焊缝形状和尺寸受焊接规范影响的研究

埋弧焊时几种典型接头的对接焊坡口形状和尺寸见表7-23～表7-25。

可见表示焊缝形状的参数有坡口角α或坡口面角β、间隙b、圆弧半径R、钝边c、坡口深度h和工件厚度t。

因为焊缝的形状尺寸直接影响着焊缝的质量，因此在产品设计中对上述各参数均有标准要求，一定要按标准要求设计所需要的焊缝坡口尺寸。

表7-23 单面对接焊坡口（GB/T 985.2—2OO8） （单位：mm）

（续）

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表7-24 双面对接焊坡口（GB/T 985.2—2OO8） （单位：mm）

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表7-25 窄间隙埋弧焊坡口（GB/T 985.2—2OO8） （单位：mm）

由于母材与填充金属的化学成分是不同的，因此熔合比对焊缝金属的化学成分、力学性能有直接的影响。一般情况下焊缝金属中硫、磷和碳的含量要比焊丝中的高，如果熔合比高，就意味着焊缝金属中硫、磷和碳的含量较高，严重时可能会产生裂纹和气孔等缺陷。

埋弧焊时，由于整个焊接过程已半自动化或自动化，所以焊缝的形状和尺寸在很大程度上就取决于焊接坡口尺寸和焊接规范。只要焊前满足标准设计的坡口尺寸和正确地选择焊接规范，并在焊接过程中无大变化，焊缝的形状和尺寸也就变化不大。因此，研究焊接规范对焊缝的形状和尺寸的影响规律是有很大意义的。自动焊的焊接规范包括焊接电流、电弧电压、焊丝直径、焊接速度、焊丝种类和极性。另外，焊丝伸出长度、焊丝的倾斜角度、焊件的倾斜角度、焊剂的颗粒大小、接头的间隙和坡口等因素对焊缝的形状和尺寸也有一定的影响。

图7-10 焊缝形状

B—焊缝熔化宽度 T—焊缝熔化深度 h₀—焊缝余高 A_m—焊缝中母材熔化的横截面积 A_t—焊缝中填充金属的横截面积

焊缝形状如图7-10所示。B∶T称为焊缝形状系数（ψ），ψ过小易产生热裂纹，一般ψ=1.3～2较合适；A_m∶（A_m+A_t）称为母材熔合比（γ），它影响焊缝的成分，组织与性能。

下面将分别讨论上述规范、因素对焊缝形状和尺寸的影响。为了研究方便，假定其他因素都不变。但在实际焊接时，一个因素的改变会引起其他因素的改变，因而必须将各项因素结合起来综合考虑。

1.焊接电流I

焊接电流对焊缝尺寸的影响如图7-11所示。由图可见，当焊接电流I增大时，熔深T和加强高h₀有明显的增加，而熔宽B却增加很小。这是由于焊接电流I增加，电弧发出的热量增加，熔池的容积将扩大，同时电弧中电子发射激烈，电弧压力增大，液态金属由焊丝下方排挤出的力的作用加强，电弧较深地潜入母材，使熔深增加。由于电弧深入熔池，电弧的摆动减弱，因此熔宽B变化不大，这就使形状系数减小。另外，焊接电流I增加时，焊丝熔化速度v_焊增加，而熔宽B变化不大，所以堆焊高度也增加，如图7-12所示。

由图7-12可见，焊接电流过大时焊缝形状是不好的，因而在增加焊接电流的同时，必须相应的增加电弧电压，以增加熔宽并获得良好的焊缝形状。

图7-11 焊接电流对焊缝尺寸的影响

焊接参数：U_弧=36～38V，v_焊=40m/h，d_丝=5mm。

图7-12 焊接电流对焊缝形状的影响

焊接电流对熔深的影响最大，当熔深不超过母材厚度的70%时，熔深h_熔与焊接电流I_焊有近似线性的关系：

h_熔=KI_焊

其中，K是系数（以mm/100A计），随电流种类和极性、焊丝直径、焊剂化学成分、焊接接头形式而变化。在用焊剂-焊丝组合F4A2-H08A、直径为5mm的焊丝对低碳钢进行不开坡口的对接焊或堆焊时K值如下：

