（材料加工工程专业论文）气—粉混合保护焊技术的研究.pdf

中文摘要 摘要 c 0 2 气体保护焊作为一种高效焊接技术，因其具有生产率高、焊接成本低、 焊接变形小、能耗低、适用范围广、抗锈能力强以及焊后不需清渣等优点，大量 应用在低碳钢、低合金钢等黑色金属的焊接，便于实现自动化生产，可以进行不 同厚度工件的各种位置的焊接。但是由于c o , 气体保护焊的自身性质特点，使此 焊接方法有2 个主要不足：一是飞溅大；二是成形差。 本论文提出了一种气一粉混合c 0 2 保护焊的新技术，在这种工艺中由于加 入的特种活性材料参与电弧燃烧、焊丝熔化和焊缝成型过程，通过调整药粉特性 而获得多种焊接工艺性能，包括极低的飞溅率和良好的焊缝表面成型性能；而通 过调整药粉成分，很容易获得适宜的熔敷金属合金系统。 本论文研制一套工艺设备，包括焊丝表面轧丝轮、焊丝校直系统、焊丝压丝 轮、送粉器等实现气粉混合焊接过程。设计了带齿的两对不同位置的轮，把焊丝 轧制成表面有凹痕的能携带药粉的焊丝；采用压轧轮把焊丝表面毛刺去除；让焊 丝滚过送粉器而实现带粉进入焊接区。本文所研制的工艺设备可以比较容易地实 现焊丝与药粉搭配的多样性、多用途、多品种。通过对普通c o ：气体保护焊设备 的改造，可以由焊丝在焊接过程中直接带药粉进入焊接区，从而实现气一粉混合 c 0 2 气体保护焊焊接过程。 通过采用普通h 0 8 m i l 2 s i a 焊丝带粉的气一粉混合c 0 2 气体保护焊焊接，与 采用普通h 0 8 m n 2 s i a 焊丝的c 0 。气体保护焊焊接的对比试验，研究气一粉混c o ：气 体保护焊焊接工艺性能。实验证明，采用气一粉混合c 0 2 气体保护焊接，焊接飞溅 率降低。熔滴过渡过程中，大颗粒飞溅物明显减少。气一粉混合c o ：气体保护焊接， 焊缝熔宽、熔深都增大，而余高降低，焊缝成形得到改善，焊缝表面光滑美观。 此外，采用气一粉混合c 0 。气体保护焊接，使用中等规范参数，可以实现细颗粒 熔滴过渡。 关键词：气一粉混合保护焊；送丝机构；飞溅；焊缝成形 a b s t r a c t a b s t r a c t c 0 2a r cw e l d i n gw h i c hi sah i 【g he f f i c i e n tw e l dt e c h n i q u ei sw i d e l yu s e di nt h e w e l do fm i l ds t e e l ，l o wa l l o ys t e e la n do t h e rb l a c km e t a l s o rt h ew e l di nd i f f e r e n t t h i c k n e s sa n dp o s i t i o nb e c a u s eo fi t sm e r i t so fh i 【g hp r o d u c t i v i t ya n dw i d el 雠i n m a n u f a c t u r i n gp r o d u c t i o n o nt h eo t h e rh a n d , t h i st e c h n i q u eh a st w os h o r t a g e so f l a r g eq u a n t i t yo f s p a t t e ra n df o r m a t i o no f w e l d t h eg a s - p o w d e r - m i x e dc 0 2a r cw e l d i n gt e c h n i q u ew a sd e v e l o p e di nt h i s d i s s e r t a t i o n b ya d d i n ga c t i v ef l u x e si nt h ec o u r s eo fa r cb u r n i n g , w e l dm e l ta n d f o r m a t i o n , m a n y9 0 0 dq u a l i t i e s ，s u c ha sl o ws p a t t e ra n df o r m a t i o no fw e l dw i l lb e o b t a i n e d a n di nt h es a m et i m e ，c o n f o r m a b l ea l l o yw i l la l s of o r m e d an e w a p p a r a t u sw a sd e s i g n e di n t h et h e s i s ，w h i c hi sc o n s i s to f ar o l l i n gw h e e l ，a r e v i s i n gd e v i c e ，ac a r v e dw h e e la n dad e l v e rp o w d e rd e v i c e t h r o u g ht w or o l l i n g w h e e l si nd i f f e r e n tp