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、氣保護藥芯焊絲熔滴過渡形態(tài)的特點
1.1熔滴形成過程
觀察對接口“O”形截面藥芯焊絲熔滴形成過程，可以發(fā)現(xiàn)，進入電弧區(qū)的焊絲端部，在接口處及其附近的鋼帶首先快速熔化，而在接口的徑向處鋼帶則滯后熔化，于是很快形成了偏心熔滴懸于焊絲端部；與此同時處于焊絲端部、熔滴下方的還有滯后鋼帶熔化的所謂渣柱，有時還有滯后熔化的一小段細鋼帶，如圖1所示。隨著焊絲不斷送進，熔滴在電弧中急速旋轉、飄移并過渡。可以看出，電弧燃燒時，焊絲端部沿圓周方向不能同步熔化，而是沿接口處熔化速度快，接口徑向處熔化速度慢，結果出現(xiàn)偏心熔化（或馬蹄形熔化）、熔滴沿焊絲周邊懸掛運動和熔滴的非軸向過渡現(xiàn)象。至于處于熔滴下方的渣柱的形成，則是由于藥芯組成物熔點比鋼帶高所致。
1.2 熔滴過渡機理及過渡主導力
從藥芯焊絲熔滴過渡受力模型，如圖1所示可以看出，在電弧中熔滴受以下幾種力的作用：表面張力Fσ、重力Fg、電磁力Fc、氣體吹力Fq、斑點壓力Fb、等離子流力Fd。隨焊接參數(shù)的變化，各種力的大小和方向可能發(fā)生變化，致使熔滴過渡指數(shù)不斷改變，熔滴過渡形態(tài)發(fā)生變化。
研究表明，焊接電流較小時，重力和表面張力是熔滴過渡的主導力，此時重力促進熔滴過渡，而表面張力則阻礙熔滴過渡；焊接電流較大時，電磁力、等離子流力以及表面張力是熔滴過渡的主導力，它們均有利熔滴過渡；斑點壓力與電源極性有關，保護氣體吹力則對熔滴過渡可能產生負面影響。應當看到，熔滴過渡是上述各種力綜合作用的結果，熔滴過渡的控制實質上就是控制作用在熔滴上的各種力，這些力的變化及影響因素比較復雜。
1.3 熔滴過渡形態(tài)
試驗用藥芯焊絲熔滴過渡的基本形態(tài)是非軸向排斥滴狀過渡，其主要的過渡指標是熔滴尺寸、過渡頻率及熔滴過渡的非軸向傾向。熔滴過渡形態(tài)的變化，主要依賴于焊接電流變化。在小電流下焊接時，焊絲端部的滴狀熔滴受多種力作用下急速地擺動，并以非軸向方式不停地脫離焊絲實現(xiàn)過渡。隨焊接電流的增大，熔滴尺寸減小，過渡頻率增大，熔滴的非軸向傾向略顯減小；當焊接電流大于某范圍值后，熔滴尺寸急劇減小，過渡頻率急劇增大，熔滴沿焊絲渣柱方向過渡, 此時的形態(tài)可以稱為“射滴過渡”。熔滴沿渣柱的過渡行為，對穩(wěn)定電弧、減小焊接飛濺、改善操作工藝性較為有利[2]。在生產現(xiàn)場通常采用較大焊接電流，電弧電壓相應提高時，這類焊絲發(fā)生短路過渡的機會較小。
1.4 電弧形態(tài)
本文通過與實芯焊絲的對比觀察, 把藥芯焊絲的電弧形態(tài)分為四種類型：按電弧的連續(xù)性分，可以分為連續(xù)型和斷續(xù)型電�。话措娀〉幕顒有�，可以分為活動型和非活動型電弧。實芯焊絲CO2氣保護焊時，盡管熔滴的非軸向排斥過渡形態(tài)使電弧偏離焊絲軸線, 而且隨熔滴在焊絲端急速擺動而飄移不定，但電弧首先是在焊絲端頭的整個截面上產生的，同時熔滴在短路過渡瞬間會出現(xiàn)電弧瞬間熄滅現(xiàn)象，因此實芯焊絲的電弧形態(tài)屬于活動、斷續(xù)型。而“O”型截面藥芯焊絲CO2氣保護焊時，熔滴雖然也是非軸向排斥過渡形態(tài)，而且隨熔滴在焊絲端急速擺動而發(fā)生電弧遷移，然而電弧首先是產生在焊絲金屬外套管上，況且熔滴的滴狀過渡并未出現(xiàn)電弧瞬間熄滅現(xiàn)象，因此該類藥芯焊絲的電弧形態(tài)應屬于活動、連續(xù)型�？傮w上看，藥芯焊絲CO2氣保護焊時，因為藥芯中加有穩(wěn)弧劑，電弧的挺度和穩(wěn)定性均比實芯焊絲的好，焊絲的工藝性得到明顯的改善。
