CO2气体保护药芯焊丝送丝性能评价及其研究

任军，陈晨，佘应堂

1．江苏大西洋焊接材料有限责任公司 江苏启东 226200

2.四川大西洋焊接材料股份有限公司 四川自贡 643000

3.自贡大西洋焊丝制品有限公司 四川自贡 643000

1 序言

CO2气体保护药芯焊丝因其具有焊接工艺性能佳、电弧稳定、飞溅少、脱渣容易、焊缝成形美观、全位置焊接工艺性能优良，以及熔敷速度高等优点，且能实现自动化或半自动化焊接，使其广泛应用于各种级别高强钢结构的焊接，以及船舶、机械制造、容器、石油化工及桥梁等钢结构的焊接。随着药芯焊丝使用范围的不断扩大，使用场景和要求不断增多，用户对药芯焊丝的工艺性能不断提出更高的要求。在长期的生产过程中，客户时常向我们反馈各个厂家焊丝的送丝性能有差距。送丝性能差的焊丝在焊接过程中容易阻塞卡断，导致焊缝成形效果差，降低生产效率，若是出现在关键焊缝处甚至可能产生缺陷，导致工件损伤，造成较大的经济损失[1，2]。为了对焊丝的送丝性能优劣进行科学且直观的判断，对焊接过程中影响药芯焊丝送丝能力的4个方面（焊接电流、电弧电压、送丝阻力与送丝速度）进行检测并采集数据。通过对采集的数据进行分析，量化判断焊丝的送丝性能，并对不同送丝性能焊丝的合缝和表面形态进行对比，分析药芯焊丝送丝性能的影响因素。

2 试验材料与方案

药芯焊丝分为两种类型，即有缝型和无缝型。有缝型药芯焊丝制造工艺有钢带法和盘圆法两种；无缝型药芯焊丝制造工艺有钢管法和在线焊合法两种。钢带法相较其他几种制造工艺，具有生产技术成熟、生产效率高、生产成本低的优势，因而被众多药芯焊丝生产厂商采用。在钢带法工艺的实际生产过程中，药芯焊丝会经过轧制和拉拔工序[3]。由于轧辊和模具经过长时间的使用后会出现变形和磨损，因此会导致药芯焊丝的圆度、线径偏差变大，钢带对接边不平整，甚至出现焊丝表面划伤现象，这些问题都会使药芯焊丝送丝性能变差。为了对药芯焊丝送丝性能进行量化评价，通过试验检测设备检测药芯焊丝在焊接过程中的焊接电流、电弧电压、送丝阻力和送丝速度，并对检测数据进行分析。

试验中的焊接材料选用江苏大西洋焊接材料有限责任公司（以下简称江苏大西洋）生产的两个不同批次、焊丝φ1.2mm的E71T-1C产品，另外选择用户反馈送丝良好的外资品牌φ1.2mm的E71T-1C产品，将焊接电流设置为220～240A，电弧电压设置为27～29V，CO2保护气体流量控制为15～18L/min，将焊丝伸出长度控制为15～20mm，整个试验过程中不调整送丝轮压紧力。E71T-1C药芯焊丝焊接过程中的焊接电流、电弧电压、送丝速度及送丝阻力，通过德国GEO公司生产的焊丝焊接测试装置进行测试。如图1所示，线盘上的焊丝被旋转辊引导，以确保焊丝能准确地进入驱动辊的沟槽。驱动辊被安装在悬挂的铰接板上，焊丝向前运动时使铰接板向后做旋转运动，并施加一个与力传感器的送丝力相等的压力功率，以牛顿为单位显示在控制箱上。

图1 焊丝焊接测试装置

3 试验结果与分析

3.1 送丝试验和数据分析

分别对3组E71T-1C焊丝进行2次焊接试验，通过对焊接过程进行监控和测试，显示焊丝的送丝阻力F、焊接电流I、电弧电压U、送丝辊前的焊丝速度s2和焊接处的焊丝速度s3。其中，焊丝1和焊丝2为江苏大西洋生产的E71T-1C药芯焊丝，焊丝3为外资品牌的E71T-1C药芯焊丝。3组焊丝的实时焊接记录波形如图2～图4所示（因版面限制，波形图仅截取部分）。对焊接记录波形图中的数据进行统计，并对统计结果进行对比分析，3组焊丝试验测试数据见表1～表3。由表1～表3可知，焊丝3的实际送丝情况最好，焊丝1次之，焊丝2最差。

从图2～图4可看出，在焊接过程中E71T-1C药芯焊丝的送丝阻力值在一个范围内波动，不同焊丝送丝阻力的波动幅度不同，且不同焊丝的阻力值差异巨大。在焊接电流、电弧电压的波动幅度不大，且基本一致的情况下，3组焊丝的送丝阻力明显不同。送丝速度s2波动幅度不大，送丝速度s3的波动幅度不仅明显大于s2的波动幅度，而且送丝速度s3的标准差比s2大，说明焊丝在送丝辊前的速度是较为平稳的，而焊接处的送丝速度s3波动较大，速度不稳定，且与观测到的实际焊接过程中的送丝状态表现一致。因此，焊接处的送丝速度s3能直观地反应焊丝送丝性能的优劣。送丝阻力、焊接电流、电弧电压、送丝速度s2和s3不仅相互关联，而且存在对应的关系。从图3中焊丝2-1可明显地看出其中的对应关系，在一段焊接时间内送丝阻力波动增大，并且3组焊丝的焊接电流都在220～240A之间，变化不大，标准偏差相近；电弧电压都在27～29V之间，变化不大，标准偏差相近，对应时间段内的焊接电流、电弧电压、送丝速度s2和s3都出现了明显波动，其中送丝速度v3波动最为剧烈。

