CN106425024A - 一种气保焊线能量的确定方法 - Google Patents

Abstract

一种气保焊线能量的确定方法：确定基准焊缝面积S_o及基准线能量E_o；建立焊缝线能量与焊缝面积之间的关系式E/E_o=S/S_o；计算要进行气保焊接时所需要的线能量E值：根据计算的线能量E值进行判别。本发明无需进行气保焊接试验，通过建立的数学模型进行计算，就可以确定出所要进行气保焊接焊缝所需的线能量，且吻合性很好，从而节省了大量的人力、物力、时间，大大提高焊接效率。

Description

一种气保焊线能量的确定方法

技术领域

本发明申请涉及材料加工焊接领域，具体属于一种气保焊焊接工艺参数的确定方法。采用此方法可以确定不同坡口的气保焊线能量，显著提高焊接成功率。

背景技术

气保焊具有易于自动化、效率高、焊缝质量好的特点。对于中厚板气保焊，以往一般采用多道多层焊。但是，多道多层焊不仅效率低，而且焊缝质量不易保证，主要在于焊道间易出现夹渣等缺陷，前道焊缝受后道焊缝的热循环影响而发生晶粒粗化及性能恶化。所以，在实际操作中，希望根据工件条件，开发一次焊满工艺，如铁路罐体生产中的环焊及车轮轮辋焊接，希望采用一次成形气保焊以提高效率和焊缝质量。但是，目前并没有成熟的焊接工艺可供参考。对于多道多层焊，可以通过一道道的焊接，直到焊满就可以了，不需要对焊接线能量作特别的控制。一次成形是对工件一侧需要焊接的部位，通过一道次的焊接，就可以达到需要的焊缝熔深及焊缝余高，不产生缺陷。焊接效率提高，焊缝组织更为均匀。一次成形工艺对焊接线能量有较高的要求，线能量过小时，则易出现未填满；线能量过大时，焊缝过高。焊缝未填满或余高过大都会导致焊缝尺寸不合格。然而，决定焊接线能量的因素很多，包括焊接坡口的各参数如深度、角度、以及焊缝余高及宽度等因素，仅凭经验成功率必然很低。如果能发明一种气保焊一次成形的线能量控制技术，则对于气保焊一次成形新工艺的应用具有重要意义。

经检索，中国专利申请号为20151024811.9的文献，其具体公开了一种 “能快速确定V型坡口埋弧焊一次成形线能量的方法”，其针对埋弧焊作了研究。其将埋弧焊缝看成是焊前单侧坡口为三角形、焊后熔解的母材部分近似为平形四边形+根部1/2圆形、及余高焊缝近似为半椭圆。结合埋弧焊各参数如坡口深度、角度、以及焊缝余高及宽度等因素，进行焊接线能量的预控，对于埋弧焊比较合适，在科研及生产中发挥了良好作用，提高了工作效率，焊缝不易产生缺陷。

上述埋弧焊线能量预控技术不适用于气保焊。这主要是因为埋弧焊与气保焊焊缝成形有较大差别，埋弧焊电流大，熔深大；而气保焊电流较小，熔深浅。埋弧焊与气保焊焊缝形貌有较大的差别。

本发明申请根据气保焊焊缝特点，经过多次焊接试验，开发了气保焊焊缝一次成形线能量预控技术，效果很好。

气保焊单侧焊缝一次成形效率虽然高，但易出现未填满或焊缝过高的问题，这些均是焊接缺陷。焊缝未填满时，焊缝有效承载截面不足，易导致失效。相反地，如果焊缝余高过大，则易在焊缝处产生较大的焊接应力及应力集中，也易产生焊件的失效或其它问题。而出现未填满或焊缝过高的原因是一次性焊接的线能量选择不合理。

发明内容

本发明在于克服现有技术存在的不足。现有技术一般为多道多层焊，效率低，焊道间易出现夹渣等缺陷，前道焊缝受后道焊缝的热循环影响而发生晶粒粗化及性能恶化；也有采用一次成形焊的，但没有计算焊接线能量的方法，只能靠多次试验确定，效率低。本技术建立了根据焊接坡口及期望的焊缝形状来确定焊接线能量的关系式，无需经焊接试验就能确定合理的线能量，对提高钢种的焊接应用效率有重要指导意义。

