鈦型氣保護藥芯焊絲焊接飛濺與氣孔的關系

孫咸

（太原理工大學 焊接材料研究所，山西 太原030024）

鈦型氣保護藥芯焊絲焊接飛濺與氣孔的關系

孫咸

（太原理工大學 焊接材料研究所，山西 太原030024）

采用平板堆焊工藝評定、高速攝影等試驗方法，探討了鈦型氣保護藥芯焊絲焊接飛濺與氣孔的關系。結果表明，這類焊絲的飛濺屬于熔滴中氣體逸出或弧氣排斥所致飄離飛濺，焊接電流、電弧電壓等主要參數控制的熔滴過渡形態對焊接飛濺有重要影響。焊縫中氣孔（壓坑）的性質主要屬氫氣孔（壓坑），其產生機理基本遵循“熔滴過渡形態對氣孔的影響理論”揭示的機理；焊接參數中，焊接電流、電弧電壓對氣孔（壓坑）傾向影響的規律性更明顯。“飛濺小與氣孔傾向大”不協調的關系，實質上反映的是熔滴狀態與氣孔間的關系。

焊接飛濺；焊縫中氣孔；氣保護藥芯焊絲；鈦型渣系

0 前言

雖然說藥芯焊絲高效、自動化的優勢在諸多重要工程應用中充分展示，我國藥芯焊絲產業在激烈的市場競爭中迎來了一個新的發展時期。然而業內人士對于鈦型渣系如E501T-1型氣保護藥芯焊絲的品質，尤其是工藝質量問題的關注度一直未減。這是因為，一般用戶接觸到的所謂國產高水平藥芯焊絲在細節方面與國際名牌尚有差距。以日本神鋼DW-100為例，工藝評定中，飛濺比較小，可是其他指標，如成形、脫渣、電弧等，尤其是氣孔敏感性，都很“過得硬”，看不到“飛濺小與氣孔傾向大”不協調等現象，其綜合工藝非常滿意。國產藥芯焊絲在焊接飛濺與焊縫氣孔關系中出現不協調現象比較突出，科研及生產實踐親歷了該種（飛濺與氣孔關系）現象全過程[1]。雖然焊接飛濺和焊縫中的氣孔，是工程焊接中常見的工藝質量問題，可是關于“焊接飛濺與焊縫氣孔關系”的研究文獻，迄為今止，鮮見甚至未曾發現。為此，本研究特意將焊接飛濺、焊縫氣孔與熔滴過渡相聯系，探討飛濺、氣孔之間關系和控制原理。該項研究對推動企業技術進步、提升藥芯焊絲品質質量和產品競爭力，具有一定的參考意義和實用價值。

1 試驗材料及方法

試驗用焊絲為市售φ1.2 mm、E501T-1藥芯焊絲，焊絲的性能符合GB/T10045-2001規定。試驗用母材為20 mm厚的Q235B鋼板，試板尺寸為300 mm×150 mm×20 mm。試驗用焊機為松下KR-500型CO2氣體保護焊接設備。采用平板堆焊方法進行工藝性試驗，焊絲的工藝評定采用對比法，使用的焊接參數見表1。同時使用高速攝影觀察電弧行為及焊接飛濺細節。

