背景技術：

電弧焊接是一種重要的熱加工工藝，廣泛地應用于工業(yè)領域。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、熔化極氣體保護焊等)。其中埋弧焊和熔化極氣體保護焊接采用自動裝置送進焊絲，易于實現(xiàn)自動化，在生產中得到越來越廣泛地應用。

在熔化極焊接時，焊絲作為一個電極，工件(母材)作為一個電極，兩個電極之間建立焊接電弧，利用電弧產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，實現(xiàn)兩個部件的連接。目前熔化極焊接過程中，焊絲可分為實心焊絲和藥芯焊絲兩種，其中應用廣泛的是實心焊絲，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，但帶來的是復雜的控制系統(tǒng)、較多的工藝參數(shù)以及高昂的成本，導致這些工藝不能很好地推廣應用。

技術實現(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)復雜、工藝參數(shù)復雜和高昂的成本的技術問題，而提供一種用于熔化極焊接的變截面實心焊絲。

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

對于熔化極氣體保護焊接，取導電嘴的下端面和實心焊絲的中軸線的交點為坐標原點o，沿實心焊絲的送進方向建立一維坐標系x軸，所述的用于熔化極焊接的變截面實心焊絲滿足下式：

x為實心焊絲中軸線上的點距離原點o的距離，單位是mm；

t(x)為x點的焊絲溫度，單位是℃；

e為自然常數(shù)；

α是實心焊絲的電阻溫度系數(shù)，單位是℃^-1；

t0是室溫，為25℃；

其中σ0為室溫下實心焊絲的電阻率，單位是mm·ω；c是實心焊絲材料的比熱，單位是j/(g·℃)；ρ是實心焊絲材料的密度，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是通過實心焊絲的電流即焊接電流，s是實心焊絲的橫截面積；

且t(b)≥t熔＞t(c)，b點為最遠離導電嘴的細徑段在中軸線上所截線段的中點，c點為最遠離導電嘴的粗徑段在中軸線上所截線段的中點，t熔為實心焊絲的熔點；

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

焊絲干伸長長度是指焊絲端部至導電嘴端部的距離。

在實心焊絲的穩(wěn)定送進過程中，實心焊絲的溫度達到準穩(wěn)定狀態(tài)，即焊絲的溫度只與位置x有關，與時間無關。

本發(fā)明提出一種變截面的實心焊絲，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)定和焊接質量的提高。

本發(fā)明的原理：

進行熔化極氣體保護焊接時，在干伸長焊絲部分，在流過焊絲的焊接電流作用下，將產生電阻熱，成為熔化焊絲熱量的一部分。在本發(fā)明提出的變截面實心焊絲的情況下，通過合理設計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，使得在該處產生的電阻熱增加，溫度升高到超過焊絲熔點而熔化，同時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，電弧將跳至焊絲段脫落處，隨后將重復上述過程，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：

實心焊絲靠電阻熱qr預熱，實現(xiàn)實心焊絲內能q內的增加。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，為了簡化熱絲溫度場的解析式，便于理解，本發(fā)明認為比熱容為常數(shù)，且不考慮電弧對焊絲的熱作用。

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

qr＝q內(1)

根據(jù)焦耳定律，通過實心焊絲電流為i，實心焊絲電阻率為σ，實心焊絲橫截面積為s的微元體在dt時間內產生的電阻熱qr滿足：

在dt時間內，微元體內能增量q內滿足：

q內＝cρsdxdt(3)

式中：c——實心焊絲材料的比熱；

ρ——實心焊絲材料的密度；

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表示實心焊絲電流密度，可得電阻加熱實心焊絲所得預熱溫度所滿足：

實心焊絲的電阻率隨溫度變化關系為：

σ(t)＝σ0(1+αt)(6)

σ0為25℃下實心焊絲的電阻率，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心焊絲預熱溫度的表達式。

本發(fā)明的優(yōu)點：

與常規(guī)的實心焊絲相比，本發(fā)明的用于熔化極焊接的變截面實心焊絲會帶來以下幾點優(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，能夠實現(xiàn)熔滴過渡的穩(wěn)定和精確控制，從而使焊接過程穩(wěn)定，提高焊接質量；

