0.   序言

机械化及智能化的创新发展使得焊接机器人的应用领域得到极大的扩展，考虑到某些工作环境的适用性和焊接经济性，却依然存在不足之处.相比之下，传统的焊条电弧焊接方式具有施焊灵活、经济性好、和适应性强的特点，在实际应用中依然具有不可替代的作用^[1-3]. 然而，焊条电弧焊的电弧稳定性差、飞溅大，造成焊缝成形与焊接质量难以控制，在实际应用中对焊接人员的技术性要求高.研究发现稀土元素Ce的加入可以改善这些问题^[4].

关于稀土Ce的焊接应用研究已有许多，高增等人^[5]自制的含Sc，Ce和Be的TiB₂原位增强焊丝进行TIG焊接. 结果表明，稀土焊丝焊缝成形良好，平均强度达171.88 MPa，焊接适应性更好.丁庆丰等人^[6]通过添加稀土元素Ce改善调质高强钢CGHAZ组织性能. 结果表明，添加适量稀土元素Ce可促使调质高强钢焊接热影响区形成更多针状铁素体，进而显著改善焊接热影响区冲击韧性.Zhang等人^[7]研究不同稀土元素Ce含量的新型低温高Mn奥氏体钢焊缝金属的微观组织和力学性能. 结果表明，焊缝晶体晶粒尺寸显著细化，大角度晶界的相对频率随着稀土元素Ce含量的增加而增加.张鹏等人^[8]研究结果表明，焊丝含氢量随着稀土元素Ce含量的增加而降低，但超过阈值0.1%后含氢量基本不变并且得出合适稀土元素Ce含量可以使焊缝接头无气孔.

焊接电弧与熔滴过程及状态的控制可以获得高质量的焊缝，通过添加稀土是有效的控制方法之一.Kataoka等人^[9]研究结果表明，稀土焊丝更容易形成喷射过渡，选用稀土焊丝进行焊接可以解决CO₂气体保护焊飞溅大的问题.Tanaka等人^[10]为阐明稀土作用机理进一步深入探究. 结果表明，形成喷射过渡主要原因是热收缩效应使电弧和弧根收缩，熔滴温度升高.Methong等人^[11]利用光谱的手段研究稀土元素对GMAW电弧等离子体物理性能的影响. 结果表明，REM能在电极尖端产生较大的电流密度和电磁力，促进喷射过渡的形成.李鹏等人^[12]对比研究了4种不同稀土钨极的电弧稳定性，针对不同稀土钨极进行焊接性能评价并获得最优电极.但是目前关于稀土对电弧及熔滴的研究集中于GMAW及TIG焊接，对焊条电弧焊接的相关研究很少有报道.

近些年，刘仁培等人^[13]研究了Y₂O₃对高强度钢焊条组织性能的影响.曾道平等人^[14]研制了能满足440 MPa级高强钢对焊接材料的需求的3种焊条，研究了熔敷金属组织与低温冲击韧性，但都对电弧及熔滴行为并没有进行深入研究.文中在原有A147药皮配方的基础上加入不同含量的铈铁合金，探究不同比例稀土元素Ce对焊接电弧及熔滴过渡性影响，以确定稀土最优含量，对焊条药皮配方改进研究及稀土在焊接中的广泛应用有重要的意义.

1.   试验方法

焊条电弧焊的焊接过程中伴随着熔滴过渡电极持续消耗，手动进给电极的方法难以保证焊接过程的稳定性.为保证焊接过程的稳定性及数据对比性，文中设计试验采集装置，如图1所示. 图1左侧为焊接试验装置，选用JASIC ARC ZX7-315直流焊机，设定焊接电流为140 A；焊接母材为Q235钢板；调节旋钮旋转速度控制焊接电弧高度，使其长时间保持相同高度4 mm(误差不超过1 mm)，基于熔滴快速过渡频率和较高的图像采集频率，可完成足够数量的过渡周期图像及电信号数据采集.电动导轨带动母材向前与电极形成相对运动，导轨设定焊接速度为2.5 mm/s，采用直流反接进行单面垂直施焊，焊前清除板材表面的油污及铁锈并干燥保存.图像采集系统由Baumer HX13高速摄像机及计算机组成，高速摄像系统实时拍摄电弧形态，拍摄频率为2000帧/s.加入背景激光，设定相机频率500帧/s，拍摄熔滴过渡.