直流正接：K=1.0

直流反接或交流：K=1.1

2.焊丝直径

焊丝直径对熔深和熔宽的影响见表7-26。采用同样大小的焊接电流，细焊丝的熔深比粗焊丝的大，这是由于焊丝直径减小时焊丝端部极性斑点的活动减小，电弧的游动性减弱和电流密度增大而致。

表7-26 焊丝直径对焊缝尺寸的影响（U_弧=30～32V、v_焊=20m/h）

因此，如果欲获得一定的熔深，采用细焊丝时只需用较小的焊接电流，故可以节省电能。从表7-27中可见，当用直径2mm的焊丝代替直径5mm的焊丝，焊接熔深为3mm的焊缝时，焊接电流可以减小1/2以上，而焊接熔深为10～12mm的焊缝时，焊接电流只能减小1/4左右。因此，用直径小于2mm的焊丝焊接厚度3～4mm的薄工件时，节省电能最明显。

表7-27 不同的焊丝直径达到同样的熔深所需的焊接电流

3.电弧电压U

电弧电压增大时，电弧长度必然增大，如图7-13所示。同时，电弧摆动范围也增大，使熔宽显著增加，而电弧摆动加剧，又使得电弧吹力将液态金属向熔池后方排出的效果降低，因此熔深略有减小。但电弧电压增大对焊丝熔化速度影响较小，而增加的热能，由于弧长增加，都用于熔化焊剂，因此余高相应减小。图7-14和图7-15所示分别为电弧电压对焊缝尺寸和形状的影响。

图7-13 电弧长度L对焊缝宽度b的影响

（当L₁＞L₂时，b₁＞b₂）(www.xing528.com)

图7-14 电弧电压对焊缝尺寸的影响

（焊接电流I=800A，焊丝直径d_丝=5mm，焊接速度v_焊=40m/h）

图7-15 电弧电压对焊缝形状的影响

在实际生产中，选择的电弧电压与焊接电流必须很好配合，才能获得很好的焊缝。表7-28的数据可供初步选择焊接规范时参考。

表7-28 电弧电压与焊接电流的配合

4.焊接速度v

焊接速度增大，电弧给予焊缝单位长度的热量就减少，因此焊缝截面积减小，特别是熔宽减小最明显，如图7-16所示。

焊接速度对熔深的影响有以下两种情况：

①在焊接速度小于40m/h时，增大焊接速度，电弧向后倾斜，便于液态金属向后方排出，因此熔深有些增大。

②在焊接速度大于40m/h时，如继续增大焊接速度，焊缝单位长度上所得到的热量大大减少，因此熔深也减小，如图7-17所示。

而当焊接速度过大时，由于热量来不及传递至工件上，焊缝两头不能与母材很好地熔合，即产生未熔合现象，如图7-18所示。焊缝边缘未熔合是必须要避免的。

图7-16 焊接速度对焊缝形状的影响

图7-17 焊接速度（大于40m/h）时对焊缝尺寸的影响

图7-18 焊接速度过大引起焊缝边缘未熔合

5.电源种类与极性

采用直流电进行埋弧焊时，由于电弧的阳极区和阴极区产生的热量不同，因此改变极性可改变熔深和堆高。图7-19所示为采用F4A2焊剂及不同的电源极性焊接时对焊缝形状的影响。

图7-19 电源极性对焊缝的影响

1—反极性 2—正极性

由图7-19可见，正极性（工件接正极）时熔深小，堆高大；反极性时熔深大，堆高小。这是埋弧焊与电弧焊的不同之处。因为埋弧焊时，氖在阴极区夺取电子而成为负离子时会放出大量的热，这就使得阴极区的温度比阳极区高。直流反极性时，工件接负极，因此熔深较大。直流正极性时，焊丝接负极，焊丝熔化速度增大，因此堆高较大。

