辊模拉拔药芯焊丝的变形特性

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1999.0M.013 第21卷第4期 北京科技大学学报 VoL.21 No.4 1999年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.1999 辊模拉拔药芯焊丝的变形特性 郑宝龙》刘雅政)薛利平)张向琨) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)清华大学机械系，北京100084 摘要利用MTS材料试验机等研究了固定棋与辊模拉拔药芯焊丝的变形特点和工艺特点， 给出了变形参数、力能参数、粉末流动等实验结果.结果认为，辊模拉拔具有良好的成型性和较 低拉拔力的变形分配条件. 关键词药芯焊丝：辊模：拉拔：变形 分类号TG356.1 药芯焊丝是一种新型焊接材料.由于其焊 丝新工艺，以克服固定模拉拔的不足，辊模拉拔 接速度快，焊接工艺性好，焊缝美观，综合生产 在增加道次变形量的同时，实现高速拉拔，减少 成本低等特点，适应了焊接生产自动化、智能 · 断丝现象，改善药粉流动状态，提高产品质量， 化、高质量、低成本、全方位焊接的发展趋势，在 国外己大量使用.近些年来，国内药芯焊丝的生 1实验条件 产和使用也取得了很大进展山. 1.1实验测试设备 药芯焊丝是由钢皮外壳（相当于H08A成 实验测试设备主要有MTS材料实验机、工 分)和内芯药粉（可根据不同焊接母材要求进行 具显微镜、游标卡尺，MTS实验机采用计算机控 配比)组成的连续介质和非连续介质的复合材 制和采集数据，主要用于记录拉拔过程力学参 料， 数，测量精度为1N;工具显微镜是用来测量试 药芯焊丝的生产方式不同于钢管和钢丝. 样的壁厚和直径，测量精度为0.01mm:游标卡 一般装粉填实的钢管先经过冷轧减至3.0mm 尺用于测量试样的长度，测量精度为0.02mm, 左右，再由传统固定模冷拔至成品，其间需要多 1.2辊模结构 次中间退火. 辊模拉拔具有拉拔力低、不易断丝、道次变 药芯焊丝生产工艺有两种.一种是有缝药 形量大、拉拔速度快、产品质量好等特点.药芯 芯焊丝生产工艺：钢带开卷→冷弯预成形一加 焊丝的拉拔以减小直径成形为主要目的，同时 粉→搭接成形→冷轧减径→拉拔减径→收线→ 也是通过冷加工使焊丝有一定的刚度，便于连 包装.另一种是无缝药芯焊丝生产工艺：钢带开 续焊接喂丝，宜选用二辊二联式辊模.这种辊模 卷→冷弯成形→焊接成焊管→减径→收线→振 结构简单，调整方便，平立辊交叉布置易于实现 动装粉→冷轧减径→拉拔减径→收线→包装； 焊丝的无扭拉拔. 或用无缝钢管→装粉一拉拔→热处理→拉拔→ 辊模结构采用整体机架，短应力线设计，是 收线 一种高刚度辊模，有利于保证拉拔细丝的尺寸 药芯焊丝外层钢皮为低碳钢，而内芯为非 精度.采用偏心轴调节压下量，保证辊子同步压 连续粉末介质，在固定模多道次拉拔时常出现 下或抬起，易于调整.平立辊交叉布置，两者尽 断丝现象，限制了道次变形量，增加了中间工 量靠近，使第一组辊起到第二组辊的导向作用. 序，同时常出现焊丝芯部断粉（或称为拉空、拉 辊子公称直径为中50mm,偏心调节量为中0.6 缩)现象，使得在施焊过程中焊接电流产生跳跃， mm.辊模拉拔工艺为中3.0mm→Φ2.2mm→Φ1.6 焊接不连续，影响焊接过程的顺利进行和焊接 mm+φ1.2mm 质量.为此，本文提出了采用辊模拉拔药芯焊 1.3孔型设计 1998-10-22收稿郑宝龙男，32岁，副教授 药芯焊丝的减径拉拔宜采用圆→椭圆→圆 *治金部重点资助科研项目

