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單一表面活性劑在活性劑CMT焊接中的作用機理

來源:電焊機 瀏覽 100 次 發(fā)布時間:2024-10-21

CO2氣體保護焊自問世以來,以其具有明弧、無渣、低成本、高效節(jié)能、抗銹低氫等特點,在生產(chǎn)中得到越來越廣泛的應用。但CO2氣體保護焊有兩點主要不足:飛濺大和成形差。飛濺不僅污染工件,增加勞動強度,降低熔敷率,還會堵塞噴嘴,使送絲不暢。特別在一些重要構件上,清理飛濺較為困難或者不允許清理時,其應用受到很大限制。除此之外,由飛濺等引起的細小顆粒還會帶來粉塵污染,影響職工的身體健康。


CMT(Cold Metal Transfer,冷金屬過渡)工藝自2004年正式推出以來,一直受到焊接界的廣泛關注,此工藝最重要的特點是利用其極穩(wěn)定的電弧、極低的熱輸入量來實現(xiàn)無飛濺的焊接過程。CMT工藝與CO2氣體保護相結合的焊接工藝具有極穩(wěn)定電弧、無飛濺和良好的焊縫成形等優(yōu)點,解決了普通CO2氣體保護焊飛濺大、成形差的缺點,是一種節(jié)能高效環(huán)保的焊接工藝,具有重要的應用價值。但CMT因其“冷”的特點使得焊縫熔深普遍較小,特別是在汽車中平行接頭和搭接接頭較多,熔深問題制約了其應用和推廣,因此尋找一種解決CMT工藝焊接熔深的方法十分重要?;钚詣〤MT焊接的研究旨在提高焊縫熔深,改善焊縫成型。


20世紀60年代,烏克蘭巴頓焊接研究所(PWI)研究了最初的A-TIG(Activating flux TIG welding)焊接工藝。20世紀90年代,人們對提高焊接效率和降低焊接成本有了進一步的需求,美國愛迪生焊接研究所(EWI)、英國焊接研究所(TWI)和日本大阪大學焊接研究所等多家知名焊接機構在A-TIG焊活性劑方面開展了廣泛研究,俄羅斯也在2001年進行了有關不銹鋼焊接方面的活性劑的研制。我國于20世紀末開始活性劑焊接方面的研究,國內(nèi)外焊接學者已經(jīng)將活性劑應用到TIG焊、電子束焊、激光焊、釬焊等領域,取得了一定成果。開展CO2氣體保護的CMT焊接研究,對于實現(xiàn)綠色制造、建立節(jié)約型和諧社會具有重要的現(xiàn)實意義。在此試驗研究了活性劑CMT焊接,并分析活性劑在活性劑CMT焊中的作用機理。


1試驗


1.1實驗材料與設備


試驗采用的母材為低碳鋼Q235B,試樣尺寸為200 mm×90 mm×10 mm;φ1.2 mm的H08Mn2SiA實心焊絲;CO2保護氣體;基本活性劑是CaF2、Al2O3、Y2O3、B2O3、SiO2、MoO3、MgCO3、Fe2O3和Cr2O3共9種,試驗時分別以A,B,C,D,E,F(xiàn),G,H,I表示對應的單一活性劑成分;活性劑乳化劑為酒精。試驗設備為奧地利福尼斯公司的TPS5000CMT的數(shù)字化脈沖MIG/MAG焊機,配備VR7000送絲機和RCU5000i遙控器,海德盟Hi800-M系列數(shù)控系統(tǒng)和焊接工作臺。


1.2試驗規(guī)范參數(shù)


采用CMT一元化焊接工藝,通過正交試驗確定主要影響因素,焊接規(guī)范參數(shù)如表1所示。

表1焊接工藝參數(shù)


1.3試驗方法


采用對比實驗法,通過比較單組分活性劑焊接試驗與無活性劑試驗結果,確定各活性劑的影響次序,分析活性劑對CMT焊的作用機理。每組實驗重復進行一次,所得焊縫結果取平均值。


