低碳钢钨极氩弧焊焊接参数对焊缝成型的影响.docx
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低碳钢钨极氩弧焊焊接参数对焊缝成型的影响
摘要
主要研究低碳钢钨极氩弧焊焊接时，焊接电流、焊接速度、氩气气体流量等工艺参数对焊缝成型的影响。
在反复调节不同焊接工艺参数进行平板表面堆焊实验的基础上,得出各种参数对焊逢成形的影响。
焊接工艺参数从两方面影响了焊缝质量。
一方面,焊接电流、焊接速度和氩气气体流量三个参数合成的焊接热输入影响着焊缝的强度和韧性；另一方面,这些参数的合理匹配才能焊出成形,也就影响到焊缝的抗裂性、对气孔和夹渣的敏感性。
这些参数的合理匹配可以减少焊接缺陷，获得优良的焊缝成型。
关键词低碳钢；氩弧焊；工艺参数；焊缝成型
Abstract
Themainresearchlowcarbonsteelargontungstenarcwelding,whenweldingcurrent,weldingspeed,argongasflowrateofprocessparametersontheeffectofweldmoulding.Againandagainindifferentweldingprocessparametersadjustmentplatesurfacesurfacingexperiment,andonthebasisofvariousparametersthatinfluenceofeveryformingbuttweldends.Weldingprocessparametersinfluencefromtworespectstheweldingquality.Ononehand,weldingcurrentandweldingspeedandargongasflowthreeparametersofsynthesisweldingheatinputaffectweldstrengthandtoughness;Ontheotherhand,theseparameterstotherationalmatchingtheweldingforming,alsoaffectweldresistanceofporosity,andslagsensitivity.Theseparametersoftherationalmatchingcandecreasetheweldingdefects,obtaingoodweldmoulding.
Keywordslowcarbonsteel;Argonarcwelding;Processparameters;Weldmoulding
目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1课题研究的目的和意义1
1.1.1氩弧焊的发展状况及应用范围1
1.1.2钨极氩弧焊的原理及特点3
1.1.3低碳钢的发展情况及在汽车方面的应用4
1.2研究内容与意义5
第2章实验方法与设备6
2.1实验设备6
2.1.1WSE-315P氩弧焊焊机6
2.1.2其他设备8
2.2实验材料10
2.2.1焊接用板材10
2.2.2焊接用焊丝10
2.2.3保护气体氩气11
2.2.4钨极11
2.3焊前清理11
2.4其他实验因素的影响12
2.5金相试样的制备方法13
2.6实验方法13
小结14
第3章实验过程及结果分析15
3.1焊接电流对焊缝成型的影响15
3.2接速度对焊缝成型的影响18
3.3氩气流量对焊缝成型影响20
3.4钨极对焊接质量的影响24
小结26
结论28
致谢30
参考文献31
附录132
附录235
第1章绪论
课题研究的目的和意义
钨极氩弧焊是使用钨极作为非熔化电极，使用惰性气体作为保护气的电弧焊方法。
钨极氩弧焊的应用广泛，可以用于几乎所有的金属和合金的焊接，比如钢铁材料，有色金属及其合金，以及金属基复合材料等。
由于钨极氩弧焊的诸多优点，在焊接低碳钢的时候可以实现高品质的焊接，得到优良的焊缝，而且钨极氩弧焊的可靠性高，可以用于焊接重要构件。
其固有的热影响区小、焊接质量高、焊接变形小、抗裂能力强及机械性能好等优点，使其在压力容器、航天、航海、电站、石油天然气管道等有着广泛的应用。
在本次设计中我们将在实验中通过调节各种工艺参数以及各种参数间的相互配合来减少焊接缺陷获得良好的焊缝表面成形。
在最大限度降低生产成本的基础上，进一步完善和改进现有的生产工艺。
1.1.1氩弧焊的发展状况及应用范围
图1-1钨极氩弧焊焊机结构图
1．减压表2.流量计3.焊枪4.工件
钨极氩弧焊是国内外发展最快、应用最广泛的一种焊接技术。
近年来，氩弧焊，特别是自动钨极氩弧焊，已经成为很多金属结构焊接中不可少的手段，所以全国各地对氩弧焊的需求也越来越大，近些年来，氩弧焊的机械化，自动化程度得到了很大的提高，并向着控制因子越来越多的数控化方向发展，达到了一个更高的阶段。
钨极氩弧焊焊机结构图如图1-1
图1-2钨极氩弧焊的焊接过程
钨极氩弧焊在焊接过程中，钨电极不熔化，可以保持恒定的电弧长度，不变的焊接电流，钨极氩弧焊焊接时的电弧是各种电弧焊中稳定性最好的电弧之一，电弧呈典型的钟罩形形态，焊接熔池的可见性好，操作容易进行。
电弧在惰性气氛中极为稳定，保护气对电弧及熔池的保护很可靠，能有效的排除氧、氮、氢等气体对焊接金属的侵害。
钨极氩弧焊的焊接过程如图1-2.
