标题:弧焊设备安全要求第1部分：焊接电源

标准分类:弧焊设备

标准编号:J64GB15579-1995
UDC:

主题内容与适用范围

适用范围：

本标准适用于为工业和专业使用而设计的低压供电（IEC38出版物规定）的或由机械设备驱动的弧焊和类似工艺所用的电源。
本标准不适用于为非专业人员设计的限定负载的手工电弧焊电源。
注：典型的类似工艺如：电弧切割和喷涂。 阅读全文

如果你要在家或者车间焊接铝材，那么首先我们需要澄清下面一些被大众误解的东西：1.你至少需要拥有一台价值4000美元的焊机和高超的焊接技巧来焊接铝材；2.不需要练习就可以完成效果很好的焊接作业；3.你需要购买适合铝材焊接的昂贵焊枪。

　　事实是，在经过训练，使用适合的焊接设备，进行正确的参数设置情况下，紧凑的小型MIG焊机也能进行临时的铝材焊接作业。你将能使用MIG焊机来完成你家里各种的材料焊接，诸如烧烤架，后院储藏间，船坞，甚至装饰零件。即使是经常焊接钢材的家庭焊接狂热者，也会觉得去焊接铝材是一项极大的挑战。原因是：铝丝非常软，送丝相当困难。另外，通常用于钢材的焊丝直径和焊机设置可能不适合焊接铝材。要成功的焊接铝材，先问自己如下问题：

　　第一、我需要什么样的设备？

　　首先需要做出的决定是需要什么种类的设备来达到目的。要牢记，115伏的送丝机能够处理22到12号规格的焊接作业，并且在适当预热的情况下，你也许能够焊接1/8英寸厚的材料。但要小心的是，预热的最大值要被限制在华氏250度以内。另一个是230伏的机器能焊接从22号规格一直到3/16英寸的材料。适当的预热能把范围提升到1/4英寸。如果你需要焊接各种不同厚度的板材，就该考虑230伏的焊机。

　　记住，如果你准备做很有规则的铝材加工，你将会需要重型焊机。115和230伏的紧凑型MIG焊机可以进行偶尔的铝材焊接，但是并不值得推荐用他们去做复杂繁重的铝材焊接，否则就应该考虑输出超过200安培的焊接设备。在你确定了输入电压之后，选择焊机时另一个通常你会问到的问题是，我是需要连续式的电压调节型号，还是抽头线圈式的型号？持续的电压调节型号让你能够在机器的电压限制内无级调节设置电压，适应性更强，能更有效的调整、进行精确的控制。这样就允许你在焊接作业的时候更容易调整。

　　第二、什么样的保护气体

　　MIG焊接铝材和焊接钢材所需要的保护气体是不同的。焊接铝材，应该选择100%含量的氩气，然而钢材焊接要求混合气体或者100%的二氧化碳气体。好消息是，我们不需要什么特殊的设备——你现有的调整器(除了二氧化碳调整器以外)和气管都能被用在纯净的或者混合的气体。

　　第三、设置什么样的极性？

　　所有的MIG焊接，包括铝材焊接，都需要正极的焊条，而药芯焊接工艺却是典型的使用负极焊条。如果你要把焊机在不同的工艺中切换，先确定切换极性。这是新手通常会犯的错误。

　　第四、应该购买什么样的铝合金焊条？

　　如果你试图在焊接铝材时使用钢焊条的话，将会得到很差的效果。相反，我们推荐的是，紧凑MIG焊机使用限制在0.035英寸直径的4043铝合金填充金属。5336的铝合金焊条则可能通常被推荐给零售商和分销商，因为这种焊丝更硬，更容易送丝。然而，使用这种送丝焊机的话，用5356铝合金通常电流不足以达到较好的焊接效果。尽管4030较软，在遵循下面描述的适当步骤也能保证取得较好的送丝性能。不要使用其他直径的焊丝。特别要避免0.030英寸的焊丝(送丝相当困难)和3/64英寸的焊丝(紧凑的小型焊机无法提供足够的电流来可靠的熔化这个直径的焊丝)。

