極性對(duì)全位置自保護(hù)耐磨堆焊藥芯焊絲工藝性能的影響

許立寶 朱厚國 趙 昆

(機(jī)械科學(xué)研究院 哈爾濱焊接研究所,哈爾濱 150028)

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極性對(duì)全位置自保護(hù)耐磨堆焊藥芯焊絲工藝性能的影響

許立寶 朱厚國 趙 昆

(機(jī)械科學(xué)研究院 哈爾濱焊接研究所,哈爾濱 150028)

通過采集的焊接電流波形圖、焊接電流概率密度分布曲線圖和焊接電流變異系數(shù)評(píng)判了不同極性焊接時(shí)的電弧穩(wěn)定性，結(jié)果表明， AP-55焊絲直流正接的電弧穩(wěn)定性優(yōu)于直流反接；通過飛濺率測試試驗(yàn)對(duì)比了不同極性焊接時(shí)的飛濺情況，結(jié)果表明，AP-55焊絲直流正接的飛濺小于直流反接，且直流正接的飛濺顆粒較小，容易清理。

極性 全位置 自保護(hù)藥芯焊絲 堆焊 電弧穩(wěn)定性 飛濺

0 序 言

全位置自保護(hù)耐磨堆焊藥芯焊絲適應(yīng)各種位置的連續(xù)堆焊，方便靈活，能有效降低磨損部件的修復(fù)時(shí)長和成本，在現(xiàn)場堆焊修復(fù)野外作業(yè)的大型工件以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)件方面具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢[1]。目前，國內(nèi)在實(shí)際工況中還沒有成熟的全位置自保護(hù)耐磨堆焊藥芯焊絲產(chǎn)品。哈爾濱焊接研究所最新研制的全位置自保護(hù)耐磨堆焊藥芯焊絲AP-55，能滿足實(shí)際生產(chǎn)對(duì)全位置自保護(hù)堆焊的需求，具有廣闊的市場空間。

極性選擇作為電弧焊最為基礎(chǔ)的工藝參數(shù)之一，對(duì)焊接工藝性能有著至關(guān)重要的影響。經(jīng)過多年的試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用，焊條和實(shí)心焊絲電弧焊極性對(duì)電弧力、弧柱區(qū)熱量分布、熔滴過渡、工藝性能的影響研究已較為成熟[2]。近年來對(duì)不同渣系類型藥芯焊絲的極性研究也逐步展開，如王寶、劉海云等人[3-4]采用電弧分析儀和高速攝像方法對(duì)藥芯焊絲CO2氣保護(hù)、自保護(hù)焊接過程中極性對(duì)電弧穩(wěn)定性的影響做了較為詳細(xì)的研究，分析了不同極性條件下熔滴過渡形態(tài)和電弧現(xiàn)象。也有學(xué)者在研究水下高壓干法GMAW焊接工藝性時(shí)指出[5-6]，高壓環(huán)境下采用直流正接方式焊接，由于無法滿足形成熔滴反彈型飛濺的條件，同參數(shù)下的飛濺現(xiàn)象較直流反接有明顯改善。

目前，用于耐磨堆焊的藥芯焊絲基本都使用直流反接施焊，但是哈爾濱焊接研究所新開發(fā)的AP-55焊絲采用直流正接堆焊時(shí)工藝性能更優(yōu)，因此研究不同焊接極性對(duì)該類焊絲工藝性能的影響，不僅完善了藥芯焊絲電弧焊極性研究的不足，而且對(duì)于后續(xù)該類堆焊藥芯焊絲的開發(fā)也具有指導(dǎo)意義?；诓煌恢枚押傅脑囼?yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其他位置堆焊時(shí)，極性對(duì)AP-55焊絲工藝性能的影響與水平位置堆焊試驗(yàn)結(jié)果相類似。因此，文中重點(diǎn)討論在水平位置堆焊時(shí)極性對(duì)AP-55焊絲工藝性能的影響。

1 試驗(yàn)條件與方法

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)用焊絲為哈爾濱焊接研究所生產(chǎn)的全位置自保護(hù)耐磨堆焊藥芯焊絲AP-55,該焊絲為高氟化物強(qiáng)堿性渣系，渣系主要組分含量比例范圍見表1，堆焊熔敷金屬的化學(xué)成分見表2，硬度為55HRC。