第 卷 第 期 ， 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 一 辊模拉拔药芯焊丝 的变形特性 郑宝龙 ” 刘稚政 ” 薛利平 ” 张向混 ” 北京科技大学材料科学与工程学院 ， 北京 清华大学机械系 ， 北京 摘 要 利用 材料试验机等研究了固定模与辊模拉拔药芯焊丝 的变形特 点和 工 艺特点 ， 给 出 了变形参数 、 力能参 数 、 粉末流动等实验结果 结果认为 ， 辊模拉拔具有 良好 的成型性和较 低 拉拔力 的变形分配条件 关健词 药芯焊丝 辊模 拉拔 变形 分 类号 药 芯焊 丝 是 一 种新型焊接材料 由于 其焊 接速度快 ， 焊接工 艺性好 ， 焊缝美观 ， 综合 生产 成本低等特 点 ， 适 应 了焊 接生产 自动化 、 智 能 化 、 高质量 、 低 成本 、 全方位焊 接的发展趋势 ， 在 国外 己大量使用 近 些年来 ， 国 内药芯焊丝 的生 产 和 使用 也 取 得 了很 大进展〔 ’〕 药 芯 焊 丝 是 由钢 皮外 壳 相 当于 成 分 和 内芯 药粉 可 根据不 同焊接母材要 求进行 配 比 组 成 的连 续介 质和 非连 续介质 的复 合 材 料 药 芯 焊丝 的生 产 方 式 不 同 于 钢 管和 钢 丝 一 般 装 粉填 实 的钢 管先 经 过 冷 轧 减 至 帕 左右 ， 再 由传统 固定模冷拔至 成 品 ， 其 间需要 多 次 中间 退火 药芯 焊丝 生 产工 艺 有 两 种 一 种 是 有缝 药 芯焊 丝 生产 工 艺 钢 带 开 卷 一 冷弯预成 形 加 粉 搭接成形 一 冷轧减径一 拉拔减径 一 收 线 一 包装 另一种是 无缝 药 芯焊 丝 生产工 艺 钢 带开 卷 冷弯成形 一 焊 接成焊管 减 径 收线一 振 动 装粉 冷轧 减径 拉拔减径 一 收线 一 包 装 或用无缝钢 管 装粉一 拉 拔一 热处 理 拉拔 一 收线 药芯 焊丝 外 层钢 皮为低 碳钢 ， 而 内芯 为 非 连续粉末 介质 ， 在 固定模 多道 次拉 拔 时常 出现 断丝 现象 ， 限制 了道 次变 形量 ， 增 加 了 中 间 工 序 ， 同时常 出现焊 丝 芯 部 断粉 或称 为拉 空 、 拉 缩 现象 ， 使得在施焊过程 中焊接 电流产生跳跃 ， 焊接不 连续 ， 影 响焊接过 程 的顺利进行 和 焊接 质量‘ ， 为此 ， 本文 提 出 了采用 辊模拉拔药 芯 焊 一 收稿 郑宝 龙 男 ， 岁 ， 副教授 冶 金部 重 点资助科研项 目 丝 新工 艺 ， 以克服 固定模拉拔 的不足 ， 辊模拉拔 在增加道次变形 量 的 同时 ， 实现高速拉拔 ， 减少 断丝 现象 ， 改善药粉流动状态 ， 提高产品质量 实验条件 实验测试设备 实验测 试 设 备主 要 有 材料实验机 、 工 具显微镜 、 游标卡尺 实验机采用计算机控 制 和 采 集数 据 ， 主 要 用 于 记录 拉 拔过 程 力学 参 数 ， 测量 精度为 工 具 显 微镜 是用来测 量 试 样 的壁厚和 直径 ， 测 量 精度 为 游标 卡 尺 用于 测 量试样 的长 度 ， 测 量精度 为 辊模结构 辊模拉拔具有拉拔力低 、 不 易断丝 、 道次变 形 量 大 、 拉拔速度快 、 产 品质量好等特 点 药 芯 焊丝 的 拉拔 以减 小直 径成形 为主 要 目的 ， 同时 也 是通 过 冷加工 使焊 丝 有一 定 的 刚度 ， 便 于 连 续焊 接喂 丝 ， 宜选用 二 辊二 联式辊模 这种辊模 结构简单 ， 调 整 方便 ， 平立辊交叉 布置 易于 实现 焊丝 的无 扭拉拔 辊模结构采 用整 体机架 ， 短应力线设计 ， 是 一 种高 刚度辊模 ， 有利 于 保证 拉 拔细 丝 的尺 寸 精度 采用偏心 轴调 节压下 量 ， 保证辊子 同步压 下 或 抬起 ， 易于 调 整 平 立辊 交叉布置 ， 两 者尽 量靠近 ， 使第一 组 辊起到第二 组辊 的导 向作用 辊 子 公 称直 径 为中 ， 偏心 调 节量 为 小 辊 模拉拔 工 艺 为中 中 一小 中 孔型设计 药芯 焊丝 的减径拉拔 宜 采用 圆一 椭 圆 圆 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1999．04．013

