活性劑對高速MAG焊焊接過程及焊縫成形的影響

（南京工程學院 材料科學與工程學院，江蘇 南京 211100）

0 前言

MAG焊是熔化焊中應用非常廣泛的一種焊接方法，為進一步提高焊接生產效率，充分發揮自動化焊接的潛力，發展了高速MAG焊。但高速MAG焊存在駝峰焊道、焊縫成形差等問題，阻礙了其發展。駝峰焊道是指焊縫金屬沿焊接方向分布嚴重不均、周期性交替出現“駝峰”和“谷底”的焊縫成形缺陷[1]。近年來，焊接研究人員在高速MAG焊駝峰焊道的形成機理、抑制駝峰焊道的技術措施等方面進行了深入研究。普遍認為電弧、熔滴過渡、熔池液相表面張力等諸多因素對熔池的綜合作用導致了高速MAG焊駝峰焊道的形成[2-4]。

活性劑焊接是一種新型的焊接工藝，主要通過活性劑改變熔池流動模式和電弧形態來對焊接過程產生作用，目前主要用于增加TIG焊的焊縫熔深[5-7]。本文針對高速MAG焊駝峰焊道和焊縫成形差的問題，通過實驗研究了Fe2O3、Cr2O3、K2O和CaF2四種單組分活性劑對高速MAG焊電弧穩定性、熔滴過渡及焊縫成形的影響。

1 實驗材料與方法

實驗采用規格為200mm×100mm×3mm的Q235鋼板作為母材。焊前將母材待焊表面打磨至露出金屬光澤，并用酒精清洗。實驗采用的四種單組分活性劑為 Fe2O3、Cr2O3、K2O 和 CaF2，均為粉末狀。焊前，每種活性劑都用酒精調成糊狀，用毛刷將糊狀活性劑均勻涂敷（以蓋住母材金屬光澤為宜）在母材待焊區域并晾干。

焊接過程采用自動平板堆焊，焊接設備為Fronius FK4000R逆變數字焊機，焊絲直徑1.2 mm，焊接速度1 000 mm/min，焊接電流200 A，干伸長12 mm，焊槍傾角 90°，保護氣為 φ（CO2）20%+φ（Ar）80%，保護氣流量18 L/min。采用焊接電信號數據采集儀獲取焊接電壓波形及焊接電壓概率密度分布圖。

焊后觀察分析不同活性劑對應的焊縫表面成形并截取各焊縫截面，測量熔深、熔寬和余高等焊縫幾何尺寸，每一焊縫幾何尺寸數據均為5處測量值的平均值。

2 試驗結果與分析

2.1 活性劑對高速MAG焊電弧穩定性及熔滴過渡的影響

涂敷4種不同活性劑及無活性劑等5種條件下的高速MAG焊焊接電壓波形如圖1所示。5種條件下高速MAG焊熔滴過渡方式均為短路過渡，但對應的短路過渡頻率明顯不同，未涂敷活性劑對應熔滴過渡頻率約為29滴/s，涂敷Fe2O3、Cr2O3、K2O和CaF2四種活性劑對應的熔滴過渡頻率分別為 36滴/s、46滴/s、110滴/s和 36滴/s。每次短路過渡結束重新燃弧時，涂敷Cr2O3對應的燃弧電壓最低，約為25 V，其他4種條件對應的重燃弧電壓均約為30V。同時，涂敷Cr2O3對應的熔滴過渡最為穩定，每次短路過渡周期基本保持一致。

5種條件下的高速MAG焊焊接電壓概率密度分布如圖2所示。

重燃弧電壓反映了電弧的穩定性，由圖2可知，5種條件對應焊接過程中重燃弧電壓超過30 V的概率從大到小依次為：CaF2、無活性劑、Fe2O3、K2O、Cr2O3，說明涂敷Cr2O3對應的焊接電弧最為穩定，涂敷CaF2對應的焊接電弧穩定性相對較差。焊接電壓概率密度分布圖的左峰反映的是熔滴過渡的短路電壓大小分布特征，雖然5種條件對應的短路電壓均近似正態分布，但涂敷Cr2O3相對其他4種條件所對應的焊接短路電壓更為集中，表明涂敷Cr2O3對應的焊接短路電壓變化最小，焊接過程的穩定性最好。

2.2 活性劑對高速MAG焊焊縫成形的影響

5種條件下的高速MAG焊焊縫成形如圖3所示。未涂敷活性劑的焊縫成形差，為明顯的駝峰焊道。涂敷CaF2活性劑的焊道不均勻，沒有完全消除駝峰焊道特征，但焊道駝峰和谷底之間的形狀差異大為降低。K2O、Fe2O3和Cr2O3三種活性劑均完全消除了高速焊焊道駝峰問題，焊道均勻，成形美觀，其中Cr2O3活性劑對應的焊縫成形最佳。

