防飞溅剂对焊接过程的影响分析

纪昂; 张立平; 彭根琛

doi:10.7512/j.issn.1001-2303.2023.06.16

焊接工艺 | 浏览量 : 187 下载量: 145 CSCD: 0

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专辑

防飞溅剂对焊接过程的影响分析
Effect analysis of anti-spatter fluid on welding process
- 角色： First author 第一作者
- 机构：
  江苏徐工工程机械研究院有限公司，江苏徐州 221004
- 简介：纪　昂（1991—），男，硕士，工程师，主要从事焊接工艺技术研究及质量体系管理工作。
纪昂
，
- 机构：
  江苏徐工工程机械研究院有限公司，江苏徐州 221004
张立平
，
- 机构：
  江苏徐工工程机械研究院有限公司，江苏徐州 221004
彭根琛
2023年53卷第6期页码：111-116
DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.06.16

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纪昂，张立平，彭根琛.防飞溅剂对焊接过程的影响分析［J］.电焊机，2023，53（6）：111-116.

JI Ang, ZHANG Liping, PENG Genchen.Effect analysis of anti-spatter fluid on welding process[J].Electric Welding Machine, 2023, 53(6): 111-116.
纪昂，张立平，彭根琛.防飞溅剂对焊接过程的影响分析［J］.电焊机，2023，53（6）：111-116. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.06.16.

JI Ang, ZHANG Liping, PENG Genchen.Effect analysis of anti-spatter fluid on welding process[J].Electric Welding Machine, 2023, 53(6): 111-116. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.06.16.

摘要

针对焊接防飞溅剂在实际应用中可能出现的使用过量或局部累积现象进行了表面堆焊试验研究，分析不同类型、累积量的防飞溅剂在焊接过程中的状态变化及其对焊接过程中熔池流动性、电弧稳定性以及焊缝成形的影响。结果表明，油基防飞溅剂累积量一旦大于0.045 mL/cm²，便会有部分防飞溅剂进入熔池，从而降低熔池的流动性，导致焊丝液态熔敷金属堆积在电弧的后方，同时防飞溅剂会与电弧直接接触。水基防飞溅剂在电弧高温和压力的作用下会向前推进并迅速挥发，即使累积量为0.227 mL/cm²仍不会进入熔池，因此并不会影响熔池的流动性。水基防飞溅剂对应的电弧稳定性明显优于油基防飞溅剂，特别是当累积量小于等于0.09 mL/cm²时，这种差距最为明显。两类防飞溅剂作用下，焊缝整体成形基本一致，仅焊缝熔深较无防飞溅剂的降低约0.5 mm，而焊缝余高和熔宽并无明显变化。

译

Abstract

In order to study the effect of anti-spatter fluid overuse and accumulation during welding process, overlaying tests are implemented to analyze the state changes of different types and accumulation of anti-spatter fluid in the welding process and its effect on molten pool fluidity, arc stability and weld geometry. The results show that once the accumulated amount of oil-based anti-spatter fluid is greater than 0.045 mL·cm^-2, some of the anti-spatter fluid will enter into the molten pool, which in turn reduces the fluidity of the molten pool, resulting in the accumulation of molten metal behind the arc, while the anti-spatter fluid will be in direct contact with the arc. The water-based anti-spatter fluid moves forward and evaporates rapidly under the arc heat plus pressure and does not enter into the molten pool even at accumulation of 0.227 mL·cm^-2, thus it has no influence on the fluidity of the molten pool. The arc stability of the water-based anti-spatter fluid is significantly better than that of the oil-based anti-spatter fluid, especially when the accumulated amount is less than 0.09 mL·cm^-2. Under the influence of two types of anti-spatter fluids, the overall weld geometry is basically the same and only weld penetration is about 0.5 mm lower than that without anti-spatter fluids, while the weld reinforcement and width have no evident changes.

