焊絲直徑對(duì)鋁合金焊接的影響

ROB KRAUSE

有多少制造商不希望在給定時(shí)間內(nèi)增加產(chǎn)量呢? 明顯沒(méi)有多少，甚至根本沒(méi)有。幾乎從未考慮增加產(chǎn)能的方法是采用更大直徑的鋁合金焊絲。經(jīng)過(guò)一系列技術(shù)討論，表明選用具有高導(dǎo)電性和高熱導(dǎo)率的鋁絲比其他一些金屬材料更具優(yōu)勢(shì)。焊接鋁合金面板的自動(dòng)焊接系統(tǒng)如圖1所示。

1.焊絲直徑的影響

增加焊絲直徑的優(yōu)點(diǎn)：有更好的熔合性和焊透性、可增加焊接速度，同時(shí)具有更高的熔敷效率、更低的性價(jià)比以及更好的送絲性能。然而，了解在焊絲直徑上貌似微不足道的變化可能會(huì)極大地影響焊絲體積和其他焊接參數(shù)是非常重要的。

AWS A5.10/A5.10M：2012《鋁及鋁合金焊接的電極、焊絲以及焊條》分類中規(guī)定，鋁合金G M A W焊接時(shí)焊絲直徑的公差是+0.001/–0.002 in（0.0254/–0.0508mm）。雖然最大的公差范圍差別僅0.003in（0.0762mm），但實(shí)際上這將導(dǎo)致顯著的體積變化。表1表明了不同焊絲直徑的變化對(duì)體積的影響以及對(duì)焊接參數(shù)的影響。

現(xiàn)在我們可以更好地理解焊絲直徑如何影響焊接，以下是可以給用戶帶來(lái)優(yōu)勢(shì)的一些實(shí)例。

圖1 焊接鋁合金面板的自動(dòng)焊接系統(tǒng)

表1 焊絲直徑公差變化對(duì)于焊縫金屬的熔敷及焊絲直徑對(duì)于各種焊接參數(shù)的影響

例如：為了獲得使用不同焊絲直徑時(shí)表面焊縫的尺寸，考慮到增加焊絲直徑將影響到體積，只有提高焊接速度才來(lái)獲得相同的熔覆效率。基于我們使用設(shè)備的焊接速度限制，選擇以0.094in（2.4mm）的焊絲作為基準(zhǔn)。調(diào)整其他三種直徑焊絲的參數(shù)，使表面焊縫尺寸盡可能接近基準(zhǔn)。圖2為使用四種5356合金焊絲獲得的表面焊道，圖2中顯示不同焊道的外形相差極小。表2不僅列出了使用不同焊絲直徑、焊接速度的增量變化，還顯示了電流的增加，筆者將在后文對(duì)電流的增加進(jìn)行詳細(xì)的論述。

當(dāng)不需要焊接更快，但需要更大的焊縫時(shí)，肯定不希望放慢速度。在這種情況下，可以使用更大直徑的焊絲，以增加熔敷效率，甚至可能獲得更快的速度。表3為當(dāng)焊接速度保持恒定時(shí)焊絲直徑對(duì)表面焊道尺寸的影響。

那么增加焊絲直徑如何提高焊透或熔合，簡(jiǎn)單的回答就是電流等于熔透。因此，當(dāng)增加焊絲直徑時(shí)，電流（熔透）隨之增加。當(dāng)然，實(shí)際上通常不是這么簡(jiǎn)單，當(dāng)更多的焊絲熔入焊縫，必須注意焊縫熔池熄弧概率的增加，這將對(duì)熔透具有一些負(fù)面影響。避免這種現(xiàn)象的關(guān)鍵是確保焊絲一直處于焊縫熔池的邊緣（見(jiàn)圖3），可以通過(guò)增加焊接速度，輕微地增加推進(jìn)角度，或者使焊縫輕微向上（對(duì)于平、橫和仰焊位置）。表4列出了試驗(yàn)樣品的實(shí)際熔深。

