“表面张力”是怎么进军到焊缝的？

导读

最近公司新换了不锈钢的供应商，也不知是什么原因，TIG焊接变得特别困难，这到底是怎么回事呀？愁死啦⋯⋯

小明

我们之前的不锈钢进行焊接时，焊接比较顺利，熔深比较深，但是新的不锈钢，焊接不稳定，熔深也很浅。同样标准的304不锈钢，左图是以前的供应商，右图是新的供应商。

有问题去找张博士哟！

小明，听说你取得了高级焊接工程师的称号啦，恭喜恭喜。今天来，是有什么样的问题呢？

Dr.张

小明

张博士，谢谢。就等您这句话呢，今天，想了解一下焊接熔池稳定性控制的相关问题。

的确，这是个好问题。我觉得你想了解的是“马兰哥尼对流效应”吧。

Dr.张

小明

额，对“马兰哥尼对流效应”不咋了解的我来说，那个是忧郁效应……

别着急，我来给你普及一下……

Dr.张

马兰哥尼对流效应

由于表面张力在液体界面起作用，引起一个表面张力梯度，表面张力梯度超过粘滞力，使液体流动，出现毛细管对流。此现象由C.Marangoni在1865年发现，称为马兰哥尼对流。马兰哥尼对流或热毛细管对流是一种与重力无关的自然对流，在具有自由表面的液体中，沿着液体表面存在表面张力梯度，就会发生马兰哥尼对流，不需要克服什么激活势垒，很小的温度梯度就足以使之开始流动。由温度梯度造成的温度马兰哥尼对流可以很容易被控制，使其维持液态流动，但是熔池中的马兰哥尼对流经常是不稳定的。

小明，有听说过“葡萄酒的泪”吗？

Dr.张

小明

葡萄酒的泪？

是那样。在这里我们来做个试验吧。

①把葡萄酒倒入玻璃杯，稍微摇动那只玻璃杯，杯壁上会挂上一层的葡萄酒的薄膜。

②当葡萄酒中的乙醇开始挥发之后，酒液表面的乙醇分子浓度就会下降，从而导致酒液的表面张力升高，最终形成一个表面张力梯度。

③出现这样的梯度后，下层酒液中的水分子就会自动往上移动到液体表面，以缓和表面的张力。于是，在一杯葡萄酒的主液面上，就会形成一圈高低表面张力区，随着乙醇的不断挥发，高低表面张力区会不断扩大。。

④不过，高低表面张力区之间的牵引力并不能抵抗重力的作用，所以杯壁上的液体最终还会慢慢流回到主液面，形成所谓的“酒泪”。

⑤因为看上去像眼泪，所以被说“葡萄酒的泪”。

Dr.张

Tips

酒泪，也叫酒腿，也就是挂杯。挂杯的形成也就是著名的“马兰哥尼效应”(Marangoni Effect），液体的这种因为表面张力梯度而造成的传质现象。

小明

的确是~这个现象确实是由于马兰哥尼对流效应产生的。不过这个跟TIG焊接的熔池稳定性有什么关系吗？

好，问题来了。葡萄酒的泪的问题是因为表面张力梯度不同而造成的传质现象。

Dr.张

如果替换成TIG焊接的话，焊接熔池在表面张力和电磁力等的作用下发生对流，会不会引起局部材料表面张力的不均匀分布呢？

Dr.张

小明

是有这个可能的。熔池内部可能也存在着马兰哥尼对流。不过熔池表面张力的局部性差别是怎么产生的呢？

你想一下，铁的熔点是1536℃，并且温度升高，铁的表面张力有变小的倾向。

Dr.张

在熔池表面，钨电极施加在金属上的光斑具有非常高的温度，而随着与焊缝中心的距离增加，温度迅速下降。由此产生的较高的温度梯度使得金属在温度依赖性表面张力的作用下从焊接熔池的中央向外部边界流动（马兰哥尼效应）。

