本發(fā)明申請涉及材料加工焊接領域，具體屬于一種氣保焊焊接工藝參數(shù)的確定方法。采用此方法可以確定不同坡口的氣保焊線能量，顯著提高焊接成功率。
背景技術：
氣保焊具有易于自動化、效率高、焊縫質量好的特點。對于中厚板氣保焊，以往一般采用多道多層焊。但是，多道多層焊不僅效率低，而且焊縫質量不易保證，主要在于焊道間易出現(xiàn)夾渣等缺陷，前道焊縫受后道焊縫的熱循環(huán)影響而發(fā)生晶粒粗化及性能惡化。所以，在實際操作中，希望根據工件條件，開發(fā)一次焊滿工藝，如鐵路罐體生產中的環(huán)焊及車輪輪輞焊接，希望采用一次成形氣保焊以提高效率和焊縫質量。但是，目前并沒有成熟的焊接工藝可供參考。對于多道多層焊，可以通過一道道的焊接，直到焊滿就可以了，不需要對焊接線能量作特別的控制。一次成形是對工件一側需要焊接的部位，通過一道次的焊接，就可以達到需要的焊縫熔深及焊縫余高，不產生缺陷。焊接效率提高，焊縫組織更為均勻。一次成形工藝對焊接線能量有較高的要求，線能量過小時，則易出現(xiàn)未填滿；線能量過大時，焊縫過高。焊縫未填滿或余高過大都會導致焊縫尺寸不合格。然而，決定焊接線能量的因素很多，包括焊接坡口的各參數(shù)如深度、角度、以及焊縫余高及寬度等因素，僅憑經驗成功率必然很低。如果能發(fā)明一種氣保焊一次成形的線能量控制技術，則對于氣保焊一次成形新工藝的應用具有重要意義。
經檢索，中國專利申請?zhí)枮?0151024811.9的文獻，其具體公開了一種 “能快速確定V型坡口埋弧焊一次成形線能量的方法”，其針對埋弧焊作了研究。其將埋弧焊縫看成是焊前單側坡口為三角形、焊后熔解的母材部分近似為平形四邊形+根部1/2圓形、及余高焊縫近似為半橢圓。結合埋弧焊各參數(shù)如坡口深度、角度、以及焊縫余高及寬度等因素，進行焊接線能量的預控，對于埋弧焊比較合適，在科研及生產中發(fā)揮了良好作用，提高了工作效率，焊縫不易產生缺陷。
上述埋弧焊線能量預控技術不適用于氣保焊。這主要是因為埋弧焊與氣保焊焊縫成形有較大差別，埋弧焊電流大，熔深大；而氣保焊電流較小，熔深淺。埋弧焊與氣保焊焊縫形貌有較大的差別。
本發(fā)明申請根據氣保焊焊縫特點，經過多次焊接試驗，開發(fā)了氣保焊焊縫一次成形線能量預控技術，效果很好。
氣保焊單側焊縫一次成形效率雖然高，但易出現(xiàn)未填滿或焊縫過高的問題，這些均是焊接缺陷。焊縫未填滿時，焊縫有效承載截面不足，易導致失效。相反地，如果焊縫余高過大，則易在焊縫處產生較大的焊接應力及應力集中，也易產生焊件的失效或其它問題。而出現(xiàn)未填滿或焊縫過高的原因是一次性焊接的線能量選擇不合理。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明在于克服現(xiàn)有技術存在的不足。現(xiàn)有技術一般為多道多層焊，效率低，焊道間易出現(xiàn)夾渣等缺陷，前道焊縫受后道焊縫的熱循環(huán)影響而發(fā)生晶粒粗化及性能惡化；也有采用一次成形焊的，但沒有計算焊接線能量的方法，只能靠多次試驗確定，效率低。本技術建立了根據焊接坡口及期望的焊縫形狀來確定焊接線能量的關系式，無需經焊接試驗就能確定合理的線能量，對提高鋼種的焊接應用效率有重要指導意義。
實現(xiàn)上述目的的措施：
一種氣保焊線能量的確定方法，其步驟：
1）確定基準焊縫面積So及基準線能量Eo
將焊縫形狀模型化：鋼板表面下焊縫為三角形，余高焊縫近似為半橢圓，焊縫面積表示如下：
S=πc(a+btgα)/2+(b+d)(btgα+a) （1）
式中：
S—表示焊縫面積，單位為：mm2，
a—表示焊縫搭邊量，單位：mm，
b—表示坡口深度，單位：mm，
C—表示焊縫余高，單位：mm，
d—表示焊縫熔深，單位：mm，
α—表示坡口角度在25°~35°時的弧度；
