氩弧焊接工艺对焊接质量影响研究

马世仓

（伊犁职业技术学院，新疆　伊犁　835000）

【自然科学研究与应用】

氩弧焊接工艺对焊接质量影响研究

马世仓

（伊犁职业技术学院，新疆伊犁835000）

钨极氩弧焊在焊接过程中会有很大的残余变形量，造成焊件变形的关键在于焊件各部分温度不是均匀分布的，因此，完善焊接工艺是降低焊件的变形量、解决焊接变形问题的关键所在。除此之外，对焊接质量与变形量，焊接时的传热过程而言，焊接速度、电弧焊接电压及焊接电流等焊接工艺参数对其也有着直接的影响。文章分析了氩弧焊接工艺参数之间的关系，研究了对焊接质量有影响的焊接工艺参数的选取。

氩弧焊；工艺参数；焊接质量；影响

随着科技的进步，技术的不断创新以及材料需求的增加，不锈钢焊接结构件的应用越来越广泛。它的结构形式已从过去单一的型钢组对模式发展到现在用钢板组焊的轻型结构。不锈钢材料的焊接主要是以氩弧焊为主［1］，随着不锈钢材料综合力学性能的不断提高，设计部门设计的钢板在原有综合力学性能保证的情况下，厚度逐步在向中、薄轻型方向发展。在焊接不锈钢构件的过程中，由于结构的差异常常会出现焊接变形的情况。尤其是焊接轻薄型的构件，焊接变形更为严重。焊接变形不但影响构件外观形状、几何尺寸和降低装配质量，而且还会降低结构的承载能力，从而使构件质量达不到设计及使用的要求。为矫正这些变形，常常需要花费大量人力物力，从而增加了生产的成本［2］。因此，研究焊接工艺对焊接质量的影响在理论与实践方面都显得极为重要。

一、焊接工艺参数之间的关系

（一）焊缝形状尺寸及其与焊缝质量的关系

焊接过程中的一整套技术规定就是焊接工艺，通常包括焊接方法、焊前准备、焊接顺序、焊接设备、焊接材料、焊接操作、工艺参数和焊后热处理等。焊缝质量与焊缝形状尺寸之间的关系可以用图1对接接头进行说明。

图1　对接接头形状尺寸

图1中，L为焊缝的宽度，是对接接头焊中一个重要的尺寸；H为熔深，也是对接接头焊接中的重要尺寸，它对接头的承载能力有着直接的影响；焊缝成形系数φ为焊缝的宽度与熔深之间的比值，即φ=L/H。决定焊缝中心偏析严重程度的因素有φ的大小、熔池结晶的方向，以及熔池中气体溢出的难易程度［3］。如果φ比较小，由公式φ=L/H可知，此时窄而深的焊缝就会产生。缘于低熔点或杂质的共晶物在焊缝结晶时，在焊缝的中心有所偏析，就会产生对焊接质量影响很大的热裂纹。因此，在焊接过程中要避免出现热裂纹。如果φ比较大，由公式φ=L/H可知，此时会形成浅而宽的焊缝，这样生产效率不仅低下而且还没有熔深。所以φ的选择要适宜，它不仅受熔池物理冶金条件气孔敏感性的影响，同时焊缝产生裂纹对其也有影响。

余高h是焊缝的另一个重要尺寸，它不仅能提高承受静载荷的能力，增大焊缝的截面，还可以有效地避免在凝固收缩时熔池金属所形成的缺陷。应力在焊缝余高过大时，会出现疲劳或集中使其寿命下降，因此余高的尺寸在焊接过程中要严格控制。焊接后，可以通过去除余高的方式使其达到理想的凹形角焊缝表面。从理论上讲，焊缝横截面的轮廓在L、H和h确定后就基本确定了，但在实际上由于轮廓形状还受到其他因素的影响，所以还不能完全确定。

（二）熔池与焊缝的关系及焊缝的生成

通常状况下，熔池是由混合的焊丝和母材金属熔化的电弧所形成。其中，虽然排除了表面能张力与重力的影响，但熔池金属最终还是被推向熔池的底部，冷却结晶成焊缝，究其原因，是因为电弧力的存在。焊接熔池的形状决定焊缝的形状，而熔池形状受到坡口、接头形式、基体金属的边缘、间隙尺寸、金属丝熔化以及空间位置等因素的影响［4］。如果空间位置与接头形式不一样，就会导致焊接熔池的重力不等，因此，需要对应地选择不同的工艺参数与焊接方法。焊接质量直接受焊接工艺的影响，不合适的焊接工艺参数、间隙与坡口会导致裂纹和气孔，并可能出现更严重的焊接残缺。在焊接过程中为了获得较好的机械性能以及较好的成形焊缝，须选择适当的工艺参数、间隙以及坡口。

