焊接工藝參數(shù)及其對(duì)焊縫形狀的影響

焊接時(shí)，為保證焊接質(zhì)量而選定的各項(xiàng)參數(shù)(例如焊接電流、電弧電壓、焊接速度、線能量等)的總稱叫焊接工藝參數(shù)。所謂線能量是指熔焊時(shí)，由焊接熱源輸入給單位長度焊縫上的能量焦?fàn)枺迕谆蚪範(fàn)枺撩?J／cm或J／mm)，亦稱熱輸入。

線能量的計(jì)算公式為：

式中 Q——線能量，J／cm或J／mm；

I——焊接電流，A；

U——電弧電壓，V；

V——焊接速度，cm／s或mm／s。

例：某焊接性試驗(yàn)的焊接工藝參數(shù)如下：焊條直徑4mm，焊接電流180A，電弧電壓24V，焊接速度150mm／min。試計(jì)算其線能量。

解：線能量。

答：該試驗(yàn)的線能量為1728J／mm。

(一)焊接電流

當(dāng)其它條件不變時(shí)，增加焊接電流，則焊縫厚度和余高都增加，而焊縫寬度則幾乎保持不變(或略有增加)，見圖1—29，這是埋弧自動(dòng)焊時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。分析這些現(xiàn)象的原因是：

(1)焊接電流增加時(shí)，電弧的熱量增加，因此熔池體積和弧坑深度都隨電流而增加，所以冷卻下來后，焊縫厚度就增加。

(2)焊接電流增加時(shí)，焊絲的熔化量也增加，因此焊縫的余高也隨之增加。如果采用不填絲的鎢極氬弧焊，則余高就不會(huì)增加。

(3)焊接電流增加時(shí)，一方面是電弧截面略有增加，導(dǎo)致熔寬增加；另一方面是電流增加促使弧坑深度增加。由于電壓沒有改變，所以弧長也不變，導(dǎo)致電弧潛入熔池，使電弧擺動(dòng)范圍縮小，則就促使熔寬減少。由于兩者共同的作用，所以實(shí)際上熔寬幾乎保持不變。

圖1—29 焊接電流對(duì)焊縫形狀的影響

H—焊縫厚度 B—焊縫寬度 d—余高 I—焊接電流

(二)電弧電壓

當(dāng)其它條件不變時(shí)，電弧電壓增長，焊縫寬度顯著增加而焊縫厚度和余高將略有減少，見圖1—30。這是因?yàn)殡娀‰妷涸黾右馕吨娀度的增加，因此電弧擺動(dòng)范圍擴(kuò)大而導(dǎo)致焊縫寬度增加。其次，弧長增加后，電弧的熱量損失加大，所以用來熔化母材和焊絲的熱量減少，相應(yīng)焊縫厚度和余高就略有減小。

圖1—30 電弧電壓對(duì)焊縫形狀的影響

由此可見，電流是決定焊縫厚度的主要因素，而電壓則是影響焊縫寬度的主要因素。因此，為得到良好的焊縫形狀，即得到符合要求的焊縫成形系數(shù)，這兩個(gè)因素是互相制約的，即一定的電流要配合一定的電壓，不應(yīng)該將一個(gè)參數(shù)在大范圍內(nèi)任意變動(dòng)。

(三)焊接速度

焊接速度對(duì)焊縫厚度和焊縫寬度有明顯的影響。當(dāng)焊接速度增加時(shí)，焊縫厚度和焊縫寬度都大為下降，見圖1—31。這是因?yàn)楹附铀俣仍黾訒r(shí)，焊縫中單位時(shí)間內(nèi)輸入的熱量減少了。

圖1—31 焊接速度對(duì)焊縫形狀的影響

從焊接生產(chǎn)率考慮，焊接速度愈快愈好。但當(dāng)焊縫厚度要求一定時(shí)，為提高焊接速度，就得進(jìn)一步提高焊接電流和電弧電壓，所以，這三個(gè)工藝參數(shù)應(yīng)該綜合在一起進(jìn)行選用。

(四)其它工藝參數(shù)及因素對(duì)焊縫形狀的影響

電弧焊除了上述三個(gè)主要的工藝參數(shù)外，其它一些工藝參數(shù)及因素對(duì)焊縫形狀也具有一定的影響。

(1)電極直徑和焊絲外伸長 當(dāng)其它條件不變時(shí)，減小電極(焊絲)直徑不僅使電弧截面減小，而且還減小了電弧的擺動(dòng)范圍，所以焊縫厚度和焊縫寬度都將減小。

焊絲外伸長是指從焊絲與導(dǎo)電嘴的接觸點(diǎn)到焊絲末端的長度，即焊絲上通電部分的長度。當(dāng)電流在焊絲的外伸長上通過時(shí)，將產(chǎn)生電阻熱。因此，當(dāng)焊絲外伸長增加時(shí)，電阻熱也將增加，焊絲熔化加快，因此余高增加。焊絲直徑愈小或材料電阻率愈大時(shí)，這種影響愈明顯。實(shí)踐證明，對(duì)于結(jié)構(gòu)鋼焊絲來說，直徑為5mm以上的粗焊絲，焊絲的外伸長在60～150mm范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，實(shí)際上可忽略其影響。但焊絲直徑小于3mm時(shí)，焊絲外伸長波動(dòng)范圍超過5～10mm時(shí)，就可能對(duì)焊縫成形產(chǎn)生明顯的影響。不銹鋼焊絲的電阻率很大，這種影響就更大。因此，對(duì)細(xì)焊絲，特別是不銹鋼熔化電極弧焊時(shí)，必須注意控制外伸長的穩(wěn)定。