在本步驟中，通過上述公式（1），計算與試驗結合確定基準焊縫面積So及基準線能量Eo；選用厚度為14.3mm、試板單面為V型坡口、坡口深度b=4.5mm，坡口角度30°時弧度α=0.52的試板進行氣保焊試驗，當線能量Eo=27kJ/cm時，焊縫成型為理想狀；測得的焊縫尺寸為a=4.4mm、c=2.5mm，d=1.5mm，將各參數(shù)帶入（1）式中計算出So=65.8mm2；
2）建立焊縫線能量與焊縫面積之間的關系式
經大量試驗發(fā)現(xiàn)，在（1）式選定的條件下，存在如下關系式：
E/Eo=S/So （2）
式中：E—表示預算焊縫的線能量，單位：kJ/cm；
Eo—表示基準焊縫線能量，單位：kJ/cm；
S—表示焊縫面積，單位為：mm2；
So—表示基準焊縫面積，單位為：mm2；
在本步驟中，公式（1）式中：
a=3.0~4.6mm、b不超過4.5mm、c=2.0~3.0mm、α=0.44~0.61、d=1~2mm；并且2a+2btgα不低于9mm；
3）按照公式（2）計算要進行氣保焊接時所需要的線能量E值：
A、先根據步驟2）及步驟1）所給出的各變量取值范圍取值，并代入公式（1）計算所要進行氣保焊接的焊縫面積S；
B、將計算出的S值、已知的 Eo值及So值，帶入公式（1）E=EoS/So中，計算出所要進行氣保焊接焊縫焊接時所需要的線能量E值；
4）進行判別
當根據步驟2）中所限定的變量范圍在焊接中，搭邊量a在3.0~4.6mm，焊縫余高c在2.0~3.0mm范圍時，則屬于正常，無需調整；
當根據步驟2）中所限定的變量范圍在焊接中，搭邊量a或焊縫余高c小于設定的范圍時，則以所計算的線能量E值為基準，在此基礎上增加不超過5%的線能量作為調整后的E值；
當根據步驟2）中所限定的變量范圍在焊接中，搭邊量a或焊縫余高c大于設定的范圍時，則以所計算的線能量E值為基準，在此基礎上減少不超過5%的線能量作為調整后的E值。
其在于：其適用于：鋼板厚度在3~15mm、焊絲直徑為1.2mm、2a+2btgα不低于9mm焊縫寬度的氣保焊接。
在本發(fā)明中，氣保焊的一次成形，需要考慮的主要因素如下：
焊接坡口：為了形成有效的焊縫，必須將焊接邊端采用機加工等方法加工坡口，以便氣保焊電弧加熱及熔化焊接端面、填充焊縫金屬。一次成形的氣保焊坡口一般為中間帶鈍邊對稱或非對稱雙面V型。坡口的主要參數(shù)有角度、鈍邊、深度等。根據氣保焊的特點，坡口角度（單側）一般為25°~35°(弧度0.44~0.61)、 鈍邊為1~2mm、深度為0~4.5mm。
焊接線能量：是焊縫單位長度上焊接熱源的能量。氣保焊的焊接線能量范圍較寬，其選擇依據是被焊工件的厚度以及被焊工件在冶金性能上能否承受。線能量是氣保焊單側焊縫一次成形的關鍵影響因素。
焊縫余高：一條合格的焊縫需要高出基材表面，高出基材表面部分的高度就是焊縫余高。一般為2~3mm。
焊縫搭邊量：焊接時，在電弧作用下，基材會熔化。坡口旁的基材表面被焊縫余高覆蓋的寬度就是焊縫搭邊量，一般為3.0~4.6mm。
通過研究坡口形狀及要達到的焊縫尺寸，計算焊接線能量。通過觀察各種氣保焊縫形狀，可以將一個V型坡口的合格的單側一次成形氣保焊縫形狀簡化如下：
(1)鋼板表面下焊縫為三角形；
(2)余高焊縫近似為半橢圓。
通過上述簡化，建立焊縫面積數(shù)學模型。通過焊接工藝實驗確定某個條件下的合適的焊接線能量，并計算相應的焊縫面積，以此為線能量基準及焊縫面積基準。根據需要焊接工件的坡口，選定期望的合適的焊縫余高、搭邊量，計算所要焊接焊縫的面積。假設焊接時熔化加熱溫度基本相同，則兩種焊縫的線能量與面積基本成正比例。這樣就可以計算需焊焊縫的焊接線能量了。通過這種方式進行焊接線能量計算并經多組焊接實驗，吻合性很好。通過計算方法，形成了氣保焊一次成形的線能量控制技術。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，無需進行氣保焊接試驗，通過建立的數(shù)學模型進行計算，就可以確定出所要進行氣保焊接焊縫所需的線能量，且吻合性很好，從而節(jié)省了大量的人力、物力、時間，大大提高焊接效率。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的焊接坡口形狀結構圖；