钨极氩弧焊的应用非常广泛，它可以用于几乎所有的金属和合金的焊接，比如钢铁材料、有色金属及其合金、金属基复合材料等。
特别是对铝、镁、钛、铜等有色金属及其合金、不锈钢、耐热钢、高温合金等的焊接最具优势。
钨极氩弧焊适用于各种长度焊缝的焊接；既可以焊接薄件，也可以用来焊接厚件；既可以在平焊的位置焊接，也可以在各种空间位置焊接，如仰焊、横焊、立焊等焊缝及空间曲面焊缝等。
钨极氩弧焊通常被用于焊接厚度在6mm以下的焊件。
如果采用脉冲钨极氩弧焊，焊接厚度可以降到0.8mm以下。
对于大厚度的重要结构（如压力容器、管道等），钨极氩弧焊也有广泛的应用，但一般都是用于打底焊，即在坡口根部先用钨极氩弧焊焊接第一层，然后再用其他方法焊满整个焊缝，这样可以确保底层焊缝的质量。
1.1.2钨极氩弧焊的原理及特点
钨极氩弧焊是电弧在非熔化极（通常是钨极）和工件之间燃烧，在焊接电弧周围流过一种不和金属起化学反应的惰性气体（常用氩气），形成一个保护气罩，使钨极端头，电弧和熔池及已处于高温的金属不与空气接触，能防止氧化和吸收有害气体。
从而形成致密的焊接接头，其力学性能非常好。
钨极氩弧焊的特点如下:
优点：
1.保护效果好，焊缝质量高，保护气体有力而稳定。
具有一定压力的气体由喷嘴里以层流的方式喷出，具有一定的挺度，能有效地隔绝周围的空气，不溶于金属且不和金属发生反应。
焊接时熔池稳定，飞溅少，不易产生气孔。
2.能焊接大多数金属。
像锡、锌、铅等低熔点和易蒸发的金属除外，钨极氩弧焊是焊接铝、镁等有色金属的好方法，尤其是钛、锆等能在氧和氮中溶解的金属，保护不好会变脆。
在异种金属焊接中，既不损失合金成分，又能获得高质量的焊缝。
3．电弧热量集中。
弧柱在气流的作用下产生压缩效应和冷却，单原子气体无吸收和分解反应，导热能力差，电弧热量损失小，弧柱中心温度可达10000摄氏度。
由于热量集中，温度高，焊速快，相应母材受热程度低，热影响区窄，焊件变形小。
4.电弧稳定。
即使在很小的电流下焊接，电弧依旧可以稳定燃烧，特别适合于超薄材料的焊接。
5.适用于全位置焊接。
无熔渣无飞溅，熔池和电弧的可见性好，操作方便，也是实现单面焊双面成型的好办法。
无熔渣对于要求内部清洁的管道特别适用。
热源和焊丝分别能有效的调节热输入，也是实现自动化焊接的好办法。
缺点：
1．焊接效率低于其他办法。
由于钨极的承载电流能力有限，且电弧易扩展而不集中，所以钨极氩弧焊的功率密度收到制约，使得焊缝熔深浅，熔敷速度小，焊接速度不高和生产率低。
2.氩气没有脱氧和去氢作用，所以焊前对焊件的除油、去锈、去水等准备工作要求严格，否则会产生气孔，影响焊缝的质量。
3.焊接时有少量钨极熔化蒸发，钨微粒如果进入熔池会造成夹钨，影响焊缝质量，电流大时尤为明显。
4.由于生产效率低和惰性气体的价格较高，生产成本比焊条电弧焊、埋弧焊、二氧化碳气体保护焊要高。
焊接低碳钢时主要使用直流正接的方法，即工件为正极，钨极为负极的接法。
直流电源正极的发热量远大于阴极，钨极发热量少，不易过热，同样直径的钨极可以承载较大的电流，工件的发热量大，熔深大，生产率高。
钨极热电子发射能力强，电弧稳定而集中，适用于低碳钢的焊接。
而钨极氩弧焊所使用的焊接电流受钨极载流能力的限制，电弧功率较小，电弧穿透力小，熔深浅且焊接速度低，同时在焊接过程中需经常更换钨极。
1.1.1
1.1.2
低碳钢的发展情况及在汽车方面的应用
碳的质量分数W（C）<0.25%的钢，称为低碳钢。
