（材料加工工程专业论文）药芯焊丝co2气体保护焊烟尘测试及其结构的研究.pdf

摘要 药芯焊丝c 0 2 气体保护焊是一种具有较高的熔敷效率、高质量的焊缝成形， 自动化的焊接方法，但这种焊接方法的一个较大缺点就是焊接时产生大量烟尘， 会危害焊接工人的身体健康。因此，研究专门针对药芯焊丝c 0 2 气体保护焊的 烟尘测试系统和认识焊接烟尘的基本结构具有非常重要的意义。 本文在先后介绍了国家标准( g b l 2 2 5 7 6 ) 和以往研制的集尘装置的基础上， 比较了这两种集尘装置的优点和缺点后，又重新设计一套集尘装置，详细介绍了 如何收集焊接烟尘，并如何处理这些收集起来的焊接烟尘，精确地测量它们的质 量，并用三组不同的药芯焊丝作为实验对象，测试它们的焊接烟尘发尘量与焊接 工艺参数之间的关系，得出决定发尘量大小的很大的因素是焊接时熔滴过渡的方 式。在电弧电压为3 0 v ，焊接电流为2 4 0 a 时，发尘量是最小的，这是因为此时熔 滴过渡的方式是细颗粒过渡，颗粒直径较细，过渡频率也较高，并且焊接工艺性 优良，熔渣覆盖均匀，焊缝金属光泽鲜亮，成形均匀美观。因此在实际的工业生 产中，将焊接电流为2 4 0 a 到2 6 0 a 之间的数值作为药芯焊丝c 0 2 气体保护焊接最 佳焊接电流参数。 本文又通过高倍光学显微镜和透射电子显微镜来观测烟尘，区别焊接烟尘与 焊接飞溅，以便更加精确地测定药芯焊丝c 0 2 气体保护焊烟尘的发尘量，同时 论证新的烟尘收集方法的科学性，得出焊接烟尘和焊接飞溅的主要区别在于他们 的表面形貌和形成过程，焊接烟尘的形成过程是先液化，再氧化，最后凝固的过 程，而焊接飞溅直接是凝固的过程，同时认识到构成焊接烟尘的基本组元是一次 粒子，然后一次粒子再组成葡萄状的链式结构，链式结构是焊接烟尘的基本结构， 并试图探讨焊接烟尘为什么会具有规律性的链状结构。最后在本实验中使用光纤 型准光弹性散射颗粒粒度测试仪对药芯焊丝c 0 2 气体保护焊烟尘的颗粒分布进 行分析和研究。 关键词：药芯焊丝；焊接烟尘；集尘装置；发尘量；链式结构 a b s t r a c t c 0 2g a ss hi e l d e df c a w isw i d e l yu se di nm a n yin d u s t r i e s ，b e c a u s eith as a u t o m a t e dw e l d i n g ，h i 曲de p o s i t i o ne m c i e n c y 锄dwe l d i n gb ea dq u ai i 妙ho w e v e r ， t h em a i nd i s a d v a n t a g eo f t h i sw e l d i n gm e t h o di st h a tw h e ni ti sw e l d i n g ，i tg e n e r a t e s n u m e r o u sf u m e ，s ot h a ti tw i l lh u r tt h eh e a l t ho f w e l d e r s s oi ti sv e 哆n e c e s s a 叮t 0 r e s e a r c ht h et e s t i n gs y s t e mo fw e l d i n gf u m ei nc 0 2g a ss h i e l d e df c a wa n dt h eb a s i c s t r u c t u r eo f w e l d i n g f u m e t h i sp 印e r f i r s t l yi n 仃d d u c e s ( g bl2 2 5 - 7 6 ) a n dt h ec o l l e c t i o nd e v i c eo f w e i d i n g f u m ed e s i g n e db ya n o t h e rr e s e 甜c h e r sa n da n a l y z e sa d v a n t a g ea n d d i s a d v a n t a g eo ft h e t v 旧d e v i c e s ，t h e nd e s i g n san e wc o l l e c t i o nd e v i c eo fw e l d i n gm m e n e x ti ti n t r o d u c e s h o wt oc o i l e c t 锄dw e i g hw e l d i n g f u m e l a s t l y ，i tm e a s u r e st h ef l u m ef 0 咖i n g 豫t eo f t h r e edi 毹r e n tk in d sof fl u x - c o r c dwi r ean d 锄a l y z e st h ein n u e n c eo fw e l d i n g p a r a m e t e r so nt l l e 向m ef o m l i n gr a t e w h e na f cv o i t a g ei s3o