吸煙焊槍在藥芯焊絲CO2氣保焊中的作用

黃 勇, 劉宏宇, 毛 宇, 張佳杰, 王路瑋

(1. 蘭州理工大學(xué) 省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730050; 2. 濟(jì)南諾斯焊接輔具有限公司, 山東 濟(jì)南 250000)

焊接在現(xiàn)代制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，尤其對于熔化極氣體保護(hù)焊，每天都有大量工人利用它進(jìn)行操作生產(chǎn).由于焊接區(qū)溫度很高，焊絲端部、熔滴和熔池表面會(huì)受熱產(chǎn)生金屬蒸氣，經(jīng)氧化冷凝后形成一次粒子.一次粒子通過碰撞凝聚融合成為鏈狀或網(wǎng)狀的二次粒子，從而形成焊接煙塵[1-2].焊接煙塵的擴(kuò)散方式為湍流擴(kuò)散，表現(xiàn)為連續(xù)且孤立的煙團(tuán)不斷轉(zhuǎn)動(dòng)向上和向周圍擴(kuò)散，整體呈現(xiàn)出喇叭口的形狀[3].焊接煙塵的擴(kuò)散必然會(huì)對周圍空間產(chǎn)生污染，從而會(huì)對沒有采取防護(hù)措施的施焊人員以及其他人員的身體健康造成危害.

根據(jù)焊接工藝和材料的不同，焊接煙塵可能包含鐵、錳、鉻、鎳、鋅、鋁、鎘、銅、鉛和錫等元素.其中，碳鋼煙塵主要含有鐵和錳元素，而不銹鋼的則還包括鉻和鎳等元素.錳是一種神經(jīng)毒素，會(huì)引起錳中毒，鉻和鎳是致癌物質(zhì)，會(huì)引起肺癌等疾病[4-6].此外，鋅、銅、鎘、錫等元素，特別是氧化鋅，會(huì)引起以體溫驟升和血液白細(xì)胞數(shù)量增加為主要表現(xiàn)癥狀的電焊煙熱病.長期吸入焊接煙塵，還將會(huì)引起肺部組織纖維化，導(dǎo)致塵肺等職業(yè)病.因此，為了保護(hù)環(huán)境和維護(hù)工人健康，必須采取相應(yīng)的防護(hù)措施.

吸煙焊槍是一種新型的焊接煙塵治理措施，將吸煙系統(tǒng)與傳統(tǒng)焊槍一體化，吸煙口均布于焊槍槍體外圍，除能完成正常的焊接工作，還能同步吸走焊接過程產(chǎn)生的煙塵，從源頭上阻止其向周圍空間的擴(kuò)散.相比于固定工位的吸風(fēng)罩，吸煙焊槍所需要風(fēng)量更小，可降低能耗，節(jié)約成本.尤其重要的是，吸煙焊槍隨焊接過程同步移動(dòng)同步吸塵，可進(jìn)行多位置多場所工作，特別適用于自動(dòng)化和智能化焊接[7].而藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊由于生產(chǎn)效率高、適焊材料廣、綜合成本低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用越來越廣.但相比于采用實(shí)心焊絲，其電弧具有更高能量密度，焊接煙塵發(fā)生量大、毒性高[8]，因此有效降低其煙塵對環(huán)境和人體健康的危害就顯得尤為重要.雖然針對吸煙焊槍的研究已涉及相關(guān)焊槍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、吸煙效率測試和對焊接過程和質(zhì)量的影響等內(nèi)容，但所針對的焊接方法主要是實(shí)心焊絲氣保焊，針對藥芯焊絲的相關(guān)研究則報(bào)道較少[9].

本文采用吸煙焊槍進(jìn)行藥芯焊絲CO2氣保焊，通過與未吸煙時(shí)對比，研究吸煙焊槍的吸煙行為及其對焊接過程和焊接質(zhì)量的影響，重點(diǎn)分析吸煙功率和焊槍傾角等典型工藝因素的影響規(guī)律，這將促進(jìn)吸煙焊槍的研究和應(yīng)用，為我國焊接煙塵治理提供更多途徑.