　　第五、我该如何设置我的焊机来焊接铝材？

　　既然你知道了需要焊机的种类和性能/局限性，下一个非常重要的步骤就是如何设置参数了，遵循以下的提示：购买一套铝材送丝工具；注意送丝在焊接铝材的时候显得更加重要，所以强烈推荐购买一套专用铝材送丝工具，一套工具将包含以下物品：

　　1 .非金属衬管——设计来最大程度减小送丝摩擦

　　2. U型槽驱动滚轮——用来避免教软的铝丝断裂或者变形。这些驱动滚轮不会象V型槽滚轮一样刮伤铝丝。使用V型槽滚轮的话，会让焊丝刮花衬管造成堵塞，引起送丝故障。

　　3.进口和出口引导装置——设计来避免焊丝刮伤。

　　4.接触头——使用在铝材焊接的接触头有更大直径的开口，因为在铝丝升温时，产生的膨胀比钢材多。因此，铝丝专用接触头的尺寸在小得足够保持电接触的同时，又足够允许膨胀。

　　装载焊丝到焊机

　　这里有一个正确装入铝丝的窍门，(同样适用钢制焊丝)对装载铝焊丝、避免焊接时的故障非常重要。用一只手安全的握住焊丝轴确保其不会松开，一但你拆开了玻璃纸包装，就用另一只手握住焊丝松开的一头——在将其放入驱动滚轮之前不要松手。缺少经验的人通常会没握紧松开的一头，而导致整捆焊丝开始松脱散开。如果这样的事发生了，将无法补救，焊接作业也会受很大的影响——你不得不购买另一捆焊丝。

　　设置焊丝刹车的松紧度

　　松紧度只需要保证焊丝刚刚不会松脱即可，但是不能太紧，否则会造成对焊丝的拖拽。要正确的设置，先将松紧度调到最低，然后装上焊丝，让其通过驱动滚轮，如果除了装焊丝的滚轴在动，而其他部件都停止了的话，就说明不够紧。操作时要小心，因为过紧会造成加在焊丝上的力过多。另外，焊丝用完的最后几圈无法送丝时不要紧张；通常是因为焊丝太硬而不容易松脱。

　　设置驱动滚轮松紧度

　　这可能是整个设置程序中最重要的一步。专家推荐的是，将丝头以微小的角度位于离绝缘材料表面1英寸的地方。然后，将滚轮松紧度设置在几乎最小。按下焊枪上的开关，观察其运作——在焊丝接触到绝缘材料表面的时候应该滑动。从那一点开始调紧松紧度直到焊丝停止滑动。再一次的，要注意，太紧会导致焊丝的断裂。这意味着焊丝停留在焊枪里，而焊丝驱动滚轮仍然在转动，最终的结果是焊丝跑出滚轮后断裂，或者积压倒退导致焊丝乱成一团，包括引导衬管，焊枪衬管等。要记住，在你按上述内容设置滚轮松紧度的时候，按下焊枪的开关，送出的焊丝是烫的，所以总是戴上质量好的焊接手套。

　　确保良好的电源连接

　　第一步，焊接用的夹具应该安全的夹在焊接工件没有上漆和污染的区域。要清洁工件，使用除脂溶剂来清除所有的油脂。在进行焊接前还要确保工件表面的干燥。同时，不要在有可燃材料在附近的情况下焊接，诸如溶剂或者油漆的容器。第二步，用干净的不锈钢丝刷将铝材的表面氧化物清除干净。

　　定位非常重要

　　在焊接的时候，尽量保持焊枪电缆的笔直，以最大程度减少对较软铝丝的送丝约束。焊枪电缆线的弯曲会导致焊丝打结，造成很差的送丝。

安广析

　　我厂拥有Φ3.8×12m磨机(水泥磨)4台，1996年5月发现2＃磨筒体有断裂裂纹，断裂发生在筒体与端盖的焊缝上(见图1)，外观检查有3段裂纹，磨机已不能运转。我们分析认为筒体材质为A3，具有良好的焊接性，可以在现场用手工电弧焊修复。现在时过两年，磨机仍正常运转，这说明修复工作是成功的。下面就修复工作的有关事项做一个回顾总结，以期抛砖引玉，并与广大同仁共勉。