表1 焊接參數

2 試驗結果及分析

2.1 鈦型氣保護藥芯焊絲焊接飛濺

2.1.1 焊接飛濺產生原理

與實芯焊絲相比，鈦型氣保護藥芯焊絲的工藝性得到了明顯的改善，焊接飛濺很小，但也不是說完全沒有飛濺，比如同類焊絲比較中，有的焊絲飛濺顯得略大。該類藥芯焊絲焊接飛濺產生與其電弧形態和熔滴過渡形態密切相關。首先，藥芯組成物內已經加入一定量K、Na等低電離電位元素，其電弧特性得以改善，但是，由于焊芯內部的藥粉不導電，電弧只能沿著焊絲外皮鋼帶燃燒并運動，因此它的電弧呈連續、活動型，其穩弧性并未達到最佳。其次，熔滴在電弧中處于一種非軸向排斥狀態，熔滴與焊絲軸向間的夾角角度呈大角度狀態、熔滴在焊絲端存留時間較長時，熔滴極易被甩出。最后，熔滴中氣體的膨脹及爆炸傾向與藥芯種類、焊接參數等有關。該類藥芯焊絲短路過渡的幾率很小，發生短路爆炸引起的飛濺也較少（當弧壓偏低時，發生短路過渡亦在預料之中）。總體上看，藥芯焊絲熔滴尺寸比實芯焊絲的要小，其焊接飛濺也較小。這類飛濺主要發生在熔滴與焊絲之間的縮頸處（熔滴脫離焊絲瞬間），該處通過的電流密度較大使金屬過熱，熔滴中生成的CO類氣體瞬間強烈釋放，導致熔滴破碎、爆斷，形成顆粒細小的飛濺。此即通常所說的熔滴氣體逸出飛濺（見圖1）。亦可能出現熔滴在空中被破碎的所謂飄離飛濺，以及極少數熔池中氣體逸出飛濺（見圖2）。

2.1.2 焊接飛濺影響因素

（1）熔滴過渡形態的影響。

圖1 熔滴中氣體逸出飛濺高速攝影

圖2 熔池中氣體逸出飛濺高速攝影

①熔滴被甩出性影響。這類藥芯焊絲熔滴的主流過渡形態是非軸向排斥滴狀過渡[3]，過渡形態本身決定了熔滴具有很大的易甩出性，稍不留神小的金屬碎滴就可能被甩出熔池，遇有陰極斑點壓力過大的情況時熔滴被甩出的幾率更大。而熔滴過渡形態直接受其冶金過程特性所控制，一旦過渡形態改善，熔滴被甩出的數量減小，飛濺就小；反之，飛濺嚴重。②熔滴尺寸影響。在熔滴的過渡區，熔滴的滲硅氧化反應，使熔滴細化，質量變小，被甩出傾向減小；反之，熔滴尺寸較大時，質量較重，被甩出傾向較大。③出現熔滴混合過渡的影響。當弧壓偏低時會發生短路過渡，短路爆炸引發的飛濺隨即加大。即便不發生短路過渡，偏低的弧壓沖力會使熔池金屬被噴擠出一些細碎顆粒飛濺。④熔滴中攜帶水氣的影響。熔滴中攜帶氣體較多時，在熔滴過渡區熔滴內部急劇膨脹爆開，導致飛濺增大的情況也有之。

（2）工藝因素的影響。

a.焊接電流與電弧電壓匹配的影響。

焊接電流-電弧電壓-熔滴尺寸-過渡形態關系如表2所示[4]。

表2 焊接電流-電弧電壓-熔滴尺寸-過渡形態關系[4]

由表2可知，焊接電流、電弧電壓匹配改變熔滴過渡形態。具體來說，焊接電流160 A、電弧電壓19 V時，熔滴粗大，電弧電壓偏低，熔滴呈短路過渡形態；焊接電流195 A、電弧電壓提高到26 V時，不發生短路，熔滴很粗大，呈大滴非軸向排斥滴狀過渡；焊接電流240 A、電弧電壓26 V時，熔滴變細了，不短路，仍為非軸向排斥滴狀過渡。電流單參數變化難以改變熔滴過渡形態，然而電弧電壓偏低一定會發生短路過渡。可見，電流與電弧電壓匹配時，能夠改變熔滴過渡形態。上述熔滴過渡形態變化的原因是，隨焊接電流增大（弧壓相應提高），弧柱溫度升高，電弧氧化性增強，焊絲端熔融金屬表面張力減小，熔滴容易被細化。同時熔滴沿渣柱滑落，飛濺也減小。焊接電流對熔滴細化起主要作用，弧壓對熔滴是否短路起決定作用。

