（材料加工工程专业论文）活性COlt2gt焊丝的研究.pdf

摘要 摘要 c 0 。气体保护焊作为一种高效率、低成本的焊接方法，已经被 广泛应用于钢铁材料的焊接中。短路过渡是c o 。焊的主要过渡方式， c o 。气体本身的性质以及短路末期的金属过热引起了大量飞溅。成 形差是c o ：气体保护焊另外一个严重问题。 本文尝试在焊丝表面添加活性剂制作成活性焊丝，+ 以改进c 0 ： 焊的工艺性能。活性剂中的易电离物质降低了电弧气氛的的实效电 离电压，提高了电弧气氛的实效电离度，增加了带电粒子数量，从 而提高电弧导电性；活性剂中的表面活性物质大大降低了熔滴的表 面张力，并改变了熔滴受的其他力，使熔滴可以在较小的尺寸下过 渡，促进了熔滴过渡。 本文用高速摄影记录了活性焊丝和普通焊丝的熔滴过渡过程， 对记录结果的分析表明，活性焊丝的熔滴过渡频率有所提高，其中 瞬间短路的比例降低，还因为熔滴尺寸的细化，所以飞溅率降低， 尤其是大颗粒飞溅比例降低。 对活性焊丝和普通焊丝短路周期分布的统计结果显示，与普通 焊丝相比，活性焊丝短路过渡周期集中在平均值附近区域，过渡周 期方差小，离散度小，表明焊接过程稳定性提高了。活性焊丝和普 通焊丝特征综合参数计算结果显示，活性焊丝熔滴过渡更均匀，焊 接综合性能提高了。 活性剂对电弧特性的影响使熔深变大；活性剂对熔漓表面张力 的影响使熔宽变大；熔宽、熔深变大使余高减小；活性焊丝焊接过 程稳定性的提高使焊缝表面粗糙程度降低。焊缝成形得到改善。 关键词：c o 。气体保护焊活性焊丝熔滴过渡飞溅 a b s t r a c t a bs t r a c t c 0 2s h o r t - c i r c u i ta r cw e l d i n gi sw i d e l yu s e di ni r o na n ds t e e lw e l d i n gb e c a u s eo f i t s h i g he f f i c i e n c ya n dl o wc o s t b u ti t sl a r g eq u a n t i t yo fs p a t t e ra n dp o o rb e a d f o r m a t i o nq u a l i t ya r et h em a j o rd e f e c t so fc 0 2s h o r t c i r c u i ta r cw e l d i n g t h e e x t e n s i v eu s e de l e c t r i cc o n t r o lm o d ew h i c hi n c l u d e si m p r o v e m e n to fe x t e r n a l c h a r a c t e r i s t i c so fp o w e rs o u r c e ，w a v ec o n t r o l ，u n i f i e dc o n t r o l ，i n t e l l i g e n tc o n t r o li s u s e dt or e d u c ew e l d i n gs p a t t e r a c t i v ew i r ei sm a d eb ya d d i n ga c t i v ef l u x e so nt h es u r f a c eo fw i r et or e d u c e w e l d i n gs p a t t e ra n di m p r o v et h ef o r m a t i o no fw e l d t h ee a s yi o n i z e dm a t e r i a l so f a c t i v ef l u x e sr e d u c et h ee f f e c t i v ei o n i z a t i o nv o l t a g e ，i m p r o v et h ee f f e c t i v ei o n i z a t i o n d e g r e eo fa r ca t m o s p h e r e ，a n di n c r e a s et h en u m b e ro fe l e c t r o n i cp a r t i c l e s ，w h i c h i m p r o v et h ec o n d u c t i v i t y o fa r c t h es u r f a c t a n ta c t i v ef l u x e sg r e a t l yr e d u c et h e s u r f a c et e n s i o no fd r o p l e t ，b a s e do nt h ea n a l y s i sr e s u l t so ft h ea c t i v ef l u x e se f f e c t s ，i t c a nb ec o n c l u d e dt h a ta c t i v ef l u x e sm a