氬弧焊接工藝對(duì)焊接質(zhì)量影響研究

馬世倉

（伊犁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆　伊犁　835000）

【自然科學(xué)研究與應(yīng)用】

氬弧焊接工藝對(duì)焊接質(zhì)量影響研究

馬世倉

（伊犁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆伊犁835000）

鎢極氬弧焊在焊接過程中會(huì)有很大的殘余變形量，造成焊件變形的關(guān)鍵在于焊件各部分溫度不是均勻分布的，因此，完善焊接工藝是降低焊件的變形量、解決焊接變形問題的關(guān)鍵所在。除此之外，對(duì)焊接質(zhì)量與變形量，焊接時(shí)的傳熱過程而言，焊接速度、電弧焊接電壓及焊接電流等焊接工藝參數(shù)對(duì)其也有著直接的影響。文章分析了氬弧焊接工藝參數(shù)之間的關(guān)系，研究了對(duì)焊接質(zhì)量有影響的焊接工藝參數(shù)的選取。

氬弧焊；工藝參數(shù)；焊接質(zhì)量；影響

隨著科技的進(jìn)步，技術(shù)的不斷創(chuàng)新以及材料需求的增加，不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用越來越廣泛。它的結(jié)構(gòu)形式已從過去單一的型鋼組對(duì)模式發(fā)展到現(xiàn)在用鋼板組焊的輕型結(jié)構(gòu)。不銹鋼材料的焊接主要是以氬弧焊為主［1］，隨著不銹鋼材料綜合力學(xué)性能的不斷提高，設(shè)計(jì)部門設(shè)計(jì)的鋼板在原有綜合力學(xué)性能保證的情況下，厚度逐步在向中、薄輕型方向發(fā)展。在焊接不銹鋼構(gòu)件的過程中，由于結(jié)構(gòu)的差異常常會(huì)出現(xiàn)焊接變形的情況。尤其是焊接輕薄型的構(gòu)件，焊接變形更為嚴(yán)重。焊接變形不但影響構(gòu)件外觀形狀、幾何尺寸和降低裝配質(zhì)量，而且還會(huì)降低結(jié)構(gòu)的承載能力，從而使構(gòu)件質(zhì)量達(dá)不到設(shè)計(jì)及使用的要求。為矯正這些變形，常常需要花費(fèi)大量人力物力，從而增加了生產(chǎn)的成本［2］。因此，研究焊接工藝對(duì)焊接質(zhì)量的影響在理論與實(shí)踐方面都顯得極為重要。

一、焊接工藝參數(shù)之間的關(guān)系

（一）焊縫形狀尺寸及其與焊縫質(zhì)量的關(guān)系

焊接過程中的一整套技術(shù)規(guī)定就是焊接工藝，通常包括焊接方法、焊前準(zhǔn)備、焊接順序、焊接設(shè)備、焊接材料、焊接操作、工藝參數(shù)和焊后熱處理等。焊縫質(zhì)量與焊縫形狀尺寸之間的關(guān)系可以用圖1對(duì)接接頭進(jìn)行說明。

圖1　對(duì)接接頭形狀尺寸

圖1中，L為焊縫的寬度，是對(duì)接接頭焊中一個(gè)重要的尺寸；H為熔深，也是對(duì)接接頭焊接中的重要尺寸，它對(duì)接頭的承載能力有著直接的影響；焊縫成形系數(shù)φ為焊縫的寬度與熔深之間的比值，即φ=L/H。決定焊縫中心偏析嚴(yán)重程度的因素有φ的大小、熔池結(jié)晶的方向，以及熔池中氣體溢出的難易程度［3］。如果φ比較小，由公式φ=L/H可知，此時(shí)窄而深的焊縫就會(huì)產(chǎn)生。緣于低熔點(diǎn)或雜質(zhì)的共晶物在焊縫結(jié)晶時(shí)，在焊縫的中心有所偏析，就會(huì)產(chǎn)生對(duì)焊接質(zhì)量影響很大的熱裂紋。因此，在焊接過程中要避免出現(xiàn)熱裂紋。如果φ比較大，由公式φ=L/H可知，此時(shí)會(huì)形成淺而寬的焊縫，這樣生產(chǎn)效率不僅低下而且還沒有熔深。所以φ的選擇要適宜，它不僅受熔池物理冶金條件氣孔敏感性的影響，同時(shí)焊縫產(chǎn)生裂紋對(duì)其也有影響。

余高h(yuǎn)是焊縫的另一個(gè)重要尺寸，它不僅能提高承受靜載荷的能力，增大焊縫的截面，還可以有效地避免在凝固收縮時(shí)熔池金屬所形成的缺陷。應(yīng)力在焊縫余高過大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)疲勞或集中使其壽命下降，因此余高的尺寸在焊接過程中要嚴(yán)格控制。焊接后，可以通過去除余高的方式使其達(dá)到理想的凹形角焊縫表面。從理論上講，焊縫橫截面的輪廓在L、H和h確定后就基本確定了，但在實(shí)際上由于輪廓形狀還受到其他因素的影響，所以還不能完全確定。

