孫咸

摘要： 采用平板堆焊、焊絲配方調(diào)整、焊絲工藝評(píng)定及理化分析等試驗(yàn)方法，研制了一種具有焊縫波紋的鈦型氣體保護(hù)藥芯焊絲。結(jié)果表明，當(dāng)熱源（或熔池）移動(dòng)速度過(guò)快，或者焊絲的熔化速度過(guò)慢時(shí)，由于熔池輪廓瞬間不重合形成了焊縫波紋。在焊縫波紋的多種影響因素中，熔渣堿度變化是內(nèi)因，焊絲波紋特征主要受熔渣堿度控制。有波紋焊絲的工藝性比無(wú)波紋焊絲略差，但差別不大；有波紋焊絲與無(wú)波紋焊絲的熔敷金屬力學(xué)性都符合國(guó)標(biāo)規(guī)定。有波紋焊絲對(duì)控制焊縫氣孔（壓坑）有利，具有綜合生產(chǎn)成本較低優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景值得期待。

關(guān)鍵詞： 藥芯焊絲；氣體保護(hù)；鈦型渣系；焊縫波紋

中圖分類號(hào)： TG422.3

Development of titaniumtype gasshielded fluxcoredwire with weld ripple

Sun Xian

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

Abstract： The fluxcored wire with weld ripple were developed by the test methods such as surfacing on the plate， wire formulation adjustment ， Process evaluation of wire， physical and chemical analysis of wire and so on. The results show that the weld molten pool contours instantaneously do not coincide to form the weld ripple when heat source（or molten pool） moves too fast， or when melting speed of fluxcored wire is too slow. The slag basicity changes of wire are internal factors， the weld ripple features of fluxcored wire mainly are controlled by the basicity of slag in the variety influencing factors of weld ripple. The usability of wire with weld ripple is not as good as one with weld ripplefree but the difference is not big， the mechanical properties of deposited metal with weld ripple and ripplefree wire are in line with the national standard. The fluxcored wire with weld ripple can help control weld porosity （press hole）， has the lower comprehensive production cost advantages， and its application prospect is worth looking forward to.

Key words： flux core wire； gasshielded； titanium slag； weld ripple

0 前言

藥芯焊絲高效、自動(dòng)化優(yōu)勢(shì)在諸多重要工程應(yīng)用中充分展示，國(guó)產(chǎn)藥芯焊絲技術(shù)水平與世界領(lǐng)先企業(yè)的差距在不斷縮小[1]，國(guó)內(nèi)藥芯焊絲產(chǎn)業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中迎來(lái)了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。然而業(yè)內(nèi)人士對(duì)于鈦型渣系氣體保護(hù)藥芯焊絲的品質(zhì)（如E501T-1型）的關(guān)注度一直未減。原因是一般用戶接觸到的、所謂國(guó)產(chǎn)高水平藥芯焊絲，在細(xì)節(jié)方面與國(guó)際名牌尚有差距。以日本神鋼DW-100為例，工藝評(píng)定中，飛濺較小，可是其他指標(biāo)，如成形、脫渣、電弧等，尤其是氣孔敏感性，都很“過(guò)硬”，其綜合工藝較好。用戶對(duì)國(guó)產(chǎn)藥芯焊絲氣孔（壓坑）敏感性問(wèn)題時(shí)有反映，有時(shí)甚至比較嚴(yán)重。根據(jù)現(xiàn)有的理論[2-5]，生產(chǎn)企業(yè)對(duì)控制焊絲氣孔（壓坑）采取了必要的措施，可是要使焊絲“無(wú)氣孔（壓坑）”成為一種常態(tài)化，尚需業(yè)界作進(jìn)一步努力或激發(fā)新的思路。筆者在研究中，發(fā)現(xiàn)焊縫表面特征與氣孔（壓坑）有關(guān)，迄今為止，未曾見(jiàn)到焊縫中氣孔（壓坑）與焊縫波紋相聯(lián)系的文獻(xiàn)。為此，文中特意研制了一種具有焊縫波紋的鈦型渣系藥芯焊絲，探討焊縫波紋的形成機(jī)理及影響因素，測(cè)試焊絲各項(xiàng)性能。該項(xiàng)研究對(duì)推動(dòng)企業(yè)技術(shù)進(jìn)步、提升藥芯焊絲品質(zhì)質(zhì)量和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，具有一定的參考意義和實(shí)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用焊絲2種：焊絲A為市售1.2 mm的E501T-1型藥芯焊絲（通常焊縫表面無(wú)明顯波紋），焊絲B為自制的1.2 mm的E501T-1型藥芯焊絲（焊縫表面有明顯波紋）。兩種焊絲的性能均符合GB/T 10045—2001《碳鋼藥芯焊絲》規(guī)定。試驗(yàn)用母材為20 mm厚的Q235B鋼板，試板尺寸為300 mm×150 mm×20 mm。試驗(yàn)用焊機(jī)為松下KR-500型CO2氣體保護(hù)焊接設(shè)備，采用平板半自動(dòng)堆焊方法進(jìn)行焊絲工藝性試驗(yàn)，工藝評(píng)定采用對(duì)比法，焊絲熔敷金屬化學(xué)成分分析及力學(xué)性能試驗(yàn)均按GB/T 10045—2001《碳鋼藥芯焊絲》規(guī)定進(jìn)行，試驗(yàn)用焊接參數(shù)見(jiàn)表1。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊縫波紋形成機(jī)理