低碳钢中碳的质量分数较低，杂质含量少，，在通常情况下不会因焊接而引起严重的硬化组织和产生淬火组织，其强度不高（一般在500Mpa以下），塑型和冲击韧度优良。
焊接接头的塑型和冲击韧度也很好，焊接时一般不需要预热、控制道间温度和后热，焊后也不必采取热处理来改善组织，可以说在整个焊接过程中不需要特殊的工艺措施，其焊接性优良，焊接时具有以下特点：
1.可装配成各种接头形式，适应各种不同位置的焊接，且工艺和技术简单，容易掌握。
2.塑型好，焊接接头产生裂纹的倾向小，适合制造各种大型结构和压力容器。
3.不需要使用特殊和复杂的工艺设备，对焊接电源和焊接材料没有特殊要求，交直流焊机，酸碱性焊条和焊剂都可以使用。
4.如果热输入太大，可能因热影响区的晶粒长大而引起塑性降低。
采用熔焊的方法焊接低碳钢结构时，焊接材料和工艺的选择主要应保证焊接接头与工件材料的强度，也就是根据母材强度等级及工作条件来选择焊接材料。
所以在使用钨极氩弧焊焊接低碳钢时，一般使用H08A或者H08E焊丝进行焊接。
目前，无论从生产状况、市场容量，还是从出口前景、发展趋势来看，我国低碳钢市场都有巨大的发展空间。
2009年国家积极推出各种政策救市，使得2009年中国经济增长8.7%成功“保八”。
这为低碳钢市场的发展提供了良好的外部发展环境。
低碳钢市场调研报告详细分析了低碳钢市场现状及发展前景。
随着我国经济社会的高速发展，我国低碳钢市场需求呈现逐年增长的态势。
而且现代汽车生产中，使用得最多的是普通低碳钢板。
低碳钢板具有很好的塑性加工性能，强度和刚度也能满足汽车车身的要求，同时能满足车身拼焊的要求，因此在汽车车身上应用很广。
研究内容与意义
通过多次调节焊接电流、氩气气体流量、焊接速度以及其它工艺参数，观察、测量以及对比这些因素对焊缝成形和焊缝质量的影响。
通过实验检测和分析试验数据，来更好的调节控制和搭配各种工艺参数，从而控制各种焊接缺陷，达到更好控制焊缝质量和成形的目的。
在本次设计中我们将在实验中通过实验研究分析各种工艺参数对焊缝成型的影响，合理匹配各个参数，减少焊接缺陷，获得优良的焊缝成型。
在最大限度降低生产成本的基础上，进一步完善和改进现有的生产工艺。
本章小结
本章主要介绍了钨极氩弧焊的原理及其优缺点和低碳钢的成分特点及其焊接性和使用情况。
第2章实验方法与设备
2.1实验设备
钨极氩弧焊使用如下实验设备：
1.稳恒电流焊接电源。
实验使用的是WSE-315P交直流脉冲氩弧焊焊机。
2.焊枪。
用以夹持钨极，向焊接区输入电流焊接电流和保护气体
3.气体保护设备。
氩气，减压计，流量计，气管等。
4.水冷设备。
用于保护焊枪和冷却焊枪。
5.焊接小车。
用于夹持焊枪和实现自动行走。
第2章
2.1
WSE-315P氩弧焊焊机
图2-1WSE-315P交直流脉冲氩弧焊机
焊机特点及用途：
1.采用先进的可控硅控制技术，抗干扰能力强，电流波动小，电弧稳定，电流无级调节，特性好，效率高；
2.具有多种焊接功能的选择，能够满足各种金属高精度的焊接工艺要求，可配合各种自动焊机械使用；
3.适用于焊接不锈钢、铝、铝合金、碳钢、钛等各种金属。
4.广泛应用于厨房设备、金属家具、化工机械、食品机械、医疗机械、环保设备、锅炉、压力容器、工程安装、车辆制造、造船、机械维修、模具制造维修等行业
相关性能和技术指标如下。
表2-1WSE-315P的性能参数
电源电压
单相380V50HZ
额定负载持续率
