氣體保護(hù)藥芯焊絲電弧焊參數(shù)對低碳鋼焊縫寬度和焊縫金屬的拉伸性能的影響

1、應(yīng)用科學(xué)學(xué)報10（8）:658 - 663，2010ISIN代碼1812-5654 2010亞洲網(wǎng)絡(luò)科學(xué)信息氣體保護(hù)藥芯焊絲電弧焊參數(shù)對低碳鋼焊縫寬度和焊縫金屬的拉伸性能的影響材料工程系，塞姆南大學(xué)，塞姆南，伊朗摘要：一般來說，焊接接頭質(zhì)量的在焊接過程中很大程度上受到焊接參數(shù)的影響。為了實現(xiàn)高品質(zhì)焊接，幾何形狀和焊件的機(jī)械性能應(yīng)得到準(zhǔn)確的分析。本研究對焊縫寬度，對接焊縫金屬力學(xué)性能，各種藥芯焊絲電弧焊焊接參數(shù)影響下的實驗結(jié)果進(jìn)行了分析。在現(xiàn)代焊接工藝中，焊接電流，電壓和焊接速度被選擇作為可變參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)在工業(yè)中的普遍情況，低碳鋼的焊接中有很多焊接參數(shù)可以參照那些可變參數(shù)。在所有的試驗中焊接電流

2、分別選為240安培、280安培、320安培，電弧電壓分別選為26伏特,30伏特和34伏特及焊接速度分別選為40厘米每分，50厘米每分和60厘米每分。這項研究有助于提高根據(jù)焊縫的幾何形狀和焊縫拉伸性能而選擇焊接工藝參數(shù)的準(zhǔn)確性。關(guān)鍵詞：藥芯焊絲電弧焊，焊接參數(shù)，焊縫寬度，屈服強度，抗拉強度，熱輸入。簡介 就像氣體保護(hù)焊，藥芯焊絲電弧焊焊接也是使用連續(xù)送絲填充金屬熔池的過程。然而，在這個過程中，所提供的保護(hù)是在其內(nèi)部的管狀電極載流量。正是這種助焊劑，創(chuàng)建了一個對焊接渣，形成保護(hù)層，防止任何雜質(zhì)進(jìn)入的。額外的氣體也可以起到保護(hù)的作用。 藥芯焊絲電弧焊是氣體保護(hù)焊在不斷的發(fā)展中演變過來的。在不同的保護(hù)

3、氣體的實驗中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了在從一個管狀的電極所提供的二氧化碳保護(hù)氣體解決了以前遇到的問題。到1957年，電極和設(shè)備經(jīng)過了提煉和改造，并且以下兩種焊接已經(jīng)在市場中推出，自我保護(hù)藥芯焊絲電弧焊及氣體保護(hù)藥芯焊絲電弧焊。金屬傳輸模式可以很好的說明金屬是如何從電極過渡到工件上的。以下是金屬氣體保護(hù)焊傳輸模式：短路過渡，熔滴過渡，射流過渡，脈沖噴霧。該模式本身包含了許多因素，焊接電流，極性電極直徑，電極組成，電極的延伸，保護(hù)氣體都是變量，直接影響到金屬傳輸模式類型。短路過渡：短路發(fā)生過渡時，電極與熔池接觸。金屬不通過電弧轉(zhuǎn)移到對面工件上。該熔池和電極在每秒20至200次的范圍內(nèi)接觸。在傳輸模式中，短路發(fā)生

4、在目前的最低范圍內(nèi)。由于其快速冷凍熔池，在行業(yè)中運用該模式一般需要加入薄片在焊接位置的外側(cè)，和橋口根部的大開口處。 熔滴過渡：就像它的名字所看到的一樣，熔滴過渡涉及的大型“水珠”狀熔滴的過渡，或熔化金屬滴形式轉(zhuǎn)移到對面的弧消耗電極。所產(chǎn)生的下降的熔滴很大程度上受到重力的影響，限制了這種模式應(yīng)用到平面位置的情況。對過渡的四個現(xiàn)象中，熔滴過渡一直被認(rèn)為是最不可取的，因為它傾向產(chǎn)生高熱，在一個焊縫表面產(chǎn)生飛濺。一個比較經(jīng)濟(jì)的利處是它能夠產(chǎn)生高的沉積速率。這種技術(shù)需要更高的焊接電流。 射流過渡：在這種模式中，從消耗電極熔化的金屬噴涂，或推動整個弧，用小液滴的形式噴射。這種模式要求DCEP的使用，以及使