在電弧熱源作用下，母材上由熔化焊絲與局部熔化的母材所組成的、具有一定幾何形狀的焊接熔池（圖1、圖2）。通常情況下，焊接熔池是以等速隨熱源而移動(dòng)，在熔池中金屬的熔化和凝固過(guò)程是同時(shí)進(jìn)行的，即熔池前半部進(jìn)行熔化過(guò)程，而后半部進(jìn)行凝固過(guò)程。熔池持續(xù)平穩(wěn)移動(dòng)，熔池凝固便形成了具有一定熔寬、熔深和一定余高的連續(xù)焊縫。熔池的外形是橢球狀曲面（圖2），該曲面也就是熔池結(jié)晶等溫面（或簡(jiǎn)稱熔池輪廓）。焊縫波紋的形狀就是熔池結(jié)晶等溫面平穩(wěn)移動(dòng)在焊縫表面呈現(xiàn)的痕跡。由于熔池結(jié)晶等溫面前半部瞬間被熔化，焊縫波紋呈現(xiàn)的僅僅是熔池結(jié)晶等溫面的后半部輪廓線（帶有弧度曲線）的平移花紋。當(dāng)該花紋間距很小時(shí)，焊縫波紋顯得很致密，以至于宏觀上看不出明顯的波紋。在焊縫的熄弧處，呈現(xiàn)的就是熔池平面輪廓全貌。這種致密焊縫波紋的形成要素（條件）有2個(gè)：一是熱源（或焊絲）移動(dòng)速度必須均勻、穩(wěn)定；二是焊絲熔化速度均勻、穩(wěn)定。前者是必要條件，后者是充分條件。二者缺一不可。上述要素一旦受到干擾，在下列幾種情況下焊縫就會(huì)出現(xiàn)明顯波紋花樣：①熱源移動(dòng)過(guò)快或不均勻時(shí)，熔池輪廓超前（或被拉長(zhǎng)），形成波紋節(jié)距；②當(dāng)熱源移動(dòng)過(guò)慢或焊絲熔化過(guò)快時(shí)，出現(xiàn)余高突然增大；③當(dāng)熱源移動(dòng)速度不變，焊絲熔化速度過(guò)慢時(shí)，出現(xiàn)缺肉，波紋節(jié)距過(guò)大；④當(dāng)熱源能量不穩(wěn)定，如電弧受控（脈沖），電弧喘息（甚至斷?。┑龋鄢剌喞疾荒車?yán)格重疊（或靠得很緊）。

通常焊縫表面形狀，宏觀上應(yīng)當(dāng)分為兩大類：即有波紋焊縫與無(wú)波紋焊縫（圖3）。所謂無(wú)波紋，是宏觀上的感覺(jué)，其實(shí)，適當(dāng)?shù)姆糯蠛蠹?xì)節(jié)上看也是有波紋的，只是節(jié)距很小，密度很大，以至于看上去成了連續(xù)平整外表面。對(duì)于有波紋表面焊縫，還可以從節(jié)距寬窄、疏密分為粗波紋焊縫和細(xì)波紋焊縫。焊縫表面的V字形波紋尖端形狀也有變化，可分為弧度大一點(diǎn)的或弧度?。猓┮稽c(diǎn)的。