译

关键词

防飞溅剂; 熔池流动性; 电弧稳定性; 焊缝成形

译

Keywords

anti-spatter fluid; molten pool fluidity; arc stability; weld geometry

译

0 前言

焊接飞溅一直是实际焊接生产中的难题，既降低了焊丝的熔敷效率，同时也因焊后清理而降低了工作效率^［

1-3］。近年来，针对焊接防飞溅剂的研究从未停止，当前市场上主要提供的防飞溅剂包括油基和水基两类。虽然这些防飞溅剂可以有效降低焊后飞溅的清理难度，但是其对焊接过程和质量的影响一直备受关注^{［参考文献 4-6

4-6］}。

译

Kiszka A等人^［

7］采用了包括射线探伤、拉伸、硬度试验等方法细致研究了防飞溅剂对焊缝质量的影响，发现对接接头对防飞溅剂的存在并不敏感，而角接接头则容易出现侧壁未熔合现象。李凯等人^{［参考文献 8

百度学术

8］}定义了防飞溅性能评价系数并对典型防飞溅剂进行试验，验证了防飞溅剂的性能及其对焊缝质量的影响。何正文^{［参考文献 9

百度学术

9］}等人采用空白对照试验检测两种防飞溅剂的使用效果及其对低合金高强钢焊缝质量的影响，试验结果表明，不同类型防飞溅剂对应的焊缝力学性能方面存在差别，部分接头容易出现塑性严重降低的现象。卢源^{［参考文献 10

百度学术

10］}研究了多种防飞溅剂对气保焊焊接质量的影响，发现挥发速度对焊接缺陷的影响较大，同时适当提高焊接热输入可以减少甚至避免气孔缺陷的产生。

译

由此可见，虽然国内外研究人员对焊接防飞溅剂进行了深入研究，但这些研究主要关注防飞溅剂的应用效果及其对焊缝缺陷和力学性能的影响，并没有深入研究防飞溅剂的状态变化及其对焊接过程的影响。另外，这些研究仅针对防飞溅剂正常喷涂或稍有过量的情况，而忽视了实际使用过程中防飞溅剂过量使用以及在特定结构和位置中可能出现的局部累积现象。因此本文针对油基和水基两种焊接防飞溅剂，采用表面堆焊形式研究焊接过程中防飞溅剂的状态变化及其对熔池流动性、电弧稳定性及焊缝成形的影响。

译

1 试验材料及方法

选用尺寸6 mm×175 mm×50 mm的Q355B板材作为试验材料，焊前经喷砂和酒精擦拭处理。填充材料选择直径1.2 mm的SLD ER50-6焊丝，母材和焊丝的化学成分如表1所示。为了便于定量分析，在平板上进行对照试验。如图1所示，焊接前先将防飞溅剂集中收集，然后使用Transferpette-S移液枪以定量的方式滴涂在试板的一半区域，另一半不做特殊处理，二者之间使用金属棒隔开。为便于表述，采用滴涂量与滴涂面积的比值来衡量防飞溅剂累积量的大小。

译

表1 母材和焊接材料的化学成分（质量分数，%）

Table 1 Chemical composition of base material and welding material （wt.%）

材料	C	Mn	Si	S	P
Q355B	0.17	1.09	0.25	0.002	0.012
SLD ER50-6	0.07	1.45	0.88	0.012	0.011

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图1 防飞溅剂均匀铺展的焊接试板

Fig.1 Test plate with uniform anti-spatter fluid

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为了减少人为因素的干扰，选择自动活性气体保护焊。焊接系统由发那科机器人工作站和福尼斯TPS5000焊接电源组成，焊接试验参数见表2。焊接过程中使用XIRIS CCD相机拍摄电弧和熔池的变化情况，同时使用HKS焊接分析仪采集焊接过程中的电流和电压参数，采集频率为100 Hz，整体试验设备如图2所示。焊接完成后，用带酒精的无纺布擦拭堆焊试板的表面，观察其焊缝成形并通过测量截面宏观金相获得焊缝尺寸。

