不同結(jié)構(gòu)的熔化極氣體保護(hù)焊焊嘴焊接性能對(duì)比研究

葛佳棋，湯旭祥，萬(wàn)升云，鐘奎

中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇常州 213011

1 序言

當(dāng)前，熔化極氣體保護(hù)焊在軌道車輛生產(chǎn)中仍占據(jù)很高的應(yīng)用比例[1]，而在其他工業(yè)制造領(lǐng)域，熔化極氣體保護(hù)焊也是機(jī)器人自動(dòng)化焊接的主要方法[2]。焊接過(guò)程中連續(xù)送絲的工作模式，可使焊接生產(chǎn)效率大大提高。

熔化極氣體保護(hù)焊焊槍前端的焊嘴包括噴嘴和導(dǎo)電嘴等重要部分，噴嘴與導(dǎo)電嘴之間絕緣，負(fù)責(zé)向焊接區(qū)輸送保護(hù)氣，導(dǎo)電嘴負(fù)責(zé)將焊接電流傳遞給焊絲，并且焊絲能均勻連續(xù)地從導(dǎo)電嘴內(nèi)孔通過(guò)。不同焊接設(shè)備廠商生產(chǎn)的焊嘴結(jié)構(gòu)各有區(qū)別，焊接效果方面也存在一定差異。本文選用熔化極氣體保護(hù)焊生產(chǎn)中常用的3種不同結(jié)構(gòu)的焊嘴，在相同工藝參數(shù)下開(kāi)展焊接試驗(yàn)，從焊縫成形、飛濺率、熔敷速率等方面進(jìn)行對(duì)比分析與評(píng)價(jià)，為焊接企業(yè)在選擇不同結(jié)構(gòu)焊嘴時(shí)提供一定的參考依據(jù)。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用的3種焊嘴結(jié)構(gòu)及實(shí)物分別如圖1、圖2所示，其中3種焊嘴結(jié)構(gòu)編號(hào)為A、B、C。A焊嘴中導(dǎo)電嘴通過(guò)螺紋與電極座聯(lián)接在一起，并且通過(guò)絕緣套將導(dǎo)電嘴與噴嘴絕緣；B和C焊嘴的導(dǎo)電嘴均帶有軸肩，放置在噴嘴內(nèi)孔后，導(dǎo)電嘴上端再放置電極座，電極座與噴嘴通過(guò)螺紋聯(lián)接。從圖1中可看出，3種焊嘴內(nèi)導(dǎo)電嘴至噴嘴端部的距離，以及噴嘴內(nèi)腔體積均存在明顯的不同。

圖1 3種焊嘴結(jié)構(gòu)示意

分別將3種焊嘴裝載在熔化極氣體保護(hù)焊焊槍進(jìn)行焊接試驗(yàn)，焊槍型號(hào)為Abicor Binzel AUT 501D，焊接電源采用林肯Powerwave SE500，搭載FANUC焊接機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)焊。在厚度為10mm的20鋼板進(jìn)行100mm長(zhǎng)焊縫的堆焊，焊絲使用φ1.2mm的ER70S-6，保護(hù)氣為80%Ar+20%CO2，氣體流量為18L/min。電弧電壓設(shè)置為26V，焊接速度為8mm/s，焊接時(shí)焊槍高度保持一致，在不同的焊接電流下，開(kāi)展工藝試驗(yàn)。

圖2 3種焊嘴的實(shí)物

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 焊縫成形及熔深對(duì)比

3種焊嘴焊接時(shí)實(shí)際的焊接電流見(jiàn)表1。由于3種焊嘴的導(dǎo)電嘴至噴嘴口的距離存在不同，導(dǎo)致焊接過(guò)程中實(shí)際的焊接電流存在微小差異。隨著焊接電流的增加，焊縫的寬度和余高均逐漸增加，各焊縫成形良好，無(wú)明顯氣孔、裂紋缺陷，焊縫長(zhǎng)度范圍內(nèi)寬度和余高無(wú)明顯波動(dòng)。在各電流條件下3種焊嘴獲得的焊縫宏觀金相照片見(jiàn)表2，將各條焊縫的熔深進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表1 3種焊嘴焊接時(shí)的焊接電流