k ed r o p l e t t r a n s f e ri ns m a l l e rs i z ea n d a c c e l e r a t ed r o p l e tt r a n s f e r d r o p l e tt r a n s f e rp r o c e s so fa c t i v ew i r ea n dn o r m a lw i r ei s r e c o r d e dt h r o u g h 1 1 i g h - s p e e dp h o t o g r a p h t h er e c o r d e dr e s u l ts h o wt h a tc y c l eo fa c t i v ew i r ei sm o r e s t a b l e ，s h o r t - c i r c u i tt r a n s f e ri sm o r es t a t i o n a r ya n dt h es c a l eo fi n s t a n ts h o r t c i r c u i t t r a n s f e ri ss m a l l e r t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o wt h a ta c t i v ew i r ec a nr e d u c ew e l d i n gs p a t t e r ， e s p e c i a l l yb i gp a r t i c l es p a t t e r ，a tt h es a m et i m e ，a c t i v ew i r ec a r la p p a r e n t l yi m p r o v e t h ef o r n a t i o i lo f w e l d k e yw o r d s ：a c t i v ew i r e ，a c t i v ef l u x e s ，s h o r t c i r c u i tt r a n s f e r ，s p a t t e r ，d r o p l e tt r a n s f e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：厣哼如 签字日期：矿。r 年? 月移日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘壅盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤生盘生可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：品吁j 导师签名 m 乏、 签字日期：砂哆年f 月巧日 签字日期：，州d 年月列日 第一章绪论 1 1 本课题的提出 第一章绪论 c 0 2 气体保护焊是一种应用广泛的焊接技术，它具有变形小，生产率 高，适用范围广，高效节能，操作简单等优点，受到广泛应用。细丝、短 弧、低电压、大电流的短路过渡方式，尤其适用于中薄板焊接。在工业发 达国家，c 0 2 焊的应用达到6 0 一7 0 “。近年来c 0 2 焊在我国工业中 逐渐推广使用。当前，我国西部大开发的许多基础项目如公路、桥梁、铁 路、机场建设及西气东输、西油东送等都亟需c 0 2 焊接技术。1 。 c 0 2 气体自身的性质使该方法有两个主要不足，这就是飞溅大、成形 差。其中大颗粒飞溅不仅污染工件，难以清除，增加劳动强度，降低熔敷 率，也会堵塞喷嘴，使送丝不畅，因此国内外研究者从焊接材料，焊接电 源，工艺等角度出发作了众多研究工作，提出改进措施。 1 1 1 飞溅产生机理 c 0 2 焊接飞溅大主要是短路过渡方式引起的，可以从冶金因素角度和 工艺因素角度分析。 1 由冶金反应引起的飞溅 c 0 2 气体保护焊在焊接时，在电弧的高温作用下c 0 2 气体发生分解， 吸收热量q ，反应如下1 4 ： c 0 2 = c o + i 2 0 2 一q 从该反应可知，c 0 2 气体的分解过程对电弧的吸热冷却作用较强。此 外，c 0 2 气体在电弧温度范围内( 5 0 0 0 3 0 0 0 0 k ) 还具有较高的导热率。 这些都使得c 0 2 气体保护焊下的电弧弧柱直径较小和弧根面积小，进而影 响到熔滴上的作用力大小及分布，致使焊丝末端的熔滴容易长大并且常常 偏离轴线。因此，在c 0 2 长弧焊时，电流一般不是很大的情况下，熔滴尺 寸比较粗大并且常常偏向一方，过渡频率低，飞溅大，熔滴过渡性能差。 2 由极点压力引起的飞溅 这种飞溅的产生主要取决于焊接的极性。当用正极性焊接时( 工件为 第一章绪论 正，焊丝为负) ，正离子由熔池飞向焊丝末端的熔滴，机械冲击力大，容 易造成大颗粒的飞溅。采用反极性的焊接，是电子撞击熔滴，飞溅就比较 小1 5 。 3 由工艺因素而引起的飞溅 1 ) 在短路过渡焊接时，直流回路电感值调节的不恰当，致使电源的 动特性不合适，造成熔滴短路时，短路电流增长过快或过慢，而产生小颗 粒或大颗粒的飞溅。 