埋弧焊熔滴过渡形态与焊接工艺质量的关系

孙咸

（太原理工大学焊接材料研究所，山西太原030024）

埋弧焊熔滴过渡形态与焊接工艺质量的关系

孙咸

（太原理工大学焊接材料研究所，山西太原030024）

探讨埋弧焊熔滴过渡形态与焊接工艺质量的关系。结果表明，在单丝埋弧焊中，渣壁过渡是熔滴的主导过渡形态，在双丝埋弧焊中，可能存在渣壁和喷射多种过渡形态，但不会有短路过渡形态。影响埋弧焊熔滴过渡的多种因素中，焊接电流是改变过渡形态的决定因素。单丝埋弧焊中，通过工艺参数变化建立了熔滴过渡形态与焊接工艺质量间的关系，其内在联系主要是熔滴尺寸、电弧力和熔滴冲击力变化。在双丝埋弧焊中，渣壁、喷射和滴状过渡对焊接质量参数的作用各异，前后焊丝过渡形态的位置匹配对焊接质量参数影响强烈。

熔滴过渡形态；焊接工艺质量；埋弧焊；电弧空腔

0 前言

埋弧焊以高效、自动化优势和成熟的工艺方法广泛应用于中厚板规则焊缝焊接结构中。埋弧焊的电弧是掩埋在焊剂之中燃烧，从外部看不到电弧和熔滴过渡形态，不仅不能直接掌握熔滴过渡形态对焊接工艺质量的影响规律，而且难以采用具有高复杂波形处理的现代埋弧焊硬件，可能限制埋弧焊设备的换代和发展。另一方面，有关埋弧焊熔滴过渡的文献比较有限[1-3]。迄今为止，将埋弧焊熔滴过渡形态与焊接质量相联系的文献更是罕见。因此，继续开展埋弧焊熔滴过渡相关研究非常必要。为此，本研究特意将焊接工艺质量参数与埋弧焊熔滴过渡形态相联系，探讨埋弧焊熔滴过渡形态与焊接工艺质量的关系和控制原理。该研究对于进一步认识埋弧焊工艺、研发新型焊接设备、丰富埋弧焊理论及工程应用，具有一定的参考价值和理论意义。

1 埋弧焊中的熔滴过渡形态

1.1 电弧空腔内的电弧行为及熔滴过渡形态

虽然埋弧焊的电弧是掩埋在焊剂之中燃烧（见图1），从外部看不到电弧发出的弧光和电弧形态，但是埋弧焊电弧与气体保护焊中的电弧有本质上的差异。实心焊丝CO2气保护焊时，电弧是在焊丝端头整个截面上产生，同时熔滴在短路过渡瞬间会出现电弧瞬间熄灭现象，因此实心焊丝的电弧形态属于活动、断续型。而埋弧焊丝熔滴的过渡是沿“空腔”的渣壁向下滑落，并未出现电弧瞬间熄灭现象，因此该类焊接方法的电弧形态应属于连续、非活动型。

埋弧焊电弧在焊剂空腔内燃烧，其熔滴过渡方式可能有多种，相关文献的论述如表1所示。文献过渡。这是因为埋弧焊所用电流很大，电流密度高，电磁作用力比较强烈。第二，熔滴是否沿渣壁滑落进入熔池，需具备2个条件：①熔渣形成的电弧空腔壁；②熔滴的非轴向脱落。条件①已经具备，条件②因空腔内充满了焊剂高温熔化产生的CO和金属[1]认为，在埋弧焊中，收缩效应（电磁收缩力）的作用很大，可以相信端部熔化金属是以颗粒状过渡。当埋弧焊弧长缩短时，也会发生短路，但是短路时间非常短，大约1/500～1/1 000 s，瞬间重新回到燃弧状态（在正常电压下稳定焊接时不会发生短路，因为大电流时电弧力足够大，强烈阻碍焊丝和熔池相互接触）。文献[2]认为，通过X射线高速摄影观察表明，埋弧焊时电弧是在熔渣形成的空腔内燃烧，大部分熔滴沿着渣壁流入熔池，即成渣壁过渡形式。一般低速焊接时，熔滴沿电弧前面渣壁过渡较多，焊接速度加快后，熔滴沿电弧后面渣壁过渡较多。此外还有少数熔滴是通过空腔内的电弧直接过渡（滴状过渡）。文献[4]采用一个横穿焊缝的“隧道”装置，并用高速录像、光谱技术和FFT电信号分析等方法，研究了埋弧焊电弧空腔中的熔滴过渡形态。研究表明，所有情况下均无短路过渡，也没有喷射过渡的证据，但观察到非轴向粗滴状过渡。文献[5]采用双丝串联埋弧焊等试验方法分析了埋弧焊中熔滴过渡形态。研究表明，在低电流时排除了喷射过渡的可能，大电流时确认了渣壁过渡形态。