表2 3種焊嘴在不同焊接電流下所得的焊縫宏觀金相

從表3中可觀察到，在小電流（145A，160A）和大電流（360A）條件下，3種焊嘴焊得的熔深比較接近，分別為1mm和5mm，在大多數(shù)電流條件下，C焊嘴可獲得最大熔深。

表3 3種焊嘴在不同焊接電流下得到的焊縫熔深

3.2 飛濺對(duì)比

焊前對(duì)試板重量進(jìn)行測(cè)量，每塊試板堆焊一道焊縫后再次測(cè)量試板重量，通過(guò)焊接持續(xù)時(shí)間和送絲速率計(jì)算消耗的焊絲重量。其中，飛濺損失的重量可通過(guò)焊前試板重量與消耗的焊絲重量之和減去焊后試板重量計(jì)算獲得。3種焊嘴在不同焊接電流下通過(guò)計(jì)算獲得的飛濺率見(jiàn)表4。隨著焊接電流的增加，3種焊嘴焊接時(shí)的飛濺率均逐漸增加，其中C焊嘴在大部分焊接試驗(yàn)中表現(xiàn)出最高的飛濺率。觀察C焊嘴的導(dǎo)電嘴，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)孔直徑較大，φ1.2mm焊絲穿過(guò)該導(dǎo)電嘴時(shí)，過(guò)于寬松，因此分析認(rèn)為產(chǎn)生較高飛濺是由于焊絲和導(dǎo)電嘴缺少穩(wěn)定接觸，導(dǎo)致焊接電弧不穩(wěn)定引起的[2]。另外，從3種焊嘴的剖面圖可看出，C焊嘴內(nèi)腔體積最大，在相同氣體流量的條件下，C焊嘴焊接時(shí)保護(hù)氣的出氣速度最慢，氣流不集中，對(duì)電弧的保護(hù)效果略差于其他兩種焊嘴。A焊嘴的內(nèi)腔最小，氣流集中，在相同電流條件下，A焊嘴焊接時(shí)的電弧范圍最小。

表4 3種焊嘴在不同焊接電流下的飛濺率

3.3 熔敷速率對(duì)比

通過(guò)焊前和焊后試板的重量差值與焊接持續(xù)時(shí)間相比，計(jì)算單位時(shí)間3種焊嘴焊接時(shí)的焊絲熔敷速率，結(jié)果見(jiàn)表5。A焊嘴與C焊嘴焊接時(shí)焊絲的熔敷速率基本一致，而B焊嘴的焊絲熔敷速率低于其他兩種焊嘴。分析其原因，B焊嘴焊接過(guò)程中實(shí)際的焊接電流值要高于其他兩種焊嘴，因此在電弧燃燒過(guò)程中，焊絲從導(dǎo)電嘴伸出至電弧之間的長(zhǎng)度要短于其他兩種焊嘴。根據(jù)焊絲干伸長(zhǎng)和熔敷速率之間的關(guān)系可知[3]，焊絲干伸長(zhǎng)越短，其熔敷速率也越低。

表5 3種焊嘴在不同焊接電流下的焊絲熔敷速率

4 結(jié)束語(yǔ)

采用3種不同結(jié)構(gòu)的焊嘴進(jìn)行了焊接工藝試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比焊縫的成形、焊縫熔深、飛濺率和熔敷速率，分析3種焊嘴的焊接性能，得出以下結(jié)論。

1）3種焊嘴焊接時(shí)，隨著焊接電流的增加，焊縫的寬度和余高均逐漸增加，焊縫成形良好，無(wú)明顯氣孔、裂紋缺陷，焊縫長(zhǎng)度范圍內(nèi)寬度和余高無(wú)明顯波動(dòng)。

2）3種焊嘴中，C焊嘴可獲得最大熔深，同時(shí)由于C焊嘴中導(dǎo)電嘴內(nèi)徑公差較大，與焊絲接觸不穩(wěn)定，因此飛濺最多。

3）A焊嘴與C焊嘴焊接時(shí)焊絲的熔敷速率基本一致，B焊嘴由于在焊接過(guò)程中焊絲干伸長(zhǎng)最短，因此熔敷速率低于其他兩種焊嘴的焊接。