2.2 焊縫波紋的影響因素

在鈦型渣系條件下，焊縫表面波紋影響因素試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由結(jié)果可知：①熔渣堿度影響焊縫表面波紋的影響。隨熔渣堿度提高，波紋節(jié)距從小到大或從密到疏變化，堿性藥芯焊絲焊縫粗大的波紋就是典型的例證。這是因?yàn)殡S熔渣堿度提高，高溫渣變稀，電弧后的熔渣不再緊跟電弧，清晰裸露的熔池形狀被拉長(zhǎng)，這就相當(dāng)于提高焊接速度（熱源移動(dòng)速度）對(duì)焊縫波紋形成的影響。同時(shí)考慮熔滴粗化、過(guò)渡頻率降低、焊絲熔化速度變慢等因素，其綜合作用致使焊絲熔化的金屬未能及時(shí)填滿熔池，發(fā)生焊肉微脫節(jié)現(xiàn)象所致。其原理與上述波紋形成理論頗為一致。②焊接速度影響焊縫表面波紋。焊接速度過(guò)快時(shí)，焊絲熔化速度并未及時(shí)提升，由于前一瞬間熔池體積未被填滿，而后一瞬間熔池輪廓已經(jīng)超前，前后瞬間熔池輪廓不重合，必然形成熔池輪廓節(jié)距，而且焊速越快，焊波節(jié)距越寬。即使采用無(wú)波紋標(biāo)準(zhǔn)型E501T-1焊絲，在提高焊接速度或直線往返運(yùn)絲時(shí)，由于焊絲熔化量跟不上前一瞬間熔池需求（未能填滿），也會(huì)產(chǎn)生明顯波紋。③熔滴過(guò)渡參數(shù)變化影響焊縫表面波紋。在不改變焊絲配方條件下，僅依靠小范圍工藝參數(shù)變化是不能使其產(chǎn)生波紋的（焊接速度明顯增大情況除外）。只有改變配方，使焊絲的熔化速度變慢，發(fā)生不能及時(shí)填滿熔池瞬間，才可能出現(xiàn)波紋。在正常焊速時(shí)，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的E501T-1型藥芯焊絲，應(yīng)當(dāng)是不出現(xiàn)明顯焊波的。因?yàn)樵谡Ｒ?guī)范下該類焊絲的熔滴顆粒比實(shí)心焊絲要細(xì)，熔滴過(guò)渡頻率比實(shí)心焊絲高很

多，熔池移動(dòng)速度與焊絲熔化速度不可能脫節(jié)，更何況該焊絲高溫渣流動(dòng)性適中，熔渣覆蓋完全、均勻，高溫渣緊跟電弧，焊縫連續(xù)無(wú)明顯波紋屬該類焊絲正常特征。當(dāng)然，如果采用脈沖電弧技術(shù)，控制熱源能量的變化，使瞬間熔池輪廓不能重合，可以獲得明顯的波紋。④操作方式影響焊縫表面波紋。焊接位置的改變，導(dǎo)致操作技術(shù)方式（含規(guī)范參數(shù)及熔滴過(guò)渡形態(tài)）變化，焊波不僅出現(xiàn)，而且波距很寬，比如，水平位置無(wú)波紋的焊縫（焊絲），在立向上焊接時(shí)卻能出現(xiàn)明顯的波紋，橫焊和仰焊位置也會(huì)出波紋。操作方式還影響V字形波紋尖端弧度變化，放慢焊接速度或者采用微量橫擺運(yùn)絲，焊縫V字波紋尖端弧度變大、變圓。

2.3 兩種焊絲工藝性能對(duì)比

從表3可以看出，兩種焊絲的電弧形態(tài)和熔滴過(guò)渡形態(tài)都沒(méi)有明顯的不同?？墒牵胁y的B焊絲，操作手感雖然可以，但比無(wú)波紋的A焊絲略差，熔滴比后者略大，飛濺也大點(diǎn)；熔池比后者清晰，可以全位置焊接，但比后者難點(diǎn)，需要一定技術(shù)支撐。后者有時(shí)對(duì)氣孔或壓坑敏感，前者不太敏感。

有波紋焊縫明顯提高了焊絲的抗氣孔（壓坑）性能（表3）。這是由于熔滴的滯后落入熔池，熔滴變粗?jǐn)y帶氫量相對(duì)較小，進(jìn)入熔池的氫總量就少，是熔滴粗化在起作用；另外，高溫渣變得略稀，有利于熔池中氣體逸出。