2 ) 焊接电流和电压选择的不当 焊接电流对熔滴的过渡特性有较大的影响。长弧焊时，当焊丝直径不 变，焊接电流增加时，熔滴会变细，熔滴过渡时产生的飞溅就相应的减 少。但是，在短路过渡焊接时，电流大到一定的值以后，反而会使熔滴过 渡的特性恶化，而使飞溅增多，这时必须选择适当的电流值。 焊接电压是决定弧长和熔滴过渡性能的重要因素，电压过大或过小， 不论在小电流或大电流下施焊，飞溅都会增大。电压过大，不但熔滴尺寸 增大，而且弧长增长，粗大的熔滴在焊丝的端部处于无规则的摆动状态， 易造成飞溅。电压过小，弧长变短，容易造成工件与焊丝长时间的短路， 焊丝会在整个伸出长度上被加热，最后造成大段飞爆，产生大颗粒飞溅。 1 电弧电压过低也会使电弧“潜入”熔池的凹坑中，此时一旦造 成熔谪与孺池的短路接触，也会造成大颗粒的飞溅。 4 电爆炸飞溅 电爆炸飞溅理论是前苏联学者宾丘克、扎鲁巴和日本学者安藤提出来 的。该理论认为，短路末期，缩颈处的液体金属小桥被加热至汽化而发生 爆炸飞溅，飞溅量多，颗粒小，散布范围大”。 焊接过程中产生的飞溅降低了焊丝的熔敷率，飞溅严重时可以破坏焊 接过程的稳定性和焊缝的成形，粘在喷嘴上飞溅往往还会影响c 0 2 气体的 流通，破坏了气体的保护效果，在实际生产过程中，经常清理喷嘴会降低 生产效率。因此，必须把飞溅降低到能够允许的最少的程度。 1 1 2 减小焊接飞溅的方法研究 目前根据c 0 2 气体保护焊的飞溅形成机理，国内外的研究减小焊接飞 溅的方法主要有以下几个方面。 1 选择最佳的焊接工艺参数 1 ) 焊接电流与电压 在c 0 2 气体保护焊中，对于每种直径的焊丝其飞溅率和电流之间都存 第一章绪论 在着一定的规律。在小电流区( 短路过渡区) 飞溅率较小，进入大电流区 后( 细颗粒过渡区) 飞溅率也较小，而中间区的飞溅率是最大的。 以直径为1 2 m m 的焊丝为例，电流小于1 5 0 a 或大于3 0 0 a 时，飞溅率都 较小，介于两者之间则飞溅率较大。因此，选择焊接电流时电流应尽可能 避开飞溅较高的电流区域，电流确定后再匹配适当的电压，以保证飞溅率 最少。 2 ) 焊枪角度 焊枪垂直焊接时飞溅量最少，倾斜角度越大，飞溅越多。焊枪前倾或 后倾最好不超过2 0 度。 3 ) 焊丝伸出长度 焊丝伸出长度应尽可能的缩短。 以上是在c 0 2 气体保护焊焊接时的一些基本的控制飞溅的工艺方法。 2 用混合气体保护 c 0 2 气体在电弧温度区间导热率较高，加上分解吸热，消耗电弧大量 的热能，从而引起弧柱及电弧斑点的强烈收缩。即使增大电流，弧柱和斑 点直径也很难扩展，这时熔滴在斑点压力的作用力而上挠。易形成大颗粒 飞溅，这是c 0 2 气体保护焊产生较大飞溅的最主要原因，是由于c 0 2 气体 本身的性质决定的。虽然通过合理的选择工艺参数以及采用潜弧方法可以 降低飞溅率，但飞溅量仍然很大。 在c o ：气体中加入一定数量的氩气，是减少颗粒过渡焊接时金属飞溅 的最有效的方法。在c 0 2 气体中加入氩气后，改变了纯c 0 2 气体的物理和 化学性质。随着氩气比例增大，飞溅逐渐减少。c 0 2 和氩气的混合气体除 了可以减少飞溅外，还改善了焊缝成形。但是这种方法也有其存在的不 足，即焊接成本较高：母材热输入不足易造成熔深浅、余高大、未熔合等 现象。 3 短路过渡焊接时限制金属液桥爆断能量 短路过渡焊接时引起金属飞溅的原因，简单的说是在短路过渡的最后 阶段，由于短路电流的急剧增大，使金属液桥迅速的加热，形成了热量的 聚集，最后导致液桥爆断而产生飞溅。 目前的研究中，减小短路电流的方法主要有以下几种。 1 ) 在焊接回路中串联电抗器、电阻或是增大电源变压器的感抗 在焊接回路中串联电感、电阻或是增大电源变压器的感抗 或者是 几种方法的综合使用，可以限制短路电流增长速度及峰值电流，可以达到 控制引起飞溅产生时的能量。该种方法的特点是设备简单，但是电抗器体 第一章绪论 积大，且调节精度及范围都受一定的局限。 2 ) 电流波形控制法 电流波形控制法就是通过控制输出电流的波形，使金属液桥在低的电 流上升速度和低的短路峰值电流下爆断，以便减少飞溅，待液桥爆断、电 弧再引燃后立即提高燃弧电流，甚至此时施加脉冲电流，经过一段时间后 燃弧电流荐从高值过渡到稳定值 1 0 - t 2 。这样可增加燃弧期间输入到母材中 的热量，从而达到增加熔深和改善焊缝成形的目的。 因此，电流波形控制法是中等电流c 0 2 短路过渡焊接的一种重要的控 制方法。借助晶闸管和晶体管焊接电源的电子回路可以实现这种高速输出 控制。目前，晶闸管式波控c o ：焊机及逆变式晶体管波控c 0 2 焊机都正在 研制发展过程中。 3 ) 电流切换法 熔滴在短路过渡时，在金属液桥颈缩达到临界尺寸之前，短路电流自 然的增大，可以保证其电磁压缩力的有利作用。一旦颈缩达到临界尺寸便 立即进行电流切换，将电流从高值切到低值，使液桥颈缩在小电流下爆 断。但是这种方法也有其缺点。由于c 0 2 短路过渡焊接中的过渡状态具有 一定的随机性，有时会造成提前或滞后的不正常切换，而一般的正常切换 率只能达到8 5 左右。 