圖中：a—表示焊縫搭邊量，b—表示坡口深度，c—表示焊縫余高，d—表示焊縫熔深，α—表示坡口角度在25°~35°時的弧度，g—表示表面焊縫中點，f—表示表面焊縫邊點，e—表示焊縫底點。
具體實施方式
下面對本發(fā)明予以詳細描述：
實施例1
本實施例的試驗條件：板厚為14.3mm的TC128鋼，氣保焊機采用的是Lincoln Powerwave455，焊絲直徑為1.2mm；試板單側為V型坡口，坡口深度b 為3.5mm，坡口角度弧度為0.52；并要求：焊縫搭邊量a=4.0mm、焊縫余高c=2.5mm、焊縫熔深d=1mm。
經將上述已知的有關數(shù)據帶入到公式（1），得到所要氣保焊接的焊縫面積S=50.6 mm2；
再將Eo=27 kJ/cm，So=65.8 mm2， S=50.6 mm2帶入公式（2），即E/Eo=S/So， 計算氣保焊所需要的線能量E，E=20.8kJ/cm。
將20.8 kJ/cm線能量分解為具體的焊接參數(shù)：焊接電流為300 A、焊接電壓為29 V、焊速為25 cm/min，進行實際焊接試驗；試驗實測的焊縫搭邊量a為4.2mm，處于正常范圍內，實測的焊縫余高c為2.6mm，處于正常范圍內。其說明使用本申請計算的線能量E與實際吻合度高，無需調整。
實施例2
本實施例的試驗條件：板厚為8mm的X65鋼，氣保焊機采用的是Lincoln Powerwave455，焊絲直徑為1.2mm；試板單側為V型坡口，坡口深度b 為3.5mm，坡口角度弧度為0.52；并要求：焊縫搭邊量a=3.7mm、焊縫余高c=2.6mm、焊縫熔深d=1mm。
經將上述已知的有關數(shù)據帶入到公式（1），得到所要氣保焊接的焊縫面積S=48.9 mm2；
再將Eo=27 kJ/cm，So=65.8 mm2， S=48.9 mm2帶入公式（2），即E/Eo=S/So， 計算氣保焊所需要的線能量E，E=20.1kJ/cm。
將20.1kJ/cm線能量分解為具體的焊接參數(shù)：焊接電流為300 A、焊接電壓為29 V、焊速為26 cm/min，進行實際焊接試驗；試驗實測的焊縫搭邊量a為3.8mm，處于正常范圍內，實測的焊縫余高c為2.5mm，處于正常范圍內。其說明使用本申請計算的線能量E與實際吻合度高，無需調整。
實施例3
本實施例的試驗條件：板厚為8mm的X65鋼，氣保焊機采用的是Lincoln Powerwave455，焊絲直徑為1.2mm；試板單側為V型坡口，坡口深度b 為3mm，坡口角度弧度為0.61；并要求：焊縫搭邊量a=3.5mm、焊縫余高c=2.5mm、焊縫熔深d=1mm。
經將上述已知的有關數(shù)據帶入到公式（1），得到所要氣保焊接的焊縫面積S=44.4 mm2；
再將Eo=27 kJ/cm，So=65.8 mm2， S=44.4 mm2帶入公式（2），即E/Eo=S/So， 計算氣保焊所需要的線能量E，E=18.2kJ/cm。
將18.2kJ/cm線能量分解為具體的焊接參數(shù)：焊接電流為270 A、焊接電壓為29 V、焊速為26 cm/min，進行實際焊接試驗。實測的焊縫搭邊量a為3.5mm，與預計的3.5mm正好相吻合，實測的焊縫余高c為2.4mm，處于正常范圍內。其說明使用本申請計算的線能量E與實際吻合度高，無需調整。
實施例4
本實施例的試驗條件：板厚為6mm的X65鋼，氣保焊機采用的是Lincoln Powerwave455，焊絲直徑為1.2mm；試板單側為V型坡口，坡口深度b 為2mm，坡口角度弧度為0.52；并要求：焊縫搭邊量a=4.0mm、焊縫余高c=2.5mm、焊縫熔深d=1.5mm。
經將上述已知的有關數(shù)據帶入到公式（1），得到所要氣保焊接的焊縫面積S=38.2 mm2；
再將Eo=27 kJ/cm，So=65.8 mm2， S=38.2 mm2帶入公式（2），即E/Eo=S/So， 計算氣保焊所需要的線能量E，E=15.7kJ/cm。
