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钢桶缝焊工艺参数计算（1）
解放军第七四三四工厂 张世强
钢桶的桶身缝焊质量直接影响其产品的质量优劣。在去年6月25日，云南省进出口商品检验局对我厂生产的“9105”批产品进行抽查检验，合格率仅有50%。1000只钢桶不准外销，给工厂带来了经济损失，也影响了工厂的声誉在这种情况下成立了攻关小组。进行技术攻关。通过收集1-5月份钢桶的生产数量和质检部门的质检报告，经整理核查，运用数学手段进行了分析，提出了影响产品质量的主要因素是桶身的缝焊质量，故将改进桶身缝焊技术列为主攻目标。
一、分析缝焊质量不稳定的原因
通过在生产现场观察和取样分析，发现缝焊质量不稳定原因如下：
1．工艺参数选择不佳。在焊接始点和终点出现假焊，桶身在翻边后出现了微裂纹。进而，桶封盖时，在封卷轮封卷过程中桶身翻边处又发生弹性变形和塑性变形，致缝焊处出现不同程度的损伤和撕裂。在检测时，桶身丁字口处出现了渗漏。
2．焊接时，上、下电极滚轮接触面积小于80%，且缝焊齿印不清晰，在距卷边2.O-50mm处出现焊接击穿。
3．在始焊和终焊瞬时产生强烈的火花飞濒，影响了操作正确性，致焊道扭曲，焊接质量不稳定。
二、对缝焊机理进行分析
钢桶采用低碳钢薄板。其焊接主要采用点焊和缝焊两种形式，属压力接触焊。其焊接的机理相同，均属将需焊接的焊缝进行局部加温使之处于半熔化状态或塑性状态，然后再施加压力。在压力作用下，金属的晶粒之间产生相对滑移，冷却后塑性变形依然存在的一种焊接方法。
塑性变形程度取决于：金属所含元素的种类，即分子结构形式。另取决于变形的条件，即热挤压变形还是冷挤压变形。金属在接区的加热升温，降低了塑性变形的抗力，为晶粒滑移、组合提供了必要条件，而接触压力给焊接提供了充分条件。
其加热温度范围在Fe-Fe3C相图中奥氏体相，即固相线内。其焊接温度较固相线低200℃左右，终焊温度（指-焊接点）．在750℃～800℃之间，均可获得良好的焊接强度。接触焊的加热温度值非常重要，主要决定于被焊材料的碳当量，可根据该碳当量值在Fe-Fe3C相图（此相图本文略，从金属材料或热处理手册中查找）中查出在固相区的温度Tm。为便于计算碳当量引用国际焊接协会推荐的碳当量计算公式：
C（%）=C+(1/16)Mn+(1/24)Si+(1/4)Mo+(1/13)Cu+(1/5)Cr+(1/5)V （%） （1）
钢桶行业使用的低碳钢薄板，主要杂质为：Mn、Si、P、S。公式(1)可简化为：
C（%）=C+(1/16)Mn+(1/24)Si （2）
根据材料成份的化验结果运用公式( 2)算出碳当量值， 以确定在Fe-Fe3C相图中的固相温度Tm。其塑性变形温度公式：
△T=Tm-200 （℃） （3）
根据热力学原理，温度与热量之间转换遵循以下的公式：
Q吸＝mc△T （4）
式中：
Q吸——质量为m的物质达到△T所需的热量(J)；m——焊缝加热金属的质量(kg)；C——比热容。钢为0.46×103 (J/kg．℃)；△T——塑性变形所需温度(℃)
三、影响缝焊质量的主要因素
根据以上分析，焊接的实质就是焊缝区吸收的热量和缝焊机所发出热量之间的关系。这种关系同样遵循焦耳-楞次定律，其公式如下：
Q=0.24IIRt （5）
式中：
Q——电能所产生的热量 (J)；I——焊接时所需电流 (A)；R——焊接系统的电阻值 (Ω)；t——焊接通电时间 (s)
公式(5)中的电阻值是一个变量，采用不等参数的焊接，其值也不同。根据缝焊原理（压力焊）其系统电阻值R遵循以下关系：
R＝2R件+2R级+R触 （6）
式中：
R件——焊件内部电阻 (Ω)；R触——焊件间接触电阻(Ω)；R极——电极与焊件间接触电阻 (Ω)
根据公式(5)和(6)推出了影响焊接热量主要参数是：I、R、t三要素。在焊接某种金属材料时，其I、t可视为常数，而R值却是变量，R值的确定必须对其进行分别讨论。
1．R触是变量。被加热金属焊接区表面粗糙度值不均匀，且是未加工面，所以凹凸不平。在焊接时金属不是整个平面接触，而个别凸点接触。通电后使电力线在接触点附近产生弯曲、收缩，而增加了接触电阻。值大小与电极滚轮压力值、材料性质和表面状况有关。对于低碳钢有下列关系：
①电极压力P增大；则R触变小。电极压力P与R触成反比。见图1。
图1
②R触和焊接区温度Tm，电极压力P之间关系成正比，当其P=4500N，Tm=600℃时，其R触≈0。见图1和图2。
图2
2、电极与焊件之间接触电阻R极与接触表面质量和含碳量有关。其含碳量小，硬度低，则接触面积大。R极值导电率为85%，与逼电时间t的关系见图3。通电焊接时间t≈0.02s时，R极≈0。
图3
3．焊件内部电阻R伴是不均匀的，焊接时电流密度不均匀，主要遵循以下关系：
R件≈δρK1K2/DD （7）
式中：
δ——焊接件厚度(mm)；ρ——焊件材料电阻系数 (Q．cm)，低碳钢ρ＝15×10-6 Ω·cm；K1K2——修正系数
4．焊接时热过程
电流通过两电极滚轮对焊件放出的热量由两部分组成，一部分用于焊接区加温，是形成焊核所需的热量，称之为Q效，另一部分被冷金属工件和冷却液所带走，称之为Q损。缝焊机本身所发出的热功为：
Q＝Q效+Q损 （8）
其关系见图4。Q损只与加热所需的时间t有关。瞬时焊接Q损≈0。所以Q效≈ Q。
图4
Q效与电流和电阻成正比。通过以上分析公式(5)中的参数可以静态的进行计算。公式(5)中参数 IIR可根据交流电的有效电功率公式：
P电＝UIcosφ （9）
式中
cosφ——通常近似为1。
因为 P电＝UI＝IIR （10）
将公式（10）代入公式（5）得以下公式：
Q＝0.2P电t （11）
式中：
Q——热功率（J）；P电——电功率（VA）；t——通电焊接时间（s）
通过以上的分析，其影响缝焊质量的主要因素为：I、P、t已清楚。
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