第三章母材熔化与焊缝成形(共27页)

《第三章母材熔化与焊缝成形(共27页)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章母材熔化与焊缝成形(共27页)（28页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、精选优质文档-倾情为你奉上第三章母材熔化和焊缝成形熔化焊时，被焊金属（母材）和填充金属在热源作用下熔融在一起，并形成具有一定几何形状的液体金属叫熔池，冷却凝固后则称谓焊缝。焊缝成形的好坏是衡量焊接质量的主要指标之一。本章将讨论在电弧热和力作用下母材的熔化、熔池和焊缝的形成、对接接头焊缝成形的基本规律及对焊缝成形的控制。第一节 焊缝和熔池的形状及尺寸焊接接头的形式很多，不同的接头形式其焊缝形状亦有所不同。一、 焊缝形状尺寸及其影响焊缝的形状通常是指熔化焊缝区横截、熔宽面和余高来表的形状，一般以熔深H、熔宽B和余高a来表示，如图3-1所示。其中熔深是对接接头焊缝最重要的尺寸，它直接影响到接头的承载

2、能力。熔宽和余高则应与熔深具有恰当的比例，因而采用焊缝成形系数和余高系数来表征焊缝的成形特点。焊缝成形系数的大小影响到熔池中气体逸出的难易、熔池的结晶方向、焊缝中心偏析的严重程度等。的大小要受到焊接方法及材料对焊缝产生裂纹和气孔的敏感性，即熔池合理冶金条件的制约。一般而言，对于裂纹和气孔敏感的材料，其焊缝的值应取大一些。此外，值的大小还受到电弧功率密度的限制。对于常用的电弧焊方法，焊缝的值一般取1.32 。堆焊时为了保证堆焊层材料的成分和高的生产率，要求熔深浅，焊缝宽度大，此时值可达10左右。 焊缝余高可避免熔池金属凝固收缩时形成缺陷，也可增加焊缝截面，提高结构承受静载荷能力。但余高太大将引起

3、应力集中，从而降低承受动载荷能力，因此要限制余高的尺寸。通常对接接头的余高应控制在3mm以下，或者余高系数大于48。对重要的承受动载荷的结构，焊后应将余高去除。理想的角焊缝表面最好是凹形的（图3-1），对对于重要结构，可在焊后除去余高，磨成凹形。焊缝的熔深、熔宽和余高确定后，基本确定了焊缝横截面的轮廓。焊缝准确的横截面形状及面积可由焊缝断面的粗晶腐蚀确定，从而可确定母材金属在焊缝中所占的比例，即焊缝的熔合比。式中-母材金属在焊缝横截面中所占面积；-填充金属在焊缝横截面中所占面积。由图3-1可见，当坡口和熔池形状改变时，熔合比都将发生变化。在电弧焊接各种高强度合金结构钢和有色金属时，可通过改变熔

4、合比的大小来调整焊缝的化学成分，降低裂纹的敏感性和提高焊缝的力学性能。二、熔池的形状和焊缝的形成电弧焊过程中，母材金属和填充金属在电弧的直接作用下被强烈加热、熔化而混合在一起，同时电弧正下方的熔池中的液体金属在电弧力的作用下被排向熔池尾部，并在电弧力、本身重力和表面张力等共同作用下保持有一定的液面差，形成了具有一定形状和尺寸的熔池，如图3-2所示。随着电弧向前移动，工件接缝处不断熔化，熔池逐渐向前移动，熔池尾部液体金属的温度不断降低。当液体金属温度下降到金属的凝固温度时，便逐渐冷凝结晶而形成焊缝。因此焊缝的形状是由熔池的形状决定的。所有影熔深响熔池形熔状的因素都将影响到焊缝成形。电弧是使工件加

5、热、熔化形成熔池的热源，因此电弧的特性就决定了熔池的形状。熔池的形状还与各种焊接工艺因素有关，如接头形式、空间位置、坡口形状和间隙尺寸等。为了得到成形良好的焊缝，就必须弄清各种因素对焊缝成形的影响和了解焊缝成形的基本规律。第二节电弧与熔池形状的关系电弧除了对熔池具有热作用之外，还存在力的作用，应从电弧热作用和力作用两个方面来讨论电弧对熔池的影响。一、电弧热输入对熔池形状尺寸的影响电弧的热量使工件受热熔化，但电弧的热量中只有一部分输入工件，且在工件上的分布亦是不均匀的。因此要首先知道电弧的热输入、热效率及工件上的热量分布，才能对熔池的形状尺寸加以分析。（一）电弧的热输入直流电弧对工件的热输入功率

