（材料加工工程专业论文）碱性双熔敷极焊条电弧焊的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 碱性双熔敷极焊条电弧焊的研究 摘要 双熔敷极焊条电弧焊是一项新的焊接发明，工件不接电源，电弧在双熔敷 极焊条相互平行且绝缘的两个焊芯端部形成，主要利用熔滴携带热量和弧柱热 量熔化母材形成焊缝。该方法具有热输入调节范围大、熔合比可降到最小，熔 敷系数高、电能利用率高、焊接变形和应力小等特点，是一种优质、高效、节 能的焊接方法，具有广阔的应用前景。本文对碱性双熔敷极焊条电弧焊工艺、 焊接接头的组织与性能进行分析和研究。 试验结果表明，对于碱性双熔敷极焊条，焊条两芯间隙是决定电弧电压的 最重要因素，制成的双熔敷极焊条其两芯间隙的尺寸基本决定了电弧电压的大 小，碱性双熔敷极焊条燃烧电弧根部与工件之间的距离对电弧电压的影响很小。 对于焊芯直径为0 4 m m ，两芯间隙c 为0 6 5 r a m 0 $ m m 的碱性双熔敷极焊条， 在焊接电流为1 6 0 a - 2 0 0 a ，焊条燃烧电弧根部与工件之间的距离为4 m m 一9 m m 的条件下进行焊接，可以正常施焊并获得良好的焊缝成形。 对于两芯间隙确定的碱性双熔敷极焊条，随着焊接电流的增大，电弧电压 基本呈线性增大，焊缝的熔宽、熔深和熔合比均增大，余高变小。但变化不大， 焊缝成形系数也随之变小。 碱性双熔敷极焊条t e 5 0 1 5 焊接接头，焊缝区域主要是铁素体和少量珠光 体组成的柱状晶，熔合区和过热区是晶粒粗大的铁素体和珠光体，有的部位还 出现了魏氏组织，细晶区是细小的铁素体和珠光体。随着焊接电流的增大，焊 缝、熔合区和过热区的晶粒增大，在细晶区晶粒没有明显的变化通过化学成 分分析和力学性能试验，碱性双熔敷极焊条合金元素的含量和力学性能达到了 国家标准要求。 在基本相同的焊接线能量下碱性双熔敷极焊条电弧焊比单熔敷极焊条电弧 焊焊缝成形系数、余高、熔宽的大，熔深小，热影响区要窄：在相同焊接热输 入条件下，碱性双熔敷极焊条间接电弧焊焊接接头微观组织的晶粒比单熔敷极 焊条的相对要小，但差别不大；焊接过程中，双熔敷极焊条电弧焊焊接时电流 的变化很小，无短路现象。相同电流条件下的电弧电压比单熔敷极的电弧电压 i n 摘要 要高，相对单熔敷极变化要大，且变化频率高，其熔滴过渡形式以无短路颗粒 渣壁过渡为主。 关键词：碱性药皮双熔敷极焊条问接电弧两芯间隙 山东大学硕士学位论文 s t u d yo nt h ep r o c e s s i n ga n dp r o p e r t i e so f t w i nd e p o s i t i o n b a s i ce l e c t r o d ea r cw e l d i n g a b s t r a c t t w i nd e p o s i t i o nb a s i ce l e c t r o d ea r cw e l d i n gi san e w l yd e v e l o p e dw e l d i n g m e t h o dw h i c hu s e 8t h eh e a tc a r r i e db yt h ed r o p l e t sa n dg e n e r a t e db yt h ea r ct om e l t t h eb a s em e t a la n df o r mt h ew e l d d u r i n gt h i sp r o c e d u r e , w o r k p i e c ei ss e p a r a t e d f r o mt h ep o w e rs u p p l yw h i l et h ea r cf o r m e da tt h ee n do ft h ep a r a l l e l e dt w i n d e p o s i t i o ne l e c t r o d e s t h i sw e l d i n gm e t h o di sc h a r a c t e r i z e db ye a s ya d j u s t i n go f h e a ti n p u t ，l o wd i l u t i o n , h i g l ld e p o s i t i n gc o e f f i c i e n ta n de l e c t r i ce f f i c i e n c y , l o w d i s t o r t i o na n ds t r e s s c o n s e q u e n t l y , i ti sp r o m i s i n gw e l d i n gm e t h o dw i t hh i 曲 q u a l i t y , e n e r g ys a v i n g i nt h i sp a p e r , t h ep r o c e s s i n ga n dp r o p e r t i e so ft w i n d e p o s i t i o nb a s i ce l e c t