2、熔滴過渡形態(tài)對工藝質量的影響
熔滴過渡形態(tài)對工藝質量的關系, 可以通過焊接規(guī)范參數(shù)的變化，影響熔滴過渡指數(shù)變化，進而使工藝質量指標發(fā)生變化。見表1，采用Φ1.2mm 焊絲，在平焊位置，焊接電流增大至240~260A時，熔滴尺寸減小，過渡頻率增大，焊絲端部滯熔的渣柱尺寸增大，有一定數(shù)量的熔滴沿渣柱滑入熔池，此時電弧穩(wěn)定性較好，焊接飛濺較小，高溫渣流動性適中，熔渣覆蓋均勻，焊縫金屬光澤鮮亮，成形均勻美觀，焊絲工藝性優(yōu)良。當焊接電流繼續(xù)增大至280~300A時，熔滴尺寸再減小，過渡頻率再增大，焊絲端部滯熔的渣柱尺寸也增大，此時電弧穩(wěn)定性反而變差，熔滴不完全沿渣柱滑入熔池，焊接飛濺增大，高溫渣變稀，熔渣覆蓋不均勻，焊縫金屬光澤被氧化，成形不均勻，焊絲工藝性變差。當焊接電流減小至160~200A時，熔滴尺寸略大，過渡頻率減小，焊絲端部滯熔的渣柱尺寸小，此時電弧穩(wěn)定性略差，但熔滴絕大多數(shù)落入熔池，焊接飛濺不算太大，高溫渣的凝固范圍較小，形成“短渣”，熔渣覆蓋均勻, 焊縫金屬光澤好，成形均勻美觀，此時焊絲的立向上焊接工藝性優(yōu)良。
3、熔滴過渡形態(tài)的選擇
從表1可以看出，該類藥芯焊絲熔滴過渡形態(tài)和電弧形態(tài)大的類型已經確定，但是焊接電流參數(shù)能在很大程度上影響熔滴非軸向排斥過渡指數(shù)，進而影響焊絲的工藝質量。試驗表明, 存在一個最佳規(guī)范范圍，在此規(guī)范下, 熔滴過渡形態(tài)和電弧形態(tài)基本未變，熔滴非軸向排斥過渡指數(shù)被控制，焊絲的工藝質量較滿意。比如，Φ1.2mm 焊絲，水平位置焊接時最佳焊接電流范圍為240~260A，而立向上焊接時最佳焊接電流范圍則為160~180A。當然, 還必須匹配其他焊接參數(shù)，如電弧電壓、焊接速度、焊絲干伸長、氣體流量、電源極性以及運絲技術等。對于使用者或者用戶，只要根據(jù)被焊構件特點選用并調節(jié)焊接電流，同時匹配其他焊接參數(shù)，就可選定相應的熔滴過渡形態(tài)，并獲得較滿意的焊絲工藝質量。對于焊絲生產者，在研發(fā)某產品時他的出發(fā)點是通過配方設計，控制熔滴過渡指數(shù)中的核心指標，進而確定產品的熔滴過渡形態(tài)，以保證用戶在較寬松的規(guī)范范圍內選擇自己滿意的熔滴過渡形態(tài)和工藝質量。
根據(jù)以上分析，筆者比較傾向于這樣一個用戶熔滴過渡形態(tài)的選用原則，即“合于使用+參數(shù)匹配”原則。該原則的特點是強調產品特征或用戶要求，注重其他焊接參數(shù)的合理匹配。比如，有的產品結構中含有大量水平和平角焊縫，而且要求高效率、焊縫成形美觀，此時可以選用具有熔滴尺寸較小、過渡頻率較高、焊接飛濺小、焊縫光澤鮮亮、成形均勻美觀，焊絲工藝性優(yōu)良的過渡形態(tài)（此時最佳焊接電流范圍為240~260A）。再如，有的產品結構中立向上焊位置焊縫較多, 此時就應選用“全位置焊接適應性”指標好的過渡形態(tài)（此時最佳焊接電流范圍為160~180A）。還有，有的產品結構要求致密性很高，特別強調抗氣孔性要好，此時就應選用具有熔滴尺寸略粗、過渡頻率略低、氣孔敏感性小的過渡形態(tài)，而不能一味追求顆粒細、過渡頻率高等指標。