圖3是根據文獻[4]試驗數據繪制的焊絲焊接電流-電弧點壓-焊接飛濺率關系曲線。由圖3可知，焊接電流150 A時，由于電弧電壓只有21 V，熔滴呈短路過渡形態，飛濺率很高；當電流增至180 A時，由于電弧電壓提至24 V，熔滴呈短路+滴狀混合過渡，飛濺減小；焊接電流210～240 A時，電弧電壓升至25～27 V，熔滴呈非軸向滴狀過渡，飛濺比弧壓24 V時減小；焊接電流270 A時，由于電弧電壓提至30 V，熔滴呈細滴狀過渡，飛濺明顯減小；焊接電流300～330 A時，電弧電壓升至33～35 V，出現飛濺率很小情況。此時的飛濺率與試驗結果（見表3）截然不同。試驗結果為：電流大于300 A，電弧電壓高于33 V后，飛濺反而增大，成形變差。文獻[5]分析認為，焊接電流增大到一定程度時，熔滴內部冶金反應更劇烈，斑點壓力過大，熔滴被甩出的更多；電弧電壓太高時，熔滴落下行程太長，不能完全沿渣柱滑入熔池，加劇了熔滴被甩出的傾向，更增大飛濺。

圖3 焊接電流-電弧電壓-飛濺率之間關系

表3 主要焊接參數對焊絲熔滴過渡及工藝性影響測試結果[5]

b.其他參數的影響。

焊絲干伸長變化不可能太大，要變化也僅限于15 mm、20 mm、25 mm之間，對熔滴過渡形態無實質性影響，故對焊接飛濺的影響不太大。當然，焊絲干伸長太長了，氣體保護效果不好，焊縫質量就變差。保護氣體流量變化（15 L/min、20 L/min、25 L/min）對熔滴過渡形態無大影響，故對焊接飛濺影響不明顯。焊接速度變化主要影響焊縫成形，對焊接飛濺無明顯影響。電源極性變化對工藝性影響十分強烈。直流正極性時焊接飛濺很大，工藝性很差。反極性時焊接飛濺減小，工藝性改善。焊接操作技術（含焊絲傾角）等對焊接工藝質量的影響不可小視。

綜上所述，影響焊接飛濺的因素比較復雜。熔滴過渡形態的影響是焊絲冶金特性所決定的，屬于冶金因素，涉及渣系選擇和配方設計。焊接工藝因素的影響，涉及參數優化和合理匹配，其中焊接電流和電弧電壓有重要影響。前者（熔滴過渡形態的影響）是焊絲內在因素，后者（工藝因素影響）是外在因素，外因通過內因起作用。最終歸結為焊絲設計、制造核心技術在起作用。

2.2 鈦型氣保護藥芯焊絲焊縫中氣孔

2.2.1 焊縫中氣孔類型、性質

前期的國產鈦型氣保護藥芯焊絲對氣孔（壓坑）比較敏感。焊縫中氣孔（壓坑）的出現率具有隨意性和伴隨性。所謂隨意性是指焊接規范和條件未改變而突發出現的氣孔（壓坑），所謂伴隨性是指氣孔與壓坑同時出現的情況。氣孔的形態有密集蜂窩狀型，亦有單個的或雙孔串接型；氣孔的尺寸為φ0.1mm～3.2 mm；壓坑的形態更是多姿多態，有長短不等、寬度各異、深淺不均、走向變化的溝槽狀壓坑，亦有與氣孔相連接或短段串接的條蟲狀壓坑，還有大小不等的島狀型壓坑，出現幾率較多的是針狀（俗稱“麻點”）型壓坑。從焊接條件和環境看，在坡口內焊接比坡口外（包括蓋面）出現氣孔（壓坑）的幾率小，在室內焊接比室外出現氣孔（壓坑）的幾率小。從焊接位置看，有的焊絲在水平位置焊時并不出氣孔（壓坑），但立向上焊接時，壓坑（氣孔）傾向較大，該壓坑多呈與焊接方向接近平行的、大小不等的條溝狀，有的是氣孔與條狀氣溝共存，有的只有條狀氣溝。從氣孔的內表特征看，氣孔的縱斷面呈喇叭型或半喇叭型，而且內表面較光滑。條狀壓坑的內壁亦較平滑。綜合分析其特征可以判斷，除了密集蜂窩狀型氣孔屬氮氣孔之外，其余形態氣孔（壓坑）的性質主要屬氫氣孔（壓坑）。