5、用直流正電極，電流值高于目前最高臨界值（170A）。由于電弧的拉力，克服了液滴重力。因此，這個過程可以用在任何特定條件下的焊接位置。這種模式降低了飛濺，提高沉積速率，減少焊后清理。由于這些原因，汽車行業(yè)更喜歡運用這種模式。 脈沖噴霧：脈沖噴霧是由動力來源實現(xiàn)，這種動力來源產(chǎn)生兩種現(xiàn)象。前一個是保持水平不變，維持電弧，造成液滴形成電極上的一頭。第二個是電流疊加脈沖振幅超過臨界值時，使得其形成噴霧模式，達(dá)到更大的電流。與噴射過渡的優(yōu)點相類似，其中包括更多的控制以防止失真，減少工件熱輸入而提高焊接質(zhì)量。 選擇正確的焊接方法和焊材是任何一個工程上保證最大成功的基礎(chǔ)要素。如果不懂得關(guān)鍵特性和各種不同選擇

6、所帶來的益處，就不能做出最終的決定。氣體保護(hù)藥芯電弧焊獨特的連續(xù)工藝使其能不斷的應(yīng)用在各種工業(yè)部門的鋼材裝配焊接上。例如包括建筑結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)工程，海上結(jié)構(gòu)和管道。這些行業(yè)利用該工藝達(dá)到所需的焊接質(zhì)量和焊接穩(wěn)固性，而在焊接過程中不需要在使用外部氣體的保護(hù)。由此提供了高效率連續(xù)送絲焊接的優(yōu)點。簡單來說，氣體保護(hù)藥芯電弧焊接結(jié)合了焊條電弧焊的柔性和熔化極氣體保護(hù)焊高生產(chǎn)率的特點。因而，在氣體保護(hù)焊不易實現(xiàn)和成本高的情況下氣體保護(hù)藥芯電弧焊還是和合乎使用的。近年來為滿足更好的結(jié)構(gòu)設(shè)計并提供更高的焊接性能，制造商和焊接制造業(yè)需要發(fā)展創(chuàng)新的方法來維持生產(chǎn)力的優(yōu)勢，而氣體保護(hù)藥芯電弧焊正提供了在那些情況下

7、的應(yīng)用。 藥芯焊絲電弧焊工藝在試驗階段使用的是一個完全自動化的過程，其中焊接電極通過導(dǎo)線管不斷向焊縫區(qū)輸入電流。助焊劑材料是在管芯。管子的外殼通過產(chǎn)生的電力來形成電弧，然后在消耗的過程中成為填充金屬（阿羅萊爾等，2006）。最近的研究表明（易卜拉欣和石海特，1999，2000;薩迪克等，2001），在現(xiàn)有的焊接技術(shù)中藥芯焊絲電弧焊相對于使用如手工金屬電弧焊接（MMAW）和實心導(dǎo)線氣體金屬電弧焊接（氣體保護(hù)焊）有許多優(yōu)勢。為預(yù)測變量對焊接工藝焊縫幾何形狀和質(zhì)量的影響，研究人員使用了不同的技術(shù)（本尼昂絲等人，2005年，B組;薛等人，2005年;科雷亞等人，金等人，2002年，2003年,2005

8、年;莊和林堂，2002年）。 薛等人（2005年）提出機(jī)器人弧焊過程模糊回歸建模方法的可能性。高強度低合金牌號（低合金高強度）鋼邊緣區(qū)的焊接參數(shù)優(yōu)化以產(chǎn)生最大焊縫滲透是由穆斯塔法和海吉威（2006年）研究。帕拉尼和穆盧干（2007年）優(yōu)化了工藝參數(shù)，在藥芯焊絲電弧焊過程中獲得所需的幾何形狀和焊縫不銹鋼稀釋層。另外，派克等人研究在高壓鋼焊縫實驗中藥芯焊絲電弧焊熱輸入對熱裂和韌性的影響。（2008年）。貝拉蘇布萊梅尼和古哈（1999年）就焊接大小對藥芯焊絲電弧焊焊縫十字接頭的疲勞壽命的影響進(jìn)行了研究。由于使用應(yīng)變能密度因子（SEDF）而導(dǎo)致透不足（LOP）缺陷。然而，拉伸低碳鋼藥芯焊絲電弧焊現(xiàn)有文

