背景技術(shù)：

電弧焊接是一種重要的熱加工工藝，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。根據(jù)焊接電極是否熔化，可分為非熔化極焊接方法(如鎢極氬弧焊、等離子弧焊接等)和熔化極焊接方法(如焊條電弧焊、埋弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊等)。其中埋弧焊和熔化極氣體保護(hù)焊接采用自動(dòng)裝置送進(jìn)焊絲，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，在生產(chǎn)中得到越來越廣泛地應(yīng)用。

在熔化極焊接時(shí)，焊絲作為一個(gè)電極，工件(母材)作為一個(gè)電極，兩個(gè)電極之間建立焊接電弧，利用電弧產(chǎn)生的熱量熔化母材及焊絲形成熔池，隨著熔池的凝固形成焊縫，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)部件的連接。目前熔化極焊接過程中，焊絲可分為實(shí)心焊絲和藥芯焊絲兩種，其中應(yīng)用廣泛的是實(shí)心焊絲，它是通過拉絲工藝制成的，焊絲截面是均勻的。

在熔化極焊接過程中，如何保證焊接電弧的穩(wěn)定，控制焊絲熔化產(chǎn)生的熔滴平穩(wěn)地過渡到熔池中，一直是焊接工作者面臨的問題。雖然采用了一些控制方法，如焊接電流波形控制、焊接電弧保護(hù)氣氛控制、焊絲回抽控制等，大部分都不是很理想。也有一些控制方法取得了較好的效果，如冷金屬過渡(cmt)工藝，利用焊接電流與焊絲回抽聯(lián)合控制，很好地控制了熔滴過渡，但帶來的是復(fù)雜的控制系統(tǒng)、較多的工藝參數(shù)以及高昂的成本，導(dǎo)致這些工藝不能很好地推廣應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決目前熔化極焊接方法中熔滴很難平穩(wěn)地過渡到熔池，以及控制系統(tǒng)復(fù)雜、工藝參數(shù)復(fù)雜和高昂的成本的技術(shù)問題，而提供一種用于熔化極焊接的變截面實(shí)心焊絲。

本發(fā)明的一種用于熔化極焊接的變截面實(shí)心焊絲是由多個(gè)細(xì)徑段和多個(gè)粗徑段組成，細(xì)徑段和粗徑段交替連接在一起，所述的細(xì)徑段和粗徑段均是圓柱體，且所有的細(xì)徑段尺寸一樣，所有的粗徑段尺寸一樣，細(xì)徑段和粗徑段的材質(zhì)相同；

對于熔化極氣體保護(hù)焊接，取導(dǎo)電嘴的下端面和實(shí)心焊絲的中軸線的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)o，沿實(shí)心焊絲的送進(jìn)方向建立一維坐標(biāo)系x軸，所述的用于熔化極焊接的變截面實(shí)心焊絲滿足下式：

x為實(shí)心焊絲中軸線上的點(diǎn)距離原點(diǎn)o的距離，單位是mm；

t(x)為x點(diǎn)的焊絲溫度，單位是℃；

e為自然常數(shù)；

α是實(shí)心焊絲的電阻溫度系數(shù)，單位是℃^-1；

t0是室溫，為25℃；

其中σ0為室溫下實(shí)心焊絲的電阻率，單位是mm·ω；c是實(shí)心焊絲材料的比熱，單位是j/(g·℃)；ρ是實(shí)心焊絲材料的密度，單位是g/mm³；

v是送絲速度，單位是mm/s；

j是電流密度，單位是a/mm²，j＝i/s，i是通過實(shí)心焊絲的電流即焊接電流，s是實(shí)心焊絲的橫截面積；

且t(b)≥t熔＞t(c)，b點(diǎn)為最遠(yuǎn)離導(dǎo)電嘴的細(xì)徑段在中軸線上所截線段的中點(diǎn)，c點(diǎn)為最遠(yuǎn)離導(dǎo)電嘴的粗徑段在中軸線上所截線段的中點(diǎn)，t熔為實(shí)心焊絲的熔點(diǎn)；