图  1  试验装置示意图

Figure  1.  Schematic diagram of the experimental setup

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使用型号为NI PXIe高性能的测控系统检测电流电压的变化，采集率为50万次/s，可实现电信号和高速摄影的同步采集.McPherson-2061单色仪与Andor-DH334-ICCD组成光谱分析系统，一侧与接收光路连接，另一侧连接成像系统.接收光路由石英光纤、中空探针和三维平台组成.石英光纤探头前端连接中空探针，并放置在高精度三维平台上(精度为0.01 mm)，调节各维度的平台旋钮可精确测量电弧数据，光谱仪测试参数包括刻痕密度为150 mm⁻¹、曝光时间为150 s、累计次数为1和狭缝宽度为0.01 mm. 试验使用A147焊条(0号)及自行研制加入不同铈铁含量的5种稀土焊条(1号 ~ 5号)，直径为4.0 mm，焊条的药皮配方，如表1所示.

表  1  焊条药皮配方

Table  1.  Welding rod coating formula

焊条 型号	焊条药皮成分m/g								Ce元素含量 (质量分数, %)
	大理石	白云石	萤石	硅铁	硅微粉	金云母	碳酸钠	铈铁
0号	40	6	38	11	2	2	1	0	0
1号	40	6	38	11	2	2	1	10	2.7
2号	40	6	38	11	2	2	1	20	5.0
3号	40	6	38	11	2	2	1	30	7.0
4号	40	6	38	11	2	2	1	40	8.6
5号	40	6	38	11	2	2	1	50	10.0

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2.   试验结果及分析

2.1   电弧光谱分析

焊接电弧的物理本质为等离子体，药皮中添加的稀土Ce在进入电弧后发生熔化、蒸发和电离等过程，之后参与电弧导电并改变电弧及熔滴的行为.基于建立的光谱采集系统对焊接电弧中心进行谱线采集并根据NIST提供的原子辐射线谱资料进行标定. 为明确药皮中加入的铈铁合金是否参与电弧导电，采集了铈铁含量为30 g与铈铁含量为0 g的电弧中心光谱数据，元素特征谱线，如图2所示.发现不含稀土的电弧等离子体的光谱图与含有稀土光谱图相差并不大，特征谱线数量及元素种类基本相同，表明铈元素对其他元素的谱线相似性并没有影响. 在波长为440 ~ 520 nm范围内，焊接电弧等离子体中以Fe，Cr和Mn的原子特征谱线为主，这些元素均为焊芯中主要成分，在加入Ce后等离子体整体的特征谱线线型没有出现大的变化，但谱线强度值明显不同，加入稀土后电弧光谱各个特征谱线峰强度均比不含稀土电弧光谱对应的特征谱线峰强度值小. 分析认为药皮中铈元素电离电位低，更易达到电弧所需电离度，从而电弧的辐射强度减弱.

图  2  电弧弧光光谱

Figure  2.  Data of arc spectrum. (a) wavelength 400 ~ 480 nm; (b) wavelength 480 ~ 520 nm; (c) wavelength 680 ~ 760 nm

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在波长为680 ~ 760 nm范围内观察到不含稀土电弧的特征谱线以Fe和Ca的原子谱线为主，这是因为药皮中的主要成分为CaCO₃，在电弧中电离形成CaI的原子特征谱线，而加入稀土后还发现了明显的CeI原子特征谱线，因此光谱数据表明稀土Ce加入焊条药皮后能够在电弧中电离参与电弧导电，改变电弧物理特性.而在电弧其他波段并没有发现明显的铈元素特征谱线分析认为主要原因为，药皮及焊芯中成分复杂，各成分在电弧高温作用下分解电离产生大量电子，其中热电子的轫致辐射(自由到自由跃迁)和电子和离子的复合辐射(自由到有界跃迁)产生较高的背底谱线，从而元素特征谱线不明显；铈原子的原子发射谱线在波长为200 ~ 1100 nm的波段内少，当添加稀土含量少时不能形成强度高、突出的特征谱线且电弧中元素种类多，对于电离能较低并含量较多的元素特征谱大量出现，铈的原子谱线被遮蔽难以发现.