二、热输入和焊接质量受焊接工艺参数影响

保证焊接质量，避免焊接缺陷和充分发挥设备能效的前提是焊接工艺参数的合理选择。钨极氩弧焊的工艺参数包括焊接速度、氩气流量、焊接电流、喷嘴直径与电弧电压等，在自动氩弧焊中，还须考虑送丝速度与焊接速度。焊缝形状、焊接过程的稳定性、沉积速率、焊接变形、显微组织稳定性、焊接化学成分以及稀释率与焊接工艺参数有很大的关系，焊接质量与热输入同样也受焊接工艺参数的影响。

（一）焊接电流对焊接质量与热输入的影响

氩弧焊焊接伊始，焊接操作者唯一调控的信息是焊接电流，焊接电流是氩弧焊关键工艺参数；操作中，焊接操作者需对电弧电压和焊接速度进行控制。焊接电流对焊接质量和劳动生产率的影响是致命的，焊接电流过大或过小都对焊接质量产生直接的影响，因此，焊接电流的大小要通盘考虑焊件焊缝的空间位置、接头形式和厚度等因素。如果电流大小合适，则接头质量与焊缝尺寸满足要求，焊接保持平稳［5］。保持其他条件不变，当焊接电流增大也就是等于热输入量被增加，这时，虽然焊缝的余高与熔深均得以增加，焊接效率也相应地有所提高，但熔宽仅发生了细微变化，焊条根部易发生部分涂层失效并发红或崩落的现象，导致烧穿、焊瘤、咬边等焊接缺陷的出现。另外，电流过大还造成焊缝夹钨、钨极烧损，焊件的变形机会增大，还会降低焊接接头的韧性，内部组织结构受到影响，接头热影响区晶粒变大，直接使力学性能和组织结构发生变化［6］。焊接电流太小，则会使操作者引弧较困难甚至焊条会粘连在工件上，严重影响了焊接质量，另外还会出现夹渣、气孔、没有焊透和不熔合等残缺现象，同时还会造成电弧不稳定，在质量不能保证的同时也减小了生产效率。

所以，遴选焊接电流时不宜过大也不宜过小，应该按照焊接层数与焊缝位置、接头形式、焊件厚度、钨极端部的形状和直径来通盘考虑。在确保焊接质量和其他因素不变的情况下，尽可能运用较大的焊接电流，使生产效率得以提升。此外，在操作环境温度较低的情况下，板厚较小的搭接接头与T形接头导热非常迅速，焊接时也应当选择大电流。

（二）电弧电压对焊接质量与热输入的影响

依照电源特征，当电阻一定时，焊接电流与电弧电压成正比，但事实并非如此，实际操作中电弧电压主要是由电弧的长度来决定的。电弧电压与电弧长度在一定范围内是正比例函数的关系，弧长的增加使得电弧电压也相应的增加，进而也加大了电弧的热量。当电弧长度大于区间上限后，弧长变长降低了热效率，使得气体的保护效果变坏，弧柱截面积对应变大。在别的参数恒定时，电弧功率、母材的稀释率、焊件热输入量、弧长、分布半径都会随着电弧电压的增加而增加，最终导致余高降低，熔深增大，熔深略微变浅［7］。在低电压状况下，焊接过程易出现气体保护效果差、碰钨、不平稳、未焊透、焊瘤等焊接缺陷。在电压过高的状况下，无法确保合适的焊接电流，会产生气孔、不稳定、电弧没有平稳性、熔深短、咬边和电弧燃烧飞溅大等不足［8］。此外，电压过高还会发生空气渗透现象，最终形成夹渣等焊接缺陷。由此可知，选择焊接电压不宜过大也不宜过小。

（三）焊接速度对热输入和焊接质量影响

在单位时间内完成的焊缝长度表示焊接速度。焊接速度可依照工件的厚度来调节，同时，要控制预热温度和焊接电流的大小，确保焊接所需的深度和宽度。在焊缝电流等外在参数恒定时，焊接速度与焊接材料厚度成反相关，即材料越厚，焊速越慢［9］。过慢的焊接速度导致工作效率降低，焊缝变宽，漫溢，余高增加。过快的焊接速度会超越合理的范畴。氩气保护属于柔性保护，保护气流极度后偏，使得氩气出现弯曲的现象，进而对电弧、熔池和钨极的保护功效有所降低，最终可能会使熔池、弧柱、钨极端部等裸露于空气里，出现焊缝极度凸凹不平、变窄，同时，易于出现焊缝波形变尖、未熔合、气孔、咬边、烧穿与凹陷等缺陷。所以，为确保具有优良的保护功效，须运用对应的方法，例如把焊枪前倾相应角度或加大保护气体流量。

