.21%、0.2%時，可以獲得潤濕鋪展性較好的焊縫。

2)當藥芯成分中FeSi45 和FeS 添加量分別為11.21%、0.2%時，在小電流焊接條件下，金屬芯焊絲的熔滴過渡形式為大滴過渡，熔滴過渡穩定，無明顯飛濺。大滴過渡情況下，熔滴被電弧加熱的時間較長，熱焓較大，是焊縫金屬潤濕鋪展良好的主要原因。

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