淺析焊接工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響

吳志剛

（陜西漢中鋼鐵集團(tuán)有限公司陜西漢中723000）

【摘要】本文闡述了焊接工藝參數(shù)及工藝因素對焊接質(zhì)量的影響。主要從焊縫形狀尺寸與焊接工藝規(guī)范參數(shù)的關(guān)系、焊縫與熔池的關(guān)系延伸到焊接工藝各規(guī)范參數(shù)與焊接質(zhì)量的關(guān)系進(jìn)行了論述，揭示了焊接質(zhì)量的關(guān)鍵在于焊接熱輸入的控制。

【關(guān)鍵詞】焊接工藝參數(shù)；工藝規(guī)程；焊接質(zhì)量

1. 前言

（1）焊接由于節(jié)省大量的材料，生產(chǎn)效率高，是制造業(yè)中主要的加工工藝之一，幾乎涉及到所有的產(chǎn)品。航空航天元器件及結(jié)構(gòu)的焊接制作，工業(yè)產(chǎn)品及廠房的制作安裝，民用產(chǎn)品的制造等等。利用現(xiàn)有設(shè)備及焊接材料和操作人員的技能情況，制定適合的焊接工藝規(guī)程，保證焊接質(zhì)量，是產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，最為重要的環(huán)節(jié)。

（2）焊接質(zhì)量的保證，是在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同材料的物理性能和化學(xué)成分，以及所采用的焊接設(shè)備、焊接方法和結(jié)構(gòu)特性，制定能保證其加工質(zhì)量的焊接工藝技術(shù)文件。在生產(chǎn)實(shí)踐過程中，如何確保焊接工藝規(guī)程的實(shí)施，是鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)及維修部門的重要工作。

（3）由于各企業(yè)所加工構(gòu)件的材料和結(jié)構(gòu)不同，使用的焊接方法不同，在焊接試驗(yàn)和工藝評定方面，所做的內(nèi)容也不盡相同，制定的焊接規(guī)程也有一定的差別。焊接規(guī)程做為焊接過程的技術(shù)性文件，不論生產(chǎn)何種產(chǎn)品，保證其質(zhì)量的前提，就是焊接生產(chǎn)全過程完整的執(zhí)行焊接工藝規(guī)程。

（4）焊接工藝規(guī)程是在滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)程要求的前提下，經(jīng)過焊接工藝評定制定的，是生產(chǎn)過程重要的技術(shù)文件之一。焊接工藝規(guī)程的完全執(zhí)行，是控制焊接產(chǎn)品質(zhì)量行之有效的程序和方法。

2. 在結(jié)構(gòu)材料已知的情況下，焊接工藝規(guī)程中，主要的幾個(gè)參數(shù)如焊接材料、接頭形式、焊接電流、焊接電壓、保護(hù)氣體流量、氣體純度、焊接層數(shù)，而合金鋼及有色金屬焊接過程，還要考慮層間溫度、預(yù)熱及后熱溫度。如任一參數(shù)的大幅度變動，都可能產(chǎn)生焊縫尺寸超差、成形不好、裂紋、夾渣、未焊透、咬邊、焊瘤、燒穿、焊接變形等缺陷，甚至產(chǎn)品報(bào)廢

2.1焊接過程是一個(gè)不均勻加熱和冷卻過程。焊縫區(qū)及熱影響區(qū)溫度會隨著焊條（焊絲）的移動而發(fā)生變化。是一個(gè)不均勻加熱和冷卻過程，熔池的冶金反應(yīng)也是不充分的。焊接電流作為焊接過程重要的工藝參數(shù)之一，是決定焊接熱輸入量的重要參數(shù)，即線能量的的大小。當(dāng)焊接電流增大時(shí)，焊接速度也應(yīng)加快。才能保證線能量基本不變。日常操作中，基本是以提高生產(chǎn)效率為前提，盡可能的采用大的電流參數(shù)。大的電流參數(shù)，固然提高了生產(chǎn)效率，但對焊接質(zhì)量和焊縫成形產(chǎn)生了一定的影響。會燒損一部分合金元素，隨著合金元素含量的減少，焊縫冷卻后的的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，而且熔滴過渡形式也發(fā)生改變。短路過渡變?yōu)樯淞鬟^度，熔滴尺寸變小，體表面積增大，氣體帶入熔池更多，產(chǎn)生氣孔的幾率增加。大的焊接電流作業(yè)時(shí)，熔合區(qū)和過熱區(qū)的的晶粒粗大，冷卻速度加快，極易出現(xiàn)脆化相，使焊縫的疲勞強(qiáng)度和沖擊韌性降低。特別是淬火傾向大且有低溫沖擊韌性要求的材質(zhì)，對其焊接接頭的影響最為明顯。同時(shí)，焊接電流過大，產(chǎn)生的咬邊、焊穿、焊瘤、嚴(yán)重焊接變形致使焊接接頭應(yīng)力集中，疲勞強(qiáng)度和承載能力下降，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致焊縫開裂。焊接電流過小易產(chǎn)生氣孔、未焊透、夾渣等缺陷，降低接頭的致密性，減少承載面積，致使接頭強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度降低。