6、P可表示为：P=0.24UI式中 -电弧加热工件的热效率；U-电弧电压；I-焊接电流。如果用交流电进行焊接，考虑到波形的非正弦性，在上式右边还要乘一系数K（K=0.71.97），此时U、I为有效值。电弧加热工件的热效率可用下式表示： 式中 电弧热功率，=0.24UI。其中电弧热损失包括以下几个方面：（1）弧柱热辐射和气体对流、传导的热损失。（2）传入焊枪和电极（钨极）等的热损失。（3）加热和熔化焊条药皮或焊剂的损失（不包括渣传导给工件的那部分热量）。（4）飞溅造成的热损失。 表1-9给出了各种弧焊方法的热效率。埋弧焊的电弧空间被液态的渣膜所包围，电弧辐射、对流和飞溅等造成的热损失很小，因而埋弧

7、焊的热效率最高。熔化极电弧焊电极所吸收的热量可由熔滴带入熔池，故熔化极电弧焊的热效率较高。而不熔化极电弧焊电极吸收的热量都将被焊枪或冷却水带走，而不能传递到母材中去，所以热效率最低。热效率还与选用的焊接规范有关。在其它条件相同时，弧长越长，越小。此外，还与熔滴过渡的稳定性有关，当飞溅增大时，减小。选定合适的值就可求出P（或者用量热法直接测定），然后利用有关的热计算公式就可以近似地分析熔池的尺寸。（二）焊接熔池的计算 在电弧热作用下，工件上温度等于熔点的等温面所包围的液体金属区域称为焊接熔池。 在进行焊接热计算时，通常将电弧看作集中热源作用在体积为零的点、线或面上。这里主要讨论连续移动点热源的熔

8、池计算问题。 为了简化温度场的计算公式，需做如下假定：1. 工件是半无限大物体。2. 在整个焊接过程中，材料的热物理常数不随温度而变化。3. 在任何温度下材料都处于固态，不发生任何相变。4. 温度场处于准稳态，各种条件不随时间变化。5. 不考虑力的作用和熔池金属的流动。在以上假定条件下，通过求解热传导微分方程，得出工件上任意一点A的温度为（图3-3）密度；热源移动的速度。由上式计算的厚大焊件上点状移动热源的温度场如图3-4所示。由此可得出以下几点：1）在电弧前方熔池的温度梯度较大， 而在电弧后方熔池的温度梯度较小。2）在工件表面的等温线（包括熔池形状）近似椭圆形，但熔池头部较宽，而尾部较尖。3

9、）在垂直焊接方向平面上的等温线（包括熔池）均为半圆形，也就是焊缝的熔宽B与熔深H之间的关系为B=2H。将T=Tm（Tm为金属的熔化温度）、x=-R和x=R分别代入式（3-1）中，可进一步得出如图3-5所示的熔池尾部长度l2和前部长度l1的表达式： （3-2）由此可见，熔池尾部长度l2与P成正比，与 热源移动速度v无关。熔池 前部长度l1虽随P增大而 增大，但不是正比的关 系，与热源移动速度v则成反比关系。当v大时，l1很小，熔池总长度l近似等于熔池的尾部长度l3。表3-1是根据式（3-1）在不同的P和v值时计算出的熔池尺寸值。从中可知，熔池宽度B 和熔池深度H近似地与成正比关系，与成反比的关系

10、。用点热源公式计算出的B=2H。式（3-1）是在一些假定条件下得出的，由此计算出的熔池尺寸值与实际存在着很大的差异。尽管如此，仍可以从公式中清楚地看出各个物理量之间的关系以及某些条件变化时，温度场分布的变化规律。以上介绍的是用解析法来计算熔池尺寸，该法只能求解比较简单的问题，而对于象焊接熔池这样复杂的问题，必须事先做前述的若干假设，使问题简化才能求解。如果藉助计算机采用数值解法，则无需那么多的假设，就可得出与实际比较接近的结果。因此数值解法正逐渐得到人们的重视和普遍应用。常用的数值解法有有限差分法、有限元法以及数值积分法，这方面内容可参阅有关资料。（三）工件上的比热流分布及对熔池尺寸的影响前面

11、讨论了点热源计算问题，但实际电弧并非是点热源，而是一个分布热源。它通过半径为的圆面积输入工件，热量在这个圆面积上近似地服从正态分布，即距电弧轴线距离为r处的比热流：式中 k-电弧集中系数； -工件表面电弧轴线上的比热流值，=kP/。假设在r=处的q（r）=0.05，即当r时的P可忽略不计，则 可见与成反比。电弧集中系数k越大，则分布半径越小，轴线上 的比热流越大。工件上的比热流分布与弧柱气体的成分、电弧电压、焊接电流、焊丝直径等多种因素有关，图3-6和图3-7分别为由实验测得的钨极氩弧焊的弧长及焊接电流与比热流分布的关系。可见，随弧长增大，电弧功率P增大，阳极功率PA亦增大（由于减小，故PA增