40
空载电压
80/100V（DCTIG）
焊接基值电流范围
DC:
5-315AAC:
20-315A
脉冲电流范围
DC:
5-315AAC:
20-315A
额定输入容量（KVA）
28.8
预送气时间
0.3/0.0秒（在印刷电路板上切换）
延迟断气时间
1~20秒
斜下降时间
0.1~5秒
斜上升时间
0.1~5秒
弧坑处理
有/无/反复
脉冲时间
0.03~1.4秒
基值电流时间
0.05~2.5秒
外形尺寸（mm）
700*440*750
重量（kg）
166
焊机的功能如下表
表2-2WSE-315P交直流脉冲氩弧焊机功能
品牌
长胜
型号
WSE-315P
控制方式
自动
动力形式
等离子
焊接原理
冷焊
作用原理
脉冲
驱动形式
自动
作用对象
金属
电流
交直流
额定输入容量
20.5
别名
交直流脉冲氩弧焊机
负载持续率
60
焊机操作面板
图2-2WSE-315P焊机操作面板
1.焊接电流/基值电流设定旋钮2.电流下降时间设定旋钮
3.收弧电流设定旋钮4.气体滞后时间设定旋钮
5.清理宽度设定旋钮6.起始电流设定旋钮
7.电流上升时间设定旋钮8.脉冲峰值电流设定旋钮
9.基值时间设定旋钮10.脉冲时间设定旋钮
其他设备
一、焊枪
焊枪的作用是夹持钨极、传导电流、向焊接区输送保护气体和供水冷却喷嘴。
对焊枪的要求如下：
1.保护气流具有良好的流动状态和挺度，以获得可靠的保护。
2.有良好的导电性。
3.充分快速的冷却性能，保证持久的焊接工作
4.喷嘴和钨极间绝缘良好，以免喷嘴和工件接触时产生打弧。
5.质量小、结构紧凑，便于拆装和维修。
二、气体保护设备
1.气瓶。
保护气气源，氩气瓶外是灰色，并且有“氩气”标注。
2.减压器和流量计。
用以减压和控制保护气体流量。
3.电磁气阀。
电磁气阀装在控制箱内，一般接入36V交流电，由延时继电器控制。
三、水冷系统和焊接小车。
1水冷系统。
在大电流或连续焊接时需要水冷系统用来冷却焊枪，保证焊枪能持久工作。
2.焊接小车。
焊接小车的具体性能参数如下：
表2-3焊接小车的性能参数
型号
华威CG1-30
焊接速度
50~750mm/min
切割厚度
5~100mm
切割圆半径
200~2000mm
电源
AC200V50HZ
小车包括行走机构、焊枪夹持调节机构、控制器。
（1）行走机构。
由行走电机、减速器、离合器、行走轮等组成，驱动小车进行行走。
（2）焊枪夹持调节机构。
夹持焊枪并对焊枪的垂直、水平、偏摆的调节，使焊枪位置适合于所需的焊接位置。
（3）控制器。
控制小车的行走速度。
四、焊接程序控制装置。
焊接程序控制装置应满足以下要求：
1.焊接开始前1.5s~4s输入保护气并驱赶管内的空气，焊接电弧熄灭后应延迟5~15s停气以保护尚未冷却的钨极和熔池。
焊枪须等停气后才离开终焊处，以保证末端的质量。
2.焊接时，在接通焊接电源的同时就启动引弧装置，应自动控制引弧器、稳弧器的启动和停止。
3.焊接开始时，为了防止大电流对焊件熔池的冲击，可以使电流由较小的引弧电流逐渐上升到焊接电流。
焊接即将结束时，焊接电流应能自动的衰减，直到电弧熄灭，以消除和防止产生弧坑和弧坑裂纹。
4.用水冷式焊枪时，送水与送气应同步进行。
实验材料
焊接用板材
牌号：
Q235厚度：
4mm尺寸：
140mm*70mm
Q235的成分如下表：
表2-4Q235的主要成分含量（%）
成分
C
Mn
Si
S