1 試驗(yàn)方法

焊接母材采用厚度為8 mm的碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235，焊絲采用直徑為1.2 mm的CO2氣保焊用藥芯焊絲CWL E711(相當(dāng)于GB/T 10045-2001中的E501T-1)，焊絲橫截面為O型對接形式，其熔敷金屬的化學(xué)成分為w(C)=0.04%,w(Mn)=1.27%,w(Si)=0.61%,w(S)=0.015%,w(P)=0.010%,Fe為余量.

藥芯焊絲CO2氣保焊試驗(yàn)采用唐山松下的YD-500GR3型號(hào)全數(shù)字IGBT控制MIG/MAG焊接電源，焊槍采用濟(jì)南諾斯焊接輔具有限公司的吸煙焊槍7XE.該焊槍通過軟管與高強(qiáng)吸煙系統(tǒng)Clear O2相連，如圖1所示，有0-10擋吸煙功率可供調(diào)節(jié)，以此得到不同的吸煙強(qiáng)度.焊接過程中，采用相機(jī)+濾光片記錄煙塵擴(kuò)散形態(tài)，采用OLYMPUS公司的i-SPEED 3高速攝像機(jī)拍攝熔滴過渡 過程，拍攝快門速度為15 000 fps.焊接位置為平焊，焊接電流為220 A，焊接電壓為26 V，保護(hù)氣體流量為20 L/min，焊槍移動(dòng)速度為300 mm/min，焊槍噴嘴到工件距離為20 mm.在焊槍與母材垂直施焊的條件下，分別完成吸煙功率為0、5、7、10擋的焊接操作.吸煙功率為5擋、7擋和10擋時(shí)對應(yīng)于風(fēng)速計(jì)測得的吸煙口垂下方10 mm處的氣體流速分別為6.8、7.9、9.3 m/s,0擋時(shí)吸煙功能沒有開啟，相當(dāng)于普通CO2氣保焊過程. 然后，設(shè)定吸煙功率為7擋，通過調(diào)整焊槍傾角為60°和75°進(jìn)行焊接，研究焊槍傾角的影響.焊接完成后，通過對比焊縫表面成形和分析焊接缺陷X射線探傷結(jié)果，評估吸煙對焊接質(zhì)量的影響.X射線探傷按照標(biāo)準(zhǔn)NB/T03.2-2015進(jìn)行：X射線探傷機(jī)型號(hào)為XXG-3005，焦點(diǎn)尺寸3 mm×3 mm，焦距600 mm，管電壓180 kV；膠片為愛克發(fā)C7，尺寸為300 mm×80 mm，底片黑度為2.0～4.5.

圖1 吸煙焊槍與煙吸系統(tǒng)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 吸煙功率的影響

2.1.1煙塵擴(kuò)散形態(tài)吸煙功率為0擋時(shí)，即沒有開啟吸煙，大量焊接煙塵以湍流形式向周圍環(huán)境擴(kuò)散.這與肖詩祥等[3]針對焊條電弧焊建立的煙塵擴(kuò)散模型基本相符，隨著距離發(fā)塵源正上方距離的增加，煙塵分布區(qū)域逐漸增大，濃度和速度逐漸降低.當(dāng)進(jìn)行吸煙時(shí)，由于高強(qiáng)吸塵系統(tǒng)達(dá)到幾千帕負(fù)壓的作用，焊接煙塵呈錐形被吸入焊槍吸煙口，明顯減少了向周圍環(huán)境的擴(kuò)散.并且隨著吸煙功率增加，吸塵系統(tǒng)負(fù)壓增強(qiáng)，焊接煙塵流向吸煙口的速度增大，氣流挺度增強(qiáng)，擴(kuò)散區(qū)域明顯減小，煙塵更加集中地被焊槍吸走，吸煙效果優(yōu)異.尤其是大功率吸煙(7擋和10擋)時(shí)，幾乎未見煙塵飄散到周圍空間中.Norrish等人對幾款帶有吸煙套筒的GMAW焊槍進(jìn)行CFD模擬研究，發(fā)現(xiàn)吸煙速率小時(shí)，吸煙效率低；吸煙速率太大時(shí)，會(huì)破壞保護(hù)氣體對熔池金屬的保護(hù)，對焊接質(zhì)量不利；在一定范圍內(nèi)，吸煙速率與保護(hù)氣體速率的比值越大，吸煙效率越高[10]，這也與本文的試驗(yàn)結(jié)果相一致.