由此可見，熔滴過渡形態(tài)的選擇具有一定技術含量。對于一個好的藥芯焊絲制造企業(yè)，必須具有較強的研發(fā)能力，以致于在生產某一個產品品種時，能夠及時提供不同選用原則的軟件配方。否則，僅靠一個配方“打天下”，不僅不能應對復雜多變的市場需求，而且必將影響市場開發(fā)，甚至導致用戶流失。
4、熔滴過渡形態(tài)的應用
4.1 控制藥芯焊絲焊接飛濺的應用
表2是3種藥芯焊絲熔滴過渡指數(shù)與焊接飛濺關系測試結果。
可以看出, 3種焊絲的熔滴過渡形態(tài)、電弧形態(tài)基本相同，均為非軸向排斥滴狀為主的過渡形態(tài)和連續(xù)、活動型電弧形態(tài)。它們的熔滴過渡指數(shù)的主要差別是：①過渡頻率不同，其中B焊絲最高，達33.95Hz，A焊絲和C焊絲的比較接近，分別為27.06Hz和28.55Hz。②熔滴的大角度排斥過渡（熔滴與焊絲軸線間的夾角大于60°的過渡）次數(shù)不同，其中A焊絲最多，達39次，B焊絲最少，僅為6次，C焊絲居中，為22次。③大角度過渡熔滴存在時間和過渡間隔均勻性不同，其中A焊絲的存在時間較長, 間隔不均勻，B焊絲的存在時間較短、間隔較均勻，C焊絲的存在時間短、間隔很均勻。④熔滴依附渣柱過渡次數(shù)不同，其中A焊絲最少，為3次，B焊絲最多，為22次，C焊絲居中，為13次。⑤飛濺次數(shù)不同，其中A焊絲最多，達16次，B焊絲和C焊絲比較接近, 分別為7 次和8次。
不難看出，熔滴的粒度和過渡頻率不一定是影響飛濺的關鍵因素，飛濺小需要的是熔滴過渡阻力小，熔滴過渡區(qū)冶金反應生成CO氣體少�！叭鄣蔚拇蠼嵌扰懦膺^渡次數(shù)”和“大角度過渡熔滴存在時間、過渡間隔均勻性”，以及“熔滴依附渣柱過渡次數(shù)”指數(shù)，可以很大程度上反映熔滴過渡阻力大小。熔滴與焊絲軸線間夾角越大，熔滴過渡所受到的阻力就越大，熔滴過渡越困難。熔滴的大角度過渡次數(shù)越多，焊接工藝性就會變差，如圖2所示。
反之，熔滴與焊絲軸線間夾角越小，熔滴過渡所受到的阻力就越小，熔滴的小角度過渡次數(shù)越多，焊接工藝性就會變好，如圖3所示。據(jù)此, 本文提出改善熔滴過渡特性新觀點，即控制熔滴尺寸是必要條件，而控制“大角度過渡次數(shù)”、“熔滴存在時間和過渡間隔均勻性”、“依附渣柱過渡次數(shù)”則是充分條件。二者缺一不可。用該理論可以很好解釋上述試驗結果。A焊絲的大角度排斥過渡次數(shù)高，而且熔滴存在時間長、過渡間隔不均勻、依附渣柱過渡次數(shù)最少，熔滴過渡阻力大（斑點壓力大），熔滴的冶金反應時間長，產生的CO氣體量多，焊接飛濺傾向大，焊絲的綜合工藝性比較差。C焊絲正是在“充分條件”方面比A焊絲優(yōu)先，故其焊接飛濺傾向較小，綜合工藝性比較好。而B 焊絲在“充分”和“必要”條件方面均占優(yōu)勢，其綜合工藝性最好。
4.2 控制藥芯焊絲焊縫中氣孔（壓坑）的應用
4.2.1 熔滴過渡特性與氣孔（壓坑）關系的測試結果
鈦型渣系氣保護藥芯焊絲氣孔（壓坑）的出現(xiàn)率具有隨意性和伴隨性。氣孔和壓坑的外觀形態(tài)呈多樣性，其中氣孔以圓孔形為主，壓坑則以溝槽狀為主。從氣孔（壓坑）的內表特征看，都具有較光滑的內表面。綜合分析其特征可以判斷，除密集蜂窩狀型氣孔屬氮氣孔之外，其余形態(tài)氣孔（壓坑）的性質主要屬氫氣孔（壓坑）。