表1 焊絲AP-55渣系主要組分含量比例范圍(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

試驗(yàn)用試板為Q345鋼，尺寸為300 mm×100 mm×20 mm；試驗(yàn)用焊機(jī)為唐山松下APNA-AUTO KRⅡ500型晶閘管電源焊機(jī)。

表2 AP-55焊絲堆焊熔敷金屬化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 電弧穩(wěn)定性測試方法

測試設(shè)備為北京工業(yè)大學(xué)與漢諾威大學(xué)合作研制的AH XXⅡ焊接電弧分析儀。使用焊接小車在水平位置行走堆焊，采集焊接過程的電信號(hào)參數(shù)；設(shè)置采樣時(shí)長為每次5 s，電信號(hào)的時(shí)間分辨率為5 μs。采集如下電參數(shù)信息：電弧電壓瞬時(shí)值u(t)、焊接電流瞬時(shí)值i(t)；電弧電壓和焊接電流波形圖、概率密度分布圖；電弧電壓和焊接電流平均值、準(zhǔn)偏差及變異系數(shù)。

1.3 飛濺率測試方法

飛濺率測試試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25776—2010《焊接材料焊接工藝性能評(píng)定方法》。首先將尺寸為200 mm×100 mm×20 mm的試板立放在厚度大于3 mm的紫銅板上；然后在紫銅板上放置一個(gè)約1 mm厚的紫銅薄板，防止飛濺散失，將此薄板圍成高400 mm，周長1 600 mm的圓筒；焊前在試板表面涂上防飛濺液，稱出焊絲重量；將飛濺收集裝置放置在自動(dòng)行走機(jī)構(gòu)上，保持焊槍槍頭不動(dòng)；在水平位置施焊，收集紫銅板上的飛濺顆粒稱重，同時(shí)稱出焊后焊絲的重量。同一焊接參數(shù)下的試驗(yàn)重復(fù)三次。焊接飛濺收集實(shí)物圖和示意圖如圖1所示。

圖1 焊接飛濺收集裝置

飛濺率計(jì)算公式為

式中，η為飛濺率;msplash為飛濺質(zhì)量;mmelt為焊絲熔化質(zhì)量，等于焊前焊絲質(zhì)量與焊后質(zhì)量之差。

2 極性對(duì)電弧穩(wěn)定性的影響試驗(yàn)與結(jié)果

2.1 試驗(yàn)焊接參數(shù)范圍

試驗(yàn)分別通過焊接電流波形圖、焊接電流概率密度分布圖以及焊接電流變異系數(shù)來評(píng)判正反極性對(duì)AP-55焊絲焊接電弧穩(wěn)定性的影響。使用電弧分析儀分析熔滴過渡形態(tài)。結(jié)果表明，預(yù)設(shè)電壓為17～21V時(shí)，熔滴過渡以短路過渡為主，存在部分弧橋并存過渡；預(yù)設(shè)電壓為22～27V時(shí)，熔滴過渡為弧橋并存過渡。文中試驗(yàn)設(shè)計(jì)的焊接規(guī)范見表3。

表3所示的預(yù)設(shè)焊接參數(shù)為AP-55焊絲兩種不同熔滴過渡模式的典型參數(shù)，按照該表所示的焊接規(guī)范施焊，采集焊接過程中的電參數(shù)信息，能較全面反映正反極性對(duì)電弧穩(wěn)定性的影響。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

預(yù)設(shè)焊接參數(shù)U為17～19 V，I為180～190 A時(shí)，正反極性的焊接電流波形圖如圖2所示，焊接電流概率密度分布疊加圖如圖3所示，電弧物理指數(shù)測試結(jié)果如表4所示。

對(duì)比圖2中正反極性的電流波形圖可知，直流反接的電流波動(dòng)較大，存在電流突變區(qū)，直流正接的電流相對(duì)穩(wěn)定，波動(dòng)較小。由圖3可知，直流反接的電流概率密度分布曲線很分散，大電流出現(xiàn)的概率比正接時(shí)大，而直流正接的電流密度分布曲線相對(duì)集中，焊接過程的穩(wěn)定性較高；對(duì)比表4中正反極性電弧物理指數(shù)的測試結(jié)果可知，直流正接和直流反接的電弧電壓變異系數(shù)相差不大，但直流正接的焊接電流標(biāo)準(zhǔn)差比直流反接約低11 A，焊接電流變異系數(shù)約小7%。上述結(jié)果說明，預(yù)設(shè)焊接參數(shù)U為17～19 V，I為180～190 A

