焊接参数与焊缝成形优化方法

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：主要焊接参数及条件包括焊条直径、焊接电流、电弧电压和焊接速度等，间接参数则有焊接热输入，有时甚至焊条牌号、电源种类和极性、焊接层数等也被包括在内。焊条电弧焊过程中需要调节的参数只有焊接电流，而焊接速度和电弧电压都是由焊工操作控制的。一般情况下，电弧长度等于焊条直径的0.5～1倍为好，相应的电弧电压为16～25V。

正确选择焊接参数是获得高质量焊缝的首要条件。主要焊接参数及条件包括焊条直径、焊接电流、电弧电压和焊接速度等，间接参数则有焊接热输入，有时甚至焊条牌号、电源种类和极性、焊接层数等也被包括在内。由于焊前准备、焊工的技术水平、坡口形状选择及工艺要求和现场情况等的不同，因此焊接参数的选择可以有多种组合，对于同样的焊件可选用不同的焊接规范，均能满足焊缝的质量要求。

1.焊条直径

焊条直径是根据焊件厚度、接头形式、焊缝位置、焊接电流等进行选择的。焊条直径对焊缝质量有明显的影响，同时与生产效率有密切的关系。一般来说，厚度较大的焊件应选用直径较大的焊条，但厚板多层焊对接接头坡口内的第一层根焊焊接时要用较细的焊条。如果使用过粗的焊条焊接，会造成未焊透和焊缝成形不良；使用过细的焊条，会降低生产效率。从提高生产效率角度来看，应该尽量选择直径较大的焊条。

（1）根据工件厚度选择根据工件厚度选择焊条直径时，可参考表7-1。

表7-1 焊件厚度与焊条直径选择

（2）根据接头形式选择在较厚焊件开坡口的多层焊中，第一层焊缝所用的焊条直径一般不超过3.2mm。这是因为用粗焊条焊接开坡口的焊件会使电弧拉长，容易产生未焊透现象。在焊接后几层焊缝时，可以用较粗的焊条。对根部要求完全均匀焊透的开坡口的角接、T形焊缝以及背面不清根打底焊的对接焊缝，在焊接时应采用小直径焊条，不论其板厚多厚，最好采用直径不超过3.2mm的焊条焊接，否则将不易焊透和得到良好的背面成形。

（3）根据焊缝位置选择不同的焊接位置，选用的焊条直径不同。平焊时，可用直径较大的焊条，甚至可选直径5mm以上的焊条。立焊一般应选择直径小于5mm的焊条，横焊、仰焊与立焊焊条直径的选择接近，焊条直径一般不大于4mm，这是为了形成较小的熔池，减少熔化金属下淌的可能性和便于操作，有利于焊缝成形。

（4）根据焊接电流选择对于重要的焊接结构，应根据规定的焊接电流范围确定焊条直径，见表7-2。

表7-2 各种直径焊条使用电流参考值

2.焊接电流

焊接电流是焊接的关键参数。焊条电弧焊过程中需要调节的参数只有焊接电流，而焊接速度和电弧电压都是由焊工操作控制的。焊接电流的大小对焊接质量和生产效率有较大影响。

焊接电流太小，则引弧困难，焊条容易粘连在工件上。因电弧不稳定，易产生未焊透、未熔合、气孔和夹渣等缺陷。同时，由于焊接电流过小使热量不够，还会造成焊条的熔滴堆积在焊缝表面，使焊缝成形不美观。另外，焊接电流小就意味着生产效率低。

增大焊接电流使得熔深较大，焊条熔化快，焊接生产效率也能提高。但飞溅和烟雾大，增大焊件变形。焊接电流太大时，容易产生烧穿和咬边等缺陷，焊条末端过早发红使药皮脱落和失效而产生气孔。此外，造成合金元素烧损过多，而且使焊缝过热导致接头热影响区晶粒粗大，焊接接头的韧性降低，影响焊缝力学性能。

因此，选择焊接电流时，应根据焊条类型、焊条直径、焊件厚度、接头形式、焊缝位置及焊接层数来综合考虑。在其他条件确定后，重点考虑根据焊条直径和焊缝位置选取焊接电流。

（1）根据焊条直径选择通常，焊接电流与焊条直径有如下关系：

I=kd （7-1）

式中 I——焊接电流，单位为A；

k——经验系数；

d——焊条直径，单位为mm。

焊条直径d与经验系数k的关系见表7-3。根据上式计算出的焊接电流只是一个参考数值，在实际生产中还应考虑其他因素加以修正。

表7-3 焊接直径与经验系数的关系

（2）根据焊接位置选择一般立焊、横焊时的焊接电流应比平焊小10%～15%；仰焊比平焊小15%～20%；碱性焊条的电流比酸性焊条要小些。

（3）焊接层次的考虑多层焊在焊接打底焊道时，为保证背面焊道的质量，使用的焊接电流较小；焊接填充焊道时，为保证熔合好，使用较大的电流；焊接盖面焊道时，防止咬边和保证焊道成形美观，使用的电流稍小一些。

