薄板焊接用新焊絲.doc

此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系網(wǎng)站刪除 薄板焊接用新焊絲本文詳細(xì)介紹了新型薄板高速焊接用的氣保護(hù)電弧焊（簡(jiǎn)稱GMAW）焊絲特點(diǎn)。電弧焊接機(jī)器人在汽車(chē)工業(yè)的許多焊接工藝中應(yīng)用廣泛。各種復(fù)雜三維形狀的沖壓組件都通過(guò)焊接機(jī)器人焊接，對(duì)這些沖壓件的尺寸精度要求很高。實(shí)際上，沖壓件的尺寸精度如果達(dá)不到要求，就會(huì)造成諸如焊縫根部間隙變化和GMAW（氣保護(hù)電弧焊）焊絲目標(biāo)位置的變動(dòng)。這些變動(dòng)常常會(huì)造成錯(cuò)位或熔穿等焊接缺陷，增加工人修復(fù)缺陷的時(shí)間。高速焊接可以顯著提高工作效率，然而，焊接速度過(guò)快會(huì)造成咬邊、焊縫凸起、焊寬不足等缺陷，也同樣增加焊后缺陷修復(fù)時(shí)間。這些問(wèn)題多數(shù)可以通過(guò)降低焊接速度，確保足夠的焊縫寬度來(lái)解決。然而，當(dāng)考慮效率和成本問(wèn)題時(shí)，這種解決方法就行不通了。解決高速焊接上述問(wèn)題的一種方法是通過(guò)調(diào)整熔透焊縫的形狀：增加焊縫寬度。焊縫寬度增大會(huì)減少焊接不連續(xù)現(xiàn)象，改善焊縫質(zhì)量，尤為適合焊接薄板。焊接質(zhì)量也可以通過(guò)進(jìn)一步減少焊接熔渣實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槿墼鼤?huì)剝離焊縫涂覆層。為了實(shí)現(xiàn)這些要求，日本神戶鋼鐵公司（Kobe Stee）開(kāi)發(fā)了一種新型GMAW焊絲：SEA50FS，焊接時(shí)能形成較寬的焊縫，產(chǎn)生最少的熔渣。公司還研發(fā)了多種方法來(lái)控制它的焊接熔池特性。GMAW焊絲的應(yīng)用采用新型GMAW焊絲所制造的焊縫形狀美觀，熔渣少，非常適合汽車(chē)工業(yè)和電子工業(yè)上薄板（24mm）邊角的搭接接頭和T型接頭的焊接。該焊絲也適用于混合氣體（Ar和CO2）焊接。新型焊絲的設(shè)計(jì)理念焊接熔池粘度低，有利于形成寬焊縫。氧和硫都能顯著地減小熔池金屬的粘度和表面張力。然而，這些元素也對(duì)焊縫產(chǎn)生不利影響。盡管可以通過(guò)在保護(hù)氣中有意識(shí)地添加氧，但添加的氧元素也會(huì)使焊接電弧冷卻和收縮，造成焊接電弧不穩(wěn)定。此外，氧會(huì)與帶有硅、錳等親氧的元素反應(yīng), 生成包含二氧化硅和氧化錳的熔渣排出，大量集聚在焊縫表面。這些熔渣在焊縫表面停留，會(huì)損壞焊縫外觀尺寸和涂覆性能。然而，添加的氧量較少又不會(huì)明顯改善焊縫成形。另一方面，眾所周知硫能增加熱裂紋的敏感性，常被認(rèn)為是雜質(zhì)。因此，應(yīng)盡量避免在GMAW焊絲中添加硫元素。事實(shí)上，傳統(tǒng)的GMAW焊絲都沒(méi)有特意添加硫。但為了更大程度地減少熔池的粘度和表面張力，通過(guò)大量研究在GMAW添加適量的硫也是可行的。新型焊絲的主要特點(diǎn)是它的含硫量約0.06，比傳統(tǒng)的GMAW焊絲高出好幾倍。硫的添加大大減少了焊接熔渣的形成，不像添加氧氣那樣會(huì)增加熔渣量。硫的添加不僅減小了焊縫熔池的粘度和表面張力，而且還提高了熔池的對(duì)流（馬蘭各尼對(duì)流），改變了熔池的性質(zhì)，進(jìn)而獲得各種益處。高溫裂紋敏感性，通常認(rèn)為是添加硫的負(fù)面影響，隨后會(huì)詳細(xì)描述，通常認(rèn)為是兩方面因素影響：1）冶金因素，比如包括硫在內(nèi)的低熔點(diǎn)化合物的分離和析出；2）與凝固有關(guān)的宏觀形態(tài)因素。新型焊絲的設(shè)計(jì)充分考慮了這兩個(gè)因素。如果焊絲只限應(yīng)用于薄板，則它比傳統(tǒng)GMAW焊絲具有更好的抗熱裂敏感性。新型焊絲的特征焊縫形狀采用新型焊絲焊接的焊縫均勻、寬闊、平整，減少了后續(xù)機(jī)加工步驟, 焊縫平滑的端部也降低了應(yīng)力集中。