r o d ea r cw e l d i n gw a si n v e s t i g a t e d r e s u l t ss h o wt h a ta r cv o l t a g ei sd e t e r m i n e dm a i n l yb yt h es p a c eb e t w e e nt w i n e l e c t r o d e sw h i l et h ed i s t a n c eb e t w e e nw o r k p i e c ea n de l e c t r o d eh a sl i u l ee f f e c to ni t f o re l e c t r o d ew i t hd i a m e t e ro f4 m m , f m ep e r f o r m a n c eo fw e l d i n gc a nb eo b t a i n e d u n d e rf o l l o w i n g p r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ：s p a c e b e t w e e nt w i ne l e c t r o d e si s o 6 5 m m - 0 8 r a m ；w e l d i n gc u r r e n ti s1 6 0 a 2 0 0 a ；d i s t a n c eb e t w e e nt h ee n do f e l e c t r o d ea n dw o r k p i e c ei s4 m m 9 r a m f o rt w i nd e p o s i t i o nb a s i ce l e c t r o d ew i t had e f i n i t es p a c eb e l ，e e 丑t w i n e l e c t r o d e s t h ew e l d i n gv o l t a g ei n c r e a s e sl i n e a r l y 稍mt h ei n c r e a s eo fw e l d i n g c u r r e n t a n dt h ew i d t ho fb e a d , p e n e t r a t i o na n dd i l u t i o na l li n c r e a s e h o w e v e r , t h e r e i n f o r c e m e n t c h a n g e ss l i g l 】f l ya n dt h ep e n e t r a t i o nr a t i od e c r e a s e sw i t hi n c r e a s e o f w e l d i n gc u r r e n t i nt h em i c r o s t r u c t u r eo f t h ew e l d i n gb e a do f t h et w i nd e p o s i t i o nb a s i ce l e c t r o d e t h ew e l d i n gb e a dc o n t a i n sd e n d r i t em a d eu po f f e r d t ea n dl i t t l ep e a r l i t e 仉f u s i o n a r e aa n do v e r - h e a t e dz o n ec o m p o s e do f c o a r s ef e r d t ea n dp e a r l i t e ，a n dw i d m a n s t a t e n s t r u c t u r ee v e na p p e a r s f i n ec r y s t a l l i n e 锄mi sc o m p o s e do ff i n ef e r r i t ea n dp e a r l i t e w i t ht h ei n c r e a s eo fw e l d i n gc u r r e n t , g r a i no fw e l d ，m e l t i n gz o n ea n do v e r - h e a t e d v a b s 。