與標(biāo)準(zhǔn)型E501T-1焊絲相比，有波紋焊絲在保持原有鈦酸性渣系、熔敷金屬力學(xué)性能基礎(chǔ)上，操作工藝性變化不大，可是焊絲的抗氣孔（壓坑）能力提高了。這就使得該焊絲使用中的一個(gè)潛在弱項(xiàng)被強(qiáng)化，為該焊絲焊接性改善提供了一個(gè)方向。

2.4 兩種焊絲熔敷金屬化學(xué)成分和力學(xué)性能對(duì)比

表4列出了兩種焊絲熔敷金屬的化學(xué)成分和力學(xué)性能實(shí)例。可以看出，兩種焊絲的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率等指標(biāo)都能達(dá)到GB/T 10054—2001《碳鋼藥芯焊絲》規(guī)定要求，表明焊縫的波紋對(duì)熔敷金屬力學(xué)性能無(wú)影響。至于兩種焊絲具體指標(biāo)的差異，如后者的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度略高點(diǎn)，韌性指標(biāo)略低點(diǎn)，則與焊縫含氧量、成分變化以及其他因素有關(guān)。

2.5 有波紋焊絲的應(yīng)用及展望

標(biāo)準(zhǔn)的E501T-1型或鈦型氣保護(hù)藥芯焊絲的焊縫表面通常是不出明顯波紋的。該焊絲優(yōu)良的工藝性和內(nèi)在質(zhì)量充分體現(xiàn)了FCAW方法的優(yōu)質(zhì)、高效和自動(dòng)化特點(diǎn)。但是，這并不意味著在所有的情況下這類焊絲都是完美無(wú)缺的。在一些情況下，有的焊絲對(duì)氣孔（壓坑）比較敏感。文中研制的有波紋的E501T-1型藥芯焊絲，在抗氣孔（壓坑）方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，能彌補(bǔ)這類焊絲的不足，并大大減少焊縫返修率，見(jiàn)表5。標(biāo)準(zhǔn)的E501T-1型焊縫無(wú)波紋藥芯焊絲，就制造工藝而言，可分為兩種情況：一種（焊絲2）是焊絲藥粉需經(jīng)嚴(yán)格的高溫處理，采用先進(jìn)水平的生產(chǎn)線設(shè)備，成品絲還要進(jìn)行去除水分熱處理。另一種（焊絲3）是焊絲藥粉只需一般高溫處理，采用普通生產(chǎn)線設(shè)備，成品絲不進(jìn)行去除水分熱處理，直接打包入庫(kù)。前者對(duì)氣孔（壓坑）不敏感，后者敏感。有波紋藥芯焊絲（焊絲1）采用的是國(guó)內(nèi)焊絲廠家通用的生產(chǎn)線設(shè)備和生產(chǎn)工藝，就因?yàn)楹缚p表面出了波紋，對(duì)氣孔（壓坑）不再敏感。從生產(chǎn)成本看，在較好抗氣孔（壓坑）性能條件下，有波紋焊絲成本較低、優(yōu)勢(shì)明顯。

綜上，有理由認(rèn)為，這種有波紋的藥芯焊絲，盡管存在持續(xù)改進(jìn)的必要和可能性，然而它的應(yīng)用前景應(yīng)當(dāng)是有希望或看好的。更何況，在藥芯焊絲現(xiàn)有國(guó)標(biāo)BG/T 10054—2001《碳鋼藥芯焊絲》中，并沒(méi)有特別指出該類焊絲的波紋特征要求[6]。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)熱源（或熔池）移動(dòng)速度過(guò)快，或者焊絲的熔化速度過(guò)慢時(shí)，由于熔池輪廓瞬間不重合形成了焊縫波紋，熱源移動(dòng)速度越快，焊波節(jié)距越寬，波紋越粗。

（2）熔渣堿度提高、焊接速度加快、熔滴過(guò)渡參數(shù)變化，以及操作方式的改變等因素都對(duì)焊縫表面波紋有影響，其中熔渣堿度變化是內(nèi)因，標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)焊絲波紋特征主要受熔渣堿度控制。

（3）有波紋焊絲的工藝性比無(wú)波紋焊絲略差點(diǎn)，但差別不大；有波紋焊絲的熔敷金屬力學(xué)性能與無(wú)波紋標(biāo)準(zhǔn)E501T-1型焊絲接近，都符合國(guó)標(biāo)規(guī)定。

（4）有波紋焊絲的最大特色是對(duì)控制焊縫氣孔（壓坑）有利，而且具有綜合生產(chǎn)成本較低優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景值得期待。

參考文獻(xiàn)

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