钢桶缝焊工艺参数计算（2）

解放军第七四三四工厂 张世强

四、参数I、P、t与焊接强度的关系

1．在其它参数不变的条件下，焊点的强度和通电焊接时间t关系，见图5。通电时问t增大则焊接强度σ也增大．在P=6000(N),t=0.5(s)时只产生塑性变形，焊接区的温度不稳定，焊接强强度σ也不稳定。在B点以后才出现稳定的趋势，但这种稳定与材料的成份和厚度有关。若t值过大，则焊核不易形成，出现金属进溅，故通电焊接时间t直接影响焊接强度σ。

图5

2．电极滚轮压力P对焊接强度σ的影响

接触焊时，P值影响R触，从而影响焊接热量的产生。焊接热量关系到焊核的形成好坏。当P值过大时，不能形成焊核，使焊接强度σ下降；过小时，不能使工件产生塑性变形。在电流I为一常量的情况下，能使金属有一预压和锻压力即可，见图5。

3．焊接电流I直接关系到焊接强度，与强度σ成正比，但不宜太大，否则焊接强度下降。其值与材料性质有关。

五、根据机理分析推出关键的工艺参数计算公式

关键的工艺参数有以下几个：电极工作表面形状和尺寸多焊接时间；焊接热量指数值，电极压力值；搭边宽度等。

对于点焊和缝焊两种形式，其缝焊是断续通电焊接，其实质是点焊时焊核的连续重叠，缝焊的焊核重叠率为45-50%。见图6。

图6

1．电极工作表面形状和尺寸

(1)点焊。为了保证焊点有一定的熔化核心，其核心直径和焊透率公式如下：

d核＝2δ+3 （12）

式中：

d核——焊核直径（mm）；δ——两焊件中焊件厚度（mm）

所谓焊透率是指熔化核心的深度h和焊件厚度δ的百分比。通常焊透率为50-70%。数学关系式为：

h=(0.5～0.7)δ

公式(12)其电极工件表面形状见图7。计算公式：

d极＝d核/(0.9～1.4) (mm) （14）

式中：

d极——点焊电极直径（mm）；d核——焊核直径（mm）

图7

(2)缝焊。采用直径小于300mm的铬错铜滚盘，，其滚盘宽度B，见图8。B的确定用以下的公式，

B≥d核/0.9 （15）

参数取下值0.9主要考虑接触面积。

图8

2、焊接时间

(1)点焊的焊接时间。根据有关手册对于低碳钢是一个常量，因厚度不同而不同。大致t＝0.2-0.6(s)。点焊间距C点=25d核。

(2)缝焊时间。缝焊一个周期的时间应是焊接电流脉冲时间t焊与休止时间t体之和。

t=t焊+t休 （16）

每种材料在一个焊接周期中t焊和t比值是有—定范围的。

碳素钢 t焊＝(0.5-0.7)t，铝合金 t焊=( 0.5--0.35 )t

根据经验通常取低碳钢

t焊=0.5t （17）

每一个焊接周期的总时间t可根据焊接间距C和焊接速度V而决定，对于气密性要高的产品，其焊点的间距C比焊核直径小50%。缝焊间距c缝=(1/2)d核，据公式(12)可得：

c缝=(1/2)(2δ+3)=δ+1.5 （18）

焊接一个周期总时间t的公式如下摹

t=60c/1000＝0.06c/v （19）

式中：

t——焊接一个周期总时间(S)；c——间距( mm)；V——焊接速度(m／min)，通常V被缝焊机的速度所限制，一般为0.9-1 m/min，为了保证焊接质量取v=0.9m／min。

如果以缝焊机的交流电周期计算，周期数Z

Z＝0.06fc/v （20）

因为 f＝50Hz，所以公式(15)为

Z=3c/v （21）

低碳钢焊接时引用公式(16)、(17)则

t焊＝t休＝0.03c/v （22）

根据公式(17)和(21)简化为：

Z焊=Z休=1.5c/v （23）

式中：

Z焊——焊接周数。Z休——焊接休止周数。

3．根据公式(13)和上述焊接材料塑性变形的原理，应用材料力学和冷压变形的理论推出以下的公式：

P=SKδδ （24）

式中：

P——电极压力值(N)；S——上下电极在接触焊接区的投影面积(mm2)；δ——焊接材料厚度(mm)；K——修正系数。对于低碳钢K=20～40N/mm2。

在实际计算中为了简便，对于缝焊将其接触面积视为以滚轮宽度B的圆面积，即

S缝=(1/4)πBB ( mm2 ) （25）

对于点焊：

S点=(1/4)πd核 (mm2) （26）

4．焊接热量指数 主要是针对缝焊情况丽言p根据焊接原理引用公式(2)、(4)、(11)，根据热平衡定律则：

Q吸＝Q （27）

Q吸＝mc△t

m=2Sδg （g——比重）

式中：

在计算时，根据缝焊有20－30%电流分流。

Q=1.3Q吸 （28）

缝焊机热量指数是指热量的调节范围，通常有12个档，调节范围在55～100%之间，每档的调幅为：

Φ＝(100～55)×100%/n＝45×lOO%/n （29）

式中：

Φ——每档调幅值(%)；n——热量指数档位数。通常为12。

热量百分比＝Q吸/Q×100% （30）

热量变化幅值＝热量百分比—最小调节百分数(55%)