图1断裂部位与止裂孔

1.材料及工器具准备

　　这次修复工作的主要步骤是打磨探伤——开坡口——施焊，所以材料及工器具也是围绕这3个步骤准备的。主要有：

①Φ180角向磨光机(包括砂轮片)1台
②直流电焊机(Ax1—500型)1台
③空压机(1MPa，1.6m3／min)1台
④电烘箱(t>350℃)1台
⑤手风枪(包括风枪杆)1台
⑥电焊钳(包括电缆线)1把
⑦碳弧气刨枪(包括风带)1把
⑧焊条保温桶1支
⑨着色渗透探伤剂
{10}碳棒(Φ5Φ6Φ7Φ105×15)
{11}电焊条(J427，Φ3.2Φ4)
{12}其他(如电焊手套、棉纱等)

2.施工过程，工艺方法及技术要求

2.1　打磨探伤。先用Φ180角向磨光机将磨外全周长焊缝全部打磨干净，清除油漆，水泥等杂物，然后用渗透探伤剂喷涂探伤，对有裂纹的部位要做好标记。然后用同样的方法对磨内焊缝进行打磨，探伤，并做好标记。因裂纹是从磨内向磨外扩展的，所以磨内的裂纹可能更长、更严重。因此，对磨内焊缝的探伤、标记应特别仔细。
2.2　钻止裂孔，焊防变形板。根据探伤结果，在裂纹两终端向外约5mm处钻止裂孔。止裂孔为Φ5mm，深40～50mm，每端并排3个如图1所示。钻好止裂孔后，转动磨机使裂纹处于磨机最上边，利用磨机自重，使裂纹自然吻合，防变形板就焊在筒体最高处，骑在裂纹上。防变形板(如图2)每隔500mm一块，两端的防变形板距止裂孔应小于200mm。若裂纹长度不足500mm，防变形板可焊在裂纹中间。防变形板中心线应对准裂纹,防变形板全部焊完后，磨机可随意转动。

图2防变形板

2.3　开坡口、施焊。开坡口使用碳弧气刨，选在立面裂纹中间从上向下刨，每次长度不超过500mm。坡口在磨外为单面V型。为减少工作量，避免筒体热变形和应力集中，坡口角度缩小到50±2°，不能太小，否则会影响焊条摆动，影响焊接质量。
　　气刨使用空气压力为0.6～0.8MPa，碳棒直径应先选大的，待将要刨透时再选小的，具体尺寸，焊工可根据情况选择。气刨时，先沿裂纹方向刨透较窄的坡口，然后用扁碳棒修整成V型坡口。碳弧气刨所用电焊机电流为(30～50)d(d——碳棒直径mm)。电流选择大，则气刨速度快，但发热也多，接法采用直流反接法。
　　坡口成型后，要用角向磨光机打磨，尽量使坡口平整，且保证坡口内无任何杂物，使其呈现出金属光泽。待坡口修整好后，还要用探伤剂探伤，检查是否有其他缺陷，检查两端裂纹是否消失等。
　　为防止筒体强度削减严重，开坡口采用分段间隔法，每次坡口长度为400～500mm。建议第一次坡口开在裂纹中间，则焊接使长裂纹一分为二。以后的坡口，焊接也选在裂纹的中间，直到裂纹小于500mm，能一次补焊到止裂孔为止。
　　焊接跟随坡口走，采用分段间隔法，每段长度为400～500mm。焊缝选在磨机一侧向上45°倾角附近，从下往上爬坡焊(如图3所示)电焊机选用直流焊机，接法为反接。焊条选用J427，焊前焊条必须在350℃以上温度环境内烘干1小时，然后在150℃环境内保温待用。焊接时随用随取，每次取约20根，且均应装在保温筒内。

