具有焊缝波纹的钛型气体保护药芯焊丝的研制

　　摘要： 采用平板堆焊、焊丝配方调整、焊丝工艺评定及理化分析等试验方法，研制了一种具有焊缝波纹的钛型气体保护药芯焊丝。结果表明，当热源（或熔池）移动速度过快，或者焊丝的熔化速度过慢时，由于熔池轮廓瞬间不重合形成了焊缝波纹。在焊缝波纹的多种影响因素中，熔渣碱度变化是内因，焊丝波纹特征主要受熔渣碱度控制。有波纹焊丝的工艺性比无波纹焊丝略差，但差别不大；有波纹焊丝与无波纹焊丝的熔敷金属力学性都符合国標规定。有波纹焊丝对控制焊缝气孔（压坑）有利，具有综合生产成本较低优势，应用前景值得期待。
　　关键词： 药芯焊丝；气体保护；钛型渣系；焊缝波纹
　　中图分类号： 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
　　药芯焊丝高效、自动化优势在诸多重要工程应用中充分展示，国产药芯焊丝技术水平与世界领先企业的差距在不断缩小[1]，国内药芯焊丝产业在激烈的市场竞争中迎来了一个新的发展时期。然而业内人士对于钛型渣系气体保护药芯焊丝的品质（如E501T-1型）的关注度一直未减。原因是一般用户接触到的、所谓国产高水平药芯焊丝，在细节方面与国际名牌尚有差距。以日本神钢DW-100为例，工艺评定中，飞溅较小，可是其他指标，如成形、脱渣、电弧等，尤其是气孔敏感性，都很＂过硬＂，其综合工艺较好。用户对国产药芯焊丝气孔（压坑）敏感性问题时有反映，有时甚至比较严重。根据现有的理论[2-5]，生产企业对控制焊丝气孔（压坑）采取了必要的措施，可是要使焊丝＂无气孔（压坑）＂成为一种常态化，尚需业界作进一步努力或激发新的思路。笔者在研究中，发现焊缝表面特征与气孔（压坑）有关，迄今为止，未曾见到焊缝中气孔（压坑）与焊缝波纹相联系的文献。为此，文中特意研制了一种具有焊缝波纹的钛型渣系药芯焊丝，探讨焊缝波纹的形成机理及影响因素，测试焊丝各项性能。该项研究对推动企业技术进步、提升药芯焊丝品质质量和产品竞争力，具有一定的参考意义和实用价值。
　　1 试验材料及方法
　　试验用焊丝2种：焊丝A为市售1.2 mm的E501T-1型药芯焊丝（通常焊缝表面无明显波纹），焊丝B为自制的1.2 mm的E501T-1型药芯焊丝（焊缝表面有明显波纹）。两种焊丝的性能均符合GB/T 10045—2001《碳钢药芯焊丝》规定。试验用母材为20 mm厚的Q235B钢板，试板尺寸为300 mm×150 mm×20 mm。试验用焊机为松下KR-500型CO2气体保护焊接设备，采用平板半自动堆焊方法进行焊丝工艺性试验，工艺评定采用对比法，焊丝熔敷金属化学成分分析及力学性能试验均按GB/T 10045—2001《碳钢药芯焊丝》规定进行，试验用焊接参数见表1。
　　2 试验结果及分析
　　2.1 焊缝波纹形成机理
　　在电弧热源作用下，母材上由熔化焊丝与局部熔化的母材所组成的、具有一定几何形状的焊接熔池（图1、图2）。通常情况下，焊接熔池是以等速随热源而移动，在熔池中金属的熔化和凝固过程是同时进行的，即熔池前半部进行熔化过程，而后半部进行凝固过程。熔池持续平稳移动，熔池凝固便形成了具有一定熔宽、熔深和一定余高的连续焊缝。熔池的外形是椭球状曲面（图2），该曲面也就是熔池结晶等温面（或简称熔池轮廓）。焊缝波纹的形状就是熔池结晶等温面平稳移动在焊缝表面呈现的痕迹。由于熔池结晶等温面前半部瞬间被熔化，焊缝波纹呈现的仅仅是熔池结晶等温面的后半部轮廓线（带有弧度曲线）的平移花纹。当该花纹间距很小时，焊缝波纹显得很致密，以至于宏观上看不出明显的波纹。在焊缝的熄弧处，呈现的就是熔池平面轮廓全貌。这种致密焊缝波纹的形成要素（条件）有2个：一是热源（或焊丝）移动速度必须均匀、稳定；二是焊丝熔化速度均匀、稳定。前者是必要条件，后者是充分条件。二者缺一不可。上述要素一旦受到干扰，在下列几种情况下焊缝就会出现明显波纹花样：①热源移动过快或不均匀时，熔池轮廓超前（或被拉长），形成波纹节距；②当热源移动过慢或焊丝熔化过快时，出现余高突然增大；③当热源移动速度不变，焊丝熔化速度过慢时，出现缺肉，波纹节距过大；④当热源能量不稳定，如电弧受控（脉冲），电弧喘息（甚至断弧）等，熔池轮廓都不能严格重叠（或靠得很紧）。