译

表2 焊接试验参数

Table 2 Testing parameters

试验形式

焊接电流

焊接电压

焊接速度

/（mm·min^-1）

干伸长

/mm

防飞溅剂累积量

/（mL·cm^-2）

表面堆焊

250

360

0.045，0.09，0.136，

0.182，0.227

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图2 防飞溅剂焊接试验设备系统

Fig.2 Welding test equipment system of anti-spatter fluid

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2 试验结果与分析

2.1 防飞溅剂状态变化及其对熔池流动性的影响

相同电弧状态下不同类型、累积量防飞溅剂在焊接过程中的状态变化如图3所示，虽然在焊接过程会经受高温和电弧压力的作用，但是油基防飞溅剂仍难以移动和挥发。一旦油基防飞溅剂累积量大于0.045 mL/cm²，少量絮状液体会在电弧压力和保护气的作用下缓慢前移，剩余液体则会直接进入熔池或者粘附在熔池边缘，阻碍熔池的正常流动，同时也会在焊缝中引入较多的杂质。而对于水基防飞溅剂，当累积量不大于0.045 mL/cm²时，防飞溅剂在焊接过程中会迅速挥发，相机视野内无可见的防飞溅剂。随着累积量的增加，水基防飞溅剂无法完全挥发，但会在电弧压力的排斥作用下向前推进并形成白色“水带”。即使累积量达到0.227 mL/cm²，“水带”与熔池之间仍存在明显的距离，因此防飞溅剂始终未进入熔池。

译

图3 不同类型、累积量防飞溅剂在焊接过程中的状态变化

Fig.3 State changes during welding process for different styles and accumulation of anti-spatter fluid

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另外，由图3f可知，当试板表面无防飞溅剂时，电弧边缘与熔池的边缘之间存在一定的距离，这种现象同样出现在图3e、3g、3h对应三种参数的焊接过程中。对于油基防飞溅剂，残留的液体会降低熔池的流动性，焊丝液态熔敷金属倾向于堆积在电弧的后方，导致防飞溅剂会与电弧直接接触。而当累积量达到0.227 mL/cm²时，熔池内金属向两侧流动的能力变得更差，焊丝液态熔敷金属堆积过高导致其重力大于防飞溅剂形成的阻力，因此会流动至电弧的前方，进而与防飞溅剂直接接触。对于水基防飞溅剂，由于没有残留液体，所以熔池流动性并不会受到明显影响，当累积量不大于0.09 mL/cm²时，电弧前方的热量在保证防飞溅剂挥发的同时还能够熔化一定量的母材，所以液态熔敷金属可以铺展到电弧前方。当累积量大于0.09 mL/cm²时，水基防飞溅剂的挥发吸收了电弧前方大部分热量，因此电弧前方无熔化的金属，电弧边缘即为熔池边缘。

译

2.2 防飞溅剂对电弧稳定性的影响

由于原始的电流波形包含太多的噪声，严重影响对电弧稳定性的分析，因此使用式（1）将采集到的每个电流值I_n依据前一个电流值I_n-1替换为指数移动平均值，从而让电流波形变得相对平滑，选取factor为0.9得到的结果如图4所示。

译

$I_{n} = I_{n - 1} \times f a c t o r + I_{n} \times (1 - f a c t o r)$

（1）

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图4 不同类型、累积量防飞溅剂对应的电流波形

Fig.4 Current wave pattern for different styles and accumulation of anti-spatter fluid

另外，焊接电压-电流图（U-I图）在一定程度上反映了电弧燃烧时电压和电流工作点轨迹的集中程度，因此也可以用于分析电弧的稳定性，不同类型、累积量防飞溅剂在表面堆焊过程中对应的U-I图如图5、图6所示。