实现上述目的的措施：

一种气保焊线能量的确定方法，其步骤：

1）确定基准焊缝面积S_o及基准线能量E_o

将焊缝形状模型化：钢板表面下焊缝为三角形，余高焊缝近似为半椭圆，焊缝面积表示如下：

S=πc(a+btgα)/2+(b+d)(btgα+a) （1）

式中：

S—表示焊缝面积，单位为：mm²，

a—表示焊缝搭边量，单位：mm，

b—表示坡口深度，单位：mm，

C—表示焊缝余高，单位：mm，

d—表示焊缝熔深，单位：mm，

α—表示坡口角度在25°~35°时的弧度；

在本步骤中，通过上述公式（1），计算与试验结合确定基准焊缝面积S_o及基准线能量E_o；选用厚度为14.3mm、试板单面为V型坡口、坡口深度b=4.5mm，坡口角度30°时弧度α=0.52的试板进行气保焊试验，当线能量E_o=27kJ/cm时，焊缝成型为理想状；测得的焊缝尺寸为a=4.4mm、c=2.5mm，d=1.5mm，将各参数带入（1）式中计算出S_o=65.8mm²；

2）建立焊缝线能量与焊缝面积之间的关系式

经大量试验发现，在（1）式选定的条件下，存在如下关系式：

E/E_o=S/S_o （2）

式中：E—表示预算焊缝的线能量，单位：kJ/cm；

E_o—表示基准焊缝线能量，单位：kJ/cm；

S—表示焊缝面积，单位为：mm²；

S_o—表示基准焊缝面积，单位为：mm²；

在本步骤中，公式（1）式中：

a=3.0~4.6mm、b不超过4.5mm、c=2.0~3.0mm、α=0.44~0.61、d=1~2mm；并且2a+2btgα不低于9mm；

3）按照公式（2）计算要进行气保焊接时所需要的线能量E值：

A、先根据步骤2）及步骤1）所给出的各变量取值范围取值，并代入公式（1）计算所要进行气保焊接的焊缝面积S；

B、将计算出的S值、已知的 E_o值及S_o值，带入公式（1）E=E_oS/S_o中，计算出所要进行气保焊接焊缝焊接时所需要的线能量E值；

4）进行判别

当根据步骤2）中所限定的变量范围在焊接中，搭边量a在3.0~4.6mm，焊缝余高c在2.0~3.0mm范围时，则属于正常，无需调整；

当根据步骤2）中所限定的变量范围在焊接中，搭边量a或焊缝余高c小于设定的范围时，则以所计算的线能量E值为基准，在此基础上增加不超过5%的线能量作为调整后的E值；

当根据步骤2）中所限定的变量范围在焊接中，搭边量a或焊缝余高c大于设定的范围时，则以所计算的线能量E值为基准，在此基础上减少不超过5%的线能量作为调整后的E值。

其在于：其适用于：钢板厚度在3~15mm、焊丝直径为1.2mm、2a+2btgα不低于9mm焊缝宽度的气保焊接。

在本发明中，气保焊的一次成形，需要考虑的主要因素如下：

焊接坡口：为了形成有效的焊缝，必须将焊接边端采用机加工等方法加工坡口，以便气保焊电弧加热及熔化焊接端面、填充焊缝金属。一次成形的气保焊坡口一般为中间带钝边对称或非对称双面V型。坡口的主要参数有角度、钝边、深度等。根据气保焊的特点，坡口角度（单侧）一般为25°~35°(弧度0.44~0.61)、 钝边为1~2mm、深度为0~4.5mm。

焊接线能量：是焊缝单位长度上焊接热源的能量。气保焊的焊接线能量范围较宽，其选择依据是被焊工件的厚度以及被焊工件在冶金性能上能否承受。线能量是气保焊单侧焊缝一次成形的关键影响因素。