i r a c t z o n ea l li n c r e a s e ，w h i l ef r e eg r a i nz o n ed o e s n ts h o wa p p a r e n tc h a n g e a c c o r d i n g t ot h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o na n a l y s i sa n dm e c h a f t l ct e s t i n g ，t h ea l l o yc o n c e n t r a t i o n a n dm e c h a n i cp r o p e r t i e so f t w i nd e p o s i t i o nb a s i ce l e c t r o d ec a n 削f i nt h e r e q u i r e m e n to f p r c s t a n d a r d c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ls i n g l ed e p o s i t o ne l e c t r o d eu n d e rt h ec o n d i t i o no f s a m eh e a ti n p u t , t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft w i nd e p o s i t i o nb a s i ce l e c t r o d ea r cw e l d i n g i n c l u d e ：h i g h e rp e n e t r a t i o nr a t i o ，b e a dw i d t ha n dr e i n f o r c e m e n t ；l o w e rp e n e t r a t i o n , n a n o w c rh a z ；f i n e rg r a i ns i z e 、i t hn og r e a td i f f e r e n c e ；l e s sw e l d i n gc u r r e n t c h a n g i n gr a n g e ；h i g h e rw e l d i n ga r cv o l t a g e ，w i d e rv o l t a g ec h a n g i n gr a n g ea n d h i g h e rc h a n g i n g 盘e q u e n c yu n d e rt h es a m ew e l d i n gc u r r e n t t h em e t a lt r a n s f e r f o r mo ft w i nd e p o s i t i o nb a s i ce l e c t r o d ea r cw e l d i n gi sf l u xw a l lt r a n s f e rw i t hc o a r s e g r a i l l k e yw o r d s ： b a s i cc o a t i n g t w i nd e p o s i t i o ne l e c t r o d ei n d i r e c ta r c d i s t a n c eb e t w e e nt w i ne l e c t r o d e s 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：j 袤勉虱 e l期：塑竺兰：三! 乡 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：! 区蚴导师签名 e t 期：塑! 墨兰坌 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 焊接是一种重要的材料加工工艺，它与金属切削加工、压力加工、铸造、热 处理等金属加工一起构成的金属加工技术，是现代机器制造业重要的加工技术， 它广泛的应用于石油化工、电力、航空航天、海洋工程、核动力工程、微电子技 术，桥梁、船舶、潜艇，以及各种金属结构等工业部门，据不完全统计全世界年 产量4 5 的钢和大量的非铁合金，都是通过焊接而付诸使用的【l 】可以毫不夸大 的说，没有现代焊接技术的发展，就不会有现代工业和科学技术的今天，焊接技 术的发展水平是衡量一个国家科学技术先进程度的重要标志之一 1 1 电弧焊及其发展 早期的焊接是把两块熟铁( 钢) 加热到红热状态以后用锻打的方法连接在一 起的现代焊接方法的发展是以电弧焊为起点的电弧作为一种气体导电的物理 现象，早在1 8 0 1 年被俄国人彼得洛夫教授首先发现，并指出可利用电弧来熔化金 属。但由于当时电力工业不够发达，不能提供维持电弧稳定燃烧的足够功率的电 源，而且焊接冶金也未能解决焊缝质量问题，因而电弧焊并未得到应用。从1 8 9 2 年发现金属极电弧后，直到1 9 1 0 年出现了厚药皮焊条以后电弧焊才真正用于工业 生产由此可见电弧焊的发展是以焊条电弧焊为起点的。 最早的电弧焊是以光金属棒作电极和填充金属，电弧在空气中处于无保护状 态下燃烧，电弧稳定性和焊缝质量都很差药皮焊条的应用，使得电弧处于药皮 熔化所产生的保护气氛中，这不仅大大改善了电弧稳定性，而且使熔池处在电弧 气氛及药皮所形成的熔渣保护下，使焊缝的质量明显提高 随着熔炼技术及电子技术的发展，4 0 年代出现了埋弧自动焊。理弧自动焊的 焊丝兼有电极和填充金属的作用，电弧及熔池都处于焊剂形成的熔渣保护下，无 明弧埋弧自动焊的出现大大提高了焊接生产率，为长直焊缝及大型环焊缝的焊 接提供了有效的自动化手段，同时也大大减轻了焊接操作者的劳动强度，改善了 操作环境。 