CO_2气体保护焊实心焊丝电弧物理特征分析.pdf

Production Theme 生产应用 焊接 2008年第 1期 CO2气体保护焊实心焊丝电弧物理特征分析 中北大学焊接材料技术中心 太原市 030051 戴 军 王 宝 天津三英焊业有限责任公司 301700 安 静 摘要 采用汉诺威弧焊质量分析仪和焊接过程高速摄影 测试分析了在 CO2气体保护焊条件下 实心焊丝电 弧物理特性 发现熔滴短路时间大于 1ms 正常短路频率越高 平均短路时间越短 飞溅越小 焊接过程越稳定 提 出用 24V 180 A参数下大于 1ms平均短路时间 熔滴平均短路频率和短路时间大于 4ms短路频率作为判据来定 量评价实心焊丝工艺性 关键词 实心焊丝 汉诺威弧焊质量分析仪 焊接电弧物理 中图分类号 TG422 3 0 前 言 当前 实心焊丝仍然是 CO2气保护焊中使用最广 泛的填充材料 但与药芯焊丝相比 实心焊丝电弧稳 定性差 飞溅大 工艺性较差 改善 CO2气保护焊条件 下实心焊丝的工艺性 是实心焊丝的重要研究课题之 一 文中利用高速摄影观察研究实心焊丝不同焊接参 数下焊接电弧物理现象并用汉诺威弧焊质量分析仪进 行电参数测试 在对电弧物理特征参数综合分析的基 础上 探讨定量评价实心焊丝工艺性的判据和评价方 法 为实心焊丝工艺性研究提供科学的评价标准 为改 进和创新实心焊丝的工艺性提供依据 1 试验材料及方法 1 1 试验材料和设备 选取两种实心焊丝 分别为表面敷有活性剂的 CO2气体保护不镀铜实心焊丝 编号为 HUOXING 镀 铜气体保护实心焊丝 编号为 DUTONG 焊丝直径均 为 1 2mm 在 Q235低碳钢钢管上利用携带焊枪的自 动行走小车进行自动焊接 钢管内径 120mm 壁厚 10 mm 长 450mm 电焊机采用时代公司产 ZB 500型 CO2气保焊机 为了研究焊接时熔滴过渡等电弧物理 现象 采用 Pentazet 16型德国产高速摄影机 采用德 国汉诺威大学发明的 HA 4E型汉诺威弧焊质 量分析仪测试焊接电参数 1 2 试验方法 对两种实心焊丝在两个不同焊接参数下进行 CO2 收稿日期 2007 09 16 气体保护焊接试验 焊接参数分别为电弧电压 24V 焊 接电流 180 A 送丝速度 910 cm m in 焊接速度约为 28 c m m in 电弧电压 32 V 焊接电流 260 A 送丝速度 1 270 cm m in 焊接速度为 36 c m m in CO2气体流量 均为 20 L m in 焊丝伸出长度为 20 mm 采用直流反 接极性 利用汉诺威弧焊质量分析仪对焊接过程电参 数进行测试 1 焊接时间每次 20 s 使用高速摄影机 对焊接过程进行拍摄 拍摄速度 2 000 f s 2 试验结果及分析 2 1 熔滴行为特征观察与分析 对两种焊丝在 24V 180A参数下进行工艺试验 明 显地感觉到 HUOXI NG焊丝比 DUTONG焊丝电弧稳定 柔和 飞溅小 熔化均匀 拍摄的两种焊丝熔滴过渡的 高速摄影典型照片见图 1和图 2 两者对比看出 图 1 中 HUOXI NG焊丝焊接时熔滴与熔池发生接触短路 熔 滴平稳向熔池过渡 过渡过程未产生飞溅 图中拍摄 的熔滴过渡形式反映了该焊丝熔滴的基本过渡特征 而图 2中可以看出 DUTONG焊丝焊接过程中产生飞 溅 这种飞溅是在熔滴短路时发生的 很明显是电爆炸 飞溅 在观察放映高速摄影电影时 看到这种飞溅并 不是偶然发生的现象 而是较频繁地出现 HUOXI NG焊丝表面涂敷了主要是由易电离元素 组成的活性剂 不仅提高焊接时电弧的稳定性 而且形 成敞开型电弧 扩大了极性斑点的面积 使熔滴大面积 接受电弧的直接热作用 促使熔滴温度升高 表面张力 减小 使熔滴变细 2 熔滴过渡频率增大 缩短了熔滴 短路过渡的时间 从而减小飞溅倾向 改善了 HUOX I NG焊丝焊接时的电弧物理特性和工艺性 49 焊接 生产应用 Production Theme 2008年第 1期 图 1 HUOX I NG焊丝高速摄影典型照片 图 2 DUTONG焊丝高速摄影典型照片 2 2 电弧电压和焊接电流波形分析 采用汉诺威弧焊质量分析仪测试 