2、本發(fā)明的實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，提高焊縫質量；

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

4、對于粗焊絲，采用變截面設計之后，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。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的用于熔化極焊接的變截面實心焊絲在進行熔化極氣體保護焊接時的示意圖，1為送絲機，2為用于熔化極焊接的變截面實心焊絲，3為導電嘴，4為氣體保護噴嘴，5為保護氣體，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為試驗一的用于熔化極焊接的變截面實心焊絲在進行熔化極氣體保護焊接時的局部示意圖，3為導電嘴，8為焊接電源，2-1為用于熔化極焊接的變截面實心焊絲的細徑段，2-2為用于熔化極焊接的變截面實心焊絲的粗徑段。

具體實施方式

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

對于熔化極氣體保護焊接，取導電嘴的下端面和實心焊絲的中軸線的交點為坐標原點o，沿實心焊絲的送進方向建立一維坐標系x軸，所述的用于熔化極焊接的變截面實心焊絲滿足下式：

x為實心焊絲中軸線上的點距離原點o的距離，單位是mm；

t(x)為x點的焊絲溫度，單位是℃；

e為自然常數(shù)；

α是實心焊絲的電阻溫度系數(shù)，單位是℃^-1；

t0是室溫，為25℃；

其中σ0為室溫下實心焊絲的電阻率，單位是mm·ω；c是實心焊絲材料的比熱，單位是j/(g·℃)；ρ是實心焊絲材料的密度，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是通過實心焊絲的電流即焊接電流，s是實心焊絲的橫截面積；

且t(b)≥t熔＞t(c)，b點為最遠離導電嘴的細徑段在中軸線上所截線段的中點，c點為最遠離導電嘴的粗徑段在中軸線上所截線段的中點，t熔為實心焊絲的熔點；

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

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

具體實施方式三：本實施方式與具體實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心焊絲為h08mn2si焊絲。其他與具體實施方式一或二相同。

具體實施方式四：本實施方式與具體實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心焊絲為h13crmoa焊絲。其他與具體實施方式一至三之一相同。

具體實施方式五：本實施方式與具體實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心焊絲為h08mna焊絲。其他與具體實施方式一至四之一相同。

用以下試驗對本發(fā)明進行驗證：

試驗一：本試驗為一種用于熔化極焊接的變截面實心焊絲，具體是由多個細徑段和多個粗徑段組成，細徑段和粗徑段交替連接在一起，所述的細徑段和粗徑段均是圓柱體，且所有的細徑段尺寸一樣，所有的粗徑段尺寸一樣，細徑段和粗徑段的材質相同；

對于熔化極氣體保護焊接，取導電嘴的下端面和實心焊絲的中軸線的交點為坐標原點o，沿實心焊絲的送進方向建立一維坐標系x軸，所述的用于熔化極焊接的變截面實心焊絲滿足下式：

x為實心焊絲中軸線上的點距離原點o的距離，單位是mm；

t(x)為x點的焊絲溫度，單位是℃；

e為自然常數(shù)；

α是實心焊絲的電阻溫度系數(shù)，單位是℃^-1；

t0是室溫，為25℃；

其中σ0為室溫下實心焊絲的電阻率，單位是mm·ω；c是實心焊絲材料的比熱，單位是j/(g·℃)；ρ是實心焊絲材料的密度，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是通過實心焊絲的電流即焊接電流，s是實心焊絲的橫截面積；

b點為最遠離導電嘴的細徑段在中軸線上所截線段的中點，c點為最遠離導電嘴的粗徑段在中軸線上所截線段的中點，t熔為實心焊絲的熔點；

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

所述的實心焊絲為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。

由于熱傳導的影響，靠近粗徑的細徑段兩端，自身產生的電阻熱通過熱傳導傳輸?shù)酱謴蕉?，因此這里計算細徑段中點處的溫度，該點的溫度受熱傳導的影響較小，認為細徑段上其中點處的溫度最高。粗徑段也計算中點處的溫度，假設h08crmnva焊絲的熔點為1400℃，為使b點的溫度達到熔點，b點的加熱長度xb和其直徑d1須滿足下式：

t(b)＝1400℃＞t(c)，推導出

焊接電流150.5a，xb為13mm，細徑段長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點將先于c點熔化，實現(xiàn)自動熔滴過渡。