(2)電極(焊絲)傾角焊接時(shí)，電極(焊絲)相對(duì)于焊接方向可以傾斜一個(gè)角度。當(dāng)電極(焊絲)的傾角順著焊接方向時(shí)叫后傾；逆著焊接方向時(shí)叫前傾，見圖1—32(a)、(b)。電極(焊絲)前傾時(shí)，電弧力對(duì)熔池液體金屬后排作用減弱，熔池底部液體金屬增厚了，阻礙了電弧對(duì)熔池底部母材的加熱，故焊縫厚度減小。同時(shí)，電弧對(duì)熔池前部未熔化母材預(yù)熱作用加強(qiáng)，因此焊縫寬度增加，余高減小，前傾角度。愈小，這一影響愈明顯，見圖1—32(c)。

圖1—32 電極(焊絲)傾角對(duì)焊縫形狀的影響

(a)后傾 (b)前傾 (c)前傾傾角的影響

電極(焊絲)后傾時(shí)，情況與上述相反。

(3)焊件傾角 焊件相對(duì)水平面傾斜時(shí)，焊縫的形狀可因焊接方向不同而有明顯差別。焊件傾斜后，焊接方法可分為兩種：從高處往低處焊叫下坡焊；從低處往高處焊叫上坡焊，見圖1—33(a)(b)。

圖1—33 焊件傾角對(duì)焊縫形狀的影響

(a)下坡焊 (b)上坡焊 (c)下坡焊時(shí)焊件傾角的影響

d)上坡焊時(shí)焊件傾角的影響

當(dāng)進(jìn)行上坡焊時(shí)，熔池液體金屬在重力和電弧力作用下流向熔池尾部，電弧能深入到加熱熔池底部的金屬，因而使焊縫厚度和余高都增加。同時(shí)，熔池前部加熱作用減弱，電弧擺動(dòng)范圍減小，因此焊縫寬度減小。上坡角度愈大，影響也愈明顯。上坡角度。>6°～12°時(shí)，焊縫就會(huì)因余高過大，兩側(cè)出現(xiàn)咬邊而使成形惡化，見圖1—33(d)。因此，在自動(dòng)電弧焊時(shí)，實(shí)際上總是盡量避免采用上坡焊。

下坡焊的情況正好相反，即焊縫厚度和余高略有減小，而焊縫寬度略有增加。因此傾角。<6°～8°的下坡焊可使表面焊縫成形得到改善，手弧焊焊薄板時(shí)，常采用下坡焊，一方面是避免焊件燒穿，另一方面可以得到光滑的焊縫表面成形。如果傾角過大，則會(huì)導(dǎo)致未焊透和熔池鐵水溢流，使焊縫成形惡化，見圖1—33(c)。

(4)坡口形狀 當(dāng)其它條件不變時(shí)，增加坡口深度和寬度時(shí)，焊縫厚度略有增加，焊縫寬度略有增加，而余高顯著減小，見圖1—34。

圖1—34 坡口形狀對(duì)焊縫形狀的影響

(5)焊劑 埋弧焊時(shí)，焊劑的成分、密度、顆粒度及堆積高度均對(duì)焊縫形狀有一定影響。當(dāng)其它條件相同時(shí)，穩(wěn)弧性較差的焊劑焊縫厚度較大、而焊縫寬度較小。焊劑密度小，顆粒度大或堆積高度減小時(shí)，由于電弧四周壓力減低，弧柱體積膨脹，電弧擺動(dòng)范圍擴(kuò)大，因此焊縫厚度減小、焊縫寬度增加、余高略為減小。此外，熔渣粘度對(duì)焊縫表面成形有很大影響，若粘度過大，使熔渣的透氣性不良，熔池結(jié)晶時(shí)所排出的氣體無法通過熔渣排除，使焊縫表面形成許多凹坑，成形惡化。

(6)保護(hù)氣體成分 氣體保護(hù)焊時(shí)，保護(hù)氣體的成分以及與此密切相關(guān)的熔滴過渡形式對(duì)焊縫形狀有明顯影響。采用不同保護(hù)氣體進(jìn)行熔化極氣體保護(hù)焊直流反接時(shí)，焊縫形狀的變化，見圖1—35。射流過渡氬弧焊總是形成明顯蘑菇狀焊縫，氬氣中加入O2、CO2或H2時(shí)，可使根部成形展寬，焊縫厚度略有增加。顆粒狀和短路過渡電弧焊則形成的焊縫形狀寬而淺。

圖1—35 保護(hù)氣體成分對(duì)焊縫形狀的影響

(7)母材的化學(xué)成分 母材的化學(xué)成分不同，在其它工藝因素不變的情況下，焊縫形狀不一樣，這一點(diǎn)在氬弧焊時(shí)特別明顯。如三種產(chǎn)地不同的0Cr18Ni19和0Cr18Ni12Mo2不銹鋼，用鎢極氬弧焊方法焊接，采用相同的焊接工藝參數(shù)時(shí)，所得焊縫形狀的變化，見表1—10。

表1—10 母材化學(xué)成分對(duì)焊縫形狀的影響

注：鎢棒端部45°；弧長2mm電流150A；焊接速度300mm／min。

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