Dr.张

小明

您的意思是说，表面张力在温度高的钨电极下面最小，而在熔池四周的表面张力较大。这样，局部性的表面张力差别就会在熔池表面发生。

是那样，下图就是熔池中马兰哥尼流动示意图。

Dr.张

小明

如果这样，可不可以这样理解，由于马兰哥尼对流效应，将钨电极带入的大量热量通过对流传递到熔池四周表面，而厚度方向却没有足够的热量来形成较深的熔深。

不错嘛，看来是理解了。那怎么解决这个问题呢？我们知道，铁矿石中的S、P等杂质在炼钢的过程都会被除掉。但这次的主角是就是杂质元素之一的S元素。在304不锈钢产品中，S含量一般不超过0.03%。

Dr.张

那含有0.02%左右的S的不锈钢，表面张力会如何变化呢？

Dr.张

小明

0.02%的S，相比较以前不锈钢的S含量较高，我认为表面张力会降下来。

正是如此。S作为可以降低熔池的表面张力活性元素而有名。就类似于“葡萄酒的泪”中说的酒精的职责吧。

Dr.当

S元素较高时，当熔池的温度上升，S元素会首先蒸发，S减少了熔池的表面张力怎么样？

Dr.张

小明

当然表面张力上升啦。

正如你所说的。温度变高，S元素蒸发，熔池的表面张力变大。

Dr.张

小明

是否可以说表面张力就在钨电极下面的熔池最大，而在熔池周围的表面张力要小。

小明

也就是说，熔池内部的对流会从表面张力小的地方流动到表面张力大的地方。

非常好。下图中，熔池中形成的两个涡流方向都是由熔池边缘流向中心的环流，涡流有效地把热量带到熔池底部，从而产生较大熔深。

Dr.张

第一次的结果，不锈钢的S含量在0.001%的情况下进行的。

Dr.张

因为S含量只有0.001%，可以忽略，这种情况下熔池的表面张力随温度降低而降低。

下面的视频中，右侧在为温度分布图；左侧表示了电弧等离子体引起的切应力。

Dr.张

小明

确实。熔池表面受到电弧产生的等离子体产生的切应力作用，熔池表面发生流动，在低硫情况下，由表面张力引起的Marangoni对流方向由熔池中心指向熔池周边，与外界等离子体产生的切应力流动方向一致，熔池形貌宽且浅。

那么，第二种情况是在S含量0.02%不锈钢的情况下，温度对表面张力的变化发生逆转。

Dr.张

小明

额，这真的很惊人。

没想到吧。由表面张力引起的Marangoni 对流方向由熔池周边指向熔池中心，与电弧等离子体产生的剪切应力流动方向并不一致，这个电弧等离子体由于强大剪切力促使熔池表面由中心向四周流动。这两种不同方向的对流发生碰撞，熔池内部发生着复杂的对流。

Dr.张

小明

看来，S含量在0.02%的不锈钢焊接熔池中的对流要复杂得多。

是那样。下图可以反映出高S情况下的熔池对流情况。

Dr.张

而在低S情况下，因为这个两个对流方向一致所以很快的向外部流动，焊接熔池就变得又宽又浅。明白了吗？

Dr.张

小明

明白。

其实不只是S元素这样的表面活性元素，O、Se、Te等元素也有着密切的关系。例如活性化焊接A-TIG焊（Activating flux TIG welding）就是把某种组分的活性剂涂敷在焊件母材的焊接区，在与传统TIG焊相同的规范下进行焊接，焊接熔深将大幅度的提高。其原理实际上是焊前在待焊区域涂敷某种活性焊剂，焊接过程中在活性焊剂的作用下引起焊接电弧收缩，电弧能量密度增加，电弧力增大，最终导致焊缝熔深增加。

Dr.张

有了头绪后，小明回到公司……

小明，回去之后有调查结果么？

Dr.张

小明

是的。之前没有想到S含量竟然也会引起焊接熔池的稳定性。回到公司，立刻检验了以前的供应商和新的供应商的不锈钢的S含量。经调查，新的供应商的不锈钢S含量是偏低的。

肯定是这样的。不过你们也可以试一试之前介绍的A-TIG焊接方法以及AA-TIG熔接方法？另外，还有其他的对策，比如把保护气替换成氦或者氩和氦的混合气。这样将电弧电压变高，熔深也会变大。

Dr.张

小明

好的，又弄懂了一个大问题，看来有问题还得多向张博士您请教。

如果有什么问题，尽管来……

Dr.张

小明

非常感谢！