2.2.2 氣孔產生的原因

焊縫氣孔的產生，歸根結底是熔池中水分的行為在起作用。但是在研究過程中，對一些細節演變的描述出現了一些相關理論，比如有一種“熔滴過渡形態對氣孔的影響理論[5]”。該理論認為，焊縫中氣孔的產生，不僅取決于熔池中吸收氫氣的總量，還取決于熔池中氫氣逸出的難易程度。焊縫中壓坑的產生，與氣孔的產生具有同源性，即焊縫中的氣體及其逸出行為是其根源。當氣體從焊縫金屬中逸出被阻止于焊縫中，就形成了氣孔；當氣體從焊縫金屬中逸出被困于熔渣下面，或在焊縫金屬表面聚集時，就形成了焊縫表面壓坑。可以說，壓坑是氣孔的另一種表現形式。略有區別的是，后者對焊接熔渣的凝固速度、熔渣中氣體逸出的難易程度具有更強的依賴性。當焊絲熔滴顆粒細、比表面積大、在電弧中熔滴吸收的氫多、過渡頻率高時，進入熔池中的氫總量更多，當氫的逸出條件差時，就易生氣孔（此即“熔滴過渡形態對氣孔的影響理論[6]”）；當氫在熔渣中的逸出條件差時，就易生壓坑。

2.2.3 焊縫中氣孔影響因素

2.2.3.1 藥芯組成物的影響

研究表明，除了氟化物對氣孔（壓坑）不敏感外，促使熔滴細化的組成物如石英、長石等，都對氣孔（壓坑）敏感。其中，促使熔滴細化作用強烈的組成物，產生氣孔（壓坑）的傾向更嚴重。

金紅石加入量增大時，焊縫中氣孔（壓坑）傾向未減小原因較復雜：一方面熔滴未被細化，在電弧中吸收的氫量少，進入熔池中氫總量少，有利于減小氣孔（壓坑）敏感性；另一方面藥芯中金紅石含量的增大，高溫渣變得太稠，不利于熔池中氣體的逸出，反而增大氣孔（壓坑）敏感性。后者的影響比前者大，因此氣孔（壓坑）傾向并未減小。

隨藥芯中氟化物加入量的增加，電弧穩定性變差、熔滴的顆粒增大、飛濺和爆炸嚴重、高溫渣變稀、抗氣孔（壓坑）性增強。一方面是粗熔滴吸收的氫少，另一方面是在熔滴反應區氟化物與硅酸鹽發生冶金反應，降低電弧氣氛中的氫分壓，熔滴中的氫和進入熔池中的氫總量減少，從而降低了氫氣孔（壓坑）傾向。盡管如此，氟化物的加入量還是不宜過多，因為過量的氟化物會嚴重損害焊絲的工藝性。

2.2.3.2 工藝因素的影響

工藝因素對氣孔（壓坑）的影響如表4所示。

表4 工藝因素對氣孔（壓坑）的影響

由表4可知，影響因素中的焊接參數較多，但沒有具體的影響規律。

（1）焊接電流。焊接電流增大，電弧飄移減弱，電弧挺度變好，熔滴尺寸變細，過渡頻率提高，飛濺及成形改善，溝槽壓坑傾向增大。這可以用“細熔滴吸收氫多，帶入熔池的氫多，氣孔傾向大”的所謂熔滴過渡形態對氣孔的影響理論[5]來解釋。

（2）電弧電壓。在本研究試驗條件下，電弧電壓增大，電弧飄移減弱，電弧挺度變好，熔滴尺寸減小，過渡頻率提高，飛濺減小，成形變好，但溝槽壓坑傾向加劇。這是由于電弧電壓適度提高后，熔滴細化、過渡頻率提高，熔滴吸收的氫多，帶入熔池的氫多，氣孔傾向大。

（3）保護氣體流量。試驗表明，保護氣體流量的變化對焊絲工藝性影響并不明顯，但隨保護氣體流量提高，焊縫中溝槽傾向出現減小趨勢。這可能是保護氣體流量增大后，氣氛的氧化性增強，熔渣的流動性變好，氣體從熔池及熔渣中的逸出條件改善所致。

（4）焊絲干伸長度。焊絲干伸長度在試驗范圍內變化時，焊絲工藝性的變化不明顯，但L=25 mm時溝槽傾向減弱。這是由于干伸長度增大后，焊絲干伸部分的電阻熱增大，對藥芯粉的加熱使其水分蒸發，進入熔池中的氫少，溝槽壓坑傾向減小。