如果采用交流电源，则焊缝的尺寸居两者之间。

6.焊丝伸出长度

焊丝伸出长度是指焊丝伸出焊嘴的距离。焊丝伸出长度越长，焊丝所传导的电阻热就越大，焊丝熔化速度就越快，堆高也相应增加。液态金属的增加会影响电弧的深入，因此熔深有所下降。有人曾做过实验，在用粗焊丝时，焊丝伸出长度在30～100mm之间变化，对焊缝形状的影响不大。而焊丝直径小于3mm时，对焊缝形状的影响就比较显著。故此时要求焊丝伸出长度的误差为±（5～10）mm。

7.焊丝的倾斜

在埋弧焊过程中，当焊丝前倾时（图7-20a），电弧排出液态金属的能力增加，熔深增加，熔宽减小，焊缝的形状系数变小，焊缝金属中易产生气孔、裂纹等缺陷。同时，由于电弧柱潜入熔池的两侧，严重时会出现未熔合现象，如图7-18所示。故生产中一般不采用焊丝前倾法焊接。

图7-20 焊丝倾斜方向对熔深的影响

a）前倾 b）后倾

当焊丝后倾时（图7-20b），由于电弧排开液态金属的作用减弱，因此熔深减小，熔宽增大，同时电弧对工件有预热作用，有利于消除未熔合缺陷，因此高速焊接薄板时常用此法。

8.焊件的倾斜

在埋弧焊过程中，上坡焊时（图7-21a），熔池中的液态金属向下流，电弧深入熔池，电弧游动性减小，因此熔深和堆高增大，熔宽减小。当倾斜角β＞6°～8°时，焊缝形状恶化。因此应尽量少用上坡焊。

当进行下坡焊时（图7-21c），因液态金属流到电弧前方，阻止电弧深入熔池，因此熔池减小，熔宽增大。但倾角太大时，液态金属下流严重，会形成未焊透、夹渣等缺陷。一般下坡焊时倾斜角度应不大于14°。

9.焊剂颗粒大小

焊剂颗粒大时，堆积密度就小，因此电弧在焊剂中所形成的气泡就大，电弧的游动性提高，熔宽增大，熔深减小。反之，焊剂颗粒小时，堆积密度就大，使电弧压力增加，电弧的游动性减小，因而熔深增加，熔宽减小。

10.接头的间隙和坡口

生产实践证明，当焊接规范不变时，接头间隙和坡口角度增大，使熔合比与余高h₀减小，同时熔深T增大，而焊缝高度（h₀+T）大致保持不变，如图7-22所示。

图7-21 焊件倾斜对焊缝形状的影响

a）上坡焊 b）上坡焊工件斜度的影响 c）下坡焊 d）下坡焊工件斜度的影响

在焊接时，对接焊缝或角焊缝，焊缝厚度（或称母材熔化轮廓）首先决定了焊接电流、电弧电压和焊接速度，焊缝形式、间隙有无或坡口大小主要影响母材和填充金属在整个焊缝中的比例。间隙越大，坡口越大，母材所占的份额越小。因此，用此法可调节焊缝的化学成分。

由此可知，为了增加熔深就必须增大焊接电流，而电流增大后，余高h₀也增加。通常都规定余高h₀不得超过一定数值，否则可通过加大间隙和角度，使熔化轮廓下移，减小余高h₀，亦即通过间隙和坡口的作用，可以使用更大的电流来增加熔深，而余高h₀数值仍在规定范围内。

由以上分析可知：每一个焊缝尺寸都受到很多因素的影响，但其中必定有几个是主要的，如影响熔深的最主要因素是焊接电流，影响熔宽的却是电弧电压。

图7-22 接头间隙与坡口角度对焊缝形状的影响 T₃＞T₂＞T₁，h₃＜h₂＜h₁