AB为施焊区域箭头为施焊方向

图3施焊区域及方向

　　第一层打底焊，选用Φ3.2mm焊条，电流110A～120A，焊条不作摆动,短电弧且电弧不间断。第一层打底焊是整个焊接工作的基础，质量要求较高，必须加以足够重视。要求焊透性好，与母材熔合好，保证焊缝平整，根部成形好，不存在任何缺陷，做到单面施焊，双面成形。第一遍焊完后，用角向磨光机将焊缝表面磨平，去除飞溅物，然后焊第二遍。
　　从第二遍起，焊条选Φ4mm，电流150～160A，采用在坡口截面上短电弧横焊的方法。当坡口宽度b>15mm时，焊条可摆动到坡口两端，并在两端稍作停留，以确保与母材熔合；当坡口宽度b=15～30mm时，焊条摆动分两段完成，仅在坡口两端稍作停留，在坡口中间不做停留，防止坡口中间焊肉凸起；当坡口宽度b>30mm时，焊条摆动分三段完成，也是仅在坡口两端稍作停留，坡口中间不作停留(如图4所示)。要求焊速平稳，焊缝表面均匀光滑，杜绝夹渣、气孔等缺陷产生。第二遍焊完后，用角向磨光机为焊道磨平，用探伤剂探伤，若有缺陷应去掉重焊；无任何缺陷后，用风枪(使用圆枪头)将焊道捶击两遍，再继续施焊。从第二遍起每焊完一遍，均应用风枪捶击焊道2～3遍，既清除药皮，又消除应力。一般每焊10～15mm厚时应用探伤剂探伤一次，以便及时发现缺陷并消除。当坡口焊平后，应最后探伤一次，当无任何缺陷时再焊最后一层盖面层，最后一遍盖面焊，宜用高电压小电流慢速施焊，这样可取得满意的表面质量。盖面焊要求焊缝表面必须光滑，不允许有“咬肉”缺陷，起熄弧部位的凹坑应补焊后磨平，凸起部位应顺焊缝表面磨平，磨削部分不得有目视可见的磨削棱尖痕迹等。

焊条摆动：仅在坡口两端稍作停留，在坡口中间不作停留

图4坡口宽度与焊条摆动

　　磨外焊接完毕，应到磨内对焊缝根部进行清根处理，并施焊。先将磨机端盖上的筋板(δ=20，18组均布)割去，然后用角向磨光机清理焊缝根部。焊缝根部清理干净后，应用探伤剂探伤，确定根部质量。若有缺陷应给予清除，当无任何缺陷后，选用Φ4焊条进行焊接。磨内焊接一般2～4遍，中间对焊道捶击两遍。最后一遍施焊要将焊缝处的直角堆焊成一个过渡圆弧，最后恢复好筋板。
　　特别需要指出的是，国家有关标准规定，当零件厚度δ>42mm时，焊前要考虑预热，焊后要消除应力如退火等。特别对大型构件，焊缝对整体零件来讲是很小的，焊后冷却速度很快，容易产生淬硬裂纹。对水泥磨而言，整体预热，退火都非常困难，在现场几乎是不可行的，局部预热、退火没有可靠的设备，手工操作又无法保证质量，同时考虑到磨机筒体材质为A3，具有良好的焊接性，所以选择焊前不预热，但施焊环境温度要高于20℃，焊后用捶击法消除应力。实践证明，此方案是完全可行的。

3.断裂原因浅析

3.1　结构设计不合理，易形成应力集中，磨机端盖钢板厚δ=100mm，筒体钢板厚δ=50mm，二者形成的角接处没有过渡圆弧而是一个直角，此处就易形成应力集中，这里也正是断裂的发生部位。此次修复只是在角焊缝表面施焊出一个很小的过度圆弧，仍不十分理想。此处结构建议改为如图5所示的合理结构。

图5合理结构

3.2　焊接工艺不严格，焊接质量差，存在焊接残余应力。原磨机筒体外侧进行自动焊后，内侧的角焊缝未进行清根等坡口处理，而是直接进行手工盖面焊，致使焊缝存在大量夹渣现象。而对有筋板的部位，因筋板未留施焊通孔，筋板下及两侧未进行焊接，致使整个圆周焊缝上存在断续焊现象。因此整个焊缝内存在较大的焊接残余应力。

