药芯焊丝TIG焊接熔滴过渡行为研究的学习体会

文献概况与研究意义

本文出自天津大学材料科学与工程学院及天津先进连接技术重点实验室，发表于《Transactions of Tianjin University》2018年第24卷第1期。TIG焊接作为一种高质量焊接方法，广泛应用于不锈钢、钛合金、铝合金等对焊接质量要求较高的领域。然而，传统TIG焊接的熔敷效率较低，限制了其在厚板焊接和批量生产中的应用。药芯焊丝TIG焊接（Flux Cored Wire TIG Welding）作为一种创新的焊接工艺，将药芯焊丝与TIG焊接相结合，旨在提高熔敷效率的同时保持TIG焊接的质量优势。理解药芯焊丝TIG焊接的熔滴过渡行为，是优化工艺参数、保证焊接质量的基础。

熔滴过渡形式的分类与机理

作者通过高速摄影技术，观察并分析了药芯焊丝TIG焊接过程中的熔滴过渡行为，识别出三种主要的熔滴过渡形式：桥接过渡（bridging transfer）、渣柱引导过渡（slag column guided transfer）和非接触过渡（non-contact transfer）。这三种过渡形式的出现与焊丝熔化位置的变化密切相关，反映了焊接过程中复杂的物理冶金过程。

桥接过渡

桥接过渡是指熔滴在焊丝端部与熔池之间形成液态金属桥，熔滴通过金属桥的断裂而过渡到熔池中。这种过渡形式通常出现在焊丝熔化位置靠近焊丝端部的条件下。桥接过渡的特点是过渡频率高、熔滴尺寸小，有利于焊缝成形美观，但熔滴过渡的稳定性受电弧力波动的影响较大。

渣柱引导过渡

渣柱引导过渡是药芯焊丝TIG焊接特有的过渡形式，熔滴在过渡过程中受到药芯熔渣形成的渣柱的引导作用。药芯焊丝中的药粉在高温下熔化形成液态熔渣，熔渣在熔滴表面形成一层渣膜或渣柱，改变了熔滴的表面张力和流动行为。渣柱引导过渡的特点是熔滴过渡方向可控、熔池搅拌增强，有利于改善焊缝冶金质量。

非接触过渡

非接触过渡是指熔滴从焊丝端部脱离后，在电弧力和表面张力的作用下自由飞行至熔池中，过渡过程中不与熔池表面接触。这种过渡形式通常出现在焊丝熔化位置远离焊丝端部的条件下。非接触过渡的特点是熔滴飞行轨迹受电弧力和气流影响，过渡稳定性需要精确的工艺参数控制。

表面张力与熔滴过渡的力学分析

作者运用静力平衡理论和 pinch instability 理论，提出了表面张力在熔滴过渡过程中的重要作用。表面张力是决定熔滴形态、过渡频率和过渡稳定性的关键物理量。

静力平衡理论分析

在熔滴过渡过程中，熔滴受到多种力的作用：重力、电弧力（包括电磁力和气动力）、表面张力、以及药芯熔渣的界面张力。静力平衡理论认为，当这些力的合力达到临界值时，熔滴从焊丝端部脱离。表面张力在平衡方程中起到"约束"作用，维持熔滴与焊丝之间的连接，直到其他力的作用超过表面张力的约束能力。

Pinch Instability 理论

Pinch instability（颈缩不稳定性）理论描述了熔滴颈部在电磁力和表面张力共同作用下发生缩颈并断裂的机制。在TIG焊接中，电磁力（Lorentz force）在熔滴颈部产生压缩效应，使颈部逐渐变细；同时，表面张力在颈部产生拉伸效应，抵抗颈部的缩细。当电磁力超过表面张力的临界值时，颈部发生不稳定性断裂，熔滴脱离焊丝。

药芯焊丝TIG焊接中，药芯熔渣的引入改变了熔滴表面的界面张力分布，可能影响颈缩不稳定性的发展。熔渣在熔滴表面形成的渣膜具有不同于金属-气体界面的表面张力，这种界面张力的变化可能改变熔滴的过渡频率和过渡稳定性。

熔滴回摆现象与蒸气反冲力

作者提出了焊接过程中熔滴回摆（backward swing）现象的机理，将其归因于熔滴产生的蒸气反冲力（vapor recoil force）。蒸气反冲力是一种在焊接过程中由金属蒸发产生的反作用力。当熔滴表面的金属（尤其是低沸点元素）在高温下蒸发时，蒸发产生的蒸气对熔滴表面施加一个反向的力，即蒸气反冲力。