推出热量指数公式：

Y=（热量变化幅值+10%）/Φ （31）

考虑到电网电压变化其Y值加10%。

5．搭边宽度 搭边宽度为L,见图9。点焊的搭边宽度和缝焊的搭边宽度为：

L点＝L缝=2d核 （32）

图9

六、运用缝焊理论实施改进措施

1、点焊和缝焊两种焊接计算工艺参数选用。例我厂150L黄磷钢桶均采用厚度为1.5mm低碳钢板。

(1)选用点焊电极直径。见图7，引用公式(12)：

d核＝2δ＋3

因为 δ＝1.5mm 所以 d核=6mm

运用公式( 14) d极=d核/(0.9～1.4)

在计算中取中值 d极=d核/1.2=6/1.2=5mm

取电极直径为φ5mm。

①确定点焊间距

C=25d核＝25×6＝150mm

②确定点焊搭边宽度。运用公式(32)：

L点＝2d核＝2×6＝12mm

确定点焊电极压力，运用公式(24)和，(26)

P＝SKδδ＝28.26×20×1.5×1.5＝1272(N)

式中S=(1/4)πd核·d核＝(1/4)×3.14×6×6=28.26 mm2

K选用20N／mm2；δ=1.5mm。

(2)确定缝焊工艺参数

①确定缝焊电极的形状和尺寸e其形状见图8，运用公式( 12)计算出d核=6mm再应用公式(15)进行计算。

B≥d核／O.9=6/O.9=6.7 (mm)

即 B≥7,则选择B=8(mm)

②缝焊时间 运用公(18)计算间距c

c=δ+1.5=1.5+1.5=3 (mm)

焊接时间引用公式(19)则：

t=0.06c/v=0.06×3/0.9＝0.2 (s)

运用公式(17)、t焊=0.5t＝0.1 (s)

缝焊机焊接和停息周数，则引用公式(23)

Z焊＝Z休＝1.5c/v＝1.5×3/0.9＝5

⑧电极压力 应用公式(24)、(25)则：

P=SKδδ＝50.24×40×1.52×1.5=4521(N)

式中：S缝=(1/4)πBB =(1/4)×3.14×8×8＝50.24 (mm)

K取大值40N／mm2。

④热量指数 首先对材料进行化学成份分析见下表：

引用公式(2)碳当量为：

C%=C+(1/16)Mn+(1/24)Si=0.041+(1/16)×0.462+(1/24)×0.241=0.079

查Fe-Fe3C，相图，Tm=1135℃，再代入公式(3)，则△T=Tm－200℃＝935℃，根据计算用公式(4)算出Q吸：

Q吸＝mc△t=1227（卡）

式中：

C=0.46×103(J／kg℃)

△t=935℃

m=2Sδq=11.8×10(-3) ( kg)

低碳钢密度q=7.85g/cm

对于缝焊机放热Q，用公式(28)则

Q=1.3Q吸=1595(卡)

用公式(30)算出热量百分比：

热量百分比=Q吸／Q×100%＝76%

热量变化幅值=热量百分比－最小调节百分数＝76%－55%=21%

式中：最小调节百分数通常为55%。

因为我厂采用FN-150-5缝焊机，其热量变化有12个档。用公式(29)。再用公式(30)热量指数Y为：

Y＝(热量变化幅值+0.10)/Φ＝8

通过以上的计算，还可用公式（11）箅出应选择次级电压值。

因为Q=0.24P电t， P电=V2I2

所以 V2=Q/0.24tII=6.04 (V)

式中，Q=1595（卡），t=0.1(S)，I2=11000(A)。

综合上述计算，其工艺参数如下：

(1)点焊机工艺参数

①电极直径：φ5mm；

②点焊间距：150mm；

③搭边宽度：12mm；

④电极压力：1272N。

(2)缝焊工艺参数

①电极滚轮宽度：8mm；

②焊接周数：5；

③焊接停息周数：5；

④电极压力：4520N；

⑤热量指数：8；

⑥次极电压：6v,选用6.04v。

2．调整上下电极轮的轴和套，对已烧蚀部位进行修整或更换。重新配制蓖麻油和石墨比例为1:3的糊状润滑剂，既保证了其导电性，又保证了轴和套具有良好的润滑条件。使其使用寿命提高了3-4倍。

3．重新调整缝焊机下电极臂，并增设了上下左右调整螺钉。使上下电极轮轴线误差不超过±4.5mm，调整误差为±0.5mm，见图10。使两轮接触面积大于80%。使焊缝均匀，变形量降低。

图10

4．修正缝焊机上轮。用T8A材料进行加工，热处理HRC60～65。达到了技术要求，能比较好的对上下电极滚轮进行齿形修正，并保证了上行电极轮齿形平行。

5．规定每班生产前进行电极滚轮空转，修正齿形0.5～1小时。每焊接1500只桶加注一次蓖麻－石墨润滑剂。

七、结论

去年我厂按上述方法确定焊接工艺参数和实施其他措施后，焊接合格率为99.4%，产品合格率为98%。其焊缝外观齿形清晰，均匀，至今仍在正常生产。

今年4-6月份对板材厚分别为0.8-1.2mm三种材料所加工的50L、100L、200L三种规格钢桶的桶身进行了点焊和缝焊，其合格率为99.5%。为在150L黄磷桶生产线上生产多品种钢桶提供了条件。

参考文献

1．《金属工艺学》，谈荣生等，江苏科学技术出版社，1981年。

2．《焊接技术》，《焊接技术》编写组，国防工业出版社，1981年。

3．《金属材料及热处理》，史美堂，上海科学技术出版社，1985年。

4、《焊接数据资料手册》，傅积和等，机械工业出版社，1994年6月。

5．《实用焊接手册》北京市技术协作委员会，水利电力出版社，1983。