疊裝硅鋼片鐵心的氬弧焊工藝
陳天殷（杭州儀表電機廠）
隨著家用電器及小型、微型特種電機生產的發展，用惰性氣體保護電弧進行焊接，在電機電器行業得到日益廣泛的應用。近年來，以氬氣作為保護氣體的氬弧焊已成為硅鋼片鐵心制造過程中一種較先進和較成熟的工藝方法。它具有勞動生產率高，焊縫品質好，易于自動連續生產等一系列優點，正在許多場合取代傳統的扣片和片間榫接等方法。
1 氬弧焊工藝的優點
a．操作方便，能連接將10余片鐵心一次迭裝焊接，生產效率高，能保證工作所需要的機械強度和剛性；
b．氬弧焊焊弧的熱量較集中，熱影響區小，工件變形小。焊縫設計合理，工藝符合規范，可使工件內應力小，時效影響甚微；
c．焊件有很好的整體性，保證工件形位公差。并降低電機運行時鐵心機械振動噪聲；
d．焊縫有較好的可拆性，出現問題可以返修2～3次；
e．焊縫有良好的氣密性，可適應密封電機外殼焊接等特珠環境使用要求。
電機生產中采用電弧穩定的直流氬弧焊，電極采用鎢棒，不用有放射性的釷鎢棒。電極在焊接中雖有一定蒸發，但不熔化，這種消耗較少的氬弧焊，茌國外用“TIG”表示，以區別用“MIG”表示的熔化極氬弧焊。用“MIG”時電極除引起電弧放電、熔融工件焊縫區外，同時本身又不斷熔化作為焊縫的填充材料，所以兩者焊縫設計及工藝都有較大的差別。 ．
2直流氬弧焊設備簡介
圖1表示直流氬弧焊的示意圖，項1為外特性（伏安特性）可控的直流電源，它是帶磁放大器的硅二級管三相橋式整流半自動直流焊接電源；2、3為監測用的直流電流電壓表；4為用以引燃電弧的高頻振蕩器，高頻電流在電極與工件間高頻放電接通焊接回路，起弧后切斷高頻電源；5 為焊圖1氪弧焊示意圖槍中心的鎢桿電極，接負極，根據焊接時工作電流大小選擇不同粗細，電極端部需磨成一定形狀和角度；6為用來夾持鎢電極的焊槍，中間通以氬氣流，保護熔池及其附近母材免受空氣侵襲，并保證電弧在氬氣流中穩定燃燒；7為電極，與工件間產生弧光放電，稱為電弧；8 為工件，接正極，這種焊接方法稱為“正極性焊接”；9為浮子式流量計，用以監控通入焊槍的氬氣流量；10為保護氣體氬氣瓶，****壓強為150kg／cnr (1500MPa)根據標準應外涂灰漆以區別于其他氣瓶，11為氬氣流；12為接地線。
直流電源的主體是具有E形鐵心的磁放大器，wj，小直流電流控制，無級調節大直流電流變化，電機定子鐵心氬弧焊工作電流小于200A，控制電流僅數百毫安至數安。
3氬弧焊的工藝基礎
3.1 氬氣保護焊
惰性氣體保護電弧焊應用于電機鐵心焊接，電機界近年已積累了一些經驗，使用最多的惰性氣體是氬氣。用氦氣不僅成本較高，而且起弧困難，非惰性氣體如氮氣、氫氣和二氧化碳雖易獲得和較經濟，可用作鋼板機殼的焊接。但CO，對硅鋼鐵心會造成焊口局部組織碳化，影響機械強度：也就不易產生氣孔等缺陷。焊接時氬弧十分穩定，電弧熱量集中，熱影響區小，所以很適合疊裝鐵心對高強度、低肉應力和使鐵心電磁性能改變小的要求。
3.2電極