（5）焊接速度。在本試驗條件下，焊接速度對工藝性主要影響焊縫成形系數，即焊接速度快，焊道窄、余高大；反之，焊速慢，焊道寬、余高小。然而，隨焊接速度提高，溝槽壓坑傾向卻減小。該現象似乎與“焊速慢，熔池存在時間長，有利氣體逸出，氣孔傾向減小理論”相悖。但是從另一方面考慮，焊速很快時，熔渣不能緊跟電弧，熔池裸露，氣體容易逸出，有利減小溝槽壓坑傾向。

（6）電源極性。無論正反接，溝槽壓坑傾向并未減小。直流正接時不僅工藝性很差，而且溝槽壓坑與氣孔傾向要比前者嚴重。這是由于氫是以離子形態熔于熔池金屬的。直流反接時，熔池為負極，它發射大量電子，使熔池表面的氫離子又復合為原子，因而減少了進入熔池的氫離子數量；反之，正接時，熔池為正極，熔池表面的氫離子很容易進入熔池，熔池中含氫量高，氣孔（壓坑）傾向比前者大。

此外，運絲方式也有影響：直線運絲易生氣孔（壓坑）；橫擺能加強熔池鐵水攪動，有利熔池中氣體逸出，氣孔（壓坑）傾向減小。擺幅越大，速度越慢，效果越好。

擋風方式也有明顯影響：坡口內焊接比坡口外（包括蓋面）出現氣孔（壓坑）幾率小，室內比室外好，在焊接區設置擋風裝置比不設置好。

綜上可知，工藝因素很大程度上通過改變熔滴過渡形態，進而影響氣孔（壓坑）敏感性。在諸多焊接參數中，焊接電流、電弧電壓對熔滴過渡形態—氣孔（壓坑）傾向影響的規律性更直接、更明顯，基本遵循了“熔滴過渡形態對氣孔的影響理論[5]”揭示的機理。

2.3 鈦型氣保護藥芯焊絲焊接飛濺與焊縫氣孔的關系

在鈦型渣系條件下，可以調試出工藝性差距明顯的焊絲品種：一種是飛濺小、工藝手感好，但氣孔（壓坑）傾向大；另一種是飛濺大、手感差點，然而氣孔（壓坑）傾向明顯減小。兩種焊絲工藝質量規律性較強，再現性頗好。飛濺與氣孔之間一定存在某種內在聯系，其實，其源頭仍然是熔滴過渡形態，內在的聯系者或主導者就是熔滴。飛濺和氣孔這兩項指標都要和熔滴發生關系，它們三者間的關系如圖4所示。

圖4 焊接飛濺與焊縫中氣孔關系

這兩個指標之間不和諧關系，究其原因可以用熔滴過渡理論中所謂的熔滴尺寸控制理論予以解釋。焊接飛濺大的，一方面由于氣體從熔滴內部沖出而形成，另一方面由于斑點壓力造成的大角度熔滴破碎被甩出而形成。前者導致熔滴帶入熔池的氫總量減小，后者，熔滴很粗，又是大角度飄蕩，熔滴中氫量也能被甩出，進入熔池的氫總量也被減小，總的效果是進入熔池氫總量較小，氣孔傾向減小。反之，飛濺小的，熔滴細，帶入熔池的氫的總量較大，氣孔敏感。說到底，飛濺之所以與氣孔扯上關系，蓋源于熔滴攜帶氫的行為。