va n dw e l d i n gc u r r e n ti s 2 4 0 a ，t 1 1 e 如m ef o r m i n gm t ei sl o w e s t t h i si sb e c a u s em e t a it 飓n s f e ri sf i n et m n s f c r p a r t i c l ed i a m e t e ri ss m a l i e ra n dt 1 1 e 仃a n s f e r6 - e q u e n c yi sa l s oh i g h e ri nt h ec o n d i t i o n ， m o r c o v e r ，w e l d i n gp ro c e s si sf i n e ，s la gc o v e r i n gi su n i f 0 咖a n dt h ew e l dh a sm e t a l l u s t c ra n d b e a u t i f u is h a p e s o ，w e l d i n gc u 玎c n tb e 帆e e n2 4 0 a 觚d2 6 0 ai st h eb e s t w e i d i n gc u n e n to fc 0 2g a ss h i e l d e df c a wm t h ea c t u a lp r o d u c t i o n t h i s p a p e ra l s ou se sh i g ho p ti c a lmi c r o s c o p e a n dtr a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p yt oo b se r v ewe l d i n gfu m e an dd is t i n g u i s hw e l d i n gfu m e 粕dwe l d i n g s p a 钍e r ，s ot h a tt h e 如m ef o 脚1 i n gra t eo fc 0 2g a ss h i e id e df c a wc a nb em o 他 a c c u r a t e l yd e t e m l i n e d ，a tt h es a m et i m et h er e a s o no f t h en e wm e t h o do ft e s t i n gt h e 如m ef o 咖i n gra t ei sde m o n s t m t e d w e i d i n gf u m ef o n n a t i o ni n v o l v e sl i q u e f a c t i o n ， o x i d a t i o na n dt h ef i n a iso l i d i f i c a t i o np ro c e s s ，an dw e l d i n gsp a t t e ro n i yh as th e s o l i d i 6 c a t i o np ro c e s s i ta l s o 佗c o g n i z e st l l ef u n d a m e n t a l 伊o u pe l e m e n to fw e l d i n g 如m ei st 1 1 eo n c epa r t i c l ea n dth eb a s i cst r u c t u r eo fw e l d i n gf u m ei sr e g u i a rch a i n s t r u c t u r ea n dt 叫st on n do u tw h yw e l d i n gf u m eh a st h i sr e g u l a rc h a i ns t m c t u 陀a t l a s t ，i tu s e sb i f o q e l st oa n a l y z ea n dd i s c u s st h ew e l d i n gf i u m ep a r t i c i es i z ea n d i t sd i s t r i b u t i o n k e yw o r d s ： f l u x - c o r e dw i r e ，w e i d i n gf u m e ，c o l l e c t i o nd e v i c eo fw e i d i n gf u m e ， 如m ef 0 邝n i n gr a t c ，c h a i ns t n j c t u r e 第一章绪论 1 1 问题的提出及相关背景 第一章绪论 焊接技术是一种重要的材料加工技术，随着国民经济的迅速发展，焊接产品 在国民经济各个部门中的应用日益广泛。对于焊接技术在国民经济中的作用，可 以这样讲，如果没有现代焊接方法的发展，就不会有现代工业和科学技术今天的 成就，一个国家的焊接技术发展水平往往也是其工业和科学技术现代化发展的标 士乡一【l 】j ! 一，( o 焊接技术的诞生与发展经历了数千年的历史，钎焊和锻焊是人类最早使用 的方法。