自保护药芯焊丝工艺性评价

L iu 等人
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的研究已 经表明, 自 保护药芯焊丝
是以弧桥并存过渡为主 , 兼有排斥过渡和颗粒过渡 的混合形态 , 如图 1所示.
第 5期
刘海云, 等 : 自保护药芯焊丝工艺性评价
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表 2 电弧电 压和弧桥并存过渡频次统计结果 Tab l e2 S ta tistica l data o f frequency o f arc vo ltage and b ridg ing transfe r w ithout a rc i n te rrup tion mode
收稿日期 : 2010- 03- 04
[ 3]
1 试验方法
试验选用 3 种自保护药芯焊丝分别为市售的国 际著名品牌焊丝, 试验编号为 H S 焊丝 , 试验编号为 H S 号为 H S 2 . 0 mm. 采用目测观察和试验的方法对自保护药芯焊丝 1 , 国内某公司的 2 , 以及自制的试验焊丝, 编
[ 2] [ 1]
分别选择了酸
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性、 酸碱性和碱性渣系的 5 种药芯焊丝 , 采用高速数 据采集仪 , 对其电弧信号连续采集 , 然后进行数学分 析, 使用 U 判据和快速傅立叶变换方法评价焊丝
[ 7]
的工艺稳定性和飞溅的严重性. M arjan 等人
针对
MAG /M IG 焊接试验分析了基于测量电流电压随时 间变化评价 电弧稳 定性的 若干 种方 法, 认为采 用 U - I 轨迹图方法最不复杂而且快速 . 尽管基于焊接电流和电弧电压数据采用了多种 不同的数据处理技术 , 研究内容主要集中在以短路 过渡为主的气体保护金属弧焊接 , 关于自保护药芯 焊丝 ( SSFC W ) 焊接的研究报道不多. 作者采用高速 摄影和电弧质量分析方法, 对自保护药芯焊丝的熔 滴过渡及电弧电压、 焊接电流参数进行测试分析 , 试 图对自保护药芯焊丝的弧桥并存过渡进行表征, 并 进一步分析评价自保护药芯焊丝的工艺性.
图 1 自保护药芯焊丝熔滴过渡模式 Fi g 1 Me ta l transfe r m ode s o f SSFCW
弧桥并存过渡时, 一方面熔滴通过 桥 的接触 和表面张力作用实现过渡, 另一方面由于弧桥并存 的分流作用, 短路桥爆炸的剧烈程度受到抑制, 所以 弧桥并存过渡是自保护药芯焊丝理想的过渡模式. 弧桥并存过渡有利于金属 熔滴通过接触过 渡到熔 池, 减少飞溅 , 提高电弧稳定性, 改善工艺性能 . 而 电弧排斥过渡更容易造成排斥飞溅 , 减小电弧稳定 性, 不利于金属熔滴的过渡 . 因此弧桥并存过渡的 数量和质量是决定自保护药芯焊丝工艺性的主要因 素, 弧桥并存过渡数量越多 , 过渡持续时间越长, 液 态金属过渡效率越高, 工艺性越好 .
以弧桥并存过渡时间 t1 为横坐标, 以每组弧桥 并存过渡时间对应的累积 过渡频次百分数 为纵坐 标, 可以绘出弧桥并存累积过渡频次百分率与过渡 时间的关系曲线, 如图 2 所示 .
过渡时间大于 0 . 5 m s弧桥并存过渡频次 F / s- 1 HS 16 1 HS 11 2 HS 6 3
表 3 弧桥并存过渡累积过渡频次 Tab l e 3 Accumu la ting transfer frequency o f br i dg ing transfe r w ithout a rc in te rrup tion mode
设定弧桥并存过渡累积过渡频次百分数 ( 记为 y ) 与过 渡时 间 ( 记 为 x ) 的数 学函 数关 系为 y = g ( x ). 可以采用曲线拟合方法
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确定弧桥并存过
渡累积过渡频次百分数与过渡时间的函数关系 y = g ( x ). 根据图 2 中曲线特征取拟合函数为 g (x ) = b + ( a - b) / ( 1 + e 式中 : a, b, c 为待定常数. 拟合曲线方程为
1 , HS
2 , HS 3 .
