CO2气体保护焊实心焊丝工艺性及电弧物理特性试验分析

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：图6-31中的平稳的熔滴表面张力过渡形态实际反映了HMG-0不镀铜实心焊丝熔滴的基本过渡特征。图6-32 镀铜焊丝CO2气体保护焊高速摄影典型照片焊丝样品：TM-CU镀铜实心焊丝；设置焊接参数：24V/180A；拍摄速度：2000f/s。

为了建立CO₂气体保护焊实心焊丝工艺性评价的判据，设计了如下的试验^[16，17]：

选取两种实心焊丝样品，分别为不镀铜和镀铜气体保护焊丝，试验焊丝名称分别为HMG-0和TM-CU，焊丝直径均为φ1.2mm；采用时代公司产ZB-500型CO₂气体保护焊机，利用携带焊枪的自动行走小车进行CO₂气体保护焊自动焊接；试件为内径113mm、壁厚10mm、长450mm的碳钢管；采用高速摄影和汉诺威分析仪进行电弧物理特性的分析测试；焊接参数设置为两组，一组是设置电压24V、焊接电流180A、送丝速度91dm/min、焊接速度约28cm/min，另一组设置电压32V、焊接电流260A、送丝速度127dm/min、焊接速度约36cm/min；CO₂气体流量均为18～20L/min，焊丝伸出长度为20mm；直流反接，测试采样时间每次20s。

1.两种实心焊丝焊接时的工艺性试验

观察两种焊丝在24V/180A参数下进行的工艺试验，明显地感觉到HMG-0焊丝比TM-CU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如图6-31和图6-32所示。两者对比看出，图6-31中HMG-0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；HMG-0不镀铜焊丝由于在焊丝拉拔过程中表面施加特殊的涂层，不但起着防锈和润滑作用，而且焊接时使熔滴变细，熔滴过渡频率增大，熔滴短路过渡的时间缩短，飞溅倾向减小，提高了焊接时电弧的稳定性，改善了焊接时焊丝的电弧物理特性和焊丝的工艺性。图6-31中的平稳的熔滴表面张力过渡形态实际反映了HMG-0不镀铜实心焊丝熔滴的基本过渡特征。从图6-32中可以看出TM-CU镀铜焊丝在焊接过程中产生飞溅，这种飞溅是在熔滴短路时瞬间发生的，很明显是瞬时短路飞溅。在放映高速摄影照片时，观察到这种飞溅并不是偶然发生的现象，而是较频繁地出现。

图6-31 不镀铜焊丝CO₂气体保护焊高速摄影典型照片

焊丝样品：HMG-0不镀铜实心焊丝；预设焊接参数：24V/180A；拍摄速度：2000f/s。

图6-32 镀铜焊丝CO₂气体保护焊高速摄影典型照片

焊丝样品：TM-CU镀铜实心焊丝；设置焊接参数：24V/180A；拍摄速度：2000f/s。

2.电弧电压和焊接电流波形分析

采用汉诺威分析仪测试HMG-0和TM-CU焊丝在24V/180A参数下的电弧电压、焊接电流波形如图6-33、图6-34所示。波形图显示，两种焊丝的波形都具有明显密集短路特征，但两种焊丝短路频率不同，HMG-0焊丝比TM-CU焊丝短路频率高，统计的HMG-0焊丝短路频率约为59s^-1，TM-CU焊丝短路频率约为35s^-1。

图6-33 实心焊丝CO₂气体保护焊电弧电压、焊接电流波形图（一）

焊丝样品：HMG-0；焊接参数：24V/180A。

图6-34 实心焊丝CO₂气体保护焊电弧电压、焊接电流波形图（二）

焊丝样品：TM-CU；焊接参数：24V/180A。

两种焊丝在大体相同的电参数的情况下，波形显示的短路频率不同，也就是它们的熔滴过渡频率不相同，如果两种焊丝送丝速度大体相同，在一定的时间内，可以看作熔化焊丝体积相等，假设不考虑焊接过程中飞溅等的金属损失，则可粗略计算出熔滴直径D。