图1 埋弧焊电弧空腔内熔滴过渡示意

表1 研究文献对埋弧焊电弧空腔中熔滴过渡形态的论述

综合表1可以看出：第一，空腔内的熔滴呈滴状蒸汽，对熔滴有排斥作用，同时还有磁偏吹作用[1]，在一定条件下（如电流不太大，但大于或等于400 A时）很可能呈非轴向排斥过渡。这就是典型的渣壁过渡形态。第三，虽然在双丝串联埋弧焊中大电流时可能出现细熔滴滴状甚至喷射过渡形态，但在单丝埋弧焊中排除了双丝电弧的相互作用后，在400～800A常用电流时，渣壁过渡应成为主导过渡形态。

1.2 埋弧焊熔滴过渡的影响因素

焊剂牌号确定后（即同一焊剂特性条件下），工艺参数是埋弧焊熔滴过渡形态的主要影响因素。

（1）焊接电流明显影响熔滴过渡形态。小电流时熔滴粗化，可能呈现渣壁过渡形态；大电流时，熔滴细化可能呈现细熔滴滴状甚至喷射过渡形态。图2是焊接电流对熔滴过渡形态影响的一个实例[5]。可以看出，在不同前后焊丝电流匹配的9个案例中，实际上只有3种过渡形态，即渣壁过渡、喷射过渡和滴状过渡。且每一组案例中前后焊丝的过渡形态也不一定相同，主要取决于所用焊接电流大小。在A组案例1～3中，只有案例3中前丝喷射、后丝渣壁，因为前丝电流为1 000 A，而后丝电流仅为400 A。在B组案例4～6中，也只有案例6中前丝喷射、后丝渣壁，因为前丝电流700 A，而后丝电流仅为400 A。在C组案例7～9中有所变化，不论前后丝，只要电流为400 A，全部呈现渣壁过渡形态。在9个案例中，只要电流达700 A或1 000 A，均实现细滴或喷射过渡。该试验虽然是双丝埋弧焊结果，但仍可看出电流是改变熔滴过渡的决定因素。

图2 双丝串联埋弧焊中预期的熔滴过渡形态（L-前焊丝，T-后焊丝；焊接参数见表2）

表2 焊接参数（焊丝直径φ3.2 mm）

（2）电弧电压。正常电弧电压随焊接电流变化而变化，即电流增大，电弧电压相应增大。电弧电压太低，可能出现短路，但由于弧压和电磁力过大，短路时间短，一瞬而过。电弧电压是匹配参数，不是独立参数。但电弧电压太高时，熔滴可能长大，电弧飘移，电弧不稳。由于埋弧焊大多采用电压自动调节系统（均匀调节系统），电弧电压依据焊接电流进行调整，即一定的焊接电流要保持一定的弧长，以保持电弧稳定燃烧。

（3）焊接速度。在焊接电流和电弧电压不变的条件下，焊接速度主要影响焊缝成形及质量，对熔滴过渡形态影响不大。

（4）焊丝干伸长。可能影响熔滴尺寸。干伸长较长时，熔滴易长大；干伸长太短，影响空腔体积尺寸或焊剂层厚度，对焊缝质量有影响。

（5）电源极性。影响熔滴过渡形态。正极性熔滴斑点压力增大，熔滴粗、电弧不稳定，但应不改变渣壁过渡形态类型。

（6）焊丝直径。影响熔滴大小和焊缝质量。焊丝直径减小，熔滴细化，在一定电流范围内不至于改变熔滴过渡形态。

2 焊接工艺质量及其参数

埋弧焊焊接工艺质量主要包括三方面：一是焊缝成形，包括焊缝外观形貌、熔宽、熔深、余高、宽深比等；二是焊接缺陷，包括、裂纹、咬边、未焊透、夹渣等；三是焊缝的理化性能。焊接工艺质量受多种因素控制，除了焊剂特性（种类）、母材焊接性外，主要受焊接工艺条件的控制，包括焊接参数及其他辅助工艺。

