焊接参数和工艺因素对焊缝成形的影响

焊接参数和工艺因素对焊缝成形的影响规律

一、焊接参数对焊缝成形的影响

1、焊接电流对焊缝成形的影响

在其他条件一定的情况下,随着电弧焊接电流增加,焊缝的熔深和余高均增加,熔宽略有增加。其原因如下:

1)随着电弧焊焊接电流增加,作用在焊件上的电弧力增加,电弧对焊件的热输入增加,热源位置下移,有利于热量向熔池深度方向传导,使熔深增大。熔深与焊接电流近似成正比关系,即焊缝熔深H 约等于K m ×I 。式中Km 为熔深系数(焊接电流增加100A 导致焊缝熔深增加的毫米数),它与电弧焊的方法、焊丝直径、电流种类等有关见表1-1。

2)电弧焊的焊芯或焊丝的熔化速度与焊接电流成正比。由于电弧焊的焊接电流增加导致焊丝熔化速度增加,焊丝熔化量近似成正比的增多,而熔宽增加较少,所以焊缝余高增大。

3)焊接电流增大后,弧柱直径增大,但是电弧潜入工件的深度增大,电弧斑点移动范围受到限制,因而熔宽的增加量较小。

气体保护熔化极氩弧焊时,焊接电流增加,焊缝熔深增加。若焊接电流过大、电流密度过高时,容易出现指状熔深,尤其焊铝时较明显。

2. 电弧电压对焊缝成形的影响

在其他条件一定的情况下,提高电弧电压,电弧功率相应增加,焊件输入的热量有所增加。但是电弧电压增加是通过增加电弧长来实现的,电弧长度增加使得电弧热源半径增大,电弧散热增加,输入焊件的能量密度减小,因此熔深略有减小而熔深增大。同时,由于焊接电流不变,焊丝的熔化量基本不变,使得焊缝余高减小。

各种电弧焊方法,俄日了得到合适的焊缝成形,即保持合适的焊缝成形系数φ,在增大焊接电流的同时要适当提高电弧电压,要求电弧电压与焊接电流具有适当的匹配关系。这点在熔化极电弧焊中最为常见。

3. 焊接速度对焊缝成形的影响

在其他条件一定的情况下,提高焊接速度会导致焊接热输入减小,从而焊缝熔宽和熔深都减小。由于单位长度焊缝上的焊丝金属熔敷量与焊接速度成反比,所以也导致焊缝余高减小。

焊接速度是评价焊接生产率的一项重要指标,为了提高焊接生产率,应该提高焊接速度。但为了保证结构设计上所需的焊缝尺寸,在提高焊接速度的同时要相应提高焊接电流和电弧电压,这三个量是相互联系的。同时,还应考虑在提高焊接电流、电弧电压、焊接速度(即采用大功率焊接电弧、高焊接速度焊接)时,有可能在形成熔池过程中及熔池凝固过程中产生焊接缺陷,如咬边、裂纹等,所以提高焊接速度是有限度的。

二、焊接电流种类和极性、电极尺寸对焊缝成形的影响

1.. 焊接电流的种类和极性

焊接电流的种类分为直流和交流。其中,直流电弧焊根据电流的有无脉冲又分为恒定直流和脉冲直流;根据极性分为直流正接(焊件接正)和直流反接(焊件接负)。交流电弧焊根据电流波形的不同又分为正弦波交流和方波交流等。焊接电流种类和极性能影响电弧输入焊件热量的大小,因此能影响焊缝成形,同时还能影响熔滴过渡过程和对母材表面氧化膜的去除。

钨极氩弧焊焊接钢、钛等金属材料时,直流正接时形成的焊缝熔深最大,直流反接时的熔深最小,交流介于两者之间。由于直流正接时焊缝熔深最大,而且钨极烧损最小,所以钨极氩弧焊焊接钢、钛等金属材料时应采用直流正接。钨极氩弧焊采用脉冲直流焊接时,由于能够调整脉冲参数,因而可以根据需要控制焊缝成形尺寸。钨极氩弧焊焊接铝、镁及其合金时,需要利用电弧的阴极清理作用来清理母材表面的氧化膜,采用交流为好,由于方波交流的波形参数可调,则焊接效果更好。

熔化极电弧焊时,直流反接时的焊缝熔深和熔宽都要大于直流正接的情况,交流焊接的熔深和熔宽介于两者之间。因此,埋弧焊时,都采用直流反接以获得较大的熔深;而埋弧堆焊时,则采用直流正接以减小熔深。熔化极气体保护电弧焊时,由于直流反接时不仅熔深大,而且焊接电弧和熔滴过渡过程都较直流正接和交流时稳定,而且具有阴极清理作用,因此被广泛使用,而直流正接和交流则一般不被采用。