不熔化氬弧焊中的陰極受正離子轟擊溫度很高，形成熱電子發射，不斷向電弧空間發射電子，而且電極自身要保持不熔化狀態，因而要求作陰極材料的金屬具有熔點高、蒸發低和發射電子能力強等性質。會使逸出功大幅度下降，電子發射比純鎢高很多倍。釷鎢絲或敷釷鎢絲常作為白熾燈燈絲以獲得的發光效率，作為中間產品的釷鎢桿曾被用作電極，有良好起弧保弧性能。近年發現，釷鎢桿在弧焊中蒸發出含有日射線的釷粉塵，混在空氣中，吸人人體形成內照射，釷的oc射線半衰期非常長，對人健康有害（嚴重影響腎功能），所以嚴禁用釷鎢棒作電極。而鈰鎢棒也有很好的熱電子發射能力，雖成本較高但沒有放射性，且微量稀土金屬元素進入熔池后對焊縫性能改善有利。鈰鎢電極對常年從事氬弧焊的人體電離輻射量小于100，所以不必為放射性侵害而擔憂。
3.3弧光放電
鐵心生產采用正極性不熔化鎢極氬弧焊，工件與直流焊接電源正極相連接。一般電弧焊用電極觸及工件引起弧光放電，但短路電流很大，與正常焊接電流間有較大突變，不利于焊縫質量和設備壽命。
采用高頗電壓引弧，間隙中由于高頻電火花擊穿電極與工件間不導電的空氣，引起電離，正離子轟擊陰極，使陰極溫度迅速上升．能發射大量電子，電弧便被引燃。高頻放電雖是一只簡單的火花式振湯器，卻有足夠的強度，足以引燃起弧，起弧后即可切斷高頻電，源。照高頻引孤和弧光放電都會產生臭氧，它對人體有害．須采用適量排風罩或特制口罩等防護措施。
圖2表示出電弧兩個同心區的剖面圖，中間是熱電離的等離子區，環繞著的弧焰區內發生正離子和電子復合形成原子。氬弧焊中陰極位降U，小于氣體激勵電位U，熱電離是氣體電離或原子電離的主要方式，它是由于弧柱區電子和中性粒子之間經過多次碰撞而提高了該空間的溫度。
弧柱是電弧長度的主要部分，這個區域內電子與正離子的濃度是一樣的，所以又稱疊裝硅鋼片鐵心的氬弧焊工藝等離子區。它具有良好的導電性，弧柱電壓 金屬高速焊接氦弧比氬弧好。P較小，弧柱電位分布近于直線，因此UP與弧柱長度成正比。弧長2.5mm，弧壓10.9V，弧流200A，等離子區溫度可以高達5500k以上。充分熱電離的結果，不僅放出氬的電離能量和電子動能，在弧柱區受熱激發的氬原子回到穩定狀態時也放出能量，這些能量的一部分以連續光譜形式輻射出來，見到的刺眼白光是其中連續光譜的一部分；還有看不見的光線，如較強的紫外線，其強度大于普通電弧焊的數倍．所以會造成眼干和皮膚裸露部分發紅甚至脫皮，工作時應采取屏蔽弧光措施。
電子撞擊陽極，陽極所獲得的總能量比陰極大，因而常采用工件接正極的正極性氬弧焊。電極若接正極，電極容易燒熔、使焊接無法順利進行，而且同樣直徑電極負極性的工作電流為正極性的1／4～l／6。交流氬弧焊電極通過電流的容量介于直流正接與反接之間。
圖3表示直流正接不熔化純鎢氬弧焊氬弧弧長改變時，弧壓變化，正極接硅鋼片鐵心。圖3表明氬不僅比氦容易電離，容易起弧；在給定電流下，氬弧工作電壓低。弧長改變引起弧電壓變化也比較小，因而即使在手工操作時孤長偶然改變氬弧很穩定，電弧熱能輸出變化較小。但對較厚斷面和高導熱
4氬弧焊焊口型式的設計與工藝
電機硅鋼片鐵心的焊接與一般機械、儀表零部件不同，它是將散片壓裝后焊接，再松開工裝，依靠焊縫來固接鐵心沖片。除要保證一定的機械強度、剛性外，還須保證焊后幾何尺寸和形位公差符合圖紙要求。焊縫兩側不允許扇翹。
4.1焊口位置
焊口位置的確定和形狀設計應保證焊接及冷卻后造成不均勻應力最小，形位公差幾何尺寸變化最小，可圖4五種沖片進行比較。一般65mmx 65mm以下鐵心焊縫可以選兩條；砸120mm以下可以有四條焊縫，大于120～150mm可以有六條焊縫。焊縫位置的安排的基本原則是，要從鐵心熱容量觀點將它在整體周緣上均勻分布，保證焊接發熱傳導和冷卻散熱時，體積膨脹收縮均勻，不致造成定子內孔失圓，圖4為幾種鐵心的實例  