（二）熔池與焊縫的關(guān)系及焊縫的生成

通常狀況下，熔池是由混合的焊絲和母材金屬熔化的電弧所形成。其中，雖然排除了表面能張力與重力的影響，但熔池金屬最終還是被推向熔池的底部，冷卻結(jié)晶成焊縫，究其原因，是因?yàn)殡娀×Φ拇嬖?。焊接熔池的形狀決定焊縫的形狀，而熔池形狀受到坡口、接頭形式、基體金屬的邊緣、間隙尺寸、金屬絲熔化以及空間位置等因素的影響［4］。如果空間位置與接頭形式不一樣，就會(huì)導(dǎo)致焊接熔池的重力不等，因此，需要對(duì)應(yīng)地選擇不同的工藝參數(shù)與焊接方法。焊接質(zhì)量直接受焊接工藝的影響，不合適的焊接工藝參數(shù)、間隙與坡口會(huì)導(dǎo)致裂紋和氣孔，并可能出現(xiàn)更嚴(yán)重的焊接殘缺。在焊接過程中為了獲得較好的機(jī)械性能以及較好的成形焊縫，須選擇適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)、間隙以及坡口。

二、熱輸入和焊接質(zhì)量受焊接工藝參數(shù)影響

保證焊接質(zhì)量，避免焊接缺陷和充分發(fā)揮設(shè)備能效的前提是焊接工藝參數(shù)的合理選擇。鎢極氬弧焊的工藝參數(shù)包括焊接速度、氬氣流量、焊接電流、噴嘴直徑與電弧電壓等，在自動(dòng)氬弧焊中，還須考慮送絲速度與焊接速度。焊縫形狀、焊接過程的穩(wěn)定性、沉積速率、焊接變形、顯微組織穩(wěn)定性、焊接化學(xué)成分以及稀釋率與焊接工藝參數(shù)有很大的關(guān)系，焊接質(zhì)量與熱輸入同樣也受焊接工藝參數(shù)的影響。

（一）焊接電流對(duì)焊接質(zhì)量與熱輸入的影響

氬弧焊焊接伊始，焊接操作者唯一調(diào)控的信息是焊接電流，焊接電流是氬弧焊關(guān)鍵工藝參數(shù)；操作中，焊接操作者需對(duì)電弧電壓和焊接速度進(jìn)行控制。焊接電流對(duì)焊接質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率的影響是致命的，焊接電流過大或過小都對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生直接的影響，因此，焊接電流的大小要通盤考慮焊件焊縫的空間位置、接頭形式和厚度等因素。如果電流大小合適，則接頭質(zhì)量與焊縫尺寸滿足要求，焊接保持平穩(wěn)［5］。保持其他條件不變，當(dāng)焊接電流增大也就是等于熱輸入量被增加，這時(shí)，雖然焊縫的余高與熔深均得以增加，焊接效率也相應(yīng)地有所提高，但熔寬僅發(fā)生了細(xì)微變化，焊條根部易發(fā)生部分涂層失效并發(fā)紅或崩落的現(xiàn)象，導(dǎo)致燒穿、焊瘤、咬邊等焊接缺陷的出現(xiàn)。另外，電流過大還造成焊縫夾鎢、鎢極燒損，焊件的變形機(jī)會(huì)增大，還會(huì)降低焊接接頭的韌性，內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)受到影響，接頭熱影響區(qū)晶粒變大，直接使力學(xué)性能和組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化［6］。焊接電流太小，則會(huì)使操作者引弧較困難甚至焊條會(huì)粘連在工件上，嚴(yán)重影響了焊接質(zhì)量，另外還會(huì)出現(xiàn)夾渣、氣孔、沒有焊透和不熔合等殘缺現(xiàn)象，同時(shí)還會(huì)造成電弧不穩(wěn)定，在質(zhì)量不能保證的同時(shí)也減小了生產(chǎn)效率。

所以，遴選焊接電流時(shí)不宜過大也不宜過小，應(yīng)該按照焊接層數(shù)與焊縫位置、接頭形式、焊件厚度、鎢極端部的形狀和直徑來通盤考慮。在確保焊接質(zhì)量和其他因素不變的情況下，盡可能運(yùn)用較大的焊接電流，使生產(chǎn)效率得以提升。此外，在操作環(huán)境溫度較低的情況下，板厚較小的搭接接頭與T形接頭導(dǎo)熱非常迅速，焊接時(shí)也應(yīng)當(dāng)選擇大電流。