焊缝余高：一条合格的焊缝需要高出基材表面，高出基材表面部分的高度就是焊缝余高。一般为2~3mm。

焊缝搭边量：焊接时，在电弧作用下，基材会熔化。坡口旁的基材表面被焊缝余高覆盖的宽度就是焊缝搭边量，一般为3.0~4.6mm。

通过研究坡口形状及要达到的焊缝尺寸，计算焊接线能量。通过观察各种气保焊缝形状，可以将一个V型坡口的合格的单侧一次成形气保焊缝形状简化如下：

(1)钢板表面下焊缝为三角形；

(2)余高焊缝近似为半椭圆。

通过上述简化，建立焊缝面积数学模型。通过焊接工艺实验确定某个条件下的合适的焊接线能量，并计算相应的焊缝面积，以此为线能量基准及焊缝面积基准。根据需要焊接工件的坡口，选定期望的合适的焊缝余高、搭边量，计算所要焊接焊缝的面积。假设焊接时熔化加热温度基本相同，则两种焊缝的线能量与面积基本成正比例。这样就可以计算需焊焊缝的焊接线能量了。通过这种方式进行焊接线能量计算并经多组焊接实验，吻合性很好。通过计算方法，形成了气保焊一次成形的线能量控制技术。

本发明与现有技术相比，无需进行气保焊接试验，通过建立的数学模型进行计算，就可以确定出所要进行气保焊接焊缝所需的线能量，且吻合性很好，从而节省了大量的人力、物力、时间，大大提高焊接效率。

附图说明

图1为本发明的焊接坡口形状结构图；

图中：a—表示焊缝搭边量，b—表示坡口深度，c—表示焊缝余高，d—表示焊缝熔深，α—表示坡口角度在25°~35°时的弧度，g—表示表面焊缝中点，f—表示表面焊缝边点，e—表示焊缝底点。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

实施例1

本实施例的试验条件：板厚为14.3mm的TC128钢，气保焊机采用的是LincolnPowerwave455，焊丝直径为1.2mm；试板单侧为V型坡口，坡口深度b 为3.5mm，坡口角度弧度为0.52；并要求：焊缝搭边量a=4.0mm、焊缝余高c=2.5mm、焊缝熔深d=1mm。

经将上述已知的有关数据带入到公式（1），得到所要气保焊接的焊缝面积S=50.6mm²；

再将E_o=27 kJ/cm，S_o=65.8 mm²， S=50.6 mm²带入公式（2），即E/E_o=S/S_o， 计算气保焊所需要的线能量E，E=20.8kJ/cm。

将20.8 kJ/cm线能量分解为具体的焊接参数：焊接电流为300 A、焊接电压为29V、焊速为25 cm/min，进行实际焊接试验；试验实测的焊缝搭边量a为4.2mm，处于正常范围内，实测的焊缝余高c为2.6mm，处于正常范围内。其说明使用本申请计算的线能量E与实际吻合度高，无需调整。

实施例2

本实施例的试验条件：板厚为8mm的X65钢，气保焊机采用的是Lincoln Powerwave455，焊丝直径为1.2mm；试板单侧为V型坡口，坡口深度b 为3.5mm，坡口角度弧度为0.52；并要求：焊缝搭边量a=3.7mm、焊缝余高c=2.6mm、焊缝熔深d=1mm。

经将上述已知的有关数据带入到公式（1），得到所要气保焊接的焊缝面积S=48.9mm²；

再将E_o=27 kJ/cm，S_o=65.8 mm²， S=48.9 mm²带入公式（2），即E/E_o=S/S_o， 计算气保焊所需要的线能量E，E=20.1kJ/cm。

将20.1kJ/cm线能量分解为具体的焊接参数：焊接电流为300 A、焊接电压为29 V、焊速为26 cm/min，进行实际焊接试验；试验实测的焊缝搭边量a为3.8mm，处于正常范围内，实测的焊缝余高c为2.5mm，处于正常范围内。其说明使用本申请计算的线能量E与实际吻合度高，无需调整。

实施例3

本实施例的试验条件：板厚为8mm的X65钢，气保焊机采用的是Lincoln Powerwave455，焊丝直径为1.2mm；试板单侧为V型坡口，坡口深度b 为3mm，坡口角度弧度为0.61；并要求：焊缝搭边量a=3.5mm、焊缝余高c=2.5mm、焊缝熔深d=1mm。

经将上述已知的有关数据带入到公式（1），得到所要气保焊接的焊缝面积S=44.4mm²；

再将E_o=27 kJ/cm，S_o=65.8 mm²， S=44.4 mm²带入公式（2），即E/E_o=S/S_o， 计算气保焊所需要的线能量E，E=18.2kJ/cm。