12、大的较小），而比热流减小，表明电弧集中系数k 随弧长增大而减小了。随电流增大，电弧功率和阳极功率均增大，同时弧柱也扩张，分布半径增大，虽有所增大，但是k有所减小。 显然，既使P一定，作用在工件上的比热流大小及分布不同，将直接影响到熔池的尺寸及形状。图3-8为用有限元法计算的固定电弧的分布半径与熔深、熔宽之间的关系。当工件热输入p一定时，越大，则熔深越小；而熔宽的变化还与热源作用时间t有关。当t小时，随的增大熔 宽减小；当t大时，随增大，在一定的内熔宽还可稍许增大 。熔宽与熔深之比不像用点热源公式计算得出的那样始终成2：1，而是随比热流分布的变化，也就是随的变化而变化。二、力对熔池形状尺寸的影响

13、熔池所受到的力除了电弧的压力之外，还有熔池自身的重力、电磁力及表面张力等。这些力使热源作用位置发生改变，熔池中液体金属发生流动，这些都将影响到熔池的形状尺寸。（一）力对热源作用位置及熔池形状的影响在前面熔池的计算中，假设点热源作用在工件表面上。但由于电弧压力的作用，熔池表面将产生凹陷，实际上热源是作用在熔池的凹陷处。凹陷越深，热源下移的距离越大，熔深相应增大。使熔池表面产生凹陷的电弧力大小主要与焊接电流有关，如图3-9所示。电流增大时，电弧中心最大压力增大，此时亦增大，因此熔深也增大。在熔化极气体保护焊采用射流过渡焊接时，使熔池凹陷的力还有熔滴金属对熔池的冲击力，它对指状熔深的形成起着重要作用

14、。熔滴的过渡频率和进入熔池时的速度越高，形成的凹陷就越深。（二）力对熔池金属流动及熔池形状的影响在电弧力的作用下，熔池表面产生凹陷，液态金属被排向熔池尾部，使熔池尾部的液面高出工件表面，凝固后则成为焊缝的余高。此外，熔池还受到下述各种力的作用：1. 熔池金属的重力它的大小正比于熔池金属的密度和熔池体积。该作用力使熔池金属流动的方向与焊接的空间位置有关。在平焊以外的各种空间位置焊接时，它往往是破坏熔池稳定性，使焊缝成形变坏的重要因素。2. 电磁力电流进入熔池时，由于斑点面积总是较小，而熔池中的导电面积较大，因此斑点处的电流密度大、由电磁收缩力造成的压力高，其它地方的电流密度小、压力低，这种压力差

15、使熔池中心处的液体金属向下流，并形成旋涡状运动。这种流动会将熔池中心的高温金属热量带向熔池底部而使熔深加大。3. 表面张力熔池金属表面张力的大小取决于液体金属的成分和温度。表面张力将阻止熔池金属在其它力作用下的流动。表面张力对熔池金属在熔池界面上的接触角（即浸润性）的大小也有直接影响。所以表面张力影响到熔池表面的形状。此外，由于熔池金属各处成分和温度的不均匀，其表面张力大小也不同，因此形成沿表面方向的表面张力梯度（-表面张力系数，r-半径），这种表面张力梯度将促使液体金属流动。当时，液态金属从熔池四周沿表面流向中心，形成窄而深的熔池；当时，金属从熔池中心沿表面流向四周，形成宽而浅的熔池，如图3

16、-10所示。专心-专注-专业第三节 焊接工艺参数和工艺因素对焊缝成形的影响上节讨论了电弧对熔池形状尺寸的影响，而电弧热输入及其分布和电弧作用力的大小又是由具体的焊接工艺参数和工艺因素决定的。下面将介绍普通电弧焊方法中各种因素对焊缝成形影响的实验规律。一、电流、电压、焊速的影响 焊接电流、电弧电压和焊接速度是决定焊缝尺寸的主要工艺参数。 1. 焊接电流 其它条件不变时，随着焊接电流增大，焊缝的熔深、熔宽和余高均增大，如图3-11所示。其中以熔深随电流增大最明显，而熔宽只是略 有增大。这是因为：1）随电流增大，工件上的热输入和电弧力均增大，热源位置下移，故熔深增大。熔深与焊接电流近于成正比关系：H

17、=KmI，Km为熔深系数，它与电弧焊方法、焊丝直径、电流种类等因素有关（表3-2）。2）随电流增大，电弧截面增加，同时电弧潜入工件深度也增加，使电弧斑点移动范围受到限制，因此实际熔宽几乎保持不变。焊缝成形系数则由于熔深增大而减小。3）熔化极电弧焊中，随电流增大焊丝熔化量近于成比例增多，由于熔宽几乎不变，所以余高增大。2. 电弧电压其它条件不变时，随电弧电压增大焊缝熔宽显著增加，而熔深和余高略有减小，如图3-12所示。这是因为随弧长增加，工件上比热流的分布半径增大，减小，因此熔宽增大而熔深略有减小。当焊丝熔化量不变时，由于熔宽增大而使余高减小。由此可见，电弧焊接时，电流是决定熔深的主要因素，而电

