图1立焊穿孔熔池断面示意图

图2立焊焊缝示意图

图3穿孔熔池受力分析图

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.
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