4 表面张力过渡方法 美国林肯电气公司研制的专利技术，表面张力过渡技术( s u r f a c e t e n s i o nt r a n s f e r ，简称s t t ) ，表面张力过渡技术从本质上来说是一种计算 机控制的脉冲c 0 2 短路过渡焊接技术。表面张力过渡的原理是根据短路过 渡理论，按照电弧的瞬时需求来供给电弧能量的具有宽脉宽的多频脉冲电 流控制的短路过渡技术。s t t 技术与以往c 0 2 焊接技术的区别是它能根据 通过检测电压值得到的短路小桥和缩颈小桥的状态改变瞬时电流，精确供 给电弧能量，而通常c 0 2 焊的电弧状态和能量供给没有很好的对应，电弧 能量供给并不精确，从而产生了大量的飞溅。 s t t 的焊接电源在整个焊接周期里精确控制流过焊丝的电流，其响应 时间以微秒计。s t t 的一个重要而全新的特点是其焊接电流与送丝速度无 关，由此可更好的控制热量输入而得到合适的熔深，并可消除传统工艺可 能产生的冷搭接现象。s t t 技术的优点是飞溅极小，焊后几乎不用清理， 节省了大量的人工清理费用，总体上生产效率很高：焊接质量好，焊缝成 形美观；能够进行全位置焊接。 由于s t t 采用的基值电流一般为6 5 9 0 a ，其平均焊接电流约为1 3 0 a 第一章绪论 左右，电弧的平均能量较低，其熔深很浅，焊接厚板时能量不够，易产生 未熔合、未焊透等缺陷。因此s t t 技术仅适合2 0 m m 以下l 板厚! 焊接。 我们国家西气东输中输气管道打底焊已经采用了$ t t 技术。 5 采用低飞溅率焊丝 对于实芯焊丝，在满足力学性能的前提下应尽可能的降低焊丝中的含 碳量，并添加适量的钛、铝等合金元素，无论颗粒过渡或短路过渡焊接都 可以显著减少由c o 等气体引起的飞溅【1 ”。 此外，采用表面经过以碳酸钾、碳酸钠等物质活化处理过的活性焊 丝、药芯焊丝进行焊接，可以达到明显的降低飞溅，改善焊缝成形的目 的。 气保护药芯焊丝可以降低飞溅率，改善焊缝成形，焊后成形美观。与 实芯焊丝熔滴过渡过程相比，气保护药芯焊丝熔滴过渡的特点是：焊丝头 与熔池之间始终有半熔化状态的渣柱存在。根据药芯焊丝品种的不同，渣 柱长短有所差异，即药芯熔点低者渣柱较短；药芯熔点高者渣柱较长。除 短路过渡以外，此渣柱不影响正常的熔滴过渡，相反，熔滴粘着于渣柱之 上，以附渣的状态进行各种过渡，这对于减少飞溅大有益处。即，一定程 度的药芯滞熔不影响正常的熔滴过渡。 通过控制药芯焊丝的金属成分，利用与氧结合力比铁大的元素优先氧 化，可以保护了铁，使之不生成或少生成f e o ，从而减少c o ，可以减小因 为c 0 气体急剧膨胀爆炸而产生的飞溅。而a l 等过于活泼的元素脱氧时反 应过于剧烈，反而会加大飞溅。 药芯焊丝对各种钢材的适应性强，可根据对熔敷金属成分的要求，方 便地配制出能与任何母材成分相匹配的药芯焊丝，这是药芯焊丝的一个突 出优点u 6 - 1 9 。 6 采用防护涂料 这种方法就是在施焊前将防护涂料涂刷在工件表面及喷嘴内壁上，焊 后可节省清理飞溅物的时间。目前国内外的关于防护涂料的研究也非常的 多，而且涂料也不会影响焊缝金属的力学性能。 现有改进c 0 2 焊接的方法受诸多限制存在着以下不足之处。 焊机方面，大型国有企业使用的c 0 2 焊机大部分是日本的松下和大阪 焊机、德国的梅萨焊机、美国林肯，它们占据了国内6 0 一7 0 的市场。 国产焊机通常焊接参数波动很大，焊接过程不稳定，近年虽然逆变焊机的 研制发展很快，但由于急功近利，产品的可靠性差、返修率高 2 0 , 2 1 1 。 第一章绪论 混合气体保护方法焊接成本较高 我国成批生产的c 0 2 药芯焊丝的品种很少；c 0 2 药芯焊丝的发尘量 高；焊丝制造复杂( 制造设备复杂、制造工艺技术要求高) ：送丝难度大 ( 需要专用送丝机) ；焊丝表面易锈蚀；粉剂易吸潮；成本高 2 2 - 2 4 。 1 2 改善焊缝成形的方法 熔深、熔宽及余高均随焊接电流的增加而增加，其中熔深增大最为明 显。随着电弧电压的增加，熔宽增加，余高噎有下降。熔宽随着焊接速度 的增加而减小。 现有改善焊缝成形的措旌多是从工艺角度出发，采用a r 气保护或从电 源角度控制电流电压。 1 3 活性剂在焊接中的应用 在2 0 世纪6 0 年代乌克兰巴顿焊接研究所( p w i ) 的专家根据焊缝中微 量元素影响焊缝熔深的这一现象，在焊接前将含有某些微量元素的活性焊 剂涂在待焊工件表面上进行焊接，用以影响焊缝的形状，从而达到有选择 地控制焊缝形状的目的，随后的研究成果逐步形成最初的a t i g 焊接工 艺。 n 2 0 世纪9 0 年代，由于人们对提高焊接效率和降低焊接成本的追求， 美国爱迪生焊接研究所( e w i ) 、英国焊接研究所( t w i ) 和日本大阪大 学焊接研究所等多家知名焊接机构在这方面开展了广泛研究，俄罗斯也在 2 0 0 1 年进行了有关不锈钢焊接方面的活性剂的研制。 目前国内外焊接学者已经将活性剂应用到t i g 焊，电子束焊，激光 焊，钎焊等领域，取得了一定成果1 2 5 - 3 2 1 。 1 3 1 活性焊接法在t i g 焊中应用 活性剂在t i g 焊中应用较早，已经形成a t i g 焊的概念。 