方乃文1, 林晓辉2, 马青军1, 常晶舒1
(1.机械科学研究院 哈尔滨焊接研究所， 黑龙江 哈尔滨 150028； 2.哈尔滨现代焊接技术生产力促进中心， 黑龙江 哈尔滨 150028)
摘要： 以ER50-6N无镀铜焊丝为研究对象，对其进行飞溅、导电嘴磨损、发尘、抗锈性能等工艺性能进行定量测定，利用求解标准差及相对标准差，评价无镀铜工艺对焊接工艺性能的影响。试验结果表明：无镀铜焊丝具有飞溅小、焊接烟尘小、导电嘴磨损量小、抗锈性优良等特点，并且该测试方法能够对无镀铜焊丝进行客观定量的评价。
关键词： 无镀铜焊丝; 飞溅; 导电嘴磨损; 抗锈性; 焊接烟尘
目前，气体保护焊焊丝通常采用表面镀铜的工艺防止焊丝表面氧化锈蚀，但镀铜焊丝生产过程中存在较为严重的环境污染问题，并且在焊接过程中，铜烟雾会对焊工的身体造成伤害；而无镀铜焊丝在使用过程中，焊工可避免吸入铜烟雾而造成身体伤害，并且减少了镀铜工序，可以降低生产成本、减轻对环境的污染。
送丝性能也是许多镀铜焊丝的一个弱点。在焊接过程中，焊丝表面铜屑会脱落，堆积起来从而导致送丝异常和停工。为了避免这个问题，20世纪80～90年代，许多焊材供应商推出无镀铜焊丝，然而由于种种原因，没有被市场接受，例如易锈蚀、导电嘴磨损严重等[1]。经过多年的发展进步，如今的无镀铜焊丝生产工艺已基本趋于成熟。
基于对无镀铜焊丝的焊接工艺及电弧特性进行大量测试，并对测试结果进行解标准差及相对标准差并对其工艺性能进行分析，结果表明无镀铜焊丝在抗锈性、飞溅率、烟尘量、导电嘴磨损方面均具有较优异的性能。
1.1 试验材料
试验用ER50-6N无镀铜焊丝，焊丝直径为φ1.2 mm，其化学成分及力学性能见表1和表2。
表1 试验用ER50-6N无镀铜焊丝化学成分(质量分数，%)
CSiCuMnSPCrNiMoV0．100．910．0031．450．0120．0110．010．004<><>
表2 试验用ER50-6N无镀铜焊丝力学性能
抗拉强度屈服强度断后伸长率冲击吸收能量Rm/MPaRp0．2/MPaA(%)KV2(-30℃)/J5484492897
1.2 焊接设备及焊接工艺参数
试验用焊接设备采用TransPuls Synergic 4000 Fronius 型数字化焊机，配合焊接机器人使用。焊接工艺参数见表3。试验方法参照团体标准T/CWA 0001—2016[2]及国家标准GB/T 25776—2010[3]。
表3 焊接工艺参数
焊接电流电弧电压焊丝伸出焊接速度气体流量I/AU/V长度l/mmv/(mm·s-1)Q/(L·min-1)2703020615
2.1 飞溅率试验
将尺寸为300 mm×50 mm×20 mm的低碳钢板放置在厚度大于3 mm的紫铜板上，在紫铜板上放置一个用约1 mm厚的紫铜薄板围成的高400 mm的圆筒，其周长为1 500～2 000 mm，以防止飞溅物散失。试验在圆筒内进行,在试板上焊接三道，每道长280 mm，两个焊道相距10 mm以上，焊接过程中焊枪应尽量不摆动。焊前称量焊丝质量，焊后再称量焊丝质量、飞溅物质量，称量精确至0.01 g，按公式(1)计算飞溅率。
S =
(1)
式中：
S —— 飞溅率，%；
M ——飞溅物总质量，单位为克(g);
M1 —— 焊丝焊前重量，单位为克(g);
M2 —— 焊丝焊后重量，单位为克(g);
2.2 导电嘴磨损试验
试验选用铬锆铜材质的导电嘴；试验在两块尺寸为300 mm×200 mm×20 mm低碳钢板上进行，在每块试板上焊接十道，每道长280 mm，焊接过程中焊枪应尽量不摆动。
焊前称量导电嘴重量，焊后再称量导电嘴重量，称量精确至0.01 g，按公式(2)计算导电嘴磨损率。
P =
(2)
式中：
P —— 导电嘴磨损率，%；
M1 —— 焊前导电嘴重量，单位为克(g);
M2 —— 焊后导电嘴重量，单位为克(g)
2.3 发尘量试验
