除了工艺因素外,其他焊接工艺因素,如坡口尺寸和间隙大小、电极和工件的倾角、接头的空间位置等也能对焊缝成形及焊缝尺寸产生影响。
一、焊接电流对焊缝成形的影响
在其他条件一定的情况下,随着电弧焊接电流增加,焊缝的熔深和余高均增加,熔宽略有增加。其原因如下:
1)随着电弧焊焊接电流增加,作用在焊件上的电弧力增加,电弧对焊件的热输入增加,热源位置下移,有利于热量向熔池深度方向传导,使熔深增大。熔深与焊接电流近似成正比关系,即焊缝熔深H约等于Km×I。式中Km为熔深系数(焊接电流增加100A导致焊缝熔深增加的毫米数),它与电弧焊的方法、焊丝直径、电流种类等有关见表1-1。
表1-1 各种电弧焊方法及参数(焊钢)时的熔深系数Km
2)电弧焊的焊芯或焊丝的熔化速度与焊接电流成正比。由于电弧焊的焊接电流增加导致焊丝熔化速度增加,焊丝熔化量近似成正比的增多,而熔宽增加较少,所以焊缝余高增大。
3)焊接电流增大后,弧柱直径增大,但是电弧潜入工件的深度增大,电弧斑点移动范围受到限制,因而熔宽的增加量较小。
气体保护熔化极氩弧焊时,焊接电流增加,焊缝熔深增加。若焊接电流过大、电流密度过高时,容易出现指状熔深,尤其焊铝时较明显。
二、电弧电压对焊缝成形的影响
在其他条件一定的情况下,提高电弧电压,电弧功率相应增加,焊件输入的热量有所增加。但是电弧电压增加是通过增加电弧长来实现的,电弧长度增加使得电弧热源半径增大,电弧散热增加,输入焊件的能量密度减小,因此熔深略有减小而熔深增大。同时,由于焊接电流不变,焊丝的熔化量基本不变,使得焊缝余高减小。
各种电弧焊方法,俄日了得到合适的焊缝成形,即保持合适的焊缝成形系数φ,在增大焊接电流的同时要适当提高电弧电压,要求电弧电压与焊接电流具有适当的匹配关系。这点在熔化极电弧焊中最为常见。
三、焊接速度对焊缝成形的影响
在其他条件一定的情况下,提高焊接速度会导致焊接热输入减小,从而焊缝熔宽和熔深都减小。由于单位长度焊缝上的焊丝金属熔敷量与焊接速度成反比,所以也导致焊缝余高减小。
焊接速度是评价焊接生产率的一项重要指标,为了提高焊接生产率,应该提高焊接速度。但为了保证结构设计上所需的焊缝尺寸,在提高焊接速度的同时要相应提高焊接电流和电弧电压,这三个量是相互联系的。同时,还应考虑在提高焊接电流、电弧电压、焊接速度(即采用大功率焊接电弧、高焊接速度焊接)时,有可能在形成熔池过程中及熔池凝固过程中产生焊接缺陷,如咬边、裂纹等,所以提高焊接速度是有限度的。
四、焊接电流种类和极性、电极尺寸对焊缝成形的影响
1、 焊接电流的种类和极性
焊接电流的种类分为直流和交流。其中,直流电弧焊根据电流的有无脉冲又分为恒定直流和脉冲直流;根据极性分为直流正接(焊件接正)和直流反接(焊件接负)。交流电弧焊根据电流波形的不同又分为正弦波交流和方波交流等。焊接电流种类和极性能影响电弧输入焊件热量的大小,因此能影响焊缝成形,同时还能影响熔滴过渡过程和对母材表面氧化膜的去除。