a t i g ( a c t i v a t i n gf l u xt i g ) 焊接法是一种基于t i g 焊接( 钨极氩弧 焊) 技术的焊接新工艺。在施焊板材的表面涂上一层很薄的活性荆，引起 焊接电弧的收缩或熔池流态发生变化，可使熔深比常规的t i g 焊增加1 6 第一章绪论 混合气体保护方法焊接成本较高 我国成批生产的c 0 2 药芯焊始的品种很少；c 0 2 药芯焊丝的发半量 高；焊丝制造复杂( 制造设备复杂、制造工艺技术要求高) ：送丝难度大 ( 需要专用送丝机) ；焊丝表面易锈蚀；粉剂易吸潮；成本高 2 2 - 2 4 1 。 1 2 n 善焊缝成形的方法 熔深、熔宽及余高均随焊接电流的增加而增加，其中熔深增大最为明 显。随着电弧电压的增加，熔宽增加，余高喳肓下降。熔宽随着焊接速度 的增加而减小。 现有改善焊缝成形的措旌多是从工艺角度出发，采用a r 气保护或从电 源角度控制电流电压。 1 3 活| 生剂在焊接中的应用 在2 0 世纪6 0 年代乌克兰巴顿焊接研究所( p w l ) 的专家根据焊缝中微 量元素影响焊缝熔深的这一现象，在焊接前将含有某些微量元素的活性焊 剂涂在待焊工件表面上进行焊接，用以影响焊缝的形状，从而达到有选择 地控制焊缝形状的目的，随后的研究成果逐步形成最初的a t i g 焊接t 艺。 t j 2 0 世纪9 0 年代，由于人们对提高焊接效率和降低焊接成本的追求， 美国爱迪生焊接研究所( e w i ) 、英国焊接研究所( t w i ) 和日本大阪大 学焊接研究所等多家知名焊接机构在这方面开展了广泛研究，俄罗斯也在 2 0 0 1 年进行了有关不锈铡焊接方面的活性剂的研制。 目前国内外焊接学者已经将活性剂应用到t i g 焊，电子束焊，激光 焊，钎焊等领域，取得了定成果2 5 。3 2 l 。 1 3 1 活性焊接法在t i g 焊中应用 活性剂在t 1 0 焊中应用较早，已经形成a t g 焊的概念。 a 一 f i g ( a c t i v a t i n gf l l t xt i g ) 焊接法是一种基于t i g 焊接( 钨极氩弧 焊) 技术的焊接新工艺。在施焊板材的表面涂上一层很薄的活性剂，引起 焊接电弧的收缩或熔池流态发生变化，可使熔深比常规的t i g 焊增加1 焊接电弧的收缩或熔池流态发生变化，可使熔深比常规的t i g 焊增加1 第一章绪论 混合气体保护方法焊接成本较高 我国成批生产的c 0 2 药芯焊丝的品种很少；c 0 2 药芯焊丝的发尘量 高；焊丝制造复杂( 制造设备复杂、制造工艺技术要求高) ：送丝难度大 ( 需要专用送丝机) ；焊丝表面易锈蚀；粉剂易吸潮；成本高 2 2 - 2 4 。 1 2 改善焊缝成形的方法 熔深、熔宽及余高均随焊接电流的增加而增加，其中熔深增大最为明 显。随着电弧电压的增加，熔宽增加，余高噎有下降。熔宽随着焊接速度 的增加而减小。 现有改善焊缝成形的措旌多是从工艺角度出发，采用a r 气保护或从电 源角度控制电流电压。 1 3 活性剂在焊接中的应用 在2 0 世纪6 0 年代乌克兰巴顿焊接研究所( p w i ) 的专家根据焊缝中微 量元素影响焊缝熔深的这一现象，在焊接前将含有某些微量元素的活性焊 剂涂在待焊工件表面上进行焊接，用以影响焊缝的形状，从而达到有选择 地控制焊缝形状的目的，随后的研究成果逐步形成最初的a t i g 焊接工 艺。 n 2 0 世纪9 0 年代，由于人们对提高焊接效率和降低焊接成本的追求， 美国爱迪生焊接研究所( e w i ) 、英国焊接研究所( t w i ) 和日本大阪大 学焊接研究所等多家知名焊接机构在这方面开展了广泛研究，俄罗斯也在 2 0 0 1 年进行了有关不锈钢焊接方面的活性剂的研制。 目前国内外焊接学者已经将活性剂应用到t i g 焊，电子束焊，激光 焊，钎焊等领域，取得了一定成果1 2 5 - 3 2 1 。 1 3 1 活性焊接法在t i g 焊中应用 活性剂在t i g 焊中应用较早，已经形成a t i g 焊的概念。 a t i g ( a c t i v a t i n gf l u xt i g ) 焊接法是一种基于t i g 焊接( 钨极氩弧 焊) 技术的焊接新工艺。在施焊板材的表面涂上一层很薄的活性荆，引起 焊接电弧的收缩或熔池流态发生变化，可使熔深比常规的t i g 焊增加1 6 第一章绪论 2 倍。 对熔深增加机理的初期考察和分析认为，添加活性剂后，熔池表面产 生金属蒸气的数量受到抑制，在金属蒸气较少的情况下，只有阳极斑点附 近较小范围的金属被升腾气化电离，使电弧导电通道紧缩，电弧压力增 大，熔池内部金属液体流动加快、加大、加深，因而焊缝熔深增加。 目前对a t i g 方法的研究集中在以下几个方面：( 1 ) 活性剂成分的改 进、新的活性剂的开发；( 2 ) 针对焊接母材( 材料) 的活性剂的研究与开 发；( 3 ) 深入开展活性剂影响机理和焊接效果的研究；( 4 ) 涂敷技术和工 艺的研究以及活性剂产品化等。 1 3 2 f b t l g ( f i u xb o u n d e dt i g ) 焊 f b t i g ( f j u x b o u n d e d t i g ) 焊是由法国人s s i r e 和s m a r y a 提出 的。