由于焊条药皮及埋弧焊焊剂的成分中含有金属及非金属氧化物，所以难以用 来焊接铝、镁、钛等活泼金腐及其合金 第一章绪论 在第二次世界大战中，由于航空工业的迅猛发展，出现大量由铝合金、不锈 钢等金属材料制成的飞机和航空发动机的焊接零部件，而且焊接接头要求质量 高，采用已有的焊接方法己不能适应和保证优质的焊接接头。为适应战争的需要， 出现了钨极氩弧焊。但是这种焊接方法受钨极许用电流的限制，焊接电流不能过 大，而且向焊缝中添加焊丝又不太方便，故不适于焊接厚大件，焊接生产率也不 高。 为了克服钨极氩弧焊存在的问题，人们在发展钨极氩弧焊的同时又进行了新 的探索，于4 0 年代末期出现了新的电弧焊方法熔化极氩弧焊。熔化极氩弧焊 具有氩气保护的特点，而且焊丝兼有电极和填充金属的作用，焊接时可选用较大 的电流密度，所以焊接生产率高。但因为当时氩气较稀缺和昂贵，用于焊接碳钢、 低合金结构钢和普通焊接构件时，焊接成本太高。 于是人们开始寻求以廉价易得的气体来代替氩气，以降低焊接成本。通过不 断的实践，于5 0 年代初期，c 0 2 气体保护焊终于获得了应用和推广。c 0 2 气体保 护焊具有高效、节能、成本低、工件变形小等优点，现已成为焊接碳钢、低合金 结构钢的最常用焊接方法2 1 。 前述各种电弧焊方法属于自由电弧，电弧能量不够集中，电弧温度不够高， 因而不适于高温难熔金属的焊剖3 l o 人们开始探索更新的焊接方法以满足新的要 求。在5 0 年代末期便出现了等离子弧焊。等离子弧焊不但具有钨极氩弧焊的优点， 而且还具有自己的特点，即电弧能量密度大，电弧温度高，焊接热影响区窄、焊 件变形小等。 随着现代工业和科学技术的迅速发展，对焊接技术和焊接质量不断提出新要 求。从6 0 年代升始，在工业生产中不断涌现出新的电弧焊方法，如微束等离子弧 焊、钨极脉冲氩弧焊，熔化极脉冲氩弧焊、混合气体保护电弧焊、等离子弧熔化 极气体保护焊、脉冲等离子弧焊、药芯焊丝c 0 2 气体保护焊、高效埋弧焊、保护 气体电弧点焊等等。 下面几种是常用的弧焊方法： 1 焊条电弧焊焊条电弧焊是用手工操作焊条进行焊接的一种电弧焊 焊条电弧焊时，焊条和工件分别接电源的两极，利用焊条与工件之间产生的电弧 放电时产生的热量加热熔化焊条和工件，焊条端部熔化的熔滴和熔化的母材熔合 2 山东大学硕士学位论文 在一起形成熔池，随着电弧地移动，前方焊条和工件继续熔化，后方熔池液体金 属逐渐冷却结晶形成焊缝。 2 埋弧焊埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法。焊丝和工件 分别接电源的两极，焊接时焊丝端部与焊剂覆盖下焊接母材短路引弧，电弧在焊 丝与工件之间引燃电弧热使焊件、焊丝和焊剂熔化，以致部分蒸发，金属和焊 剂的蒸发气体形成了一个气泡，电弧就在这个气泡空腔内燃烧。同时，熔化的焊 剂浮到焊缝表面上形成保护的熔渣层。熔渣层不仅能很好将空气与电弧和熔池隔 离，还能屏蔽有害的弧光辐射。随着电弧的远移，熔池结晶为焊缝，熔渣凝固为 渣壳。 3 非熔化极气体保护焊非熔化极气体保护焊是以非熔化极( 一般是钨棒) 作为电极，惰性气体作为保护气体的一种焊接方法。焊接时，非熔化极和工件分 别接在电源的两极，利用高频震荡或高压击穿引燃电弧，电弧和熔池金属都处于 气体保护之中，使其不受周围空气的有害作用，熔滴过渡到熔池形成焊缝。在非 熔化极气体保护焊中，电弧燃烧过程中，电极不熔化，故以恒定的电弧长度，焊 接过程稳定，容易得到高质量的焊缝。 4 熔化极气体保护焊熔化极气体保护焊是在非熔化极气体保护焊的基础 上发展起来的一种焊接方法。焊接时，熔化极和工件分别接电源的两极。焊接热 量来自焊丝和工件问的电弧，焊丝被连续送进焊接区，焊丝全部熔化后进入熔池 成为填充金属。焊丝端部熔化形成的熔滴、电孤及熔池在焊接过程中由保护气体 予以保护，以避免空气侵入。 以上这些焊接方法都是常用的焊接方法，但不管是哪种焊接方法，都是工件 和焊条( 焊丝、非熔化电极) 分别接电源的两极，利用其之间产生的电弧燃烧放 出的热量来加热熔化工件以达到焊接的目的 1 2 焊条电弧焊的研究现状 由于焊条电弧焊具有灵活性、设备简单、操作方便、适应性广等优点，焊条 电弧焊在许多领域仍然是被优先考虑的焊接方法 ，尤其是在一些维修、野外、 高空、和水下等特殊场合的施工中5 1 。但是焊条电弧焊由于其断续工作的特点， 生产效率低，浪费大，人工费用高，随着高效率的自动焊的出现，焊条电弧焊的 3 第一章绪论 应用比重成下降趋势。目前，在发达国家焊条应用占焊接材料重量比稳定在 1 5 2 0 t 6 1 ，而我国药皮焊条的应用比重占焊接材料总量的7 0 一8 0 【 ，可以 看出药皮焊条用量还是占有相当高的比重，所以提高焊条电弧焊的效率是非常有 意义的。 焊条的最早出现在十九世纪末俄国人n g 丝拉文诺发明的裸焊条，随后奥 赛皮尔赛史特劳梅育提出了涂料金属极焊条，即药皮焊条。而后在焊条1 0 0 多 年的发展历史中，先后发明了矿物性厚药皮、碱性低氢性焊条、低合金钢焊条、 堆焊焊条、不锈钢焊条和有色金属焊条等。 在过去的几十年中，科技工作者为提高焊条的焊接效率，先后出现了普通铁 粉焊条、重力焊用铁粉焊条、立向下焊条和高效不锈钢焊条等高效焊条。