基于表面張力的氧化物組分及含量對焊接飛濺的影響

劉西洋， 徐鍇， 楊淼森， 霍樹斌， 許可貴

(1.上海電機學院，上海 201306 ；2.哈爾濱焊接研究院有限公司， 哈爾濱 150028；3. 哈爾濱威爾焊接有限責任公司，哈爾濱 150028)

0 前言

自保護藥芯焊絲藥芯中含有大量的造氣物質，如碳酸鹽，大理石、螢石等，焊接時不需要外接氣體保護，具有操作方便、抗風性好、熔敷速度高等優點。但自保護藥芯焊絲也存在焊接飛濺大、氣孔敏感性高和易夾渣等缺點。焊接飛濺不但影響焊縫成形、降低熔敷效率，而且污染環境、增加焊后清理工作以及降低堆焊層性能[1-4]。

目前國內外學者對飛濺的類型、產生機理及影響因素等問題做了一些相關研究。李昱等人[5]認為藥芯中含有質量分數為1.5%的NaF時，焊接飛濺最少，主要以小顆粒飛濺為主。Zhang等人[6]認為在藥芯中加入20%的CaF2，可有效降低氣孔、飛濺和夾雜物等缺陷，焊縫成形良好。王皇等人[7]認為金屬粉芯型藥芯焊絲焊接飛濺類型主要包括氣泡放出型飛濺、縮頸飛濺和爆炸飛濺。Iordachescu等人[8]認為自保護藥芯焊絲熔滴過渡中弧橋并存過渡形成的飛濺很少。劉海云等人[9]為自保護藥芯焊絲熔滴過渡中弧橋并存過渡占比越多，飛濺越小。Schwab等人[10]發現脈沖電壓焊接時的飛濺率明顯低于恒定電壓焊接時的飛濺率。并按飛濺顆粒尺寸D，將其分為小尺寸飛濺(D<0.7 mm)、中等尺寸飛濺(0.7 mm1.3 mm)。明珠等人[11]研究發現高氮不銹鋼藥芯焊絲焊接時，飛濺的產生主要來自CO氣體的高溫膨脹爆炸。王勇等人[12]認為堿性藥芯焊絲焊接時，熔體的表面張力過大，易產生大顆粒飛濺。

文中從藥芯中氧化物表面張力變化角度，研究了藥芯中氧化物組分及含量對焊接飛濺的影響規律，對降低自保護藥芯焊絲飛濺率的研究有一定的指導意義。

1 試驗方法

試驗用弧焊電源(NBC-630)，具有直流平特性，采用直流反接，等速送絲。選定的基礎試驗參數見表1。焊接圖像采用日本FU-512型高速攝像機采集，采集頻率為2 000幀/s。

表1 選定的基礎試驗參數

參照GB/T 25776—2010推薦的方法進行試驗。試板選用鞍鋼生產的Q235鋼板，尺寸為300 mm×50 mm×20 mm。試驗時，將試板放在1 mm厚紫銅板圍成的圓筒中進行焊接試驗，便于飛濺的收集，如圖1所示。焊接過程中分別記錄焊前、焊后焊絲的質量及飛濺物的質量，飛濺率按式(1)進行計算。

(1)

式中：S為飛濺率；m為飛濺物質量；A為焊前焊絲質量；B為焊后焊絲質量。

圖1 用于收集焊接飛濺的裝置

2 試驗結果與分析

焊接飛濺的產生主要與熔滴受力密切相關，自保護藥芯焊絲熔滴所受的表面張力主要取決于藥芯組分的表面張力，藥芯組分的表面張力越大，熔滴所受的表面張力越大。自保護藥芯焊絲的藥芯中含有大量的氧化物(如金紅石、螢石等)，而常見氧化物的表面張力可以通過查表獲得，見表2。因此借助藥芯中各氧化物的表面張力不同，研究藥芯中氧化物組分及含量對飛濺的影響規律。

藥芯中添加氧化物的表面張力可由硅酸鹽渣系的表面張力近似求得，見式(2)：

σS=∑σiXi

(2)

式中：σS為藥芯中添加氧化物的表面張力；σi為組元i的表面張力(N/m2)；Xi為組元i的摩爾分數。

表2 常見氧化物1 400 ℃時表面張力 (N·m-2)

在保證藥芯中其它組分(合金元素、氟化物、冰晶石、鉀長石、碳酸鹽)及鋼帶不變的情況下，按照公式(2)進行了藥芯中添加不同氧化物(金紅石、鋯英砂、鎂鋁合金)的配比設計，獲得了表面張力不同的6種藥芯焊絲，并對其進行飛濺率測定，結果見表3。

表3 6種藥芯焊絲對應的飛濺率

TiO2，ZrO2、鋁鎂合金單一因素變化時，對焊接飛濺的影響規律可以由表3直觀得出：

表中，1號和6號可知，ZrO2和Al-Mg合金含量不變時，TiO2含量增大，有利于飛濺減小；2號和3號及1和4號可知，TiO2和Al-Mg合金含量不變時，少量ZrO2有利于飛濺減小，ZrO2含量過高時，飛濺變大；2號和4號可知，ZrO2和TiO2含量不變，Al-Mg合金含量增大，有利于飛濺減小。