9、獻(xiàn)中對焊接接頭焊縫寬度的研究中對此現(xiàn)象有很多重要的解釋。本研究的目的是分析工藝參數(shù)之間的關(guān)系，如在藥芯焊絲電弧焊中焊縫幾何形狀和拉伸性能的關(guān)系。 材料與方法 根據(jù)在行業(yè)中的應(yīng)用，焊接參數(shù)組合為低含碳0.17和含錳1.21的鋼準(zhǔn)備。為了研究焊接參數(shù)對焊縫熔寬的影響，將75x60x10毫米大小的金屬板標(biāo)本作為基礎(chǔ)來提供一個單一的對接裝置。 此外，在本研究拉伸試樣中準(zhǔn)備了25毫米厚度的板，并且被分為35份，每塊板將被放置來提供一單V型槽對接配置槽角。槽內(nèi)是1mm，而槽外是25mm。百分之百采用二氧化碳作為保護(hù)氣體以保護(hù)熔池。此外，填充在1850藥芯焊絲電弧焊自動焊接機(jī)的藥芯焊絲在電流為0 - 550

10、A和電壓為0 - 45V的范圍內(nèi)工作應(yīng)該采用直徑為1.6毫米的金屬線（AWS中的分類為E70T5）。為了盡量減少焊接變形，實驗測試板在焊接操作前應(yīng)確定好位置。在這項研究中變量選擇焊接電流（240安培，280安培，320安培），電弧電壓（26伏特，30伏特,34 伏特）和焊接速度（40厘米/分，50厘米/分，60厘米/分），但是，像送絲速度，電弧距離，力矩等參數(shù)分別固定為8米/分，2.5毫米和15度。 焊接工藝后，在不同焊接條件下得到了測量后焊件的寬度，以評估焊接參數(shù)對焊縫幾何形狀的影響。此外，根據(jù)圓柱拉伸試件，焊件準(zhǔn)備了符合ASTM E8M - 05準(zhǔn)則的直徑為12.5毫米和軌距長度為62.5

11、毫米的焊件。拉伸試驗由20千牛達(dá)德克試驗機(jī)進(jìn)行，采用在歐哈巴福山有限公司制備的樣品并在2009年期間在伊朗的塞姆南大學(xué)進(jìn)行了測試。圖1結(jié)果與討論進(jìn)行了不同的電弧電壓，焊接電流和焊接速度相結(jié)合的實驗，通過實驗，焊縫寬度，UTS和焊縫屈服強度受到焊接參數(shù)影響的影響情況已經(jīng)全部得出結(jié)論。 對焊縫寬度有影響的工藝參數(shù)：產(chǎn)生焊接效應(yīng)的電流，電弧電壓和焊接速度對焊縫寬度在圖1 3中可以分析得到以及結(jié)果已載于表1。圖1a - C中，因為電弧電壓和焊接速度為固定的28 V和55厘米每分，焊縫寬度變化在焊接電流值分別為240A，280A，320A時不同，從圖1和表1中可以看出，隨焊接電流從240A升到320 A

12、焊縫寬度從15毫米顯著下降到8毫米，這一現(xiàn)象與文獻(xiàn)（坎南和穆盧干，2006年）相矛盾。見圖，第2A - C中，焊接電流和焊接速度被設(shè)定為300A和55厘米/分鐘。電壓在34伏特和26伏特時，分別觀察到最大和最小寬度值得為17毫米和9毫米。因此，可以清楚地觀察到，隨電弧電壓從26V到34 V焊縫寬度逐漸增加。見圖，第3A - C中，焊接電流和電弧電壓分別確定為300伏特和28伏特。結(jié)果最大寬度值為15毫米，速度為40厘米/分鐘，同時最小寬度值為7毫米時的速度為50厘米/分鐘。焊接速度的增加達(dá)到一定值時，焊縫寬度開始減小，這是與文獻(xiàn)（坎南和穆盧干，2006年）中敘述相同，在本研究中，到達(dá)一定的速度