（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。

2.2焊條電弧焊的電弧電壓主要由電弧長度來決定。

2.2.1電弧長度越大，電弧電壓越高，電弧長度越短，電弧電壓越低。在焊接過程中，應(yīng)盡量使用短弧焊接。立焊、仰焊時(shí)弧長應(yīng)比平焊更短些，以利于熔滴過渡，防止熔化金屬下滴。堿性焊條焊接時(shí)應(yīng)比酸性焊條弧長短些，以利于電弧的穩(wěn)定和防止氣孔。弧長增加，金屬飛濺越多，對母材金屬的表面損傷嚴(yán)重。特別是對有防腐要求的不銹鋼類和鈦金屬構(gòu)件焊接過程中，應(yīng)盡量減少飛濺物。

2.2.2同時(shí)，焊接過程中，焊接速度應(yīng)該均勻適當(dāng)，既要保證焊透又要保證不焊穿，同時(shí)還要使焊縫寬度和余高符合設(shè)計(jì)要求。如果焊速過快，熔化溫度不夠，易造成未熔合、焊縫成形不良等缺陷；如果焊速過慢，使高溫停留時(shí)間增長，熱影響區(qū)寬度增加，焊接接頭的晶粒變粗，力學(xué)性降低，同時(shí)使工件變形量增大。當(dāng)焊接較薄工件時(shí)，易形成燒穿。

2.2.3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，電弧電壓增大，嚴(yán)重時(shí)引起磁偏吹。這也是使焊縫成型不好，形成氣孔、夾渣、未焊透的一個(gè)因素。在焊接電源為直流反接時(shí)，表現(xiàn)得尤為突出。

2.2.4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。

2.2.5焊速對熔深和熔寬均有明顯影響，焊速較小時(shí)（例如單絲埋弧焊焊速小于）熔深隨焊速增加略有增加，熔寬減小。但焊速達(dá)到一定數(shù)值以后，熔深和熔寬都隨焊速增大而明顯減小。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。

2.2.6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。

2.2.7焊速的這種影響也可以從電弧的熱和力作用兩方面來加以解釋。

⑴焊速較小時(shí)，電弧力的作用方向幾乎是垂直向下的，隨著焊速增大，弧柱后傾有利熔池液體金屬在電弧力作用下向尾部流動，使熔池底部暴露，因而有利于熔深的增加。

⑵焊速增加時(shí)，從焊縫的熱輸入和熱傳導(dǎo)角度來看，焊縫的熔深和熔寬都要減小。

2.2.8以上兩方面因素綜合的結(jié)果，低焊速時(shí)前者起主導(dǎo)作用，熔深隨焊速增加而略有增加。當(dāng)焊速超過一定值時(shí)，后者起主導(dǎo)作用，熔深就隨焊速增加而減小。熔寬及增高則總是隨焊速增加而減小的。

2.2.9從焊接生產(chǎn)率角度來考慮，焊速是愈快愈好，因此焊速減慢熔深降低的這一段區(qū)間是沒有實(shí)際意義的。當(dāng)焊件熔深要求確定時(shí)，為提高焊速，就得進(jìn)一步提高焊接電流和電弧電壓，即意味著電弧功率提高，因此，焊接電流和焊速的選取就要考慮綜合經(jīng)濟(jì)效果。簡單的提高功率來提高焊速是有限制的。焊速對熔深和熔寬均有明顯影響，焊速較小時(shí)（例如單絲埋弧焊焊速小于）熔深隨焊速增加略有增加，熔寬減小。但焊速達(dá)到一定數(shù)值以后，熔深和熔寬都隨焊速增大而明顯減小。

