焊接接头形成

1、焊接接头形成1、温度场的基本概念温度场一般地, 物体的温度分布是坐标和时间的函数。因此, 与重力场、速度场一样, 物体中存在的温度的场, 叫做温度场, 即物体中各点温度分布的的总称。温度场的分类若物体各点的温度不随时间变化, 这种温度场称为稳态温度场。若温度随时间而变化, 则称为非稳态温度场。等温线、等温面温度场中同一瞬时温度相同的各点连成的面称为等温面, 在任何一个二维的截面上等温面表现温等温线。温度梯度等温线法线方向上的温度变化率。焊接温度场的影响因素(1) 热源种类及规范(2) 被焊工件的热物理性质 1) 导热系数； 2) 比热容和容积比热容； 3) 热扩散率； 4) 比热焓； 5) 表

2、面散热系数(3) 焊件的形态(4) 热源作用时间和移动速度焊接温度场按热源作用方式可分为以下几类：2、焊接电弧简介§2.1 电弧的基本概念定义: 电弧是一种特殊的气体放电现象，它是带电粒子通过两电极之间气体空间的一种导电过程(电极与工件之间气体介质中长时间的放电现象)。作用: 实现了将电能转化为机械能、热能和光能。电弧导电机制与金属中自由电子定向移动导电机制不同的是, 电弧中电子、正离子、负离子都参与导电, 是复杂的导电过程。分区: 沿电弧方向电场强度分布不均匀, 分为三个区域: 阴极区、阳极区和弧柱区。(1) 阴极、阳极区尺寸很小, 约为10-2-10-6cm(2) 电场分布的不均

3、匀性表明电弧电阻的非线性。§2.2 电弧的产热1、弧柱产热(约占总热量的21%)带电粒子(电子和正离子)在电场作用下, 将电能转化成为热能: 电子的运动速度比正离子运动速度大得多, 因而从电源吸取电能转化为热能的作用几乎完全由电子来承担, 进而将电能转化为热能:特征： (1) 单位弧长弧柱的电能EI大小决定了弧柱产热量的大小。(2) 电弧处于稳定状态时，弧柱的产热与弧柱的热损失(对流>80%,传导和热辐射: 20%)处于动态平衡状态。2、阴极区的产热(约占总热量的36%)阴极区靠近电极或者工件，其产热直接影响焊接过程中电极或者工件所受到的热的作用。阴极区有两种粒子：电子和正离子

4、, 这两种粒子不断的产生、运动和消失, 同时伴随着能量转换与传递。但电子流占整个电流的99%以上, 所以电子流对于阴极产热影响很大。Pk=IUk-IUw-IUTUk阴极压降; Uw逸出电压; UT弧柱温度等效电压 3、阳极区的产热(约占总热量的43%) Pa=IUa+IUw+IUT 热量主要用于对阳极的加热和阳极的热量损失。阳极区和阴极区的热量主要用于加热填充材料或者焊件，是焊接过程可以直接 电弧温度、电流密度和能量密度轴向分布示意图利用的能量。§2.3 电弧的温度分布电弧温度、电流密度和能量密度轴向分布示意图 TIG电弧温度径向分布示意图(SUS304不锈钢) §2.4

5、电弧的能量密度能量密度采用某热源加热工件时, 单位面积上的有效热功率, 单位为：W/cm2。*同一工艺在不同的位置上的能量密度也不同;*能量密度大的时候, 可有效利用热源熔化金属,并减小热影响区, 获得窄而深的焊缝,有利于提高焊接生产率。3、焊丝(条)的加热与熔化§3.1 焊丝的加热、熔化*熔化极电弧焊：焊丝的熔化主要依靠阴极区(正接)或者阳极区(反接)产生的热量以及焊丝伸出长度上的电阻热。弧柱区产生的热量对于焊丝的加热熔化作用比较小。*非熔化极电弧焊：弧柱区产热熔化焊丝。*熔化系数：单位时间内通过单位电流时焊丝的熔化量g/(A.h)一、电弧热阴极区：Pk=IUk-IUw-IUT I

6、(Uk-Uw) Uk阴极压降; Uw逸出电压; UT弧柱温度等效电压(电弧温度6000K时: 小于1V)。焊丝接负时：焊丝的加热与熔化取决于(Uk-Uw)。很多因素影响阴极电子发射，即影响的Uk大小。阳极区：Pa=IUa+IUw+IUTIUw Ua阳极压降(电流密度较大时：近似为0);Uw逸出电压; UT弧柱温度等效电压(电弧温度6000K时：小于1V )。焊丝接正时：主要取决于材料的电子逸出电压和电流的大小。当电流一定时，由于电子逸出电压为常数，此时焊丝熔化系数为定值。熔化极气体保护焊时，焊丝材料为冷阴极材料，Uk>>Uw ，则Pk>Pw。所以同种材料，在相同电流的作用下，