圖1顯示了熔敷高度（H）與焊縫寬度（W）比值（H/W）和電弧電壓之間的關(guān)系。與傳統(tǒng)GMAW焊絲（AWS A5.18 ER70S-6，JIS YGW12）相比，任何電弧電壓下，新型焊絲的H/W比值都更小。H/W比值越小，則焊縫越寬, 焊縫高度越低。此外，采用新型焊絲焊接焊縫時(shí)，即使電弧電壓高于28伏特，也不會(huì)產(chǎn)生咬邊缺陷。而采用傳統(tǒng)的GMAW焊絲在相同的電弧電壓下會(huì)產(chǎn)生咬邊。當(dāng)焊接三維立體工件時(shí)，比如沖壓成形的汽車(chē)板件，焊接電流和電弧長(zhǎng)度會(huì)隨著傳統(tǒng)焊絲干伸長(zhǎng)和目標(biāo)位置的變化而變化。而采用新焊絲焊接時(shí)能避免這些干擾造成的失準(zhǔn)。平滑均勻的焊縫形狀也方便了機(jī)器人示教的環(huán)境設(shè)定。圖2顯示了焊接電流和焊縫寬度之間的關(guān)系，圖示焊接速度為70130cm /min，搭接接頭，板厚1.63.2mm。新型焊絲與傳統(tǒng)GMAW焊絲相比，所制造的焊縫更寬。薄板焊接的一個(gè)重要問(wèn)題是由于電弧力增加造成的熔透不連續(xù)。這種不連續(xù)是由于焊接速度增加造成焊腳長(zhǎng)度不夠，提高的電流又補(bǔ)償了焊腳長(zhǎng)度造成的。擬合根部間隙也需要提高電流，電流增加又會(huì)造成1.6mm厚度以下的鋼板熔穿。但新焊絲形成的焊縫較寬，能提供足夠的焊腳長(zhǎng)度，在小熔敷低電流下也可彌合根部間隙。根部間隙和尺寸偏差圖3顯示了搭接接頭焊縫形狀、焊絲目標(biāo)位置和根部間隙之間的關(guān)系。和傳統(tǒng)GMAW焊絲進(jìn)行比較，新型焊絲容許的根部間隙范圍更寬，即使焊絲目標(biāo)位置稍微有些偏差，也不會(huì)影響焊縫成形。觀察較寬根部間隙的典型搭接接頭焊縫橫截面上，新型焊絲形成的焊縫具有更光滑的根部，且沒(méi)有咬邊，熔渣生成少傳統(tǒng)的GMAW焊絲，熔渣沉積在熔池后部，稀疏分散，固化。而新型焊絲的熔渣首先在電弧附近成球形凝聚，并通過(guò)電弧拖拉，凝聚物逐漸增大并凝固，最終固化在熔池后部。但只有在熔池和熔渣界面的表面張力可控時(shí)才能形成這種熔渣。圖4顯示了固化后的熔渣形貌。傳統(tǒng)的GMAW焊絲，熔渣不均勻分散在焊縫表面，而新型焊絲的熔渣則集中在弧坑部分，很少形成在其它區(qū)域。熔渣的生成可能聚集成土包，形成一個(gè)帶有優(yōu)良焊縫外觀的小區(qū)域。傳統(tǒng)GMAW焊絲（AWS A5.18 ER70S-3或G, JIS YGW17）和新型焊絲相比，傳統(tǒng)GMAW焊絲的熔渣面積比為1/31/5，相對(duì)很低。新型焊絲的熔渣形成可以通過(guò)輕微的敲打移出。焊縫上如果有熔渣殘留會(huì)引起鋼板生銹，影響后續(xù)的鋼板鍍層。鍍層主要是防止焊縫生銹，而熔渣會(huì)將涂層剝離，增加生銹的危險(xiǎn)。新型焊絲的熔渣特性可以防止這一現(xiàn)象發(fā)生。高速可焊性圖5比較了新型焊絲和傳統(tǒng)焊絲的焊接速度和電弧電壓的應(yīng)用范圍。每個(gè)范圍都根據(jù)不同焊接條件和不同的焊絲確定，測(cè)定條件是短路的飛濺數(shù)（少于100次/秒）在接受范圍而且沒(méi)有不規(guī)則焊縫形成，比如咬邊或者焊瘤等缺陷。新型焊絲能夠在高速條件下進(jìn)行焊接，而傳統(tǒng)的GMAW焊絲在高速焊接條件下會(huì)形成焊瘤或過(guò)多短路。同時(shí)，在較低焊接速度下新型焊絲具有較大的電弧電壓范圍。在較高電壓下，新型GMAW焊絲在防止產(chǎn)生咬邊和焊瘤方面尤其有效。圖示結(jié)果顯示即使焊接采用較長(zhǎng)的電弧也能形成優(yōu)良的焊縫。換句話說(shuō)，新型焊絲防止了熔滴過(guò)渡的短路，將飛濺量減小到非常低的水平。圖6比較了新型焊絲和傳統(tǒng)焊絲在150cm/min的高速焊接條件下各自形成的焊接接頭形狀。采用傳統(tǒng)焊絲會(huì)在焊縫起始位置形成焊瘤，而采用新型焊絲的焊縫形狀均勻，未形成焊瘤。