图2 焊丝1的实时焊接记录波形

图3 焊丝2的实时焊接记录波形

图4 焊丝3的实时焊接记录波形

从图2～图4、表1～表3可看出，3组焊丝分两次测量送丝阻力，相差不大，焊丝1两次测试的平均阻力分别为10.330N、10.473N，焊丝2两次测试的平均阻力分别为12.182N、11.335N，焊丝3的两次测试的平均阻力分别为17.701N、16.553N。本次试验中自产的两个焊丝配方相同且采用同一生产工艺制造，对比样品的生产工艺也基本相同，而测试出来的送丝阻力存在较大差异，测试的最大送丝阻力与最小的相差7.371N，送丝阻力的波动超过50%。3组焊丝测量的送丝速度s2为9.246～9.388m/min，标准偏差为0.25～0.33，说明送丝辊前的送丝速度稳定。从表1和表3可看出，送丝速度s2和s3的极值相差不大，但是送丝速度s3波动程度明显大于送丝速度s2。从图2a、图2b和表2可看出，送丝速度s3波动剧烈，且标准偏差达到1～1.27，送丝性能较差。本试验中，将3组焊丝的送丝阻力进行对比，焊丝1最小，焊丝2居中，焊丝3最大，且3组焊丝的标准偏差也是依次增大，由此可知，送丝阻力也不能作为判断焊丝送丝性能优劣的依据。综上所述，焊丝送丝阻力不能客观评价药芯焊丝的送丝性能，而通过测量焊接处的送丝速度s3能够有效地评价药芯焊丝的送丝性能。

表1 焊丝1送丝试验测量数据

表2 焊丝2送丝试验测量数据

表3 焊丝3送丝试验测量数据

3.2 药芯焊丝的合缝与焊丝表面分析

由于药芯焊丝的送丝性能受焊丝表面质量、焊丝合缝情况和缝口的影响较大[4，5]，所以采用放大镜对3组焊丝截面的形状和焊丝缝口状态进行观察，如图5所示。

图5 焊丝缝口和焊丝截面

通过放大镜对3组药芯焊丝的截面和缝口进行观察，3组药芯焊丝合缝处的钢带平整，无明显的错边，钢带对接情况规则，缝隙宽度大小合适，说明3组焊丝的合缝情况良好；焊接截面显示焊丝填充药粉均匀，钢带壁厚均匀，焊丝圆度良好，与样品焊丝的合缝和封口基本无差别。由此说明，江苏大西洋生产的E71T-1C药芯焊丝的合缝和缝口质量良好，同时证明这两个方面不是影响E71T-1C药芯焊丝送丝性能的主要因素。

排除焊丝合缝和缝口两个因素，对焊丝的表面质量进行观测，在相同放大倍数下拍摄照片，焊丝的表面形态如图6所示。由图6可看出，焊丝3的表面平整度最好，表面的的微观划痕少且浅，焊丝1次之，焊丝2的划痕最重，划痕密集且划痕的宽度大。与测试焊丝的送丝性能结果进行对照比较，发现影响E71T-1C药芯焊丝送丝性能的主要因素是焊丝的表面质量。

图6 焊丝表面形态

药芯焊丝在生产过程中由于轧辊、模具产生不均匀磨损，或药芯焊丝成形设备和拉丝设备有抖动时，都会对焊丝的表面质量造成影响。因此在药芯焊丝生产中，拉拔润滑剂充填在模具和焊丝之间，降低它们之间的摩擦系数，减小模具的磨损，使拉拔更加流畅。良好的润滑剂应使焊丝在成形、拉拔过程中润滑良好，模具的磨损变小，且在焊丝表面附着均匀，能改善焊丝表面质量。为了提高和保障药芯焊丝的送丝性能，必须对药芯焊丝生产过程中的轧辊、模具、设备、生产工艺进行全方位的控制，才能有效地提高和保障药芯焊丝的送丝性能。

4 结束语

通过测量3组焊丝的送丝阻力、焊接电流、电弧电压与送丝速度，并对焊丝合缝、缝口和焊丝表面微观状态进行分析，得到如下结论。

1）通过测量焊丝的送丝阻力，不能客观评价药芯焊丝的送丝性能，而通过测量焊接处的焊丝速度波动，可有效地评价药芯焊丝的送丝性能，并与实际相符合。

2）焊丝表面微观状态是影响药芯焊丝送丝性能的关键，表面平整度好、微观划痕少的焊丝送丝性能良好。在严格控制药芯焊丝生产工艺，确保E71T-1C药芯焊丝合缝情况良好，合缝缝隙大小合适，焊丝圆度良好，以及线径符合标准的情况下，焊丝表面的微观形态是影响焊丝送丝性能的关键因素。