材料成型及焊接控制工藝分析

劉光磊

（青島工程職業(yè)學(xué)院 山東 青島 266112）

1 引言

金屬材料焊接對(duì)焊接質(zhì)量有著嚴(yán)格要求，是機(jī)械設(shè)備的基礎(chǔ)焊接工藝。在焊接時(shí)出現(xiàn)的各種狀況易導(dǎo)致制造出來(lái)的金屬結(jié)構(gòu)不合格，影響后續(xù)機(jī)械設(shè)備的質(zhì)量[1-3]。基于此，對(duì)材料成型及焊接控制工藝研究，分析材料成型及焊接控制工藝過(guò)程中的影響因素。

2 材料成型及焊接控制工藝分析

針對(duì)材料成型及焊接控制工藝，從氣流保護(hù)控制和材料成型控制兩方面對(duì)其進(jìn)行分析。

2.1 氣流保護(hù)控制分析

在金屬材料的焊接過(guò)程中，拖罩對(duì)金屬材料的氣流保護(hù)影響焊縫狀態(tài)，進(jìn)而影響接頭。氣流對(duì)金屬材料的保護(hù)時(shí)間過(guò)短，金屬材料的焊縫還未冷卻到要達(dá)到的低溫，就暴露于空氣中，使金屬材料焊縫被空氣中的氣體污染，影響金屬材料焊縫的性能。而氣流對(duì)金屬材料的保護(hù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，又會(huì)對(duì)金屬材料的焊接生產(chǎn)效率產(chǎn)生影響，因此，要選擇合適的氣流保護(hù)時(shí)間。選擇合適的保護(hù)時(shí)間，可以確保焊縫表面不被過(guò)度氧化，使接頭具有良好的拉伸性能[4-5]。通過(guò)設(shè)置不同的保護(hù)時(shí)間，采用激光熱源焊接金屬材料，分析不同氣流保護(hù)時(shí)間對(duì)焊縫和接頭的影響。具體分析過(guò)程如下：將激光布置在熱源前面，與金屬材料垂直，對(duì)金屬材料照射，通過(guò)調(diào)節(jié)拖罩的保護(hù)長(zhǎng)度，對(duì)拖罩氣流保護(hù)焊接接頭的時(shí)間長(zhǎng)短作調(diào)節(jié)，分析不同保護(hù)時(shí)間下，金屬材料焊接接頭的抗拉強(qiáng)度。此外，焊接的熱度對(duì)焊縫的冷卻速率會(huì)產(chǎn)生一定的影響。焊縫冷卻速率越低，則降溫過(guò)程越慢。比如，采用激光-TIG復(fù)合焊接方式焊接金屬材料，則利用焊接輸入熱量確定焊接熱度，如公式（1）所示[6]。

在公式（1）中，W代表金屬材料焊接輸入熱量，U代表TIG的電流，I代表TIG的電壓，P代表激光功率，1α代表TIG電弧熱的效率，2α代表激光的熱效率，v代表金屬材料的焊接速度。利用公式（1）計(jì)算焊接熱度，進(jìn)而控制焊縫的冷卻過(guò)程[7]。

2.2 材料成型控制分析

金屬材料在焊接成型中存在各種缺陷，其影響因素有多種，分別對(duì)其作分析。在金屬材料焊接過(guò)程中，除金屬材料外，還存在很多雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會(huì)導(dǎo)致金屬材料在焊接過(guò)程中出現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷[8]。其中，氣孔可使金屬材料焊縫的承載面積變小，造成焊縫的強(qiáng)度、韌性降低。一般情況下，金屬材料焊縫中產(chǎn)生氣孔是由于在高溫的熔池中，金屬溶解了過(guò)多的氣體，焊接時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一些氣體，上述氣體在焊縫結(jié)晶時(shí)來(lái)不及逸出，就會(huì)在焊縫中形成氣孔。因此，在金屬材料焊接時(shí)，應(yīng)控制焊接速度，做好焊接現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境保護(hù)工作，并保護(hù)好金屬材料，避免金屬材料在保存過(guò)程中出現(xiàn)腐蝕情況。材料成型中形成的裂紋分為兩種，一種為熱裂紋，一種為冷裂紋。金屬材料在焊接過(guò)程出現(xiàn)的裂紋見(jiàn)圖1[9]。