到现在为止人类已经发明了2 0 余种基本的焊接方法，而现代工业中最 常用的焊接方法为电弧焊，电弧作为一种气体导电的物理现象，是在1 9 世纪末 电力生产发展到一定水平，人们才有条件来研究它的实际应用。真正应用于工业， 则是在1 8 9 2 年发现金属极电弧后，特别是1 9 3 0 年前后出现了薄皮和厚皮焊条后 才逐渐开始的l 2 。 药芯焊丝c 0 2 气体保护焊是取自埋弧焊与c 0 2 焊接( 指实心) 的优点组合而 成，焊剂包在焊丝内并藉外围c 0 2 气体的保护可使焊接时产生较柔和且稳定的电 弧【引。药芯焊丝c 0 2 气体保护焊效率高、节能、工艺性能好，大量应用于造船、 桥梁、压力容器制造、石油化工等行业【4 1 。目前，药芯焊丝存在的重要问题是发 尘量比实芯焊丝高很多达到9 0 0m g m i n 量级，即使改进后的低尘药芯焊丝仍 高达5 0 0m g m i n 以上，这是对焊接工作者的极大挑战。由于药芯焊丝的电弧形 态、冶金过程等与焊条和实芯焊丝差别较大，原来针对焊条和实芯焊丝的烟尘机 理的研究已不再适用，药芯焊丝的发尘机理研究远不如焊条电弧焊深入。所以， 要想降低其排放量。就必须在该领域中加大研究和投放力度1 5 1 。药芯焊丝焊接时 产生的烟尘，会危害焊接工人的身体健康，人们已认识到必须采取有效的措施和 方法，最大限度地降低并消除对焊工的身体健康及安全可能带来的不良影响。因 此，对焊接烟尘进行系统研究，以采取有效措施，控制焊接烟尘是非常必要的。 第一章绪论 1 2 焊丝c 0 2 气体保护焊的应用 1 2 1 药芯焊丝的生产制造 药芯焊丝的制造过程如下，先将一扁平金属薄片长条逐段经过滚卷成u 型断 面，然后将粒状焊剂填充于u 型金属槽中，再经密封滚卷步骤，将焊剂紧紧的滚 压在金属管中，最后经过一连串拉拔动作，成为最后需要的丝径，成为最终实际 应用的焊丝。在最后的拉拔步骤中，还可以使填充的焊剂均匀的固定在焊丝皮材 内。另外，由于熔填金属来自钢片皮材及焊剂所含的成份，制造前尺寸与化学成 份均需详细核对以确保品质，还有焊剂颗粒的大小也十分重要，最后，制造生产 过程中如何不使焊丝内因管制不良而造成部分线材形成中空( 没有焊剂) 是药芯 焊丝生产品质的关键。焊丝生产加工完成后，在保存和运输过程中，要包装成卷， 用塑胶套包封后并放置干燥剂使避免材料受潮，以防止各种药芯焊剂受潮变质， 使焊丝的焊接工艺性能受到影响【6 】。药芯焊丝里包含着各种各样的药芯焊剂，它 们由多种合金元素组成，如铝、锰、铬、镍及钒等，它们在焊接时起着各种各样 的作用r 玎。 1 2 2 药芯焊丝的分类 ( 1 ) 在造渣型药芯焊丝中，焊剂成份中若以酸性为主，焊接后便生成酸性 焊渣，此药芯焊丝又可称为钛型；而产生的焊渣完全为碱性焊渣的则称为钙型药 芯焊丝。钛型焊渣系焊丝的焊缝成形美观，焊接过程中电弧平顺稳定，飞溅量少， 但是焊缝的抗裂性及韧性较差；钙型焊渣系的焊缝抗裂性及韧性较好，但焊道成 形和焊接工艺性能较差h j 。 ( 2 ) 根据药芯焊丝的截面形状。也可将药芯焊丝分为几大类，发展到目前， 已有的截面形状达到3 0 多种。下面是几种典型的药芯焊丝截面形状： abc 曩) 0 型b ) t 型c ) e 型 图l - l 药芯焊丝不同形状截面图 2 d d ) 双层药芯 第一章绪论 一般直径小于2 0 m m 的小直径药芯焊丝采用简单的0 型截面，直径大于 2 4 m m 的多采用e 型或双层等复杂截面，e 型截面可以使电弧稳定地燃烧在整个焊 丝端面上，保护效果较好，但缺点是由于折叠的钢带偏向截面的一侧，当焊丝与 母材之间的角度比较小时，容易发生电弧偏吹的现象。双层药芯焊丝可以把密度 相差悬殊的粉末分开，把密度大的金属粉末加在内层，把密度较小的矿石加在外 层。这样可以保持粉末成分的均匀性，使焊丝性能稳定。双层焊丝的缺点是当焊 丝反复烘干时，容易造成截面变形、漏粉以及导致送丝困难。总体来说，药芯焊 丝的截面形状越复杂、越对称，则电弧越稳定，药芯的冶金反应和保护作用越充 分，熔敷金属含氮量越少【引。 ( 3 ) 按金属外皮所用材料分，药芯焊丝金属外皮所用材料有：低碳钢、不 锈钢以及镍。低碳钢其加工性能优良，是药芯焊丝首选外皮材料。目前药芯焊丝 产品中大部分都采用低碳外皮。即便是不锈钢系列药芯焊丝，某些产品也选用低 碳钢外皮，通过粉芯加入铬、镍等合金元素，经焊接过程中的冶金反应最后形成 不锈钢焊缝l 引。 1 2 3 药芯焊丝c 0 2 气体保护焊的应用 药芯焊丝c 0 2 气体保护焊几乎可以焊接所有的金属材料，既可以焊接碳钢、 合金钢、不锈钢等金属材料，也可以焊接铝、镁、铜、钛及其合金等容易氧化的 金属材料i 1 0 1 。目前在船舶建造中药芯焊丝已经是船舶制造中应用量最大的焊材品 种。在日本，自1 9 8 1 年先将药芯焊丝投入造船业后，到目前为止造船用药芯焊 丝已占气保护焊用焊丝的9 0 ，只有1 0 是实芯焊丝，主要用于管道的焊接】。 药芯焊丝c 0 2 气体保护焊与其他焊接方法比较起来，药芯焊丝最主要的特点 是焊缝成形质量好，在不同的焊接位置都有较高的熔敷速度，而且在一定的焊 接参数条件下，可以进行全位置焊接，而且可以很方便地调整合金成分。