2.2   稀土铈对焊接电弧形态的影响

选取电弧稳定燃烧时图片，以焊条直径为参考，测量了弧锥角与电弧端部直径两个参数，如图3所示.当药皮中不含稀土时，弧锥角与电弧端部直径有最大值分别为43.32°和2.41 mm，但随铈含量增多，弧锥角与电弧端部直径都呈现减小的趋势，当铈铁含量为50 g时，弧锥角与电弧端部直径有最小值分别为37.89°与1.879 mm.即随铈含量增多电弧呈逐渐收缩趋势.这是因为铈元素热电离过程充分进行，根据电弧保持自身能量消耗最小的特性，电弧将收缩.

图  3  不同铈铁含量焊条电弧形状参数

Figure  3.  Parameters of the arc shape of welding rods with different Ce-Fe contents. (a) welding arc shapes (mm); (b) cone angle and diameter

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当铈铁含量增加到40 g与50 g时，观察到焊端部形成蹄形套筒，电弧出现偏离轴线的现象，并且电弧收缩趋势明显.分析认为套筒的形成是主要原因.一方面，套筒对电弧向外扩展产生强的约束作用，并导致电弧偏离轴线；另一方面，套筒中的稀土铈含量高，电离吸热作用持续，在这两种作用的共同结果下，电弧收缩效果明显.而套筒形成主要与药皮成分及电弧偏吹有关. 宋昌宝等人^[15]认为是药皮中添加较多的石英(主要成分SiO₂)，导致药皮融化的不均匀后形成套筒，而文中试验SiO₂含量较少，因此并不是主要因素.可能由于当药皮中铈铁合金添加量较多时，焊条易因药皮厚度不均而出现偏心，从而导致电弧偏吹.同时稀土氧化物的形成焊条药皮熔点升高，进而药皮出现熔化的不均匀性，远离电弧一侧出现熔化滞后形成蹄形套筒.

不同铈铁含量焊缝截面示意图，如图4所示. 药皮中不含铈铁合金时熔深仅为1.51 mm，当药皮中铈铁含量为30 g时，熔深增加为1.71 mm，但当铈铁含量为50 g时，熔深增加的效果并不明显，熔深为1.76 mm.焊缝熔宽变化并不明显，当铈铁含量为30 g时，最小为9.39 mm.因此稀土的加入可以提高电弧能量的集中程度，从而增加焊缝熔深.

图  4  不同铈铁含量的焊缝截面(mm)

Figure  4.  Weld cross section at different Ce-Fe content. (a) 0 g; (b) 30 g; (c) 50 g

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2.3   稀土铈对焊接电弧稳定性的影响

为分析稀土铈对焊接电弧稳定性影响，采集了焊接过程的电信号，对比统计了不同焊条电弧的电压概率密度值，如图5所示.电压概率密度分布的集中性可表明电弧的波动性.观察发现电压概率密度呈双峰状，与含稀土电压概率密度相比，不加入稀土元素的电压概率整体的分布范围广，平均燃弧电压值为23.7 V，而添加稀土焊条电压均值降低，当铈铁含量为30 g时，有最低值为20.1 V.随药皮中稀土含量的增加，燃弧电压概率呈现集中分布，概率峰值高于不含稀土的电弧，电压波动减小，电弧更加稳定.

图  5  电压概率密度

Figure  5.  Voltage probability density

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观察左侧电压值8 ~ 10 V范围的低峰发现，不含稀土的焊条短路电压概率密度数值很小，峰值仅有0.3%，随铈铁合金加入短路电压概率密度随之增加，在铈铁含量为30 g时，短路电压概率密度数值达到峰值，但数值依然很小仅为1.3%.之后随铈铁合金加入概率密度值略有减小.

2.4   稀土铈对熔滴过渡行为的影响

观察焊条的熔滴过渡过程发现，在电弧高度为4 mm的条件下熔滴的短路过渡方式基本不存在，但由于套筒形成增加渣壁过渡的可能性.当铈铁含量为30 g时渣壁过渡图，如图6所示.当t = 4 ms时熔滴长大，在重力作用下被拉长并在电弧力下被排挤到套筒侧，在t = 8 ms后形成电弧与渣桥共存的现象，t = 20 ms后渣桥断开完成过渡.

图  6  渣壁过渡

Figure  6.  Flux wall guided transfer

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稀土作为表面活性物质存在于熔渣会使表面张力系数减小，熔渣流动性增强，促进渣壁过渡的形成. 当电弧高度较高时且熔渣具备很好的流动性时，这种电弧与渣桥共存现象在低氢型焊条过渡中是普遍存在.