不同吸煙功率下煙塵的擴(kuò)散形態(tài)如圖2所示.

圖2 不同吸煙功率下煙塵的擴(kuò)散形態(tài)

2.1.2焊接電流電壓

不同吸煙功率下焊接電流和焊接電壓的變化情況見表1.通過焊接電流和焊接電壓的方差結(jié)果可以看出，吸煙會(huì)使焊接電流的波動(dòng)略有增加，而焊接電壓比較平穩(wěn)，無明顯波動(dòng)；對焊接電流和電壓的平均值的比較可以看出，吸煙時(shí)的焊接電流相比于未吸煙時(shí)略有降低，這是由于吸煙時(shí)的高速氣流會(huì)對電弧產(chǎn)生冷卻作用，根據(jù)最小電壓原理，電弧發(fā)生收縮，從而導(dǎo)致焊接電流略有下降，焊接電壓稍有增加.在吸煙的情況下,吸煙功率為7擋時(shí)的電流方差較大且大于10擋時(shí)的電流方差，可能由于焊接過程中受到外界空氣的干擾，電流波動(dòng)較大，從而使得電流平均值較小.

表1 不同吸煙功率下的焊接電流電壓變化

2.1.3熔滴過渡行為

不同吸煙功率下的熔滴過渡行為如圖3所示.吸煙功率為0擋時(shí)，即沒有開啟吸煙，熔滴過渡為大滴排斥過渡，如圖3a所示.試驗(yàn)條件下，熔滴過渡時(shí)間為32 ms，其中熔滴長大時(shí)間為28 ms，熔滴飛渡時(shí)間為4 ms.由于采用O型對接形式的藥芯焊絲，焊絲外層鋼皮電流密度大，熔滴在外層鋼皮上長大，并沿著鋼皮進(jìn)行不規(guī)則高速轉(zhuǎn)動(dòng)，最后偏離焊絲軸線過渡到熔池.同時(shí)，焊絲中心的藥芯也發(fā)生熔化，由于焊絲中心溫度低和藥芯熔點(diǎn)高，中心藥芯熔化速度較外層鋼皮熔化慢，且粘度高，在中心形成渣柱進(jìn)行過渡.由于鋼皮內(nèi)的高電流密度，熔滴過熱和蒸發(fā)嚴(yán)重，同時(shí)大滴排斥過渡對熔滴、渣柱以及電弧形成極大擾動(dòng)，使得焊接過程中形成大量煙塵，呈團(tuán)絮狀向周圍空間擴(kuò)散，造成嚴(yán)重污染.

圖3b為吸煙功率為7擋時(shí)的典型熔滴過渡過程，仍然呈現(xiàn)為大滴排斥過渡.與未吸煙時(shí)相比，熔滴過渡過程未見明顯變化，只是過渡頻率稍有增加.值得注意的是，吸煙雖然對熔滴過程未產(chǎn)生明顯影響，但明顯改變了焊接區(qū)域蒸氣和煙塵的流動(dòng)行為，如圖中30 ms時(shí)可以看見焊接煙塵被有效吸走的軌跡.

圖3 不同吸煙功率下的熔滴過渡行為

2.1.4焊縫表面成形和焊接缺陷

焊接完成后的焊縫形貌如圖4所示，四擋吸煙功率下焊縫均成形良好，未發(fā)現(xiàn)任何缺陷，對焊縫表面成形沒有影響.不同吸煙功率下焊縫的X射線探傷結(jié)果如圖5所示，吸煙功率為0擋、5擋、7擋和10擋時(shí)，所有焊縫均未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾渣和裂紋等缺陷，吸煙對焊縫質(zhì)量沒有明顯影響.如前所述，吸煙雖然影響了保護(hù)氣體和焊接煙塵流動(dòng)，但以上檔位吸煙功率未破壞保護(hù)氣體和焊接熔渣對熔池金屬的保護(hù)，所以可以得到表面成形良好和無缺陷的焊縫.