药芯焊 丝可以通过金属外皮和药芯两种途径调整熔敷金属的化学成分特别是通过改变 药芯焊丝中的填充成分，可获得各种不同渣系、合金系的药芯焊丝以满足各种需 求。该优点对于低合金高强度钢焊接的优势是实芯焊丝无法比拟的，这样就可以 达到改良焊缝质量的目的，使焊缝的能够得到较好的力学性能，特别是低温冲击 韧性很好【1 2 l 。药芯焊丝c 0 2 气体保护焊的另一个重要特征就是全部实现机械装置 自动化焊接，焊接效率高，尤其在造船和压力容器制造行业中起着巨大的作用， 相对与其他焊接材料的焊接方法来，其较高的效率，所以成本也非常低1 1 3 】。 第一章绪论 1 3 药芯焊丝c 0 2 气体保护焊焊接烟尘的研究现状 药芯焊丝c 0 2 气体保护焊具有较多优良的焊接工艺性，如成本低，焊接效率 高，由于是c 0 2 气体和熔渣联合保护，因而可有效地防止气孔，力学性能优良， 特别是低温冲击韧性很好。但也有其自身的缺点，如对焊接设备要求高，作业的 灵活性和机动性不够，而其比较大的缺点是在焊接时，会产生大量的焊接烟尘， 从而危害到焊接工人的身体健康。 1 3 1 焊接烟尘的化学成分 焊接烟尘的化学成分常见的有f e 、c 、0 、m n 、s i 、m g 、k 、n a 、c a 、c r 、 n i 等i l4 。这是因为焊接时会产生很高温度，电弧的阴极温度为2 2 0 0 3 5 0 0 k ，阳 极温度为2 4 0 0 l ( 4 2 0 0 k ，而弧柱区的温度更是高达5 0 0 0 k 以上1 1 5 】。在这样的高 温下，几乎所有的金属都可以被熔化并气化，这些高温金属蒸气经氧化后再冷凝 而成为焊接烟尘的一部分，这样绝大部分元素都以其氧化物形式存在，所以焊接 烟尘中氧元素含量较多。在这些氧化物中铁的氧化物无疑占大多数，其次是硅和 锰等的氧化物【1 6 】。低价锰氧化物( m n o 、m n 3 0 4 ) 比高价锰氧化物( m n 0 2 ) 的 毒性大2 5 到3 倍，锰的尖晶石型化合物( 如m n f e 2 0 4 ) 的毒性小于氧化锰，因 此吸入含m n f e 2 0 4 的烟尘不易产生锰中毒，而吸入含以n 0 2 和m n 3 0 4 的烟尘则 容易产生锰中毒。在烟尘中出现k m n 0 2 和m n 3 0 4 的条件，是烟尘中f e 全部与m n 结合为m n f e 2 0 4 后，仍有m n 的剩余。即 m n o + f e 2 0 3 = m nf e 2 0 3 垦旦：! 鱼兰兰坠! ：2 2 5 = 二= 一= ，1 胁d 2 5 5 + 1 6 如烟尘中f e 2 0 3 与m n o 含量的比值大于2 5 5 时，则烟尘中f e 可将全部m n 都 结合m nf e 2 0 4 ，如烟尘中f e 2 0 3 与m n o 含量的比值小于2 5 5 时，则此时烟尘中 m n 除与全部f e 结合为m n f e 2 0 4 外，m n 还有剩余，以l ( m n 0 2 形式出现，并含有 少量的m n 3 0 4 的成分。此时采用普通化学分析方法分析烟尘时，其m n 0 含量一 般大于1 6 。为了更完整地了解焊接烟尘的化学结构，正在研究许多新的方法， 例如用红外光谱法研究烟尘中元素的化学键、结合能和分子组成，用x 衍射研究 其晶格类型，用电子顺磁共振和合成散射光谱研究其化合物种类等旧。 4 第一章绪论 1 3 2 焊接烟尘的防治 ( 1 ) 在制造厂的大型焊接车间装备合适的通风系统，是防治烟尘常用方法， 效率很高，成本也低。尽量采用埋弧焊，电阻焊，搅拌摩擦焊等发尘量小的焊接 方法【1 8 】。 ( 2 ) 熔滴过渡中，熔滴的导热条件越好，热量越分散，过热程度越小，烟尘 量也就越小。由下图可见，反接时，熔滴呈椭球形状，阳极斑点集中在其下部， 析出的热量要通过整个熔滴传导。而正接时，熔滴呈扁平状，阴极斑点游动频繁、 析热分散。因而熔滴过热程度低于反接，发尘量也就低于反接【1 7 1 。 a 反接b 正接 图l - 2 不同极性焊接时焊丝端部熔滴状态示意图 ( 3 ) 改变焊接工艺参数，例如在能够保证焊缝质量的情况下，尽量降低焊接 电流，同时采用恰当的熔滴过渡方式。某些设备可以精确检测熔滴过渡行为，在 极短时间内作出反应，控制焊接电流和电压产生周期性变化，实现s t t 短路过渡， 及表面张力过渡，可以减少飞溅，降低电弧辐射，减少焊接烟尘发尘量【1 9 】。 ( 4 ) 固定地在选定焊接车间每个月多少天一次、对某个点进行检测，检测焊 接烟尘主要有害物质的排放量，然后与有关安全卫生标准相比较，并且制定相适应 的防治措施。与焊接烟尘有关的毒物排放标准见表1 1 【2 0 1 。 第一章绪论 1 4 本课题的工作内容和研究意义 1 4 1 本课题的工作内容 ( 1 ) 针对药芯焊丝c 0 2 气体保护焊自动化的焊接方法，对国家标准( g b l 2 2 5 7 6 ) 焊接烟尘的发尘量的测定方法和以前研制的所设计的药芯焊丝自动化焊 接的烟尘测试系统进行分析比较，设计新的药芯焊丝c 0 2 气体保护焊烟尘采集装 置以及新的发尘量的测试方法，并测定几种药芯焊丝c 0 2 气体保护焊的发尘量， 讨论药芯焊丝发尘量与焊接工艺参数之间的关系。 ( 2 ) 运用o i y m p u sgx 5 l 系列透反射金相显微镜、透射电子显微镜对焊接烟尘 形貌进行观测，区别焊接烟尘与焊接飞溅及微飞溅，以便更加精确地测定药芯焊 丝c 0 2 气体保护焊的焊接烟尘的发尘量。同时论证改进过的烟尘收集方法的科学 性。运用光纤型准光弹性散射颗粒粒度测试仪对药芯焊丝c 0 2 气体保护焊接烟尘 的颗粒分布进行分析，在不同的焊接工艺参数下，药芯焊丝c 0 2 气体保护焊接烟 尘的分布有什么不同，在什么样的工艺参数条件下，取得最优的焊接烟尘颗粒分 布情况。 6 第一章绪论 1 4 2 本课题的研究意义 本课题的研究意义是设计一套新型的、科学的并且完全是针对药芯焊丝c 0 2 气体保护焊的焊接烟尘的检测系统。虽然哈尔滨焊接研究所早在上世纪八十年代 就设计了针对手工焊条电弧焊的发尘量的测试装置，并且确定为国家标准，但经 过二十多年的发展，我国的工业生产科学技术水平已经取得了巨大的进步，并且 焊接技术日益多样化，药芯焊丝c 0 2 气体保护焊在整个工业行业的地位早已今非 昔比，所以设计新的焊接烟尘发尘量测试系统尤为必要，尤其是针对药芯焊丝 c 0 2 气体保护焊接更为重要。 当前中国经济正处在高速发展的阶段，随着国民生产总值的不断增加，经济 发展与保护环境之间的矛盾越来越尖锐。中国必须坚持走科学发展的道路，才能 真正实现经济又快又好地发展。药芯焊丝c 0 2 气体保护焊只有符合生产环境的保 护标准，才能更好地为经济发展做出巨大的作用，因此研究药芯焊丝c 0 2 气体保 护焊焊接烟尘的测试系统，具有重要的意义【2 。 7 第二章药芯焊丝c 0 2 气体保护焊集尘装置的设计与制作 第二章药芯焊丝c o 气体保护焊集尘装置的设计与制作 2 1 对药芯焊丝c 0 2 气体保护焊焊接烟尘已有集尘装置的分析 药芯焊丝c o z 气体保护焊与手工焊条电弧焊的焊接烟尘的测试系统不同在 于，药芯焊丝c 0 2 气体保护焊是自动化的焊接方式，而手工焊条电弧焊是人工焊 接。下图是我国焊条检验、包装和标记国家标准( g b l 2 2 5 7 6 ) 中规定 手工焊条电弧焊测试发尘量的装置示意图。 l 试板 卜焊条3 一观察孔 4 集尘器简体5 一滤膜6 一铜网7 一真空胶管 8 一转子流量计9 一真空二通活塞 l o 一真空泵 图2 - l 手工焊条电弧焊发尘量测试装置示意图 这是我国上世纪八十年代专门为测试手工焊条电弧焊焊接烟尘所规定的国 家测试标准( 国家标准( g bl2 2 5 7 6 ) ) ，这种测尘装置主要是针对手工焊 条电弧焊【l 列。由于在所有的焊接方法中，手工焊条电弧焊无论相对于药芯焊丝 c 0 2 气体保护焊，还是埋弧焊，它对焊接工人的身体健康伤害是最大的，因为它 完全是焊接工人的亲自操作，任何机械的自动化装置都代替不了焊接工人的操 作，所以手工焊条电弧焊在焊接时所产生的大量的焊接烟尘很容易被焊接工人吸 入体内，对焊接工人的身体健康会造成严重的伤害，因此国家标准( g b l2 2 5 一 一7 6 ) 至今都有着非常重要的意义。但是经过二十多年的发展，药：卷焊丝气体保 第_ 章药芯焊丝c o ：气体保护焊集尘装置的设计与制作 护已经大最应用丁幽民经济的各个生产部门，因此设计新的针对药芯焊丝c o ：气 体保护焊的焊接烟尘的测试系统是非常有必要的。 同时，在本实验中现在看幽标( g b l 2 2 5 7 6 ) 测试焊接烟尘的方法，它 也有些自身的不足，首先它设计的主要目的是用于测试手工焊条电弧焊的焊接发 尘量，并没有专门针对测试其他自动化的焊接方法的发尘量，例如药芯焊丝气体 保护焊。其次，这种方法在收集烟尘时，它只收集简体的上半部分的烟尘，简体 3 0 c m 以下的部分的焊接烟尘都不收集，因为它假设在焊接时焊接烟尘都被真空 泵抽到了筒体的上半部分，同时也为防治焊接飞溅及焊渣混入收集的焊接烟尘 l l ，从而影响测试的发伞量的精确度，因此筒体的下半部分的烟尘以及飞溅和焊 渣的上的烟尘不收集，但从实际情况来看，简体的下半部分也存在着部分烟尘， 尤其是对焊渣及飞溅上的烟尘不予处理。此外又有些焊接烟尘的研究人员，另外 研制了专门针对药芯焊丝气体焊接的这种自动化焊接方法的焊接烟尘的收集装 置。 刚2 - 2 药芯焊丝集伞裟置外部实物意i f ! | 图2 2 是这种集尘装置的外部是实物图1 2 2 1 。这种收集焊接烟尘的装置与国家 标准( g b l 2 2 5 7 6 ) 相比最大的特点在于其内部设计了臼动焊接传动装置。 有了自动焊接传动装置，就口j 以实现药芯焊丝c 0 2 气体保护焊的自动化焊接，就 可以专门针对药芯焊丝c 0 2 气体保护焊实施焊接烟尘发尘量的收集与测试，从而 第_ 带药芯焊丝c 0 2 气体俅护焊集尘装置的设汁与制作 当某种药芯焊丝设计投产之前，为了能够准确地知道，此种药芯焊丝在焊接时产 生的烟尘量会不会对环境造成严重的污染，对焊接工人的身体健康产生严重的伤 害，就能够利用此种焊接烟尘的集尘装置对所要生产的药芯焊丝进行发尘量的测 试。此装置是专门针对g m a w 所设计的，针对药芯焊丝c 0 ：气体保护焊目前在我 国工业生产中如此广大规模地应刚，准确地测试药芯焊丝c o ：气体保护焊接发尘 量是十分重要的，所以此装置还是有很大的意义的，当然这种装置在实际应用也 仍然有许多不足的地方，这在下文中再有所介绍。