无镀铜焊丝表面活性涂层的研发及焊接工艺测试

烟台电镀技术研究所   搜集整理

随着焊接自动化程度的提高，镀铜实心焊丝在焊材中所占比例不断增高，镀铜焊丝的广泛使用也显现了其本身一些难以解决问题：

（1）镀铜焊丝易生锈，其根本原因是镀铜层与铁基之间的电化学腐蚀。

（2）脱落的镀铜层堵塞送丝软管和导电嘴，影响送丝的稳定性。

（3）焊接烟尘中有重金属铜烟产生，危害操作者的健康。

（4）生产过程中产生的废水、废气、废渣处理困难，环境污染问题突出。

这些问题的存在，促使焊材工作者努力研发新的涂层取代镀铜层解决以上问题。
新型涂层取代镀铜层应最大限度的保留镀铜层所具备的特点外还应补偿镀铜焊丝存在的问题：
    （1） 在导电、防锈、润滑方面达到甚至超越镀铜层；
    （2） 不能含有对焊接性能或人体有害的元素。
    （3） 生产过程绿色环保。

1、新型涂层样品选择
    路线一：粉状涂层
    以润滑粉为载体，添加有利于焊接的活性剂，在焊丝生产过程中粉状涂层直接挤压在焊丝表面并控制涂敷量。
    其中的润滑粉采用：石墨粉、Ca基润滑粉、Na基润滑粉、二硫化钼粉。
    其中的活性剂是铝镁粉、钛白粉等粉剂按照一定比例混合后的粉剂。


    路线二：液体涂层
    对拔丝后的焊丝表面进行去除润滑粉处理后，将液体涂层涂敷在焊丝表面并控制涂敷量。
    试验用涂层品种
    粉状活性涂层   
    A石墨粉
    B ,Ca基润滑粉+活化合金粉 （15％ ） 
    C,Ca基润滑粉+活化合金粉（15％）+石墨粉（5％）
    D,Na基润滑粉+活化合金粉 （15％）  
    E、Na基润滑粉+活化合金粉（15％）+石墨粉（5％）
    F、二硫化钼粉 液体涂层   
    G、银铜胶
    H、硅油
    J、石墨烯溶液
    K、超低电阻活性涂层

2、焊接工艺试验及涂层选择

    使用上述涂层制作不同种类的无镀铜焊丝样品，并进行焊接实验并在        电弧稳定性、焊接飞溅、焊道成型、导电嘴磨损四个方面进行打分评定，依据打分情况进行涂层的选择。
    （1）电弧稳定性打分标准：1分(很稳)、2分(较稳）、3分(一般）、4分(不稳）、5分(极不稳）
    （2）焊接飞溅情况打分标准：1分(少，无大颗粒）、2分(少，有大颗粒）、3分(一般，无大颗粒）、4分(一般，有大颗粒）、5分(多，无大颗粒）、6分(多，有大颗粒）
    （3）焊道成型情况打分标准：评价标准：1分(很好)、2分(较好）、3分(一般）、4分(较差）、5分(很差）
    （4）导电嘴磨损情况评价打分标准：1分（≤0.0010g）、2分（0.0011-0.0020g）、3分（0.0021-0.0040g）、4分（0.0041-0.0060g）、5分（≥0.0061g）

    以上项目是各种涂层的焊丝在连续自动焊接10分钟后进行评定，其中焊接飞溅的多少是将焊枪喷管、导电嘴及试板上的飞溅相加得到；大颗粒飞溅由焊接技师感官评定；导电嘴磨损是焊接前重量减去焊接后重量。
不同涂层无镀铜焊丝焊接数据对比
         评定项目

       通过试验和数据对比，超低电阻活性涂层作为无镀铜焊丝的涂覆材料在综合比较中性能最好，由此选用该涂层作为无镀铜焊丝的选用涂层。

    3、关于超低电阻活性涂层
    超低电阻活性涂层使用超导水性聚合物纤维涂覆剂作为涂覆基材，微米级导电物质、纳米级润滑物质作为填充材料，实现了导电、润滑、防锈的功能。
    3.1超导水性聚合物纤维
    a、环保性：超导水性聚合物纤维涂覆基材是可降解的有机材料，不会对环境形成污染。
    b、导电性：超导水性聚合物纤维具备极高电导性，特殊的分子架构构建出复合导电材料的基础骨架。
    c、亲油亲水性的平衡：在无镀铜焊丝生产中清洗工艺无法将焊丝表面的油脂残留彻底洗净，纤维基材的亲油亲水基，使得钢丝表面哪怕有少量油脂的残留也可在涂覆过程中将油脂包裹而不影响涂层的整体效果。
    d、渗透性：极低的液体表面张力以及极强的渗透性让纤维基材携带各种填料迅速填充到钢丝的缺陷中来保证无镀铜焊丝的表面光滑以及均匀一致性，也保证了钢丝可以以极高的速度做涂覆，保证了生产效率。
    e、极速干燥：基材在接触空气的条件下可快速烘干，并在干燥的同时带走钢丝的表面的水分并迅速隔绝钢丝与空气接触，从而使得无镀铜焊丝拥有了比镀铜焊丝强2~3倍的防锈性能。
    f、分子触角与韧性：纤维特性使得涂层会产生无数细小的分子触角牢牢切入钢丝的表面，不会因为钢丝缠绕而出现涂层的开裂。
    g、摩擦系数与硬度：纤维基材结合填料的硬度与镀铜层硬度基本一致，因此可保证无镀铜焊丝在焊接时极佳的送丝性并降低导电嘴的磨损，提高焊工焊接工作效率。
h、耐高温：优越的耐高温性可保证涂层在通过导电嘴时不发生裂解和碳化。