將15.7kJ/cm線能量分解為具體的焊接參數(shù)：焊接電流為280 A、焊接電壓為29 V、焊速為30 cm/min，進行實際焊接。實測的焊縫搭邊量a為3.9mm，處于正常范圍內，實測的焊縫余高c為2.5mm，與預計的2.5mm正好吻合。其說明使用本申請計算的線能量E與實際吻合度高，無需調整。
實施例5
本實施例的試驗條件：板厚為3mm的Q460鋼，氣保焊機采用的是Lincoln Powerwave455，焊絲直徑為1.2mm；試板不開坡口；并要求：焊縫搭邊量a=4.6mm、焊縫余高c=2.2mm、焊縫熔深d=2.0mm。
經將上述已知的有關數(shù)據帶入到公式（1），得到所要氣保焊接的焊縫面積S=25.1 mm2；
再將Eo=27 kJ/cm，So=65.8 mm2， S=25.1 mm2帶入公式（2），即E/Eo=S/So， 計算氣保焊所需要的線能量E，E=10.3kJ/cm。
將10.3kJ/cm線能量分解為具體的焊接參數(shù)：焊接電流為280 A、焊接電壓為29 V、焊速為47 cm/min，進行實際焊接。實測的焊縫搭邊量a為4.5mm，處于正常范圍內，與預計的4.6mm相差2.2%；實測的焊縫余高c為2.1mm，處于正常范圍內，與預計的2.2mm相差4.5%。其說明使用本申請計算的線能量E與實際吻合度高，無需調整。
實施例6
本實施例的試驗條件：板厚為8mm的X65鋼，氣保焊機采用的是Lincoln Powerwave455，焊絲直徑為1.2mm；試板單側為V型坡口，坡口深度b 為3mm，坡口角度弧度為0.61；并要求：焊縫搭邊量a=3.5mm、焊縫余高c=2.1mm、焊縫熔深d=1.0mm。
經將上述已知的有關數(shù)據帶入到公式（1），得到所要氣保焊接的焊縫面積S=40.8 mm2；
再將Eo=27 kJ/cm，So=65.8 mm2， S=40.8 mm2帶入公式（2），即E/Eo=S/So， 計算氣保焊所需要的線能量E，E=16.8kJ/cm。
將16.8kJ/cm線能量轉化為具體的焊接參數(shù)：焊接電流為290 A、焊接電壓為29 V、焊速為30 cm/min，進行實際焊接。實測的焊縫搭邊量a為3.6mm，處于正常范圍內，實測的焊縫余高c為1.9mm，與預計的2.1mm相差10%，且已低于正常范圍。此時，根據步驟4），將線能量增加5%至17.6kJ/cm，轉化為具體的焊接參數(shù)：焊接電流為290 A、焊接電壓為29 V、焊速為30 cm/min，進行實際焊接。經調整焊接線能量后再進行焊接試驗，其實測的焊縫搭邊量a為3.6mm，處于正常范圍內，實測的焊縫余高c為2.1mm，與預計的2.1mm相符。其說明經調整后的線能量E與實際吻合度高，無需調整。
實施例7
本實施例的試驗條件：板厚為4mm的Q420鋼，氣保焊機采用的是Lincoln Powerwave455，焊絲直徑為1.2mm；試板單側為V型坡口，坡口深度b 為1mm，坡口角度弧度為0.52；并要求：焊縫搭邊量a=4.5mm、焊縫余高c=2.6mm、焊縫熔深d=1.5mm。
經將上述已知的有關數(shù)據帶入到公式（1），得到所要氣保焊接的焊縫面積S=33.4 mm2；
再將Eo=27 kJ/cm，So=65.8 mm2， S=33.4 mm2帶入公式（2），即E/Eo=S/So， 計算氣保焊所需要的線能量E，E=13.7kJ/cm。
將13.7kJ/cm線能量轉化為具體的焊接參數(shù)：焊接電流為250 A、焊接電壓為28 V、焊速為41cm/min，進行實際焊接。試驗實測的焊縫搭邊量a為4.8mm，超出正常范圍，與預計的4.6mm相差4%；實測的焊縫余高c為2.5mm，在正常范圍內。根據步驟4），將線能量減少4%至13.2kJ/cm，轉化為具體的焊接參數(shù)：焊接電流為290 A、焊接電壓為29 V、焊速為31 cm/min，再次進行實際焊接試驗。試驗后實測的焊縫搭邊量a為4.5mm，處于正常范圍內，實測的焊縫余高c為2.5mm，與預計的2.5mm相符。其說明經調整后的線能量E與實際吻合度高，無需調整。
本具體實施方式僅為最佳例舉，并非對本發(fā)明技術方案的限制性實施。