前面提到的最后兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)不需要深入的解釋。基本上，產(chǎn)生相同重量的合金需要較小的工作量，因此其導(dǎo)致較低的成本。焊絲直徑增加也提高了送絲性能，因?yàn)榇值暮附z剛性更大，當(dāng)其通過(guò)驅(qū)動(dòng)輪和支撐墊時(shí)只允許更小的偏轉(zhuǎn)。任何使用過(guò)鋁合金GMAW焊絲的人都知道在某一合金和直徑情況下，送絲性能是一個(gè)重大問(wèn)題。

2.因素限制

當(dāng)進(jìn)行改變時(shí)通常會(huì)產(chǎn)生限制或者可能的缺點(diǎn)。第一個(gè)要討論的要點(diǎn)是設(shè)備的容量。在本文討論的例子中，使用的是φ0.047in（φ1.2mm）的5356合金焊絲。對(duì)于引用的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)，試驗(yàn)焊縫的平均電流為220A。對(duì)于相似尺寸的焊縫，采用φ0.062in（φ1.6mm）的5356合金焊絲，平均電流提高到274A。這兩種情況均不會(huì)對(duì)400A容量的設(shè)備帶來(lái)問(wèn)題，但是對(duì)于額定容量為300A的設(shè)備在100%占空比的情 況下將會(huì)帶來(lái)問(wèn)題。焊接速度增加的結(jié)果就是總的熱輸入不會(huì)顯著增加，但是因?yàn)殡娏鞯脑黾訉⑿枰笕萘康脑O(shè)備。

表2 焊絲直徑-焊接速度組合得到相同的表面焊縫尺寸

表3 相同焊接速度下焊絲直徑和表面焊縫寬度的關(guān)系

圖2

表4 相同焊接速度下四種焊絲直徑焊接得到的熔敷深度

圖3 焊絲和電弧相對(duì)于焊縫熔池的合適位置

由于更大直徑的焊絲需要更高的焊接電流，導(dǎo)致噴嘴升溫更加迅速，空冷的焊槍可能不滿足冷卻的需求。對(duì)于相對(duì)較短的焊縫，這將不是一個(gè)問(wèn)題，但是對(duì)于大多數(shù)生產(chǎn)中的焊縫，當(dāng)使用φ0.062in（φ1.6mm）或更大直徑時(shí)，可能需要考慮選擇水冷焊槍。值得注意的是，大多數(shù)基于CO2或含有CO2混合氣的焊槍有其電流額定值。而由于鋁合金GMAW焊接使用的是100%的Ar或者Ar和He的混合氣，額定電流值會(huì)顯著減少。當(dāng)一個(gè)制造商使用基于CO2的焊槍時(shí)，焊接電流為400A，而焊接基于Ar氣時(shí)只需要260A。

另一個(gè)不那么明顯的限制是焊接速度。當(dāng)表面焊縫尺寸保持固定，增加焊絲直徑的結(jié)果就是增加生產(chǎn)效率，那么焊接速度也必須增加。對(duì)于機(jī)器人或者自動(dòng)焊接設(shè)備這將不是問(wèn)題，但是對(duì)于手工操作的焊工，這可能需要培訓(xùn)使其焊接速度更快，可能要快30%左右。

基于安全的考慮，焊槍的發(fā)熱也值得考慮。對(duì)于機(jī)器人或者自動(dòng)焊接設(shè)備這將不是問(wèn)題，但是對(duì)于手工操作的焊工，焊工手套的預(yù)防燙傷也是非常重要的。

最后一個(gè)需要關(guān)注的是實(shí)際的焊件。材料的厚度、工件尺寸和裝配順序可能不允許增加焊絲直徑和焊接電流。然而，如果使用的設(shè)備帶有脈沖功能，將會(huì)降低焊接平均電流和焊接熱輸入。

3.結(jié)語(yǔ)

鋁的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，導(dǎo)致越來(lái)越多的公司開(kāi)展鋁焊接業(yè)務(wù)。為了保持競(jìng)爭(zhēng)力，企業(yè)必須不斷尋找保持領(lǐng)先的競(jìng)爭(zhēng)方式。鋁的物理和力學(xué)性能使其成為一個(gè)獨(dú)特的金屬，其差異性可幫助企業(yè)保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，以及提高其性能和生產(chǎn)效率。提高焊絲的直徑可以是一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的方法，但它僅是整個(gè)焊接過(guò)程中需要改進(jìn)的一個(gè)方面。20140418