18、压是决定熔宽的主要因素。通常电弧电压是根据焊接电流确定的，即一定的焊接电流应保持一定范围的弧长，以保证电弧的稳定燃烧和合理的焊缝成形。3. 焊接速度焊速提高时，焊接线能量（）减小，熔宽和熔深都明显减小，余高也略有减小，如图3-13所示。提高焊速可提高焊接生生产率，但在提高焊速的同时，应相应地提高焊接电流和电弧电压，才能保证合理的焊缝尺寸，因此焊速、焊接电流、电弧电压三者是相互联系的。在大功率电弧高速焊时，强烈的电弧力把熔池金属猛烈地排到尾部，并在那里迅速凝固，熔池金属来不及均匀分布在整个焊缝宽度上，易形成咬边。这种现象限制了焊速的提高。采用双弧焊或多弧焊可进一步提高焊速，并可防止上述现象的产生

19、。二、电流种类、极性及电极直径的影响电流的种类和极性影响到工件的热输入、 熔滴过渡以及 熔池表面氧化膜的去除等。焊丝直径及焊丝伸出长度影响到电弧的集中系数、 电弧压力的大小，也影响到焊丝的熔化和熔滴过渡，因此都会影响到焊缝的尺寸。1. 电流种类和极性电弧焊常用的电流种类有直流（包括直流正接和直流反接）、交流和脉冲电流。熔化极电弧焊时，直流反接时的熔深和熔宽都要比直流正接的大，交流电弧焊接时介于上述两者之间，这是由于熔化极电弧阳极（工件）析出的能量较大所致。直流正接时，焊丝为阴极，焊丝的熔化率较大，使焊缝余高较大，焊缝成形不良，熔化极电弧焊一般采用直流反接。钨极氩弧焊直流正接时熔深最大，反接时最

20、小。这是因为此时阳极（焊件）析出的热量较大。不熔化极电弧焊一般采用直流正接。焊铝、镁及其合金有去除工件与熔池表面氧化膜的要求，一般用交流，焊薄件时也可用直流反接。采用脉冲电流焊接时，其主要工艺参数，如平均电流、电弧电压、焊速对焊缝成形的影响也大体上符合前面介绍的规律。但是，由于脉冲电流和脉冲电压比平均值为高，因而在同样的焊接电流和电弧电压平均值条件下，可以获得更大的焊缝熔深和熔宽。2. 焊丝直径和伸出长度同样电流下改变焊丝直径（即变更电流密度）焊缝的形状和尺寸将随之改变。表3-3表示了它们 之间的关系。由表中可见，随焊丝直径减小，熔深增大，而熔宽减小。也就是说，达到同样的熔深，焊丝直径越细，所

21、需电流越小，而与之相应的电流密度却显著提高了。但这种关系在电流密度极高时（超过100A/mm2）即不复存在，此时由于焊丝熔化量大大增加，熔池中填充金属量增多，液态金属后排困难，熔深增加变缓。当焊缝熔宽保持不变时，余高明显加大，使焊缝成形恶化，因而在提高电流的同时，必须相应地提高电弧电压。焊丝伸出长度加大时，焊丝电阻热增加，熔化量增多，使焊缝余高增大。焊丝材质电阻率越高，直径越细，伸出长度越大时，这种影响越明显。因此，为保证得到所需焊缝尺寸，在用细焊丝，尤其是高电阻率的不锈钢焊丝焊接时，必须限制焊丝伸出长度的允许变化范围。三、保护气体及熔滴过渡形式的影响 气体保护焊时，保护气体的成分以及与此密切

22、相关的熔滴过渡形式对焊缝成形有明显的影响。图3-14为采用不同保护气体进行熔化极气体保护焊直流反接时对焊缝形状的影响。大电流气体保护焊时，熔滴过渡形式一般为细颗粒过渡。此时弧柱在CO2气氛中将发生强烈的热收缩，电弧能量密度很高，因此在熔池中部出现很深的凹坑，熔池底部加热充分，得到的焊缝熔深较大且底部呈圆弧状。采用细丝小电流CO2焊接时，一般为短路过渡，此时的焊缝形状类似于大电流CO2焊的情况，只是熔深要浅得多。采用大电流纯氩气保护焊接时，熔滴过渡形式为射流过渡。此时强大的等离子流力和高速熔滴的冲击力在熔池中部产生很大的挖掘作用，将熔池中部的液体金属排向两边和后侧，使得电弧直接加热熔池底部的金属