在2 0 世纪四十年代，出现了嵌套的不锈钢焊条【8 1 。所谓嵌套的焊条就是指一根焊条中 含有两根或多根焊芯，这些焊芯除了两头外，彼此之间互相绝缘。焊芯头部使用 特定的焊钳夹持，使几根焊芯连在一起，即多根焊芯并联。嵌套焊条焊接时，焊 条与工件分别接电源的两极从理论上讲电流可以同时平行的流过多根焊芯，但 是不同焊芯的电阻是不同的，所以电流总是走电阻最小的焊芯，电弧只能从根 焊芯和工件之间产生，焊芯的电阻随温度的升高而增大，而且焊芯逐渐变短，这 时电弧从这根燃烧的焊芯转移到离工件最近的焊芯上电弧总是在离工件最近的 一根焊芯与工件之间产生，因而电弧较短。电弧燃烧时，电弧周围的气体发生电 离，因此电弧从一根焊芯移到另一根焊芯时，根部不用和工件直接接触，每根焊 芯都有燃弧时间和熄弧冷却时间，所以可以用大焊接电流焊接，焊缝的形状有焊 芯的嵌套形式决定 嵌套电弧焊可以通过选择不同的焊条嵌套形式控制焊缝的熔宽，可以得到窄 的焊缝，同时提高生产率。手工焊接厚大板时，可以大大降低焊接成本。嵌套焊 条的电弧短而有力，焊接时可以很好的保护熔池，得到良好的焊缝成形 但是嵌套焊条也存在很多问题。一是电弧在焊条之间快速移动，电弧不稳定 且加热不集中二是由于嵌套焊条是由两根及两根以上焊芯组成的，几根焊芯不 能同时燃烧，电流不能不均分配，每根焊芯所承受的最大电流值将远远超过焊芯 所能承受的电流值，易发生焊条爆断现象。 1 9 5 1 f f - ，提出了手工多条电弧焊接法，即束状焊条焊接法【9 1 ，嵌套焊条焊接 4 山东大学硕士学位论文 法是该方法的前身，该方法在实际中得到了一定的应用所谓束状焊条焊接法， 就是简单的把二根、三根、五根以上的焊条束在一起，焊条的夹持端用点焊固定 进行焊接。这种方法主要是提高焊接效率和解决厚板焊接时焊条直径不够粗的问 题。 此外，文献【l o 】对三相手弧焊进行了研究。三相电弧焊的电弧是由三相电 源产生的，焊接时由三个电弧同时燃烧。随着各种方法的不同，电弧问的位置也 不同，最常见的就是并联焊条式，就是将三相电源分别接于焊件、焊条a 和焊条 b 上( 焊条a 和焊条b 相互绝缘) 。除了焊条和焊件件发生电弧外，两根焊条之间 也有电弧发生 三相手弧焊热量集中，电弧对焊件的熔透深度增加，可以加大钝边厚度或扩 大不开坡口对接焊的厚度。三个电弧同时燃烧，同时使用两根焊条，热能有效利 用，大大提高了劳动生产率，降低了生产成本但是由于是三相供电，电压达到 2 2 0 v ，对人身不安全。而且对工件的熔深增加，对母材的热输入增大，会导致 焊接热影响区过热区晶粒的粗大，使焊接接头性能下降。 综上所述，由于多条焊的电弧在焊条之间快速的移动，电弧不稳定而且加热 不集中；三相手弧焊的焊接电弧之间相互影响严重，所以对提高焊条效率的多条 焊、三相手弧焊等焊接方法应用和研究很少。近年来，国内外还着重于研究和推 广铁粉焊条、重力焊条、立向下焊条及高效的不锈钢焊条等高效焊射1 1 1 。1 。目 前我国手工电弧焊理论方面的研究主要集中在电弧形态和熔滴过渡方面。如焊条 熔滴过渡形态分析，影响焊条熔滴过渡力学因素的研究，不锈钢焊条熔滴过渡形 态及工艺稳定性的研究，电弧的等离子流力、电弧压力及磁场对电弧行为的影响 l i 螂1 1 3 焊丝电弧焊的研究现状 在提高焊条电弧焊生产效率的同时，自动焊在努力提高生产率、降低生产成 本的研究方面也有很大发展在焊条电弧焊发展的同时出现了熔化极气体保护 焊、埋弧焊以及更高效率的t i m e 焊【踟”、双( 多) 丝焊等，这里仅对双丝焊 的方法进行综述 常规单丝焊接方法在提高焊接速度时，容易出现咬边、未熔合、气孔等缺 第一章绪论 陷弘撕1 咬边和未熔合的产生是由于高速焊接，使用大焊接电流，因而使电弧 吹力增大，熔化金属凝固之前不能充分填满弧坑；产生气孔是由于在熔池金属 凝固之前，溶解在熔池中的气体聚集来不及浮出熔池。 双丝焊工艺能够缓解上述问题对于一个给定的焊接电流，双丝焊的熔池 比较大；在熔池凝固之前，能够使用更高的焊接电流，迅速填满弧坑，这也就 意味着更高的熔化速度和熔敷效率，所以对于特定的焊丝直径能够增大焊接速 度。双丝焊延长了脱气时问，并且双丝焊对熔池搅拌作用较强，这也使得溶解 在熔池中的气体能更多地扩散逸出。双丝焊还能够增加焊接熔敷率，它适用于 各种弧焊方法。 双丝自动焊具有焊接速度高，熔敷系数高、焊接质量好等优点，备受国内外 焊接学者的关注f3 7 m 】根据电源接线方式的不同，双丝焊主要可分为串列双丝 焊、并列双丝焊，预热填丝焊和串联双丝焊等。 串列双丝焊是国内外研究较多，应用较广的双丝焊方法【4 8 1 。这种双丝焊 方法中每一根焊丝由一个电源独立供电，根据两根焊丝间距的不同，又可以分为 共熔池法和分离电弧法两种。在埋弧焊中用的较多的是分离电弧法，实际是由两 套单丝埋弧焊系统组成的。在气体保护焊中这种接线方式叫t a n d e m 双丝焊， 用的较多的是共熔池法。这种焊接方法，除了送丝速度可以不同外，其他所有的 参数也都可以彼此独立，这样可以最佳的控制电弧。与其它双丝焊技术相比，不 仅可以提高熔敷速度，大大提高焊接效率，而且改善了焊缝的质量，减少了飞溅 物气保护t a n d e m 双丝焊的焊接参数好调，使用方便，已被用户所接受。