藥芯中TiO2作為造渣劑、穩弧劑，其含量增多，可以使電弧更加穩定，熔池平靜，有利于降低焊接飛濺；Al-Mg合金能降低FeO含量，進而減少CO的釋放，降低焊接飛濺，但是Al-Mg合金反應產物主要為Al2O3和MgO，Al2O3和MgO易和SiO2，Na2O，K2O等成分在高溫條件下形成玻璃物質，降低熔渣的透氣性，易產生焊接飛濺；ZrO2在1 100～1 200 ℃時能發生晶態的可逆轉變，產生相變過程，使體積發生較大變化，少量ZrO2有利于脫渣，然而ZrO2熔點可達2 700 ℃，含量較高時，藥芯易產生嚴重滯熔，焊接飛濺變大。

TiO2，ZrO2、鋁鎂合金之間交互作用對焊接飛濺的影響分析較難，可借助于藥芯中添加氧化物表面張力對飛濺率的影響曲線圖進行分析，如圖2所示。

如圖2所示，添加氧化物的表面張力變化對飛濺率的影響顯著。該試驗條件下，焊接飛濺率隨添加氧化物表面張力的增加，呈現先減小后增大的趨勢；當添加氧化物表面張力為0.409 N/m2時，飛濺率達到最小值為4.52%。說明藥芯的表面張力存在一個最佳值，可以有效降低焊接飛濺。

圖2 氧化物表面張力對飛濺率的影響曲線

通過高速攝像觀察其熔滴過渡和飛濺時，發現3號、4號和6號三個焊絲熔滴過渡和飛濺產生的形式有顯著差別，并統計了其1 s內熔滴過渡的主要形式和周期，見表4。

表4 1 s內熔滴過渡情況

3號藥芯中的氧化物主要由TiO2和少量的Al-Mg合金組成，藥芯的表面張力較小。熔滴在電磁收縮力和等離子流力的作用下易發生小顆粒大角度排斥過渡，熔滴飛離焊接熔池，產生小顆粒飛濺(如圖3中的227 ms所示)，即熔滴過渡類型為小顆粒偏飛型飛濺，如圖3所示。

圖3 小顆粒偏飛型飛濺

6號藥芯中TiO2含量減小，ZrO2和Al-Mg合金含量增加，藥芯表面張力增大，熔滴在表面張力的作用下直徑達到30 mm(見圖4的85 ms)，易發生大顆粒短路過渡，產生電爆炸飛濺，即熔滴過渡類型為電爆炸型飛濺，如圖4所示。

圖4 電爆炸型飛濺

4號藥芯中TiO2,ZrO2和Al-Mg三種氧化物含量匹配適當，該試驗條件下藥芯表面張力值處于最佳區間，焊絲與熔池間產生了液橋(見圖5的238 ms)，熔滴沿液橋過渡，即發生弧橋并存過渡，此時飛濺多為液橋縮頸斷開時產生的(見圖5的240 ms)，且飛濺較小，即熔滴過渡類型為液橋爆斷型飛濺，如圖5所示。

圖5 液橋爆斷型飛濺

采用極端頂點混料回歸方法，運用Design Expert軟件，進行藥芯中礦物質組分及含量(A-為金紅石、B-為鋯英砂、C-為氟化物、D-為冰晶石、E-為鉀長石、F-碳酸鹽、G-為鋁鎂合金)與飛濺率相關性的研究中，獲得了TiO2,ZrO2和Al-Mg合金含量關于飛濺率回歸方程的二維等值線圖及三維響應曲面圖，如圖6所示。

由圖6可知，當C-為氟化物、D-冰晶石、E-鉀長石、F-碳酸鹽含量一定(C含量為0.094 kg、D含量為0.080 kg，E的含量為0.066 kg，F的含量為0.07 kg)時，A-金紅石、B-鋯英砂、G-鋁鎂合金含量存在最佳匹配值，使得飛濺率最小，與上文規律相同。

圖6 C，D，E，F含量一定時，A，B，G對飛濺率的影響

3 結論

(1)用藥芯中添加不同氧化物組分及含量的焊絲焊接時，飛濺產生的類型不同。藥芯表面張力較小時，易發生小顆粒偏飛型飛濺，表面張力較大時，易發生電爆炸型飛濺，表面張力適中時發生液橋爆斷型飛濺。

(2)藥芯中添加不同氧化物時，對焊接飛濺的影響十分明顯。當藥芯中氧化物組分及含量配比合適時，改善了熔滴表面張力，發生弧橋并存過渡，有效地降低了焊接飛濺。

(3)該試驗條件下，通過調節藥芯中金紅石、鋯英砂和鋁鎂合金含量，使添加氧化物的表面張力達到最佳值(σ=0.409 N/m2)，可以有效地降低焊接飛濺。