23、，于是在熔池中部形成了犹如指状的熔池凹陷，通常称为指状熔深。这种焊缝在其根部易于形成气孔、未熔透等缺陷，应设法加以改善。由图3-14可见，当在氩中加入少量CO2、O2、He时，可使这种指状熔深得到改善。用纯氦气体保护时，由于氦气的密度小和导热性好，因此电弧温度高且能量分布均匀，所得到的焊缝呈深而宽的盆底状熔深，类似于CO2焊的特点。四、其它工艺因素的影响焊接过程中的其它工艺因素，如坡口尺寸、间隙大小、电极倾角、工件的斜度、接头的空间位置等都对焊缝成形有影响。 1.坡口和间隙对接接头焊接时，可根据板厚采取不留间隙、留间隙、开V形坡口或开U形坡口。其它条件不变时，坡口或间隙的尺寸增大，则焊缝熔深略

24、有增加，而余高和熔合比显著减小，如图3-15所示。因此，通常用开坡口的方法控制焊缝的余高和调整熔合比。2. 电极（焊丝）倾角在焊丝倾斜焊接时有前倾焊和后倾焊两种，如图3-16所示。焊丝倾斜的方向和大小不同，电弧对熔池的力和热的作用就不同，从而对焊缝成形的影响各异。前倾焊时，电弧力后排熔池金属的作用减弱，熔池底部液体金属增厚，熔深减小，而电弧对熔池前方的母材的预热作用加强，故熔宽增大。焊丝倾角越大，这一作用越明显（图3-16c）。后倾焊时，情况则相反。实际工作中，后倾焊只在某些特殊情况下使用，例如焊接小直径圆筒形工件的环焊缝等。3. 工件斜度焊接倾斜的工件时，有上坡焊和下坡焊两种情况，如图3-1

25、7所示。上坡焊时，液体金属的重力有助于熔池金属排向熔池尾部，因而熔深、余高增加，而熔宽减小。若斜角68时，则焊缝余高过大，两侧出现咬边，成形明显恶化。下坡焊的情况与上坡焊相反，当68时，焊缝的熔深和余高均减小，而熔宽略有增加，焊缝成形得到改善。继续增大角，将会产生未焊透、焊瘤等缺陷。4. 工件厚度和工件散热条件当熔深不超过板厚的0.70.8倍时，板厚与工件散热条件对熔深的影响很小，但工件的散热条件对熔宽及余高有明显的影响。用同样的工艺参数在冷态厚板上施焊时，得到的焊缝比在中等厚度板上施焊时的焊缝熔宽较小而余高较大。当熔深超出板厚的0.70.8倍时，焊缝根部出现热饱和现象而使熔深增大。5. 焊剂

26、、焊条药皮埋弧焊焊剂的成分影响到电弧极区压降和弧柱电位梯度的大小，从而影响焊缝成形。当焊剂的密度小，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、余高较小。大功率电弧焊接厚板时，用浮石状焊剂可降低电弧压力，减小熔深，增大熔宽，改善焊缝成形。熔渣应具有合适的粘度，粘度过高或熔化温度高时，将使熔渣透气不良，在焊缝表面形成许多压坑，使成形变差。焊条药皮成分的影响与焊剂有相似之处。总之，影响焊缝成形的因素很多，要获得良好的焊缝成形，就要根据工件的材料和厚度、接头的形式和焊缝的空间位置，以及工作条件对接头性能和焊缝的尺寸要求等，选择合适的工艺参数。目前，

27、利用计算机技术进行焊接工艺参数的选择和优化已取得了很大的进展。建立熔池的数学模型，并计算出在给定条件下的熔池尺寸是工艺参数选择和优化的前提。熔池数学模型的建立，大多是在大量实验数据的基础上，经过回归分析得到的，也可从理论上建立数学模型，但模型参数的确定也要通过实验加以修正。目前，所开发的许多焊接专家系统都具有按照一定条件及要求，自动选择焊接方法及焊接工艺参数的功能，有些正在实际生产中得到应用。第四节焊缝成形的控制一、平面内直缝的焊接（一）平焊平焊时成形条件最好。对于要求根部单面多道完全焊透的重要焊缝，可以采用双面焊、单面多焊或单面焊双面成形等工艺。用单面焊双面成形工艺，可降低生产成本和提高生产

28、率，可采用自由成形和强迫成形两种形式。所谓自由成形，就是完全依靠熔池金属的表面张力来承托熔池金属，使之在自由状态下实现焊缝背面成形的方法。所谓强迫成形，就是利用强迫成形装置，如背面衬垫及铜滑块等托住熔池金属，使之实现强迫成形。强迫成形不存在熔池金属流淌的问题，允许采用更大的工艺参数，因此生产率比自由成形的高，但采用的设备较为复杂。自由成形的单面焊双面成形的工件厚度是有限的，这是因为当焊件材料一定时，厚度越大，则完全焊透时所需的电流就越大，电弧力也大；同时熔池体积和熔池金属的重力也增大。此时表面张力如不能与电弧力和重力之和相平衡，则熔池金属会下坠，甚至流出。表3-4给出了自由成形时单面焊双面成形

