药芯焊丝伸出长度对焊接能量参数的影响

药芯焊丝伸出长度对焊接能量参数的影响

张富巨 伍珠良

　湖北武汉水利电力大学(430072) 天津大学(300072)

摘要 研究了在细径CO2气体保护窄间隙药芯焊丝电弧焊中,焊丝伸出长度对主要焊接能量参数(焊接电流与电弧电压)的影响规律。焊丝伸出长度的变化对焊接电流有显著影响:焊丝伸出长度变大,焊接电流减小,并呈线性关系;反之则焊接电流增大。电弧电压不受影响。并导出了试验条件下的回归方程,对高质量要求的FCAW以及相关过程的焊接自动控制将提供有实用价值的参考。

关键词 药芯焊丝　焊丝伸出长度　工艺参数　影响

细径CO2气体保护药芯焊丝电弧焊(FCAW)具有焊接质

量高、飞溅小、生产率高、焊接成本低以及适用于全位置焊等优点,因而在焊接生产中获得了越来越广泛的应用

。在半自动或全自动CO2气体保护药芯焊丝电弧焊中,焊枪到工件的距离不可避免地会发生变化,从而引起焊丝伸出长度的变化。本文对这一变化规律进行了研究。

1　试验条件

试验采用NBC-400型平外特性半自动CO2焊机加等速送丝机构;焊丝为镀铜无缝药芯焊丝,直径112mm,牌号FT-50;用SC20型光线示波器记录焊接电流与电弧电压的波形及变化;焊接行走小车用CGD325型磁轮气割机改装而成;焊接位置为水平,窄间隙坡口尺寸如图1所示。

图1　窄间隙坡口尺寸

极性为直流反接,基准段(图2

)的电弧电压2715V,焊接

电流200A;焊接速度415mm s;CO2气体流量20L m in,基

准段焊丝伸出长度21mm。

由于冷却速度快,共晶以树枝状析出。采用XH01焊丝的焊缝晶

粒较采用S331焊丝的细小,且共晶体数量少,这是由于XH01

焊丝中的T i、B、Zr、R e等元素起到增加形核、细化晶粒的作

用。

图3　XH01和S331焊丝的焊缝在热处理后金相组织

图3是两种焊丝的焊缝在热处理后金相照片。热处理后焊接接

头的金相组织发生了较大的变化,焊缝中共晶体的数量明显减

少,晶粒形状由树枝状向等轴状变化。这主要是由于可溶性强

化相在淬火过程中较大程度地固溶于基体中,并发生再结晶,

在随后的人工时效过程中又弥散析出。对比两种焊丝形成的焊

缝组织可以看出,采用XH01焊丝的焊缝再结晶晶粒明显细小。

这与焊态时树枝状共晶体细小且数量少有关,另外,XH01焊丝

中的T i、B、Zr、R e等元素提高了再结晶温度,起到细化晶粒

的作用。

上述金相组织的不同和变化,也就是为什么两种焊丝和热

处理前后焊接接头抗拉强度不同的原因。晶粒的细化和固溶强

化有利于焊接接头抗拉强度的提高。

3　结论

(1)用交流低频脉冲钨极氩弧焊方法焊接L C9CS超硬铝,

采用XH01、S331两种焊丝焊接,获得的焊接接头在热处理后

的抗拉强度均较焊态时提高约80%。

(2)采用XH01焊丝的焊缝晶粒在焊态和热处理态都较采

用S331焊丝的细小,尤以热处理后的明显。

(3)焊缝组织晶粒的细化和固溶强化有利于焊接接头抗拉

强度的提高。

参考文献

　1　王祝堂等.铝合金及其加工手册.中南工业大学出版社,1989.

　2　许慧姿译.铝及其合金的焊接.北京:冶金工业出版社,1985.