可 以应用于碳钢、低合金钢、不锈钢、铝合金等各种金属材料的焊接，并适用于各 种接头形式德匡 c l o o s 、奥地利f r o n i u s 和美j 虱l i n c o l n 等公司都生产气保护 t a n d e m 双丝焊设备，并较为成功地用于汽车，车辆等行业1 4 9 j 并列双丝焊实际上是用两根较细的焊丝代替一根较粗的焊丝，两根焊丝共用 一个电源和一个导电嘴，以同一速度且同时通过导电嘴向外送出。最早应用在埋 弧焊中 5 0 】气体保护焊中，并列双丝焊一般称为t w i na r c 双丝焊，两根焊丝 共用一个导电嘴和一个气体喷嘴。为了防止同相位的两个电弧的相互干扰，常采 用脉冲m i g 脉冲m a g 焊法，并保持两个电弧轮流交替燃烧。为了保证送丝系统 畅通，要求送丝机的性能良好和焊丝直径均匀这种方法的焊接规范参数十分难 6 山东大学硕士学位论文 调，但由于使用一个导电嘴，焊接操作十分方便。并列双丝焊在实际生产中应用 较少 双丝预热填丝焊是在单丝焊的基础上将另外一根焊丝由预热电源或焊接电 源加热至接近熔化状态后均匀地送入另一根焊丝所形成的熔池内，用熔池的热 量熔化热丝最早该方法应用于钨极氩弧焊，是为了提高钨极氩弧焊( g t a w ) 效率【5 l1 ，随着在钨极氩弧焊上的成功应用，后来又发展到埋弧焊和气体保护焊 中f 机刖】，均可提高热利用率。热丝焊可以用两个电源也可以用一个电源。此外， 还有双丝三弧焊，连接方法与并列双丝焊相似，在两焊芯之间存在第三个电弧， 类似于三相焊条电弧焊 串联双丝焊是两焊丝通过导电嘴分别接于电源的正负两极，母材不接电源， 电弧在两焊丝端部产生这种方法最早提法在埋弧焊中，后来在惰性气体保护焊 中也出现了一些报道【5 ”串联双丝焊的每一个电极都有自己的送丝装置和电压 控制装置，相互之间独立操作。串联双丝焊两根焊丝大多成4 5 。角，工件不接电 源，焊接时，焊接电流从一根焊丝流向另一根焊丝，电弧在两焊丝之间燃烧焊 接时，大部分热量用来熔化焊丝，只有小部分热量直接进入工件，因此其熔敷速 度高，这种焊接工艺熔敷速度约是普通单丝焊的两倍。焊接电流增大，熔深变化 不大，增大两焊丝交点与工件的距离可获得较小的熔深，减小对母材热输入。串 联双丝焊中，两焊丝的排列方向可以与焊接方向平行，也可以与焊接方向垂直。 垂直时，可以得到比平行焊较宽的焊缝。但该方法熔深浅，特别是快速焊。目前， 对该种方法的研究甚少，实际应用更小。 由上综述可知，从焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊到由它们发展而来的多 条焊，三相电弧焊以及各种的双丝焊等高效焊接工艺，在焊接的时候，工件均接 电源的一极，电弧在焊芯( 焊丝) 和工件之间产生当然，在埋弧焊和气体保护 焊中也出现过工件不接电源的串联双丝焊，但是对该种方法的研究少，实际应用 未见报导。 1 4 双熔敷极焊条( 丝) 电弧焊的研究 目前应用的各种电弧焊方法一般是焊条( 丝) 接电源一极，工件接电源另一 极，焊接时，电弧在焊条( 丝) 与工件之间燃烧如图1 1 所示，被焊工件从电 7 第一章绪论 弧中吸收能量熔化局部母材，与熔敷极( 焊条或焊丝) 熔化金属共同形成熔池 由于工件作为电源极，工件上必然存在活性斑点区，热量集中，局部温度很高， 使工件局部熔化形成熔池这样母材局部熔化不仅量大而且过热度高，不但熔敷 系数低、消耗电能多，而且冷却后接头中形成焊接应力大，变形大，晶粒易粗化， 焊接接头性能降低长期以来，人们从严格控制焊接参数、改变坡口形式及焊后 热处理等工艺措施来减少应力和变形以提高焊接质量，但由于工件接电源，难以 从根本上减少工件的热输入 图1 1单熔敷极焊条电弧焊示意图 f i g 1 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo f s i n g l ed e p o s i t i o ne l e c t r o d ea r cw e l d i n g 双丝电弧气体保护焊和双熔敷极焊条电弧焊改变了传统的连接方法，工件不 再接电源一极，简述如下： 1 4 1 双丝电弧气体保护焊 双丝气体保护焊是一种新型的焊接方法，如图1 2 所示工件不接电源，电 源的两极分别接在两根焊丝上，电弧在两焊丝间形成并燃烧。由于电弧回路结构 不同能够，双丝气体保护焊的焊接过程比单丝焊更加的稳定。双丝电弧气体保护 焊比单丝焊的熔敷速度更高，并且焊接变形和焊后的残余应力比单丝焊更小5 3 】。 双丝电弧气体保护焊的两极熔化速度并不相等，每根焊丝由独立的送丝系统 控制，分别控制双丝的送丝速度。焊接时，为了保证电弧的稳定燃烧，每根焊丝 的送丝速度要等于各自的熔化速度。 焊枪集气、电、丝于一体，是双丝电弧气体保护焊的一个关键部分，其结构 8 山东大学硕士学位论文 | l i r a j i 。一i g ! ! 自! 目 形状与几何尺寸不仅关系焊枪的使用性能，而且关系到电弧的稳定性、气保效果 及焊接质量当两焊丝的夹角取3 0 * - - 5 0 。