译

图5 不同累积量的油基防飞溅剂对应U-I图

Fig.5 U-I diagram for different accumulation of oil-based anti-spatter fluid

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图6 不同累积量的水基防飞溅剂对应U-I图

Fig.6 U-I diagram for different accumulation of water-based anti-spatter fluid

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综合电流波形图和U-I图可以看出，水基防飞溅剂对应的电弧稳定性要明显优于油基防飞溅剂，特别是当累积量小于等于0.09 mL/cm²时，这种差距最为明显。对于油基防飞溅剂，当累积量小于等于0.182 mL/cm²时，其对应电弧的稳定性无明显变化，但是当累积量达到0.227 mL/cm²时，由于电弧不再直接与防飞溅剂接触，因此电弧稳定性稍有提升。而对于水基防飞溅剂，当累积量大于0.136 mL/cm²时，电弧波动逐渐增加，但当累积量为0.227 mL/cm²时，电弧波动性再次降低。由图6d、6e可知，当水基防飞溅剂累积量从0.182 mL/cm²增至0.227 mL/cm²时，电压小于31 V的采集点明显减少，因此电弧波动性的降低应该是由于电弧外围能量被过多地消耗，导致弧柱电场强度增加，因此电弧整体稳定性也得到改善。

译

2.3 防飞溅剂对焊缝成形的影响

图7为表面堆焊试板擦拭清理后的状态，从均匀一致的焊缝成形可以看出，两种防飞溅剂对整体焊缝成形的影响并不明显。但是对于油基防飞溅剂，当累积量达到0.182 mL/cm²时，焊缝表面出现大颗粒飞溅，虽然试板表面涂有大量防飞溅剂，但这些飞溅仍难以去除。另外，累积量为0.227 mL/cm²对应的试板在收弧处出现深度为2 mm的孔洞，如图8所示。根据前述研究结果可知，该孔洞的形成主要是因为油基防飞溅剂阻碍了熔池金属的流动，收弧时，熔融金属在未完全填充弧坑前已停止流动，最终形成孔洞。

译

图7 不同类型、累积量防飞溅剂对应的表面堆焊焊缝成形

Fig.7 Overlaying weld appearance for different styles and accumulation of anti-spatter fluid

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图8 油基防飞溅剂对应表面堆焊收弧位置的孔洞缺陷

Fig.8 Crater defect in ending position of overlaying weld for oil-based anti-spatter fluid

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截取表面堆焊试板并测量焊缝的宏观金相，得到各焊缝的具体尺寸如图9所示，其中试样标号A代表油基防飞溅剂，B代表水基防飞溅剂，1~5分别代表5种累积量，同时不同颜色的箭头线代表无防飞溅剂对应位置的焊缝尺寸。由测量结果可知，在熔深方面，由于防飞溅剂的挥发吸收了大量的电弧热量，因此两类防飞溅剂对应的焊缝熔深均受影响，较无防飞溅剂的降低约0.5 mm。熔宽方面，各表面堆焊试板并无显著差别，由于水基防飞溅剂对熔池流动性影响较小，所以其熔宽整体略大于油基防飞溅剂对应的熔宽。各试板之间的焊缝余高无明显差别，仅油基0.227 mL/cm²参数对应的试板因熔池流动受限导致余高偏大。

译

图9 不同类型和累积量防飞溅剂对应焊缝尺寸

Fig.9 Weld geometry for different styles and accumulation of anti-spatter fluid

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3 结论

本研究考虑了实际生产中焊接防飞溅剂使用过量和局部累积的情况，对比分析了两类防飞溅剂在不同累积量情况下的状态变化及其对焊接过程的影响，结果如下：

译

（1）油基防飞溅剂在电弧作用下的移动和挥发能力较弱，当累积量超过0.045 mL/cm²时，便会有部分防飞溅剂进入熔池，进而降低熔池的流动性，导致焊丝液态熔敷金属堆积在电弧的后方，同时防飞溅剂会与电弧直接接触。相比之下，水基防飞溅剂在电弧高温和压力的作用下会向前推进并迅速挥发，即使累积量达到0.227 mL/cm²时仍不会进入熔池，因此并不会影响熔池的流动性。