下图是这利，集尘装置的内部示 意图。 图2 - 3 药芯焊丝c o ：气体保护焊集尘箱体内部传动机构实物图 由上面的介绍可知，这种药芯焊丝c 0 2 气体保护焊接集尘装置，进步在于在 集尘箱体的内部设计了专门针对药芯焊丝c 0 ：气体保护焊自动化焊接特点的传 动机构，有了传动机构，就可以在集尘箱体内部实现药芯焊丝c 0 2 气体保护焊的 自动化焊接了，就可以专门测试药芯焊丝c 0 ：气体保护焊接烟尘的发尘量【2 2 】。图 2 4 药芯焊丝c o ：气体保护焊集尘装置自动化焊接内部传动机构。 1 0 第二章药芯焊丝c o ：气体保护焊集尘装置的设汁与制作 1 一导轨2 一小车3 一联轴器4 一顶锥 5 一焊枪6 一工件7 _ - 丝杠矗一手轮9 一滚轮 图2 - 4 药芯焊丝c 0 2 气体保护焊集尘装置自动化焊接内部传动机构 这种积尘装置是用“沉降法”收集烟尘，所谓“沉降法”就是在焊接完成后， 密闭整个集尘箱体，让焊接烟尘自然沉积在箱体的各个部位，主要是箱体底部以 及箱体内各个装置的表面，一般沉积时间在三到四个小时。此种烟尘的收集方法 要比抽气法效果要理想，相对抽气法，一是设备没有那么复杂，抽气法在外面还 要加上鼓风设备，而沉降法不需要，沉降法只需要烟尘自然地沉积在箱体的底部， 然后再用软纸擦拭就可以了。 这种将传动装置设置在焊接烟尘收集箱体内部，也有很大的弊端。因为在本 实验中在收集烟尘时主要是用软纸擦拭，因为箱体内部装置多了，结构就比较复 杂了，转折的地方比较多，那么所需擦拭的面积就越多，而且表面不是很平坦， 就像在日常生活中擦拭物体表面时，光滑平坦的玻璃表面要比坑洼粗糙的转折有 多拐角处好擦拭。还有在焊接过程中，集尘箱体的密闭的，所以在箱体内部烟尘 是无处不钻的，在箱体内部有些角落里，由于装置的遮挡，例如小车的内侧，还 有小车的底部，导轨的下面，这些地方的烟尘收集起来是比较困难的。另外，在 药芯焊丝c 0 2 气体保护焊接时还会产生许多焊接飞溅，这些焊接飞溅会散落到箱 体内部的各个位置，粘在箱壁上，用软纸擦拭时，会刮破软纸，划破的小纸屑很 容易混入所收集的焊接烟尘之中，会影响到所测的发尘量的精确度，所以非常有 必要对现有装置进行改进，重新设计药芯焊丝c 0 2 气体保护焊集尘装置。 第二章药芯焊丝c 0 2 气体保护焊集尘装置的设计与制作 2 2 药芯焊丝c 0 2 气体保护焊焊接烟尘新的集尘装置的设计 通过上一节的分析，可以得知这种装置也有它明显的缺点，那就是内部构造 过于复杂，在收集焊接烟尘时，操作起来比较麻烦，一是增加了收集烟尘的困难， 二是影响了测试药芯焊丝c 0 2 气体保护焊焊接烟尘的精确度。所以在保留此装置 优点的基础之上，必须对其明显的缺陷进行改进，重新设计药芯焊丝c 0 2 气体保 护焊焊接烟尘的集尘装置，以更加方便地、准确地测试药芯焊丝c 0 2 气体保护焊 焊接烟尘的发尘量。 ( 1 ) 内部传动装置的设置 l 一支架2 一手柄3 一丝杠及右连杆4 一焊接工件 5 一左连杆6 一联轴器 7 _ 电动机8 一底座 图2 - 5 药芯焊丝气体保护集尘箱体新的传动装置 由于在本实验中是专门针对药芯焊丝c 0 2 气体保护焊这种自动化焊接方法 设计测试其焊接烟尘发尘量的实验装置的，所以必须在本实验中在新的集尘装置 中能够实现药芯焊丝c 0 2 气体保护焊的自动化焊接方法，为了达到此实验目的， 设计了以上的自动焊接的传动装置。如上图所示，工件被左右顶锥固定在两座支 架之间，左连杆和左顶锥之间是紧密固定连接，右连杆和右项锥之间用滚动轴承 进行固定连接，这样右顶锥就可以在右连杆上转动。工件的左边被顶在左项锥上， 这样电动机带动左连杆转动，左连杆就带动左顶锥及工件转动，实现了焊接时工 件的连续转动。装卸工件是通过右边的手柄转动，带动丝杠向右运动，这样右顶 锥不断向右运动，而左项锥阎定不动，这样工件就会被拆卸下来。当要装载新的 工件时，与上面所讲的步骤相反，先把工件顶在左顶锥上，转动手柄，丝杠向左 1 2 第二章药芯焊丝c o ：气体保护焊集尘装置的设计与制作 运动，这样就推动右顶锥向左运动，结果工件就在两个顶锥之间被固定。药芯焊 丝c 0 2 气体保护焊进行焊接时，电机在联轴器的连动下带动左顶锥转动，由于左 顶锥与连杆之间是固定连接，而同时右顶锥与丝杠之间有轴承连接，所以当左顶 锥转动时，工件也能够转动，并且调节电机，可使工件获得匀速运动，这就符合 了药芯焊丝c 0 2 气体保护焊自动化焊接的要求。 ( 2 ) 药芯焊丝c 0 2 气体保护焊集尘箱体整体装置 l 一底座卜右支架3 一手柄4 _ 过渡套 9 一观察窗l o 一焊接工件 11 一左顶锥 5 一右顶锥6 一箱体7 - 竖导柱8 一横导柱 l 卜左支架1 3 一联轴器1 4 一电动机 图2 - 6 药芯焊丝c 0 2 气体保护焊新的集尘装置示意图 下面介绍整个药芯焊丝c 0 2 气体保护焊集尘装置的使用说明过程，底座是用 来支撑整个集尘箱体装置的，左右两个支架的作用主要是固定焊接工件。手柄的 作用是用来旋转丝杠，带动右顶锥左右移动，以便拆卸焊接工件。