，焊丝伸出长度为1 0 m m 一2 0 m m 为宜 双丝电弧气体保护焊的电弧可在空间不同位置燃烧，电弧形态随着熔滴的形成和 过渡呈现周期性变化，随着电弧电压的增加，其电弧趋于明亮，电弧形体越大 图1 2双丝电弧气体保护焊示意图 f i g 1 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo f t w i n - w i r ea l eg a ss h i e l d e dw e l d i n g 1 4 2 双熔敷极焊条电弧焊 图1 3双熔敷极焊条电弧焊示意图 f i g 1 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo f t w i nd e p o s i t i o ne l e c t r o d ea l ew e l d i n g 双熔敷极焊条电弧焊，工件不接电源，由电源引出的两条电缆通过特制的焊 钳分别接双熔敷极焊条的两根相互平行且绝缘的焊芯上，如图1 3 所示电弧在 9 第一章绪论 双电极焊条相互平行且绝缘的两个焊芯的端部形成，电弧可在离工件不同距离的 空间进行引弧和燃烧，电弧是温度很高的工业热源，弧柱的温度可以达到5 0 0 0 以上间接电弧的两极性斑点分别在两焊芯的端部，当双熔敷极焊条引弧后， 在焊条的端部迅速地形成熔化金属的细小熔滴，炽热的熔滴携带的热量熔化了局 部母材形成熔池，主要利用熔滴携带热量熔化母材，改变了被焊工件的热循环。 目前，已对钛钙型双熔敷极焊条进行了实验，对其工艺性、电弧特性和熔滴 过渡现象作了研究 5 4 1 对于焊芯直径为4 m m ，两芯间隙为1 2 m m 1 7 m m 的钛钙型双熔敷极结构钢 焊条( t e 4 3 0 3 ) ，在焊接电流为1 8 0 a 2 2 0 a ，焊条弧根与工件之间的距离为 3 m m 8 m m 的条件下施焊，可获得良好的焊缝成形，熔敷金属的化学成分和力学 性能达到国标要求 研究指出：钛钙型双熔敷极焊条电弧焊电弧具有不同形态，且电弧集中与分 散程度随时间发生周期性变化，相应的电弧电压也发生周期性变化。电弧形态主 要受两芯间隙、焊接电流和焊条类型影响，随两芯间隙的减小，电弧趋向集中， 随两芯间隙的增大，电弧趋向分散；随焊接电流增大，电弧挺度增大，电弧集中、 明亮，电弧形态周期性变化的频率变快。 双熔敷级电弧焊的熔滴过渡主要受其特殊的电弧在双熔敷极焊条端部燃烧 和套筒形状的影响，不同类型双熔敷极焊条均以渣壁过渡为主要过渡形式。钛钙 型双熔敷极焊条以细熔滴渣壁过渡为主，大电流时也有少量的喷射过渡和爆炸过 渡等过渡形式，随焊芯间距的减小、焊接电流的增大，熔滴的过渡频率增大 双熔敷极焊条电弧焊电弧稳定性与单熔敷极焊条电弧焊明显不同。在双熔敷 极焊条电弧焊中，电弧电压虽然存在波动，但波动主要是在某一电压值的上方波 动。且电弧燃烧过程不存在短路现象，即双熔敷极焊条电弧焊比有短路过渡的单 熔敷极电弧焊的电弧更稳定。 1 5 本文研究目的及主要内容 1 5 1 课题的提出 自1 9 1 0 年厚药皮焊条的研制成功标志着电弧焊时代的到来，电弧焊得到了 很大的发展常规电弧焊使用的电弧是在焊条( 丝) 与工件之间燃烧这种电 l o 山东大学硕士学位论文 弧对工件加热速度快、熔深大，在实际生产中获得了广泛应用但由于被焊工 件为焊接电弧的一个电极，导致工件热输入大，母材熔化量大，消耗电能多， 熔合比大，焊接应力和变形大，成为为人类作出过重大贡献的电弧焊一大缺点。 随着高能密度焊，摩擦搅拌焊和压力焊等高效焊接方法的出现，并获得了 极大的关注和发展，电弧焊的应用量受到了一定的限制但由于电弧能有效地 把电能转换成焊接过程所需要的热能，迄今为止，电弧焊仍然是应用领域最广 的焊接方法近年来，随着航空航天、交通运输、海洋工程等工业的发展和科 技的进步，如何提高电弧焊的生产率及焊接质量变得更加迫切。 早在上个世纪5 0 年代，工件不接电源的间接电弧在焊接领域就出现了，这 种新型的双熔敷极电弧在埋弧焊、气体保护焊等领域有过介绍迄今为止，间 接电弧除了在双丝电弧喷涂领域得到了成功的应用之外，间接电弧焊工程应用 未见报导工件不接电源的间接电弧在两个电极( 焊条，焊丝) 的端部形成和 燃烧，工件上不存在活性斑点区、具有熔敷效率高、节约电能、熟输入调节范 围大、熔合比可降到最小等优点。邹增大教授领导的课题组将这种电弧成功地 应用于焊条电弧焊，发明了双熔敷极焊条电弧焊( t w i nd e p o s i t i o ne l e c t r o d e i n d i r e c ta r cw e l d i n g ) 技术15 5 】，取得了良好的焊接效果 目前，对双熔敷极焊条电弧焊的认识和了解十分贫乏，国内外只有本课题 组对钛钙型双熔敷极焊条电弧焊进行了一些研究【5 6 j 7 1 。但双熔敷极碱性焊条在 配方、电弧的稳定性、操作工艺性等方面同钛钙型双熔敷极焊条又有所区别， 需要对其研究。本文将对双熔敷极碱性焊条电弧焊进行研究，为其应用提供更 多的技术数据。 1 5 2 本文研究的主要内容 l 、以西4 0 碱性双熔敷极焊条为研究对象，通过焊条工艺性试验确定焊条 药皮截面形状与尺寸、两芯间隙、焊接电流、燃弧两芯端部与工件距离等重要 参数，并分析各个参数对焊缝形态的影响。 