　　通常焊缝表面形状，宏观上应当分为两大类：即有波纹焊缝与无波纹焊缝（图3）。所谓无波纹，是宏观上的感觉，其实，适当的放大后细节上看也是有波纹的，只是节距很小，密度很大，以至于看上去成了连续平整外表面。对于有波纹表面焊缝，还可以从节距宽窄、疏密分为粗波纹焊缝和细波纹焊缝。焊缝表面的V字形波纹尖端形状也有变化，可分为弧度大一点的或弧度小（尖）一点的。
　　2.2 焊缝波纹的影响因素
　　在钛型渣系条件下，焊缝表面波纹影响因素试验结果见表2。由结果可知：①熔渣碱度影响焊缝表面波纹的影响。随熔渣碱度提高，波纹节距从小到大或从密到疏变化，碱性药芯焊丝焊缝粗大的波纹就是典型的例证。这是因为随熔渣碱度提高，高温渣变稀，电弧后的熔渣不再紧跟电弧，清晰裸露的熔池形状被拉长，这就相当于提高焊接速度（热源移动速度）对焊缝波纹形成的影响。同时考虑熔滴粗化、过渡频率降低、焊丝熔化速度变慢等因素，其综合作用致使焊丝熔化的金属未能及时填满熔池，发生焊肉微脱节现象所致。其原理与上述波纹形成理论颇为一致。②焊接速度影响焊缝表面波纹。焊接速度过快时，焊丝熔化速度并未及时提升，由于前一瞬间熔池体积未被填满，而后一瞬间熔池轮廓已经超前，前后瞬间熔池轮廓不重合，必然形成熔池轮廓节距，而且焊速越快，焊波节距越宽。即使采用无波纹标准型E501T-1焊丝，在提高焊接速度或直线往返运丝时，由于焊丝熔化量跟不上前一瞬间熔池需求（未能填满），也会产生明显波纹。③熔滴过渡参数变化影响焊缝表面波纹。在不改变焊丝配方条件下，仅依靠小范围工艺参数变化是不能使其产生波纹的（焊接速度明显增大情况除外）。只有改变配方，使焊丝的熔化速度变慢，发生不能及时填满熔池瞬间，才可能出现波纹。在正常焊速时，对于标准的E501T-1型药芯焊丝，应当是不出现明显焊波的。因为在正常规范下该类焊丝的熔滴颗粒比实心焊丝要细，熔滴过渡频率比实心焊丝高很
　　多，熔池移动速度与焊丝熔化速度不可能脱节，更何况该焊丝高温渣流动性适中，熔渣覆盖完全、均匀，高温渣紧跟电弧，焊缝连续无明显波纹属该类焊丝正常特征。当然，如果采用脉冲电弧技术，控制热源能量的变化，使瞬间熔池轮廓不能重合，可以获得明显的波纹。④操作方式影响焊缝表面波纹。焊接位置的改变，导致操作技术方式（含规范参数及熔滴过渡形态）变化，焊波不仅出现，而且波距很宽，比如，水平位置无波纹的焊缝（焊丝），在立向上焊接时却能出现明显的波纹，横焊和仰焊位置也会出波纹。操作方式还影响V字形波纹尖端弧度变化，放慢焊接速度或者采用微量横摆运丝，焊缝V字波纹尖端弧度变大、变圆。
　　2.3 两种焊丝工艺性能对比
　　从表3可以看出，两种焊丝的电弧形态和熔滴过渡形态都没有明显的不同。可是，有波纹的B焊丝，操作手感虽然可以，但比无波纹的A焊丝略差，熔滴比后者略大，飞溅也大点；熔池比后者清晰，可以全位置焊接，但比后者难点，需要一定技术支撑。后者有时对气孔或压坑敏感，前者不太敏感。
　　有波纹焊缝明显提高了焊丝的抗气孔（压坑）性能（表3）。这是由于熔滴的滞后落入熔池，熔滴变粗携带氢量相对较小，进入熔池的氢总量就少，是熔滴粗化在起作用；另外，高温渣变得略稀，有利于熔池中气体逸出。