2.2.10實(shí)踐證明，提高電弧電壓會使熔池保護(hù)性能變差，氮?dú)饪變A向增加。提高焊接速度，會使結(jié)晶速度增加，氣孔傾向也增加。

2.3常用焊接材料包括焊條、焊絲、保護(hù)氣體、焊劑。焊芯（焊絲）其作用主要是填充金屬和傳導(dǎo)電流。

2.3.1焊條按用途可分為10大類；按熔渣酸堿度分為酸性和堿性兩大類；焊劑有酸性、中性、堿性三大類。焊絲按結(jié)構(gòu)有實(shí)芯和藥芯兩類，按用途有8大類。手弧焊和埋弧焊作業(yè)中，焊縫區(qū)是通過氣渣聯(lián)合保護(hù)的。氣保焊和氣焊是以氣保護(hù)為主。堿性焊條由于加入CaF2，影響氣體電離，電弧的穩(wěn)定性變差，一般要求采用直流反接。焊條工藝性能是通過藥皮配方來實(shí)現(xiàn)的。以電弧穩(wěn)定性、焊縫脫渣性、再引弧性、飛濺率、熔敷系數(shù)、熔敷率、摻合金作用強(qiáng)弱等性能體現(xiàn)的。焊條（焊絲）質(zhì)量檢驗(yàn)有相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)。在實(shí)際使用中，一般都是定型生產(chǎn)的產(chǎn)品，可根據(jù)結(jié)構(gòu)和焊縫金屬強(qiáng)度要求，做相應(yīng)的檢驗(yàn)。焊條（焊絲）的選用的基本原則是，確保焊接結(jié)構(gòu)安全使用的前提下，盡量選用工藝性能好和生產(chǎn)率高的焊條（焊絲）和焊劑。根據(jù)被焊構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、母材性質(zhì)和工作條件，對焊縫金屬提出安全使用的各項(xiàng)要求，所選焊條（焊絲）、焊劑都應(yīng)使之滿足。必要時(shí)通過焊接性試驗(yàn)來確定。在生產(chǎn)中主要有同種金屬材料焊接和異種金屬焊接兩種情況，選用焊條（焊絲）焊劑時(shí)考慮的因素應(yīng)有所區(qū)別。焊條（焊絲）、焊劑的保管也是焊接質(zhì)量保證的重要環(huán)節(jié)之一，是不容忽視的。出現(xiàn)的藥皮脫落、焊絲表面銹蝕、藥皮（焊劑）含水量增加，均會導(dǎo)致焊縫含氫量過高，氣孔增加幾率升高，焊縫抗裂性能、韌性下降。有色金屬和不銹鋼構(gòu)件防腐性能下降等工藝質(zhì)量問題。特別是壓力容器及特殊鋼結(jié)構(gòu)制造中尤為重要。

2.3.2為了保證焊接質(zhì)量，原材料的質(zhì)量檢驗(yàn)很重要。在生產(chǎn)的起始階段，就要把好材料關(guān)，才能穩(wěn)定生產(chǎn)，穩(wěn)定焊接產(chǎn)品的質(zhì)量。

（1）加強(qiáng)焊接原材料的進(jìn)廠驗(yàn)收和檢驗(yàn)，必要時(shí)要對其理化指標(biāo)和機(jī)械性能進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。

（2）建立嚴(yán)格的焊接原材料管理制度，防止儲備時(shí)焊接原材料的污損。

（3）實(shí)行在生產(chǎn)中焊接原材料標(biāo)記運(yùn)行制度，以實(shí)現(xiàn)對焊接原材料質(zhì)量的追蹤控制。

（4）選擇信譽(yù)比較高、產(chǎn)品質(zhì)量比較好的焊接原材料供應(yīng)廠和協(xié)作廠進(jìn)行訂貨和加工，從根本上防止焊接質(zhì)量事故的發(fā)生。

2.3.3總之，焊接原材料的把關(guān)應(yīng)當(dāng)以焊接規(guī)范和國家標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，及時(shí)追蹤控制其質(zhì)量，而不能只管進(jìn)廠驗(yàn)收，忽視生產(chǎn)過程中的標(biāo)記和檢驗(yàn)。

2.4焊接接頭是組成焊接結(jié)構(gòu)的最基本要素。也是焊接結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。主要有對接、角接、搭接、T形、卷邊五種形式。

（1）為使焊縫的厚度達(dá)到規(guī)定的尺寸不出現(xiàn)焊接缺陷和獲得全焊透的焊接接頭，焊縫的邊緣應(yīng)按板厚和焊接工藝要求加工成各種形式的坡口。

（2）常用焊接接頭坡口形式有V形、X形、U形及雙U形。設(shè)計(jì)和選擇坡口焊縫時(shí)，應(yīng)考慮坡口角度、根部間隙、鈍邊和根部半徑。

（3）焊條電弧焊時(shí)，為保證焊條能夠接近焊接接頭根部以及多層焊時(shí)側(cè)邊熔合良好，坡口角度與根部間隙之間應(yīng)保持一定的比例關(guān)系。當(dāng)坡口角度減小時(shí)，根部間隙必須適當(dāng)增大。因?yàn)楦块g隙過小，根部難以熔透，必須采用較小規(guī)格的焊條，降低焊接速度；反之如果根部間隙過大，則需要較多的填充金屬，提高了焊接成本和增大了焊接變形。

（4）熔化極氣體保護(hù)焊由于采用的焊絲較細(xì)，且使用特殊導(dǎo)電嘴，可以實(shí)現(xiàn)厚板（大于200mm）I形坡口的窄間隙對接焊。