2 、采用两芯间隙为0 7 r a m ，直径0 4 0 的t e 5 0 1 5 碱性双熔敷极焊条进行 焊接工艺性、接头组织分析与力学性能试验，分析和研究低氢碱性双熔敷极焊 条电弧焊焊接接头截面形态、微观组织及力学性能。 3 、通过对舛0t e 5 0 1 5 碱性单熔敷极焊条的工艺性和力学性能试验，分 第一章绪论 析对比单、双熔敷极焊条制作工艺，焊接操作工艺，焊接接头截面形态、微观 组织及电弧电压和焊接电流波形，分析和研究单、双熔敷极焊条电弧焊的优缺 点。 1 2 山东大学硕士学位论文 2 1 实验材料 第二章实验材料、设备及内容 实验材料有直径0 4 0 ，长度4 0 0 r a m ，h 0 8 a 焊芯，药皮组成为大理石、萤 石、钛白粉、钛铁、4 5 4 硅铁、中碳锰铁、石英、纯碱及钠水玻璃的低氢碱性双 熔敷极焊条，焊芯直径、长度、成分和药皮组成与双熔敷极相同的低氢碱性单 焊条e 5 0 1 5 和q 2 3 5 碳钢试板 2 1 1 双熔敷极碱性焊条 1 双熔敷极碱性焊条的制作 双熔敷极碱性焊条为自制的焊条双熔敷极焊条的制作方法是涂压法，使 用的是本课题研究组自行研制的2 5 吨双熔敷极焊条涂压机如图2 1 所示。 图2 12 5 吨双熔敷极焊条涂压机 f i g 2 1 2 5t o nt w i nd e p o s i t i o ne l e c t r o d eb e p o w d e r e dm a c h i n e j 双熔敷极焊条的制作首先要选择定距模和定型模，然后用自制的2 5 吨双熔 敷极焊条涂压机直接压出双熔敷极焊条制作焊条时，先后将定距模( 如图2 , 2 所示) 和定型模( 如图2 3 所示) 安装在焊条涂压机端部，通过送丝系统将两 根焊芯通过送丝轮和导丝管同步送入定距模；通过油液压力系统( 压力大约 6 0 m p a - - 8 0 m p a ) 将药皮粉料通过料缸压到定型模中，随着双焊芯的同步输送， 第二章试验材料、设备及内容 药皮涂压在焊芯表面，制作示意图如图2 4 所示 r l 图2 2定距模 f i g 2 2 m o d e lo f e n s u r i n gd i s t a n c e 1 4 图2 3定型模 f i g 2 3 m o d e lo f e n s u r i n gs h a p e 定距模定型模 焊条 焊芯输送方向 图2 4双熔敷极焊条的制作示意图 f i g 2 4 s c h e m a t i cd i a g r a mo f m a k i n go nt w i nd e p o s i t i o ne l e c t r o d e 定距模是用来确定双焊芯间隙的，当定距模确定时，两芯间隙基本确定 山东大学硕士学位论文 定型模是用来确定焊条药皮外截面形状和药皮重量系数的。通过使用不同的定 距模和定型模的组合，就可以得到不同重量系数( k b ) 和两芯间隙( c ) 的双熔 敷极焊条 所制的双熔敷极焊条形状如图2 5 所示本课题实验用焊条是直径为4 m m 的双熔敷极碱性焊条，焊条长度为4 0 0 m m 。不同的定型模决定了不同的药皮重 量系数( 药皮与焊芯的质量比) ，碱性焊条的制作有四种规格的定型模，其尺寸 和对应双熔敷极焊条的药皮重量系数如表2 1 所示，试验选用l 号定型模，药 皮重量系数l ( b 为4 5 6 ；对于每一种规格的定型模，又可以不同的定距模来组 合，定距模也有四种规格，对应的两芯间隙有1 0 m m 、1 2 m m 、1 4 m m 、1 6 m m 四种规格，我们采用两芯间隙为1 0 m m 的定距模。 图2 5双熔敷极焊条示意图 f i g 2 5 s c h e m a t i cd i a g r a mo f t w i nd e p o s i t i o ne l e c t r o d e 焊接时，双熔敷极焊条两焊芯所确定平面可以和焊接方向平行、垂直，也 可以呈一定的角度，如图2 6 所示。这样能够得到不同宽度的焊缝。本论文中， 如无特别说明，采用的为与焊接方向平行的焊接方式 表2 1双熔敷极焊条截面尺寸 t a b l e 2 1 s e c t i o ns i z eo f t w i nd e p o s i t i o ne l e c t r o d e j j m 一条 6 6 6 6 _ k ， j 2 j 一 则 2 l l o _ 男 i l_ 6 6 6 2 _ ， 5 1 6 1 _ 三口 4 4 3 3 _ 撕 第二章试验材料，设备及内容 在室温凉干两天，然后在1 5 0 。c 低温烘干- d , 时，最后再经3 5 0 。c 高温烘干一 小时。 图2 6双熔敷极焊条不同的焊接排列方式 f i g 2 6 v a r i o u sa r r a n g ef a s h i o no f t w i nd e p o s i t o ne l e c t r o d e 2 双熔敷极碱性焊条焊芯的化学成分及药皮的组成 双熔敷极焊条的焊芯为h 0 8 a ，其主要化学成分如表2 2 所示。药皮主要组 成如表2 3 所示，涂压焊条时，用钠水玻璃作为粘结剂且水玻璃的量要适中， 量过小时，药皮料太干，无法涂压出焊条，若量过大时，则烘干时，会使药皮