实际焊接时的送丝速度v=91dm/min，焊丝直径d=1.2mm，熔滴短路频率f_tr分别为59s^-1和35s^-1。

假定熔化的焊丝全部形成熔滴过渡到熔池，熔滴形状呈圆球形，则

π（d/2）²v=（4/3）π（D/2）³f_tr

式中 d——焊丝直径（mm）；

D——熔滴直径（mm）；

v——送丝速度（mm/s）；

f_tr——熔滴短路频率（s^-1）。

由以上公式推算出HMG-0焊丝平均熔滴直径D≈0.8mm，TM-CU焊丝平均熔滴直径为D≈1.0mm，HMG-0镀铜焊丝的熔滴较细。

3.短路时间测试及分析

图6-35是HMG-0和TM-CU两种焊丝随机选取的0.1s时间段内电弧电压、焊接电流波形图，由汉诺威分析仪提取在这一时间段内每次短路的时间，并进行统计，其结果见表6-9和表6-10。

图6-35 实心焊丝CO₂气体保护焊电弧电压、焊接电流放大波形图

a）HMG-0 b）TM-CU

焊接参数：24V/180A。

表6-9 HMG-0不镀铜焊丝每次短路时间统计结果^[16]

表6-10 TM-CU镀铜焊丝每次短路时间统计结果^[16]

由图6-35和表6-9、表6-10的统计结果可以看出：HMG-0不镀铜焊丝短路频率比TM-CU镀铜焊丝高，并且每次的短路时间都比TM-CU焊丝短；HMG-0不镀铜焊丝在随机统计的0.1s时间内共有八次短路，除T₁≤1ms的三次瞬时短路以外，其中五次正常短路平均短路时间为3.52ms，而TM-CU镀铜焊丝0.1s时间内共有三次短路，每次短路时间都超过4ms，平均短路时间达到6.16ms。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概率与熔滴的短路时间有关，除了瞬时短路飞溅以外，持续性短路引起的电爆炸飞溅，其持续时间越短，发生电爆炸概率越小，在一定的试验条件下当熔滴短路过程不大于4ms时，熔滴过渡时发生电爆炸飞溅的概率将会减小。TM-CU焊丝短路时间都超过了4ms，产生持续性的电爆炸的概率很大，也许这就是TM-CU镀铜焊丝焊接时产生飞溅的倾向比HMG-0不镀铜焊丝大的原因。

图6-36是两种焊丝在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。由图看出HMG-0和TM-CU两种焊丝短路时间（T₁＞1ms）频率分布有明显差别，HMG-0不镀铜焊丝的短路时间频率分布曲线比TM-CU镀铜焊丝的更靠左，且没有大于7ms的短路。

由汉诺威分析仪统计得到的T₁＞1ms的短路频率和T₁＞1ms平均短路时间的数据见表6-11。短路时间T₁≤1ms的短路为瞬时短路，其中T₁＞1ms短路频率对焊接过程影响较大。由表6-11统计的T₁＞1ms短路过渡的短路频率和平均短路时间的数据看出，HMG-0焊丝短路频率比TM-CU焊丝高，平均短路时间比TM-CU焊丝短。

图6-36 实心焊丝CO₂气体保护焊短路时间（T₁＞1ms）频率分布叠加图

试验焊丝样品：HMG-0、TM-CU；预设焊接参数：24V/180A；分析仪设置：最小短路时间T_1min=1000μs，短路时间组宽ΔT₁=200μs，短路周期组宽ΔT_c=500μs，阈值电压U_th=18V。

表6-11 焊接参数24V/180A时短路过渡特征参数

注：分析仪设置最小短路时间T_1min=1000μs，短路时间组宽ΔT₁=200μs，短路周期组宽ΔT_c=500μs，阈值电压U_th=18V。

①T₁＞1ms。

图6-37是两种试验焊丝电弧电压、焊接电流概率密度分布叠加图。由图看到，HMG-0焊丝短路概率更大些，而TM-CU焊丝比HMG-0焊丝电流概率曲线偏右（图6-37b），表明TM-CU焊丝大电流出现的概率更大。

