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摘要：通过对立焊穿孔熔池的受力状态的分析，初步揭示了穿孔法等离子弧立焊焊缝成形机理，从而发现焊接工艺参数对焊缝成形影响的规律，为进一步研究穿孔法等离子弧立焊焊缝成形机理奠定了基础.理论分析和试验结果均表明，穿孔能否连续稳定存在是焊缝成形的前提，而穿孔熔池液面金属的受力及流动则对焊缝正反面的成形起着重要作用.在此基础上指出，焊接电流和离子气流量过大时会因穿孔熔池下半部的收缩能力小于上半部的扩张速度而形成切割，反之，过小的焊接电流和离子气流量会形成未焊透.控制焊接电流的大小和喷嘴到工件的距离均可有效地实现对焊缝正反面增高量及宽度的控制。
关键词：等离子弧焊；立焊；穿孔熔池
穿孔法等离子弧立焊与平焊相比较，由于它改变了熔融金属的受力状态，使得这种方法除具有一般等离子弧平焊焊接特点之外，还具有工艺稳定性好，焊接质量高，一次可焊厚度大，可实现无气孔焊接等特点，是一种很有发展前途的焊接新方法.在对铝合金穿孔法等离子弧立焊的开发试验过程中，发现焊缝正、反面的成形对焊枪喷嘴到工件的距离较敏感，当距离稍大时，焊缝背面出现凹陷，而平焊时这种现象则不易发生［1～3］.为此，认为穿孔熔池的受力状态对焊缝成形有较大的影响.
1立焊穿孔熔池形状
等离子弧由于有强烈的电磁收缩力和等离子流力，对熔池表面将产生很大压力，在这种电弧压力的作用下，熔池液态金属被排开而形成穿孔.由于等离子弧的压力和温度在轴向上存在压力梯度和温度梯度，加之工件散热的影响.使得穿孔熔池的垂直截面呈喇叭口形，靠近背面的液态金属在表面张力的作用下，也呈现小喇叭口形.这样，穿孔熔池则为一个“双喇叭口”形的熔池，如图1所示. （图片）
图1立焊穿孔熔池断面示意图2立焊穿孔熔池受力及成形规律
立焊焊缝成形如图2所示.为了便于分析穿孔熔池的成形过程及成形条件，首先对穿孔熔池受等离子弧作用而形成的受力情况进行分析，如图3所示。（图片）
图2立焊焊缝示意图（图片）
图3穿孔熔池受力分析图(1）重力FG.穿孔熔池液态金属的重力指向熔池下方，使液态金属呈下流趋势.在穿孔熔池上半圆，液态金属的重力将促进液态金属向液面最低点流动，在穿孔熔池下半部，由于液态金属与固态金属的分界面为斜面，液态金属的重力将促使液态金属向正面流动，背面有一极小部分液态金属在其重力作用下向背面流动。
(2）穿孔熔池弯曲液面所产生的附加压力.双喇叭口形液态金属的表面是一个弯曲液面.根据物理化学的观点，弯曲液面存在一个由表面张力所引起的附加压力P，其方向为该点弯曲液面的内法线方向，其大小为，其中σ为表面张力，R为该点弯曲液面的曲率半径［4］.立焊穿孔熔池的弯曲液面，在yz平面方向将产生指向穿孔中心的附加压力Pr，在xz平面方向，正面喇叭口形的弯曲液面产生指向正面的附加压力Px，背面喇叭口形的弯曲液面产生指向背面的附加压力Px′.Pr促使穿孔收缩，Px促使液态金属向正面流动，Px′促使液态金属向背面流动。