（1）未熔透、未熔合。焊接时接头根部未完全熔透的现象称为未熔透；在焊件与焊缝金属或焊缝层间有局部未焊透现象称为未熔合。未熔透或未熔合明显减小了承载截面积，应力集中比较严重，其危害性仅次于裂纹，属于不允许的焊接缺陷。影响因素涉及较多，如焊接材料、坡口（接头形式）、运丝方式、施焊位置、焊接规范参数等。主要讨论焊接参数中电流、电压、焊接速度的影响。①焊接电流是决定熔深的主要参数。电流太小，熔滴较粗，挖掘作用小，焊接速度较快时，坡口或母材来不及熔化已被铁水覆盖，容易造成未熔合。焊接速度过低时，会使熔融金属流到电弧下方，电弧不能直达坡口，会出现未熔合、未熔透及夹渣等缺陷。②电弧电压是决定熔宽的主要参数。通常电压是与电流匹配应用，匹配不当会造成缺陷。③焊接速度也是不可或缺的基本参数。通常与电流、电压匹配使用，充分发挥熔滴的挖掘作用。焊接速度过快或过慢都有可能引起焊接缺陷。

（2）气孔（压坑）。主要涉及焊剂的性能及含水量，但与熔滴过渡也相关。当焊接参数不当时，比如焊接电流过大，熔滴过细，携带进入熔池的氢总量增多，同时熔深过大使熔池中气体逸出路径加大，气孔（压坑）倾向增大；再比如焊接速度过快，熔池存在时间太短，熔池中气体逸出条件恶化，很容易出压坑[6]。

（3）焊接裂纹。分为冷裂纹和热裂纹两大类。热裂纹主要受冶金因素和力的因素控制，冷裂纹的产生则受三要素，即淬硬组织、焊接应力和氢的影响。焊接裂纹属于不允许的焊接缺陷。影响因素很多，具体到本研究的情况，与熔滴过渡有关的因素就是焊缝断面形状。如果焊缝成形系数（φ=B/H）不合适，形成深而窄的焊缝，在焊接应力作用下极易产生裂纹。当然，形成深而窄焊缝与焊接参数有关，主要是焊接电流、电弧电压、焊接速度、电源极性等。

（4）咬边。所谓咬边是指焊缝焊趾部位因填充金属不足而产生的缺口。咬边使接头承载面积减小，应力集中比较严重，极易引发裂纹。产生的主要原因是：①焊接速度过快；②焊接电流过大；③焊枪角度或运条方法不当。

（5）焊接接头的理化性能。涉及到焊接冶金原理。与埋弧焊熔滴过渡有关，即与焊接参数有关。正确的焊接参数下，单丝埋弧焊呈现渣壁过渡形态，应获得所需的焊缝理化性能。反之，如果焊接参数不正确，导致过渡形态变异或较差时，直接影响焊缝形状系数或者产生焊接缺陷，这些都对焊缝理化性能有不利影响。

3 熔滴过渡形态与埋弧焊工艺质量的关系

通过工艺参数的变化，熔滴过渡形态与焊接工艺质量建立了关系，如表3所示，内在联系集中在三个方面：①熔滴尺寸的变化；②电弧力和熔滴冲击力的变化；③电弧覆盖面的变化。其中①和②的变化联系紧密。通常，熔滴细时，电弧力和熔滴冲击力增大；反之亦然。图3和表4是双丝埋弧焊时熔滴过渡形态对焊接质量的影响的一个实例[5]。可以看出，熔滴过渡形态对焊接质量的影响规律：①不同过渡形态对焊接质量参数的作用和贡献不同：喷射过渡具有深挖作用，因为喷射过渡时熔滴细，电弧力和熔滴冲击力大；渣壁过渡不具有强力深挖作用，但可保证熔宽，因为渣壁过渡的熔滴略粗，电弧力和熔滴冲击力较小；滴状过渡也不具有强力深挖作用，只能对熔宽作贡献，因为滴状过渡的熔滴比喷射略粗，电弧力和熔滴冲击力不够强烈。②前后丝过渡形态的匹配有讲究：对比3号（前丝1 000 A，后丝400A）和7号（前丝400 A，后丝1 000 A）案例，它们正好是前后丝电流值互换，案例3前丝喷射、后丝渣壁，案例7前丝渣壁、后丝喷射，焊接质量参数相去甚远。表明过渡形态作用的发挥与前后丝的位置有重要关系。喷射过渡只在前丝位置时深挖作用明显，而在后丝位置时深挖作用被减弱。对比6号（前丝700 A，后丝400 A）和8号（前丝400 A，后丝700 A）案例，它们也是前后丝电流值互换，案例6是前丝喷射、后丝渣壁，案例8是前丝渣壁、后丝喷射，焊接质量参数截然不同。喷射过渡的深挖作用在前丝位置时作用明显，而置于后丝位置时作用微弱。