选择焊接电流，首先应保证焊接质量，其次应尽量采用较大的焊接电流，以提高生产率。焊接电流初步选定后，要经过试焊，检查焊缝成形和缺陷，才能最后确定。实际生产过程中，通常焊工根据焊条直径推荐的电流范围，或根据经验选定一个电流在试板上试焊，在焊接过程中看熔池的变化情况、渣和金属液的分离情况、飞溅大小、焊条是否发红、焊缝成形是否好、脱渣性是否好等来选择合适的焊接电流。但对于有力学性能要求的如锅炉、压力容器等重要结构，要经过焊接工艺评定合格以后，才能最后确定焊接电流等工艺参数。

3.电弧电压

电弧电压主要是由电弧长度决定的。电弧长，电弧电压高，反之则低。在焊接时，电弧不宜过长，否则电弧燃烧不稳定，所获得的焊缝质量也较差。弧长过长时，电弧容易左右摆动，使电弧的热量不能集中作用在熔池上而散失在空气中，使焊缝的熔深变浅，而熔宽变宽，而且焊缝表面的鱼鳞纹不均匀。同时，电弧过长时，还会由于空气中的氧、氮侵入电弧区，引起严重飞溅并使焊缝产生气孔。但弧长过短，也会使操作困难，容易粘焊条。

电弧长度和坡口形式等因素有关。V形坡口对接、角接的第一层应使电弧短些，以保证焊透且不至于发生咬边现象；第二层可使电弧稍长，以填满焊缝。焊缝间隙小时用短弧，间隙大时电弧可稍长，并使焊接速度加快。一般情况下，电弧长度等于焊条直径的0.5～1倍为好，相应的电弧电压为16～25V。碱性焊条的电弧长度不超过焊条的直径，为焊条直径的一半较好，尽可能地选择短弧焊；酸性焊条的电弧长度应等于焊条直径。在焊接过程中，都要始终保持电弧长度基本不变，这样才能保证整条焊缝的熔宽和熔深一致，获得高质量的焊缝。

4.焊接速度

单位时间内完成的焊缝长度称为焊接速度。焊接过程中，焊接速度应该均匀适当，既要保证焊透，又不能烧穿，同时还要让焊缝尺寸符合设计要求。对焊接热输入有严格要求的材料，焊接速度要按工艺文件规定的参数认真执行。在焊接过程中，应稳定焊接速度并可根据实际需要随时调整，以保证焊缝的高低和宽窄的一致性。

如果焊接速度太快致使熔池温度不够，会造成焊缝变窄，严重凸凹不平，容易发生未焊透、未熔合、焊缝成形不良等缺陷。但如果焊接速度太慢，会使焊缝变宽，余高增加，焊缝会过高或过宽，外形不整齐，焊接薄板时甚至会烧穿。同时，焊接功效降低，焊缝高温停留时间长，焊接变形也会增大，热影响区增宽，焊接接头晶粒变粗，力学性能降低。

5.焊接热输入

所谓焊接热输入，是指熔焊时单位长度焊缝上的输入能量。焊接热输入是一个间接参数，常用热输入来综合反映焊接参数的大小。

焊条电弧焊时，焊接的能量来自于电弧。电弧将电能转换为热能，利用这种热能来加热并熔化焊条和焊件。如果电弧把全部电能转换为热能时，则电弧的功率由下式表示：

q₀=I_aU_a （7-2）

式中 q₀——电弧功率，即电弧在单位时间内所放出的能量，单位为J/s；

I_a——焊接电流，单位为A；

U_a——电弧电压，单位为V。

实际上，电弧所产生的热量不可能全部用于加热熔化金属，总有一些损耗。例如辐射、对流到周围空间的热量，飞溅带走的热量，还有熔渣加热和蒸发所消耗的热量等。所以，电弧功率中真正有效加热焊件的功率按下式计算：

q=ηI_aU_a （7-3）

式中 q——电弧有效功率，单位为J/s；

η——电弧有效功率系数或热效率。

直流焊条电弧焊取_η=0.75～0.85，交流焊条电弧焊取0.65～0.75。在其他条件不变的情况下，电弧有效功率系数随电弧电压的升高而降低，因为电弧电压升高，电弧长度增加，热量辐射损失增大，因此，电弧有效功率系数η降低。

焊接电流大、电弧电压高时，电弧的有效功率就大。但这并不等于单位长度的焊缝上所得到的能量就一定多。因为焊件受热程度还受焊接速度的影响，单位长度焊缝热输入的计算公式如下：

式中 Q——单位长度焊缝的热输入，单位为J/cm；

I——焊接电流，单位为A；

U——电弧电压，单位为V；

v——焊接速度，单位为cm/s；

热输入对低碳钢焊接接头性能的影响不大，因此对于低碳钢焊条电弧焊一般不规定热输入。对于低合金钢和不锈钢等钢种，热输入太大时，焊接接头性能可能降低；热输入太小时，有的钢种焊接时可能产生裂纹。因此，焊接工艺要规定热输入。一般要通过试验来确定既不产生焊接裂纹、又能保证接头性能合适的热输入范围。允许的热输入范围越大，越便于焊接操作。

焊接参数与焊缝成形优化方法

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