2. 钨极端部形状、焊丝直径和伸出长度的影响

钨极前端角度和形状对电弧的集中性及电弧压力影响较大,应根据焊接电流大小及焊件厚薄选取。通常电弧越集中、电弧压力越大,所形成的熔深越大,而熔宽相应减小。

熔化极气体保护电弧焊时,在焊接电流一定的情况下,焊丝越细,电弧加热越集中,熔深增加,熔宽减小。但在实际焊接工程中选择焊丝直径时,还要考虑电流大小和熔池形态,避免出现不良焊缝成形。

熔化极气体保护电弧焊的焊丝伸出长度增加时,焊接电流通过焊丝伸长部分产生的电阻热增加,使焊丝熔化速度增加,因此焊缝余高增大,而熔深有所减小。由于钢焊丝的电阻率比较大,因而在钢质、细焊丝焊接中焊丝伸出长度对焊缝成形的影响比较明显。铝焊丝的电阻率比较小,其影响不大。虽然增加焊丝伸出长度可以提高焊丝的熔化系数,但从焊丝熔化的稳定性和焊缝成形方面综合考虑,焊丝伸出长度存在一个允许的变化范围。

三、其他工艺因素对焊缝成形因素的影响

除了上述工艺因素外,其他焊接工艺因素,如坡口尺寸和间隙大小、电极和工件的倾角、接头的空间位置等也能对焊缝成形及焊缝尺寸产生影响。

1. 坡口和间隙

用电弧焊焊接对接接头时,通常根据焊接板厚确定是否预留间隙、间隙大小以及所开坡口的形式。在其他条件一定时,坡口或间隙的尺寸越大,所焊出焊缝的余高越小,相当于焊缝位置下降(图1-1),此时熔合比减小。因此,留间隙或开坡口可用来控制余高的大小和调整熔合比。留间隙与不留间隙开坡口相比,两者的散热条件有些不同,一般来说开坡口的

结晶条件较为有利。

图1-1 间隙和坡口对焊缝成形的影响

2. 电极(焊丝)倾角

电弧焊时,根据电极倾斜方向和焊接方向的关系,分为电极前倾和电极后倾两种,焊丝倾斜时,电弧轴线也相应倾斜。焊丝前倾时(图1-2a ),电弧力对熔池金属向后排出的作用减弱,熔池底部的液体金属层变厚,熔深减小,电弧潜入焊件的深度减小,电弧斑点移动范围扩大,熔宽增大,余高减小。焊丝前倾α角越小,这一影响越明显(图1-2c )。焊丝后倾时(图1-2b ),情况则相反。焊条电弧焊时,多采用电极后倾法,倾角α在65°~80°之间比较合适。

图1-2 焊丝倾角对焊缝成形的影响

3. 焊件倾角

焊件倾斜在实际生产中经常碰到,可分为上坡焊和下坡焊。此时,熔池金属在重力的作用下有沿斜坡向下流动的倾向。上坡焊时(图1-3a ),重力有助于熔池金属排向熔池尾部,因而熔深大,熔宽窄,余高大。当上坡角度α为6°~12°时,余高过大,且两侧易产生咬边。下坡焊时(图1-3b ),这种作用阻止熔池金属排向熔池尾部,电弧不能深入加热熔池底部的金属,熔深减小,电弧斑点移动范围扩大,熔宽增大,余高减小。焊件倾角过大,会导致熔深不足和熔池液体金属溢流。

4. 焊件材质和厚度

焊缝熔深与焊接电流有关,也与材料的导热性能和容积热容有关。材料的导热性能越好、容积热容越大,则熔化单位体积金属及升高同样的温度所需的热量也就越多,因此在焊接电流等其他条件一定的情况下,熔深和熔宽就减小。材料的密度或液体粘度越大,则电弧对液体熔池金属的排开越困难,熔深也越浅。焊件的厚度影响焊件内部热量的传导,其他条件相同时,焊件厚度增加,散热加大,熔宽和熔深都减小。