3 种自保护药芯焊丝的工艺性
熔化速度 v / ( mm s- 1 ) 5 . 080 4 . 435 4 . 410
Tab le 1 O pera tiona l behavior o f three SSFCW
焊丝 编号 HS 1 HS 2 HS 3 覆盖 成形 好 较好 较好 电弧稳 定性 较好 较好 较差 脱渣率 (% ) 100% 89. 2% 94. 3% 飞溅率 (% ) 10. 56 11. 41 13. 66 综合 排序 很好 好 中
第 3 2卷 第 5 期 2 0 1 1年 5 月
焊
接
学
报
TRANSACT IONS OF THE CH I NA W ELDING I N ST ITUT ION
V o. l 32 M ay
No . 5 2 01 1
自保护药芯焊丝工艺性评价
刘海云,
摘
栗卓新,
史耀武
100022)
( 北京工业大学 材料科学与工程学院 , 北京
从测量的焊接电流和电弧电压信号中 , 提取焊
接波形元素 , 结合焊工的主观判断制定了最佳的回 归模型 , 从而导出适合的模型, 用来作为电弧稳定性 评价指数. Si m pson 通过对比由电 弧电压和焊接 电流数据计算出的特征图像 , 提出了焊接过程的稳 [ 4] 定指数方法. Kang 等人 采用人工神经网络方法 提出评价短路过渡气体金属弧焊接工艺飞溅率的最 好模型 . 指出焊接中产生的飞溅是针对熔滴过渡的 工艺稳定性的晴雨表, 并且它依赖于短路过渡模式 [ 5] 下焊接电流和电弧电压的周期性波形 . Chu 等人 使用功率谱和时频谱分析方法分析评价焊接工艺过
2 工艺性和熔滴过渡的关系
3 种自保护药芯 焊丝综 合工艺 性试验 结果见 表 1. H S 1 焊丝飞溅小, 电弧感觉柔和, 脱渣较好 , 焊缝成形美观, 综合工艺性最好 ; H S 2 焊丝电弧稳 定性较好, 焊缝成形好且 易操作, 焊 缝外观较为平 整 , 烟雾较小 , 但脱渣性较差; H S 3 的药芯焊丝电 弧吹力最大 , 有断弧现象 , 工艺稳定性稍差 , 熔池清 晰 , 但飞溅较大, 脱渣性稍 差. 因此, 3 种焊丝综合 工艺性排序由好到差依次为 H S
弧桥并存过渡时间 t1 /m s HS t1 > 0 . 50 t1 > 0 . 75 t1 > 1 . 00 t1 > 1 . 25 t1 > 1 . 50 t1 > 1 . 75 t1 > 2 . 00 1 13. 2 7. 7 4. 2 1. 3 0. 8 0. 4 0. 2 累积过渡频次 F / s- 1 HS 9 . 8 5 . 5 2 . 3 1 . 3 0 . 6 0 . 3 0 2 HS 7 . 4 3 . 7 1 . 5 0 . 9 0 . 4 0 . 1 0 3
3 . 焊 丝 的 断 面 形 状 为 O 形, 直 径 为
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焊
接
学
报
第 32 卷
的主要工艺性, 渣覆盖、 焊缝成形、 电弧稳定性、 脱 渣、 飞溅、 熔化速度等进行了试验测试, 并得出工艺 性综合排序 . 自保护药芯焊丝飞溅率试验方法参考焊条飞溅 率测试方法 . 采用平板堆焊 , 试板尺寸为 200 mm 100 mm 20 mm, 直流正接 , 垂直放置于 5 mm 厚的 紫铜板上, 周围用 1 mm 后的紫铜板围成高 300 mm 椭圆形铜. 焊后搜集到的飞溅物和焊丝熔化质量的 比值即为飞溅率 . 采用落球法进行脱渣性试验. 试板尺寸为 300 mm 200 mm 20 mm. 落球重 2 kg , 置于 1. 3 m 高 的支架上. 焊后 1 m in 以初速度为零的自由落体状 态锤击试板中心 , 连续锤击五次 . 高速摄影机为 LBS 16 型 , 试件为低碳钢. 试 件沿水平方向匀速运动, 焊枪固定与试件上方 , 焊丝 垂直自动送进, 拍摄速度为 2 000 幅 / s . [ 8] 采用汉诺威弧焊质 量分析仪 对焊接过程中 电弧电压 和焊接 电流信 号进 行采 集, 测试时 间为 10 s . 上述试 验的 焊接工 艺参 数 相同 , 焊 接电 流为 210 A, 电弧电压为 25 V, 直 流正接, 焊丝伸出长度 为 20~ 25 mm, 送丝速度为 200~ 250 mm /m in . 采用 时代公司生产的 NB 500 型直流弧焊机.
