專利名稱：等離子涂層連續(xù)焊條的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種焊接材料，特別是用于自動(dòng)或半自動(dòng)電弧焊的等離子涂層連續(xù)焊條。
普通的電弧焊過(guò)程都會(huì)伴隨等離子流的產(chǎn)生，同時(shí)也會(huì)有一些微弱的等離子效應(yīng)。若要獲得強(qiáng)大的等離子流并進(jìn)行等離子弧焊接，則必須大幅度提高電弧弧柱的單位面積功率，即弧柱的能量密度，使之達(dá)到105～106W/cm2。而普通電弧焊的能量密度僅有103～104W/cm2。顯然，要提高弧柱的能量密度，最有效的手段就是縮小弧柱的截面積，將原來(lái)呈發(fā)散狀態(tài)的粗大電弧柱壓縮為集中狀態(tài)的微細(xì)電弧柱。由于普通電弧的溫度高達(dá)4000℃，等離子弧的溫度則更高，任何固體物質(zhì)都會(huì)被其熔化，因此壓縮電弧在工業(yè)實(shí)施過(guò)程中存在極大的困難。
目前比較成功地獲得強(qiáng)大等離子流并已形成工業(yè)化焊接設(shè)備的方法是在沿著電弧的發(fā)射方向設(shè)置一個(gè)帶水套冷卻的噴嘴，讓壓縮氣體和電弧強(qiáng)迫通過(guò)這個(gè)噴嘴噴出，達(dá)到利用氣體來(lái)壓縮電弧并誘發(fā)電弧冷收縮和磁收縮的目的。
這種方法雖然應(yīng)用已久，但是在焊接過(guò)程中特別是中厚板的焊接上依然存在許多嚴(yán)重問(wèn)題，目前社會(huì)公認(rèn)的缺陷和弊端有1、起約束電弧作用的噴嘴由于受高能等離子弧的熱影響，極易燒壞，使用壽命大大縮短。
2、對(duì)噴嘴的構(gòu)造、鎢極的安裝要求很高，否則容易產(chǎn)生雙弧弊端，導(dǎo)致焊絲與鎢極、噴嘴之間的短路。
3、由于熔化極與等離子弧電極不能合二為一，為了產(chǎn)生強(qiáng)烈的等離子弧和添加填充金屬，必須配置下降特性和平特性兩套獨(dú)立電源。
4、供氣系統(tǒng)龐大。為了保證焊接時(shí)既能形成強(qiáng)大的等離子弧，又能保護(hù)焊接區(qū)域，必須提供焊接和保護(hù)兩條供氣線路，隨之又帶來(lái)了供氣安全問(wèn)題。
5、整個(gè)焊槍結(jié)構(gòu)及電氣控制線路復(fù)雜，費(fèi)用昂貴。
認(rèn)真分析前面所述的現(xiàn)有等離子焊接設(shè)備的缺點(diǎn)，不難發(fā)現(xiàn)其癥結(jié)問(wèn)題都是由于“氣體壓縮電弧”而引起。假若不利用“氣體壓縮”而直接運(yùn)用固體噴嘴壓縮電弧的話，不但使一切弊病和缺點(diǎn)徹底解決，同時(shí)也使等離子流形成過(guò)程大大簡(jiǎn)化。
那么用什么固體材料做成的噴嘴能經(jīng)受得起4000℃高溫電弧的沖擊？顯然靜態(tài)的固體是不存在的。
本發(fā)明的目的就是提供一種利用固體相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理制造出來(lái)的等離子涂層連續(xù)焊條，采用這種焊條進(jìn)行等離子焊接時(shí)，在焊條端部會(huì)自動(dòng)形成一個(gè)不斷消耗的、但又是連續(xù)穩(wěn)定的等離子動(dòng)態(tài)固體噴嘴，它可以根治由于氣體壓縮電弧所帶來(lái)的一切弊病，同時(shí)又能徹底解決等離子弧源和填充金屬電源不能合一的嚴(yán)重缺陷。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的與普通的連續(xù)涂層焊條的區(qū)別特征是焊條藥皮與焊芯的熔點(diǎn)比為0.90～1.05，重量比為0.9～1.1，而且該種等離子涂層連續(xù)焊條的電接點(diǎn)節(jié)距被控制在20～40mm之間。
