自保护药芯焊丝电弧稳定性研究

朱珍彪 郭纯 孔红雨

焊接电弧稳定性是自保护药芯焊丝焊接工艺性的重要指标之一，新型焊接材料的研究与开发乃至现有焊接的改进均离不开电弧稳定性的研究，焊接材料的电弧稳定性也反映了熔滴过渡的稳定性，同时也是新型焊接材料被推广使用的一项重要指标。

本文依据强碱性渣系的设计理念，以BaF2-Fe2O3-Al-Mg渣系自保护药芯焊丝为研究对象，研究了药芯组分间对气孔敏感性的影响，并对熔敷金属组织及其夹杂物进行分析讨论。通过对试验结果的研究，分析加入各组分含量对气孔敏感性的影响规律，使自保护药芯焊丝的质量得到进一步的改善。

1. 试验过程

（1）试验用原材料 自制焊丝用钢带规格为0.6 mm×12 mm，焊丝直径为2mm，药芯填充率为22.5%±0.3%。为保证焊丝的表面质量，轧制前要求钢带无明显划伤，无锈迹，无严重折弯、扭曲。粉芯原材料：BaF2、Fe2O3、Al-Mg合金、CeO2、LiF、Li2CO3、石英等。

（2）试验设备及方法 焊接设备选择LincolnDC—400焊接电源，匹配LN—23P送丝机。焊接参数如表1所示。

（3）电弧稳定性试验 采用德国汉诺威大学发明的HA—ⅩⅧ—4E型汉诺威弧焊分析仪，对焊接过程中电弧电压和焊接电流信号进行重复多次采集。

表1 焊接参数

2. 试验结果分析与讨论

（1）氟化物对电弧稳定性的影响 利用汉诺威弧焊质量分析仪采取的电弧电压、焊接电流波形如图1所示。

由图1可知，当BaF2含量为50%时，电压波形比较整齐，焊接电流波动范围相对较小，电压跳动现象也比较有规则，这说明此时熔滴过渡形态主要以轴向过渡以及小角度排斥过渡形式为主，熔滴过渡过程较稳定；当BaF2含量增加至55%时，熔滴过渡时高电压引弧电压和低电压过渡区在波形图上增加明显，分布增多，焊接过程电弧稳定性有所降低；当BaF2的含量为60%时，电弧电压变化范围较大，不稳定，由焊接低电压区向高电压跳动的现象明显增多，所对应的焊接电流波形较乱，这说明此时熔滴过渡尺寸较大，过渡方式不稳定，没有规律。

从图1还可看出，LiF、Na2AlF6的加入对电弧稳定性有改善作用。在自保护药芯焊丝中加入少量的LiF，能够减小电弧电压和焊接电流的波动范围，但是当LiF的含量进一步提高时，电弧稳定性又会有所恶化（见图1e）；Na2AlF6的加入会进一步改善电弧稳定性（见图1F）。

（2）氧化性组分对电弧稳定性的影响 本渣系采用的氧化性组分为Fe2O3和Li2CO3。不同组分含量时电弧电压以及焊接电流随时间变化的波形如图2所示。

当Fe2O3质量分数为10%时（见图2a），电压波形比较整齐，焊接电流波动范围较小，没有出现明显的电压跳动现象，当Fe2O3质量分数为15%时（见图2b），电弧电压的波动值不断增大，电弧稳定性开始下降。

在电弧温度下，Fe2O3极易分解产生大量的气体，急剧膨胀，当其表面张力远小于外围熔滴，受到内部的气体压力时，熔滴就发生了爆炸；此外，随着药芯中Fe2O3含量的增加，药芯熔化的熔点升高，在焊接过程中可能会产生“滞熔性”渣，使冶金反应不充分，造成大颗粒飞溅，使电弧不稳。

组分中Li2CO3的加入使电弧稳定性有所改善（见图2c、2d）。适量的Li2CO3还可以增加电弧气氛的氧化性，增加电弧挺度，同时Li的电离电位较低，故Li2CO3含量较低时具有稳弧作用；但产生的CO2气体对熔池也有强烈的搅拌作用，故在含量较高时电弧稳定性下降。合适的Li2CO3含量（质量分数）应＜8%。

（3）脱氧固氮元素对气孔敏感性的影响 利用汉诺威弧焊质量分析仪采取的不同Al－Mg合金含量的电弧电压、焊接电流波形如图3所示。

从图3可以看出，随着Al－Mg含量的增加，电弧电压的波动范围不断增大。8%Al－Mg合金焊丝的电弧电压的波动程度较小，焊接过程也较为平稳；14%Al－Mg合金焊丝的电弧电压的波动范围有所增大，焊接过程电弧稳定性开始下降，但其下降程度并不严重，焊接电流、电弧电压波形显得较为有规律；进一步增大Al－Mg合金含量，16%的Al－Mg合金，焊接过程电弧电压波动程度较为明显，焊接电流波形显得比较散乱，焊接过程中能够观察到电弧严重跳动现象，电弧稳定性恶化；当使用Al粉取代部分Al－Mg合金时，即2%Al+16%Al－Mg合金，电弧稳定性有所提高。

图 1

图 2

3. 自保护药芯焊丝电弧稳定性能对比

试验采用三种自保护药芯焊丝，分别是进口焊丝HS－1、自制焊丝HS－2以及国产焊丝HS－3。对汉诺威弧焊分析仪采取的电压电流波形图及概率密度分布图，进行定性或定量分析自保护药芯焊丝的电弧稳定性。