29、的工件厚度。电弧功率密度增大，要达到相同熔深，熔池体积较小，因此工件的允许厚度可增大。液体金属密度越大，表面张力系数越小，则工件的允许厚度也越小。当工件厚度超过了自由成形的允许厚度时，则必须采用背面加衬垫等强迫成形办法，以获得双面成形的焊缝（详见第五章）。（二）立焊和横焊立焊、横焊以及仰焊同样可以采用自由成形和强迫成形的方法。自由成形焊接时的主要困难是：熔池金属在重力作用下的流淌与得到所需要的良好成形之间的矛盾。因而要用较小的电流以限制熔池的尺寸，此时电弧要进行适当的摆动和停留，以控制熔池的形状，使侧壁熔透，获得所需的焊缝成形。控制熔池体积的另一有效方法是采用低频（0.515Hz）脉冲电弧，较

30、高的脉冲峰值电流可以保证一定的焊透深度，较低的维弧电流使熔池迅速冷却结晶，避免熔池的流淌。当焊件较厚，且要求较高的生产率时，可采用强迫成形方式焊接。此时要保证焊缝的质量和成形，除了正确选择焊接工艺参数之外，工件的装配质量和铜滑块与工件表面的贴紧是很重要的。图3-18是气电立焊的示意图。采用水冷铜滑块沿焊缝由下而上运动，起到强迫成形的作用。二、环缝的焊接环缝可以在工件转动，焊枪固定的条件下焊接。当工件不允许转动时，也可以采用焊枪绕工件转动的全位置焊方法进行。筒节与筒节或筒节与封头间的环缝焊接，通常都是在工件转动焊枪固定的条件下进行的。工件的直径和圆度不同，使坡口加工和装配间隙沿整条环缝不一致，再

31、加上熔池在曲面上，所以要得到成形良好的焊缝要比在平面上焊接困难。为了减少曲面对熔池金属流动的不利影响，无论是焊接外环缝或内环缝，焊枪都应逆工件旋转方向偏移一段距离e，使熔池的形成与凝固结晶过程接近处于水平位置，如图3-19所示。熔池越长，焊枪偏移距离e应该越大。焊件直径为4003500mm时，偏移距离可取为3080mm焊件的直径越小，则曲率越大，允许的熔池长度越小，因此电弧的功率和焊速受到限制。一些现场安装的管子在焊接时不允许转动，此时只能采用焊枪绕工件转动的全位置焊接方法。这时焊接熔池的位置和熔池金属的受力状态在焊接过程中是不断变化的。在这种条件下，即使是环缝的间隙和坡口尺寸一致，要保证整条

32、环缝的熔深和正、反面成形符合要求也是不易达到的。为了防止熔池金属的流淌，熔池的体积、电弧的功率就应受到限制。通常采用细焊丝、小电流进行焊接，或者采用脉冲电弧等。壁厚稍大时就得采用多层焊，多层焊时应尽可能使每层焊缝的成形均匀一致。自动焊时，通常采用把整个圆周按其空间位置划分成几个区域，在不同的区域采用不同的工艺参数。焊接时，当焊枪运行至不同的区域时，程序控制装置将焊接工艺参数自动切换到相应的预定值。三、引弧、收弧与成形控制在焊缝的引弧及收弧处，由于焊件传热条件与正常焊接过程中有所差异，因此容易出现焊缝成形不均匀，使之成为整个焊缝的薄弱环节。必须采取有效措施，对引弧及收弧过程加以控制，才能保证整条

33、焊缝的质量。（一）焊接过程的引弧控制在焊接过程中，首先要求可靠地引燃电弧。另外，焊接刚开始时，由于电弧对焊件传递的热量容易因冷态焊件导热过快而散失掉，使引弧处的热量积累小，所形成的熔池体积也相应小。这时，如果引弧后立即让电弧按正常的焊接速度沿接缝向前移动，就容易造成引弧处焊缝熔透不足和熔宽较窄。在熔化极焊接情况下，电弧引燃后焊丝就随着熔化并过渡到熔池中去，也容易在引弧处使焊缝余高过高。此外，因熔池散热冷却较快，如果熔池中含有气体来不及上浮外逸，往往在引弧处焊缝金属中出现气孔。由于上述原因，焊接过程中应重视引弧控制问题，其内容主要有如下两方面：1）电弧的启动性能要好，即要求电弧应能可靠、稳定地引

34、燃。对于熔化极焊接，还要求焊丝在引弧时不产生爆断和金属飞溅。2）要保证引弧处具有满意的焊缝成形和冶金质量。不熔化极电弧焊接时，由于电极不产生熔化过渡，因而引弧控制问题比较简单，关键是应保证电弧能可靠地引燃和引弧处焊缝能熔透。目前，不熔化极气体保护焊，如钨极氩弧焊和等离子弧焊，常用的引弧方法有接触引弧、高频引弧或脉冲引弧等。不熔化极气体保护焊时，为了保证引弧处的焊缝成形与质量，目前常采用引燃电弧后在引弧处停留一短时间，以便对金属预热，待焊件接缝处充分熔透以后才填加焊丝，并使电弧向前移动，这样就可以避免产生焊缝余高过高或出现气孔等缺陷。在自动焊时，要求焊机应带有可调节预热时间的程序控制电路，以适应