o s i t i o n , w e l dw a sr o l l e dt ob ed e n t e do n ew h i c hc a nb ef i l l e dw i t h p o w d e r , a n dt h es u r f a c eb u r r0 1 1w e l dc a l lb ew i p e do f fb yr o l l i n gw h e e l s a l la c t i v e f l u x e sc a nb eb r o u g h tt ow e l ds e c t i o nb yad e l v e rp o w d e rd e v i c e c o m b i n a t i o no f w e l da n da c t i v ep o w d e rw a sv e r ya l t e r a b l ea n dm u l t i - u s i n gb ya l la b o v ed e v i c e s t h et e c h n i c sp e r f o r m a n c eo f g a s - p o w d e r - m i x e dc 0 2a r cw e l d i n gw a ss t u d i e dv i a t h ec o n t r a s te x p e r i m e n to fo r d i n a r yh 0 8 m n 2 s i aw e l dw i t ha c t i v ef l u x e sa n do r d i n a r y h 0 8 m n 2 s i aw e l d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tr a t eo fs p a t t e rw i l ! d e s c e n db y g a s - p o w d e r - m i x e dc 0 2a r cw e l d i n gt e c h n i c s ，b u tt h ep e n e t r a t i o n , w i d t h , a n dr a t i oo f w i d t h d e p t hw i l li n c r e a s e 。w e l ds h a p e sw i l lc h a n g ee st h er e s u r s o t h es u r f a c eo f w e l ds l o tw a ss h a p e dw e l l m e l t i n gd r o p sa r et r a n s f e r r e db yf i n eg r a n u l ew i t h g a s - p o w d e r - m i x e dc 0 2a r cw e l d i n gt e c h n i c sa c c o r d i n gt om i d d l i n gs t a n d a r d p a r a m e t e r s k e yw o r d s ：g a s p o w d e r m i x t u r ea r cw e l d i n g ：w i r ef e e d ；s p a t t e r ：f o r m a t i o n o fw e l d 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，也不包含为获得云洼太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；袁丞兰 签字日期：力妒年，月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丢洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼太堂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：袁互兰 签字日期：加衫年，月，日 导师签名： 锄宝 签字日期：劬二年1 月1 1 日 第一章绪论 1 1 本课题的提出 第一章绪论 c o ：气体保护焊是2 0 世纪5 0 年代发展起来的一种高效焊接技术，由于其生 产率高，并具有焊接成本低，能耗低，焊接变形小、适用范围广、抗锈能力强以 及焊后不需清渣等优点，故大量应用在低碳钢、低合金钢等黑色金属的焊接，可 以进行不同厚度工件的各种位置的焊接，便于实现自动化生产。自“七五”到“十 五”以来，c o ：气体保护焊一直是我国重点推广的高效焊接技术。特别是近几年， 随着我国焊接技术的快速发展，c 0 2 气体保护焊在整个焊接生产中的比重已从五 年前的5 左右急速上升至目前的2 0 以上。因此，随着对c 嘎气体保护焊工艺 方法研究的深入，其焊接质量也在不断提高。这神焊接方法不仅应用于一般结构 件，而且开始在某些压力容器和动载荷结构上使用。