(3）电弧对穿孔熔池的作用力.电弧穿过穿孔熔池受到熔池的压缩，电弧自身径向压力作用到熔池液面，体现为对穿孔熔池的径向膨胀力Pnr，电弧的等离子流力作用到熔池液面则体现为沿穿孔轴向的压力Pnx，Pnr促使穿孔张开，Pnx促使熔池液态金属向背面流动。
(4）根据气体动力学和粘性流体力学的观点，在穿孔熔池背面的喇叭口形弯曲液面附近将产生气流的倒流，对熔池液面形成轴向压力Pnx′及径向膨胀力Pnr′，前者促使液态金属向正面流动，后者促使穿孔张开。
在穿孔法等离子弧焊接过程中，穿孔能够连续稳定存在是焊缝成形的前提.而穿孔能否连续稳定存在则主要取决于穿孔熔池液面的径向受力状态.在穿孔熔池液面的径向力主要有电弧的径向膨胀力Pnr和弯曲液面的径向附加压力Pr，如图4b所示.在静态时，液面上各点Pr=Pnr，穿孔保持静态稳定.当电弧向上移动时，穿孔上半部的Pnr>Pr，穿孔上半部逐渐张开，而穿孔下半部则Pnr（图片）
图4穿孔熔池形成焊缝时的受力分析图穿孔下半部的逐渐收缩，需要液态金属逐渐填充，而穿孔上半部的液态金属在重力作用下向穿孔底部流动，恰好填充穿孔下半部因逐渐收缩所需的液态金属.如果上半部的液态金属不能及时或不能填补穿孔下半部收缩所需要的液态金属，则会使穿孔下半部的收缩速度小于上半部的扩张速度，将使穿孔上、下两半部分拉开而形成切割，如果形成一段距离的切割，则穿孔下半部的半径趋于无穷大，下半部的收缩能力几乎消失，下半部的收缩速度就更不能赶上上半部的扩张速度，所以，一旦形成切割后，焊缝很难恢复正常成形，如图5所示.如果穿孔下半部的收缩速度大于上半部的扩张速度时，则穿孔直径逐渐减小，最后消失。（图片）
图5形成切割后的焊缝成形由此可见，要使穿孔能够连续稳定地存在，就必须有足够的液态金属来填充穿孔下半部收缩时所需的液态金属。
在穿孔熔池保持连续稳定的情况下，穿孔的收缩首先优先于穿孔半径较小处，当穿孔半径较小处收缩后，穿孔下半部将是图4a所示的状态.此时，在优先收缩处的轴向，将会出现较大的轴向附加压力Px及Px′，Px及Px′将促使穿孔熔池前后半径较大处的液态金属进一步收缩，故此，虽然穿孔熔池前后两部分的半径较大，收缩能力较低，但因有Px及Px′的附加作用，仍能使穿孔熔池前后半径较大处的收缩速度跟上穿孔上半部的扩张速度。
在立焊过程中，除穿孔保持连续稳定之外，穿孔熔池中液态金属的流动对焊缝正反面的成形起重要作用.由图3可知，电弧的轴向压力Pnx促使液态金属向背面流动，正面喇叭口形液面的轴向附加压力Px促使液态金属向正面流动，背面喇叭口形液面的轴向附加压力Px′促使液态金属向背面流动，背面喇叭口形成气流倒流所产生的轴向压力Pnx′促使液态金属向正面流动.穿孔熔池上半部液态金属的重力促使液态金属向背面流动，下半部的大部分液态金属的重力促使液态金属向正面流动.当电弧向上移动时，电弧对熔池上半部的轴向压力大于对下半部的轴向压力，所以，熔池上半部液态金属向背面流动的倾向较大，而下半部液态金属向正面流动的倾向较大.当熔池上半部向背面流动的趋势大于熔池下半部向正面流动的趋势时，焊缝将出现背面凸起过大，正面凹陷；反之，则焊缝背面未填满或凹陷，正面凸起过大.因此，要获得良好的正反面焊缝成形，必须控制好熔池各部分液态金属的受力和液态金属的流动趋势.