試驗前先將試樣除銹,用角磨機打磨,再用酒精或丙酮擦拭,去除油污及其他雜質(zhì)。然后稱取一定量的活性劑,用乳化劑酒精進行充分乳化,調(diào)配攪拌成糊狀。用扁平毛刷將活性劑涂于工件待焊位置寬20 mm的區(qū)域,活性劑涂覆厚度以覆蓋金屬表面光澤為宜。最后在如表1所示的同一焊接參數(shù)下進行焊接試驗。觀察焊接現(xiàn)象,用RCU5000i外加存儲卡記錄焊接過程參數(shù)變化;焊后觀察焊縫的宏觀成形,并記錄結果;將試驗所得焊縫沿距尾部30mm的距離進行切割,然后打磨、拋光、腐蝕和觀察金相,記錄焊縫的熔深、熔寬等焊縫參數(shù),計算焊縫的熔深比等。


2試驗結果和分析


2.1試驗結果


單一活性劑焊縫參數(shù)及無活性劑時焊縫參數(shù)如表2所示,表2單一活性劑焊縫參數(shù),圖1是單一活性劑熔深與無活性劑時熔深比直方圖。


圖2是無活性劑時焊縫的宏觀成形,圖3為試驗中幾組典型活性劑的金相截面。


2.2活性劑對焊縫成形的影響


由表2和圖1可知,普通CMT焊接時,焊縫熔深為2.05 mm;涂活性劑后,A、B、D、E和I焊縫熔深明顯高于不涂活性劑的焊縫熔深。其中活性劑B、D、E對焊縫熔深增加的程度較為明顯,相比普通CMT焊縫熔深,其焊縫熔深比增加了20%以上,說明活性化劑D、E、B對熔深的增加有較大的促進作用?;钚詣〢和I雖然對熔深的影響不如活性化焊劑D、E、B明顯,但其熔深值也大于普通CMT焊,熔深增加比達到了10%以上。相比之下,使用C和G兩種活性劑的焊縫熔深只增加約5%,F(xiàn)和H不影響熔深。


圖2是普通CMT焊的焊縫成形,其焊縫為淺V形,焊縫熔深寬而淺;圖3是涂活性劑A、B、D、E和I的焊縫成形??梢钥闯觯扛不钚詣┖?,焊縫熔深都有不同程度的增加,熔寬和余高都有不同程度變化。


從圖2和圖3還可以看出,添加活性劑后會使焊縫表面形狀有所改變,其中活性劑D、E對焊縫表面成形影響較大,焊縫表面比不使用活性劑時粗糙,熔渣也有增多,焊縫呈深V形。

圖4為焊接過程中電流的記錄。從圖4a可以看出,焊接過程中各單一活性劑焊接電流曲線基本相似,從圖4b可以看出,大部分活性劑焊接過程的平均電流與無活性劑時相差不大,SiO2和MgCO3的電流平均值相比無活性劑時有較為明顯的變化,其中前者增加,后者減小。無活性劑時的平均電流達到211.5 A,而涂SiO2可以達到215 A。


圖5為焊接過程中電壓的記錄。從圖5a可以看出,焊接過程中各活性劑變化曲線基本趨勢相似,但都有不同程度的波動。從圖5b可以清楚地看出,各組活性劑焊接過程的平均電流、電壓和無活性劑時的差別不一樣,其中涂覆B2O3和SiO2時的電壓增加較為明顯,平均電壓增加能達到0.7 V以上,涂MgCO3則無變化,其余的活性劑電壓都有一定程度的增加。