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、西油东送等都亟需高质量的 c o ：焊接技术“。c o 。气体保护焊在我国造船、机车制造、汽车、石油化工、工程 机械、农业机械等部门获得了日益广泛的应用。 现行的c q 气体保护焊虽然有以上优点，但是由于c 0 。气体保护焊的性质特 点使此焊接方法有2 个主要不足：一是飞溅大，二是成形差。飞溅大的问题，使 得在焊接过程中产生的大量大颗粒飞溅物，牢固地糙附在工件表面。严重影响工 件表面质量，对于一些重要的焊接结构，焊接后不得不花费大量的人力和物力对 焊缝表面及附近飞溅物进行清理，从而降低了劳动生产率；飞溅不仅污染工件， 增加了劳动强度，降低熔敷率，也会堵塞喷嘴，使送丝不畅，降低焊接生产率： 飞溅的产生还大大影响了电弧稳定性，产生的金属颗粒进入焊缝造成夹渣等缺 陷，严重影响焊接质量。焊缝成形差主要表现在易形成深而窄焊缝。此类焊缝易 出现气孔、夹渣、咬边，裂纹等缺陷。此外，现行的c o 。气体保护焊的焊缝表面 比较粗糙，余高过大，焊缝几何形状不合理，对于一些重要的焊接结构，焊接后 不得不对焊缝表面形状进行修补。这些问题的长期存在，在很大程度上制约了 c o ：焊接技术在工业生产中的进一步推广和应用，因此国内外研究者就解决此类 问题在焊接材料、焊接电源等方面开展了大量的研究工作。 1 2 国内外发展现状 为解决上述两个主要问题，国内外焊接学者围绕着c o ：气体保护焊焊接电源 第一章绪论 和焊接材料等方面的研究一直在进行着不懈的努力，取得了较大进展。 1 2 1 焊接电源方面 1 、研制新一代表面张力熔滴过渡形式的c o 。气体保护焊的焊接电源蟊” 此种方法主要依靠表面张力实现熔滴过渡形式，使电源具有更好的动态特 性，在短路过渡液桥分离时，电流快速下降至5 0 a 左右，熔滴在表面张力作用下 完成熔滴过渡。在平均电流7 0 1 6 0 a 范围内飞溅极小，但电流超出上述范围， 飞溅就难以控制，同时电源中使用的关键元件- - i g b t 管可靠性较差，电源控制 复杂，价格较高。 2 、调整焊接电源外特性m 在平外特性的焊接电源输出回路中串联1 个电感是目前国内大量c 0 2 焊机采 用的方法。此方法线路简单，电感能限制短路电流上升速度d i d t 和短路电流 峰值i 。，在短路时储存的能量对电弧的重燃有利，但电感调节的灵活性差，不 能满足更高要求。电子电抗器出现后，电源输出特性可根据焊接过程各阶段的需 要迅速切换。 3 、波形寻优控制法” 林肯公司研制的以单片机为核心的c o 。短路过渡焊接电弧波形在线优化控 制，体现了近来波形控制方法的发展方向。其基本思想是：在电流波形控制的基 础上，根据对熔滴过渡状态和燃弧状态的检测，对电流波形参数进行反馈调整， 使得电流波形更加切合对熔滴过渡状态和燃弧状态控制的要求。该方法是根据过 去的熔滴过渡状态和燃弧状态的检测来调整未来的熔滴过渡状态和燃弧状态，从 本质上是根据以前的状态和判断，对后面的熔滴过渡进行开环控制。因此，这种 波形寻优控制方法，从宏观来说属于闭环反馈控制，但从微观来说仍属于开环控 制。获得的最好的结果，是使电流波形能适应大多数的熔滴。就此而言，电流波 形寻优属于一种平均控制。 4 、调整焊接工艺 通过选择合适的电流、电压，使其成为下潜电弧焊，熔滴过渡形式从大滴状 过渡变为射滴过渡，可以显著降低飞溅，而且熔深比较大伽，但这种方法只适用 于直径为1 2 m m 以上焊丝的c o ：气体保护焊，也只能用于厚板焊接。而且由潜弧 而造成的焊缝表面比较粗糙。 第一章绪论 1 2 2 焊接材料方面 1 、采用混合气体c o 。气体保护焊卜“ 目前国内外主要采用c o ：+ a r 或c o , + 0 2 混合气体作为保护气，采用混合气体 c o ：气体保护焊，可以降低飞溅、改善焊缝成型，是目前降低c 0 ：焊飞溅比较有效 且较常使用的方法。此方法存在的不足是：焊接成本较高，由于母材热输入不足 易造成熔深浅、余高大、未熔合等现象。 2 、用药芯焊丝取代实芯焊丝“” 采用药芯焊丝，可显著降低飞溅、改善焊缝成型、提高熔敷效率。但目前我 国成批生产的c 0 ：药芯焊丝的品种很少、c 0 2 药芯焊丝的发尘量高( 比实芯焊丝高 3 0 4 0 ) 、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。 3 、采用活化焊丝m “2 1 在焊丝内部或表面加入k 、c s 等易电离物质，使得电弧弧柱横向尺寸增大， 减小阻碍熔滴脱落的电磁力，电弧斑点能稳定在电极的端部，使得熔滴温度升高、 表面张力减小而易于脱落，从而改善了c o , 焊的熔滴过渡特性，以小滴形式从焊 丝末端不断脱落，而呈细滴喷射过渡，大大减少了飞溅，飞溅率从1 0 1 2 降 低到2 3 ，焊接速度和质量有所提高。但由于焊丝的制造技术问题，目前可 以工业上应用的活性焊丝还较少。 1 3 国内外气体保护实心焊丝发展概况 气体保护焊工艺方法以其独特的优势，在工业发达国家制造业中得到广泛的 应用。发展至今，美国气体保护实心焊丝约占其焊材总量的3 1 ，日本为4 1 ， 西欧达到5 3 。气体保护焊工艺的发展与金属结构制造密不可分。