表3 工艺参数对埋弧焊工艺质量的影响

表4 熔滴过渡形态对双丝埋弧焊工艺质量的影响

4 熔滴过渡形态与埋弧焊工艺质量关系控制原理

以双丝埋弧焊为例，发现大致有三种类型的熔滴过渡形态——滴状、喷射和渣壁过渡，它们在前后丝的位置明显影响埋弧焊接工艺质量。从9个试验案例中选用5个典型对比结果见图4，提出焊接工艺质量满意度控制原则。可以看出，有3组（4、5、7案例）前后丝熔滴过渡形态组合的焊接工艺质量参数满意。它们的内在联系是电弧力和熔滴冲击力适中。有2组（3、9案例）前后丝熔滴过渡形态组合的焊接工艺质量参数不满意。其中，3号案例焊缝断面窄而深，容易产生焊接裂纹；9号案例焊缝断面宽而浅，根部出现未焊透和气孔。该控制原则可供双丝埋弧焊工程应用作参考。当然，前提条件是施工前要进行焊接工艺评定。

图3 9个案例的宏观断面图（L-前焊丝，T-后焊丝；焊接参数见表2）

图4 熔滴过渡形态与埋弧焊工艺质量关系控制原理

5 结论

（1）在单丝埋弧焊中，渣壁过渡是熔滴的主导过渡形态；在双丝埋弧焊中，可能存在渣壁和喷射多种过渡形态，但不会有短路过渡形态。

（2）影响埋弧焊熔滴过渡的多种因素中，焊接电流是改变过渡形态的决定因素。

（3）单丝埋弧焊中，通过工艺参数的变化建立了熔滴过渡形态与焊接工艺质量间的关系，其内在联系主要是熔滴尺寸、电弧力和熔滴冲击力变化。

（4）在双丝埋弧焊中，渣壁、喷射和滴状过渡对焊接质量参数的作用各异，前后焊丝过渡形态的位置匹配对焊接质量参数的影响强烈。

（5）提出的熔滴过渡与焊接工艺质量关系控制原理，可供双丝埋弧焊工程应用作参考。

[1]安藤弘平，长谷川光雄．焊接电弧现象[M]．北京：机械工业出版社，1985：465-468．

[2]唐伯钢，尹士科，王玉荣．低碳钢与低合金钢焊接材料[M]．北京：机械工业出版社，1987：1-88．

[3]孙 咸．氟碱型烧结焊剂的电弧、冶金特性及其应用[J]．电焊机，2014，44（1）：1-4，38．

[4]Mendez P F，Goett G，Guest S D.High Speed Video of Metal Transfer in Submerged Arc Welding[J].Welding Jouma1，2015，94（10）：326-333．

[5]Cho D W，Kiran D V，Na S J.Analysis of the Flux Consumption and Metal Transfer for Tandem Submerged Arc Welding Process under Iso Heat Input Conditions[J].Welding Jouma1，2015，94（12）：396-401．

[6]孙 咸．烧结焊剂的冶金过程及工艺质量的控制[J]．机械制造文摘—焊接分册，2015（1）：1-5．

Relationship between droplet transfer form and welding usability quality of submerged arc welding

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

The relationships between droplet transfer form and welding usability quality of SAW are discussed.The results show that the flux wall guided transfer is leading the transfer form in single wire submerged arc welding；the flux wall guided transfer and spray transfer etc.are likely to exist in twin wire submerged arc welding，but there will be no short circuiting transfer form.The welding current is the decisive factor to change the droplet transfer form，in a variety of factors affecting the droplet transfer of submerged arc welding.In single wire submerged arc welding，the relationships between droplet transfer form and welding usability quality are established by changing welding parameters，and their inner link is mainly the droplet size，arc force and droplet impact force changes.In twin wire submerged arc welding，the effects of flux wall guided transfer，spray and globular metal transfer on the welding quality parameters are different，and the position matching of droplet transfer forms of leading and trailing electrode affects the welding quality parameters strongly.

droplet transfer form；welding usability quality；submerged arc welding；arc cavity

TG445，TG403

A

1001－2303（2017）02－0001-07

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.01

献

孙咸.埋弧焊熔滴过渡形态与焊接工艺质量的关系[J].电焊机，2017，47（02）：1-7.

2016-10-31

孙 咸（1941—），男，山西孝义人，教授，主要从事焊接材料及金属焊接性方面的研究和教学工作。