一种用于熔化极焊接的变截面实心焊丝的制作方法

背景技术：

电弧焊接是一种重要的热加工工艺，广泛地应用于工业领域。根据焊接电极是否熔化，可分为非熔化极焊接方法(如钨极氩弧焊、等离子弧焊接等)和熔化极焊接方法(如焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊等)。其中埋弧焊和熔化极气体保护焊接采用自动装置送进焊丝，易于实现自动化，在生产中得到越来越广泛地应用。

在熔化极焊接时，焊丝作为一个电极，工件(母材)作为一个电极，两个电极之间建立焊接电弧，利用电弧产生的热量熔化母材及焊丝形成熔池，随着熔池的凝固形成焊缝，实现两个部件的连接。目前熔化极焊接过程中，焊丝可分为实心焊丝和药芯焊丝两种，其中应用广泛的是实心焊丝，它是通过拉丝工艺制成的，焊丝截面是均匀的。

在熔化极焊接过程中，如何保证焊接电弧的稳定，控制焊丝熔化产生的熔滴平稳地过渡到熔池中，一直是焊接工作者面临的问题。虽然采用了一些控制方法，如焊接电流波形控制、焊接电弧保护气氛控制、焊丝回抽控制等，大部分都不是很理想。也有一些控制方法取得了较好的效果，如冷金属过渡(cmt)工艺，利用焊接电流与焊丝回抽联合控制，很好地控制了熔滴过渡，但带来的是复杂的控制系统、较多的工艺参数以及高昂的成本，导致这些工艺不能很好地推广应用。

技术实现要素：

本发明是为了解决目前熔化极焊接方法中熔滴很难平稳地过渡到熔池，以及控制系统复杂、工艺参数复杂和高昂的成本的技术问题，而提供一种用于熔化极焊接的变截面实心焊丝。

本发明的一种用于熔化极焊接的变截面实心焊丝是由多个细径段和多个粗径段组成，细径段和粗径段交替连接在一起，所述的细径段和粗径段均是圆柱体，且所有的细径段尺寸一样，所有的粗径段尺寸一样，细径段和粗径段的材质相同；

对于熔化极气体保护焊接，取导电嘴的下端面和实心焊丝的中轴线的交点为坐标原点o，沿实心焊丝的送进方向建立一维坐标系x轴，所述的用于熔化极焊接的变截面实心焊丝满足下式：

x为实心焊丝中轴线上的点距离原点o的距离，单位是mm；

t(x)为x点的焊丝温度，单位是℃；

e为自然常数；

α是实心焊丝的电阻温度系数，单位是℃^-1；

t0是室温，为25℃；

其中σ0为室温下实心焊丝的电阻率，单位是mm·ω；c是实心焊丝材料的比热，单位是j/(g·℃)；ρ是实心焊丝材料的密度，单位是g/mm³；

v是送丝速度，单位是mm/s；

j是电流密度，单位是a/mm²，j＝i/s，i是通过实心焊丝的电流即焊接电流，s是实心焊丝的横截面积；

且t(b)≥t熔＞t(c)，b点为最远离导电嘴的细径段在中轴线上所截线段的中点，c点为最远离导电嘴的粗径段在中轴线上所截线段的中点，t熔为实心焊丝的熔点；

对于b点：xb＝l0-l2-0.5×l1；对于c点：xc＝l0-0.5×l2，l0为实心焊丝的干伸长长度，l2为粗径段的长度，l1为细径段的长度；

焊丝干伸长长度是指焊丝端部至导电嘴端部的距离。

在实心焊丝的稳定送进过程中，实心焊丝的温度达到准稳定状态，即焊丝的温度只与位置x有关，与时间无关。

本发明提出一种变截面的实心焊丝，使其在焊接过程中熔化后能够形成均匀一致的熔滴并过渡到熔池中，有利于焊接过程的稳定和焊接质量的提高。

本发明的原理：

进行熔化极气体保护焊接时，在干伸长焊丝部分，在流过焊丝的焊接电流作用下，将产生电阻热，成为熔化焊丝热量的一部分。在本发明提出的变截面实心焊丝的情况下，通过合理设计变截面处焊丝的截面积和长度，可以使焊丝干伸长部分的电阻主要集中在小截面处，使得在该处产生的电阻热增加，温度升高到超过焊丝熔点而熔化，同时使下段焊丝温度升高并离开焊丝，在电弧热的作用下形成熔滴过渡到熔池中，随着焊丝的送进，电弧将跳至焊丝段脱落处，随后将重复上述过程，形成稳定的熔滴过渡过程。