    3.2填料
    水性聚合物纤维涂覆剂内的微米级导电物质是极佳的导电材料和润滑    材料与纳米级纤维物质在涂层表面形成一张导电加润滑的网，在焊接的过程中起到润滑和导电的作用。
    在焊接过程中有机物会在高温条件下脱水碳化，而活性涂层材料充分利用了涂覆物质的吸附性能和纤维特性，使得涂层在进入熔池之前脱开钢    丝保证熔池的稳定性。    

4、无镀铜焊丝的焊接工艺测试

 保护气体：100%CO2   焊接规范：260A、28V
    4.1焊接电弧稳定性对比
    电弧稳定性           无镀铜焊丝               镀铜焊丝
    手工焊               电弧稳定                电弧稳定
    小车自动焊      电压平稳，偶有大颗粒飞溅 电压平稳，偶有大颗粒飞溅
两种焊丝电弧稳定形无差异。

    4.2、连续焊接飞溅对比：
    焊接时间5分钟，测量导电嘴和喷管上附着的飞溅重量。
                   连续焊接飞溅 喷管增重g 导电嘴增重g 总体飞溅量g
    无镀铜焊丝       3            3         2             5   

  镀铜焊丝        3            3         2             5
    两种焊丝在焊接飞溅方面表现相当。

    4.3、焊道成型对比：
            焊道成型 宽度变化量mm 高度变化量mm 直线度变化量mm 熔合过渡
  镀铜焊丝 11.0-11.5  2.5-3.0         1             0.5               0.5

 无镀铜焊丝 10.8-11.4 2.5-3.0        1.2           0.6                0.5

    两种焊丝在焊道成型方面表现相当圆滑。

4.4、焊接烟尘对比：
    焊接烟尘        消耗焊丝重量 g 发尘量 g    比例 %
    镀铜焊丝          38.56      0.1653      0.4287
    无镀铜焊丝        37.53      0.1499      0.3994
    无镀铜焊丝在烟尘量上，优于镀铜焊丝。

4.5、抗锈性
    试验设备：恒温恒湿箱
    设定温度、湿度范围为40℃/60%，
    抗锈性          24小时      72小时      120小时      168小时
    镀铜焊丝       微小锈点      有大锈点    大面积生锈         全部生锈
    无镀铜焊丝      无           无           出现小锈点    出现大锈点
无镀铜焊丝的抗锈性要远好于镀铜焊丝。

4.6、导电嘴的磨损对比：
    自动行走小车连续焊接时间10分钟
    导电嘴磨损          导电嘴磨损量g      平均磨损量g
    镀铜焊丝 1号         0.0015           0.0013
           2号         0.0011
    无镀铜焊丝 1号      0.0013            0.0018
             2号      0.0024
    无镀铜焊丝导电嘴的磨损量略高于镀铜焊丝。


    4.7、送丝阻力对比
    送丝性能                  送丝阻力
    镀铜焊丝 1号              2.2Kg

2号             2.3
    无镀铜焊丝 1号           2.3Kg
              2号          2.2Kg
    两种焊丝的送丝性能无明显差别。

    4.8、熔敷金属扩散氢（高温热导法）
    扩散氢     试验结果（ml/100g）     平均值     试验条件：
    无镀铜     0.78 0.8 0.8 0.88 0.74       0.8    温度29℃，湿度34%，气压

     101.8Kp
  镀铜     1.27 1.37 1.19  0.98          1.12

    无镀铜焊丝扩散氢含量小于镀铜焊丝。

5、结论

    采用超低电阻活性涂层生产的气保护无镀铜焊丝解决了镀铜焊丝易生锈、掉铜沫、焊接烟尘中有重金属、生产过程环境污染突出的问题，并在焊接工艺性能方面已达到镀铜焊丝的水平，在焊接烟尘、抗锈性能、熔敷金属扩散氢方面要优于镀铜焊丝。