Vol.21 No.4 郑宝龙等：辊模拉拔药芯焊丝的变形特性 ·363· 二辊孔型系列，不论从圆到椭圆还是从椭圆到 在避免拉拔断丝的情况下，增加道次变形量，实 圆工序，都产生宽展，最终的圆孔型内变形受到 现高速拉拔，减少中间工序 前拉力和后张力的作用使宽展很小，如图1所 2.2壁厚的变化 示. 药芯焊丝拉拔过程中壁厚与外径的关系 基本上为线性关系，如图3所示，壁厚随直径的 减小而减小.利用这种关系，可通过测量直径来 确定不同规格药芯焊丝的壁厚， 图4为减径系数DD1(D,D,分别为变形前 后焊丝的外径)和减壁系数tt(o,t分别为变形 前后焊丝的壁厚)之间的关系.随着减径系数增 大，减壁系数增大，即壁厚变化率增大.减径系 数的变化反映了变形量的变化 由图3、图4看出，辊模拉拔壁厚减小量相 图1辊模结构及孔型 H=r2-(0.10.2), 对固定模拉拔较小，这主要是由于辊模拉拔药 芯焊丝，加工硬化程度低于固定模拉拔，拉拔应 r:=ro, 0=45°~50°， 力增加的相对较慢，拉应力较小，导致壁厚变形 r=0.2~0.4, 相对较小，加上辊模拉拔药芯焊丝芯部粉末的 6=0.2~0.4. 流动状态相对有利，对外层钢皮的作用相对较 式中：H为椭圆孔高度，mm;ro为原料半径，mm: 小，导致壁厚变形较小， r,为椭圆孔顶弧半径，mm;r2为成品圆孔半径， mm;6为辊缝大小，mm;r为侧壁圆弧半径，mm, 0.6 0.5 2工艺变形分析 0.4 0.3 21拉拔应力的变化 0.2 拉拔应力与变形量及润滑条件之间的关系 ·辊模拉拔 0.1 ·固定模拉拔 如图2所示.在同一原料时，拉拔应力随变形量 0 的增大而增大，固定模拉拔时，润滑可以明显地 1.5 2.02.5 3.03.5 D/mm 降低拉拔应力，药芯焊丝这种外层是低碳钢，芯 图3外径D与壁厚t的关系 部为非连续粉末介质，拉拔过程容易断丝，良好 的润滑条件对于固定模拉拔药芯焊丝非常重 1.20 要. 1.16 润滑对辊模拉拔影响甚小，辊模拉拔比固 1.12 定模拉拔可降低约13的拉拔力.这一点对于拉 三1.08 拔药芯焊丝这种复合材料是非常重要的，它可 。固定模拉拔 1.04 。辊模拉拔 200 △无润滑周定模拉拔 1.00 口有润滑固定模拉拔 1.00 1.05 1.10 1.151.20 180 D/D 60 图4减壁系数)与减径系数(DJD)的关系 ☒ 140 2.3药粉流动的变化 科 120 ·无润滑辊模拉拔 药粉在药芯焊丝芯部均匀分布是重要的， ●有润滑辊棋拉拔 有利于稳定连续焊接和提高焊接质量.我们把 100 0 4 6810 1214 固定模和辊模不同工艺拉拔的药芯焊丝沿横断 面缩率，w/% 面和纵断面剖开，观察药粉的分布情况.在尺寸 图2拉拔应力与变形方式的关系 和变形量相同的情况下，固定模拉拔焊丝的药 粉与外层金属粘着厚度更大些，分布相对不均

〕 郑 宝 龙等 辊 模拉拔 药 芯焊丝 的变形特性 二 辊孔 型 系列 ， 不 论 从 圆到椭 圆还 是 从椭 圆到 圆工序 ， 都 产生 宽展 ， 最 终 的 圆孔 型 内变形 受到 前拉 力 和 后张 力 的作用 使 宽展 很 小 如 图 所 价产广 圈 辊模结构及孔型 一 刁 ， ， 二 ， ， ， 占 式 中 为椭 圆孔高度 ， 为原料半径 ， 们 ， 为椭 圆孔顶 弧 半径 ， 为成 品 圆孔 半径 ， 们 占为辊缝大小 ， 为侧壁 圆弧 半径 ， 在避 免拉 拔断丝 的情况 下 ， 增加 道次变形 量 ， 实 现 高速 拉拔 ， 减 少 中间 工 序 壁厚的变化 药 芯 焊 丝 拉拔 过 程 中壁 厚 与 外 径 的关 系 基本上 为线性 关 系 ， 如 图 所示 ， 壁 厚 随直径 的 减小而减 小 利用这种关 系 ， 可通过测 量直 径来 确 定 不 同规格药 芯 焊丝 的壁 厚 图 为减径 系数 从口 ， 。 ， 分 别为变形 前 后焊 丝 的外径 和 减壁 系数 ， ，分别为变形 前 后焊 丝 的壁 厚 之 间 的关 系 随着减径 系数增 大 ， 减壁 系数 增大 ， 即壁 厚变化率增大 减径系 数 的变 化 反 映 了变形 量 的变化 由 图 、 图 看 出 ， 辊模 拉拔壁 厚减 小量 相 对 固定模拉拔较小 这 主要 是 由于 辊模拉拔药 芯 焊丝 ， 加 工 硬化程度低于 固定模拉拔 ， 拉拔应 力增加 的相对较慢 ， 拉应力较小 ， 导致壁厚变形 相 对较小 ， 加上 辊模拉拔药芯 焊 丝 芯 部粉末 的 流动状态 相 对有利 ， 对 外 层 钢 皮 的 作 用相 对较 小 ， 导致壁 厚变形较小 洲 ︹ ‘， 工艺变形分析 泛任任 拉拔应力的变化 拉拔应 力与变 形 量及 润滑 条件之 间的关 系 如 图 所示 在 同一 原料 时 ， 拉拔应 力随变形 量 的增大而 增大 ， 固定模拉拔时 ， 润 滑 可 以明显 地 降低拉拔应力 药芯焊丝 这 种外层 是低碳钢 ， 芯 部为非连续粉末介质 ， 拉拔 过程 容易断丝 ， 良好 的润 滑 条 件对 于 固定 模 拉 拔 药 芯 焊 丝 非 常 重 要 润 滑 对辊 模拉拔影 响 甚 小 ， 辊 模拉 拔 比 固 定 模拉拔可 降低 约 的拉拔力 这 一 点对 于 拉 拔 药芯 焊丝 这 种 复合材料是 非 常 重 要 的 ， 它 可 辊模拉拔 ‘ 固定模拉拔 加 图 外径 。 与壁厚 的关系 无润滑固定模拉拔 刀杯 巧 图 减壁 系数 〕 与减径系数们以口 的关系 有润滑辊模拉拔 刚 只侧渊烈芝月 面 缩率 ， 归 图 拉拔应力与变形方式的关系 药粉流动的变化 药 粉 在药 芯 焊 丝 芯 部 均 匀分 布 是 重 要 的 ， 有利 于 稳定连续焊接和提高焊接质量 我们 把 固定模和 辊模不 同工 艺拉拔 的药芯焊丝 沿横断 面和 纵 断面 剖开 ， 观 察药粉 的分布情况 在尺 寸 和 变形 量 相 同 的情况 下 ， 固 定模拉 拔焊 丝 的药 粉 与 外 层 金 属粘着厚度 更 大 些 ， 分 布相 对 不 均

364 北京科技大学学报 1999年第4期 匀，有时出现拉空断粉现象：而辊模拉拔焊丝的 2.4产品精度 药粉分布相对要均匀，没有出现断粉现象.原因 由于辊模拉拔是在有辊缝的孔腔中变形 是固定模模孔是一个封闭的孔腔，四周同时压 的，受辊模加工精度、安装精度、调整精度、轴承 缩金属和粉末，粉末易压实，致密化，不易流动. 间隙等因素的影响，难以达到固定模拉拔的精 辊模拉拔是开口孔型，变形时焊丝断面有非受 度，直径偏差一般在0.1~0.2mm之间.可利用 力区域存在，如图5示，弧AB,CD,EF,G丽为非 辊模拉拔变形量大，拉拔力低，药粉流动均匀的 接触自由变形区，随着金属的宽展变形，粉末颗 特点，用于粗拔减径道次，成品道次采用固定模 粒流向变形区出口的同时，还沿孔宽方向横向 拉拔，提高产品精度，为了提高产品尺寸精度， 流动，即存在纵向压缩和横向宽展变形：二连式 我们尝试了辊模与固定模串联组合连拔，辊拔 辊模，平立辊90交叉变形，双向交变变形非常 实现大变形，而用固定模实现最终定径 有利于药粉的均匀流动，这一点对减少断粉拉 空现象、提高药芯焊丝的质量是很重要的， 3结论 (1)辊模拉拔比固定模拉拔，拉拔力小，变 固定模拉拔 形量大，有利于防止药芯焊丝拉拔的断丝现象， 辊模拉拔 (2)润滑对固定模拉拔药芯焊丝焊丝作用 较大，对辊模拉拔影响较小， (3)辊模拉拔在一定程度上改善了药粉的 流动分布，减少断粉现象， (4)辊模拉拔尺寸精度低于固定模拉拔，宜 用于粗拔道次. 参考文献 1许玉环.药芯焊丝一焊材工业面临的机遇与挑战.