5. 焊剂、焊条药皮和保护气体

焊剂或焊条药皮的成分不同,导致电弧的极区压降和弧柱电位梯度不同,必然会影响焊缝成形。当焊剂密度小、颗粒度大或堆积高度小时,电弧四周的压力低,弧柱膨胀,电弧斑点移动范围大,所以熔深较小,熔宽较大,余高小。当大功率电弧焊焊接厚件时,用浮石状焊剂可降低电弧压力,减小熔深,增大熔宽。此外,焊接熔渣应有合适的粘度和熔化温度,粘度过高或熔化温度较高使熔渣透气不良,容易在焊缝表面形成许多压坑,焊缝表面成形变差。

电弧焊用保护气体(如Ar 、He 、N2、CO2)的成分不同,其热导率等物理性能不同,使电弧的极区压降和弧柱的电位梯度、弧柱导电截面、等离子流力、比热流分布等不同,这些都影响焊缝的成形,如图1-4所示。

图1-4 保护气体的成分对焊缝成形的影响

总之焊缝成形的影响因素很多,要想获得良好的焊缝成形,需要根据焊件的材质和厚度、焊缝的空间位置、接头形式、工作条件对接头性能和焊缝尺寸的要求等来选择合适的焊接方法和焊接条件进行焊接。否则,焊缝成形及其性能就可能达不到要求,甚至出现各种焊接缺陷。

关于二保焊

二保焊接就是利用二氧化碳气体对焊道进行保护的一种焊接形式,优点是焊接速度快,效率高,但是不适用于高空移动作业。

)采用明弧焊接,熔池可见度好,操作方便,适宜于全位置焊接。并且有利于焊接过程中的机械化和自动化,特别是空间位置的机械化焊接。 2)电弧在保护气体的压缩下热量集中,焊接速度较快,熔池小,热影响区窄,焊件焊后的变形小,抗裂性能好,尤其适合薄板焊接。 3)用氩、氦等惰性气体焊接化学性质较活泼的金属和合金时,具有较好的焊接质量。 4)在室外作业时,必须设挡风装置才能施焊,电弧的光辐射较强,焊接设备比较复杂。

特点:

(1)焊接成本低 CO2气体是酿造厂和化工厂的副产品,来源广,价格低,其综合成本大概是手工电弧焊的1/2。 (2)生产效率高 CO2气体保护焊使用较大的电流密度(200A/mm2左右),比手工电弧焊(10-20A/mm2左右)高得多,因此熔深比手弧焊高2.2-3.8倍,对10mm 以下的钢板可以不开坡口,对于厚板可以减少坡口加大钝边进行焊接,同时具有焊丝熔化快,不用清理熔渣等特点,效率可比手弧焊提高2.5-4倍。 (3)焊后变形小CO2气体保护焊的电弧热量集中,加热面积小,CO2气流有冷却作用,因此焊件焊后变形小,特别是薄板的焊接更为突出。 (4)抗锈能力强 CO2气体保护和埋弧焊相比,具有较高的抗锈能力,所以焊前对焊件表面的清洁工作要求不高,可以节省生产中大量的辅助时间。缺点:由于CO2气体本身具有较强的氧化性,因此在焊接过程中会引起合金元素烧损,产生气孔和引起较强的飞溅,特别是飞溅问题,虽然从焊接电源、焊丝材料和焊接工艺上采取了一定的措施,但至今未能完全消除,这是CO2焊的明显不足之处。

CO2气体保护焊的分类

CO2气体保护焊按操作方法,可分为自动焊及半自动焊两种。对于较长的直线焊缝和规则的曲线焊缝,可采用自动焊;对于不规则的或较短的焊缝,则采用半自动焊,目前生产上应用最多的是半自动焊。CO2气体保护焊按照焊丝直径可分为细丝焊和粗丝焊两种。细丝焊采用直径小于1.6mm, 工艺上比较成熟,适宜于薄板焊接;粗丝焊采用的直径大于或等于1.6mm ,适用于中厚板的焊接。 CO2气体保护焊的熔滴过渡

在常用的焊接工艺参数内,CO2气体保护焊的熔滴过渡形式有两种,即细颗粒过渡和短路过渡。 (1)细颗粒状过渡 CO2气体保护焊采用大电流,高电压进行焊接时,熔滴呈颗粒状过渡。当颗粒尺寸增加时,会使焊缝成型恶化,飞溅加大,并使电弧不稳定。因此常用的是细颗粒状过渡,此时熔滴直径约比焊丝直径小2-3倍。特点,电流大、直流反接。 (2)短路过渡 CO2气体保护焊采用小电流,低电压焊接时,熔滴呈短路过渡。短路过渡时,熔滴细小而过渡频率高(一般在250-300l/s), 此时焊缝成形美观,适宜于焊接薄件。

