CO2氣體保護藥芯焊絲送絲性能評價及其研究

任軍，陳晨，佘應堂

1．江蘇大西洋焊接材料有限責任公司 江蘇啟東 226200

2.四川大西洋焊接材料股份有限公司 四川自貢 643000

3.自貢大西洋焊絲制品有限公司 四川自貢 643000

1 序言

CO2氣體保護藥芯焊絲因其具有焊接工藝性能佳、電弧穩定、飛濺少、脫渣容易、焊縫成形美觀、全位置焊接工藝性能優良，以及熔敷速度高等優點，且能實現自動化或半自動化焊接，使其廣泛應用于各種級別高強鋼結構的焊接，以及船舶、機械制造、容器、石油化工及橋梁等鋼結構的焊接。隨著藥芯焊絲使用范圍的不斷擴大，使用場景和要求不斷增多，用戶對藥芯焊絲的工藝性能不斷提出更高的要求。在長期的生產過程中，客戶時常向我們反饋各個廠家焊絲的送絲性能有差距。送絲性能差的焊絲在焊接過程中容易阻塞卡斷，導致焊縫成形效果差，降低生產效率，若是出現在關鍵焊縫處甚至可能產生缺陷，導致工件損傷，造成較大的經濟損失[1，2]。為了對焊絲的送絲性能優劣進行科學且直觀的判斷，對焊接過程中影響藥芯焊絲送絲能力的4個方面（焊接電流、電弧電壓、送絲阻力與送絲速度）進行檢測并采集數據。通過對采集的數據進行分析，量化判斷焊絲的送絲性能，并對不同送絲性能焊絲的合縫和表面形態進行對比，分析藥芯焊絲送絲性能的影響因素。

2 試驗材料與方案

藥芯焊絲分為兩種類型，即有縫型和無縫型。有縫型藥芯焊絲制造工藝有鋼帶法和盤圓法兩種；無縫型藥芯焊絲制造工藝有鋼管法和在線焊合法兩種。鋼帶法相較其他幾種制造工藝，具有生產技術成熟、生產效率高、生產成本低的優勢，因而被眾多藥芯焊絲生產廠商采用。在鋼帶法工藝的實際生產過程中，藥芯焊絲會經過軋制和拉拔工序[3]。由于軋輥和模具經過長時間的使用后會出現變形和磨損，因此會導致藥芯焊絲的圓度、線徑偏差變大，鋼帶對接邊不平整，甚至出現焊絲表面劃傷現象，這些問題都會使藥芯焊絲送絲性能變差。為了對藥芯焊絲送絲性能進行量化評價，通過試驗檢測設備檢測藥芯焊絲在焊接過程中的焊接電流、電弧電壓、送絲阻力和送絲速度，并對檢測數據進行分析。

試驗中的焊接材料選用江蘇大西洋焊接材料有限責任公司（以下簡稱江蘇大西洋）生產的兩個不同批次、焊絲φ1.2mm的E71T-1C產品，另外選擇用戶反饋送絲良好的外資品牌φ1.2mm的E71T-1C產品，將焊接電流設置為220～240A，電弧電壓設置為27～29V，CO2保護氣體流量控制為15～18L/min，將焊絲伸出長度控制為15～20mm，整個試驗過程中不調整送絲輪壓緊力。E71T-1C藥芯焊絲焊接過程中的焊接電流、電弧電壓、送絲速度及送絲阻力，通過德國GEO公司生產的焊絲焊接測試裝置進行測試。如圖1所示，線盤上的焊絲被旋轉輥引導，以確保焊絲能準確地進入驅動輥的溝槽。驅動輥被安裝在懸掛的鉸接板上，焊絲向前運動時使鉸接板向后做旋轉運動，并施加一個與力傳感器的送絲力相等的壓力功率，以牛頓為單位顯示在控制箱上。

圖1 焊絲焊接測試裝置

3 試驗結果與分析

3.1 送絲試驗和數據分析

分別對3組E71T-1C焊絲進行2次焊接試驗，通過對焊接過程進行監控和測試，顯示焊絲的送絲阻力F、焊接電流I、電弧電壓U、送絲輥前的焊絲速度s2和焊接處的焊絲速度s3。其中，焊絲1和焊絲2為江蘇大西洋生產的E71T-1C藥芯焊絲，焊絲3為外資品牌的E71T-1C藥芯焊絲。3組焊絲的實時焊接記錄波形如圖2～圖4所示（因版面限制，波形圖僅截取部分）。對焊接記錄波形圖中的數據進行統計，并對統計結果進行對比分析，3組焊絲試驗測試數據見表1～表3。由表1～表3可知，焊絲3的實際送絲情況最好，焊絲1次之，焊絲2最差。

從圖2～圖4可看出，在焊接過程中E71T-1C藥芯焊絲的送絲阻力值在一個范圍內波動，不同焊絲送絲阻力的波動幅度不同，且不同焊絲的阻力值差異巨大。在焊接電流、電弧電壓的波動幅度不大，且基本一致的情況下，3組焊絲的送絲阻力明顯不同。送絲速度s2波動幅度不大，送絲速度s3的波動幅度不僅明顯大于s2的波動幅度，而且送絲速度s3的標準差比s2大，說明焊絲在送絲輥前的速度是較為平穩的，而焊接處的送絲速度s3波動較大，速度不穩定，且與觀測到的實際焊接過程中的送絲狀態表現一致。因此，焊接處的送絲速度s3能直觀地反應焊絲送絲性能的優劣。送絲阻力、焊接電流、電弧電壓、送絲速度s2和s3不僅相互關聯，而且存在對應的關系。從圖3中焊絲2-1可明顯地看出其中的對應關系，在一段焊接時間內送絲阻力波動增大，并且3組焊絲的焊接電流都在220～240A之間，變化不大，標準偏差相近；電弧電壓都在27～29V之間，變化不大，標準偏差相近，對應時間段內的焊接電流、電弧電壓、送絲速度s2和s3都出現了明顯波動，其中送絲速度v3波動最為劇烈。