圖1 焊接裂紋

在對(duì)前者的控制過(guò)程中，要注意在焊接時(shí)減少雜質(zhì)的產(chǎn)生，嚴(yán)格控制焊接相關(guān)參數(shù)，提高焊接質(zhì)量，焊接完成后，要避免外界因素的影響；在對(duì)后者的控制過(guò)程中，對(duì)焊條的選擇要嚴(yán)格把控質(zhì)量，盡量選擇氫含量低的材料[10]。此外，在金屬材料成型及焊接控制工藝中，還存在未焊透、夾渣等其他問(wèn)題，要想解決這些問(wèn)題，進(jìn)而更好地控制金屬材料成型及焊接，則需要恰當(dāng)選取焊接參數(shù)。在金屬材料的實(shí)際焊接過(guò)程中，根據(jù)金屬材料的實(shí)際情況，對(duì)焊接參數(shù)作相應(yīng)的調(diào)整，通過(guò)完善控制程序、優(yōu)化金屬材料的保存方法、控制好焊接速度等措施，提高金屬材料的焊接質(zhì)量[11]。

3 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

以氣流保護(hù)時(shí)間對(duì)金屬材料焊接接頭的影響分析為例，設(shè)置焊接實(shí)驗(yàn)參數(shù)，焊接實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下：焊接方式為單TIG和激光-TIG復(fù)合焊接方式，氣流流量為20 L/min，焊接速度為500 mm/min，激光功率為500 W。利用上述焊接實(shí)驗(yàn)參數(shù)，分別采用單TIG焊接方式和激光-TIG復(fù)合焊接方式對(duì)金屬材料開(kāi)展焊接工作，對(duì)不同氣流保護(hù)時(shí)間對(duì)金屬材料焊接接頭的拉伸性能作分析[12]。

3.2 結(jié)果分析

不同氣流保護(hù)時(shí)間對(duì)金屬材料焊接接頭的拉伸性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 氣流保護(hù)時(shí)間對(duì)焊接接頭的拉伸性能影響

如表1所示，金屬材料母材的抗拉強(qiáng)度為1 000 MPa，當(dāng)無(wú)氣流保護(hù)時(shí)，采用單TIG焊接方式焊接時(shí)，金屬材料焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為母材的62.3%，采用激光-TIG焊接方式焊接時(shí)，金屬材料焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為母材的75.6%[13]；當(dāng)氣流保護(hù)時(shí)間為2 s時(shí)，采用單TIG焊接方式焊接時(shí)，金屬材料焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為母材的78.9%，采用激光-TIG焊接方式焊接時(shí)，金屬材料焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為母材的84.9%[14]；當(dāng)氣流保護(hù)時(shí)間為6 s時(shí)，采用單TIG焊接方式焊接時(shí)，金屬材料焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為母材的81.2%，采用激光-TIG焊接方式焊接時(shí)，金屬材料焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為母材的89.6%；當(dāng)氣流保護(hù)時(shí)間為12 s時(shí)，采用單TIG焊接方式焊接時(shí)，金屬材料焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為母材的85.6%，采用激光-TIG焊接方式焊接時(shí)，金屬材料焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為母材的91.5%；當(dāng)氣流保護(hù)時(shí)間為20 s時(shí)，采用單TIG焊接方式焊接時(shí)，金屬材料焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為母材的90.3%，采用激光-TIG焊接方式焊接時(shí)，金屬材料焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為母材的89.5%；當(dāng)氣流保護(hù)時(shí)間為24 s時(shí)，采用單TIG焊接方式焊接時(shí)，金屬材料焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為母材的87.1%，采用激光-TIG焊接方式焊接時(shí)，金屬材料焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為母材的88.2%。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，不同氣流保護(hù)時(shí)間條件下，通過(guò)兩種焊接方式焊接的金屬材料焊接接頭的抗拉強(qiáng)度不同。采用單TIG焊接方式焊接的接頭的最佳氣流保護(hù)時(shí)間為20 s，采用激光-TIG焊接方式焊接的接頭的最佳氣流保護(hù)時(shí)間為12 s。此外，還發(fā)現(xiàn)利用激光-TIG焊接方式焊接接頭的抗拉強(qiáng)度，整體上比單TIG焊接方式焊接接頭的抗拉強(qiáng)度更好。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)材料成型及焊接控制工藝的分析，發(fā)現(xiàn)不同的焊接方式及焊接條件對(duì)金屬材料的焊接質(zhì)量及成型材料的使用效果都會(huì)產(chǎn)生一定的影響。因此，要不斷考察不同條件對(duì)金屬材料焊接及成型控制過(guò)程中的影響，確定最佳焊接條件，以保證后續(xù)機(jī)械設(shè)備的使用效果。