（1）电弧电压和焊接电流波形图分析 结合图4中三幅波形图的整体来看，HS－3焊丝的电压电流波形有较大幅度的跳动，电弧稳定性较差，HS－1药芯焊丝的电压电流波形平稳，HS－2焊丝的电弧稳定性居中。

（2）电压电流概率密度分布图分析 HS－1、HS－2和HS－3的电弧电压概率密度分布叠加如图5a所示。该图描述了在某统计测试的时间内，电弧电压随机出现的概率密度分布。从图中可以看出，曲线1、2、3三个区域组成了电弧电压概率密度分布图，分别为：低电压区1；概率密度较低的高压分布区3（为跳弧、再引弧高电压区）；正常燃弧区2。跳弧、再引弧高电压区3主要反应了焊接过程中电弧排斥过渡、爆炸过渡完成后，电弧跳弧、再引弧现象等相关信息。爆炸过渡、电弧排斥过渡越多，熔滴过渡后出现的跳弧现象就越多，出现高电压的比例也就越多，此时该信息就会越显著，焊接过程电弧越不稳定。3区大电压概率越小，曲线越集中，焊接过程就比较稳定。

图5a结果表明：HS－2焊丝和HS－3焊丝3区的电压概率密度较小，说明其电压波动相对较小，而HS－1焊丝3区的电压概率密度较高，电弧电压的大电压概率很大，说明其电压波动较大，说明HS－1焊丝出现再引弧、跳弧现象较多，电弧稳定性较差，产生的飞溅较多。

三种典型自保护药芯焊丝焊接电弧电压焊接电流的变异系数δU和δI、标准偏差ΔU和ΔI如表2和表3所示。表2和表3结果表明，电流标准偏差、焊接电弧电压和变异系数有着相同的趋势，即ΔU越小，ΔI也越小，并且δU和δI也越小，电弧稳定性越好。同时，由表2可知，HS－1 焊丝电弧电压变化范围和变化率都较大，电弧稳定性较差。

图 3

图 5

图5 b为焊接过程中电流概率密度分布图。图5b结果表示，HS－3焊丝的焊接电流主要集中在100～360A之间，分布范围最窄，即焊接电流较集中，焊接过程电流波动较小，电弧稳定性最好。而HS－1焊丝的电流分布范围较大，达50～600A，且400～700A之间的比例较大，电弧稳定性最差。HS－2焊丝的电流分布在50～450A之间，居于上述两种焊丝之间。结合表3可知，HS－1 焊丝焊接电流变化范围和变化率都较大，电弧稳定性较差。

（3）瞬时电压电流U－I图分析 HS－1的瞬时电压电流U－I曲线如图6所示，分析表明，HS－1焊丝电弧燃烧时，大电压、大电流的比例较高，且所覆盖的面积最大，工作点轨迹最分散。不仅低电压区燃弧工作点比较分散，且再引弧、跳弧高电压区出现的工作点轨迹多，说明在焊接过程中存在较多的高电压跳弧的现象和低电压熔滴短路过渡频率较高，这些因素都导致了焊接过程飞溅较大，电弧稳定性差。结合表2和表3结果也可以看出，HS－1焊丝的电弧电压和焊接电流标准偏差、变异系数最大，也说明电弧燃烧和熔滴过渡稳定性最差。

焊丝HS－2的瞬时电压电流U－I曲线如图7所示，分析表明，其电弧燃烧时的工作点轨迹覆盖面积较HS－1集中，与HS－3焊丝相比，覆盖面积偏大，集中度稍差，并且再引弧、跳弧高电压区出现，工作点轨迹较HS－3焊丝多， HS－2在焊接过程中出现跳弧现象、抖动所占比例较HS－3高，电弧稳定稍性较差。结合表2和表3，其电弧电压，焊接电流，标准偏差、变异系数都比HS－3焊丝要大，说明其电弧燃烧稳定性比HS－1焊丝差。

焊丝HS－3瞬时电压电流U－I曲线如图8所示，电弧燃烧时的覆盖的面积较小，工作点轨迹比较集中，说明跳弧、再引弧高电压区出现的工作点轨迹少，其电弧燃烧较为稳定，高焊接参数下反映了同样地趋势。

4. 结语

本文得出的主要结论如下：

第一，药芯组分中氟化物增加，电弧稳定性变差。适量的LiF、 Na2AlF6有改善电弧稳定性的作用，最佳的BaF2含量（质量分数）为50%～60%。

第二，随着药芯组分中氧化性物质含量的增加，电弧稳定性逐渐恶化，适量的Li2CO3可以改善电弧稳定性，最佳的Li2CO3含量为5%。

第三，随着药芯组分中铝镁合金含量的增加，电弧稳定性呈恶化的趋势，最佳的Al-Mg含量为8%～14%。

第四，瞬时电压-电流图、电压电流概率密度函数可以反映电弧稳定性；变异系数、电弧电压、焊接电流的标准差有着相同的变化趋势，标准偏差ΔU越小，ΔI也越小，并且变异系数δU和δI也越小，熔滴过渡与电弧稳定性好。

表 2

表 3

图 6

图 7

图 8

[1] 薛振奎，国内长输管道下向焊用焊接材料的发展现状与建议[J]．机械工人，2006，10)：16－17

[2] Yoshiya Sakai, Yasuhiro Nagai，Kazuo Ikemoto，etal. Flux cored wire electrodes For selF-shielded arc welding [P]. U.S .Patent，4571480，1986.