從表3可以看出，熔滴過渡形態(tài)對氣孔（壓坑）有一定的影響。綜合工藝性優(yōu)良的A焊絲，對氣孔（壓坑）敏感，工藝性稍差的B焊絲，對氣孔（壓坑）不敏感。原因是：A焊絲熔滴顆粒細，比表面積大，在電弧中熔滴吸收的氫多，進入熔池中的氫總量多，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；當氫在熔渣中的逸出條件差時，就易生壓坑。與之相反，B焊絲熔滴顆粒較粗，比表面積較小，熔滴吸收的氫少，進入熔池中的氫總量少，氣孔（壓坑）傾向小。
4.2.2 藥芯組成物的影響
作者研究了8種藥芯組成物對熔滴過渡形態(tài)的影響。結果表明，除氟化物對氣孔（壓坑）不敏感外，其余都對氣孔（壓坑）敏感。石英加入量的增加使氣孔（壓坑）傾向增大。其機理是，石英中的SiO2使熔滴的表面張力減小，熔滴被細化，細熔滴在電弧中吸收的氫多，進入熔池中氫總量增加，同時高溫渣變稠使熔池中氣體的逸出條件變差，綜合作用加劇了氣孔（壓坑）敏感性。長石加入量的增加, 使氣孔（壓坑）傾向增大。其機理是, 長石中的SiO2以及K2O和Na2O使熔滴的表面張力減小，熔滴細化。鋯英石加入量對氣孔（壓坑）敏感，也是熔滴細化的結果。鎂砂、鋁鎂合金加入量對氣孔（壓坑）敏感，是熔滴被細化, 高溫渣變稠，兩個因素影響所致。
隨藥芯中金紅石加入量的增加，電弧穩(wěn)定性變好，熔滴尺寸未細化，高溫渣變稠，脫渣性變好，飛濺減小, 氣孔（壓坑）傾向并未減小。熔滴未被細化是由于金紅石中含有大量的TiO2, TiO2的鍵能小，表面張力也小，在渣中會使其表面張力下降；但是TiO2結構十分穩(wěn)定，在焊接條件下不使熔滴增氧, 不能降低熔滴界面張力，致使它對熔滴的細化作用很弱所致。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(wěn)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(qū)氟化物與硅酸鹽發(fā)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。
4.2.3 工藝因素的影響
測試結果表明，工藝因素很大程度上通過改變熔滴過渡形態(tài)，進而影響氣孔（壓坑）敏感性。在諸多焊接參數(shù)中，焊接電流、電弧電壓對熔滴過渡形態(tài)—氣孔（壓坑）傾向影響的規(guī)律性，基本遵循了“熔滴過渡形態(tài)對氣孔的影響理論[3]”揭示的機理。
5、結束語
5.1 藥芯焊絲熔滴過渡的基本形態(tài)是非軸向排斥過渡，焊絲的電弧形態(tài)屬于活動、連續(xù)型，焊絲熔滴過渡受主導力控制。
5.2 在熔滴過渡形態(tài)和電弧形態(tài)基本未變條件下，隨焊接電流參數(shù)變化，熔滴過渡主導力發(fā)生變化，致使熔滴過渡指數(shù)改變和焊接工藝質量迥異。
5.3 藥芯焊絲熔滴過渡形態(tài)的“合于使用+參數(shù)匹配”選用原則，強調產品特征或用戶要求，注重其他焊接參數(shù)的合理匹配。
5.4 提出了通過熔滴過渡指數(shù)控制焊接飛濺，和通過電弧中熔滴吸收氫的總重量控制焊縫中氣孔（壓坑）的應用新思路。
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