HUOXI NG和 DUTONG 焊丝在 24V 180 A参数下的电弧电压 焊接 电流波形图 如图 3和图 4所示 由波形图显示 两种 图 3 HUOXI NG焊丝电弧电压 焊接电流波形图 图 4 DUTONG焊丝电弧电压 焊接电流波形图 焊丝的波形具有明显的短路特征 但两种焊丝短路频 率不同 HUOXI NG 焊丝比 DUTONG焊丝短路频率要 高 统计的 HUOXI NG 焊丝短路频率约为 59 s DU TONG焊丝短路频率约为 35 s 两种焊丝在同样的电参数即送丝速度相同的情况 下 波形显示的短路频率不同 也就是说它们的熔滴过 渡频率不相同 由于两种焊丝送丝速度相同 熔化焊丝 体积相等 如果不考虑焊接过程中飞溅等金属的损失 可粗略计算出熔滴直径 D 实际焊接时的送丝速度 v 15 167 mm s 焊丝直径 d 1 2 mm 熔滴短路频率 f 假定熔化的焊丝全部变为熔滴过渡到熔池 则 d 2 2 v 4 3 D 2 3f 1 式中 d为焊丝直径 mm D 为熔滴直径 mm v为送丝 速度 mm s f 为熔滴短路频率 s 1 由以上公式推算出 HUOXI NG焊丝平均熔滴直径 D 0 8mm DUTONG焊丝平均熔滴直径为 D 1 mm HUOXI NG焊丝的熔滴较细 2 3 短路时间试验结果及分析 表 1和表 2是对应的图 5和图 6中 HUOXI NG和 DUTONG两种焊丝在任选的时间段内 每次短路的时 表 1 HUOXING焊丝每次短路时间统计结果 短路次数 短路开始时间 t0 s 短路结束时间 t1 s 短路时间 t2 ms 14 412 354 416 504 15 24 433 354 436 753 40 34 439 604 439 900 30 44 450 654 454 854 25 54 472 754 476 353 6 64 482 004 482 8000 80 74 487 204 489 452 25 84 498 454 498 650 20 表 2 DUTONG焊丝每次短路时间统计结果 短路次数 短路开始时间 t0 s 短路结束时间 t1 s 短路时间 t2 ms 14 411 64 416 755 15 24 441 24 446 755 55 34 480 84 485 754 95 50 Production Theme 生产应用 焊接 2008年第 1期 间统计结果 其数据是由汉诺威弧焊质量分析仪提取 的 熔滴尺寸不同 每个熔滴金属过渡到熔池所需要 的时间即短路桥存在的时间不同 由截取 1 10 s放大 的电弧电压 焊接电流波形图 图 5 图 6 可以看出 HUOXI NG焊丝每次的短路时间比 DUTONG焊丝短路 时间短 图 5 HUOXI NG焊丝电弧电压 焊接电流波形放大图 图 6 DUTONG焊丝电弧电压 焊接电流波形放大图 由表 1和表 2统计结果可以看出 HUOXI NG焊丝 0 1 s时间内共有 8次短路 其中没有一次短路时间超 过 4 3m s DUTONG焊丝 0 1 s时间内共有 3次短路 每次短路时间都超过 4 9ms 作者曾采用汉诺威分析 仪和高速摄影进行同步测试 发现熔滴发生电爆炸飞 溅的几率与熔滴的短路时间有关 短路时间越短 发生 电爆炸几率越小 当熔滴短路过程不大于 4ms时 熔滴 过渡时很少发生电爆炸飞溅 DUTONG焊丝短路时间 都超过了 4 ms 产生电爆炸的几率很大 这就是 DU TONG焊丝焊接时产生飞溅的倾向比 HUOXING焊丝 大的原因 图 7是两种焊丝 24 V 180A参数下由汉诺威分析 仪生成的短路时间频率分布叠加图 其中横坐标表示 测试的短路时间分组 纵坐标表示测试各分组内发生 的短路次数与总测试时间之比得到的频率 f 1 s 由 图看出 HUOXI NG和 DUTONG两种焊丝短路时间小于 1m s的短路时间频率很高 但两者分布差别不大 基本 重合 两种焊丝小于 1 ms的短路时间可视为瞬时短路 瞬时短路是熔滴的激烈活动使电压骤然下降引起的 这种短路并不伴随熔滴的过渡 文献 3 认为短路时间 小于 1ms的短路为瞬时短路 短路时间大于 1 m s 包 