将18.2kJ/cm线能量分解为具体的焊接参数：焊接电流为270 A、焊接电压为29V、焊速为26 cm/min，进行实际焊接试验。实测的焊缝搭边量a为3.5mm，与预计的3.5mm正好相吻合，实测的焊缝余高c为2.4mm，处于正常范围内。其说明使用本申请计算的线能量E与实际吻合度高，无需调整。

实施例4

本实施例的试验条件：板厚为6mm的X65钢，气保焊机采用的是Lincoln Powerwave455，焊丝直径为1.2mm；试板单侧为V型坡口，坡口深度b 为2mm，坡口角度弧度为0.52；并要求：焊缝搭边量a=4.0mm、焊缝余高c=2.5mm、焊缝熔深d=1.5mm。

经将上述已知的有关数据带入到公式（1），得到所要气保焊接的焊缝面积S=38.2mm²；

再将E_o=27 kJ/cm，S_o=65.8 mm²， S=38.2 mm²带入公式（2），即E/E_o=S/S_o， 计算气保焊所需要的线能量E，E=15.7kJ/cm。

将15.7kJ/cm线能量分解为具体的焊接参数：焊接电流为280 A、焊接电压为29 V、焊速为30 cm/min，进行实际焊接。实测的焊缝搭边量a为3.9mm，处于正常范围内，实测的焊缝余高c为2.5mm，与预计的2.5mm正好吻合。其说明使用本申请计算的线能量E与实际吻合度高，无需调整。

实施例5

本实施例的试验条件：板厚为3mm的Q460钢，气保焊机采用的是LincolnPowerwave455，焊丝直径为1.2mm；试板不开坡口；并要求：焊缝搭边量a=4.6mm、焊缝余高c=2.2mm、焊缝熔深d=2.0mm。

经将上述已知的有关数据带入到公式（1），得到所要气保焊接的焊缝面积S=25.1mm²；

再将E_o=27 kJ/cm，S_o=65.8 mm²， S=25.1 mm²带入公式（2），即E/E_o=S/S_o， 计算气保焊所需要的线能量E，E=10.3kJ/cm。

将10.3kJ/cm线能量分解为具体的焊接参数：焊接电流为280 A、焊接电压为29 V、焊速为47 cm/min，进行实际焊接。实测的焊缝搭边量a为4.5mm，处于正常范围内，与预计的4.6mm相差2.2%；实测的焊缝余高c为2.1mm，处于正常范围内，与预计的2.2mm相差4.5%。其说明使用本申请计算的线能量E与实际吻合度高，无需调整。

实施例6

本实施例的试验条件：板厚为8mm的X65钢，气保焊机采用的是Lincoln Powerwave455，焊丝直径为1.2mm；试板单侧为V型坡口，坡口深度b 为3mm，坡口角度弧度为0.61；并要求：焊缝搭边量a=3.5mm、焊缝余高c=2.1mm、焊缝熔深d=1.0mm。

经将上述已知的有关数据带入到公式（1），得到所要气保焊接的焊缝面积S=40.8mm²；

再将E_o=27 kJ/cm，S_o=65.8 mm²， S=40.8 mm²带入公式（2），即E/E_o=S/S_o， 计算气保焊所需要的线能量E，E=16.8kJ/cm。

将16.8kJ/cm线能量转化为具体的焊接参数：焊接电流为290 A、焊接电压为29 V、焊速为30 cm/min，进行实际焊接。实测的焊缝搭边量a为3.6mm，处于正常范围内，实测的焊缝余高c为1.9mm，与预计的2.1mm相差10%，且已低于正常范围。此时，根据步骤4），将线能量增加5%至17.6kJ/cm，转化为具体的焊接参数：焊接电流为290 A、焊接电压为29 V、焊速为30 cm/min，进行实际焊接。经调整焊接线能量后再进行焊接试验，其实测的焊缝搭边量a为3.6mm，处于正常范围内，实测的焊缝余高c为2.1mm，与预计的2.1mm相符。其说明经调整后的线能量E与实际吻合度高，无需调整。

实施例7

本实施例的试验条件：板厚为4mm的Q420钢，气保焊机采用的是LincolnPowerwave455，焊丝直径为1.2mm；试板单侧为V型坡口，坡口深度b 为1mm，坡口角度弧度为0.52；并要求：焊缝搭边量a=4.5mm、焊缝余高c=2.6mm、焊缝熔深d=1.5mm。