3討論


活性劑CMT焊接主要是通過加入活性劑改變了焊接電弧。電弧是由兩個電極和它們之間的氣體空間組成,電弧中的帶電粒子主要依靠兩電極間的氣體電離和電極發(fā)射電子兩個物理過程所產(chǎn)生。在活性劑焊接電弧中,活性劑對電離和電極發(fā)射電子都有影響?;钚詣┑募尤胧闺娀夥盏膶嵭щ婋x度明顯提高,所以活性劑CMT氣體保護焊的電弧比普通CMT氣體保護焊的電弧穩(wěn)定。加入活性劑(大部分為金屬氧化物)后,電極表面逸出功降低,電極發(fā)射電子的能力增強,增強了電弧導電能力,焊接電流有增加的趨勢。


從試驗結果可以看出,采用活性劑CMT焊接時,焊接電弧穩(wěn)定,A、B、D、E和I五種活性劑的焊縫熔深增加較為明顯,在相同的焊接工藝規(guī)范下,活性劑CMT焊接與普通CMT焊接所得到的焊縫熔深、熔寬和余高等都有明顯差異?;钚詣〤MT焊接在同等規(guī)范下熔深明顯增加,同時熔寬、余高和表面成形也有所變化。同時由于活性劑的加入,焊接電弧氣氛以及熔池流動等會受到多方作用,各種效果并存,試驗結果會表現(xiàn)為占優(yōu)勢一方的因素。


(1)活性劑使電弧壓縮,焊縫熔深增加。


電弧收縮理論認為,表面涂覆活性劑后,因為活性劑涂層本身導電性不強,加之活性劑的熔沸點都比純金屬的高,所以熔池表面產(chǎn)生的金屬蒸氣相應減少,在金屬蒸氣減少的情況下,只在電弧中心溫度較高的區(qū)域有金屬蒸發(fā),形成陽極斑點,即涂層的存在減小了陽極斑點區(qū),從而使電弧收縮,電弧壓力增大。


查物質(zhì)屬性可知,B和Si元素的電阻率非常大,因此這兩種物質(zhì)導致電弧收縮的作用效果最為明顯,熔深增加也最為明顯。由圖5可知,試驗中B2O3和SiO2兩種活性劑在相同焊接規(guī)范下,焊接過程中的電壓變化最大,焊接結果熔深增加最為明顯。很顯然,在各種活性劑中,這兩種活性劑有相同的特性,同時這種特性對焊縫熔深的增加至關重要。


(2)熔池金屬對流變化,焊縫熔深增加。


理論認為,表面活性元素引起熔池表面張力變化,對熔池的對流產(chǎn)生著很大的影響,同時熔池對流的方向?qū)θ酆蠀^(qū)幾何形狀的影響很大。不含表面活性元素的普通CMT焊,表面張力隨溫度的升高而減小,因此從表面看熔池對流方向從中心到四周,熱量較為分散,熔深較淺;對于活性劑CMT焊,活性元素的存在,使熔池表面張力隨溫度升高而增大,即熔池對流方向從四周到中心,使得熔池中心區(qū)的熔化金屬具有較高的溫度,同時較多的熱量被液流直接帶向熔池底部,使熔深增加,同時有使熔寬減小的趨勢。


4結論


(1)CMT焊接采用活性劑后,焊縫熔深有較大程度的增加,增加比例在20%以上。


(2)活性劑CMT焊接中,活性劑對電弧氣體電離和電極發(fā)射電子兩個物理過程都產(chǎn)生重要影響,活性物質(zhì)的加入使得電離電壓降低,電弧穩(wěn)定。


(3)活性劑CMT焊接熔深增加是電弧壓縮和表面張力共同作用的結果。其中B2O3和SiO2使焊縫熔深增加明顯,與B和Si兩元素具有較大的電阻率有關。


(4)活性劑成分不同,焊縫熔深增加程度也不同。


從目前試驗來看,單一活性劑對CMT焊接有較大的影響,研究多組分活性劑CMT焊接以及進行配方設計等工作仍有待進一步探索,同時研究活性劑在不同氣體保護下的CMT焊接,對活性劑CMT焊接機理的進一步探索具有十分重要的研究價值。