P
含量
0.14~0.22
0.30~0.65
≤0.3
≤0.05
≤0.045
焊接用焊丝
使用埋弧焊用焊丝
牌号：
H08A焊丝直径：
4mm
焊丝在氩弧焊中是作为填充金属的，也是焊缝金属的组成部分，所以对焊缝质量有直接影响。
H08A为低锰型实心焊丝，用于低碳钢和强度级别较低的低合金钢的焊接。
H08A的主要成分如下表：
表2-5H08A的主要成分含量（%）
成分
C
Mn
Si
Cr
Ni
S
P
含量
≤0.10
0.30~0.55
≤0.03
≤0.20
≤0.30
≤0.03
≤0.03
保护气体氩气
钨极氩弧焊使用的保护气体主要是氩气、氦气或氩与氦混合的惰性气体，其他的惰性气体由于太缺稀而不用于焊接。
氩弧焊使用的氩气主要是纯氩气，化学成分组成如下：
表2-6氩弧焊用纯氩气的化学成分要求（%）
成分
Ar
He
O
H
C
含量
≥99.99
≤0.01
≤0.0015
≤0.0005
≤0.001
并且要求水分≤30mg/
。
氩气是一种无色无味的单原子惰性气体，不与其他物质发生化学反应，在高温下也不溶于液态金属。
因此用作钨极氩弧焊的保护气体
氩气作为保护气有以下优点：
1.氩气的热容量和热导率很小，所以在氩气中燃烧的电弧热量损耗很小，即氩气对电弧的冷却作用小，电弧燃烧稳定性好。
进入焊接区的单位体积气体吸收或带走的热量越少，电弧燃烧就越稳定。
2.氩气的电离单位很低，这就意味着用较低的电弧电压就可以引弧焊接，从而节约能量，使电弧热约束在较小的区域内。
3.氩气密度大，约是空气的1.4倍，使用时不易漂浮散失，故有良好的保护性能。
氩气从喷嘴流出后，可以形成稳定的气流层，离解后的正离子体积和质量较大，对阴极的冲击力很强，有较好的阴极清理作用。
4.氩气对电弧的热收缩效应较小
钨极
钨极类型：
铈钨极钨极直径：
2.4mm
钨极作为电极与母材间形成电弧的媒介，在焊接过程中不熔化，其熔点为3410摄氏度，是所有金属中最高的。
焊前清理
氩气是惰性气体，在焊接过程中不会与金属发生反应，也不溶于金属，所以为获得优良的焊缝提供了条件。
但是氩气不具有脱氧或去氢的能力，因此钨极氩弧焊焊接对焊件污染极为敏感。
为了确保焊接质量，焊前必须清理焊件和焊丝，不留有污染物。
须清除的污染物有油脂、油漆、涂层、加工时使用的润滑剂、尘土和氧化膜等。
如果需要使用工艺垫板，同样也要进行清理，否则也会从内部破坏氩气的保护作用，这往往就是造成焊接缺陷的重要原因。
常用的清理方法有：
1.清除油污、灰尘。
常用汽油、丙酮等有机溶剂清洗焊件和焊丝表面，然后擦干。
也可以按焊接生产说明书规定的其他方法进行。
2.清除氧化膜。
主要用机械清理和化学清理，或者两者并用。
（1）机械清理。
主要有机械加工、打磨、刮削、喷砂、抛光等方法。
清理工作量大时多用喷砂处理
（2）化学清理。
主要用于铝、镁、钛及其合金等有色金属的表面氧化膜处理。
通常在清理后立即焊接，或者妥善放置与保管。
如果母材和焊丝在焊前清理方面做的不够好的话，很有可能出现各种各样的焊接缺陷。
其他实验因素的影响
1.喷嘴结构与直径
喷嘴形状对保护效果影响很大，实践证明：
喷嘴的锥形部分可以起到缓冲气流、改善保护的作用。
喷嘴直径与气体流量同时增加，则保护区必然增大，保护效果也更好。
但喷嘴直径过大时，某些焊接位置根部难以达到或者会影响焊工视线，也不能保证焊接质量。
2.喷嘴到工件的距离和电弧长度。