2.5   不同电弧高度稀土铈对熔滴过渡行为的影响

焊接实际的应用中，理论碱性焊条电弧高度应小于焊条直径可以保证良好的焊缝成形.不含铈铁合金不同电弧高度的熔滴过渡，如图7所示.添加铈铁合金30 g时不同电弧高度的熔滴过渡，如图8所示.当电弧高度为2 mm时，稀土焊条与普通焊条的过渡方式均以短路过渡为主，金属熔滴与熔池经历桥接—颈缩—分离完成过渡，过渡过程稳定、焊缝成形较好.但当电弧高度为4 mm时，观察到不含稀土的焊条在熔滴下方形成阳极斑点，熔滴在电弧力作用下产生偏飞的现象，熔滴直径较大约为2 mm，由于电弧高度并不能与熔池形成接触短路，在电弧力下熔滴偏离轴线脱离形成飞溅，焊缝成形差.结合周增^[16]的研究结果，认为过渡方式为偏飞过渡.是一个反极性焊接所固有的问题，当电子从阴极根部发射并转移到阳极时，一股强大的斥力作用在电极的熔融端，在长弧焊接条件下熔滴极易形成偏飞.但加入稀土后发现熔滴尺寸相比不含稀土较小(直径约为1.5 mm)，熔滴垂直掉入熔池，偏飞概率降低，过渡方式更多转变为滴状过渡及前文所述的渣壁过渡.结合Tanaka 等人^[10]的研究结果，认为这些变化可能是由于填充稀土材料导致功函数降低，从而可以使电子发射更有效，稳定阳极点.但熔滴迁移受电弧极性区复杂反应及电流密度的影响，电弧收缩的热效应及套筒变化也是重要影响的因素，仍需进一步对受力进行分析.当电弧高度到达6 mm时，不添加稀土时，由于电弧高度较高，熔滴在重力及表面张力的作用下被拉长，在电弧力下形成偏飞现象，熔滴尺寸增加直径约为2.5 mm.添加稀土后同样出现偏飞现象，但由于稀土对表面张力的改善作用熔滴偏飞尺寸较小.因此在该电弧高度下含稀土的焊条对熔滴偏飞的改善作用并不明显.

图  7  铈铁含量为0 g不同电弧高度下熔滴过渡

Figure  7.  Droplet transfer under different arc heights with Ce-Fe content of 0 g. (a) 2 mm; (b) 4 mm; (c) 6 mm

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图  8  铈铁含量为30 g不同电弧高度下熔滴过渡

Figure  8.  Droplet transfer under different arc heights with Ce-Fe content of 30 g. (a) 2 mm; (b) 4 mm; (c) 6 mm

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2.6   飞溅率计算

称取焊芯单位长度的质量为1.02 g/cm，测量焊前焊芯的长度L、焊前板重M、焊后焊芯长度 Ɩ、计算焊芯熔化重g、完全清理药皮及飞溅后焊后板材重m，计算飞溅率为

电弧高度为4 mm的不同铈铁含量下飞溅率计算结果，如图9所示.表明铈的加入对飞溅率有减小的作用，并且随铈含量的增加飞溅率呈先减后增的趋势，未含稀土的焊条飞溅率有最大值为20%，原因为熔滴的偏飞在过渡方式中为主，熔滴偏飞、爆炸导致大量飞溅，之后随稀土的增加促进滴状与渣壁过渡发生，飞溅率降低.当铈含量为30 g时，飞溅率有最小值11%，而飞溅的增加趋势主要集中为4号焊条和5号焊条，可能是由于套筒导致大熔滴偏飞形成颗粒较大的飞溅，造成飞溅率变化.综合考虑电弧与熔滴过渡的稳定、飞溅率和经济性，认为铈铁含量为20 g或30 g时焊条的工艺性能最佳.

图  9  不同铈铁含量飞溅率

Figure  9.  Spatter rate under different Ce-Fe content

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3.   结 论

(1) 药皮中添加铈铁合金，药皮中铈可以进入电弧气氛中参与电弧导电过程，但由于铈元素电离电位低，相较于不添加稀土，电弧中各元素特征谱强度减小.

(2) 铈元素热电离过程使得电弧收缩，而焊接套筒的形成加剧收缩效应，显著增加焊缝熔深.

(3) 稀土铈的添加促进渣壁过渡及滴状过渡形成，显著减少熔滴偏飞概率，在保证成型良好的条件下扩大电弧高度调节区间，综合考虑当铈铁含量为20 g或30 g时焊条的工艺性能最佳.