括 1m s 的短路为正常短路 其中正常短路频率对焊接 过程影响较大 图 7 短路时间频率分布叠加图 由图 7看出 短路时间大于 1 ms的两种焊丝短路 时间频率分布有明显差别 HUOXI NG焊丝短路频率分 布曲线比 DUTONG焊丝更靠左 且没有大于 4 5 ms的 短路 由汉诺威分析仪统计得到的短路时间 1m s的 正常短路频率和平均短路时间的数据见表 3 看出 HUOXI NG焊丝短路频率比 DUTONG焊丝高 平均短路 时间为 2 747 7 ms 比 DUTONG焊丝小 容易产生飞溅 的大于 4 ms短路频率 DUTONG 焊丝几乎是 HUOX I NG焊丝的 10倍 2 4 32 V 260 A参数下试验结果及分析 随着焊接电流的增大 在 32 V 260 A 参数下测试 的两种焊丝短路频率都明显減少 DUTONG焊丝基本 上不发生短路 HUOXING也只有少量短路 焊丝飞溅 都有所增大 但 DUTONG焊丝飞溅增大的趋势更为明 51 焊接 生产应用 Production Theme 2008年第 1期 表 3 正常短路过渡特征参数 焊丝名称 短路频率 f s 1 平均短路时间 t ms 大于 4 ms短路 频率 f s 1 DUTONG333 159 239 HUOX I NG482 747 74 显 表 4是在 32 V 260A参数下由高速摄影影片统计 的两种焊丝焊接过程中在 1 s时间内的飞溅情况 由 表 4 的统计 结果看 出 DUTONG 焊丝飞溅 次数比 HUOXI NG焊丝多 且多数是大颗粒飞溅 HUOXI NG 焊丝主要是在熔池和由熔滴中气体逸出产生的飞溅 也还有少量的短路电爆炸引起的飞溅 对比图 8和图 9两种焊丝的高速摄影照片 可以明显看出 HUOXI NG 焊丝焊接时产生飞溅颗粒较小 这是由于 HUOXI NG焊 丝熔滴比 DUTONG焊丝细小 平均短路时间短 产生大 颗粒飞溅的几率相对少一些 图 9中 DUTONG焊丝由 于大颗粒排斥过渡引起的飞溅现象十分明显 这种飞 溅在焊接中经常发生 严重恶化了焊丝的工艺性能并 影响焊接过程的稳定 表 4 焊接过程飞溅情况统计结果 焊丝名称 飞溅频率 f飞溅 s 1 电爆炸频率 f爆炸 s 1 飞溅情况 说明 DUTONG6 71 2 5次大颗粒熔滴的 飞溅及熔池飞溅 HUOXI NG4 72 7熔滴飞溅及 熔池飞溅 图 8 HUOX I NG焊丝高速摄影典型照片 图 9 DUTONG焊丝高速摄影典型照片 试验结果表明 由于 HUOXI NG焊丝熔滴较细小 该焊丝在 32 V 260 A 较大参数下同样表现为电弧稳 定 飞溅较小 工艺性明显比 DUTONG焊丝好 但是由 于在这一参数下 DUTONG 焊丝基本不发生短路 HUOXI NG也只有少量短路 因此短路时间 短路频率 等电特性参数 不能真实反映熔滴的过渡特征 也不可 能用汉诺威分析仪描述熔滴的行为和判断其工艺性 3 实心焊丝工艺性的评价 既然在较小的电参数条件下 焊丝的熔滴行为特 征如熔滴短路频率 平均短路时间可以反映焊丝的工 艺特性 而熔滴短路频率 平均短路时间以及相关电弧 物理参数可以通过汉诺威弧焊质量分析仪的测试并提 取相关的数据得到 这样可以用汉诺威弧焊质量分析 仪来定量对实心焊丝工艺性进行评价 由以上的分析可知 由于较长时间的短路引起电 爆炸的几率增大 明显恶化焊丝工艺性 根据熔滴的短 路持续时间与电爆炸有关的试验结果 尝试用 24 V 180 A参数下的大于 1 ms平均短路时间 熔滴平均短 路频率和短路时间大于 4m s短路频率作为判据来定量 评价实心焊丝工艺性 4 结 论 1 HUOXI NG焊丝由于表面添加了活性剂 焊接 过程中熔滴比 DUTONG焊丝细小 正常短路频率较大 焊接过程相对稳定 产生飞溅较小 工艺性较好 2 实心焊丝在 CO2气保焊时 熔滴平均短路时 间越短 正常短路过渡越频繁 飞溅越少 焊接过程越 稳定 可以用汉诺威弧焊质量分析仪在 24 V 180A参 数下测试得到的正常短路频率 平均短路时间和短路 时间大于 4ms熔滴短路频率作为判据来定量评价实心 焊丝工艺性 参考文献 1 杨 林 王 宝 Rehf