對于b點(diǎn)：xb＝l0-l2-0.5×l1；對于c點(diǎn)：xc＝l0-0.5×l2，l0為實(shí)心焊絲的干伸長長度，l2為粗徑段的長度，l1為細(xì)徑段的長度；

焊絲干伸長長度是指焊絲端部至導(dǎo)電嘴端部的距離。

在實(shí)心焊絲的穩(wěn)定送進(jìn)過程中，實(shí)心焊絲的溫度達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)，即焊絲的溫度只與位置x有關(guān)，與時(shí)間無關(guān)。

本發(fā)明提出一種變截面的實(shí)心焊絲，使其在焊接過程中熔化后能夠形成均勻一致的熔滴并過渡到熔池中，有利于焊接過程的穩(wěn)定和焊接質(zhì)量的提高。

本發(fā)明的原理：

進(jìn)行熔化極氣體保護(hù)焊接時(shí)，在干伸長焊絲部分，在流過焊絲的焊接電流作用下，將產(chǎn)生電阻熱，成為熔化焊絲熱量的一部分。在本發(fā)明提出的變截面實(shí)心焊絲的情況下，通過合理設(shè)計(jì)變截面處焊絲的截面積和長度，可以使焊絲干伸長部分的電阻主要集中在小截面處，使得在該處產(chǎn)生的電阻熱增加，溫度升高到超過焊絲熔點(diǎn)而熔化，同時(shí)使下段焊絲溫度升高并離開焊絲，在電弧熱的作用下形成熔滴過渡到熔池中，隨著焊絲的送進(jìn)，電弧將跳至焊絲段脫落處，隨后將重復(fù)上述過程，形成穩(wěn)定的熔滴過渡過程。

本發(fā)明的上述公式的獲得過程如下：

實(shí)心焊絲靠電阻熱qr預(yù)熱，實(shí)現(xiàn)實(shí)心焊絲內(nèi)能q內(nèi)的增加。由于焊絲的比熱容隨溫度變化很小，如h08crmnva焊絲的比熱容隨溫度變化系數(shù)為10^-4數(shù)量級(jí)，為了簡化熱絲溫度場的解析式，便于理解，本發(fā)明認(rèn)為比熱容為常數(shù)，且不考慮電弧對焊絲的熱作用。

任取實(shí)心焊絲中軸線上某處x及其前進(jìn)端微元dx，實(shí)心焊絲的預(yù)熱溫度就是在電阻熱的作用下產(chǎn)生的。在dt時(shí)間內(nèi)dx段微元體所滿足的瞬態(tài)熱平衡方程為：

qr＝q內(nèi)(1)

根據(jù)焦耳定律，通過實(shí)心焊絲電流為i，實(shí)心焊絲電阻率為σ，實(shí)心焊絲橫截面積為s的微元體在dt時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電阻熱qr滿足：

在dt時(shí)間內(nèi)，微元體內(nèi)能增量q內(nèi)滿足：

q內(nèi)＝cρsdxdt(3)

式中：c——實(shí)心焊絲材料的比熱；

ρ——實(shí)心焊絲材料的密度；

根據(jù)v＝dx/dt，v是送絲速度，和式(1)瞬態(tài)熱平衡方程，可得：

記j＝i/s，即j表示實(shí)心焊絲電流密度，可得電阻加熱實(shí)心焊絲所得預(yù)熱溫度所滿足：

實(shí)心焊絲的電阻率隨溫度變化關(guān)系為：

σ(t)＝σ0(1+αt)(6)

σ0為25℃下實(shí)心焊絲的電阻率，令將式(6)代入式(5)得：

根據(jù)初始條件t(t＝0)＝t0，得：

式(8)表示了電阻熱作用下的實(shí)心焊絲預(yù)熱溫度的表達(dá)式。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

與常規(guī)的實(shí)心焊絲相比，本發(fā)明的用于熔化極焊接的變截面實(shí)心焊絲會(huì)帶來以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：

1、匹配合適的焊接參數(shù)，在不采用其他控制措施的條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)熔滴過渡的穩(wěn)定和精確控制，從而使焊接過程穩(wěn)定，提高焊接質(zhì)量；