目前，在美国、 日本、欧洲等发达国家和地区采用焊接结构件的比例不断增加，气体保护焊消耗 的焊接金属材料重量约占全部焊接材料总重量的5 0 7 5 。气体保护焊技术的 发展，极大地提高了金属结构行业的制造技术水平“”。 我国的气体保护实心焊丝研制与开发始于5 0 年代，但始终停留在研究阶段。 近l o 年来气体保护实心焊丝的发展较快，目前全国的气体保护实心焊丝生产企 业1 5 0 余家，已从德国、瑞典、加拿大、日本等国及台湾地区引进各种生产设备 第一章绪论 近5 0 套，国产或自行研制的设备1 0 0 余条，生产能力达年产2 0 多万吨。2 0 0 2 年全国焊材生产总量约为1 5 0 万吨。实心焊丝产量约2 5 万吨，大约占焊材总量 的1 7 左右，但与国外比较，还有很大差距。 。 c o , 气体保护实心焊丝伴随着金属结构焊接技术的发展而壮大，在我国“六 五”和“七五”期间，为满足国家重点工程大型机械技术装备制造要求，引进国 外先进的焊接技术和装备，对大型骨干机械企业进行技术改造，我国大型金属结 构制造企业，通过与美国、德国、日本等国家的跨国公司合作制造大型金属结构， 批量购买国外气体保护焊设备、焊材等器材，并且进行焊工培训。 8 0 年代初至8 0 年代后期，我国针对当时q 2 3 5 、1 6 m n 等主要结构钢生产的 4 9 0 m p a 级c 0 2 气体保护实心焊丝，已实现部分自给，但大部分气体保护焊丝主要 依靠从美国、日本、德国等国进口。近年来，随着我国的c o 。焊丝发展，除合作 产品外，已全部实现焊接材料的国产化，有效地降低了制造成本。我国c o 。气体 保护实心焊丝已形成一定的生产规模，产量和质量也有很大的提高，针对q 2 3 5 、 q 3 4 5 及q 3 9 0 等结构钢的c o 气体保护焊实心焊丝，能满足金属结构制造的要求， 使用最多的实心焊丝主要有e r 4 9 1 和e r 5 0 6 两种，主要有m1 2 m m 、由1 6 m m 两种规格。 目前国内c o ：气体保护焊实心焊丝应用存在的不足主要有以下几点“： 1 、碳钢焊丝品种单一 我国c 0 ：焊碳钢焊丝只有e r 4 9 一l 和e r 5 0 _ 6 两个品种生产量较大，其余大部 分品种产量较小。 2 、高强钢、高韧性钢、耐热钢及特种材料焊丝生产少 近年来，随着企业产品结构的调整，焊接金属材料范围由常见的q 2 3 5 、q 3 4 5 向高强度钢、高韧性钢、耐热钢领域拓展，而我国这类焊丝的生产厂家极少，往 往出现供货周期长、价格高，不能满足生产要求。有的特殊铜种焊丝仍依赖进口。 在实际生产中，对于以上钢种的焊接，只得选用进口焊丝或改变焊接工艺方法。 3 、焊丝结构不合理 国外低碳钢焊丝m n 元素含量相当于e r 4 9 1 焊丝下限，焊丝拉拔、焊接工艺与 力学性能均好于e r 4 9 1 焊丝。因受原材料和传统观念的影响，目前许多用户仍 以e r 4 9 1 焊丝为主，该焊丝是仿前苏联产品，化学成分不合理，m n 元素含量偏 高，不仅在焊接低碳钢时焊丝浪费，而且会给拔丝带来困难，增加退火处理工艺。 第一章绪论 4 、c 0 。焊丝的焊接工艺性能差 国产焊丝的力学性能虽比国外同类焊丝差，但基本能满足要求，而焊丝的 工艺性能问题却比较突出，在一定程度上制约了c 0 2 焊丝的发展。目前国产焊丝 在挺度、送丝稳定性、飞溅、焊缝成形、适用性等方面与国外焊丝有一定的差距， 远不能满足焊接生产发展的要求。 1 4 国内外气体保护药芯焊丝发展概况 药芯焊丝出现于本世纪2 0 年代，但直n 2 0 世纪5 0 年代才推出商品化的药芯焊 丝。目前，药芯焊丝在世界各工业发达国家得到了广泛的应用，美国于5 0 年代首 次使用药芯焊丝，并在9 0 年代得到大力发展。目前美国药芯焊丝年产量约为7 万 吨左右，占其焊材总量的2 0 。日本在1 9 5 9 年从欧洲引进药芯焊丝生产技术，2 0 多年发展较慢，直至r j 9 0 年代药芯焊丝才得到迅速发展，目前年产量约为8 万吨左 右，占其焊材总量的3 0 左右。西欧药芯焊丝发展较早，但发展缓慢，总产量约 为6 万吨左右。我国药芯焊丝的研究始于2 0 世纪6 0 年代，生产于8 0 年代，发展在 9 0 年代，高潮期在本世纪初。近年来，药芯焊丝的生产得到了较大的发展，从1 9 9 6 年的5 0 0 余吨发展到2 0 0 1 年的1 2 万吨产量，目前已有1 8 家生产企业( 包括3 家外资 企业) ，共有生产线3 9 条，其中引进生产线2 1 条，自制生产线1 8 条，现有设备生 产能力万余吨，年产量超过1 0 0 0 吨的企业有4 家。 药芯焊丝以其生产效率高、焊接工艺性能好、电弧稳定、飞溅小、焊缝成型 美观、焊接质量高等一系列优点，在国外发达国家迅速发展。首先在焊接工作量 大又要求半自动、自动化( 或智能化) 焊接的部门，如大中型造船厂推广应用，紧 接着向石化、冶金、军工等部门及重大工程项目中推展，其年消耗量已占到焊材 总消耗量的3 0 4 0 。近年来国内药芯焊丝市场需求量亦在快速增长，但这并 不意着在所有的情况下药芯焊丝的焊接工艺质量都能满足用户的要求。目前国内 生产药芯焊丝的专业厂数十家，产品的质量各具特色。