译

（2）水基防飞溅剂对应的电弧稳定性明显优于油基防飞溅剂，特别是当累积量不大于0.09 mL/cm²时，这种差距最为明显，同时电弧的波动性会随着累积量的增加呈现一定规律的变化。

译

（3）两类防飞溅剂作用下，焊缝整体成形基本一致，除焊缝熔深显著降低外，焊缝余高和熔宽无明显变化。但是对于油基防飞溅剂，当累积量达到0.182 mL/cm²，焊缝表面出现大颗粒飞溅，而当累积量达到0.227 mL/cm²时，熔池流动性受到严重影响，导致试板在收弧处出现深度为2 mm的孔洞。

译

从研究结果可以看出，制造商应尽量选用对焊接过程影响较小的水基防飞溅剂，同时做好焊工的培训和管理工作，避免在防飞溅剂显著过量的情况下进行焊接。

译

参考文献

Charlotte W. Welding handbook，Fundamentals of welding［M］. American Welding Society，1976. [百度学术]

Sharp C M，Mueller R E，Murthy J，et al. A novel anti-spatter technique for laser drilling： applications to surface texturing［C］//International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics. Laser Institute of America，1997（1）： 41-50. [百度学术]

Pedišić L，Polenus I. Advantages of biodegradable fluids application at metalworking operations［C］//16th International Research/Expert Conference TMT 2012，Dubai，UAE， 2012. [百度学术]

Takahashi A，Yamamoto N，Toyohiro T. Development of new welding spatter adhesion preventive agent made of water and foodstuffs［J］. Proceedings of the Japan Society for Photoelasticity，2015，15：38-44. [百度学术]

Maier C H，Lüftl S，Kozeschnik E. Study of molten metal droplet adhesion to organic anti-spatter coatings［J］. Science and Technology of Welding and Joining，2014，19（8）：638-645. [百度学术]

Sapozhkov S B，Arendateleva S I，Ushakova O V. Determination of the allowable minimum thickness of protective coating for welding in carbon dioxide［J］. IOP Conference Series： Materials Science and Engineering，2019，656（1）：012046. [百度学术]

Kiszka A，Pfeifer T. Use of anti-spatter substances in welding processes［J］. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa W Gliwicach，2014，58（4）：5-13. [百度学术]

李凯，何广忠，闫占奇，等. 防飞溅剂性能及其对焊接质量影响的评价方法［J］. 城市轨道交通研究，2019，22（2）：76-78. [百度学术]

LI K，HE G Z，YAN Z Q，et al. Evaluation of Anti-spatter Agent Performance and Its Effect on Welding Quality［J］. Urban Mass Transit，2019，22（2）：76-78. [百度学术]

何正文，吕纯洁，李继新，等. 焊接防飞溅剂对低合金高强钢焊接质量的影响［J］. 金属加工：热加工，2017（8）：14-16. [百度学术]

HE Z W，LV C J，LI J X，et al. Effect of Welding Splash Prevention Agent on the Welding Quality of Low Alloy High Strength Steel［J］. MW Metal Forming，2017（8）：14-16. [百度学术]

卢源. 浅析焊接防飞溅剂对气体保护焊焊接质量的影响［J］. 金属加工：冷加工，2016（S1）： 577-578. [百度学术]

LU Y. Analysis of the Influence of Welding Splash Prevention Agent on the Welding Quality of Gas Shielded Welding［J］. MW Metal Cutting，2016（S1）： 577-578. [百度学术]