本发明的上述公式的获得过程如下：

实心焊丝靠电阻热qr预热，实现实心焊丝内能q内的增加。由于焊丝的比热容随温度变化很小，如h08crmnva焊丝的比热容随温度变化系数为10^-4数量级，为了简化热丝温度场的解析式，便于理解，本发明认为比热容为常数，且不考虑电弧对焊丝的热作用。

任取实心焊丝中轴线上某处x及其前进端微元dx，实心焊丝的预热温度就是在电阻热的作用下产生的。在dt时间内dx段微元体所满足的瞬态热平衡方程为：

qr＝q内(1)

根据焦耳定律，通过实心焊丝电流为i，实心焊丝电阻率为σ，实心焊丝横截面积为s的微元体在dt时间内产生的电阻热qr满足：

在dt时间内，微元体内能增量q内满足：

q内＝cρsdxdt(3)

式中：c——实心焊丝材料的比热；

ρ——实心焊丝材料的密度；

根据v＝dx/dt，v是送丝速度，和式(1)瞬态热平衡方程，可得：

记j＝i/s，即j表示实心焊丝电流密度，可得电阻加热实心焊丝所得预热温度所满足：

实心焊丝的电阻率随温度变化关系为：

σ(t)＝σ0(1+αt)(6)

σ0为25℃下实心焊丝的电阻率，令将式(6)代入式(5)得：

根据初始条件t(t＝0)＝t0，得：

式(8)表示了电阻热作用下的实心焊丝预热温度的表达式。

本发明的优点：

与常规的实心焊丝相比，本发明的用于熔化极焊接的变截面实心焊丝会带来以下几点优势：

1、匹配合适的焊接参数，在不采用其他控制措施的条件下，能够实现熔滴过渡的稳定和精确控制，从而使焊接过程稳定，提高焊接质量；

2、本发明的实心焊丝能够降低熔滴的温度，与常规焊丝相比，一般可降低200℃～300℃，从而能够减少焊接过程中的合金烧损，提高焊缝质量；

3、由于熔滴温度降低，焊接熔池温度也会降低，会改善焊接熔池的冶金过程，降低气体的溶解量，进而减少焊接气孔等缺陷；

4、对于粗焊丝，采用变截面设计之后，能够改善焊丝柔韧性，降低粗焊丝的刚性，有利于粗焊丝的缠绕和送进。

附图说明

图1为本发明的用于熔化极焊接的变截面实心焊丝在进行熔化极气体保护焊接时的示意图，1为送丝机，2为用于熔化极焊接的变截面实心焊丝，3为导电嘴，4为气体保护喷嘴，5为保护气体，6为焊丝的干伸长部分，7为电弧，8为焊接电源，9为工件；

图2为试验一的用于熔化极焊接的变截面实心焊丝在进行熔化极气体保护焊接时的局部示意图，3为导电嘴，8为焊接电源，2-1为用于熔化极焊接的变截面实心焊丝的细径段，2-2为用于熔化极焊接的变截面实心焊丝的粗径段。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式为一种用于熔化极焊接的变截面实心焊丝，具体是由多个细径段和多个粗径段组成，细径段和粗径段交替连接在一起，所述的细径段和粗径段均是圆柱体，且所有的细径段尺寸一样，所有的粗径段尺寸一样，细径段和粗径段的材质相同；

