焊接热输入是焊接工艺的一个综合参数,热输入对焊接接头成形、组织与性能有重要影响。当焊接热输入过大时,可能导致晶粒粗大、塑韧性降低、接头强度降低、焊接裂纹发生,以及焊接接头耐蚀性降低等问题;反之,过小时,可能导致焊接接头难以成形,焊接缺陷率增高。通过本节的学习,焊工应了解焊接热输入对焊接接头的影响,认识到遵守焊接工艺规程的重要性。
焊接热输入是由焊接热源输入( Q )给单位长度焊接接头的能量,其基本单位是J/mm。电弧焊应用最为普遍,电弧焊的焊接热输入是指熔焊时,由焊接能源输入给单位长度焊缝上的热能,其简单计算公式为
式中 η ——功率有效系数;
I ——焊接电流(A);
U ——电弧电压(V);
v ——焊接速度(mm/s)。
不同焊接方法的 η 是不同的,多在0.7~1.0之间。当采用同一种焊接方法研究焊接热输入对接头成形、组织与性能的影响规律时,通常可将 η 取值为1。
传统的直流测量仪表所显示的电流和电压数值是焊接过程的平均值,而交流测量仪表所测得的是均方值。为了准确的获得焊接过程中输入到焊缝的能量,所使用的电流和电压表必须在很短的间隔时间内捕捉到焊接波形的变化。而这种频率一般高达10000Hz,只有特定的测量仪器才可以达到这种程度。
对于传统的非波形控制焊接工艺方法而言,一般认为焊接过程中电流与电压变化不大,可以直接取焊接电源上的显示值进行计算。对于各种波形控制焊接工艺方法(如熔化极脉冲焊、钨极脉冲焊、激光脉冲焊、等离子脉冲焊、带脉冲的各种复合热源等),有试验研究表明,由于电流与电压的变化频率高,传统的电流、电压表或检测仪器已不足以及时准确地采集和显示实际焊接参数。采用传统的电流、电压表检测与计算波形控制焊接热输入时,误差可超过±10%,这将会给焊接工艺评定及焊接工艺规程的有效性带来相关问题。
因此,有相关学者提出焊接热输入计算公式为
式中 W ——焊接整体能量(J);
η ——功率有效系数;
P ——功率(J/s);
T ——燃弧时间,一般是指从引弧开始直到电弧完全熄灭的时间(s);
L ——焊缝长度(mm)。
之所以提出上述这两种公式,是因为焊接电源以及测量仪表的不同,有一些设备提供的是焊接过程总体的能量;有一些设备提供的是焊接过程中的平均功率。
虽然能量计算公式不复杂,但如何简单检测功率及燃弧时间还是有困难的。目前,基于能量自动累计的软件与硬件已经市场化。当焊接设备上加装相应软件和硬件时,无论是波形控制焊接,还是非波形控制焊接,都将会自动记录和显示整个焊接过程中的能量,其基本原理是先将焊接过程中的能量进行微积分处理,最终能量除以焊缝长度,其计算结果是比较准确的焊接热输入。
对于其他焊接工艺方法, T 可以理解为功率输入时间。而在其他相关研究中,也有学者提出采用式(3-3)进行焊接热输入的计算
式中 P ——功率(J/s);
I ——焊接电流(A);
U ——焊接电压(V);
v ——焊接速度(mm/s);
S ——送丝速度(mm/s);
A ——焊丝截面积(mm 2 )。
式(3-3)考虑了焊接填丝过程对焊接热输入的影响,也能比较准确表达焊接过程中的热输入问题。
焊接热输入的计算公式并不复杂,但应注意各个参数的检测与取值,如焊接电源显示的电压通常比电弧电压高,特别是当焊接电缆较长时,焊接电压将明显高于电弧电压。对于焊接电流,通常采用的是焊接过程的平均电流,实际上焊接电流是不断变化的,这种变化不仅表现在各种波形控制的焊接,而且即使是所谓的非波形控制焊接,焊接电流也是随弧长的变化、熔滴的过渡发生变化的。
计算公式中的焊接速度是指平行于焊缝方向的速度分量,而当焊接过程中有摆动时,其他方向的速度分量是不考虑的。焊条电弧焊时,操作工的技能水平对于焊接参数的稳定性,进而对热输入的计算具有重要影响。电弧长度不均,焊接速度快慢不均,将导致难以比较准确地计算焊接热输入。
另外,采用焊条进行电弧焊时,对于电阻率比较高的焊条(如奥氏体不锈钢、镍基合金),开始焊接时,由于焊条较长,所以电阻较大,电阻压降也较大,而电弧电压相对较低,随着焊条的不断熔化,焊条变短,电阻减小,电阻压降也变小,电弧电压相对提高。对于各种波形控制焊接工艺方法,传统的电流、电压表或检测仪器已不足以及时准确地采集和显示实际焊接参数。焊接热输入误差可超过±10%。
上述因素对热输入的影响,虽然在通常的计算中是忽略不计的,但在具体分析焊接问题时应该充分考虑。