35、不同的焊件结构与厚度对预热的要求。 用不熔化极气体保护焊焊接平板的纵长缝时，为了简化引弧和收弧控制，并消除引弧和收弧对焊缝成形质量的影响，可采用在焊件接缝两端接引入板和引出板的办法（图3-20）， 让焊接的引弧和收弧工作在这两块板上进行，焊后再切除这两块板，可保证焊件上的焊缝成形良好和质量均匀。熔化极电弧焊接对引弧控制要求较高，不仅要求引弧时焊丝不产生大段爆断，而且要保证引弧处焊缝熔透和余高不至于过大等，通常采用接触短路引弧的方式。此时，由于焊丝端面和焊件表面之间在接触瞬间有较大的接触电阻，故在接触点处通过短路电流时会使金属强烈加热、熔化与蒸发。理想的引弧过程，应该是在接触点熔化与蒸发后能使焊

36、丝末端和焊件表面之间立即形成小间隙，从而使电弧迅速而稳定地引燃。但是，引弧时接触点处的接触电阻并不是恒定的，它随材料的原始条件（如材料性质、表面状态等）不同和加热过程而变化。例如，当采用等速送丝时，在焊丝的送进力作用下，加热软化后的接触点处会产生塑性变形，使接触面积增大和接触电阻降低，因而不一定焊丝在接触点处发生熔断并形成间隙而引燃电弧。根据引弧过程拍摄的高速摄影影片分析，在接触短路引弧时，焊丝有可能在外伸长度上的三个不同位置发生熔断，如图3-21中A、B、C所示。只有在中A点熔断时，才能迅速可靠地引燃电弧并转到正常燃弧状态，此时不会出现引弧过程的金属飞溅；而在B点和C点熔断时，则不能可靠地引

37、燃电弧，且伴随有金属飞溅。因此必须采取相应措施，改善电弧的启动特性，保证焊丝在A点优先熔断，其措施有：（1）对焊接电源特性采用启动补偿即要求焊接电源在冷态引弧时能提供较高的短路电流增长速度和短路峰值电流以使A点能优先熔断，而在电弧引燃后能自动转换成正常焊接条件所需要的动特性。但是，若采用这种启动补偿，焊接电源应带有电源特性的自动转换装置，故设备比较复杂。（2）适当选定焊接回路的电感值即通过调节附加电抗器的电感值，使在满足正常焊接需要下适当兼顾引弧时对电感值的要求，以提高冷态引弧时的短路电流的增长速度，改善电弧启动特性。（3）用缓送丝引弧一般缓送的送丝速度约为正常送丝速度值的30%50%，这样在

38、引弧过程中可减小A点产生的压力，送丝力对使RA值缓慢降低，易于在A点优先熔断。在电弧引燃后应及时转换送丝速度，使恢复到正常焊接所要求的送丝速度。 （4）弧前预先用钢丝钳将焊丝末端剪尖，使接触电弧RA增大，保证在A点优先熔断。 （5）在半自动熔化极气体保护焊时采用滑擦引弧方式因为半自动过程中焊枪是由手工操作的，因而在操作技术熟练的情况下可以采用手弧焊的滑擦引弧方式，使电弧迅速引燃，以改善电弧启动特性。实践表明，改善电弧启动特性的措施很多，而如何选用则应按具体情况来确定，可以采用其中一条措施，或者两条措施结合使用，通过试验来最后决定。 为了保证引弧处焊缝成形质量均匀，生产中多采用工艺补偿的办法，例

39、如： 1）在焊接平板纵长焊缝时，可在焊件接缝两端放置引入板和引出板，焊后再将它们切除掉。 2）在厚板开坡口多层焊时，可先用钨极氩弧焊进行封底焊，以保证焊缝根部均匀熔透，然后再用熔化极电弧焊焊接上面几层焊道。 3）若为熔化极脉冲氩弧焊，开始引弧时可采用大脉冲宽度，利用短时间的增大脉冲持续时间以提高焊接电流平均值，增加对焊件的热输入，保证引弧处能充分熔透，然后再转换为正常焊接所选用的脉宽比。此外，还可以根据具体情况，适当地选择引弧点位置，并灵活掌握焊接速度，以保证引弧处充分熔透和避免余高过高。总之，对引弧处焊缝成形质量的控制，迄今还是一项有待进一步研究与解决的问题，需要今后在焊接设备和工艺上采取更