焊瘤的形成可能是由于起弧時(shí)熔融金屬電流受擾引起的，這種干擾又被高速焊接進(jìn)一步加強(qiáng)。通常，焊瘤可以通過(guò)起弧時(shí)焊槍前傾一定的角度進(jìn)行預(yù)防。既然采用新型焊絲沒(méi)有焊瘤形成，這樣就避免了機(jī)器人示教的復(fù)雜過(guò)程和詳細(xì)的環(huán)境設(shè)定，進(jìn)一步方便了控制。新型焊絲在焊縫成形方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，它不僅能防止產(chǎn)生咬邊和焊瘤，而且還能防止焊縫形狀凸起、焊縫寬度不足以及焊縫收縮，而這些缺陷在高速焊接時(shí)都存在。這種焊接優(yōu)勢(shì)來(lái)自新型焊絲本身的內(nèi)在特性，能采用較小的熔敷金屬制造較大的焊縫。抗熱裂如前所述，SEA50FS新型焊絲中特別添加了硫（S）。通常，硫能提高熱裂紋的敏感性。因此，在焊接低碳鋼和490MPa高強(qiáng)鋼時(shí)，GMAW焊絲的硫含量通常被限制在0.030以內(nèi)。形成熱裂紋最主要的原因是焊縫金屬凝固過(guò)程中，低熔點(diǎn)相從母材金屬中分離出來(lái)，在液相中形成一條固相線，而固相線不能承受熱變形的拉伸應(yīng)力造成的。如前所述，兩種因素會(huì)影響熱裂紋敏感性：1）冶金因素；2）形態(tài)因素。冶金因素包括低熔點(diǎn)雜質(zhì)元素，比如硫、磷和硼等，在焊縫金屬凝固階段它們會(huì)在晶界上形成固相。添加大量的碳元素可以提高-相的形成，低熔點(diǎn)元素具有較低的溶解性。至于形態(tài)因素，（P/W）形狀比過(guò)大的焊縫具有更大熱裂紋敏感性，其中P代表焊縫厚度，W代表焊縫寬度。從薄板和厚板各自約束力和形狀系數(shù)來(lái)看，薄板具有較低的熱裂紋敏感性。厚板常用加速試驗(yàn)法驗(yàn)證硫元素對(duì)熱裂紋敏感性的影響。如圖7所示, 具有較大的形狀系數(shù)（P/W）的焊縫段度容易引發(fā)熱裂紋。厚板窄剖口焊接時(shí)焊縫層連續(xù)沒(méi)有中斷地形成焊縫。圖8顯示了裂紋率（裂紋長(zhǎng)度/焊縫總長(zhǎng)度）和GMAW焊絲中硫含量的關(guān)系。結(jié)果表明，GMAW焊絲中硫的含量越高，裂紋率就越高。滿足上述各種性能的最小硫含量應(yīng)限制在0.05以內(nèi)。如果采用傳統(tǒng)的GMAW焊絲，這樣的硫含量，通常導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，裂紋率在1120之間。通過(guò)各種元素對(duì)熱裂紋敏感性影響的研究發(fā)現(xiàn)：碳元素比硫、磷和硼熱裂紋敏感性更大。因此，新型焊絲應(yīng)減少碳含量，以減少熱裂敏感性。但碳含量的減少會(huì)使固液共存帶變窄，相的百分?jǐn)?shù)增加，導(dǎo)致硫的溶解率上升。因此，新型焊絲雖然具有較高的硫含量，但裂紋率較低，在0%2之間。商用焊絲也通過(guò)同樣的方式進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果如圖8中A、B和C的顯示（裂紋率4% 11）。如圖8所示，與商用GMAW焊絲相比，新型焊絲具有較小的裂紋率。通常，對(duì)于薄板來(lái)說(shuō)，它的形狀因子比值（P/W）比厚板的形狀因子比值更小。因此對(duì)具有較大的形狀因子（P/W）的樣本專(zhuān)門(mén)進(jìn)行了另一項(xiàng)試驗(yàn)來(lái)評(píng)估熱裂敏感性。在這項(xiàng)測(cè)試中，管道如圖9所示的位置布置。焊接后對(duì)焊縫橫截面目測(cè)檢查裂紋。無(wú)論是傳統(tǒng)的GMAW焊絲，還是新型焊絲在各種測(cè)試條件下都未發(fā)現(xiàn)裂紋。新型焊絲采取了合適的措施防止熱裂紋的產(chǎn)生。從冶金學(xué)角度看，添加的硫元素增加了焊縫的熱裂紋敏感性，但減少碳元素的含量可以彌補(bǔ)這一點(diǎn)。從形態(tài)學(xué)角度說(shuō)，通過(guò)將焊絲只應(yīng)用在薄板單道焊中可以將形狀因子（P/W）保持在較小。焊縫金屬機(jī)械性能熔敷金屬具有足夠的強(qiáng)度，可以