对于熔化极气体保护焊接，取导电嘴的下端面和实心焊丝的中轴线的交点为坐标原点o，沿实心焊丝的送进方向建立一维坐标系x轴，所述的用于熔化极焊接的变截面实心焊丝满足下式：

x为实心焊丝中轴线上的点距离原点o的距离，单位是mm；

t(x)为x点的焊丝温度，单位是℃；

e为自然常数；

α是实心焊丝的电阻温度系数，单位是℃^-1；

t0是室温，为25℃；

其中σ0为室温下实心焊丝的电阻率，单位是mm·ω；c是实心焊丝材料的比热，单位是j/(g·℃)；ρ是实心焊丝材料的密度，单位是g/mm³；

v是送丝速度，单位是mm/s；

j是电流密度，单位是a/mm²，j＝i/s，i是通过实心焊丝的电流即焊接电流，s是实心焊丝的横截面积；

且t(b)≥t熔＞t(c)，b点为最远离导电嘴的细径段在中轴线上所截线段的中点，c点为最远离导电嘴的粗径段在中轴线上所截线段的中点，t熔为实心焊丝的熔点；

对于b点：xb＝l0-l2-0.5×l1；对于c点：xc＝l0-0.5×l2，l0为实心焊丝的干伸长长度，l2为粗径段的长度，l1为细径段的长度。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的用于熔化极焊接的变截面实心焊丝为h08crmnva焊丝。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述的用于熔化极焊接的变截面实心焊丝为h08mn2si焊丝。其他与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的用于熔化极焊接的变截面实心焊丝为h13crmoa焊丝。其他与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述的用于熔化极焊接的变截面实心焊丝为h08mna焊丝。其他与具体实施方式一至四之一相同。

用以下试验对本发明进行验证：

试验一：本试验为一种用于熔化极焊接的变截面实心焊丝，具体是由多个细径段和多个粗径段组成，细径段和粗径段交替连接在一起，所述的细径段和粗径段均是圆柱体，且所有的细径段尺寸一样，所有的粗径段尺寸一样，细径段和粗径段的材质相同；

对于熔化极气体保护焊接，取导电嘴的下端面和实心焊丝的中轴线的交点为坐标原点o，沿实心焊丝的送进方向建立一维坐标系x轴，所述的用于熔化极焊接的变截面实心焊丝满足下式：

x为实心焊丝中轴线上的点距离原点o的距离，单位是mm；

t(x)为x点的焊丝温度，单位是℃；

e为自然常数；

α是实心焊丝的电阻温度系数，单位是℃^-1；

t0是室温，为25℃；

其中σ0为室温下实心焊丝的电阻率，单位是mm·ω；c是实心焊丝材料的比热，单位是j/(g·℃)；ρ是实心焊丝材料的密度，单位是g/mm³；

v是送丝速度，单位是mm/s；

j是电流密度，单位是a/mm²，j＝i/s，i是通过实心焊丝的电流即焊接电流，s是实心焊丝的横截面积；

b点为最远离导电嘴的细径段在中轴线上所截线段的中点，c点为最远离导电嘴的粗径段在中轴线上所截线段的中点，t熔为实心焊丝的熔点；

对于b点：xb＝l0-l2-0.5×l1；对于c点：xc＝l0-0.5×l2，l0为实心焊丝的干伸长长度，l2为粗径段的长度，l1为细径段的长度。

所述的实心焊丝为h08crmnva，则ρ＝7.8×10^-3g/cm³，c＝0.42j/g·℃，σ0＝9.7×10^-5mm·ω，α＝6.45×10^-3℃^-1，代入上述公式得：

注：d为实心焊丝的直径，单位为mm，i的单位为a，x的单位为mm，v的单位为mm/s。

由于热传导的影响，靠近粗径的细径段两端，自身产生的电阻热通过热传导传输到粗径段，因此这里计算细径段中点处的温度，该点的温度受热传导的影响较小，认为细径段上其中点处的温度最高。粗径段也计算中点处的温度，假设h08crmnva焊丝的熔点为1400℃，为使b点的温度达到熔点，b点的加热长度xb和其直径d1须满足下式：

t(b)＝1400℃＞t(c)，推导出

焊接电流150.5a，xb为13mm，细径段长l1·为1mm，直径d1为0.75mm，送丝速度v为8m/min，粗径段长l2为2mm，d2为0.9mm，则xc为14.5mm，t(b)＝1407℃，t(c)＝413℃，b点将先于c点熔化，实现自动熔滴过渡。