5種條件下的焊縫幾何尺寸如表1所示。無活性劑焊接對應焊縫熔深在駝峰和谷底處相差并不大，分別為0.29 mm和0.24 mm，涂敷4種活性劑對應的焊縫熔深相對于無活性劑的情況均明顯增加，其中Cr2O3活性劑對應的焊縫熔深最深，達到0.69 mm。無活性劑對應焊縫熔寬在駝峰和谷底處相差很大，分別為 3.91 mm 和 2.52 mm，涂敷 Fe2O3、Cr2O3、K2O三種活性劑對應焊縫熔寬均為4mm左右，涂敷CaF2活性劑對應焊縫熔寬在駝峰和谷底處相差也較大，分別為4.67 mm和3.23 mm。無活性劑對應焊縫余高在駝峰和谷底處相差非常大，分別為3.87mm和0.61 mm，涂覆CaF2活性劑對應焊縫余高在駝峰和谷底處相差也較大，分別為2.95 mm和1.39 mm。涂敷Fe2O3、Cr2O3、K2O三種活性劑對應焊縫余高一致，完全消除了駝峰焊道特征。

由此可見，在相同焊接參數下，采用活性劑的高速MAG焊焊縫熔深均顯著增加，同時，Fe2O3、Cr2O3、K2O三種活性劑完全消除了高速MAG焊駝峰焊道特征，熔寬和余高均勻一致，焊縫成形美觀，其中以Cr2O3對應的焊縫成形最好、焊縫熔深最深。

圖1 不同活性劑及無活性劑條件下的焊接電壓波形Fig.1 Wave graphs of welding arc voltage with different active agents and no active agent

2.3 活性劑對高速MAG焊焊接過程和焊縫成形的影響

高速焊接時，熔池向后液體流被拉長、厚度變薄，凝固形成駝峰焊道的谷底，阻止了液態金屬繼續向后流動，隆起部分開始凝固，形成駝峰焊道的駝峰，如此循環，形成了駝峰焊道[8]。在焊接區涂敷合適的活性劑消除了高速MAG的駝峰問題，其原因如下：首先，Fe2O3、Cr2O3、K2O 三種活性劑均為金屬氧化物，具有較低的逸出功，焊接過程中發射電子能力強，促進焊接電弧穩定燃燒，也使得每次短路過渡結束后的重燃弧電壓明顯變小。重燃弧變得容易，一方面促進了熔滴過渡的穩定性，另一方面也加快了熔滴過渡的頻率。K2O中的K為典型的低電離電位元素，成為氣態后的K元素進一步促進了電弧穩定燃燒，其熔滴過渡頻率達到最高的110滴/s。焊接過程穩定性的提高，熔滴過渡頻率的加快，使得熔滴變細小，且短路液橋頸縮斷開時間變短。熔滴快頻率進入熔池，使熔池向后液體流不易被拉長，阻礙了焊道谷底和駝峰的形成。而CaF2中的F元素為反電離元素，不利于電弧穩定燃燒，因而其焊接電壓波形相對不穩定，雖然熔滴過渡頻率也有所提高，但焊縫成形相對Fe2O3、Cr2O3、和K2O都差，沒有完全消除焊道駝峰現象。其次，活性劑改變了熔池的流動模式，實驗中4種活性劑均顯著增加了焊縫熔深，說明活性劑通過降低熔池液相的表面張力，促使熔池液相在熔池中心形成下沉式流動，將大量電弧熱量帶至熔池底部，從而大大加深了焊縫熔深，同時也抑制了高速焊過程中熔池向后液體流被拉長的效應，從而進一步阻礙了谷底和駝峰的形成。

圖2 不同活性劑及無活性劑條件下的焊接電壓概率密度分布Fig.2 Probabilistic density distributions of welding voltage with different active agents and no active agent

表1 不同活性劑及無活性劑條件下的焊縫幾何尺寸Table1 Geometric dimensions of welds with different active agents and no active agent

圖3 不同活性劑及無活性劑條件下的焊縫表面形貌Fig.3 Welding seam surface morphology with different active agents and no active agent

綜上所述，Fe2O3、Cr2O3、K2O 及 CaF2均大大優化了高速MAG焊的焊縫成形，但由于4種活性劑的逸出功、電離勢及對熔池金屬液相表面張力的影響程度不同，因而對焊縫成形的優化效果也存在一定的差異，其中以Cr2O3的優化效果最佳，完全消除了高速MAG焊駝峰焊道且焊縫成形非常美觀，而CaF2效果欠佳，未完全消除駝峰焊道現象。

3 結論

（1）Fe2O3、Cr2O3、K2O 及 CaF2四種活性劑均能增加高速MAG焊熔滴過渡頻率，其中K2O活性劑對應的熔滴過渡頻率達到 110 滴/s；Fe2O3、Cr2O3和K2O三種活性劑增加了高速MAG焊電弧穩定性，其中Cr2O3活性劑對應的焊接電弧最穩定。

（2）Fe2O3、Cr2O3、K2O 及 CaF2四種活性劑均顯著增大了高速MAG焊焊縫熔深。

（3）Fe2O3、Cr2O3及K2O三種活性劑通過穩定焊接電弧、增加熔滴過渡頻率和改變熔池液相流動模式，消除了1 000 mm/min高速MAG焊條件下的駝峰焊道現象，其中Cr2O3活性劑效果最為顯著。