采用交流a t i g 焊焊接铝合金，将活性剂涂敷在待焊焊道两侧，中间 留出一定间隙，焊接时电弧在中间的裸露的金属上燃烧，从而起到维持电 弧稳定、增加焊接熔深的作用。 1 3 3 活性剂在电子束焊接中应用 使用活性剂可以使电子束焊的熔深增加，熔池上部宽度明显减小，从 而可发展为活性电子束焊接新方法。采用单组元s j 0 2 作为活性剂时，焊接 熔深增加明显，焊缝成形良好。采用多组元活性剂焊缝熔深增加明显。由 s i 0 2 、t i o ，、c r 2 0 ：等组成的不锈钢电子束焊活性剂，可使聚焦电子束焊 接熔深增加2 倍多。使用活性剂后，聚焦电流和束流对电子束焊熔深增加 有影响。 1 3 4 活性剂在激光焊中的应用 活性剂在c 0 2 激光焊接中应用，一定程度上可提高焊缝熔深，使“钉 头”形状的焊缝截面变为“柱状”。这表明激光焊接不锈钢过程中，活性 剂使更多的激光能量以接近热线源的形式被工件吸收。 1 3 5 活性剂在钎焊中应用 第一章绪论 在印制板装配中的元器件和航空设备上封接的软钎焊工艺中应用多种 活性助焊剂，可以提高焊缝质量。 在陶瓷与金属的连接技术中，采用活性金属钎焊法，可以保证连接强 度、低成本和高效可靠。这种方法通常采用含有适量活性元素a g c u t i 合 金的特殊钎料，在真空条件下直接连接。钎焊过程中，钎料中的活性元素 在一定温度下与陶瓷发生冶金反应，在陶瓷钎料界面上形成一定厚度的 能被金属钎料润湿的过渡层，从而实现陶瓷与金属的化学结合。 1 3 6 活性剂在c 0 2 气体保护焊中的应用 把活性剂应用到焊丝的制造，研制的活性焊丝，可以解决c 0 2 飞溅问 题。这是在焊丝表面或内部添加k 、n a 等易电离物质。由于易电离物质 的加入，使得电弧弧柱横向尺寸增大，减小了阻碍熔滴过渡的电磁力。从 而改善了c 0 2 气体保护焊的熔滴过渡特性，以小滴形式从焊丝末端脱落， 而呈细滴喷射过渡，可大大减少飞溅。 在焊丝制造予处理过程中，采用表面活性剂，可以提高清洗能力，保 证清洗工艺质量。然而目前虽然有一些对于活性焊丝的研究，但是进展并 不大，主要问题在于焊丝的生产诸多难题，难于大规模生产。许多的研究 实验的实现还只是局限于实验室，与实际的大规模批量生产还有很大的差 距。 1 4 本课题的研究内容 1 4 1 活性剂成分的确定 由前面分析可知，若选择合适的活性剂，改变电弧形态，可以达到减 小飞溅，改善焊缝成形的目的。因此，将从以下途径选择活性剂： 1 加入电离电位比铁低的碱金属、碱土金属( 钾、钠、钡等) 元素， 降低电弧中混合气体的实效电离电压，从而增强电弧导电性； 2 焊丝上涂逸出功低的碱金属、碱土金属、稀土元素氧化物，可提高 焊丝金属发射电子的能力； 3 焊丝上涂少量表面活化物质，降低熔滴表面张力，促进熔滴细化。 第一章绪论 根据以上原则，本课题中选择l i 、 碳酸盐为基础作为活性剂，通过实验， 1 4 2 活性焊丝的制备 n a 、k 、r b 、s r 等元素的氧化物和 观察和分析出现的现象和效果。 本课题按照除锈、退火、酸洗、碱洗、拔丝、添加活性剂的工艺流程 制备活性g 0 2 焊丝。 1 4 3 研究活性剂对飞溅率的影响 在相同的焊接规范下分别用普通焊丝和活性焊丝堆焊，测定比较飞溅 率，研究活性焊丝对焊接飞溅的影响。 1 4 4 研究活性剂对焊缝成形的影晌 在相同的焊接规范下分别用普通焊丝和活性焊丝堆焊，测定比较焊接 后的焊缝成形，研究活性剂对焊缝成形的影响。采用大小两种规范，总结 出电流对活性剂作用的影响。 1 4 5 研究活性剂对熔滴过渡的影响 拟用高速摄影记录相同规范下的活性焊丝和普通焊丝熔滴过渡过程， 选取典型周期比较熔滴过渡的异同，研究活性剂对熔滴过渡的影响。在上 述实验中用示波器记录焊接过程中电流电压波形并做比较，研究活性焊丝 对电流电压波形的影响。 9 第二章活性焊丝与普通焊丝的对比焊接实验 第二章活性焊丝与普通焊丝的对比焊接实验 2 1 实验目的 研究活性剂对熔滴过渡，飞溅率和焊缝成形的影响。 2 2 实验内容 1 在大电流下，用相同焊接规范，活性焊丝、普通焊丝分别施焊，测 定焊接飞溅和焊缝成形。 2 在小电流下，用相同焊接规范，活性焊丝、普通焊丝分别施焊，测 定焊缝成形；记录活性焊丝和普通焊丝的熔滴过渡。 3 在小电流下用相同焊接规范，活性焊丝、普通焊丝分别施焊，测定 焊接飞溅和焊缝成形。记录电流电压波形图。 飞溅率的测试方法是首先在焊接过程中用收集法得到飞溅物聊飞溅 ( g ) ，称出单位长度焊丝质量m 焊丝( g c m ) ，记录焊接时间7 焊接时间 ( s ) ，焊接速度v 焊接速度( c m s ) ，则 飞溅率：j 塾韭一 2 3 实验设备 1 焊机 本实验中使用的焊机是林肯电气的1 n v e r t e c v 3 0 0 一p r o 逆变焊机，该 型号焊机可以通过预置电压得到期望的焊接规范。 2 5 4 6 2 2 a 记忆示波器 a g i l e n t 公司生产的5 4 6 2 2 a 记忆示波器的最大特点就是可以记忆波 形曲线，并可通过数据线与计算机连接，现场实时监测和采集焊接参数。 