焊接发尘量试验采用抽气捕集法进行。试验装置为一个直径约为500 mm，高约600 mm，体积约为0.12 m3的半封闭容器，其示意图见图1。
1-冷却水，2-试板，3-U型水压计，4-观察孔，5-筒体，6-大锥体，7-滤纸和铜网，8-小锥体，9-胶管，10-流量计，11-二通活塞，12-真空泵
图1 焊接发尘量收集装置
试板尺寸为300 mm×200 mm×20 mm。每组试验焊接三道，每道长280mm，两个焊道间距10 mm以上, 试验前称量焊丝质量，精确至0.1 g。将三张慢速定量滤纸及装有约5 g脱脂棉的纸袋同时放入干燥皿中干燥2 h以上，然后分别迅速用1/10 000分析天平称量质量。试验前擦净测尘装置的筒体和大小锥体的内壁，然后用吹风机吹干。
将试板及焊枪放在筒体内，然后将一张滤纸放在小锥体开口处的铜网下面并紧固大小锥体。接通冷却水，开动真空泵，打开二通活塞，抽气量调节到5 m3/h，观察U型水压计的水压差是否正常，筒体内应为负压，然后进行施焊。焊接过程中，焊枪应尽量不摆动。停焊后继续抽气5 min，关闭二通活塞，打开小锥体取下集尘滤纸折叠后单独放在小纸袋中保存。用称过质量的少量脱脂棉擦净小锥体内壁的尘，将带尘的棉花放回原处。重复上述操作，焊完三道后打开小锥体帽，用剩余的脱脂棉擦净大筒体和大小锥体内壁上的尘，将带尘的棉花放回原处。为了避免混入飞溅颗粒，大筒体下部180 mm处以下不擦。
将带尘脱脂棉及滤纸一同放入干燥皿中，干燥时间与称量原始质量前的干燥时间相同，然后进行第二次称重，并称量焊后焊丝的重量。按公式(3)计算焊接发尘量。
F =
(3)
式中：
F —— 焊接发尘量；
Δg1 —— 三张滤纸集尘前后质量差，单位为克(g);
Δg2 —— 脱脂棉集尘前后质量差，单位为克(g);
Δg3 —— 焊丝焊接前后质量差，单位为克(g);
2.4 抗锈性试验
将焊丝盘最外层焊丝放掉后放置在工作仓尺寸为350 mm×400 mm×500 mm的恒温恒湿箱中，将其工作环境设置为温度(45±1)℃，相对湿度(85±1)%，工作时间设置为72 h；在恒温恒湿箱工作仓中，焊丝应放置在非金属托盘上，以隔绝由于缓霜在工作仓底部形成的水，并避免焊丝直接接触安置在工作仓上方的水蒸气释放口，72 h后观察最外层焊丝锈蚀部分面积占最外层焊丝总面积的比例即锈蚀率G(%)。
3.1 飞溅率试验结果及分析
表4及图2a列出了飞溅率试验结果：无镀铜焊丝飞溅率稳定，均没超过5%。无镀铜焊丝在焊接过程中，熔滴更为细小，大颗粒飞溅也少。焊丝由于无镀铜，氧易于浸入熔滴，使熔滴表面张力减小。而由于焊接电弧稳定及熔滴细小，熔滴过渡也更为规则，大颗粒飞溅将急剧减少。通过高速摄像观察表明，无镀铜焊丝熔滴过渡频率高、规则性好，且熔滴细小，无镀铜焊丝端头上脱离的熔滴直径更小，这也正是飞溅减少的原因。
3.2 导电嘴磨损试验结果及分析
表4及图2b列出了导电嘴磨损率试验结果，可以看出，导电嘴磨损量较小，这是由于无镀铜焊丝表面没有镀铜层，从而减少了导电嘴与镀铜层之间的摩擦。同时也没有铜屑的堵塞，保证了送丝过程的稳定性。
3.3 发尘量试验结果及分析
表4及图2c列出了发尘量试验结果，试验结果离散型很小，趋于集中。实心焊丝焊接烟尘中主要物质是金属氧化物和金属蒸气,焊接过程中的烟雾大多数来自于填充金属，因此焊丝表面镀的铜不可避免在焊接过程中的形成焊接烟尘,成为烟尘中的主要且有毒物质。
3.4 抗锈性试验结果及分析
表4及图2d列出了抗锈性试验结果，试验结果同样离散型很小，均在40%左右。实心焊丝表面镀铜主要是为了防锈，但在实际使用过程中发现镀铜焊丝的防锈性能并不理想。经仔细观察常常看到镀铜焊丝腐蚀是从镀铜层下的铁基表面首先开始的,在外部镀铜层形成的点状锈斑下早已有更大的锈斑。造成这种情况的根本原因在于镀铜层不仅不能防止铁基焊丝发生电化学腐蚀,反而会加剧这种趋势。Cu(Cu2+/Cu)的标准电极电位为0.337 V，而Fe的(Fe2+/Fe)的电极电位为-0.440 2 V，前者比后者高0.777 2 V，一旦发生电化学腐蚀，Fe反而会优先腐蚀。因此表面镀铜仅仅相当于一种机械保护层，只有在焊丝表面致密无孔的条件下才能达到防锈目的。