总体上看，国产药芯焊丝 的工艺质量比以前有了较大提高，但与国外同类名牌产品相比，仍存在一定的差 距和亟待解决的问题“日。 1 药芯焊丝的品种 国外药芯焊丝开发的品种有5 0 多种，瑞士奥利康有5 5 种，美国林肯和麦克凯 都有4 0 5 0 种，瑞典伊萨也有2 5 种。各国依据重点发展的产业不同，生产的药芯 焊丝品种也有所不同，如在美国自保护药芯焊丝用得最多；在日本气保护细丝药 芯焊丝占绝对优势；我国虽然列) , 1 9 9 7 年版焊接材料产品样本的药芯焊丝牌 第一章绪论 号有3 2 个，但真正能形成批量供货的焊丝品种却很少。 2 药芯焊丝的质量 一般国产药芯焊丝的力学性能虽然比国外同类焊丝差，但还是能满足产品技 术要求的。而药芯焊丝的工艺性能差却比较突出，已严重制约着药芯焊丝的进一 步推广应用。目前国产药芯焊丝在焊接飞溅、挺度、送丝稳定性、烟尘、熔渣覆 盖及脱渣性等方面与国外同类焊丝相比有相当大的差距，远不能满足焊接生产发 展的要求。 3 配套焊接设备 由于药芯焊丝的结构特点，需使用专用焊接设备，所以国外都有与之相配套 的焊接设备。而我国目前尚无供药芯焊丝专用的电源和送丝机构，一般采用的是 进口设备或使用c o z 实芯焊丝设备。 1 5 焊接中活性焊接法的应用及发展 。 在科学技术日益发展的今天，随着各种高性能的新型材料不断出现和各种关 系国计民生的重大的工程项目建设的需要，人们对各种材料和各种结构的焊接技 术提出了更高的要求。焊接技术正向着高效率、高质量、低成本、降低劳动强度、 降低能耗的绿色方向稳步发展“”。 活性焊接正是近几年兴起的这样一种绿色高效焊接技术，并正在引起人们的 越来越多的关注。 使用活性剂的焊接方法称为活化焊接法。活化焊接最早由乌克兰巴顿焊接研 究所( p w i ) 于2 0 世纪6 0 年代开始研究“”，直到1 9 9 7 年在欧美国家才有广泛的 研究，目前已应用于碳钢、不锈钢、镍基合金、钛合金、铝合金的焊接，其生产 率高、成本低、焊接变形小，具有广泛的应用前景。 1 5 1a - t i g 焊应用 活性焊接法在t i g 焊中应用较早，将活性剂与t i g 焊结合的焊接方法通称为 a t i g ( a c t i v a t i n gf l u xt i g ) 焊。 卜t i g 焊通过调节活性焊剂中微量元素的组成和含量来达到控制焊缝成形和 提高焊接质量的目的。对于某一牌号的被焊材料母材，必须配合一种专为该被 焊材料研制的活性焊剂，这样才能充分发挥a - t i g 焊技术的优越性。现已报道的 几种具体钢种的活性焊剂的成分均由氧化物s i 0 2 、t i0 2 、c r 。嘎、m g o 、c a o 或氧化 6 第一章绪论 物s i o , 、t i 如、c r 籼与卤化物c a f , 、n a c i 的混合物组成“。 1 5 2 活性钎焊法的应用 在电子工业中应用多种活性助焊剂，可以提高焊缝质量。由于加入活性剂的 助焊剂具有较强的去氧化能力，表面张力小，流动性好漫流面积大、提高了液 态焊剂的流动性能和润湿性，钎焊后形成的高分子树脂保护膜致密，光泽及绝缘 性好，耐压强度高，焊点丰满、光滑、无虚焊。因此，活性助焊剂可广泛应用于 波蜂焊、手工焊、印制板涂覆以及作为材料涂覆保护剂。 e s 系列助焊剂选择t o p 系列非离子和铵盐阳离子型表面活性剂的复合物。“。 这种复合物的添加，增进了助焊剂对被焊材料的均匀浸润作用，使得焊点和焊缝 规整、饱满，在波峰焊工艺中还可便焊剂的鼓泡细腻、均匀。 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噼。，。 1 5 3 其它活性焊接方法的应用 活性焊接法除在t i g 焊、钎焊中应用较多外，在电子束焊、f b t i g 、激光焊、 c o , 气体保护焊中也有应用嘲一捌。 目前对活化焊接方法的研究主要集中在以下几个方面：( i ) 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 ) 活性剂影响机理和焊接效果的研究的不断深入；( 4 ) 涂敷技术和工艺的研究以及 活性剂产品化等。 随着国内外学者对活化焊接机理的进一步研究以及工艺应用方面的日趋成 熟，适用于更多材料、工艺性更好的活性剂将被研制出来，活性剂将会在更多的 焊接方法中应用，并起到多方面的作用，新的高效活性焊接法将得到应用。 1 5 4 本课题的特点 本课题使用的活性剂，其作用与a - - t i g 焊中的作用有所不同。a - t i g 焊中 活性剂的作用主要是促使电弧收缩，使焊缝熔深增大。而气一粉混合c o , 气体保 护焊中采用的活性剂，其作用主要是使电弧扩展，使焊缝熔宽增大较明显。 第一章绪论 1 6 本课题的研究内容 1 、气一粉混合c 0 ：保护焊新技术工艺设备的研制 综观上述，针对c o , 气体保护焊技术的不足，国内外正在进行的研究工作现 状，尚不能根本解决c 如气体保护焊的飞溅大和成型差的弊端。，为此本课题提出 了一种c o ：气一粉混合保护焊的新技术，在这种工艺中由于加入的特种活性材料 参与电弧的燃烧、焊丝的熔化和焊缝成型过程，可以通过调整药粉特性获得多种 焊接工艺性能，包括极低的飞溅率和良好的焊缝表面成型性能。