阈值 U /V 15 .0 16 .0 17 .0 17 .5 18 .0 持续时间大于 0 . 5 m s电弧电压频次 F / s- 1 HS 0. 9 3. 7 9. 8 13. 2 23. 1 1 HS 0. 7 2. 6 7. 0 9. 8 17 . 1 2 HS 0 . 3 2 . 1 5 . 6 7 . 4 19 .5 3
要 : 采用高速摄影、 电弧参数快速采集 分析系统以及焊接工 艺性试验 方法 , 对 3 种
自保护药芯焊丝的熔滴过渡、 焊接电流、 电 弧电压和焊接工艺性进 行了试验 研究 . 结 果 表明 , 在文中试验条件下 , 可以采 用低于 17. 5 V, 持续时间大于 0. 5 m s 的电压值表征自 保护药芯焊丝弧桥并存过渡 , 并统计出弧桥并存过渡的频次 ; 可以计算出描述自保护 药 芯焊丝弧桥并存过渡持 续时间的特 征值 t50, 用以 表征弧 桥并 存过渡 的质 量 ; 自 保护 药 芯焊丝弧桥并存过渡的数量和质 量是决定其工 艺性的主 要因素 , 弧 桥并存过 渡数量 越 多 , 过渡持续时间越长 , 工艺性越 好 ; 这与工艺性试验结果一致 . 关键词 : 自保护药芯焊丝 ; 熔滴过渡 ; 工艺性评价 中图分类号: TG 422. 1 文献标识码 : A 文章编号 : 0253- 360X ( 2011) 05- 0101- 04
刘海云
0 序
言
程特征、 焊接稳定性和焊接接头质量 . 建立了短路 频率和工艺稳定性的关系, 指出短路频率是焊接工 艺稳定性的决定因素 . Baune 等人
[ 6]
焊接材料的熔滴过渡对其工艺性能和焊接接头 质量等具有重要影响, 熔滴过渡的模式及其稳定性 在一定程度上决定了焊接的工艺性和接头质量. 熔 滴形成、 长大直至进入熔池过程的每个瞬间都对应 着相应的电流和电压值 , 焊接电流和电弧电压可以 反映熔滴过渡的模式和特征 . 因此 , 通过采集电流 电压参数, 应用数据处理技术, 就可以识别和表征熔 滴过渡模式和特征, 进而分析评价焊材工艺性和焊 接接头质量 . Ogunb iy i等人 使用几个在采样周期内由最低 电流、 平均电流、 最大电流和平均电压导出的复合指 标对熔滴过渡 模式电弧 稳定性进 行分类 . M ita 等 人
图 2 弧桥并存过渡时间与累积过渡频次百分率的关系曲线 Fig 2 Re la tionsh ip between tm i e of b ridg ing trans fer w ith arc burn i ng mode and accumu la ting transfe r fre quency percen tage
表 1
3 自保护药芯焊丝工艺性评价
3 . 1 弧桥并存过渡频次的表征 短路过渡时电弧电压降低 , 表征短路过渡的电 压阈值为 10 V, 当电压低于 10 V 时为短路过渡
[ 8]
.
为了确定表征弧桥并存过渡的电压阈值 , 对采集的 3 种焊丝的电弧电压参数进行分析统计, 找出在不 同电压阈值下 , 持续时间大于 0 . 5 m s的电压出现频 次; 同时, 对 3 种自保护药芯 焊丝高速摄影 拍摄结 果, 进行逐幅统计 , 得到过渡时间大于 0 . 5 m s 的弧 桥并存过渡频次. 结果分别列于表 2 . 由表 2 结果 可以看出 , 当电压阈值取 17 . 5 V 时所统计的过渡频 次与通过高速摄影统计的 弧桥并存过渡的 频次相 近, 因此, 17 . 5 V 可以作为过渡时间大于 0 . 5 m s的 弧桥并存过渡电压阈值. 考虑到低于 0 . 5 m s 过渡 的瞬时 性, 在 文 中试 验条 件 下, 可 选取 电 压低 于 17 5 V, 持续时间大于 0 . 5 m s的电压频次表征弧桥 并存过渡的频次. 3 . 2 弧桥并存过渡质量的表征 统计 17. 5 V 阈值内 0 . 5 m s以上弧桥并存过渡 时 间 t1及其 对应的 累积 过渡频 次 , 得到 表 3结 果 ,