3.3　制造质量差也是关键因素。在未处理前，外观检查磨内焊口开裂部位发现有局部未施焊现象，尤其是端盖上的两条立筋中间部分未焊接。在对开裂部位进行碳弧气刨的刨削过程中，发现在焊肉根部10～15mm部位存在夹渣现象，同时发现有约300mm长一段存在焊肉与母材未熔合现象，还有两个Φ4mm，深30mm的气孔。在对未开裂部位进行超声波检测时，发现存在断续的夹渣现象，而外观检查却成形良好，可以说，工作质量低劣是筒体断裂直接的原因。

作者单位：鲁南水泥厂(277531)

目前不锈钢复合板的生产方法主要有3种：爆炸法、轧制法和爆炸－轧制法。我国目前主要采用爆炸法生产复合板，该方法生产工艺简单，使用的能源丰富，所生产的复合板性能好，已被广泛应用于石油、化工、制药、船舶、水电等行业，产生了很好的经济效益和社会效益。

1　爆炸焊接机理及工艺

　　爆炸焊接是一种高能率的加工技术，是一种以炸药的爆轰为能源，将两层或多层相同的或不同的金属材料结合为整体材料（复合板）的材料加工工艺。图1是爆炸焊接装置及焊接过程示意图。当炸药被引爆后，复板在炸药爆炸释放的能量驱动下加速，当速度稳定时，与基板发生碰撞，从而在碰撞点形成足够的再入射流，靠再入射流清理待结合金属表面的氧化物、氮化物、气体薄膜及附着的水分等，使金属露出活性表面。同时，金属碰撞产生的高压使金属活性表面紧密接触，通过原子间的作用力，实现两种金属间的可靠连接。

图1　爆炸焊接装置及焊接过程
1-炸药;2-缓冲区;3-复板;4-基板;5-基础;6-起爆器；7-爆炸产物;8-再入射流;s-基复板安装间距;VD-炸药爆速;VP-复板运动速度;VCP-碰撞点运动速度;c-碰撞点

1.1　实现焊接的必要条件（边界条件）

　　爆炸焊接属于冷焊，要实现良好的焊接必须具备以下3个条件：
　　(1)碰撞速度要超过某一最小值，产生的碰撞压力要大于材料的动态屈服极限，在碰撞点附近产生流体区。Whitman等人［1］提出的最小碰撞速度vpmin＝（σb/ρ）1/2。
　　(2)形成足够稳定的再入射流，产生自清理过程。产生再入射流，必须具备2个条件，一是动态碰撞角β必须大于某一临界值；二是碰撞点运动的速度要小于声音在该材料中的传播速度。Crossland等人［1］提出最小碰撞角βmin=k0(Hv/ρvcp2)1/2
　　(3)碰撞点运动的速度要大于某一临界值，界面才能呈波状结合特征，否则界面平直、结合强度低。Cowan等人［1］提出最小碰撞点运动速度vcpmin=［2Re(Hv1＋Hv2)/(ρ1+ρ2)］1/2
式中
　　　　　　ρ—材料密度；
　　　　　　Hv—硬度；
　　　　　　σb—材料拉伸强度；
　　　　　　Re—雷诺数；
　　　　　　k0—材料表面状态系数。

1.2　爆炸焊接参数及其相互关系
　　爆炸焊接参数包括焊接前的初始参数（静态参数）和焊接过程的运动学参数（动态参数），初始参数对焊接质量的影响是通过运动学参数来实现的。初始参数包括炸药的爆速vD、安装间距s、初始安装角α等；运动学参数包括复板的运动速度vP、碰撞点运动速度vCP、复板的弯折角γ或碰撞角β等。根据Wyle等人［1］提出的焊接过程几何模型可得出焊接参数间的以下3个关系式：

β＝α＋γ
vP =2vDsin(γ/2)
vCP =vDsinγ/sinβ

　　按Deribas等人［1］提出的物理模型，运动学参数与初始参数间有如下关系：

vP=1.2vD［(1+32R/27)1/2-1］/［(1+32R/27)1/2+1］

　　另外，由长期的试验和实践经验得出以下两个关系式［1］：

1/β=a0+b0/R
s=0.2(He+Hf)