（5）開有坡口的焊接接頭，一般需要留有鈍邊來確保焊縫質(zhì)量。鈍邊高度以既保證熔透又不致燒穿為佳。焊條電弧焊V形或雙面U形坡口取0～3mm，雙面V形或雙面U形坡口取0～2mm。埋弧焊的熔深比焊條電弧焊大，因此鈍邊可適當(dāng)增加，以減少填充金屬。

（6）帶有鈍邊的接頭，根部間隙主要取決于焊接位置和焊接工藝參數(shù)，在保證焊透的前提下，間隙盡可能減小。

（7）坡口加工可以采用機(jī)械加工或熱切割法。V形坡口和X形坡口可以在機(jī)械氣割下料時(shí)，采用雙割據(jù)或三割據(jù)同時(shí)完成坡口的加工。

坡口加工的尺寸公差對于焊件的組裝和焊接質(zhì)量有很大的影響，應(yīng)嚴(yán)格檢查和控制。坡口的尺寸公差一般不超過±0.5mm。

2.5焊接方法。

2.5.1焊接質(zhì)量對工藝方法的依賴性很強(qiáng)，焊接方法在影響焊接工序質(zhì)量的諸因素中占有非常突出的地位。工藝方法對焊接質(zhì)量的影響主要來自兩個(gè)方面，一方面是工藝制訂的合理性；另一方面是執(zhí)行工藝的嚴(yán)格性。工藝方法是根據(jù)模擬相似的生產(chǎn)條件所作的試驗(yàn)和長期積累的經(jīng)驗(yàn)以及產(chǎn)品的具體技術(shù)要求而編制出來的，是保證焊接質(zhì)量的重要基礎(chǔ)，它有規(guī)定性、嚴(yán)肅性、慎重性和連續(xù)性的特點(diǎn)。通常由經(jīng)驗(yàn)比較豐富的焊接技術(shù)人員編制，以保證它的正確性與合理性。在此基礎(chǔ)上確保貫徹執(zhí)行工藝方法的嚴(yán)格性，在沒有充足根據(jù)的情況下不得隨意變更工藝參數(shù)，即使確需改變，也得履行一定的程序和手續(xù)。

2.5.2不合理的焊接工藝不能保證焊出合格的焊縫，但有了經(jīng)評定驗(yàn)證的正確合理的工藝規(guī)程，若不嚴(yán)格貫徹執(zhí)行，同樣也不能焊出合格的焊縫。兩者相輔相成，相互依賴，不能忽視或偏廢任何一個(gè)方面。在焊接質(zhì)量管理體系中，對影響焊接工藝方法的因素進(jìn)行有效控制的做法是：

（1）必須按照有關(guān)規(guī)定或國家標(biāo)準(zhǔn)對焊接工藝進(jìn)行評定。

（2）選擇有經(jīng)驗(yàn)的焊接技術(shù)人員編制所需的工藝文件，工藝文件要完整和連續(xù)。

（3）按照焊接工藝規(guī)程的規(guī)定，加強(qiáng)施焊過程中的現(xiàn)場管理與監(jiān)督。

（4）在生產(chǎn)前，要按照焊接工藝規(guī)程制作焊接產(chǎn)品試板與焊接工藝檢驗(yàn)試板，以驗(yàn)證工藝方法的正確性與合理性。

2.5.3還有，就是焊接工藝規(guī)程的制定無巨細(xì)，對重要的焊接結(jié)構(gòu)要有質(zhì)量事故的補(bǔ)救預(yù)案，把損失降到最低。可根據(jù)

表1確定它們之間的關(guān)系。

表1焊接工藝方法的重要因素、補(bǔ)加因素與焊接缺陷的關(guān)系

在特定環(huán)境下，焊接質(zhì)量對環(huán)境的依賴性也是較大的。焊接操作常常在室外露天進(jìn)行，必然受到外界自然條件（如溫度，濕度、風(fēng)力及雨雪天氣）的影響，在其它因素一定的情況下，也有可能單純因環(huán)境因素造成焊接質(zhì)量問題。所以，也應(yīng)引起一定的注意。在焊接質(zhì)量管理體系中，環(huán)境因素的控制措施比較簡單，當(dāng)環(huán)境條件不符合規(guī)定要求時(shí)，如風(fēng)力較大，風(fēng)速大于四級，或雨雪天氣，相對濕度大于90%，可暫時(shí)停止焊接工作，或采取防風(fēng)、防雨雪措施后再進(jìn)行焊接，在低氣溫下焊接時(shí)，低碳鋼不得低于-20℃，普通合金鋼不得低于-10℃，如超過這個(gè)溫度界限，可對工件進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)熱。

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