鋼桶縫焊工藝參數計算（1）

解放軍第七四三四工廠 張世強

鋼桶的桶身縫焊質量直接影響其產品的質量優劣。在去年6月25日，云南省進出口商品檢驗局對我廠生產的“9105”批產品進行抽查檢驗，合格率僅有50%。1000只鋼桶不準外銷，給工廠帶來了經濟損失，也影響了工廠的聲譽在這種情況下成立了攻關小組。進行技術攻關。通過收集1-5月份鋼桶的生產數量和質檢部門的質檢報告，經整理核查，運用數學手段進行了分析，提出了影響產品質量的主要因素是桶身的縫焊質量，故將改進桶身縫焊技術列為主攻目標。

一、分析縫焊質量不穩定的原因

通過在生產現場觀察和取樣分析，發現縫焊質量不穩定原因如下：

1．工藝參數選擇不佳。在焊接始點和終點出現假焊，桶身在翻邊后出現了微裂紋。進而，桶封蓋時，在封卷輪封卷過程中桶身翻邊處又發生彈性變形和塑性變形，致縫焊處出現不同程度的損傷和撕裂。在檢測時，桶身丁字口處出現了滲漏。

2．焊接時，上、下電極滾輪接觸面積小于80%，且縫焊齒印不清晰，在距卷邊2.O-50mm處出現焊接擊穿。

3．在始焊和終焊瞬時產生強烈的火花飛瀕，影響了操作正確性，致焊道扭曲，焊接質量不穩定。

二、對縫焊機理進行分析

鋼桶采用低碳鋼薄板。其焊接主要采用點焊和縫焊兩種形式，屬壓力接觸焊。其焊接的機理相同，均屬將需焊接的焊縫進行局部加溫使之處于半熔化狀態或塑性狀態，然后再施加壓力。在壓力作用下，金屬的晶粒之間產生相對滑移，冷卻后塑性變形依然存在的一種焊接方法。

塑性變形程度取決于：金屬所含元素的種類，即分子結構形式。另取決于變形的條件，即熱擠壓變形還是冷擠壓變形。金屬在接區的加熱升溫，降低了塑性變形的抗力，為晶粒滑移、組合提供了必要條件，而接觸壓力給焊接提供了充分條件。

其加熱溫度范圍在Fe-Fe3C相圖中奧氏體相，即固相線內。其焊接溫度較固相線低200℃左右，終焊溫度（指-焊接點）．在750℃～800℃之間，均可獲得良好的焊接強度。接觸焊的加熱溫度值非常重要，主要決定于被焊材料的碳當量，可根據該碳當量值在Fe-Fe3C相圖（此相圖本文略，從金屬材料或熱處理手冊中查找）中查出在固相區的溫度Tm。為便于計算碳當量引用國際焊接協會推薦的碳當量計算公式：

C（%）=C+(1/16)Mn+(1/24)Si+(1/4)Mo+(1/13)Cu+(1/5)Cr+(1/5)V （%） （1）

鋼桶行業使用的低碳鋼薄板，主要雜質為：Mn、Si、P、S。公式(1)可簡化為：

C（%）=C+(1/16)Mn+(1/24)Si （2）

根據材料成份的化驗結果運用公式( 2)算出碳當量值， 以確定在Fe-Fe3C相圖中的固相溫度Tm。其塑性變形溫度公式：

△T=Tm-200 （℃） （3）

根據熱力學原理，溫度與熱量之間轉換遵循以下的公式：

Q吸＝mc△T （4）

式中：

Q吸——質量為m的物質達到△T所需的熱量(J)；m——焊縫加熱金屬的質量(kg)；C——比熱容。鋼為0.46×103 (J/kg．℃)；△T——塑性變形所需溫度(℃)

三、影響縫焊質量的主要因素

根據以上分析，焊接的實質就是焊縫區吸收的熱量和縫焊機所發出熱量之間的關系。這種關系同樣遵循焦耳-楞次定律，其公式如下：

Q=0.24IIRt （5）

式中：

Q——電能所產生的熱量 (J)；I——焊接時所需電流 (A)；R——焊接系統的電阻值 (Ω)；t——焊接通電時間 (s)

公式(5)中的電阻值是一個變量，采用不等參數的焊接，其值也不同。根據縫焊原理（壓力焊）其系統電阻值R遵循以下關系：

R＝2R件+2R級+R觸 （6）

式中：

R件——焊件內部電阻 (Ω)；R觸——焊件間接觸電阻(Ω)；R極——電極與焊件間接觸電阻 (Ω)

根據公式(5)和(6)推出了影響焊接熱量主要參數是：I、R、t三要素。在焊接某種金屬材料時，其I、t可視為常數，而R值卻是變量，R值的確定必須對其進行分別討論。

1．R觸是變量。被加熱金屬焊接區表面粗糙度值不均勻，且是未加工面，所以凹凸不平。在焊接時金屬不是整個平面接觸，而個別凸點接觸。通電后使電力線在接觸點附近產生彎曲、收縮，而增加了接觸電阻。值大小與電極滾輪壓力值、材料性質和表面狀況有關。對于低碳鋼有下列關系：

①電極壓力P增大；則R觸變小。電極壓力P與R觸成反比。見圖1。

圖1

②R觸和焊接區溫度Tm，電極壓力P之間關系成正比，當其P=4500N，Tm=600℃時，其R觸≈0。見圖1和圖2。

圖2

2、電極與焊件之間接觸電阻R極與接觸表面質量和含碳量有關。其含碳量小，硬度低，則接觸面積大。R極值導電率為85%，與逼電時間t的關系見圖3。通電焊接時間t≈0.02s時，R極≈0。

圖3

3．焊件內部電阻R伴是不均勻的，焊接時電流密度不均勻，主要遵循以下關系：

R件≈δρK1K2/DD （7）

式中：

δ——焊接件厚度(mm)；ρ——焊件材料電阻系數 (Q．cm)，低碳鋼ρ＝15×10-6 Ω·cm；K1K2——修正系數

4．焊接時熱過程

電流通過兩電極滾輪對焊件放出的熱量由兩部分組成，一部分用于焊接區加溫，是形成焊核所需的熱量，稱之為Q效，另一部分被冷金屬工件和冷卻液所帶走，稱之為Q損。縫焊機本身所發出的熱功為：

Q＝Q效+Q損 （8）

其關系見圖4。Q損只與加熱所需的時間t有關。瞬時焊接Q損≈0。所以Q效≈ Q。

圖4

Q效與電流和電阻成正比。通過以上分析公式(5)中的參數可以靜態的進行計算。公式(5)中參數 IIR可根據交流電的有效電功率公式：

P電＝UIcosφ （9）

式中

cosφ——通常近似為1。

因為 P電＝UI＝IIR （10）

將公式（10）代入公式（5）得以下公式：

Q＝0.2P電t （11）

式中：

Q——熱功率（J）；P電——電功率（VA）；t——通電焊接時間（s）

通過以上的分析，其影響縫焊質量的主要因素為：I、P、t已清楚。