13、為50厘米/分鐘后這點焊縫寬度開始再次升高。結(jié)果清楚地表明，某些配置圖中還有不完整的寬度。在1C號，2A和3B中，在這些樣品中寬度值低于其他的焊接條件，使圖1C號，2A和3B中不適合獲得良好的焊縫。圖第1B，2B和3C有分析得出似乎是最佳配置。寬度在這些樣品中是良好的，完整的。過寬也是不必要的，只會導(dǎo)致材料的浪費，成本上升和生產(chǎn)重量增加的結(jié)果。這些都是意外的情況件，因此必須防止過度加寬。圖2 圖3 對焊縫拉伸性能影響的工藝參數(shù)為：對UTS焊接電流，電弧電壓和焊接速度和焊縫屈服強度的影響被顯示在圖中。由悉尼科技大學(xué)研究中，圖4-5清楚地表明了焊接電流增加到240A或320A電弧電壓增加到26V至

14、34 V焊件的屈服強度顯著下降。由悉尼科技大學(xué)提供的圖6中表明，焊接速度提高到40毫米/分鐘到60毫米/分鐘焊縫屈服強度增加。根據(jù)焊縫區(qū)的觀察，觀察到微觀結(jié)構(gòu)變化，表明這種焊件的抗拉強度和屈服強度時增加的。根據(jù)公式1，藥芯焊絲電弧焊焊接工藝參數(shù)變化和其帶來的焊接熱輸入的變化的關(guān)系：其中 :H = 熱輸入 (KJ/mm) E = 電弧電壓 (volts) I = 焊接電流（amp.） S = 焊接速度 (mm/min)改變熱輸入通常會影響焊縫的機(jī)械性能和金相組織。熱輸入影響焊縫的冷卻速度。公式2給出了預(yù)熱溫度，熱輸入和冷卻速率（凡德伯克，1999年）的關(guān)系。這兩個變量（熱輸入，預(yù)熱溫度）進(jìn)行相互

15、作用，還有其他如材料的厚度，比熱，密度和熱導(dǎo)率等也影響了冷卻速度。圖4圖5圖6其中: R = 冷卻速度 (C/sec) T. = 預(yù)熱溫度 (C) H = 熱輸入 (KJ/mm)冷卻速度是決定最終的微觀結(jié)構(gòu)和焊縫金屬的機(jī)械性能的主要因素。由于無論是熱輸入的增加，對于一個給定的焊接金屬（凡德伯克，1999），冷卻速度的降低還是導(dǎo)致了形成馬氏體成對的階段，提高了焊縫區(qū)組織粗化體積分?jǐn)?shù)。各工藝焊接熱輸入和拉伸性能的關(guān)系，可以方便的從文獻(xiàn)（凡德伯克，1999年）中得知。在焊接電流為240A和焊接電壓為28 V和焊接速度55厘米/分鐘的條件下UTS和本研究中焊縫屈服強度最高值分別為520.2兆帕斯卡和357兆帕斯卡。 結(jié)論 根據(jù)低碳鋼板自動焊接所取得的成果： 1：隨著電壓或藥芯焊絲焊弧- G的焊接電流的增大抗拉強度和屈服強度有明顯的減小，但焊件的焊接速度對拉伸性能的影響相對于其他參數(shù)是相反的。當(dāng)焊接速度增加，焊縫強度也隨之增加。 2：焊縫寬度從15毫米下降到8毫米，焊接電流增加到240A和320A之間。在焊接中，當(dāng)前的最佳條件為：280A的焊接電流。 3：焊縫寬度從9毫米增加到17毫米，則焊接電壓要增加到26V到34V。最佳的焊接電壓為30V。 4：隨著焊接熔寬減小焊接速度可達(dá)50厘米/分，這點后開始再度增加。最大的焊縫寬度為15毫米，同時焊接速度為4