7、焊丝作为阴极的产热将比焊丝作为阳极时产热多。因为散热条件相近，所以焊丝接负(直流正接)时比焊丝接正(直流反接)时熔化快。二、电阻热在自动和半自动焊时，从焊丝与导电嘴接触点到焊丝端头的一段焊丝（即焊丝伸出长度，称为干伸长，用Ls表示）有焊接电流通过，所产生的电阻热对焊丝有预热作用，从而影响焊丝的熔化速度。特别是焊丝比较细和焊丝的电阻系数比较大时（如不锈钢），这种影响更加明显。 Rs=Ls /S PR=I2Rs电阻热与干伸长的电阻以及通过的电流有关。材料不同，则电阻率不同，相应的电阻就会不同；因此在相同干伸长，相同电流条件下，电阻热也不同。*熔化极气体保护焊时，通常焊丝伸出长度Ls1030mm，对

8、于导电良好的铝和铜等金属，PR与Pa或Pk相比很小，可以忽略不计；而对于钢和钛等材料，电阻率高， PR与Pa或Pk相比很大。*用于加热和熔化焊丝的总热量Pm是单位时间内电弧热和电阻热提供的能量。§3.2 焊条的加热、熔化SMAW: 加热和熔化焊条的能量有: 电阻热、电弧热以及药皮中的某些化学反应热, 但后者一般仅占13%, 可以忽略不计。焊条的加热主要靠电弧热, 电弧用于加热和熔化焊条的功率Qe为: QeeUI 式中: e、U、I分别为焊条加热有效系数、电压和电流。焊条加热有效系数取决于焊接规范、电流极性、药皮成分和焊芯金属的过渡形态。焊丝:e=0.310.35, 焊条:e=0.20

9、.27。Qe中有一部分能量用于熔化药皮、焊芯端部液态金属过热以及传导到焊芯里使其与药皮温度升高。 SMAW: 焊接电流通过焊芯时产生电阻热, 将使药皮温度升高。焊芯和药皮的加热温度取决于电流密度、焊芯电阻、焊芯的熔化速度、药皮厚度及其成分等。*电流密度越大，焊芯达到温升越高。调节焊接电流密度是控制焊芯加热温度的有效办法。*焊芯的电阻越大，其温升越高。*焊条熔化越快，加热时间越短，其温升越低。*药皮的成分和厚度影响焊芯表面的散热条件。药皮厚度增加，药皮表面的温度直线下降，但增加了焊芯与药皮之间的温差，增加了药皮开裂的倾向。研究表明，调整药皮的成分，使焊条金属由短路过渡变成细颗粒过渡，可提高焊条的

10、熔化速度，降低焊接终了时药皮的温度。焊条的药皮一直是焊条研究的热点，到目前为止焊条药皮已有上万个配方。 严格控制焊芯或药皮的加热温度, 焊接结束时, 焊芯的温度不应超过600650ºC。采用正常焊接规范, 药皮表面温升不大,但采用大电流密度施焊时, 药皮温度升高, 将产生不良后果：*焊芯在电弧作用下熔化过分激烈, 飞溅增加;*药皮开裂，或早脱落使电弧不稳定燃烧;*药皮组分之间过早发生发应，丧失其冶金性能;*焊缝成形变坏，甚至产生缺陷。不锈钢焊条比较短：不锈钢电阻大。焊条的熔化速度是焊接生产效率重要的参数, 试验表明, 焊条金属的熔化速度是变化的: 由于电流对焊芯的预热作用, 焊芯的熔

11、化速度将越来越快, 终了时要比开始时大30。因此, 焊条的熔化速度分为平均熔化速度和瞬时熔化速度。式中: gM、 p 、I分别为焊条金属平均熔化速度、焊条的熔化系数和焊接电流。 p的意义为单位时间内单位电流熔化的焊条金属的质量g/h·A。 熔化的焊条金属并不是全部进入焊缝，而是有一部分通过飞溅等方式损失掉，引入“平均熔敷速度”的概念，用“单位时间内熔覆到焊缝金属中去的那部分金属的质量”表示。式中: gD、 H 、I分别为焊条金属平均熔化速度、焊条的熔敷系数和焊接电流。 电流密度较大时， P和H 都不是常数。 焊条的损失系数：如果药皮中含有金属添加剂，设其单位时间内进入焊缝的速度为 g