蒸气反冲力的产生机理

在药芯TIG焊接中，药芯焊丝中的合金元素和药粉在高温电弧作用下可能发生部分蒸发，产生金属蒸气和气体。这些蒸气和气体从熔滴表面逸出时，根据牛顿第三定律，会对熔滴施加一个反作用力。当蒸气反冲力方向与熔滴过渡方向相反时，就会产生熔滴回摆现象。

蒸气反冲力的工程影响

熔滴回摆现象对焊接过程的影响是双面的。一方面，回摆可能导致熔滴过渡的不稳定性，影响焊缝成形；另一方面，回摆产生的熔池搅拌作用可能有利于焊缝冶金质量的改善，如促进合金元素的均匀分布、减少偏析等。因此，在工艺优化中需要综合考虑蒸气反冲力的正面和负面影响，通过调整焊接参数（如电流密度、保护气体成分、焊丝伸出长度等）来控制蒸气反冲力的大小和方向。

焊接工艺稳定性与焊缝质量

作者通过焊接实验证明，所提出的药芯焊丝TIG焊接工艺是稳定的，且产生的焊缝质量良好。这一结论具有重要的工程价值，说明药芯焊丝TIG焊接作为一种新型焊接方法，具有工艺可行性和质量可靠性。

工艺稳定性评估

焊接工艺稳定性的评估需要从以下几个方面进行：熔滴过渡频率的稳定性、熔池形态的稳定性、焊接参数的波动范围、以及焊接缺陷的出现概率。高速摄影技术为熔滴过渡行为的观察提供了直观的证据，但工艺稳定性的全面评估还需要结合焊接电流、电压、送丝速度等参数的在线监测数据，以及焊缝成形和力学性能的统计分析报告。

焊缝质量评价

焊缝质量的评价应涵盖以下方面：焊缝成形（余高、宽度、凹陷等几何参数）、内部缺陷（气孔、裂纹、未熔合等，通过RT或UT检测）、力学性能（抗拉强度、冲击韧性、硬度分布）、以及金相组织（晶粒形态、相组成、偏析程度）。药芯焊丝TIG焊接的焊缝质量优势可能体现在：熔渣的冶金净化作用（脱硫、脱氧）、合金元素的均匀分布、以及细化的焊缝晶粒组织。

工程实践思考

药芯焊丝TIG焊接作为一种创新的焊接工艺，其工程应用前景值得深入探索。从工程实践角度，需要考虑以下问题：

第一，药芯焊丝的开发与标准化。药芯焊丝的配方设计需要兼顾熔滴过渡行为、熔渣性能、焊缝冶金质量等多个方面，需要建立系统化的配方设计方法。同时，药芯焊丝的产品标准和质量控制标准需要尽快建立，为工程应用提供标准依据。

第二，焊接设备的开发。药芯焊丝TIG焊接需要特殊的送丝机构（适应药芯焊丝的刚性较低、易变形等特点）、保护气体系统（适应药粉燃烧产生的气体和烟尘）和焊接电源（适应药芯焊丝的熔化特性）。这些设备的开发是工艺工程化的前提。

第三，工艺参数窗口的确定。药芯TIG焊接的工艺参数窗口可能比普通TIG焊接更窄，因为药芯焊丝的熔化行为、熔渣形成和熔滴过渡之间存在复杂的耦合关系。需要通过系统化的工艺试验和数值模拟，确定稳定的工艺参数窗口。

第四，应用场景的选择。药芯焊丝TIG焊接可能特别适用于以下场景：薄板焊接（利用熔渣的冶金净化作用提高焊缝质量）、不锈钢和合金钢焊接（利用药芯合金化调整焊缝成分）、以及自动化焊接（利用熔滴过渡的可控性实现焊接自动化）。

总结

本文通过高速摄影和力学分析，系统揭示了药芯焊丝TIG焊接过程中熔滴过渡的三种形式及其物理机理，提出了表面张力在熔滴过渡中的关键作用，并解释了熔滴回摆现象的蒸气反冲力机理。这些研究成果为药芯焊丝TIG焊接的工艺优化和工程应用奠定了理论基础。熔滴过渡行为的深入理解，将推动药芯焊丝TIG焊接从实验室研究向工程应用的转化，为高效高质量焊接提供新的技术途径。