对于采集到的参数曲线，5 4 6 2 2 a 记忆示波器能够以每屏2 0 0 0 个数据点的 第二章活性焊丝与普通焊丝的对比焊接实验 精度，将数据传输到e x c e l 工作簿中。这样，利用e x c e l 强大的图表、 宏( m a c r o ) 以及v b a 编程性能，可以快速、准确、直观地处理所采集到 的数据。 3 f a s t c a ms u p e r1 0 k c 高速摄影机 图2 一l 是本实验的高速摄影装置光路示意图。 本装置由4 部分组成： 图2 - 1 高速摄影装置及光路示意图 1 ) 光线部分背光光源使用的是波长为1 3 0 0 w 碘钨灯。 2 ) 扩束部分由显微目镜及凸透镜组成的扩束镜，即透镜l 、透镜 2 。 3 ) 成像部分包括焊丝、成像物镜( 透镜3 ) 、小孔光阑、干涉滤光 片。干涉滤光的中心长为6 3 2 8 n m ，透过宽度约1 、透过率为7 0 。 4 ) 摄影部分高速摄影机f a s t c a ms u p e r1 0 k c 高速摄象机，最 高摄影频率为1 0 0 0 0 幅s ，此时摄影胶片的运行速度约为3 8 m s 。本实验 中摄影频率为5 0 0 幅s 。 图2 - 2 高速摄影装置实物图 第二章活性焊丝与普通焊丝的对比焊接实验 4 s w h t 一1 a 一2 c 直线焊接工作台 s w h t 一1 a 一2 c 直线焊接工作台可以实现恒定的焊接速度，本实验的焊 接速度为1 9 2 c m m i n 。 2 4 实验材料 焊丝：1 h 0 8 m n 2 s i a ，中1 2 m m ；2 自制活性焊丝，巾1 2 m m 。 母材：小电流下试板低碳银嗡2 0 7 5 0 5 c m：大电流下试板 低碳钢旦呈三卑o 8 1 - o c m 。 2 5 实验结果 1 实验1 预萋、电压倒，实验结果见表2 - 1 。 表2 1 预里电压2 6 v 的对比试验数据 活性焊丝普通焊丝 焊接电流+ ( a )2 2 0 2 0 0 电弧电压+ ( v ) 2 52 7 气体流量( m 3 h ) 1 01 0 焊接速度 1 9 2 1 9 2 ( c m m i n ) 熔深( i n l t l ) 7 8 5 6 熔宽( m m ) 1 3 01 1 7 余高( m i n ) 3 34 ，3 飞溅率( ) 4 4 36 4 5 大颗粒飞溅率” 2 3 0 53 7 0 1 ( ) 注：t 电流电压值为数值瞬时变化晟大值和最小值的平均值； t t 大颗粒飞溅指残留在工件表面的飞溅物。 第二章活性焊丝与普通焊丝的对比焊接实验 2 实验2 预置电压2 2 4 v ，试验结果见表2 - 2 。 表2 - 2 预置电压2 2 4 v 的对比试验数据 活性焊丝普通焊丝 焊接电流+ ( a ) 1 2 21 1 0 电弧电压+ ( v ) 1 9 12 0 5 气体流量( m 3 h ) 1 01 o 焊接速度 1 9 21 9 2 ( c m m i n ) 熔深( m r n ) 1 7 8 1 6 9 熔宽( i 1 1 1 1 ) 7 2 56 7 1 余高( r a i n ) 3 0 53 2 8 注+ 电流电压值为数值瞬时变化最大值和最小值的平均值。 3 实验3 预置电压2 4 v ，试验结果见表2 3 。 表2 - 3 预置电压2 4 v 的对比试验数据 活性焊丝普通焊丝 焊接电流( a ) 1 3 2 51 1 5 0 电弧电压( v ) 1 9 9 02 2 o 气体流量( m 3 h ) 1 o1 o 焊接速度 1 9 21 9 2 ( c m m i n ) 熔深( i n i n ) 2 12 0 熔宽( 1 l l l n ) 9 38 4 余高( r f l n l ) 2 22 5 飞溅率( ) 7 7 0 8 5 1 大颗粒飞溅率 3 3 23 6 7 ( ) 注t 大颗粒飞溅指残留在工件表面的飞溅物。 实验3 的电流电压波形见图2 3 图2 4 。 第二章活性焊丝与普通焊丝的对比焊接实验 图2 3 普通焊丝波形图 图2 - 4 活性焊丝波形图 由图2 - 3 ，2 - 4 可以看出与普通焊丝比较，活性焊丝焊接电流增大、 电弧电压降低。 1 4 第三章活性剂对电弧特性的影响 第三章活性剂对电弧特性的影响 由实验可以看出在同样的焊接规范下，与普通焊丝相比，活性焊丝焊 接过程中焊接电流变大，电弧电压变小，之所以焊接规范，焊缝成形和飞 溅产生变化，是因为活性剂的加入改变了电弧特性。 3 1 活性剂对电弧气氛电离度的影晌 电弧是两个电极和他们之间的气体空间组成的。电弧中的带电粒子由 两电极之间的气体电离和电极发射电子所构成。 3 1 1 活性剂对气体电离的影响 使中性粒子失去电子所需要的最低外加能量称为电离能，以电子伏为 单位( e v ) 。若以伏表示则为电离电压。实用中直接用电离电压表示气体 电离的难易1 5 j 。 单位体积内被电离的粒子与气体电离前粒子总数的比值称为电离度， 以x 表示，即 x = 电离后的电子或离子密度电离前的中性粒子密度 一般常压下的焊接电弧中，实效电离度为1 0 4 数量级即可满足小电流 电弧导电的需要。 