式中　R单位面积炸药质量与复板质量的比值；
　　　　　　a0、b0—试验常数；
　　　　　　He 、Hf—炸药和复板的厚度。

1.3　不锈钢-钢爆炸焊接参数
　　利用焊接的边界条件和焊接参数间的关系式，采用计算机辅助设计，并通过试验修正，可得到合理的爆炸不锈钢复合板的爆炸焊接参数。对于300系不锈钢与低碳钢的大面积爆炸焊接，成熟的爆炸焊接工艺与参数为：α＝0°（平行法安装）；采用低爆速炸药（vD=2000～3500m/s），点状起爆或线性起爆；vP＝300m/s,vcp=2400m/s,β=7.2°。

2　爆炸不锈钢复合板的材料选用和性能分析

2.1　材料的选用和交货状态
　　石油、化工行业使用的爆炸不锈钢复合板，其复层不锈钢大多采用304、321、316L等300系不锈钢，也采用0Cr13、0Cr13Al、SMO254（Cr20Ni18Mo6Cu）、2205(0Cr22Ni5Mo3N)、G817（0Cr13Ni5Mo）等特种用途的不锈钢;基板大多采用Q235A、Q235B、20G、20R、3C、16MnR，偶尔也用SB42和15CrMoR等低碳钢。复层厚度一般为2mm或3mm,某些管板为5～12mm；基层厚度大于8mm,板面尺寸不小于1500mm×6000mm；复层不锈钢板有拼板和整板两种情况。爆炸不锈钢复合板的交货状态一般为正火态，某些特殊材料为中温退火态，管板一般为爆炸态。
2.2　界面分析
2.2 .1界面的复合状态
　　界面复合状态通常采用全面积100％超声波探伤检验的方法进行检验，对于复层不锈钢未经拼焊的大面积爆炸不锈钢复合板，其未复合区域一般出现在起爆点（垂直碰撞）和边缘部位（边界效应）。对于复层不锈钢经过拼焊的大面积爆炸不锈钢复合板，焊接应力造成的复板瓢曲，可通过改进爆炸焊接工艺，使之获得与前一种爆炸不锈钢复合板同样的复合状态。图2是大面积爆炸不锈钢复合板界面复合率的统计分布曲线，从中可以看出，复合率超过99％的爆炸不锈钢复合板占总数的98％以上，其交货态复合率均为100％。

图2　界面复合率统计分布曲线

　　表1是国内外标准中规定的不锈钢复合板界面复合状态。由表1、图2可知，爆炸不锈钢复合板界面复合状态完全能满足国内外标准的要求。

　　表1　国内外标准对不锈钢复合板界面复合状态的要求

图3　爆炸不锈钢复合板界面结合特征

2.2.2 界面结合强度
　　用剪切强度和拉脱强度（按GB/T6396进行）评定界面的结合强度。表2是几种爆炸不锈钢复合板的拉脱强度，表3是国内外标准对不锈钢复合板剪切强度的要求。图4是大面积爆炸不锈钢复合板剪切强度的分布曲线，由表3和图4可知，爆炸不锈钢复合板剪切强度的稳定值在240～360MPa之间，远高于国内外有关标准的要求；由表2可知，爆炸不锈钢复合板的拉脱强度同基板的拉伸强度相当。可见，爆炸不锈钢复合板的界面，不仅结合强度高，而且焊接牢固。

表2　几种爆炸不锈钢复合板的拉脱强度　MPa

表3　国内外标准对不锈钢复合板剪切强度的要求　　　　　　MPa　

图4　剪切强度分布曲线

　　表4　爆炸不锈钢复合板拉伸性能统计分析结果

图5　爆炸不锈钢复合板冲击功分布曲线

2.3.3　冷弯性能
　　不锈钢复合板的冷弯性能表征了通过爆炸焊接获得的复合板的变形能力和界面结合强度。内外弯试验（按GB/T2975、6396进行）结果表明，经过合理的热处理后，爆炸不锈钢复合板弯曲试样的内外表面均完好，无裂纹，界面无分层。
2.3.4　晶间腐蚀性能
　　对不锈钢复合板的复层进行晶间腐蚀试验（按GB/T3280、4237进行），结果表明，不锈钢复合板没有晶间腐蚀倾向。

