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熔池的控制

     熔池是指在焊接热源作用下,焊件上所形成的具有一定几何形状的液态金属部分。熔池结晶后形成焊缝,熔化焊均产生熔池。对于手工电弧焊、熔化极气体保护焊及药芯焊丝电弧焊来说,熔池是类似的,但也不是完全相同的。手工或半自动焊工必须首先学习如何控制熔池金属。而机构焊或自动焊系统通过传感器及机构装置来控制熔池金属。必须对焊接工艺文件中的所有焊接参数(包括熔滴过渡方式)进行正确的设置才能保证得到可控的熔池。熔池行为是非常复杂的,必须从多个角度进行考虑。
     大部分熔池的控制,特别是立焊及仰焊时熔池的控制均涉及电源及送丝机调节以及电弧的正确操纵。如果熔池过大,熔池重力使熔池金属流失,不能形成焊缝。如果熔深过大,则会使厚度较小的工件烧穿。但是,如果熔池的尺寸不够大,则不能形成有效的焊缝。薄板焊接时,如果焊接速度适当,则熔池的体积较小,电弧稳定走后熔池立即凝固,可得到高质量的焊缝。弧焊电源的动态响应特性也影响熔池的稳定性。
    熔池是随电弧一起移动的,这使得熔池行为更加复杂。电弧热输入必须足够大才能熔化母材,形成熔池。电弧热输入是指单位时间内输入到焊缝中的热量,是可计算的。通常计算单位焊缝长度上的热输入,即线能量。线能量计算公式如下;
                          H(W/in或W/m)=60EI/S
     式中,E为电弧电压、V;I为焊接电流,A:S为焊接速度,in/min或m/min;H为线能量,W/in或W/m。电弧产生的热量并不能全部输入到工件中,一部分通过辐射的形式散失到周围空间中,一部分用于熔化焊丝或焊条或者加热钨极。输入到工件中的热量占电弧总热量的百分数称为热效率系数。不同焊接方法的电弧热效率系数相差很大,最低只有20%,最高可达95%。
熔池中的液态金属的量取决于多种因素,包括电弧温度、热输入、母材的熔点、工件厚度、工件大小、母材的热导率以及工件的初始温度等。而热输入又受焊丝(或焊条、钨极)直径和极性、电弧气氛、焊接方法、焊接电流、电弧长度及焊接速度等的影响。只有正确地理解了这些焊接参数之间的关系才能成功地控制熔池。这些焊接参数还影响熔池的冷却速度和凝固速度。
电弧还通过影响加热及冷却速度来影响熔池和焊缝的冶金特点。冷却速度影响焊缝及热影响的冶金性能,对于高碳钢和合金钢的影响尤其明显。另外当焊丝的成分与母材不相同时,电弧还通过影响熔池的合金来影响焊缝的冶金性能。这些因素及其与熔池的关系将在后面予以阐述。
手工电弧焊时,焊工通过观察熔池来调节焊接参数并操纵电弧。而自动焊需采用传感器来监视熔池,进而调节焊接参数。熔池的深度及宽度是影响焊缝质量的主要因素。
通过观察熔池还可预先凑数是否有产生焊接缺陷的可能。高速焊接时,容易产生咬边和驼峰缺陷。驼峰是焊道上的一列金属熔瘤,这种缺陷通常产生于焊接速度大于50in/min(1270mm/min)的情况。咬边缺陷是指沿焊缝趾部的母材部位烧熔出的凹陷或沟槽的宽度取决于电弧 的能量,特别是电弧电压。如果熔池金属在填满坡口前就快速凝固,则产生咬边缺陷。这种情况下,熔池金属还没有铺展到坡口边缘就已凝固。产生咬边的主要原因是焊接速度过快人,另外,熔池金属对工件的润湿性也有一定的影响。熔池金属的润湿性取决于相关的各个表面张力之间关系。氧化物的表面张力显著小于纯金属的表面张力。驼峰产生的主要原因也是焊接速度过快快,但焊丝角度以及通过保护气体或工件表面的涂层进入电弧空间的氧气也具有很大的影响。
熔池结晶特点如下:
(1)由于熔池体积小,周围被冷却金属所包围,所以熔池冷却速度很快。
(2)熔池中液体金属的温度比一般浇注钢水的温度高得多,过渡熔滴的平均温度约在2300℃左右,熔池平均温度在1700℃左右,所以熔池中的液体金属处于过热状态。
(3)熔池中心液休金属温度高,而边缘凝固界面处冷却速度大,所以熔他结晶是在很大温度梯度(温差)下进行的。
(4)熔池一般随电弧的移动而移动,所以熔他的形状和结晶组织受焊接速度的影响较大。同时,焊条的摆动、电弧的吹力、电磁力对熔池有强烈搅拌作用,熔池内的熔化金属是在运动状态下结晶的。

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