(收稿日期:1997207229)

6焊接技术 1997年第6期・试验与研究・

2　试验程序为了精确测量焊丝伸出长度的变化值以及由此引起的焊接电流和电压的变化,把焊枪固定在改装的焊接小车上,使焊枪在试验段内始终保持垂直高度不变(即H 恒等于一定值,见图2)

。

图2　模拟干伸长变化示意图

在窄间隙试件坡口内人工制造一条在垂直高度方向上起伏不平的连续光滑焊道(图2中h 0虚线以上部分),以便焊接小车在固定轨道上以v H 速度恒速移动时,焊丝伸出长度在试验段内连续均匀变化。焊前用YD -15型动态电阻应变仪加紫外线示波器自动测试,记录下试验焊道上每一点的垂直高度,以

h =h 0=0的焊道作为基准面,并固定导电嘴到基准面的距离

H 为定值。焊丝伸出长度L s =H -L -h ,其中L 为弧长,h

为试验段焊道基准面以上的垂直方向上的变化高度。试验过程中,焊丝伸出长度变化引起的焊接电流、电弧电压变化被光线示波器记录在紫外线感光纸上,并与每一点的焊丝伸出长度相对应,所得观测数据如表1所示。

表1　焊丝伸出长度与焊接电流、电弧电压观测数据测点焊丝伸出长度

(mm )焊接电流(A )电弧电压(V )117.18190.4627.01215.98191.1527.35314.34190.3727.35412.64195.4427.42511.26207.8427.01611.27203.1426.86712.32198.4427.14812.10205.4026.95910.61211.2027.46108.76211.0926.

88119.16221.8026.851210.68213.6327.061312.24189.6527.091414.62198.9927.2915

16.70

197.48

27.23

3　观测数据分析

电弧电压在整个试验区上基本保持稳定,在26185～27142V 之间的很小范围内波动(含有测量误差)。

这说明弧长在焊接过程中是基本恒定的,受焊丝伸出长度变化的影响可忽略不计。同时也说明了试验焊机的电弧自身调节精度与灵敏度较高。电弧自身调节作用的灵敏度取决于弧长波动时引起的焊接电流变化量∃I a 与焊丝熔化速度变化率∃V m 的大小,如式

(1)所示:

∃V m =K i ∃I a -K u ∃U a (短弧焊)

∃V m =K i ∃I a (长弧焊)

(1)

∃I a 越大,∃V m 越快,弧长恢复速度越快,调节时间越短,电弧自身调节作用就越强。本试验为细径药芯焊丝,电流密度可达120～300A mm 2,而且电源外特性缓降率很小,电流变化系

数K i 与∃I a 都较大,所以电弧自身调节作用灵敏,保证了弧长在焊接过程中基本恒定(波动仅2◊左右)。

焊丝伸出长度对焊接电流的影响十分显著(表1)。将焊丝伸出长度与对应的焊接电流值进行线性回归分析,得出试验条件下的焊接电流I a 与焊丝伸出长度L s 之间的关系式

I a =239173-3L s

(2)

式中:I a 单位为A ;L s 单位为mm 。由式2可知,焊丝伸出长度变大,焊接电流减小,反之亦然。焊接电流与焊丝伸出长度之间呈线性关系(图3)。

图3　焊丝伸出长度对焊接电流和电弧电压的影响

焊丝伸出长度变化引起焊接电流波动的原因,主要是焊接二次回路负载电阻随干伸长变化而变化所致。焊丝伸出段的电阻R 1为:

R 1=Θ

L s S =4Θ

Π(D 2-d 2)

L s (3)

式中:D 为焊丝直径,d 为药芯直径,S 为钢带部分面积。由式

(3)可以看出,焊丝伸出长度变大,伸出长度段电阻增加(串

接于焊机二次回路),焊机二次回路总阻抗增大,焊接电流减小。反之,焊接电流增大。

药芯焊丝内部的药芯部分不导电,与相同直径的实芯焊丝相比,试验焊丝的导电截面积减少约11◊,因而相同长度段药芯焊丝的电阻值比实芯焊丝大。这将导致干伸长变化量∃L s 相

7

W elding T echno logy №6　1997・试验与研究・