(a)單相電容式風扇電機
(b)小型三相水泵電機
(c)電阻起動異形槽耐氟電機(90—125W)0.02mm(內徑40～66mm)。
(d)單相罩極電機6-12f.s
(e)電阻起動異形槽耐氟電機,(250—600W)
圖4五種不同鐵心的焊縫布置行。用手工焊接、半自動單縫焊接只要操作時對角順次進行，一樣可以得到品質符合要求的焊件，只是速度較慢。
4.2兩種典型的焊口形狀
圖5是多種鐵心上通用的一種焊口形狀。該U形工藝槽中間縫半圓突起其半徑R=(0.3～0.5)以d為鎢或鈰鎢棒直徑。凹槽的目的是保證保護氣體留存的工作空間，以免逸散，更好形成熔池和焊縫。
當氬弧焊用于焊接全封閉電機08F -類鋼板外殼時，采用焊接時外裝擋氣板（見疊裝硅鋼片鐵心的氬弧焊工藝圖6），大多采用紫銅材料。擋氣板的作用也是為了反射從焊槍咀中流出的氬氣，以利于熔池附近形成良好的保護區，增加被焊工件的散熱面積，因而起到縮小或消除氧化區域。
4.3基本工藝因素
氬弧焊工藝的三要素是氬氣流量、工作電流、工作速度。
4.3.1氬氣流量與焊接工作電流
手工和半自動氬弧焊焊咀直徑一般為8～14mm，焊咀口到工件間距離約為焊咀直徑或略小些，這樣在操作時既有良好的保護效果，又不妨礙工人觀察焊縫的成形。
焊接時，由于電弧溫度很高，對氣流質點有熱擾動的作用，會破壞保護氣體的層流性，使空氣容易進入焊接區。但氣流溫度升高，氬氣的粘滯系數加大，使雷諾數變小，對氣體層流又有穩定作用。相比之下，仍是前者的作用為主。當電弧的流增大時，焊接區熱能增加，需要相應增加氬氣流量才能保證良好的保護效果。如當焊接電流100A時，氬氣流量約需6～8L／mm，每增加10A，氣體流量約需增加0.5L／min，見圖7。
4.3.2工作電流與焊接速庋
工作電流是隨工件焊縫形式、鐵心厚度（熱容量）材料導熱性等物理性質而不同的。焊接速度大時，工作電流也要大些才能完成焊接。手工氬弧焊手握焊槍不易保持電極與工作間距離。工件或焊槍移動速度宜選得慢一些，以便控制住弧長，因而工作電流亦應小些。對于自動氬弧焊按操作程序起動、通氣、引弧，工作電流緩緩增至予定規范，同時工件（或焊槍）自動進給，自動控制一定弧長。焊畢，工作電流緩緩下降，熄弧，切斷氬氣通路，它的工作電流可比手工氬弧焊大一倍，焊接速度也高，半自動氬弧焊焊接速度和電流介于它們之間。
焊接速度的確定可先根據焊縫型式尺寸、鐵心熱容量選定工作電流和實用較省的氬氣流量。起始時，運動速度稍快，引燃電弧后，再把速度慢慢調小，到熔池的熔寬等
于工件設計焊縫寬度時最為適當。在一定焊接電流下，焊速過慢會增加熔寬，甚至使熔縫橫斷面呈蘑菇狀，焊縫表面魚鱗紋間隔大，顯得粗糙，熱影響區大，造成過大的內應力和變形。
焊接時，工件焊縫與焊槍相對運動，焊槍噴射出的保護氣體流，因空氣阻力在移動方向上保護性能下降，隨焊接速度增大，保護氣體偏到一邊，使熔池得不到保護，如圖8所示。因此當增大焊接速度時必須相應增大氣體流量，以提高保護氣體的“剛度”。但流量過大，形成流，空氣卷入熔池，就適得其反。