　　与标准型E501T-1焊丝相比，有波纹焊丝在保持原有钛酸性渣系、熔敷金属力学性能基础上，操作工艺性变化不大，可是焊丝的抗气孔（压坑）能力提高了。这就使得该焊丝使用中的一个潜在弱项被强化，为该焊丝焊接性改善提供了一个方向。
　　2.4 两种焊丝熔敷金属化学成分和力学性能对比
　　表4列出了两种焊丝熔敷金属的化学成分和力学性能实例。可以看出，两种焊丝的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率等指标都能达到GB/T 10054—2001《碳钢药芯焊丝》规定要求，表明焊缝的波纹对熔敷金属力学性能无影响。至于两种焊丝具体指标的差异，如后者的屈服强度、抗拉强度略高点，韧性指标略低点，则与焊缝含氧量、成分变化以及其他因素有关。
　　2.5 有波纹焊丝的应用及展望
　　标准的E501T-1型或钛型气保护药芯焊丝的焊缝表面通常是不出明显波纹的。该焊丝优良的工艺性和内在质量充分体现了FCAW方法的优质、高效和自动化特点。但是，这并不意味着在所有的情况下这类焊丝都是完美无缺的。在一些情况下，有的焊丝对气孔（压坑）比较敏感。文中研制的有波纹的E501T-1型药芯焊丝，在抗气孔（压坑）方面具有明显优势，能彌补这类焊丝的不足，并大大减少焊缝返修率，见表5。标准的E501T-1型焊缝无波纹药芯焊丝，就制造工艺而言，可分为两种情况：一种（焊丝2）是焊丝药粉需经严格的高温处理，采用先进水平的生产线设备，成品丝还要进行去除水分热处理。另一种（焊丝3）是焊丝药粉只需一般高温处理，采用普通生产线设备，成品丝不进行去除水分热处理，直接打包入库。前者对气孔（压坑）不敏感，后者敏感。有波纹药芯焊丝（焊丝1）采用的是国内焊丝厂家通用的生产线设备和生产工艺，就因为焊缝表面出了波纹，对气孔（压坑）不再敏感。从生产成本看，在较好抗气孔（压坑）性能条件下，有波纹焊丝成本较低、优势明显。
　　综上，有理由认为，这种有波纹的药芯焊丝，尽管存在持续改进的必要和可能性，然而它的应用前景应当是有希望或看好的。更何况，在药芯焊丝现有国标BG/T 10054—2001《碳钢药芯焊丝》中，并没有特别指出该类焊丝的波纹特征要求[6]。
　　3 结论
　　（1）当热源（或熔池）移动速度过快，或者焊丝的熔化速度过慢时，由于熔池轮廓瞬间不重合形成了焊缝波纹，热源移动速度越快，焊波节距越宽，波纹越粗。
　　（2）熔渣碱度提高、焊接速度加快、熔滴过渡参数变化，以及操作方式的改变等因素都对焊缝表面波纹有影响，其中熔渣碱度变化是内因，标准型号焊丝波纹特征主要受熔渣碱度控制。
　　（3）有波纹焊丝的工艺性比无波纹焊丝略差点，但差别不大；有波纹焊丝的熔敷金属力学性能与无波纹标准E501T-1型焊丝接近，都符合国标规定。
　　（4）有波纹焊丝的最大特色是对控制焊缝气孔（压坑）有利，而且具有综合生产成本较低优势，应用前景值得期待。
　　参考文献
　　[1] 中国机械工程学会.走向世界的中国焊接——关于2013年第18届德国埃森焊接与切割展览会的行与思[J].机械工程导报，2014（2）：37-44.
　　[2] 田志凌，潘 川，梁东图.药芯焊丝[M].北京：冶金工业出版社，1999：90-92.
　　[3] 孙 咸.钛型渣系气保护药芯焊丝研究进展[J].焊接，2012（6）：6-12.
　　[4] 孙 咸.钛型气保护药芯焊丝熔滴过渡与气孔（压坑）的关系[J].焊接，2007（12）：9-12，32.
　　[5] 孙 咸.钛型气保护药芯焊丝焊接飞溅与气孔的关系[J].电焊机，2015，45（10）：11-16.
　　[6] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 10045—2001碳钢药芯焊丝 [S].北京：中国标准出版社，2001.