圖4 吸煙功率對焊縫表面成形的影響

圖5 吸煙功率對焊接缺陷的影響

2.2 焊槍傾角的影響

2.2.1煙塵擴(kuò)散形態(tài)

吸煙功率保持7檔不變，焊槍傾角變化時(shí)焊接煙塵的擴(kuò)散形態(tài)如圖6所示.焊槍傾角為60°和75°時(shí)，大量焊接煙塵都沿著焊槍軸線方向被吸入焊槍，大幅減少了向周圍環(huán)境的擴(kuò)散.被吸入煙塵的整體擴(kuò)散形態(tài)類似于錐形，偶爾有個(gè)別煙團(tuán)未被吸煙焊槍吸入，擴(kuò)散到空氣中，如圖6a所示.而當(dāng)焊槍垂直于母材時(shí)，如圖2c，幾乎未見焊接煙塵飄散到周圍空間.由此可見，焊槍傾斜時(shí)吸煙口相對于發(fā)塵源的位置發(fā)生變化，而距離焊槍前端較遠(yuǎn)處的部分煙塵的擴(kuò)散路徑仍然向上，并未經(jīng)過吸煙焊槍，這有別于焊槍垂直于母材時(shí)的情況，其吸煙口的負(fù)壓對這部分煙塵擴(kuò)散行為的影響降低，使得吸煙焊槍的吸煙效率有所下降.

2.2.2熔滴過渡行為

焊槍傾角為75°時(shí)的熔滴過渡行為如圖7所示，熔滴過渡形式依然為大滴排斥過渡，相比于焊槍垂直于母材時(shí)，熔滴過渡頻率沒有明顯變化.此外，能清晰地看出煙塵擴(kuò)散軌跡，26 ms時(shí)產(chǎn)生了一焊接煙團(tuán)，該煙團(tuán)隨著周圍氣體的環(huán)流逐漸向上擴(kuò)大并分散，最終流向焊槍吸煙口.由于焊槍傾斜于熔池表面，部分焊接煙塵在電弧等離子流的作用下，向前向上擴(kuò)散，逐漸遠(yuǎn)離焊槍，少量沒能返回并吸入焊槍吸煙口.

圖7 焊槍傾角對熔滴過渡的影響

2.2.3焊縫表面成形和焊接缺陷

焊槍傾角為60°和75°時(shí)，焊縫表面形貌如圖8所示，焊縫均成形完好，沒有明顯的表面缺陷.60°和75°焊槍傾角下焊縫的X射線探傷結(jié)果如圖9所示，所有焊縫均未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾渣和裂紋等缺陷，吸煙對焊縫質(zhì)量沒有明顯影響.在以上焊接參數(shù)的情況下，吸煙過程并沒有破壞保護(hù)氣體和焊接熔渣對熔池金屬的保護(hù)作用，從而焊接過程較穩(wěn)定，得到了表面成形良好和無缺陷的焊縫.

圖8 焊槍傾角對焊縫表面成形的影響

圖9 焊槍傾角對焊接缺陷的影響

3 結(jié)論

1) 采用吸煙焊槍進(jìn)行藥芯焊絲CO2氣保焊時(shí)，焊接煙塵被有效地吸入吸煙焊槍，被吸入的焊接煙塵整體呈錐形，吸煙效果良好，能從源頭上阻止焊接煙塵的擴(kuò)散. 隨著吸煙功率的增加，被吸入的焊接煙塵氣流挺度增大，吸煙效果隨之增強(qiáng).

2) 不同吸煙功率情況下，熔滴過渡形式均表現(xiàn)為大滴排斥過渡，吸煙使得熔滴過渡頻率稍有增加，焊接電流有所波動(dòng).在不同吸煙功率下均能得到表面成形良好和無缺陷的焊縫.

3) 吸煙焊槍傾斜時(shí)，熔滴過渡形式依然為大滴排斥過渡.焊槍傾斜對熔滴過渡形式無明顯影響，但使得吸煙效率略有降低.當(dāng)焊槍傾角為60°、75°和90°時(shí)，均能得到表面成形良好和無缺陷的焊縫.