使用該種焊條，在焊接時(shí)焊條端部會(huì)自動(dòng)形成由藥皮組成的、其長(zhǎng)度為焊芯直徑的1.1～2.5倍的不斷消耗且又連續(xù)穩(wěn)定的固體電弧噴嘴，而電接點(diǎn)節(jié)距長(zhǎng)度的控制使得焊接電流進(jìn)一步提高，因而本發(fā)明既保留了普通電弧焊的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又利用自耗的藥皮噴嘴代替焊槍噴嘴，實(shí)現(xiàn)自熔電極的等離子弧焊，簡(jiǎn)化了焊接電源及控制線路，省略了供氣供水系統(tǒng)，消除等離子焊接設(shè)備長(zhǎng)期以來(lái)無(wú)法克服的嚴(yán)重缺點(diǎn)。
下面結(jié)合附圖對(duì)如何實(shí)現(xiàn)本發(fā)明作詳細(xì)闡述

圖1為等離子涂層連續(xù)焊條結(jié)構(gòu)示意圖2為等離子涂層連續(xù)焊條焊芯熔化速度曲線圖；圖3為等離子涂層連續(xù)焊條藥皮噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為Φ1.4mm的等離子涂層連續(xù)焊條焊芯熔化速度曲線圖；圖5為Φ1.4mm的等離子涂層連續(xù)焊條藥皮熔化速度曲線圖。
圖1所示的結(jié)構(gòu)中，d為焊芯直徑，D為焊條外徑，L為電接點(diǎn)節(jié)距，Vf為外施電弧電壓；并定義If為電弧電流，G1為焊芯重量，G2為藥皮重量，K1、K2分別為焊芯和藥皮的熔點(diǎn)。
假設(shè)在Vf的作用下，焊芯的熔化速度為f(v1)，藥皮的熔化速度為f(v2)，顯然f(v1)必須是滿足焊接工藝規(guī)范的要求的，通常在焊接電流恒定的情況下，f(v1)基本上是一條水平的直線，唯在通過(guò)電接點(diǎn)時(shí)稍有波動(dòng)，如圖2所示。而藥皮的熔化速度f(wàn)(v2)在滿足焊接工藝條件的基礎(chǔ)上，還受兩個(gè)物理特性的影響而發(fā)生變化①眾所周知，藥皮是由多種礦物質(zhì)、鐵合金、巖石和有機(jī)物等成份組成的混合物，這種混合物的熔點(diǎn)K2隨其配方的不同而不同，因此在滿足指定焊接工藝規(guī)范的基礎(chǔ)上，可以通過(guò)調(diào)整配方來(lái)獲得各種不同的熔點(diǎn)；而藥皮熔點(diǎn)的高低，會(huì)直接影響藥皮的熔化速度。
②藥皮的重量G2也是直接影響藥皮熔化速度的重要物理因素。
前面所述靜態(tài)的電弧固體噴嘴是不可能存在的，然而讓藥皮的熔化速度f(wàn)(v2)按特定的規(guī)律滯后于焊芯的熔化速度f(wàn)(v1)，則兩者相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度差值，必然會(huì)由藥皮自動(dòng)形成一個(gè)固體的噴嘴，如圖3所示，其噴嘴長(zhǎng)度為H，噴嘴端部截面直徑為d1。
通過(guò)對(duì)各種類型的涂層連續(xù)焊條的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在藥皮配方時(shí)，若使藥皮的熔點(diǎn)K2＝(0.90～1.05)K1，同時(shí)使其重量G2＝(0.9～1.1)G1，則藥皮的熔化速度f(wàn)(v2)和焊芯的熔化速度f(wàn)(v1)的差值會(huì)形成一個(gè)長(zhǎng)度為(1.1～2.5)d的穩(wěn)定的藥皮噴嘴。
以Φ1.4mm的等離子涂層連續(xù)焊條為例，當(dāng)Vf＝60V，If＝200A時(shí)，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)可以得到如圖4和圖5所示形狀的速度曲線，其中藥皮的熔化速度曲線是一條受焊條電接點(diǎn)影響的周期函數(shù)曲線，其周期T隨電接點(diǎn)節(jié)距的不同而變化，t2是形成藥皮噴嘴的時(shí)間。