3焊接参数对焊缝成形的影响
由以上分析可知，穿孔的连续稳定存在是立焊焊缝成形的前提.但是，仅穿孔稳定存在并不能一定保证得到满意的焊缝成形，还需要焊接工艺参数的进一步合理匹配，通过改变焊接工艺参数来控制穿孔熔池液态金属的受力状态及其流动趋势，从而获得满意的焊缝成形。
3.1焊接电流的影响
焊接电流的大小，一方面影响电弧力的大小，另一方面还影响电弧对工件的热输入.焊接电流大，电弧对穿孔熔池的轴向作用力Pnx及径向膨胀力Pnr均加大.由于Pnr使穿孔直径增大，Pnx促使液态金属由正面向背面流动，所以，焊接电流大，穿孔直径增大，焊缝宽度增加，由正面向背面流过的液态金属增多，焊缝背面增高量加大，正面增高量减小.反之，焊接电流小，焊缝宽度减小，焊缝正面增高量增大，背面增高量减小.如果焊接电流过大，一方面使穿孔直径增大，另一方面因热输入增大，液态金属表面温度增高，表面张力降低，从而导致Pr降低，穿孔熔池下半部的收缩能力降低.因此，焊接电流过大，很可能出现因穿孔熔池下半部的收缩能力降低而跟不上上半部的扩张速度，最后导致焊漏.而焊接电流过小，穿孔直径变小，同时也由于熔池背面热输入很小，液态金属表面温度降低，表面张力增大，从而导致Pr增大，穿孔收缩能力增强，很可能导致穿孔熔池背面液态金属闭合而形成未焊透。
3.2喷嘴到工件距离的影响
喷嘴到工件的距离大，电弧长度就大，电弧对熔池的作用力分散，轴向压力Pnx减小，焊缝背面增高量减小，正面增高量加大.当Pnx减小到一定程度时，将会出现背面焊缝凹陷.另外，喷嘴到工件的距离大，电弧挺度降低，电弧对正面的热作用大，对背面的热作用小，而使得焊缝正面温度高，表面张力降低，从而导致Pr降低，穿孔直径增大；背面则相反，半径减小.故而随着喷嘴到工件距离的增大，焊缝正面宽度增大，背面宽度减小.
3.3离子气流量的影响
离子气流量大，电弧对熔池液面的轴向压力Pnx增大，同时也使背面喇叭口形液面处气体的倒流现象严重，Pnx′增大，因Pnx促使液态金属向背面流动，Pnx′促使液态金属向正面流动，所以，离子气流量的变化对焊缝正反面的增高量影响不大.另一方面，离子气流量大，电弧挺度大，能量较为集中，电弧对穿孔熔池背面的热作用加大，使得穿孔熔池背面的Pr降低，穿孔直径增大，使熔池下半部液态金属的收缩能力降低.因此，当离子气流量增大到一定时，会导致穿孔熔池下半部的收缩速度跟不上上半部的扩张速度，最后形成焊漏.反之，当离子气流量减小到一定程度时，穿孔熔池下半部的收缩速度大于上半部的扩张速度，使穿孔闭合，最后形成未穿透的焊缝.
4结论
穿孔法等离子弧立焊能否得到良好的焊缝成形，不仅与焊接热输入有关，还与穿孔熔池的受力状态有关.由于立焊和平焊时穿孔熔池的受力状态不同，决定了立焊和平焊时的焊缝成形规律的不同.在立焊过程中，通过对焊接工艺参数的控制来实现对穿孔熔池液态金属的受力状态及流动趋势的控制，从而最终实现焊缝成形的控制.大的焊接电流和大的离子气流量会使焊缝背面增高量加大而正面增高量减小，过大则会形成切割，过小则形成未焊透.喷嘴到工件的距离大，则焊缝正面增高量大，背面增高量减小.
作者简介：
雷玉成，男，江苏理工大学副教授，硕士.
雷玉成（江苏理工大学材料科学与工程学院，江苏 镇江 212013）
郑惠锦（江苏理工大学材料科学与工程学院，江苏 镇江 212013）
［参考文献］
［1］郑兵，等.铝合金等离子弧立焊穿孔熔池稳定建立的条件［J］.焊接学报，1993，14（3）：164～171.
［2］雷玉成,等.离子弧穿孔法立焊焊缝成形规律的研究［J］.江苏理工大学学报，1994，15（4）:62～67.
［3］雷玉成.铝合金等离子弧立焊焊缝成形稳定性的研究［J］.焊接技术，1994，(3）：12～14.
［4］梁英教.物理化学.北京：冶金工业出版社，1983
3/23/2008
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