经将上述已知的有关数据带入到公式（1），得到所要气保焊接的焊缝面积S=33.4mm²；

再将E_o=27 kJ/cm，S_o=65.8 mm²， S=33.4 mm²带入公式（2），即E/E_o=S/S_o， 计算气保焊所需要的线能量E，E=13.7kJ/cm。

将13.7kJ/cm线能量转化为具体的焊接参数：焊接电流为250 A、焊接电压为28 V、焊速为41cm/min，进行实际焊接。试验实测的焊缝搭边量a为4.8mm，超出正常范围，与预计的4.6mm相差4%；实测的焊缝余高c为2.5mm，在正常范围内。根据步骤4），将线能量减少4%至13.2kJ/cm，转化为具体的焊接参数：焊接电流为290 A、焊接电压为29 V、焊速为31 cm/min，再次进行实际焊接试验。试验后实测的焊缝搭边量a为4.5mm，处于正常范围内，实测的焊缝余高c为2.5mm，与预计的2.5mm相符。其说明经调整后的线能量E与实际吻合度高，无需调整。

本具体实施方式仅为最佳例举，并非对本发明技术方案的限制性实施。

Claims (2)

1.一种气保焊线能量的确定方法，其步骤：

1）确定基准焊缝面积S_o及基准线能量E_o

将焊缝形状模型化：钢板表面下焊缝为三角形，余高焊缝近似为半椭圆，焊缝面积表示如下：

S=πc(a+btgα)/2+(b+d)(btgα+a) （1）

式中：

S—表示焊缝面积，单位为：mm²，

a—表示焊缝搭边量，单位：mm，

b—表示坡口深度，单位：mm，

C—表示焊缝余高，单位：mm，

d—表示焊缝熔深，单位：mm，

α—表示坡口角度在25°~35°时的弧度；

在本步骤中，通过上述公式（1），计算与试验结合确定基准焊缝面积S_o及基准线能量E_o；选用厚度为14.3mm、试板单面为V型坡口、坡口深度b=4.5mm，坡口角度30°时弧度α=0.52的试板进行气保焊试验，当线能量E_o=27kJ/cm时，焊缝成型为理想状；测得的焊缝尺寸为a=4.4mm、c=2.5mm，d=1.5mm，将各参数带入（1）式中计算出S_o=65.8mm²；

建立焊缝线能量与焊缝面积之间的关系式

经大量试验发现，在（1）式选定的条件下，存在如下关系式：

E/E_o=S/S_o （2）

式中：E—表示预算焊缝的线能量，单位：kJ/cm；

E_o—表示基准焊缝线能量，单位：kJ/cm；

S—表示焊缝面积，单位为：mm²；

S_o—表示基准焊缝面积，单位为：mm²；

在本步骤中，公式（1）式中：

a=3.0~4.6mm、b不超过4.5mm、c=2.0~3.0mm、α=0.44~0.61、d=1~2mm；并且2a+2btgα不低于9mm；

3）按照公式（2）计算要进行气保焊接时所需要的线能量E值：

A、先根据步骤2）及步骤1）所给出的各变量取值范围取值，并代入公式（1）计算所要进行气保焊接的焊缝面积S；

B、将计算出的S值、已知的E_o值及S_o值，带入公式（1）E=E_oS/S_o中，计算出所要进行气保焊接焊缝焊接时所需要的线能量E值；

4）进行判别

当根据步骤2）中所限定的变量范围在焊接中，搭边量a在3.0~4.6mm，焊缝余高c在2.0~3.0mm范围时，则属于正常，无需调整；

当根据步骤2）中所限定的变量范围在焊接中，搭边量a或焊缝余高c小于设定的范围时，则以所计算的线能量E值为基准，在此基础上增加不超过5%的线能量作为调整后的E值；

当根据步骤2）中所限定的变量范围在焊接中，搭边量a或焊缝余高c大于设定的范围时，则以所计算的线能量E值为基准，在此基础上减少不超过5%的线能量作为调整后的E值。

2.如权利要求1所述的一种气保焊线能量的确定方法，其特征在于：其适用于：钢板厚度

在3~15mm、焊丝直径为1.2mm、2a+2btgα不低于9mm焊缝宽度的气保焊接。