同时通过调整药 粉成分，很容易获得适宜的熔敷金属合金系统。本课题通过研制一套工艺设备包 括焊丝表面轧丝轮，焊丝较直系统、焊丝压丝轮、送粉器等实现气粉混合焊接过 程。 2 、气一粉混合c o , 气体保护焊焊丝的制备 本课题使用带齿的两对不同位置的轮，把焊丝轧制成表面有凹痕的能携带药 粉的焊丝；通过压轧轮把焊丝表面毛刺去除；使焊丝滚过送粉器实现带粉进入焊 接区。实现焊丝与药粉搭配的多样性、多用途、多品种。 3 、气一粉混合c 0 。气体保护焊特种活性药粉的研制 研制与h 0 8 焊丝相配合的特种活性药粉成分；与h 0 8 m n 2 s i a 焊丝相配合的活 性剂成份。 4 、研究气一粉混合c 0 ：气体保护焊对焊接工艺性能的影响 通过使用普通h 0 8 焊丝带粉与普通h 0 8 m n 2 s i a 焊丝对比试验，研究气一粉混 c 0 2 气体保护焊焊接工艺性能。( 由于时间有限，此工作未做。) 5 、研究气一粉混合c o 。气体保护焊对焊接飞溅率、焊缝成形及电弧性能的影 响 采用气一粉混合二氧化碳焊接与普通二氧化碳焊接对比试验方法，研究气一 粉混合c 0 2 焊接对焊接飞溅、焊缝成形及电弧工艺性能的影响。 第二章气粉混合c 0 2 保护焊新技术工艺设备的研制 第二章气一粉混合0 0 2 保护焊新技术工艺设备的研制 2 1 气一粉混合c 0 。气体保护焊新技术的实现 2 1 i 普通c 0 ：气体保护焊焊丝发展状况 我国是世界焊接材料的生产和消费大国，总产量已近1 2 0 万吨。在产品结构 上也在发生着改变，总体趋势是电焊条的产量由增加而至稳定，焊丝( 包括气保 护焊焊丝和埋弧焊焊丝) 产量逐年不断增加，焊接材料总产量的增长也由快而至 缓慢。但实芯焊丝、药芯焊丝的比例仍较低1 。 实芯焊丝是目前最常用的焊丝，由热轧线材经拉拔加工而成。为了防止焊丝 生锈，需对焊丝表面进行特殊处理。c 如气体保护焊使用的实芯焊丝品种单一， 主要是h 0 8 m n 2 s i a 药芯焊丝是将药粉包在薄钢带卷成不同截面形状经轧拔加工制成的焊丝。目 前我国药芯焊丝产品品种主要有钛型气保护、碱性气保护和耐磨堆焊三大系列， 适用于碳钢、低合金钢、不锈钢等，大体可以满足一般工程结构焊接的需要。 由于药芯焊丝价格较高，品种少；而实芯焊丝需求量很大，研制一种新型的 二氧化碳焊接新技术是解决此问题的一个方法。 2 1 2 气一粉混合c 0 2 气体保护焊技术的实现 本文通过对普通c o , 气体保护焊设备进行改造，在焊接过程中实现气粉同时 送进，使用普通低碳钢实芯焊丝和普通c 0 ：气体保护焊焊丝，通过添加活性剂或 者是其他合金粉剂，就可以达到满足焊缝使用性能要求、改善焊接工艺性能的目 的。 本文所研究的是对普通二氧化碳焊接设备送丝机和焊枪结构的改进。使用此 设备，不必先预制成药芯焊丝，可以在焊接过程中，通过实心焊丝直接携带粉剂 进入焊接区，而达到了气与粉同时作用目的。 2 2 普通c o ：气体保护焊送丝机 2 2 1 普通c 0 ：气体保护焊送丝机 焊丝的运动是由送丝滚轮驱动的，因而送丝滚轮的结构和驱动焊丝的方式对 送丝稳定性起着关键性的作用。送丝机构的送丝方式通常有3 种：平面式；三滚 第二章气粉混合c 0 2 保护焊新技术工艺设备的研制 轮行星式送丝机构；双滚轮行星式送丝机构。平面式送丝机构因其结构简单、使 用与维修方便、价格低廉在普通c o , 焊中得到广泛的应用眦1 。 根据焊丝直径及施工要求，c 如气体保护焊送丝机通常有3 种形式：推丝式、 拉丝式、推拉丝式。 1 、推丝式主要用于直径为0 8 2 o m m 的焊丝，它是一种应用最广的送丝方 式。其特点是焊枪结构简单轻便，易于操作。但焊丝需要经过较长的送丝软管才 能进入焊枪，焊丝在软管中受到较大阻力，影响送丝的稳定性，软管的刚性过大， 送丝阻力可减小，但操作起来不灵便：软管刚性过小，送丝阻力大，但操作灵活； 所以软管刚性应该适当。软管长度也要合适，一般为3 s r a 。 2 、拉丝式主要用于细焊丝( 焊丝直径小于或等于0 8 m m ) 。因为细丝刚性小， 推丝过程易变形，难于推丝。拉丝时送丝电机与焊丝盘均安装在焊枪上，由于送 丝力较小，所以常常选用l o w 左右的小电机。焊丝盘容量大约0 7 k g 。因此，拉丝 式虽可保证了送丝的稳定性，但拉丝式焊枪仍然较重，焊工的劳动强度也增大。 3 、推拉丝式送丝机可以增加焊工的工作范围，克服了使用推丝式焊枪操作 范围小的缺点，送丝软管可以加长至1 l o m 。此类送丝机是除推丝机外，还在焊枪 上加装拉丝机。推丝是主动力，拉丝只是把焊丝拉直。以减小推丝阻力。推力与 拉力必须很好地配合，通常拉丝速度应稍快于推丝。该种方法虽有一定的优点， 但由于结构复杂，调整麻烦，同时焊枪较重，因此实际应用很少。 4 、加长推丝式可以满足焊工在更大范围内工作的需要，送丝软管达到2 0 m m 。 这种方式不但可以加长送丝距离，还能减轻工人的劳动强度，深受用户欢迎。 推丝机是应用最广的送丝机，送丝电机、送丝滚轮、矫直机构、焊丝盘和插 孔等都装在薄铁板压制的基价上。送丝机核心部分的结构如图1 1 所示o ”。 