焊接參數(shù)對超細(xì)顆粒焊劑約束電弧超窄間隙焊接焊縫成形的影響

李德福

(蘭州交通大學(xué)鐵道技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

超細(xì)顆粒焊劑約束電弧超窄間隙焊接屬窄間隙埋弧焊，具有窄間隙焊接和埋弧焊的雙重優(yōu)點(diǎn)，但二者的缺點(diǎn)也同樣存在。其中，電弧攀升是超窄間隙焊接存在的主要問題。未解決此問題，通過試驗(yàn)研究了焊速、電壓和電流等工藝參數(shù)對焊縫成形的影響，得到了獲得良好成形的工藝窗口，為解決電弧攀升提供了新思路。

1 試驗(yàn)原理

為保證焊劑對電弧形成良好的約束，采用了如圖1所示的工藝。焊接時(shí)，焊絲在送絲輪的推動下進(jìn)入“I”型對接坡口內(nèi)，與墊板接觸并引弧。被電弧加熱熔化的焊劑形成了對電弧具有強(qiáng)烈約束作用的熔渣壁，在此約束下電弧被限制在一定空間范圍內(nèi)對兩側(cè)壁及其底部進(jìn)行加熱。

圖1 焊接原理示意圖

通過調(diào)整相關(guān)焊接參數(shù)并使之合理匹配，可有效控制電弧在超窄間隙中的加熱區(qū)范圍，提高電弧對側(cè)壁根部的加熱效果，保證熔化焊絲的填充高度與側(cè)壁被加熱熔化的高度相等，以獲得成形良好的超窄間隙焊縫。

2 焊接參數(shù)對超窄間隙焊接焊縫成形的影響

2.1 焊速對焊縫成形的影響

在焊劑30～40目，間隙寬度5.2 mm，焊劑堆高21 mm，焊絲伸出長度25 mm，襯墊金屬絲網(wǎng)的目數(shù)為100目等參數(shù)不變的情況下，改變焊接速度進(jìn)行了試驗(yàn)。

試驗(yàn)現(xiàn)象為：焊速為4.82 mm/s時(shí)，焊接過程中有發(fā)紅的大顆粒跳出；8.10 mm/s時(shí)電弧約束良好，焊接過程穩(wěn)定；10.03 mm/s時(shí)電弧約束良好，焊接過程穩(wěn)定。

所得焊縫形貌對比如圖2。可以看出，低焊速時(shí)所形成的熱影響區(qū)明顯大于其他速度焊接時(shí)，原因在于：焊速大小主要影響對母材的熱輸入量；焊速低，高溫停留時(shí)間長，熱影響區(qū)寬度大；焊速適當(dāng)時(shí)，兩側(cè)壁熔合良好，焊縫形貌美觀，焊道成凹形；但焊速過高時(shí)，易出現(xiàn)焊接缺陷。

圖2 不同焊接速度時(shí)焊縫橫截面形貌

2.2 電弧電壓對超窄間隙側(cè)壁的影響

在焊接速度為7.36 mm/s，焊絲伸出長度24 mm，間隙寬度5.3 mm，焊劑顆粒度30～40目，襯墊金屬絲網(wǎng)目數(shù)100目，焊劑堆高24 mm等參數(shù)不變的情況下，改變電壓進(jìn)行試驗(yàn)得到了如圖3所示的結(jié)果。從圖中可以看出，隨著電壓的升高，焊縫呈現(xiàn)出從熔合不良、到熔合良好、再到出現(xiàn)咬邊的變化。

圖3 不同電壓對應(yīng)焊縫截面形貌

產(chǎn)生這種變化的原因是：電弧電壓低，電弧對熔渣壁最下端的加熱熔化作用弱，使熔渣壁將電弧與側(cè)壁隔離或側(cè)壁熔高小于焊絲填充高度，造成電弧無法加熱到側(cè)壁或?qū)?cè)壁加熱不足，產(chǎn)生了側(cè)壁熔合不良；而電弧電壓過大時(shí)，電弧對熔渣壁最下端處的加熱熔化能力過高，造成側(cè)壁熔高大于熔化焊絲填充高度，出現(xiàn)咬邊。只有在合理的工藝參數(shù)下，電弧才能適度加熱熔渣壁最下端形成合理的側(cè)壁熔高使焊絲填充高度等于或略小于側(cè)壁熔高，能獲得成形良好的焊縫。

2.3 電弧電壓對超窄間隙側(cè)壁根部的影響

圖4為試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)所得電壓對側(cè)壁根部的影響結(jié)果，可以看出，電弧電壓在21～22 V范圍時(shí)，渣壁約束長度長，電弧陰極斑點(diǎn)被限制在間隙底部，對側(cè)壁加熱不足，僅能實(shí)現(xiàn)側(cè)壁根部的熔合。電壓在22～30 V的合理范圍內(nèi)時(shí)，隨電壓增加，側(cè)壁最大熔深及側(cè)壁根部熔透深度均呈增大趨勢，在電壓為30 V時(shí)側(cè)壁根部熔透深度達(dá)到最大。

產(chǎn)生這種變化的原因是：隨電壓增加，電弧陰極斑點(diǎn)由間隙底部向側(cè)壁上方進(jìn)行擴(kuò)展；另一方面，電壓增加導(dǎo)致了電弧能量密度提高，有利于形成良好焊縫。而當(dāng)電壓過高時(shí)，對側(cè)壁根部加熱效果減弱，焊絲熔化后形成的填充高度大于側(cè)壁高度，造成了側(cè)壁咬邊。

圖4 電弧電壓對側(cè)壁根部熔透深度和側(cè)壁最大熔透深度的影響

2.4 電弧電壓與電流匹配關(guān)系的確定

通過對不同電流下改變電弧電壓試驗(yàn)結(jié)果的分析得到了電壓與電流的匹配關(guān)系，如圖5。在電流小于200 A時(shí)，可獲得良好焊縫成形的電壓范圍很窄；在200～325 A的范圍獲得良好焊縫成形的電壓范圍較寬；在此工藝窗口內(nèi)電流確定時(shí)隨電壓增加焊縫依次呈現(xiàn)從“側(cè)壁熔合不良”到“焊縫成形良好”再到“咬邊”的變化。

因此，電流為200～325 A時(shí)，獲得良好成形的電壓范圍約為22～31 V，這與圖3、4、5試驗(yàn)結(jié)果一致。

3 結(jié)論

（1）用超細(xì)顆粒焊劑約束電弧效果良好，能解決電弧攀升問題，焊縫成形良好；

（2）在其他參數(shù)一定的情況下，存在焊縫成形良好的工藝窗口，在此窗口內(nèi)隨電壓增加，側(cè)壁根部熔透深度呈先增加后減小的變化；

（3）在200～325 A的電流匹配22～31 V電壓時(shí)，當(dāng)電流一定時(shí)，隨電壓增加，焊縫依次呈現(xiàn)從“側(cè)壁熔合不良”到“焊縫成形良好”再到“咬邊”的變化。

圖5 電弧電壓與電流匹配關(guān)系

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