表3 電弧穩(wěn)定性試驗(yàn)焊接規(guī)范

表4 電弧物理指數(shù)的測試結(jié)果

圖2 正反極性的電流波形圖

圖3 正反極性的電流概率密度分布疊加圖

時(shí)，AP-55焊絲直流正接的焊接電弧穩(wěn)定性高于直流反接。

預(yù)設(shè)焊接參數(shù)U為24～25 V，I為240～250 A時(shí)，正反極性的焊接電流波形圖如圖4所示，焊接電流概率密度分布疊加圖如圖5所示，電弧物理指數(shù)測試結(jié)果見表5。對(duì)比圖4中正反極性焊接電流波形圖可知，

圖4 正反極性的電流波形圖

圖5 正反極性的電流概率密度分布疊加圖

焊接極性電弧電壓U/V電壓標(biāo)準(zhǔn)偏差ΔU/V電弧電壓變異系數(shù)ρ(%)焊接電流I/A電流標(biāo)準(zhǔn)偏差ΔI/A焊接電流變異系數(shù)λ(%)直流反接24.721.676.75244.8135.9914.70直流正接24.071.586.56250.9725.3710.03

直流反接和直流正接的電流波動(dòng)均較?。挥蓤D5可知，直流反接和直流正接的電流概率密度分布曲線均較集中，但相對(duì)而言，直流正接的電流密度分布更集中；對(duì)比表5中正反極性電弧物理指數(shù)的測試結(jié)果可知，直流正接和直流反接的電弧電壓變異系數(shù)相差不大，但直流正接的焊接電流標(biāo)準(zhǔn)差比直流反接約低10 A，焊接電流變異系數(shù)約小4.7%。上述結(jié)果說明，預(yù)設(shè)焊接參數(shù)U為24～25 V，I為240～250 A時(shí)，AP-55焊絲直流正接的焊接電弧穩(wěn)定性高于直流反接。

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，確定AP-55焊絲直流正接的焊接電弧穩(wěn)定性高于直流反接。

3 極性對(duì)飛濺的影響試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)方案

在研究極性對(duì)飛濺的影響試驗(yàn)中，使用不同的焊接參數(shù)施焊(表6)，收集不同極性下的飛濺顆粒，分別計(jì)算直流正接和直流反接時(shí)的飛濺率，對(duì)比分析極性對(duì)飛濺的影響。

表6 正反極性焊接的飛濺率

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

AP-55焊絲在各預(yù)設(shè)焊接參數(shù)區(qū)間內(nèi)，不同極性焊接的飛濺率如表6所示。從表6可以看出，隨著焊接參數(shù)從18 V/190 A增大至29 V/280 A，直流反接的飛濺率分別為29.10%，24.77%，23.83%，28.43%；而直流正接的飛濺率分別為9.36%，8.77%，8.03%，9.87%，直流反接的飛濺率約為直流正接的3倍。上述結(jié)果說明，在不同焊接參數(shù)施焊時(shí)，直流正接比直流反接焊接產(chǎn)生的飛濺率小。同一參數(shù)正反極性堆焊時(shí)，焊道飛濺情況如圖6所示?？梢钥闯觯绷鞣唇訒r(shí)，焊接飛濺量多，顆粒尺寸較大，且多落在距離焊道中心不遠(yuǎn)的位置，難以清理；而直流正接時(shí)飛濺量少，尺寸小，容易清理。綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，AP-55焊絲直流正接的飛濺小于直流反接。

圖6 正反極性堆焊焊道飛濺情況

4 結(jié) 論

通過對(duì)比全位置自保護(hù)耐磨堆焊藥芯焊絲AP-55正反極性的焊接電弧穩(wěn)定性試驗(yàn)，表明該焊絲直流正接的焊接電弧穩(wěn)定性高于直流反接。

正反極性的焊接飛濺率測試結(jié)果表明，AP-55焊絲直流反接的飛濺率大于直流正接，而且直流反接時(shí)焊接飛濺顆粒尺寸大，難以清理。

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2016-03-21

TG455

許立寶，1990年出生，碩士。主要從事耐磨堆焊藥芯焊絲及其工藝性研究。