热输入量的大小还由焊接速度决定。加快焊接速度时，热输入量就会降低，同时余高会减少，熔宽、熔深也会降低。焊接速度是判断焊接效率的重要指标。仅仅从生产效率得以提高的角度来思考，提高生产效率的根本就是加快焊接速度；但是，若要考量焊接尺寸，满足前面焊接速度的加快的同时，对焊接电压与电流的提升也是不可或缺的。

在钨极氩弧焊焊接过程中，为保障焊接质量，应选用相对慢一点的焊接速度，但不可过慢，因为焊接速度过慢会使生产效率变低，产品容易出现变形、咬边和烧穿等缺点，所以，在焊接过程中速度不宜过快也不宜过慢，保持适中即可。

（四）氩气流量对热输入和焊接质量影响

氩气纯度要在99.9%以上是氩弧焊接的一般要求。通常，要想使得氩气保护效果达到最佳，须将氩气流量控制在一个最佳的范围内，同时也会有最大的有效保护区。在锁定喷嘴的直径时，倘若氩气流量较大，就会在绕喷嘴时生成很薄的近壁层流，然后出现比较大的气体流速，达不到很好的保护效果，形成高流速的紊流，其会消耗许多电弧区热量，导致电弧不平稳燃烧，造成氩气的浪费，直接导致经济损失。倘若氩气流量过小，那么排除周围空气的能力就会不强，空气挺度也会非常差［10］。因此，提高保护效果的重要环节之一就是合理选择氩气流量。为了将氩气流量控制在合理范围之内，一般手工氩弧焊氩气流量可以在表1的参考范围内选择。

表1　喷嘴孔径与保护气流量选用的范围

（五）喷嘴直径对焊接质量和热输入的影响

在一般情况下，有效保护范围达到最佳的条件是喷嘴直径在最佳的范围之内，此时工作效率也是最高的。当流量不变时，喷嘴直径过小，保护范围小，流速就过大，导致熔池金属发生氧化［11］。如果喷嘴直径过大，增加氩气消耗的同时也不利于操作者操作。空气流速太低，喷嘴直径很小，导致保护效果不明显。通常状况下，保护气流量与人工氩弧焊喷嘴直径范围在表1范围内进行选择。

由表1可知，对焊件的热流梯度有直接影响的是喷嘴直径与氩气流量，并且它们之间是相互依赖、相互影响的关系，这是因为焊接时焊件的温度远低于氩气的温度，此时，氩气流速与喷嘴直径值成反相关，所以消耗许多流换热的热能。焊缝处的高温得以很快降低缘于焊缝区域集中着氩气，把导致焊件变形的温度梯度进行富有成效地减小。因此，需要慎重遴选喷嘴直径与氩气流量。

三、结语

影响焊缝成形的因素还有很多，如钨电极的焊缝的形状与半径，会影响焊接质量与焊接热输入。本文仅从焊接电流、电弧电压、焊接速度、氩气流量和喷嘴直径几个方面对氩弧焊焊接工艺与焊接质量的影响进行了简单的探讨，希望对与该课题有关的研究者有所帮助。

［1］庄利军.浅析钢结构焊接变形产生及防治［J］.科学之友，2010（7）:5-6.

［2］宋广豪.钢结构焊接变形的起因及控制方法探讨［J］.门窗，2012（10）:190，192.

［3］翟俊峰.浅谈钢结构焊接变形的成因与控制策略［J］.中国城市经济，2012（2）:230.

［4］付荣柏.焊接变形的控制与矫正［M］.北京:机械工业出版社，2014:8-15.

［5］方文鹏，杜晓伟，陈勇.钨极氩弧焊工艺参数的选择和焊缝缺陷的预防［J］.电焊机，2006（6）:13-16.

［6］林企曾，李成.迅速发展的中国不锈钢工业［J］.钢铁，2012 （12）:1.

［7］李亚芝.论钢结构的焊接变形与控制方法 ［J］.门窗，20125（9）:14-16

［8］张兰.我国不锈钢焊接工艺研究现状及进展［J］.山西冶金，2013（2）:1-5.

［9］中国机械工程学会焊接学会.焊接词典［M］.北京:机械工业出版社，1997.

［10］李亚江.焊接组织性能与质量控制［M］.北京:化学工业出版社，2011.

［11］李亚江.轻金属焊接技术［M］.北京:国防工业出版社，2011.

（编辑:林钢）

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

伊犁职业技术学院院级项目（yzyxm2015012）

马世仓（1985—），男，新疆伊宁人，助理讲师，研究方向为机械加工、焊接技术。