一般如llOmmx 90mm疊厚40mm左右硅鋼片鐵心焊接如圖5尺寸U形工藝槽，鎢棒直徑(D2mm，工藝規范是
a．電流大小取決于鎢極直徑，每毫米直徑鎢棒，取電流30—35A;
b．氬氣流量宜取4～6L／min;
c．焊接線速度110—120mm／min;
d．鎢極外伸長6—8mm，鎢棒端部與工件焊縫間距1.5—2mm。
4.3.3電極及其末端形狀
為了得到大電流容量、小損耗和容易起弧電弧穩定，曾作過較多的研究實踐。
帶****的電極容易起弧，但當工作電流較大時，電流端部電流密度很大，而發生過熱狀態，甚至出現局部熔化，電弧在平板上吹得較散；而磨成180度（平面），增大了陰極斑點面積，是熱量集中的極端狀態，射出電弧直徑較小。電極直徑選得適當，電極末端又有合適的角度和形狀，對提高焊縫質量有顯著成效。
實踐表明，圖9的形狀有較佳的焊接效果。
4.3.4氬弧焊接工藝流程
氬弧焊接工藝流程分為準備、焊接、檢驗三個步驟。
4.3.4.1 焊前準備
a．清潔
用裝壓用裝夾工裝疊工緊散片鐵心，可用鋼絲刷輪打磨沖片端面焊縫口、清除銹污。
b．高頻新弧
4.3.4.2焊接
在調整好合適的工作電流、氬氣流量和焊接工作速度下進行。
4.3.4.3檢驗
a．肉眼觀察焊縫表面有無氣孔、開裂和未熔合的地方，若有不合質量之處，可以手工補焊；
b．尺寸形位公差檢驗。定子鐵心以內孔不圓度和疊厚扇翹為重點。必要時調鏊疊疊裝硅鋼片鐵心的氬弧焊工藝裝壓力或焊接電流和速度（調節焊縫熔化區深度）。
5結 語
5.1引弧和熄弧
焊接設備電源為調壓器加電抗器，當接通焊接回路，高頻振蕩器開始在電極和工件間放電，引燃焊接電弧，這時供給高頻電源輸入電壓降低，使高頻火花放電不能維持，自動停止。電抗器的作用使焊接開始時，電弧電流自動緩緩上升到予先調好的工作電流，焊接完了又自動緩慢衰減到零，上升或下降時間可在0—5s之間。
引弧熄弧的狀況會影響一道焊縫的成敗，必須充分注意電流上升和衰減的速度。如果引弧時電極被玷污，必須在大塊金屬上弧光放電數秒鐘以清潔電極，否則會引起飛濺產生氣孔。硅鋼片鐵心對熄弧的弧坑較敏感。還有，疊裝鐵心上若有缺口破口片時，熄弧不當亦會造成火口裂紋。
5.2 氬弧焊的操作
5.2.1立焊比平焊較難得到好的焊縫質量，應盡可能采用平焊焊接。
5.2.2補修時總是采用“指低燒高”，即對不平或端面焊縫應將電弧指向低處，燒高出的端部，使液體金屬流向低處，可以獲得光滑平整的焊縫。
5.2.3 電弧的形狀如圖2所示，它近乎一定角度的發散狀，當弧長加大時，弧所接觸的工件面積加大，但弧柱電阻加大，弧柱電壓升高，同一外特性下，單位面積電弧電流右所下降。即弧長加大使熔寬增加，可焊接較寬的焊縫，但熔池熔化深度卻下降，影響焊縫機械強度。
5.3氣孔的生成與消除
氬弧焊焊縫中氣孔～般很少，對硅鋼片品質較好，氬氣純度又較高時更如此。但當工件焊縫表面有嚴重玷污，造成黑褐色氧化物，即使重新修補亦會產生飛濺氣孔，氣孔出現減少了焊縫的工作斷面，降低機械強度；且焊縫的不均勻性亦帶來較大的形位公差。保證氬氣流量均勻，工作電流穩定、進給速度均勻、消除工作場所周圍強大的空氣流擾動、定時打磨鎢桿焊極等都是根除氣孔，保證焊接質量的重要措施。
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