2.4 工程應用中飛濺與氣孔關系的協調或控制原理

對于焊接飛濺與焊縫氣孔關系的協調或控制，從工程上大量使用該類焊絲特征上，可以歸納為兩種控制（或協調）原則：一是藥芯組成物或成品焊絲低水分原則。即對藥芯組成物進行低水分處理，或者對成品焊絲低水分處理，涉及藥芯組成物或成品焊絲的烘烤工藝。這其中藥芯組成物實施烘烤并不意味著焊絲已經被徹底無水分化，只有成品絲高溫烘烤后才有可能獲得極低水分含量。二是適當犧牲焊絲工藝性原則（見圖5），即在合理焊接參數前提條件下，采用適當犧牲焊絲工藝性，容許少量飛濺，確保焊縫不出氣孔為原則。需要通過調整配方，使焊絲熔滴變得略為粗點，飛濺有一點，不影響質量，然而氣孔基本不出現。該原則已為部分國內外知名品牌焊絲所采用。當然，第一種原則方法在諸如伊薩等國際品牌藥芯焊絲上用得較多，效果顯著。兩種原則或方法比較，第一種低水分的焊絲使用性能更好，飛濺小、氣孔不敏感、焊縫金屬超低氫含量等。可是產品須經高溫烘烤而使生產工藝復雜化，成本提升。第二種焊絲使用性能用戶已接受，產品生產工藝無需更多改進，成本提升很小，國內外藥芯焊絲已廣為應用。

圖5 適當犧牲焊絲工藝性原則框圖

3 結論

（1）基于非軸向滴狀過渡形態，這類焊絲的焊接飛濺是熔滴中氣體逸出飛濺或弧氣排斥所致飄離飛濺；焊接電流、電弧電壓等主要參數控制的熔滴過渡形態對焊接飛濺有重要影響。

（2）焊縫中氣孔（壓坑）的性質主要屬氫氣孔（壓坑），其產生機理與進入熔池的水分行為密切相關，基本遵循“熔滴過渡形態對氣孔的影響理論[5]”揭示的機理；焊接參數中，焊接電流、電弧電壓對氣孔（壓坑）傾向影響的規律性更明顯。

（3）焊絲飛濺與氣孔傾向關系的內在主導者是焊絲熔滴，“飛濺小與氣孔傾向大”不協調的關系，實質上反映的是熔滴狀態與氣孔間的關系。

（4）工程上常采用兩種原則來處理飛濺與氣孔矛盾關系，兩種方法都獲得滿意效果，適當犧牲焊絲工藝原則已廣泛應用。

[1] 孫咸.氣保護藥芯焊絲工藝質量的選擇與控制[J].電焊機，2014，44（10）：33-38.

[2] 王寶，宋永倫.焊接電弧現象與焊接材料工藝性[M].北京：機械工業出版社，2012：134-135.

[3]孫咸.鈦型渣系氣保護藥芯焊絲研究進展[J].焊接，2012，（6）：6-12.

[4] 王燕.藥芯焊絲電弧焊熔滴過渡與焊接飛濺[J].電焊機，2013，43（4）：96-99.

[5] 孫咸.鈦型氣保護藥芯焊絲焊接參數的選擇與應用[J].機械制造文摘焊接分冊，2013（2）：1-6.

[6]孫咸.鈦型氣保護藥芯焊絲熔滴過渡與氣孔（壓坑）的關系[J].焊接，2007（12）：9-12，32.

Relation between welding spatter and porosity of titanium type gas shielded flux cored wire

SUN Xian
（Institute of Welding Consumables，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

The relationships between of welding spatter and porosity in weld metal for titanium-type gas-shielded flux-cored wire were discussed by flat-surfacing procedure qualification，high-speed photography and other test methods.The results show that the welding spatters are belongs to the one of escaping gas from droplet or one of caused from arc air excluding droplet，and the droplet transfer forms that controlled by main parameters such as welding current，arc voltage,have a significant effect on welding spatter.The nature of weld porosity（press hole）mainly is belongs to hydrogen-induced porosity（press hole），its generating mechanism basically follows the mechanism that is revealed by the theory about the effect of the droplet transfer shape on the porosity.The effect of welding current，arc voltage on porosity（press hole）tendency is more evident.The uncoordinated relations between about the small spatter and larger porosity tendency substantially reflect the relations between droplet shape and porosity.

welding spatter；porosity in weld metal；gas shielded flux cored wire；titanium slag system

TG403

：A

：1001-2303（2015）10-0011-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.03

2015-01-27；

：2015-03-20

孫 咸（1941—），教授，長期從事焊接材料及金屬焊接性方面的研究和教學工作，對焊接材料軟件開發具有豐富經驗。獲國家科技進步二等獎1項（2000年），省（部）級科技進步一等獎2項，二等獎3項，發表學術論文140多篇；1992年獲國務院頒發的政府特殊津貼。