圖2 焊絲1的實時焊接記錄波形

圖3 焊絲2的實時焊接記錄波形

圖4 焊絲3的實時焊接記錄波形

從圖2～圖4、表1～表3可看出，3組焊絲分兩次測量送絲阻力，相差不大，焊絲1兩次測試的平均阻力分別為10.330N、10.473N，焊絲2兩次測試的平均阻力分別為12.182N、11.335N，焊絲3的兩次測試的平均阻力分別為17.701N、16.553N。本次試驗中自產的兩個焊絲配方相同且采用同一生產工藝制造，對比樣品的生產工藝也基本相同，而測試出來的送絲阻力存在較大差異，測試的最大送絲阻力與最小的相差7.371N，送絲阻力的波動超過50%。3組焊絲測量的送絲速度s2為9.246～9.388m/min，標準偏差為0.25～0.33，說明送絲輥前的送絲速度穩定。從表1和表3可看出，送絲速度s2和s3的極值相差不大，但是送絲速度s3波動程度明顯大于送絲速度s2。從圖2a、圖2b和表2可看出，送絲速度s3波動劇烈，且標準偏差達到1～1.27，送絲性能較差。本試驗中，將3組焊絲的送絲阻力進行對比，焊絲1最小，焊絲2居中，焊絲3最大，且3組焊絲的標準偏差也是依次增大，由此可知，送絲阻力也不能作為判斷焊絲送絲性能優劣的依據。綜上所述，焊絲送絲阻力不能客觀評價藥芯焊絲的送絲性能，而通過測量焊接處的送絲速度s3能夠有效地評價藥芯焊絲的送絲性能。

表1 焊絲1送絲試驗測量數據

表2 焊絲2送絲試驗測量數據

表3 焊絲3送絲試驗測量數據

3.2 藥芯焊絲的合縫與焊絲表面分析

由于藥芯焊絲的送絲性能受焊絲表面質量、焊絲合縫情況和縫口的影響較大[4，5]，所以采用放大鏡對3組焊絲截面的形狀和焊絲縫口狀態進行觀察，如圖5所示。

圖5 焊絲縫口和焊絲截面

通過放大鏡對3組藥芯焊絲的截面和縫口進行觀察，3組藥芯焊絲合縫處的鋼帶平整，無明顯的錯邊，鋼帶對接情況規則，縫隙寬度大小合適，說明3組焊絲的合縫情況良好；焊接截面顯示焊絲填充藥粉均勻，鋼帶壁厚均勻，焊絲圓度良好，與樣品焊絲的合縫和封口基本無差別。由此說明，江蘇大西洋生產的E71T-1C藥芯焊絲的合縫和縫口質量良好，同時證明這兩個方面不是影響E71T-1C藥芯焊絲送絲性能的主要因素。

排除焊絲合縫和縫口兩個因素，對焊絲的表面質量進行觀測，在相同放大倍數下拍攝照片，焊絲的表面形態如圖6所示。由圖6可看出，焊絲3的表面平整度最好，表面的的微觀劃痕少且淺，焊絲1次之，焊絲2的劃痕最重，劃痕密集且劃痕的寬度大。與測試焊絲的送絲性能結果進行對照比較，發現影響E71T-1C藥芯焊絲送絲性能的主要因素是焊絲的表面質量。

圖6 焊絲表面形態

藥芯焊絲在生產過程中由于軋輥、模具產生不均勻磨損，或藥芯焊絲成形設備和拉絲設備有抖動時，都會對焊絲的表面質量造成影響。因此在藥芯焊絲生產中，拉拔潤滑劑充填在模具和焊絲之間，降低它們之間的摩擦系數，減小模具的磨損，使拉拔更加流暢。良好的潤滑劑應使焊絲在成形、拉拔過程中潤滑良好，模具的磨損變小，且在焊絲表面附著均勻，能改善焊絲表面質量。為了提高和保障藥芯焊絲的送絲性能，必須對藥芯焊絲生產過程中的軋輥、模具、設備、生產工藝進行全方位的控制，才能有效地提高和保障藥芯焊絲的送絲性能。

4 結束語

通過測量3組焊絲的送絲阻力、焊接電流、電弧電壓與送絲速度，并對焊絲合縫、縫口和焊絲表面微觀狀態進行分析，得到如下結論。

1）通過測量焊絲的送絲阻力，不能客觀評價藥芯焊絲的送絲性能，而通過測量焊接處的焊絲速度波動，可有效地評價藥芯焊絲的送絲性能，并與實際相符合。

2）焊絲表面微觀狀態是影響藥芯焊絲送絲性能的關鍵，表面平整度好、微觀劃痕少的焊絲送絲性能良好。在嚴格控制藥芯焊絲生產工藝，確保E71T-1C藥芯焊絲合縫情況良好，合縫縫隙大小合適，焊絲圓度良好，以及線徑符合標準的情況下，焊絲表面的微觀形態是影響焊絲送絲性能的關鍵因素。