焊絲直徑對鋁合金焊接的影響

ROB KRAUSE

有多少制造商不希望在給定時間內增加產量呢? 明顯沒有多少，甚至根本沒有。幾乎從未考慮增加產能的方法是采用更大直徑的鋁合金焊絲。經過一系列技術討論，表明選用具有高導電性和高熱導率的鋁絲比其他一些金屬材料更具優勢。焊接鋁合金面板的自動焊接系統如圖1所示。

1.焊絲直徑的影響

增加焊絲直徑的優點：有更好的熔合性和焊透性、可增加焊接速度，同時具有更高的熔敷效率、更低的性價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極大地影響焊絲體積和其他焊接參數是非常重要的。

AWS A5.10/A5.10M：2012《鋁及鋁合金焊接的電極、焊絲以及焊條》分類中規定，鋁合金G M A W焊接時焊絲直徑的公差是+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），但實際上這將導致顯著的體積變化。表1表明了不同焊絲直徑的變化對體積的影響以及對焊接參數的影響。

現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優勢的一些實例。

圖1 焊接鋁合金面板的自動焊接系統

表1 焊絲直徑公差變化對于焊縫金屬的熔敷及焊絲直徑對于各種焊接參數的影響

例如：為了獲得使用不同焊絲直徑時表面焊縫的尺寸，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獲得相同的熔覆效率。基于我們使用設備的焊接速度限制，選擇以0.094in（2.4mm）的焊絲作為基準。調整其他三種直徑焊絲的參數，使表面焊縫尺寸盡可能接近基準。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，筆者將在后文對電流的增加進行詳細的論述。

當不需要焊接更快，但需要更大的焊縫時，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為當焊接速度保持恒定時焊絲直徑對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，簡單的回答就是電流等于熔透。因此，當增加焊絲直徑時，電流（熔透）隨之增加。當然，實際上通常不是這么簡單，當更多的焊絲熔入焊縫，必須注意焊縫熔池熄弧概率的增加，這將對熔透具有一些負面影響。避免這種現象的關鍵是確保焊絲一直處于焊縫熔池的邊緣（見圖3），可以通過增加焊接速度，輕微地增加推進角度，或者使焊縫輕微向上（對于平、橫和仰焊位置）。表4列出了試驗樣品的實際熔深。

前面提到的最后兩個優點不需要深入的解釋。基本上，產生相同重量的合金需要較小的工作量，因此其導致較低的成本。焊絲直徑增加也提高了送絲性能，因為粗的焊絲剛性更大，當其通過驅動輪和支撐墊時只允許更小的偏轉。任何使用過鋁合金GMAW焊絲的人都知道在某一合金和直徑情況下，送絲性能是一個重大問題。

2.因素限制

當進行改變時通常會產生限制或者可能的缺點。第一個要討論的要點是設備的容量。在本文討論的例子中，使用的是φ0.047in（φ1.2mm）的5356合金焊絲。對于引用的實驗室測試數據，試驗焊縫的平均電流為220A。對于相似尺寸的焊縫，采用φ0.062in（φ1.6mm）的5356合金焊絲，平均電流提高到274A。這兩種情況均不會對400A容量的設備帶來問題，但是對于額定容量為300A的設備在100%占空比的情 況下將會帶來問題。焊接速度增加的結果就是總的熱輸入不會顯著增加，但是因為電流的增加將需要更大容量的設備。

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。對于相對較短的焊縫，這將不是一個問題，但是對于大多數生產中的焊縫，當使用φ0.062in（φ1.6mm）或更大直徑時，可能需要考慮選擇水冷焊槍。值得注意的是，大多數基于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，額定電流值會顯著減少。當一個制造商使用基于CO2的焊槍時，焊接電流為400A，而焊接基于Ar氣時只需要260A。

另一個不那么明顯的限制是焊接速度。當表面焊縫尺寸保持固定，增加焊絲直徑的結果就是增加生產效率，那么焊接速度也必須增加。對于機器人或者自動焊接設備這將不是問題，但是對于手工操作的焊工，這可能需要培訓使其焊接速度更快，可能要快30%左右。

基于安全的考慮，焊槍的發熱也值得考慮。對于機器人或者自動焊接設備這將不是問題，但是對于手工操作的焊工，焊工手套的預防燙傷也是非常重要的。

最后一個需要關注的是實際的焊件。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，如果使用的設備帶有脈沖功能，將會降低焊接平均電流和焊接熱輸入。

3.結語

鋁的應用越來越廣泛，導致越來越多的公司開展鋁焊接業務。為了保持競爭力，企業必須不斷尋找保持領先的競爭方式。鋁的物理和力學性能使其成為一個獨特的金屬，其差異性可幫助企業保持競爭優勢，以及提高其性能和生產效率。提高焊絲的直徑可以是一個相對簡單的方法，但它僅是整個焊接過程中需要改進的一個方面。20140418