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CO2气体保护焊实心焊丝电弧物理特征分析
双击自动滚屏 发布者:chinaweld 发布时间:3/21/2008 阅读:14450

 

 

 

 

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       

 天津三英焊业有限责任公司(301700                   

 

 

 

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,飞测越小,焊接过程越稳定。提出用24V/180A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

 

O     

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剧和评价方法,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10mm,长450mm。电焊机采用时代公司产ZB-500CO2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- X-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气体保护焊接试验,焊接参数分别为电弧电压24V,焊接电流180A,送丝速度910cm/min,焊接速度约为28cm/min;电弧电压32V,焊接电流260A,送丝速度1270cm/min,焊接速度为36cm/minCO2气体流量均为20L/min,焊丝伸出长度为20mm。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20s。使用高速摄影机对焊接过程进行拍摄,拍摄速度2000f/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HUOXING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1HUOXING焊丝焊接时熔滴与熔池发生接触短路,熔滴平衡向熔池过渡,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。

 

HUOXING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HUOXING焊丝焊接时的电弧物理特性和工艺性。

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HUOXINGDUTONG焊丝在24V/180A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,HUOXING焊丝比DUTONG焊丝短路频率要高,统计的HUOXING焊丝短路频率约为59/sDUTONG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,可粗略计算出熔没直径D。实际焊接时的送丝速度ʋ15.167mm/s,焊丝直径d1.2mm,熔滴短路频率ƒ,假定熔化的焊丝全部变为熔滴过渡到熔池,则

         d/22 ʋ 4/3(D/2)3 ƒ                                                            1

式中:d为焊丝直径,mmD为迷直径,mmʋ为送丝速度,mm/sƒ为熔滴短路频率,s-1

由以上公式推算出HUOXING焊丝平均熔滴直径D0.8mmDUTONG焊丝平均熔滴直径为D1mmHUOXING焊丝的熔滴较细。

2.3  短路时间试验结果及分析

1和表2是对应的图5和图6HUOXINGDUTONG两种焊丝在任选的时间段内,每次短路的时间统计结果。其数据是由汉诺威弧焊质量分析仪提取的。

 

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

1

4.412 35

4.416 50

4.15

2

4.433 35

4.436 75

3.40

3

4.439 60

4.439 90

0.30

4

4.450 65

4.454.85

4.25

5

4.472 75

4.476 35

3.60

6

4.482 00

4.482 80

0.80

7

4.487 20

4.489 45

2.25

8

4.498 45

4.498 65

0.20

 

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

1

4.411 6

4.416 75

5.15

2

4.441 2

4.446 75

5.55

3

4.480 8

4.485 75

4.95

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1/10s放大的电弧电压、焊接电流波形图(图5、图6)可以看出,HUOXING焊丝每次的短路时间比DUTONG焊丝短路时间短。

由表1和表2统计结果可以看出,HUOXING焊丝0.1s时间内共有8次短路,其中没有一次短路时间超过4.3msDUTONG焊丝0.1s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4ms,产生电爆炸的几率很大,这就是DUTONG焊丝焊接时产生飞溅的倾向比HUOXING焊丝大的原因。

7是两种焊丝24V/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ƒ1/s)。由图看出HUOXINGDUTONG两种焊丝短路时间小于1ms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1ms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1ms(包括1ms)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。

由图7看出,短路时间大于1ms的两种焊丝短路时间频率分布有明显差别,HUOXING焊丝短路频率分布曲线比DUTONG焊丝更靠左,且没有大于4.5ms的短路。由汉诺威分析仪统计得到的短路时间1ms的正常短路频率和平均短路时间的数据见表3,看出HUOXING焊丝短路频率比DUTONG焊丝高,平均短路时间为2.747 7ms,比DUTONG焊丝小,容易产生飞溅有大于4ms短路频率,DUTONG焊丝几乎是HUOXING焊丝的10倍。

3  正常短路过渡特征参数

焊丝名称

短路频率ƒ/s-1

平均短路时间 t/ms

大于4ms短路频率ƒ/s-1

DUTONG

33

3.159 2

39

HUOXING

48

2.747 7

4

 

2.4  32V/260A参数下试验结果及分析

随着焊接电流的增大,在32V/2660A参数下测试的两种焊丝短路频率都明显减少,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显。表4是在32V/260A参数下由高速摄影影片统计的两种焊丝焊接过程中在1s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HUOXING焊丝多,且多数是大颗粒飞溅。HUOXING焊丝主要 是在熔池和由熔池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,HUOXING焊丝焊接时产生飞溅颗粒较小,这是由于HUOXONG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9DUTONG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。

 

4  焊接过程飞溅情况统计结果

焊丝名称

飞溅频率ƒ飞溅/s-1

电爆炸频率 ƒ爆炸/s-1

飞溅情况说明

DUTONG

6.7

1.2

5次大颗粒熔滴的飞溅及熔池飞溅

HUOXING

4.7

2.7

熔滴飞溅及熔池飞溅

试验结果表明,由于HUOXING焊丝熔滴较细小,该焊丝在32V/260A较大参数下同样表现为电弧稳定,飞溅较小,工艺性比DUTONG焊丝好。但是由于在这一参数下,DUTONG焊丝基本不发生短路,HUOXING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24V/180A参数下的大于1ms平均短路时间、熔滴平均短路频率和短路时间大于4ms短路频率作为判剧来定量评价实心焊丝工艺性。

4     

1HUOXING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24V/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剧来定量评价实心焊丝工艺性。

 

参考文献

1〕杨  林,王  宝。Rehfeldt D,等。焊接电参数的一种新型测试方法〔J〕。华北工学院学报,200526(1)75-77

2〕王  宝。焊接电弧物理与焊条工艺性设计〔M〕。北京:机械工业出版社,1998164-166

3Jiang Lipei, Yu Jianrong. Study on self-optimizing function for intelligent control of CO2 arc welding[J]. China Welding, 20009(2)81-85

 
 
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