喷嘴到工件的距离越远，氩气的保护效果就越差，反之越好，但影响焊工视线。
为了保护可靠，在实践中，一般在8~14mm就可以，10mm最佳。
电弧越长，焊缝表面成型效果越差，反之越好，但容易使焊丝碰到钨极，加快钨极损耗，也会造成焊缝夹钨。
喷嘴至工件的距离和电弧过短，会由于观察不方便，难以用电弧控制熔池的形状和大小，所以焊工操作时应在避免碰撞到钨极和便于控制熔池的前提下，采用短弧焊接。
3.焊枪与工件的角度和填丝手法
焊枪垂直于工件时效果最好，必要时焊枪与工件的夹角不小于75°，填丝手法的正确与否也会影响到焊缝成型，焊丝与工件的夹角越小，焊接时对保护气体的扰动就越小，保护效果越好。
所以焊丝与工件的夹角不应大于20°，一般在5°~15°最好。
金相试样的制备方法
1.金相试样采用机械式镶嵌。
对于形状不规则、过软、过小、易碎或边缘是主要观察部位的试样及其他难以磨制的试样。
应采用金相镶嵌机进行镶嵌。
2.先用水砂纸粗磨，使镶嵌焊接试样的一面露出界面，且试样表面较为平整。
接着用金相砂纸按照从100目到800目顺序进行打磨。
每一道工序必须彻底去掉前一道磨制的划痕，因此在把前一道的磨制完全消除后仍需持续片刻。
值得注意的是由于低碳钢比较软，所以用力要轻、要均匀，不要用力过猛，免得在磨面出现较深的划痕。
另外，磨制试样时，每换一次磨制步骤（即每换一号砂纸）时，试样磨制方向应转90°。
这样才能看出上次磨痕是否磨去。
试样在每一号砂纸上磨制时，要沿一个方向磨，切忌来回磨削，而且给式样施加的压力要适当。
3.抛光的目的是去除细磨时遗留下来的细微磨痕而获得光亮的镜面。
由于组织中存在着硬度相异的两相。
磨、抛时容易产生浮凸，故在抛光时宜采用金刚石膏剂磨料，粒度为W1（即微粒尺寸为1um），抛光织物应选用短毛抛光绒布。
抛光时应使试样磨面均匀地压在旋转的抛光盘上，并沿盘的边缘到中心不断作径向往复运动。
在抛光的过程中不断用金相显微镜观察，直到试样表面符合标准为止。
4.经抛光后的试样还必须经过侵蚀后才能在显微镜下进行观察。
侵蚀主要是依靠浸蚀剂对金属的溶解或电化学腐蚀过程，使金属试样表面的晶粒与晶界及各组成相之间呈现轻微的凹凸不平，在显微镜下就可以清楚地观察到试样表面，侵蚀时间要适当，一般试样磨面发暗时就可停止。
5.试样经过抛光符合标准后，随即用4%的硝酸酒精溶液腐蚀试样表面10S～20S。
然后用酒精清洗表面，将腐蚀液冲掉，后用电吹风吹干。
最后用金相显微镜观察金相界面和组织并进行分析。
实验方法
低碳钢钨极氩弧焊使用直流正接进行焊接，固定焊接电流、焊接速度、保护气体流量三个参数中的其中两个，变化调节另一个参数进行平板表面的堆焊实验。
利用实验测得的各项数据得出三个工艺参数对焊缝成型的影响。
另外，焊枪的倾斜角度，钨极到母材的距离，钨极伸出的长度等因素也会对焊缝成型造成影响，测试数据并分析原因和影响。
小结
本章主要介绍了实验中所需的实验材料，包括WSE-315P交直流脉冲氩弧焊机、焊枪、气体保护设备等。
充分了解材料的性能和实验设备的结构与使用，是实验顺利进行的前提。
实验过程及结果分析
焊接电流对焊缝成型的影响
验证焊接电流对焊缝成型的影响。
实验数据如下表：
表3-1焊接电流对比实验焊接参数
焊接电流I/A
焊接速度V/（mm/s）
氩气流量Q/（L/min）
1
60
2.44
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