该装置以送丝电机与减速箱为主体，在其上安装送丝滚轮和加压滚轮。加压 滚轮通过滚轮架和加压手柄压向送丝轮，根据焊丝直径不同，调节加压手柄可以 调节压紧力大小。在它的后面是焊丝校直机构，它由3 个滚轮组成，它们之间的 相对距离可视焊丝情况进行调整。在送丝轮的前面是焊丝导向部分，它由导向衬 套和出口导向管组成。焊丝从送丝轮的沟槽内送出，正对着导向管入口，以保证 焊丝始终从送丝轮的沟槽内顺利地进入送丝软管。为了固定导向衬套，机体上还 设有压簧。 第二章气粉混合c 0 2 保护焊新技术工艺设备的研制 2 2 2 送丝滚轮机构 圈2 - 1 送丝机核心部分结构图 送丝滚轮的作用是保证均匀、可靠地送丝。根据焊接过程的不同要求，可以 采用多种送丝滚轮形式，最简单的只有一只主动滚轮，另一只为加压轮从动滚轮。 如图3 2 a 所示。为防止焊丝表面损伤及打滑，c 0 2 气体保护焊送丝机的送丝滚轮 一般加工出槽，有v 形槽、u 形槽，使用v 形槽较多。在送铝焊丝或药芯焊丝等 软焊丝时，也可以采用双主动轮或四主动轮送丝机构，这种机构的两个或四个送 丝滚轮轴都装有相同的齿轮，主动轮分别为两个或四个，能够在压力不增加时， 使送丝力成倍增加1 3 2 9 如图3 - 2 b 和c 所示。 第二章气- 粉混合c 0 2 保护焊新技术工艺设备的研制 a 单主动轮结构b 双主动轮结构c 四主动轮结构 图2 - 2 送丝滚轮机构 2 3 气一粉混合c 0 ：气体保护焊设备 本文通过对普通c o l 气体保护焊送丝机构和焊枪进行改造，制造出可以带粉 进入焊接区的焊丝，实现气一粉混合焊接。 2 3 1 焊枪部分 本文在普通c 仉气体保护焊焊枪头部、在导电嘴后方加了一个圆桶形送粉器。 焊丝穿过送粉器，挂上粉后把药粉带入焊接区。焊枪部分示意图如2 - 3 。这种方 法是最初的设想，由于时间有限未来得及做。另外，我也认为此种方法的效果不 会很好，所以主要进行了下面方法的研究。 圈2 - 3 加了送粉器的焊枪头部示意图 第二章气粉混合c 0 2 保护焊新技术工艺设各的研制 2 3 2 送丝机构部分 气一粉混合c 仉气体保护焊送丝机构由两部分组成。第一部分包括两对轧丝 轮、一个送粉器、两对压丝轮、三个较直滚轮；第二部分包括一组送丝滚轮。第 一部分机构的作用是对焊丝表面进行加工及焊丝带粉。第二部分的作用是保证焊 丝稳定的送进。送丝机构如图2 - 6 所示。 1 、轧丝轮 焊丝出焊丝盘后，首先通过一组纵向轧丝轮，该组由两个轧丝轮组成。然后 进入一组横向轧丝轮，此组包括两个轧丝轮。焊丝通过两组滚轮时保证是水平前 进，这样才能保证焊丝通过两组轧丝滚轮的线速度相等，因此焊丝能够稳定地送 进。在实验中发现，当焊丝通过两组轧丝滚轮时，如果不能水平前进，则焊丝送 进速度不稳定，很容易造成卡丝。 每个轧丝滚轮表面有尖齿，齿尖高2 哪左右。轧丝滚轮如图2 - 4 所示。焊丝 通过两组轧丝滚轮后，在滚动送进过程中，焊丝表面与轧丝滚轮尖齿都有接触， 从而在焊丝圆周的四个方向上都出现凹痕，使焊丝的表面粗化，并保证焊丝表面 加工出的凹痕均匀分布于四周。安装在纵向的轧丝滚轮，焊丝上部的一个滚轮是 压紧轮；安装在横向的两个滚轮，有一个滚轮是压紧轮；压紧轮通过弹簧来调节 压紧力。压紧力不同，则轧出的焊丝凹痕的深度不同，从而由焊丝带进焊接区的 药粉的量也不同。因此可以通过调整压紧力，来调节焊丝表面的凹痕深度，进而 调整焊接冶金系统。 滚轮材料为g r l 2 m o v 。钢材经9 8 0 淬火后油冷，然后2 0 0 回火2 3 小时， 硬度可达6 0 h r c 。 四个轧丝滚轮经线切割加工制成，齿高2 m m ，厚l 姗如图2 - - 4 所示。 第二章气一粉混合c 0 2 保护焊新技术工艺设备的研制 图2 q 轧丝滚轮示意图 2 、送粉器 焊丝从横向轧丝轮出来后进入一个装有药粉的送粉器内，如图2 5 所示，由 于焊丝滚动式前进，因此在焊丝表面可以均匀地带上粉剂。 3 、压丝轮 焊丝从送粉器出来后进入压丝轮。压丝轮由两组滚轮组成，分别安装在纵向 和横向。每组压丝轮有两个滚轮，其中纵向滚轮组在焊丝上面的滚轮为压紧轮， 横向滚轮组中的一个为压紧轮。压紧轮通过弹簧调节压紧力。这两组压丝滚轮分 别加工出v 形槽或u 形槽如图2 5 。 这两组压丝轮的作用有两个，一是把通过轧丝轮后已经轧出凹痕的焊丝表面 翻卷的毛刺压平，以免在焊丝进入送丝软管后增大送丝阻力，影响送丝稳定性， 以及通过导电嘴后堵塞导电嘴；二是把挂在焊丝表面的药粉以一定的力挤压到凹 痕中，同时挂到焊丝表面的药粉压平，使药粉在焊丝表面均匀，使其在送丝软管 中送进时不易脱落。 圈2 5 压丝轮示意图 第二章气- 粉混合c 0 2 保护焊新技术工艺设备的研制 4 、矫直滚轮 压丝轮焊丝前进的前方安装一组矫直滚轮，这组滚轮有三个轮子。保证焊丝 在送进过程中挺直均匀送进。 5 、拉丝电机 普通c 0 ：气体保护焊送丝为推丝式，使用伺伏电动机。由于我们的送丝机构 增加了几组滚轮，必须增大送丝力，才能保证焊丝的粗化及稳定送进。因此我们 在焊丝压丝轮与送丝轮之间安装一个拉丝电机。 