（二）電弧電壓對(duì)焊接質(zhì)量與熱輸入的影響

依照電源特征，當(dāng)電阻一定時(shí)，焊接電流與電弧電壓成正比，但事實(shí)并非如此，實(shí)際操作中電弧電壓主要是由電弧的長度來決定的。電弧電壓與電弧長度在一定范圍內(nèi)是正比例函數(shù)的關(guān)系，弧長的增加使得電弧電壓也相應(yīng)的增加，進(jìn)而也加大了電弧的熱量。當(dāng)電弧長度大于區(qū)間上限后，弧長變長降低了熱效率，使得氣體的保護(hù)效果變壞，弧柱截面積對(duì)應(yīng)變大。在別的參數(shù)恒定時(shí)，電弧功率、母材的稀釋率、焊件熱輸入量、弧長、分布半徑都會(huì)隨著電弧電壓的增加而增加，最終導(dǎo)致余高降低，熔深增大，熔深略微變淺［7］。在低電壓狀況下，焊接過程易出現(xiàn)氣體保護(hù)效果差、碰鎢、不平穩(wěn)、未焊透、焊瘤等焊接缺陷。在電壓過高的狀況下，無法確保合適的焊接電流，會(huì)產(chǎn)生氣孔、不穩(wěn)定、電弧沒有平穩(wěn)性、熔深短、咬邊和電弧燃燒飛濺大等不足［8］。此外，電壓過高還會(huì)發(fā)生空氣滲透現(xiàn)象，最終形成夾渣等焊接缺陷。由此可知，選擇焊接電壓不宜過大也不宜過小。

（三）焊接速度對(duì)熱輸入和焊接質(zhì)量影響

在單位時(shí)間內(nèi)完成的焊縫長度表示焊接速度。焊接速度可依照工件的厚度來調(diào)節(jié)，同時(shí)，要控制預(yù)熱溫度和焊接電流的大小，確保焊接所需的深度和寬度。在焊縫電流等外在參數(shù)恒定時(shí)，焊接速度與焊接材料厚度成反相關(guān)，即材料越厚，焊速越慢［9］。過慢的焊接速度導(dǎo)致工作效率降低，焊縫變寬，漫溢，余高增加。過快的焊接速度會(huì)超越合理的范疇。氬氣保護(hù)屬于柔性保護(hù)，保護(hù)氣流極度后偏，使得氬氣出現(xiàn)彎曲的現(xiàn)象，進(jìn)而對(duì)電弧、熔池和鎢極的保護(hù)功效有所降低，最終可能會(huì)使熔池、弧柱、鎢極端部等裸露于空氣里，出現(xiàn)焊縫極度凸凹不平、變窄，同時(shí)，易于出現(xiàn)焊縫波形變尖、未熔合、氣孔、咬邊、燒穿與凹陷等缺陷。所以，為確保具有優(yōu)良的保護(hù)功效，須運(yùn)用對(duì)應(yīng)的方法，例如把焊槍前傾相應(yīng)角度或加大保護(hù)氣體流量。

熱輸入量的大小還由焊接速度決定。加快焊接速度時(shí)，熱輸入量就會(huì)降低，同時(shí)余高會(huì)減少，熔寬、熔深也會(huì)降低。焊接速度是判斷焊接效率的重要指標(biāo)。僅僅從生產(chǎn)效率得以提高的角度來思考，提高生產(chǎn)效率的根本就是加快焊接速度；但是，若要考量焊接尺寸，滿足前面焊接速度的加快的同時(shí)，對(duì)焊接電壓與電流的提升也是不可或缺的。

在鎢極氬弧焊焊接過程中，為保障焊接質(zhì)量，應(yīng)選用相對(duì)慢一點(diǎn)的焊接速度，但不可過慢，因?yàn)楹附铀俣冗^慢會(huì)使生產(chǎn)效率變低，產(chǎn)品容易出現(xiàn)變形、咬邊和燒穿等缺點(diǎn)，所以，在焊接過程中速度不宜過快也不宜過慢，保持適中即可。

（四）氬氣流量對(duì)熱輸入和焊接質(zhì)量影響

氬氣純度要在99.9%以上是氬弧焊接的一般要求。通常，要想使得氬氣保護(hù)效果達(dá)到最佳，須將氬氣流量控制在一個(gè)最佳的范圍內(nèi)，同時(shí)也會(huì)有最大的有效保護(hù)區(qū)。在鎖定噴嘴的直徑時(shí)，倘若氬氣流量較大，就會(huì)在繞噴嘴時(shí)生成很薄的近壁層流，然后出現(xiàn)比較大的氣體流速，達(dá)不到很好的保護(hù)效果，形成高流速的紊流，其會(huì)消耗許多電弧區(qū)熱量，導(dǎo)致電弧不平穩(wěn)燃燒，造成氬氣的浪費(fèi)，直接導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失。倘若氬氣流量過小，那么排除周圍空氣的能力就會(huì)不強(qiáng)，空氣挺度也會(huì)非常差［10］。因此，提高保護(hù)效果的重要環(huán)節(jié)之一就是合理選擇氬氣流量。為了將氬氣流量控制在合理范圍之內(nèi)，一般手工氬弧焊氬氣流量可以在表1的參考范圍內(nèi)選擇。