2、本發(fā)明的實(shí)心焊絲能夠降低熔滴的溫度，與常規(guī)焊絲相比，一般可降低200℃～300℃，從而能夠減少焊接過程中的合金燒損，提高焊縫質(zhì)量；

3、由于熔滴溫度降低，焊接熔池溫度也會(huì)降低，會(huì)改善焊接熔池的冶金過程，降低氣體的溶解量，進(jìn)而減少焊接氣孔等缺陷；

4、對于粗焊絲，采用變截面設(shè)計(jì)之后，能夠改善焊絲柔韌性，降低粗焊絲的剛性，有利于粗焊絲的纏繞和送進(jìn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的用于熔化極焊接的變截面實(shí)心焊絲在進(jìn)行熔化極氣體保護(hù)焊接時(shí)的示意圖，1為送絲機(jī)，2為用于熔化極焊接的變截面實(shí)心焊絲，3為導(dǎo)電嘴，4為氣體保護(hù)噴嘴，5為保護(hù)氣體，6為焊絲的干伸長部分，7為電弧，8為焊接電源，9為工件；

圖2為試驗(yàn)一的用于熔化極焊接的變截面實(shí)心焊絲在進(jìn)行熔化極氣體保護(hù)焊接時(shí)的局部示意圖，3為導(dǎo)電嘴，8為焊接電源，2-1為用于熔化極焊接的變截面實(shí)心焊絲的細(xì)徑段，2-2為用于熔化極焊接的變截面實(shí)心焊絲的粗徑段。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：本實(shí)施方式為一種用于熔化極焊接的變截面實(shí)心焊絲，具體是由多個(gè)細(xì)徑段和多個(gè)粗徑段組成，細(xì)徑段和粗徑段交替連接在一起，所述的細(xì)徑段和粗徑段均是圓柱體，且所有的細(xì)徑段尺寸一樣，所有的粗徑段尺寸一樣，細(xì)徑段和粗徑段的材質(zhì)相同；

對于熔化極氣體保護(hù)焊接，取導(dǎo)電嘴的下端面和實(shí)心焊絲的中軸線的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)o，沿實(shí)心焊絲的送進(jìn)方向建立一維坐標(biāo)系x軸，所述的用于熔化極焊接的變截面實(shí)心焊絲滿足下式：

x為實(shí)心焊絲中軸線上的點(diǎn)距離原點(diǎn)o的距離，單位是mm；

t(x)為x點(diǎn)的焊絲溫度，單位是℃；

e為自然常數(shù)；

α是實(shí)心焊絲的電阻溫度系數(shù)，單位是℃^-1；

t0是室溫，為25℃；

其中σ0為室溫下實(shí)心焊絲的電阻率，單位是mm·ω；c是實(shí)心焊絲材料的比熱，單位是j/(g·℃)；ρ是實(shí)心焊絲材料的密度，單位是g/mm³；

v是送絲速度，單位是mm/s；

j是電流密度，單位是a/mm²，j＝i/s，i是通過實(shí)心焊絲的電流即焊接電流，s是實(shí)心焊絲的橫截面積；

且t(b)≥t熔＞t(c)，b點(diǎn)為最遠(yuǎn)離導(dǎo)電嘴的細(xì)徑段在中軸線上所截線段的中點(diǎn)，c點(diǎn)為最遠(yuǎn)離導(dǎo)電嘴的粗徑段在中軸線上所截線段的中點(diǎn)，t熔為實(shí)心焊絲的熔點(diǎn)；

對于b點(diǎn)：xb＝l0-l2-0.5×l1；對于c點(diǎn)：xc＝l0-0.5×l2，l0為實(shí)心焊絲的干伸長長度，l2為粗徑段的長度，l1為細(xì)徑段的長度。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：所述的用于熔化極焊接的變截面實(shí)心焊絲為h08crmnva焊絲。其他與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一或二不同的是：所述的用于熔化極焊接的變截面實(shí)心焊絲為h08mn2si焊絲。其他與具體實(shí)施方式一或二相同。