CO2气体保护焊的冶金特点 (1)CO2气体的氧化性CO2气体是氧化性气体,在电弧高温作用下会发生分解:CO2=CO+0 在电弧区中,约有40-60%的CO2气体被分解,分解出来的原子态氧具有强烈的氧化性。使碳和其它合金元素如Mn 、Si 被大量氧化,结果使焊缝金属的机械性能大大下降。CO2焊常用的脱氧措施是在焊丝中加入脱氧剂,常用的脱氧剂是Al 、Ti 、Si 、Mn ,而其中尤以Si 、Mn 用得最多。在上述脱

氧剂中单独使用任一种脱氧剂效果均不理想,所以通常采用Si 、Mn 联合脱氧。

(2)气孔 CO2气体保护焊时,如果使用化学成份不合要求的焊丝、纯度不合要求的CO2气体及不正确的焊接工艺,由于CO2气流有一定的冷却作用,熔池凝固较快,很容易在焊缝中产生气孔。……实践表明,在CO2气体保护焊中,采用ER50-6(原为H08Mn2SiA )等含有脱氧剂的焊丝焊接低碳钢、低合金钢时,如果焊前对焊丝和钢板表面的油污、铁锈作了适当的清理,CO2气体中的水分也比较少的情况下,焊缝金属中产生的气孔主要是氮气孔。而氮来自空气的侵入,因此在焊接过程中保护气层稳定可靠是防止焊缝中产生氮气孔的关键。 CO2气体保护焊的工艺参数

CO2气体保护焊时,由于熔滴过渡的不同形式,需采用不同的焊接工艺参数 (1)短路过渡时的工艺参数 短路过渡焊接采用细丝焊,常用焊丝直径为Φ0.6~1.2,随着焊丝直径增大,飞溅颗粒都相应增大。短路过渡焊接时,主要的焊接工艺参数有电弧电压、焊接电流、焊接速度,气体流量及纯度,焊丝深出长度。 1) 电弧电压及焊接电流 电弧电压是短路过渡时的关键参数,短路过渡的特点是采用低电压。电弧电压与焊接电流相匹配,可以获得飞溅小,焊缝成形良好的稳定焊接过程。Φ1.2的一般参数为 电压 19伏;电流120~135。 2) 焊接速度 随着焊接速度的增加,焊缝熔宽、熔深和余高均减小。焊速过高,容易产生咬边和未焊透等缺陷,同时气体保护效果变坏,易产生气孔。焊接速度过低,易产生烧穿,组织粗大等缺陷,并且变形增大,生产效率降低。因此,应根据生产实践对焊接速度进行正确的选择。通常半自动焊的速度不超过0.5m/min,自动焊的速度不超过1.5m/min。 3) 气体的流量及纯度 气体流量过小时,保护气体的挺度不足,焊缝容易产生气孔等缺陷;气体流量过大时,不仅浪费气体,而且氧化性增强,焊缝表面上会形成一层暗灰色的氧化皮,使焊缝质量下降。为保证焊接区免受空气的污染,当焊接电流大或焊接速度快,焊丝伸出长度较长以及室外焊接时,应增大气体流量。通常细丝焊接时,气体流量在15~25L/min之间。CO2气体的纯度不得低于99.5%。同时,当气瓶内的压力低于1Mpa, 就应停止使用,以免产生气孔。这是因为气瓶内压力降低时,溶于液态CO2中的水分汽化量也随之增大,从而混入CO2气体中的水蒸气就越多。 4) 焊丝伸出长度 由于短路过渡均采用细焊丝,所以焊丝伸出长度上所产生的电阻热影响很大。伸出长度增加,焊丝上的电阻热增加,焊丝熔化加快,生产率提高。但伸出长度过大时,焊丝容易发生过热而成段熔断,飞溅严重,焊接过程不稳定。同时伸出增大后,喷嘴与焊件间的距离亦增大,因此气体保护效果变差。但伸出长度过小势必缩短喷嘴与焊件间的距离,飞溅金属容易堵塞喷嘴。合适的伸出长度应为焊丝直径的10~12倍,细丝焊时以8~15mm 为宜。 (2)细颗粒状过渡时的工艺参数 细颗粒状过渡大都采用较粗的焊丝,Φ1.2以上。下表给出几种直径焊丝的参考规范 焊丝直径(mm ) 1.2 1.6 2.0 最低电流(A ) 300 400 500 电弧电压(V ) 34 ~ 45


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