过渡套的主要 作用是保护箱壁，因为在拆卸工件时，连杆和丝杠需要来回的移动，这样就会箱 壁发生摩擦，时间久了就会磨损箱体，还有连杆及丝杠：过渡套的另一个作用是 保证箱体的密闭性，因为在焊接过程中，集尘箱体内部的气压要高于外部的气压， 这样箱体内的气体就会带动一部分焊接烟尘从箱体的某些缝隙处跑出来，而收集 第二章药芯焊丝c 0 2 气体保护焊集尘装置的设计与制作 烟尘时最重要的工作是保证能够收集到焊接时所产生的所有的焊接烟尘，虽然这 是不可能实现的，但是为了提高测试药芯焊丝c 0 2 气体保护焊接发尘量的精确 庞就必须最大化地收集到所有在焊接时产生的烟尘，所以不让烟尘从箱体中漏 出来非常重要。 用过渡套固定在箱壁与连杆及丝杠之间可以提高箱体的密闭性，从而保证在 焊接时，烟尘不会从箱体中漏出来。过渡套是用黑色橡胶制作的，所以可以保证 必要的韧性及强度，也便于换用。竖导柱是用于固定焊枪，而横导柱的主要作用 是提供焊枪的左右移动。观察窗是用来在焊接时可以观察箱体内的焊接情况，当 箱体的焊接状况不稳定时，可以立即断电，停止焊接。联轴器是用来连接电动机 和左连杆的，电动机是为工件的转动提供动力，实现焊接过程的自动化。 此药芯焊丝c o ：气体保护焊集尘装置与原先的集尘装置的最大区别在于它 将原集尘箱体内部的许多焊接装置移到了集尘箱体的外部。从上面的示意图中在 本实验中可以看到工件的下面部分是光滑的，不再像原有装置还有两根导轨的存 在，这就大大方便了焊接烟尘的收集，因为光滑的底面要比有两根导轨存在的底 面要容易擦拭得多，就像擦拭光滑的玻璃一样。原先两根导轨的存在的主要作用 是当工件上的一道焊缝焊完之后，要进行下一道焊缝的焊接，这样就需要移动工 件，按照以前是设计装置，是焊枪不动，工件通过支架固定在小车上，作用移动 小车，从而来回移动工件，这样一道焊缝焊完之后，移动一下工件，就可以继续 焊接下一道焊缝。但是如上一节所讲的当箱体底部存在两根导轨，并且还有小车 的存在，还有支架之类的装置的存在，就大大地增加箱体内部结构的复杂性，同 时也就增加了收集烟尘的困难性。 而在上面的新装置中，导轨被取消了，小车也被取消了，固定工件的两座支 架被移到了箱体的外部，整个工件的支撑点在支架底部的螺钉上，当整个工件被 焊接完之后，更换新的工件采取原先装置的办法，通过转动手柄，带动丝杠及右 顶锥来回运动，从而达到拆卸工件的目的。而当一道焊缝焊接完成之后，焊接下 一道焊缝，不再是像以前那样通过小车在导轨上的运动来移动工件，而是采取移 动焊枪的办法，即采取与以前逆向的方法，移动装置的上半部分，不是下半部分。 通过移动焊接的左右位置来调换焊缝，但一次实验完成之后，要焊下一道焊 缝，就调整焊枪的位置。焊枪的移动主要是通过横导柱上的丝杠的运动，丝杠设 计在箱体的外部，可以避免丝杠如果设计在箱体内部会粘上烟尘，不利于收集。 这种设计方法的最大的优点是简化了药芯焊丝c 0 2 气体保护焊集尘箱体的内部 装置，尤其是底部的装置，合去了导轨及小车，架空了焊接工件的下面部分，从 而大大方便了焊接烟尘的收集，当在本实验中做药芯焊丝c 0 2 气体保护焊焊接烟 1 4 第二章药芯焊丝c 0 2 气体保护焊集尘装置的设计与制作 尘发尘量的测试时，与此前的装置相比，可以极大地提高测试药芯焊丝c 0 2 气体 保护焊焊接烟尘发尘量的精确度，同时也减轻了测试工作人员的测试时的辛苦。 2 3 药芯焊丝气体保护焊焊接烟尘新的集尘装置的制作 药芯焊丝c 0 2 气体保护焊焊接烟尘新的集尘装置的制作主要分为箱壁、底 座、传动装置等几个部分。箱体制作所用材料为不锈钢a 3 0 4 ，箱体板厚为l m m ， 是因为a 3 0 4 不锈钢是应用最为广泛的一种铬镍不锈钢，它具有良好的耐蚀性、 耐热性、低温强度和机械特性，在大气中耐腐蚀，当然，如果是在工业性气氛 或者重污染地区，则需要及时清洁以避免腐蚀。这种不锈钢材料适合用于食品的 加工、储存和运输，具有良好的加工性能和可焊性【2 3 】。不锈钢3 0 4 含铬1 9 ，含 镍9 ，所以不锈钢3 0 4 磁性较小，因为药芯焊丝c 0 2 气体保护焊是在箱体内部焊 接，采用磁性较小的材料，可减低外部磁场对焊接电弧的影响。同时也可以使集 尘箱体的四壁尽量沾有少量的焊接烟尘，因为焊接烟尘中绝大多数都是金属的氧 化物，并且其中以铁的氧化物居多，而铁的氧化物磁性较大，容易吸附在具有铁 磁性的物体上，所以采用不锈钢作为集尘箱体的制作材料，可以有效地减轻箱体 四壁对焊接烟尘的吸附。 此外，药芯焊丝c 0 2 气体保护焊焊接烟尘集尘装置的底座和传动装置部分主 要是用低碳钢制作，主要原因是低碳钢价格较为便宜，可以降低制作实验装置的 费用，同时低碳钢的机械加工性能也较好，便于机械加工，使整个集尘装置制作 起来比较方便，而且它的机械强度都达到本实验的要求。本实验对结构件机械强 度要求最高的地方是在架住整个焊接工件的两根连杆上面，因为左右两个顶锥以 及工作的重力都承受在两根连杆上面，所以要求两根连杆的硬度和强度必须能够 保证在顶锥和工件的重力作用之下，能够不发生变形和弯曲。因为如果两根连杆 发生变形和弯曲的话，那么整个焊接工件就不能保持在同一高度的水平度上，在 实验焊接过程中，工件与焊枪就不能时刻保持着垂直关系。本实验要求焊枪与焊 接工件在焊接过程中时刻保持垂直，这样在焊接过程中，电弧长度才不会发生较 大的变化，从而对药芯焊丝焊接烟尘的发尘量的影响和干扰降低到最大限度。