钨极氩弧焊焊接钢、钛等金属材料时,直流正接时形成的焊缝熔深最大,直流反接时的熔深最小,交流介于两者之间。由于直流正接时焊缝熔深最大,而且钨极烧损最小,所以钨极氩弧焊焊接钢、钛等金属材料时应采用直流正接。钨极氩弧焊采用脉冲直流焊接时,由于能够调整脉冲参数,因而可以根据需要控制焊缝成形尺寸。钨极氩弧焊焊接铝、镁及其合金时,需要利用电弧的阴极清理作用来清理母材表面的氧化膜,采用交流为好,由于方波交流的波形参数可调,则焊接效果更好。
熔化极电弧焊时,直流反接时的焊缝熔深和熔宽都要大于直流正接的情况,交流焊接的熔深和熔宽介于两者之间。因此,埋弧焊时,都采用直流反接以获得较大的熔深;而埋弧堆焊时,则采用直流正接以减小熔深。熔化极气体保护电弧焊时,由于直流反接时不仅熔深大,而且焊接电弧和熔滴过渡过程都较直流正接和交流时稳定,而且具有阴极清理作用,因此被广泛使用,而直流正接和交流则一般不被采用。
2、钨极端部形状、焊丝直径和伸出长度的影响
钨极前端角度和形状对电弧的集中性及电弧压力影响较大,应根据焊接电流大小及焊件厚薄选取。通常电弧越集中、电弧压力越大,所形成的熔深越大,而熔宽相应减小。
熔化极气体保护电弧焊时,在焊接电流一定的情况下,焊丝越细,电弧加热越集中,熔深增加,熔宽减小。但在实际焊接工程中选择焊丝直径时,还要考虑电流大小和熔池形态,避免出现不良焊缝成形。
熔化极气体保护电弧焊的焊丝伸出长度增加时,焊接电流通过焊丝伸长部分产生的电阻热增加,使焊丝熔化速度增加,因此焊缝余高增大,而熔深有所减小。由于钢焊丝的电阻率比较大,因而在钢质、细焊丝焊接中焊丝伸出长度对焊缝成形的影响比较明显。铝焊丝的电阻率比较小,其影响不大。虽然增加焊丝伸出长度可以提高焊丝的熔化系数,但从焊丝熔化的稳定性和焊缝成形方面综合考虑,焊丝伸出长度存在一个允许的变化范围。
五、其他工艺因素对焊缝成形因素的影响
除了上述工艺因素外,其他焊接工艺因素,如坡口尺寸和间隙大小、电极和工件的倾角、接头的空间位置等也能对焊缝成形及焊缝尺寸产生影响。
1、坡口和间隙
用电弧焊焊接对接接头时,通常根据焊接板厚确定是否预留间隙、间隙大小以及所开坡口的形式。在其他条件一定时,坡口或间隙的尺寸越大,所焊出焊缝的余高越小,相当于焊缝位置下降,此时熔合比减小。因此,留间隙或开坡口可用来控制余高的大小和调整熔合比。留间隙与不留间隙开坡口相比,两者的散热条件有些不同,一般来说开坡口的结晶条件较为有利。
2、电极(焊丝)倾角
电弧焊时,根据电极倾斜方向和焊接方向的关系,分为电极前倾和电极后倾两种,焊丝倾斜时,电弧轴线也相应倾斜。焊丝前倾时,电弧力对熔池金属向后排出的作用减弱,熔池底部的液体金属层变厚,熔深减小,电弧潜入焊件的深度减小,电弧斑点移动范围扩大,熔宽增大,余高减小。焊丝前倾α角越小,这一影响越明显。焊丝后倾时,情况则相反。焊条电弧焊时,多采用电极后倾法,倾角α在65°～80°之间比较合适。
3、焊件倾角
焊件倾斜在实际生产中经常碰到,可分为上坡焊和下坡焊。此时,熔池金属在重力的作用下有沿斜坡向下流动的倾向。上坡焊时,重力有助于熔池金属排向熔池尾部,因而熔深大,熔宽窄,余高大。当上坡角度α为6°～12°时,余高过大,且两侧易产生咬边。下坡焊时,这种作用阻止熔池金属排向熔池尾部,电弧不能深入加热熔池底部的金属,熔深减小,电弧斑点移动范围扩大,熔宽增大,余高减小。焊件倾角过大,会导致熔深不足和熔池液体金属溢流。