將兩圖曲線相減，可得藥皮噴嘴長(zhǎng)度HH=(∫otf(v1)dt-∫otf(v2)dt)/|t/T|]]>當(dāng)K2＝0.98K1，G2＝G1時(shí)，根據(jù)曲線計(jì)算所得的H＝2.6mm，約為焊芯直徑d的1.85倍，實(shí)際測(cè)得的藥皮噴嘴長(zhǎng)度平均為2.5mm；當(dāng)K2＝0.90K1，G2＝0.9G1時(shí)，根據(jù)曲線計(jì)算所得的H＝1.6mm，約為焊芯直徑d的1.1倍，實(shí)際測(cè)得的藥皮噴嘴長(zhǎng)度平均為1.5mm；當(dāng)K2＝1.05K1，G2＝1.1G1時(shí)，根據(jù)曲線計(jì)算所得的H＝3.5mm，約為焊芯直徑d的2.5倍，實(shí)際測(cè)得的藥皮噴嘴長(zhǎng)度平均為3.5mm；實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算值均相接近或相等。其余規(guī)格的焊條試驗(yàn)結(jié)果均如此。
綜上所述，只要將藥皮與焊芯的熔點(diǎn)比控制在0.90～1.05，重量比控制在0.9～1.1，藥皮的噴嘴長(zhǎng)度就能始終穩(wěn)定在(1.1～2.5)d的范圍內(nèi)，只有這樣的噴嘴才能保證具有很好的電弧壓縮的發(fā)射直線度。象普通的連續(xù)涂層焊條，雖然也能在焊接時(shí)形成微小的固體噴嘴，但因噴嘴長(zhǎng)度過(guò)小，電弧呈發(fā)散狀態(tài)，噴嘴不能壓縮電弧以集中能量；另一方面，如果噴嘴長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，電弧就不能連續(xù)穩(wěn)定燃燒。
那么由此噴嘴壓縮的電弧能量密度是否能達(dá)到等離子焊接的技術(shù)要求呢？首先焊條的電接點(diǎn)節(jié)距要控制在20～40mm之間，使焊條能實(shí)現(xiàn)大電流焊接。
仍以Φ1.4mm的等離子涂層連續(xù)焊條為例，當(dāng)電接點(diǎn)間節(jié)距選擇為38.1mm，最大焊接電流可達(dá)250A以上，取Vf＝60V，If＝200A，焊條噴嘴直徑d1為1.8mm，根據(jù)電弧能量密度近似公式計(jì)算p=VfIf/S=4VfIf/πd12]]>＝4×60×200/[3.14×(1.8×10-1)2]＝4.8×105W/cm2計(jì)算結(jié)果表明這種固體等離子噴嘴壓縮電弧的效果是很好的。
本發(fā)明僅對(duì)藥皮的配方、重量和電接點(diǎn)間節(jié)距作了進(jìn)一步限制，卻使連續(xù)涂層焊條上升為等離子涂層連續(xù)焊條，實(shí)現(xiàn)了涂層焊條的等離子弧焊。
權(quán)利要求
1.一種用于連續(xù)電弧焊的等離子涂層連續(xù)焊條，包括焊芯和包覆其外的藥皮，單根長(zhǎng)度大于0.5米，每隔一定長(zhǎng)度節(jié)距處開(kāi)制電接點(diǎn)，便于導(dǎo)電，其特征在于所述的焊條藥皮與焊芯的熔點(diǎn)比為0.90～1.05，重量比為0.9～1.1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子涂層連續(xù)焊條，其特征在于所述的電接點(diǎn)間節(jié)距為20～40mm。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種等離子涂層連續(xù)焊條，焊條藥皮與焊芯的熔點(diǎn)比為0.90～1.05，重量比為0.9～1.1，電接點(diǎn)間節(jié)距為20～40mm，在焊接過(guò)程中藥皮噴嘴長(zhǎng)度H穩(wěn)定在焊芯直徑的1.1～2.5倍之間，自動(dòng)形成一個(gè)不斷消耗但又是連續(xù)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)固體噴嘴，實(shí)現(xiàn)了小電流普通電弧焊，大電流等離子弧焊的焊接方式，從而根治了由于氣體壓縮電弧所帶來(lái)的一切弊端，同時(shí)又解決了等離子弧源和填充金屬電源不能合一的嚴(yán)重缺陷。
文檔編號(hào)B23K35/22GK1144148SQ9510440
公開(kāi)日1997年3月5日 申請(qǐng)日期1995年4月14日 優(yōu)先權(quán)日1995年4月14日
發(fā)明者倪雪豐, 倪建明 申請(qǐng)人:倪雪豐, 倪建明