焊接电弧气体的电离主要有三种方式，热电离，电场作用下电离和光 电离。活性剂对热电离和光电离产生影响。 1 活性剂对热电离的影响 高温下，气体粒子受热的作用相互碰撞而产生的电离称为热电离。 假设气体中各粒子处于热平衡状态，则热电离的电离度与气体温度， 压力电离电压可用萨哈公式【5 】表示： 再x 2 p _ 3 1 6 x 1 0 _ 77 1 2 5e x p ( 一軎) ( 3 式中p 一气体压力( p a ) ： r 一气体热力学温度( k ) ； 第三章活性剂对电弧特性的影响 e一电子的电量( c ) ： k 一玻耳兹曼常数k = 1 3 8 1 0 2 8 j k ； 矿一气体的电离电压( v ) 。 由萨哈公式可以看出热电离时电离度随温度的升高，压力的减少和电 离电压的减小而增加。 电弧燃烧时，活性剂蒸发形成金属蒸气与c 0 2 等气体组成混合气体 混合气体中各物质电离电压见表3 - i 表3 - 1常见气体粒子的电离电压 兀素电离电压( v ) l i5 4 c1 1 3 0 1 3 5 n a5 1 k 4 3 f e7 9 0 2 1 2 2 c 0 1 4 1 h 2 0 1 2 ，6 c 0 2 1 3 7 t i6 8 1 r b 4 】6 s ，5 6 7 理论和实际都证明混合气体的实际电离电压主要取决于电离电压较低 的气体成分，即使这种气体占有较小的比例。有资料表明铁蒸气中混有钾 蒸气时，铁蒸气电离电压为7 9 v ，钾蒸气为4 3 v ，当钾蒸气含量超过5 时，实效电离电压显著下降而接近钾的电离电压 5 1 。 因此活性剂中的少量低电离电压物质可以起到稳定电弧的作用。而低 电离电压气体的电离过程是提供电弧需要的带电粒子的关键。因为低电离 电压的活性剂的加入，使混合气体的实际电离电压大大降低，在较小电压 下即可产生电弧，所以电弧电压降低，弧长缩短。 、 2 活性剂对光电离影响 中性粒子接受光辐射的作用而产生的电离现象称为光电离。光辐射引 第三章括性剂对电弧特性的影响 起中性粒子电离的条件是h y e v , 。对不同的气体存在一个产生光电离的 临界波长。只有当接受的光辐射波长小于临界波长时，中性气体粒子才可 能直接被电离。临界波长数值可以由式3 2 确定 h y = e u , = _ c ( 3 - 2 ) 加 ，i o 2 万 式中h 一普朗克常数( j s ) ； 一临界光辐射频率( h z ) ； 一临界光辐射波长( n m ) ； c 一光速( k m , s ) ： e u , 一电离能( j ) 。 电弧中气体的临界波长如表3 - 2 所示： 表3 - 2 常见气体光电离的临界波长 气体kn a f eohc ona rh e 电离电压 4 _ 35 17 91 3 51 3 5 1 4 11 4 51 5 7 2 4 5 ( v ) 临界波长2 8 7 4 2 4 2 31 5 8 59 1 59 1 58 7 68 5 27 8 75 0 4 ( r l n ) 电弧的光辐射波长在1 7 0 5 0 0 n m 区间，包括红外线，紫外线，和可见 光。 由表3 2 可知，电弧的光辐射对k 、n a 等金属蒸气能够直接引起光 电离，对其他气体则不能。所以与普通焊丝相比，活性剂可以增加光电离 产生的带电粒子的数量。 3 1 2 活性剂对电极发射电子的影响 电弧中带电粒子除依靠两电极间气体电离过程产生以外，还可以从电 极表面发射出来。主要有热发射，电场发射和光发射三种形式。活性剂对 光发射产生一定影响。 金属表面接受光辐射时，使金属表面自由电子增加，冲破金属表面的 约束。使一个电子由金属表面飞出所需要的最低外加能量称为逸出功 第三章活性剂对电弧特性的影响 ( 乩) ，光发射条件是 h 7 e v ( 33 ) 由于各种材料的逸出功不同，所以不同材料产生光发射所要求的i 临界波长 可由下面方程确定： 1 矗叫2 3 6 亩 。4 式中 厶 一临界波长( n i l ) ； u 一逸出电压( v ) 。 计算可知，k ，n a 等碱金属光发射的临界波长在可见光区间。 3 2 活性剂对混合气体电离度改变的机理 电弧中带电粒子主要是在电离和电极发射电子两个过程中产生，而热 电离是主要形式。 前面分析了活性剂对混合气体电离电压有一定影响，而少量的活性剂 究竟可以对混合气体的电离度提高到何种程度，目前还处于研究探索中， 本节将尝试给出定量分析。 对萨哈公式两边取对数并改写为实际应用的形式是 1 0 9 ，。( 专p 】一半”2 卜6 5 0 ( 3 - 5 ) 式中矿是电离电压。 萨哈公式只是一种中性粒子发生电离时平衡条件下推导出来的，把它 应用到两种以上混合气体热电离时，却不能将不同粒子的矿值代入公式求 电离度。混合气体的热电离平衡不是各种气体各自独立的，而是电离产生 的所有电子共用，并与正负两种离子相平衡9 1 。 如果某气体中混有其他气体成分时，各种气体电离程度不一样，此时 电子密度与电离前中性粒子密度的比值称为实效电离度。混合气体的电离 电压称为实效电离电压。利用萨哈公式求实效电离度时需代入实效电离电 压。 设普通焊丝的电弧