6 、焊丝加工及带粉过程图 普通焊丝竺有凹痕焊丝二竺竺羔挂粉后没压平的焊丝竺普通焊丝呻有凹痕焊丝啼挂粉后没压平的焊丝呻 去除毛刺后焊丝 矫直滚轮一 送丝轮 7 、送丝机构示意图 图2 - - 6 是气一粉混合c 0 2 气体保护焊送丝机构示意图。 轧丝轮 圈2 - 6 送丝机构示意图 压丝轮 向 第二章气一粉混合c 0 2 保护焊新技术工艺设备的研制 2 4 本章小结 1 、通过对普通c o ：气体保护焊设备的改造，可以由焊丝在焊接过程中直接带 药粉进入焊接区，从而实现气一粉混合c 0 ：气体保护焊焊接过程。 2 、改造的c 0 ：气体保护焊设备可以把焊丝表面轧制出凹痕。 3 、气一粉混合送丝机构包括两组轧丝滚轮、两组压丝滚轮、一个送粉器、 一组矫直滚轮和一组正常送丝轮。 第三章气粉混合c 0 2 保护焊与普通c o z 气体保护焊的焊丝对比 第三章气一粉混合c 0 2 气体保护焊焊丝 3 1 实验目的 使用气一粉混和c o , 气体保护焊送丝机构对普通c o , 气体保护焊焊丝 h 0 8 m n 2 s i a 进行表面加工，使其具有带粉功能，实现气一粉混合焊接。 3 2 实验材料及设备 3 2 1 实验材料 1 、焊丝：c o , 气体保护焊常用普通焊丝h 0 8 m n 2 s i a ，直径为由1 2 m ；气一粉 混合c o , 气体保护焊所用轧痕焊丝，直径巾i 2 m 。 2 、基本活性剂；碱金属、碱土金属、钛白粉、碳酸钠、碳酸钾、碳酸钡、 长石、稀土等。 3 2 2 实验设备 i 、经过改造的气一粉混合c d ：气体保护焊送丝机 使用如图2 - - 5 示意的送丝机构，可以在焊接过程中对焊丝进行粗化加工， 由焊丝携带药粉进入焊接区，实现气一粉混合焊接。 2 、j v ct k - c 9 2 1e c 彩色摄像机 3 、二维成像测量仪软件 使用此软件，在5 6 0 * 4 8 0 像素下，测量轧痕焊丝轧痕的尺寸。 4 、电子分析天平 3 3 试验方法及内容 3 3 1 试验方法 i 、采用气一粉混合c 0 ：保护焊送丝机构对焊丝表面进行加工，使焊丝表面有 凹痕，实现焊丝直接带粉进入送丝软管： 第三章气一粉混合c 0 2 保护焊与普通c 0 2 气体保护焊的焊丝对比 2 、比较轧痕焊丝h 0 8 m n 2 s i a 与普通焊丝h 0 8 m n 2 s i a 挂粉性能； 3 、比较轧痕焊丝轧痕深度不同时挂粉性能； 4 、比较活性剂颗粒大小不同时，轧痕焊丝挂粉性能。 3 4 实验过程 3 4 1 使用气一粉混合c 0 2 气体保护焊送丝机构对焊丝表面进行加工 1 、通过两组轧丝轮后的焊丝与普通c o ：气体保护焊焊丝对比 a 轧痕焊丝b 普通焊丝 图3 - 3 只轧未压焊丝与普通焊丝对比 从图3 2 a 可以看出，焊丝通过两组轧丝轮后，焊丝表面四周被轧出凹痕， 凹痕交错分布a 2 、焊丝通过两组轧丝轮后挂粉与普通焊丝挂粉对比 a 有轧痕焊丝挂粉 图3 4 两种焊丝挂粉对比 b 警通焊丝挂粉 第三章气- 粉混合c 0 2 保护焊与普通c 0 2 气体保护焊的焊丝对比 从3 - 4 图中可以看到，焊丝经过两组轧丝轮加工，通过送粉器后，表面可以 挂上大量的药粉，但药粉在焊丝表面不均匀。而普通焊丝通过送粉器后，焊丝表 面挂粉量非常少。 3 、有轧痕焊丝通过两组压丝轮后与未被压的有轧痕焊丝对比 8 未通过压丝轮焊丝b 通过压丝轮后焊丝 圈3 - 5 压过与未压过两种焊丝对比 由图3 5 可以看出，焊丝只通过两组轧丝轮后，加工出的焊丝表面凹痕的边 缘有毛刺翻出。使用这种焊丝，则送丝阻力增大，焊丝容易受阻，送丝稳定性差。 而通过两组压丝轮挤压后，则焊丝表面的毛刺被压平，焊丝通过送丝软管后不会 被卡住。 4 、轧痕焊丝挂粉通过压丝轮后与焊丝挂粉未通过压丝轮对比 a 挂粉未通过压丝轮b 挂粉通过压丝轮 图3 - 6 轧痕焊丝挂粉后压过与未压过对比 第三章气- 粉混合c 0 2 保护焊与普通c 0 2 气体保护焊的焊丝对比 由图3 6 所示，当焊丝经过两组轧丝轮后挂上药粉，如果不经压丝轮碾压， 则如图3 6 a ，药粉在焊丝表面分布不均，有的地方堆积成块。而如3 6 b 所示， 当焊丝轧过、挂粉后，通过压丝轮碾压后，焊丝表面药粉分布较均匀，而且在通 过送丝软管后不易脱落，因为是在凹痕处药粉量大，所以在送丝软管的内壁上粘 附的量不大，药粉的损失不多。 3 4 2 活性剂颗粒大小不同时，焊丝携带量比较 1 、药粉颗粒为1 0 0 目时有轧痕焊丝与普通焊丝挂粉比较 a 有轧痕焊丝挂粉b 普通焊丝挂粉 圈3 6 药粉颗粒为1 0 0 目两种焊丝挂粉比较 从图3 6 可以看到，当药粉颗粒较大时，即使焊丝表面加工后，其挂粉量也 很少。而药粉颗粒在1 0 0 目以下时，普通焊丝基本上挂不上粉。 2 、药粉颗粒为1 5 0 目和2 0 0 目时有轧痕焊丝挂粉比较 a 药粉颗粒为1 5 0 目焊丝挂粉 b 药粉颗粒为2 0 0 目时焊丝挂粉 圈3 - 7 药粉颗粒不同时焊丝挂粉对比 第三章气一粉混合c 0 2 保护焊与普通c c h 气体保护焊的焊丝对比 由图3 - 7 所示当药粉颗粒为1 5 0 目时，焊丝表面凹痕处药粉颗粒堆积，而 没有凹痕处药粉颗粒很少；当药粉颗粒为2 0 0 目时，焊丝光滑处也有药粉堆积。 这两类挂粉焊丝，颗粒较大的药粉比表面积小，当通过压丝轮碾