在 整个药芯焊丝c o z 气体保护焊焊接烟尘集尘装置制作完成之后，整个集尘装置的 表面都要经过打磨抛光，这是因为在箱体内部，在光滑的箱体内壁表面上擦拭焊 接烟尘时也方便，能够很大地提高所测试的药芯焊丝c 0 2 气体保护焊接烟尘的发 尘量的精确度。在集尘装置的外部，光滑的表面同时也能达到美观的效果。图2 7 、 2 8 是此次设计的用于测试药芯焊丝c 0 2 气体保护焊焊接烟尘的发尘量的集尘装 置的实物图。 第_ 章药芯焊丝c 0 2 气体保护焊集尘装置f 内设汁与制作 图2 7 药芯焊丝c o ：气体保护焊焊接烟新的：企集尘装置内部实物示意图 此药芯焊丝c 0 2 气体保护焊焊接烟尘集尘箱体的内部装置与以前集尘箱体的 内部装置的最人区别是整个焊接工件被两根连杆架在了箱体内部的空中，支撑点 及两个支架选在了箱体的外部，这样在箱体内部，整个- t 件的下面就是整个光滑 的底板了，如上图。因为在收集焊接烟尘的过程中，绝大部分焊接烟尘都会沉积 焊集尘箱体的底部，所以如果要是能够在光滑的底板上收集焊接烟尘，那将非常 的方便的，而且很容易清理二l i 净，从而能够很大的提高药芯焊丝c o ：气体保护焊 接烟尘发尘量的测试精确度。另外，在本实验中在设计箱体底部时，还在底板上 特意留置了一个直径2 0 m m 的圆孔，此圆孔在焊接时用胶带纸封住，当焊接完， 收集烟尘时，可以把底板的炯尘聚集到小孔处，再用烧杯等在小孔的下面，就可 以很方便的将焊接烟尘清理干净了。对于如何解决处理焊接飞溅会溅到箱体的各 个角落的问题，在焊接时，用一个网罩可以把焊枪与周围隔开，这样就可以挡住 焊接飞溅了。 1 6 第_ 章药芯焊丝c 0 2 气体保护焊集尘装置的设汁弓制作 罔2 - 8 药芯焊丝c 0 ：气体保护焊新的集尘装置实物外部示意图 这是药芯焊丝c 0 2 气体保护焊焊接烟尘集尘装置的外部实物示意图，从这幅 图中在本实验中可以看到，用于自动焊接的一部分传动装置已经被移置到集尘箱 体的外部，如带动工件自动转动的电机以及联轴器，还有固定工件的两个支架以 及左右移动焊枪的横导柱上面的丝杠，这是与以前的集尘装置最大的区别。 2 4 本章小结 这一章介绍了新型的药芯焊丝c 0 2 气体保护焊接集尘装置，箱体内部结构设 施要比以前的集尘装置简单，方便了焊接烟尘的收集工作，提高了测试焊接烟尘 发尘量的精确度。当然此集尘装置也还存在着很多缺点，例如做工4 0 是形成临界胚团尺寸的必要条件。在温度为2 2 8 3k 左右，f e 蒸气处于临界过饱和状态，便可能大量形核。形核后的凝聚相与空气中 的氧气发生氧化反应，高温下f e o 最稳定，故首先有产生f e o 的化学反应【3 6 1 。即： 凡倒+ 三仍= 凡d 御 ( 4 - 3 ) 然后随着温度的继续降低，f e o 与空气中氧气进一步发生反应， 6 f e 0 l ) + 0 2 = 2 f e 3 0 4 s ) ( 4 4 、) 从上一节中我们对焊接烟尘的透射电镜的照片来看，构成焊接烟尘基本机构 的粒子一般都是圆球形的，这主要是由于在形成f e 3 0 4 烟尘颗粒之前，凝聚相一 直处于液态，f e o 的熔点在1 6 5 0 k ，所以在同样的体积条件下，球形的表面积最 小，表面能最低，球形结构最稳定，所以焊接烟尘的颗粒一般都是圆球形的。在 物体由液体向固态的转变过程中，只有在一定的过冷度条件下，固相的自由能低 于液相的自由能，球形晶胚总自由能的变化为 g = 一昙厅r 3 g ：+ 4 万r 2 盯 ( 4 5 ) j r 为半径，g 占单位体积自由能，莎为单位面积表面能【3 7 1 。g 与晶核半留关 系如下图： 第四章药芯焊丝c oz 气体保护焊接烟尘结构形貌及颗粒分布的研究 _ 一- o q o 夕 么一 、二二 h gl 图4 1 3 自由能与晶胚半径的变化关系 在每一过冷度下，晶核都有一临界尺寸，当r “的晶体才能称为晶核。 临界晶核尺寸可由下式求出： 度。 靠：要：罢冬：孕上 ( 4 - 6 ) 。 g 0k 丁k 丁 、”7 l m 为熔化潜热，口为单位面积表面吉布斯能，t m 理论凝固温度，t 为过冷 口愚= 0 2 5 4 ，小2瓦= 1 8 ll k l = 1 5 2 材m d 善2 1l7 1 4 1 0 9 - ，m 3 2 0 2 5 4 l8 ll 淼2 五百两而 4 3 4 5 5 1 0 _ 9 = = - _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - - _ 一 丁 取丁为4 0 k ，计算得心= 1 0 8 6 n m ，所以液态纯f e 凝固时的晶核临界直径 数量级大约为1 0 2 p m ，这跟均质形核形成的一次烟尘颗粒尺寸很接近【3 引。 此外，焊接气溶胶l o 。1 p m 量级的粒子的形成过程为非均质形核。在焊接过 程中，高温弧区温度一般达6 0 0 0 k ，铁的蒸汽压为6 17 l0 4 m p a ，而此时其他 4 7 第四章药芯焊丝c 0 ：气体保护焊接烟尘结构形貌及颗粒分布的研究 元素的蒸汽压没有铁的高，在相同过冷度和稀释率条件下，一定是f e 蒸气最先 均质形