表4 焊接工艺性能测试结果
项目平均值X标准差S相对标准差S/X飞溅率4．090．409．79%导电嘴磨损率0．080．0225．00%发尘量0．880．077．95%抗锈性试验44511%
图2 焊接工艺性能测试结果
(1)无镀铜焊丝具有焊接飞溅率低、焊接烟尘小且无铜烟尘、导电嘴磨损率小、抗锈性优异等优点，且无镀铜焊丝生产过程无镀铜工序，减轻对环境的污染。
(2) 经过对无镀铜焊丝的焊接工艺评价测试方法的试验验证，该方法可以应用到对无镀铜焊丝焊接工艺性的测试。
参考文献
[1] Frant Tessin Bruno Schwarz. 无镀铜焊丝引领未来的焊接技术[C].钢结构焊接国际论坛,2006:105-109.
[2] 中国焊接协会.无镀铜焊丝：第3部分：分类和型号：T/CWA 0001—2016[S].北京:中国标准出版社，2016:12.
[3] 全国焊接标准化技术委员会. 焊接材料焊接工艺性能评定方法：第3部分：评定方法：GB/T 25776—2010[S].北京：中国标准出版社，2011:6.
方乃文简介： 1987年出生，硕士研究生，工程师；主要从事团体标准制修订、有色金属焊接材料研发及其焊接工艺，已发表论文15篇；naiwen20@163.com。
The research of non-copper coated wire welding process performance quantitative analysis
Fang Naiwen1 , Lin Xiaohui2, Ma Qingjun1, Chang Jingshu1
(1.Harbin Welding Institute, Harbin 150028,China 2. Harbin Modern Productivity Center For Welding, Harbin 150028,China )
Abstract: Taking the ER50-6N non-copper coated wire as the research object，the performances of welding spatter, tip abrasion, generating dust and rust-resisting property are quantitatively determined.The influence of electroless copper process on welding performance is evaluated by solving standard deviation and relative standard deviation.The experimental results show that the non-copper coated process has the characteristics of litter spatter, lower welding fume, less tip abrasion and excellent rust-resisting property，etc. And this method can objectively evaluate the non-copper welding process.
Key words: non-copper coated wire; spatter; tip abrasion; rust-resisting; welding fume
中图分类号： TG 422.3
收稿日期： 2016-12-06
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