图6-37 实心焊丝CO₂气体保护焊电弧电压、焊接电流概率密度分布叠加图

a）电弧电压概率密度分布叠加图 b）焊接电流概率密度分布叠加图

试验焊丝样品：HMG-0、TM-CU；预设焊接参数：24V/180A。

图6-38 实心焊丝CO₂气体保护焊电弧电压、焊接电流波形图

a）HMG-0焊丝 b）TM-CU焊丝

预置焊接参数：32V/260A。

4.较大焊接参数下实心焊丝试验结果及分析

图6-38是在32V/260A参数下测试的两种焊丝电弧电压、焊接电流波形图。由图看出：随着焊接电流的增大，测试的两种焊丝的短路频率都明显减少，HMG-0焊丝短路比TM-CU焊丝相对密集一些。图6-39是两种焊丝在32V/260A参数下由汉诺威分析仪生成的不同短路时间的频率分布叠加图，由图看出：在32V/260A参数下，两种焊丝长时间短路的情况消失了，最长短路时间不超过5ms，HMG-0焊丝曲线位置处于TM-CU焊丝之上，表示HMG-0焊丝短路频率比TM-CU焊丝更高。

图6-39 实心焊丝CO₂气体保护焊不同短路时间频率分布图

焊丝样品：HMG-0和TM-CU；预置焊接参数：32V/260A。

由汉诺威分析仪统计得到的T₁＞1ms短路频率和平均短路时间的数据见表6-12，与焊接参数24V/180A时的统计数据（表6-11）对比看出，当焊接参数增大时，两种焊丝短路频率大幅度降低，HMG-0不镀铜焊丝短路频率由48.40s^-1下降到13.05s^-1，而TM-CU镀铜焊丝短路频率由33.35s^-1下降为2.56s^-1，说明随着焊接电参数的增大，两种焊丝熔滴逐渐细化。两种焊丝相比，无论是在24V/180A时，还是在32V/260A条件下，HMG-0不镀铜焊丝短路频率都比TM-CU镀铜焊丝高得多。

表6-12 焊接参数32V/260A时T₁＞1ms短路过渡特征参数

分析仪设置：最小短路时间T_1min=1000μs，短路时间组宽ΔT₁=200μs，短路周期组宽ΔT_c=500μs，阈值电压U_th=18V。

图6-40是实心焊丝CO₂气体保护焊设置焊接参数32V/260A时电弧电压、焊接电流概率密度分布叠加图。在电弧电压概率密度分布图中（图6-40a）直观看出，对于反映短路电压概率的小驼峰曲线，HMG-0不镀铜焊丝的比TM-CU镀铜焊丝的处于更高的位置，表明HMG-0焊丝短路概率明显比TM-CU焊丝要大。而在焊接电流概率密度分布图中（图6-40b），TM-CU镀铜焊丝出现明显的小电流概率，与图6-40a电压概率密度分布图中出现的高电压概率相对应。电流概率曲线的这一表现可能是测试过程中由于某种偶然因素而出现的异常情况。

两种焊丝的工艺试验表明，当焊接参数由24V/180A增大到32V/260A时，两种焊丝的飞溅都有所增大，但TM-CU焊丝飞溅增大的趋势更为明显。

32V/260A参数下由高速摄影照片统计的两种焊丝焊接时在1.25s时间内的飞溅情况见表6-13。由表6-13的统计结果看出，TM-CU焊丝飞溅发生频率比HMG-0焊丝高许多，且多数是大颗粒飞溅。HMG-0焊丝主要是熔池中气体逸出飞溅，短路电爆炸引起的飞溅比较少。观察两种焊丝的高速摄影照片也可以明显看出，HMG-0焊丝熔滴比TM-CU焊丝细小，产生大颗粒飞溅的概率相对少一些。TM-CU焊丝由于大颗粒排斥过渡引起的飞溅现象十分明显，这种飞溅在焊接过程中较为频繁地发生，严重恶化了焊丝的工艺性能和焊接过程的稳定。