具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至三之一不同的是：所述的用于熔化極焊接的變截面實(shí)心焊絲為h13crmoa焊絲。其他與具體實(shí)施方式一至三之一相同。

具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至四之一不同的是：所述的用于熔化極焊接的變截面實(shí)心焊絲為h08mna焊絲。其他與具體實(shí)施方式一至四之一相同。

用以下試驗(yàn)對本發(fā)明進(jìn)行驗(yàn)證：

試驗(yàn)一：本試驗(yàn)為一種用于熔化極焊接的變截面實(shí)心焊絲，具體是由多個(gè)細(xì)徑段和多個(gè)粗徑段組成，細(xì)徑段和粗徑段交替連接在一起，所述的細(xì)徑段和粗徑段均是圓柱體，且所有的細(xì)徑段尺寸一樣，所有的粗徑段尺寸一樣，細(xì)徑段和粗徑段的材質(zhì)相同；

對于熔化極氣體保護(hù)焊接，取導(dǎo)電嘴的下端面和實(shí)心焊絲的中軸線的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)o，沿實(shí)心焊絲的送進(jìn)方向建立一維坐標(biāo)系x軸，所述的用于熔化極焊接的變截面實(shí)心焊絲滿足下式：

x為實(shí)心焊絲中軸線上的點(diǎn)距離原點(diǎn)o的距離，單位是mm；

t(x)為x點(diǎn)的焊絲溫度，單位是℃；

e為自然常數(shù)；

α是實(shí)心焊絲的電阻溫度系數(shù)，單位是℃^-1；

t0是室溫，為25℃；

其中σ0為室溫下實(shí)心焊絲的電阻率，單位是mm·ω；c是實(shí)心焊絲材料的比熱，單位是j/(g·℃)；ρ是實(shí)心焊絲材料的密度，單位是g/mm³；

v是送絲速度，單位是mm/s；

j是電流密度，單位是a/mm²，j＝i/s，i是通過實(shí)心焊絲的電流即焊接電流，s是實(shí)心焊絲的橫截面積；

b點(diǎn)為最遠(yuǎn)離導(dǎo)電嘴的細(xì)徑段在中軸線上所截線段的中點(diǎn)，c點(diǎn)為最遠(yuǎn)離導(dǎo)電嘴的粗徑段在中軸線上所截線段的中點(diǎn)，t熔為實(shí)心焊絲的熔點(diǎn)；

對于b點(diǎn)：xb＝l0-l2-0.5×l1；對于c點(diǎn)：xc＝l0-0.5×l2，l0為實(shí)心焊絲的干伸長長度，l2為粗徑段的長度，l1為細(xì)徑段的長度。

所述的實(shí)心焊絲為h08crmnva，則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為實(shí)心焊絲的直徑，單位為mm，i的單位為a，x的單位為mm，v的單位為mm/s。

由于熱傳導(dǎo)的影響，靠近粗徑的細(xì)徑段兩端，自身產(chǎn)生的電阻熱通過熱傳導(dǎo)傳輸?shù)酱謴蕉危虼诉@里計(jì)算細(xì)徑段中點(diǎn)處的溫度，該點(diǎn)的溫度受熱傳導(dǎo)的影響較小，認(rèn)為細(xì)徑段上其中點(diǎn)處的溫度最高。粗徑段也計(jì)算中點(diǎn)處的溫度，假設(shè)h08crmnva焊絲的熔點(diǎn)為1400℃，為使b點(diǎn)的溫度達(dá)到熔點(diǎn)，b點(diǎn)的加熱長度xb和其直徑d1須滿足下式：

t(b)＝1400℃＞t(c)，推導(dǎo)出

焊接電流150.5a，xb為13mm，細(xì)徑段長l1·為1mm，直徑d1為0.75mm，送絲速度v為8m/min，粗徑段長l2為2mm，d2為0.9mm，則xc為14.5mm，t(b)＝1407℃，t(c)＝413℃，b點(diǎn)將先于c點(diǎn)熔化，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)熔滴過渡。