摘要

针对焊接防飞溅剂在实际应用中可能出现的使用过量或局部累积现象进行了表面堆焊试验研究，分析不同类型、累积量的防飞溅剂在焊接过程中的状态变化及其对焊接过程中熔池流动性、电弧稳定性以及焊缝成形的影响。结果表明，油基防飞溅剂累积量一旦大于0.045 mL/cm,2,，便会有部分防飞溅剂进入熔池，从而降低熔池的流动性，导致焊丝液态熔敷金属堆积在电弧的后方，同时防飞溅剂会与电弧直接接触。水基防飞溅剂在电弧高温和压力的作用下会向前推进并迅速挥发，即使累积量为0.227 mL/cm,2,仍不会进入熔池，因此并不会影响熔池的流动性。水基防飞溅剂对应的电弧稳定性明显优于油基防飞溅剂，特别是当累积量小于等于0.09 mL/cm,2,时，这种差距最为明显。两类防飞溅剂作用下，焊缝整体成形基本一致，仅焊缝熔深较无防飞溅剂的降低约0.5 mm，而焊缝余高和熔宽并无明显变化。

Abstract

In order to study the effect of anti-spatter fluid overuse and accumulation during welding process, overlaying tests are implemented to analyze the state changes of different types and accumulation of anti-spatter fluid in the welding process and its effect on molten pool fluidity, arc stability and weld geometry. The results show that once the accumulated amount of oil-based anti-spatter fluid is greater than 0.045 mL·cm,-2, some of the anti-spatter fluid will enter into the molten pool, which in turn reduces the fluidity of the molten pool, resulting in the accumulation of molten metal behind the arc, while the anti-spatter fluid will be in direct contact with the arc. The water-based anti-spatter fluid moves forward and evaporates rapidly under the arc heat plus pressure and does not enter into the molten pool even at accumulation of 0.227 mL·cm,-2, thus it has no influence on the fluidity of the molten pool. The arc stability of the water-based anti-spatter fluid is significantly better than that of the oil-based anti-spatter fluid, especially when the accumulated amount is less than 0.09 mL·cm,-2,. Under the influence of two types of anti-spatter fluids, the overall weld geometry is basically the same and only weld penetration is about 0.5 mm lower than that without anti-spatter fluids, while the weld reinforcement and width have no evident changes.

关键词

防飞溅剂熔池流动性电弧稳定性焊缝成形

Keywords

anti-spatter fluidmolten pool fluidityarc stabilityweld geometry

references

Charlotte W. Welding handbook，Fundamentals of welding［M］. American Welding Society，1976.

Pedišić L，Polenus I. Advantages of biodegradable fluids application at metalworking operations［C］//16th International Research/Expert Conference TMT 2012，Dubai，UAE， 2012.

Maier C H，Lüftl S，Kozeschnik E. Study of molten metal droplet adhesion to organic anti-spatter coatings［J］. Science and Technology of Welding and Joining，2014，19（8）：638-645.

Kiszka A，Pfeifer T. Use of anti-spatter substances in welding processes［J］. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa W Gliwicach，2014，58（4）：5-13.

李凯，何广忠，闫占奇，等. 防飞溅剂性能及其对焊接质量影响的评价方法［J］. 城市轨道交通研究，2019，22（2）：76-78.

LI K，HE G Z，YAN Z Q，et al. Evaluation of Anti-spatter Agent Performance and Its Effect on Welding Quality［J］. Urban Mass Transit，2019，22（2）：76-78.

何正文，吕纯洁，李继新，等. 焊接防飞溅剂对低合金高强钢焊接质量的影响［J］. 金属加工：热加工，2017（8）：14-16.

HE Z W，LV C J，LI J X，et al. Effect of Welding Splash Prevention Agent on the Welding Quality of Low Alloy High Strength Steel［J］. MW Metal Forming，2017（8）：14-16.

卢源. 浅析焊接防飞溅剂对气体保护焊焊接质量的影响［J］. 金属加工：冷加工，2016（S1）： 577-578.

LU Y. Analysis of the Influence of Welding Splash Prevention Agent on the Welding Quality of Gas Shielded Welding［J］. MW Metal Cutting，2016（S1）： 577-578.

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