焊 图5辊模拉拔粉末流动示意图 接技术，1994(1)：36 Deformation Characteristic of Drawing Flux-cored Welding Wires with Roller Dies Zheng Baolong",Liu Yazhang", Xue Liping, Zhang Xiangkun 1)Material Science and Engineering School,UST Beijing.Beijing 100083.China 2)Department of Mechanical Engineering,Qinghua University,100084 ABSTRACT Based on the experiments with MTS material testing machine,the characters of the deformation and technology in drawing flux-cored welding wires through conventional dies and roller dies have been anal- yzed.Experiment data about deformation parameters,force and engrgy parameters,powder flow,lubricating,et al.is obtained.Good foring ability and deformation distribution which decreases drawing force are proposed in roller dies drawing. KEY WORD flux-cored welding wire;roller dies;drawing;deformation

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 匀 ， 有 时 出现 拉 空 断粉现象 而 辊 模拉拔焊 丝 的 药粉 分布 相 对 要 均匀 ， 没 有 出现 断粉现象 原 因 是 固 定 模模 孔 是 一 个封 闭 的 孔 腔 ， 四 周 同 时压 缩金 属和 粉末 ， 粉末 易压 实 ， 致密化 ， 不 易流动 辊模拉 拔 是 开 口 孔 型 ， 变 形 时 焊 丝 断 面 有 非 受 力 区 域存 在 ， 如 图 示 ， 弧月万 ， 亡 滚厂 ， 石万为 非 接触 自由变形 区 ， 随着金 属 的宽展变形 ， 粉末颗 粒 流 向变形 区 出 口 的 同 时 ， 还 沿 孔 宽方 向横 向 流动 ， 即存在纵 向压缩和 横 向宽展 变形 二 连 式 辊模 ， 平 立 辊 交 叉 变形 ， 双 向交变变形 非 常 有利 于 药 粉 的均 匀 流 动 ， 这 一 点对 减少 断粉 拉 空 现象 、 提 高 药 芯 焊 丝 的质 量 是 很 重 要 的 产品精度 由 于 辊 模 拉 拔 是 在 有 辊 缝 的 孔 腔 中变形 的 ， 受辊模加 工 精度 、 安 装精度 、 调 整 精度 、 轴承 间隙等 因 素 的影 响 ， 难 以达 到 固定 模拉拔 的精 度 ， 直 径偏差 一 般在 一 之 间 可 利用 辊 模拉拔变形量 大 ， 拉拔力低 ， 药粉流 动均匀 的 特点 ， 用 于粗拔减径 道次 ， 成 品道次采用 固定模 拉拔 ， 提高产 品精度 为 了提 高产 品尺 寸精度 ， 我们 尝试 了辊模与固定 模 串联组 合 连拔 ， 辊 拔 实现 大变形 ， 而 用 固定模 实现 最 终 定径 固定模拉拔 辊模拉拔 二二… ”尹飞 丸赶寸州 ’ 图 辊模拉拔粉末流动示意图 结论 辊 模 拉拔 比 固 定模 拉 拔 ， 拉 拔 力 小 ， 变 形 量 大 ， 有利于 防止 药 芯 焊 丝 拉拔 的断丝 现象 润 滑 对 固定 模拉 拔 药 芯 焊 丝 焊 丝 作 用 较 大 ， 对 辊 模拉拔影 响较 小 辊 模拉 拔在 一 定 程度 上 改善 了药粉 的 流 动 分 布 ， 减少 断粉 现象 辊模拉拔尺 寸精度低于 固定模拉拔 ， 宜 用 于 粗拔 道 次 参 考 文 献 许玉环 药芯焊丝－ 焊材工业面 临的机遇与挑战 焊 接技术 ， 一 一 认怎 ， ， ‘ ， ，’ ， 石 ” ，， ， ， ， ’ ， ， ， 一 ， ， ， ， 一