表1　噴嘴孔徑與保護(hù)氣流量選用的范圍

（五）噴嘴直徑對(duì)焊接質(zhì)量和熱輸入的影響

在一般情況下，有效保護(hù)范圍達(dá)到最佳的條件是噴嘴直徑在最佳的范圍之內(nèi)，此時(shí)工作效率也是最高的。當(dāng)流量不變時(shí)，噴嘴直徑過小，保護(hù)范圍小，流速就過大，導(dǎo)致熔池金屬發(fā)生氧化［11］。如果噴嘴直徑過大，增加氬氣消耗的同時(shí)也不利于操作者操作?？諝饬魉偬?，噴嘴直徑很小，導(dǎo)致保護(hù)效果不明顯。通常狀況下，保護(hù)氣流量與人工氬弧焊噴嘴直徑范圍在表1范圍內(nèi)進(jìn)行選擇。

由表1可知，對(duì)焊件的熱流梯度有直接影響的是噴嘴直徑與氬氣流量，并且它們之間是相互依賴、相互影響的關(guān)系，這是因?yàn)楹附訒r(shí)焊件的溫度遠(yuǎn)低于氬氣的溫度，此時(shí)，氬氣流速與噴嘴直徑值成反相關(guān)，所以消耗許多流換熱的熱能。焊縫處的高溫得以很快降低緣于焊縫區(qū)域集中著氬氣，把導(dǎo)致焊件變形的溫度梯度進(jìn)行富有成效地減小。因此，需要慎重遴選噴嘴直徑與氬氣流量。

三、結(jié)語

影響焊縫成形的因素還有很多，如鎢電極的焊縫的形狀與半徑，會(huì)影響焊接質(zhì)量與焊接熱輸入。本文僅從焊接電流、電弧電壓、焊接速度、氬氣流量和噴嘴直徑幾個(gè)方面對(duì)氬弧焊焊接工藝與焊接質(zhì)量的影響進(jìn)行了簡單的探討，希望對(duì)與該課題有關(guān)的研究者有所幫助。

［1］莊利軍.淺析鋼結(jié)構(gòu)焊接變形產(chǎn)生及防治［J］.科學(xué)之友，2010（7）:5-6.

［2］宋廣豪.鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的起因及控制方法探討［J］.門窗，2012（10）:190，192.

［3］翟俊峰.淺談鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的成因與控制策略［J］.中國城市經(jīng)濟(jì)，2012（2）:230.

［4］付榮柏.焊接變形的控制與矯正［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2014:8-15.

［5］方文鵬，杜曉偉，陳勇.鎢極氬弧焊工藝參數(shù)的選擇和焊縫缺陷的預(yù)防［J］.電焊機(jī)，2006（6）:13-16.

［6］林企曾，李成.迅速發(fā)展的中國不銹鋼工業(yè)［J］.鋼鐵，2012 （12）:1.

［7］李亞芝.論鋼結(jié)構(gòu)的焊接變形與控制方法 ［J］.門窗，20125（9）:14-16

［8］張?zhí)m.我國不銹鋼焊接工藝研究現(xiàn)狀及進(jìn)展［J］.山西冶金，2013（2）:1-5.

［9］中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接詞典［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［10］李亞江.焊接組織性能與質(zhì)量控制［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

［11］李亞江.輕金屬焊接技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2011.

（編輯:林鋼）

A Research into the Effects of Argon Arc Welding Process on Welding Quality

（Yili Vocational and Technical College，Yili 835000，China）

Tungsten leaves a great amount of residual deformation during welding.The key cause of the weldment deformation is the uneven distribution of temperature on the various parts of the weldment.Therefore，the fundamental way to reduce the amount of deformation and solve the problem of welding deformation is to perfect the welding technology.In addition，welding heat transfer process，welding speed，arc welding voltage and welding current and other welding parameters also has a direct impact on the welding quality and the amount of deformation.The present paper is both an analysis of the relationships between TIG process parameters and a research into the selection of welding process parameters that affect the welding quality.

TIG；process parameters；welding quality；influence

TG 444+.74

A

1671-4806（2016）03-0082-04

2015-12-10

伊犁職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)項(xiàng)目（yzyxm2015012）

馬世倉（1985—），男，新疆伊寧人，助理講師，研究方向?yàn)闄C(jī)械加工、焊接技術(shù)。