3　爆炸不锈钢复合板在石化设备上的应用

3.1　应用状况
　　爆炸不锈钢复合板在石化设备中主要用作耐蚀容器的壳体和管板。表5列出了不锈钢复合板在石化设备上的部分用例，从中可以看出，最早生产的爆炸不锈钢复合板已使用了十几年。对克拉玛依炼油厂常减压蒸馏装置减压塔、天津炼油厂溶剂罐、济南炼油厂常减压蒸馏装置减压塔所用的爆炸不锈钢复合板进行了质量跟踪，未发现分层、鼓包等现象，内件与内壁连接的焊缝也完好、无裂纹，附近的复合板仍保持着良好的结合状态。

　　　　　表5　爆炸不锈钢复合钢板在石化设备上的部分用例

　　另外，石化设备制造中常用的一般加工方法都适用于爆炸不锈钢复合板，例如，可用锯切、火焰切割和等离子切割等方法下料，可进行各种冷热成型加工、各类机加工等。
3.2　经济性
　　(1)与碳钢相比，采用爆炸不锈钢复合板可以根据石化设备内的介质腐蚀性的强弱，通过选用合适的不锈钢作为复层，达到延长设备使用寿命，减少维修次数的目的，从而具有经济性。
　　(2)与不锈钢相比，采用爆炸不锈钢复合板可以根据石化设备的不同强度要求，选择合适的钢板作基材，从而节约价格昂贵的不锈钢，达到降低造价的目的。
　　(3)与碳钢＋衬里不锈钢相比， 由于爆炸不锈钢复合板界面是全面积的冶金结合且结合强度高，可在设备内件的连接上简化制造工艺，同时减少设备的维修次数。
　　(4)与进口复合板相比。 国产的大面积爆炸不锈钢复合板的性能达到甚至超过了国外复合板的性能，且价格便宜30％～40％，同时还缩短了设备的制造周期。

4　结束语

　　爆炸法生产大面积不锈钢复合板，具有生产工艺简单、产品规格齐全、不锈钢复合板的界面复合状态好、结合强度高等特点，通过合理的热处理工艺还可以恢复基板原始的力学性能和耐蚀性能。爆炸不锈钢复合板还具有优良的综合加工性能，在石化行业得到了广泛的应用，是石化设备等的首选材料

雷玉成　郑惠锦

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
中图分类号：TG456.2　　文献标识码：A　　文章编号：1007-1741(2000)01-0061-04

LEI Yu-cheng, ZHENG Hui-jin
(School of Materials Science and Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang,Jiangsu 212013,China)

　　Abstract：Force analyses of the liquid metal in the keyhole pool are made to formulate preliminarily the weld formation in keyhole mode vertical position PAW and to find out the influences of welding conditions on the weld formation.The findings lay a foundation for further research into the weld formation in the keyhole mode vertical position PAW . The test result shows that whether the keyhole exists steadily in a workpiece throughout the welding is the premise of the weld formation and that the flow of the liquid metal in the keyhole pool is of great importance to the weld formation on the front and the back sides . Based on the above analysis and experimental result,it is pointed out that if the welding current and the flow rate of plasma are too high, a cutting is formed, for the contraction rate of the lower pool is lower than the expansion rate of the upper pool,but if the welding current and the flow rate are too low, the workpiece is not penetrated . The high crowns and widths of the weld on the front and back sides are controlled by adjusting the current and the distance from the nozzle to the workpiece.
　　Key words: plasma welding；vertical position welding ； keyhole pools

　　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1　立焊穿孔熔池断面示意图
Fig.1　Cross section of the keyhole pool with
vertical position welding

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.
　　(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.

图2　立焊焊缝示意图
Fig.2　Weld of vertical position welding

图3　穿孔熔池受力分析图
　　Fig.3　Force diagram of the keyhole pool

　　(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<Pr，穿孔下半部逐渐收缩，当穿孔下半部的收缩速度等于穿孔上半部的扩张速度时，穿孔直径不变，穿孔保持动态稳定.

图4　穿孔熔池形成焊缝时的受力分析图
Fig.4　Force diagram when the keyhole pool forms a seam

　　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5　形成切割后的焊缝成形
Fig.5　Cutting formation

　　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.

(责任编辑　王丽伟)

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.