40、有效的措施。（二）焊接过程的收弧控制为了保证得到优良的焊缝成形质量，通常要求在收弧处也不存在明显的下凹弧坑，以及产生气孔与裂纹等缺陷。另外，在熔化极焊接时，还应该避免收弧过程出现焊丝与焊件粘住，以及防止因电弧返烧而使焊丝与导电嘴粘合等现象。不熔化极气体保护焊，如钨极氩弧焊或等离子弧焊，一般在需要填加焊丝的条件下要填满收弧处的弧坑是比较容易实现的，而不加焊丝时则比较困难。但是，不管填加焊丝与否，如果收弧时不采取适当措施以减小对熔池的热输入和电弧力，那么要完全消除弧坑是不容易做到的，并易产生弧坑裂纹等缺陷。因此，不熔化极气体保护焊焊机的控制装置中常常有填满弧坑的焊接电流控制电路。收弧时，只要把此电

41、路接通，焊接电流就会按一定规律衰减（在大电流等离子弧焊时还要衰减等离子气），从而可保证填满弧坑并避免其它缺陷。常见的自动填满弧坑的控制方案有如下几种：1）焊接电流反复几次突变降低，如图3-22a所示，这种方案主要用于焊接薄板或焊件坡口不整齐的场合。2）焊接电流一次突变降低，然后保持一段时间（时间的长短可根据实际需要预先调节好）再熄弧。收弧电流变化方案如图3-22b所示，主要用于焊接铝、钛等金属材料。3）焊接电流逐渐衰减，当衰减到零或衰减到一定值并保持一段时间（保持时间长短可预先调好）后再熄弧（见图3-22c），这种方案常用于等离子弧焊。4）钨极脉冲氩弧焊收弧时可先让脉冲电流和基值电然流都突变降

42、低一档（图3-22d），然后保持一短时间，待弧坑填满后再熄弧。总之，上述方案仅是列举的几例，而实际焊接生产情况是多样的，它们对收弧控制要求也不尽一致。因此，对于不同情况，应按收弧时减小对熔池的热输入与电弧力，并保证填满弧坑的原则，来选最合适的收弧控制方案。熔化极焊接时，收弧控制除了应考虑填满弧坑和防止产生缺陷外，还要避免焊丝与焊件粘合或者焊丝与导电嘴粘合等问题。为达到这些要求，目前常见的收弧控制技术有如下一些方案：（1）回烧焊丝进行收弧一般在采用等速送丝的情况下，收弧控制可用先停止送丝，然后经过一短时间再切断电源。因为断电后，由于送丝电动机的惯性作用，焊丝还会在短时间内继续送进，不过其送丝速度

43、逐渐减慢并很快降到零。这时因为焊接电源尚未切断，电弧仍然存在，焊丝会继续熔化过渡，同时电弧长度逐渐拉长，形成所谓“回烧”过程。从图3-23可见，随着弧长的增大，电弧静特性曲线位置上移，使焊接电流逐渐减小，起到焊接电流自动衰减的作用。当弧长拉长到一定值后电弧熄灭，收弧过程结束，然后切断焊接电源。回烧收弧方案存在的问题是收弧过程的长短无法调节，而且焊丝很容易和导电嘴粘合，所以这种方案不是任何情况下都适于采用的。（2）回抽焊丝进行收弧即收弧时借助于焊机的控制电路，强迫送丝电动机倒转以回抽焊丝，使电弧长度逐渐拉长并减小焊接电流，这时焊丝尚能继续熔化过渡以填满弧坑。当回抽焊丝使弧长拉长到一定长度时，就产

44、生了断弧，收弧过程就结束。回抽焊丝一般只在采用变速送丝方式的焊机中才能实现，而对于等速送丝方式的焊机则难以做到。（3）在收弧时采用突变降低焊接电流即利用焊机带有的收弧控制装置，在收弧时突变降低送丝速度及焊接电流（见图3.24），以减小对收弧处的热输入和电弧力，并保证填满收弧弧坑。另外，在大电流焊接时，为了更好地填满弧坑，还可以在降低送丝速度与焊接电流后，进行多次熄弧再收弧的方案。（4）熔化极脉冲氩弧焊时可采用突变降低脉冲电流，并结合降低脉冲频率的方案（见图3-25），能够很好地填满弧坑，获得良好的收弧处焊缝成形。复习思考题1. 焊缝形状通常用哪些特征参数表示？2. 焊缝成形系数和余高系数对焊缝质量的影响如何？应如何确定？3. 简述作用于熔池的各种力对熔池形状尺寸的影响4. 简述焊接工艺参数对焊缝成形的影响5. 焊缝引弧处存在的主要问题及产生原因是什么？6. 熔化极焊接时引弧处的焊缝成形控制可采取哪些措施？7. 焊缝收弧处存在的主要问题及产生原因是什么？8. 熔化极焊接时收弧处的焊缝成形控制可采取哪些措施？