焊接保護氣體對熔滴過渡過程的影響

夏立乾

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

熔化極氣體保護焊方法中把焊絲作為電極,焊絲因電弧熱而產生熔化,并成為熔滴向熔池過渡。焊接過程的穩定與否,直接關系到焊縫的成形情況、缺陷的形成和焊接接頭的質量。焊接保護氣體作為熔化極氣體保護焊中的一項重要影響因素,有研究表明,焊接保護氣體的不同選擇,會對焊接電弧的溫度分布、熔滴的過渡模式、熔池的形態、焊縫的成形以及最終焊接接頭的力學性能造成影響[1-4]。在焊接過程中,每當熔滴從焊絲端部脫落時,就斷續性使電弧長度發生變化。因此過渡熔滴的大小、形狀、過渡頻率決定著電弧的穩定性,對焊接操作性及焊縫品質構成影響[5]。為了研究焊接保護氣體對熔滴過渡過程的影響,從而為氣體的選擇提供指導,選用了典型的二元氣體、三元氣體、四元氣體不同的組分配比,開展焊接工藝性能試驗,對比不同焊接保護氣體組分和配比對焊接過程的影響。

1 試驗過程

焊接設備為Fronius TranSteel 5000型氣體保護焊焊機,拍攝設備為PHANTOM VEO710L型高速攝像機,焊接材料為直徑1.2 mm超高強氣體保護焊焊絲,其熔敷金屬力學性能如表1所示,試樣平臺的搭設如圖1所示。

表1 超高強焊絲熔敷金屬力學性能

圖1 試驗平臺

固定焊絲干伸長度,采用大電流參數規范在平焊位置進行堆焊試驗,改變保護氣體組分,由此來對比研究保護氣體對大電流焊接時的工藝穩定性影響。實際焊接試驗中,將干伸長設定為16 mm,電流360 A進行焊接,具體的焊接參數如表2所示。由于采用的焊接保護氣體的差異,焊接電壓會存在差異。

表2 焊接工藝參數

焊接過程中,利用高速攝像機以5 000幀/s記錄下電弧微區影像。高速攝像機與照明激光設置在同一側,通過激光強度和攝像機曝光設置,使畫面可以記錄下電弧形態和熔滴過渡的信息。采用不同保護氣體的焊接過程如圖2所示。

圖2 焊接過程高速攝影圖像

如圖3所示,經過對焊接過程的觀察與分析,利用示意圖對其進行描述。從電弧形態上看,二元氣體焊接時電弧成半圓狀,電弧覆蓋范圍最寬；三元氣體焊接時電弧成鐘狀,電弧高度最大；四元氣體焊接時電弧成掃帚狀,電弧最矮也最窄。

圖3 熔滴過渡及電弧形態示意圖

從熔滴過渡的形式上看,采用二元氣體作為保護氣氛焊接時,焊絲熔化后,電弧會將熔滴托起,熔滴不斷長大,有的熔滴過渡到熔池當中,有的熔滴從電弧上方甩出。采用三元氣體作為保護氣氛焊接時,焊絲熔化后熔滴在電弧內部長大,形成大小不一的熔滴,從焊絲端部脫落并落入熔池當中。采用四元氣體作為保護氣氛焊接時,焊絲熔化后在電弧內部成流水狀過渡到熔池當中。

2 分析與討論

焊接電弧中焊絲前端的熔化金屬脫離、過渡到熔池當中,其主要受到的作用力有:重力、表面張力、電磁力、摩擦力等,如圖4所示[5]。在大電流規范的焊接過程中,電磁力對熔滴脫落、熔滴過渡的影響是非常大的,起到了不可忽略的作用。

圖4 熔滴所受作用力示意圖

采用二元氣體焊接時,電弧形態寬矮,處于焊絲端部熔化液體的下方,此時電磁力向上作用,阻礙熔滴向熔池的過渡。在大電流焊接時,較大的電磁力將熔滴托起,甚至是拋出電弧范圍造成飛濺,呈現出排斥過渡的形式。采用三元氣體焊接時,熔滴在表面張力的作用下不斷長大,一部分電磁力使熔滴發生收縮,一部分電磁力向下將熔滴推向熔池,故形成了上述大滴過渡的形式；采用四元氣體焊接時,焊絲金屬熔化形成細小的液滴或是連續的液體柱,在電磁力的作用下驅使液體從頸縮部位向膨脹部位流動,即促使熔滴向熔池的過渡,呈現出射流過渡的形式。

從不同成分保護氣體作用的角度進行分析:CO2熱導率較大,并且CO2分解后產生CO和自由氧,使得電弧冷卻,對弧柱起到壓縮作用。使用80%Ar+20%CO2保護氣體時,電弧收縮集中在熔滴底部的一個窄小區域,阻礙了熔滴的過渡。O2的存在有利于克服電弧的陰極飄逸現象,增加電弧的穩定。同時能降低熔池的表面張力,可以改善圓潤性,減小熔滴尺寸。使用85%Ar+10%CO2+5%O2保護氣體時,電弧可以將焊絲末端包覆其中,而未被過度壓縮。He具有較高的電離能,能夠提高電弧能量,改變電弧形態,使得電弧挺度增加。采用65%Ar+26.5%He+8%CO2+0.5%O2保護氣體時,其電弧較矮且形態最利于熔化的液體向熔池進行過渡。

3 結論

通過高速攝影對焊接過程的電弧形態和熔滴過渡行為進行分析,對比了不同保護氣體組分對焊接穩定性的影響。

(1) 在大電流規范時,采用二元、三元、四元保護氣體分別呈現出排斥過渡、大滴過渡和射流過渡的不同熔滴過渡形式。

(2) 電弧形態的不同,電磁力對于熔滴的過渡也會有阻礙和促進的區別。

(3) 對于本文采用的三種焊接保護氣體,四元保護氣相比于三元和二元保護氣可以提高焊接過程的穩定性。