12、C, 则焊条的损失系数为： 药皮中金属添加剂可以减少焊芯金属的损失。 焊条瞬时熔化速度取决于两方面的因素:(1) 电弧在焊芯或焊丝端部析出的热能, Ha (2) 通过熔滴传递到焊芯或焊丝内的能量, Hc 提高焊条熔化速度的主要途径:1. 增加电弧在焊条端部析出的热功率;2. 获得高频细滴过渡传到焊芯上的能量减少;3. 使电弧活性斑点位于固态焊丝与熔滴的界面处有效加热;4. 在药皮中加入铁粉或其他金属添加剂;5. 适当增加电阻热的作用预热。4、熔滴过渡§4.1 熔滴定义、研究意义熔滴过渡的定义：电弧焊时，焊丝的末端在电弧的高温作用下加热熔化，形成的熔滴通过电弧空间向熔池转移的过程，称为

13、熔滴过渡。焊丝形成的熔滴作为填充金属与熔化的母材共同形成焊缝。因此，熔滴的过渡过程将对焊接过程和焊缝质量产生直接的影响。熔滴过渡的研究意义熔滴过渡直接影响焊接过程的稳定性、飞溅程度、焊缝成形的优劣和焊接缺陷产生的可能性;(工艺性能)熔滴的形态、长大时间、比表面积和温度对金属与熔渣和气体的相互作用过程具有强烈影响;(物理冶金性能)在一定条件下改变熔滴过渡的特性可以调节焊接热输入，从而可以控制焊缝金属的结晶过程，改变HAZ的尺寸和性能;(冶金过程)调整熔滴过渡可以提高焊丝的熔化速度。(生产效率)§4.2 熔滴上的作用力1、表面张力在焊条端头上主要保持熔滴的作用力。R熔滴半径; 表面张力系

14、数与材料成分、温度、气体介质等因素有关平焊时，表面张力阻碍熔滴过渡，因此只要能使F减小的措施，都有利于平焊时的熔滴过渡。*减小熔滴尺寸:使用小直径焊丝可以达到减小表面张力的目的;*减小表面张力系数:(1) 在液滴上加入有少量表面活性物质。液态钢中，最大的表面活化物质是O和S，纯铁被氧饱和后，表面张力系数由1220×10-3 N/m变为1030×10-3N/m。(2) 增加熔滴温度会降低金属的表面张力系数，从而减小熔滴尺寸。2、重力当焊丝直径较大而电流较小时, 在平焊位置的情况下, 使熔滴脱离焊丝的力主要是重力。重力大于表面张力时, 熔滴就要脱离焊丝。: 熔滴密度; R: 焊

15、丝半径立焊和仰焊时, 重力阻碍熔滴过渡。电磁力电流通过熔滴时, 导体(熔化焊条件下, 焊丝-熔滴-电极斑点-弧柱之间)的截面是变化的, 将产生电磁力的轴向分力, 其方向总是从小截面指向大截面, 此时电磁力可以分为径向和轴向两个分力。电磁力对熔滴过渡的影响取决于电弧形态:(1) 若弧根面积笼罩整个熔滴，此处的电磁力促进熔滴过渡；(2) 若弧根面积小于熔滴直径，此处电磁力形成斑点压力的一部分阻碍熔滴过渡。 1.焊丝, 2、4.电磁轴向分力, 3.电流线, 5.电弧等离子流力由于电弧推力引起高温气流的运动形成的力。电流较大时，高速等离子气流将对熔滴产生很大的推力，使之沿焊丝轴线方向运动，亦即等离子流

16、力总有是有利于熔滴过渡。斑点压力电极形成斑点时，受到电子(反接)或正离子(正接)的撞击力、金属蒸发反冲作用力以及电磁收缩力等力的作用而形成斑点压力。斑点面积比较小的时候，斑点压力常常阻碍熔滴过渡；斑点面积比较大的时候，笼罩整个熔滴，斑点压力促进熔滴过渡。熔滴爆破力当熔滴内部因冶金反应而生成气体或者含有易蒸发金属时, 在电弧高温的作用下, 使气体体积膨胀而产生的内压力, 致使熔滴爆炸而过渡, 这一内压力称为熔滴爆破力。熔滴爆破力促进熔滴过渡，但产生飞溅。电弧的气体吹力在SMAW中，焊条药皮中的造气剂、碳元素氧化而形成的从电弧根部吹向工件的力。此力有利于熔滴过渡。电弧力只有在焊接电流较大的时候,

17、才对熔滴过渡起主要作用, 此时, 高速等离子流力对熔滴产生很大的推力, 使之沿轴线方向运动。电流小时, 重力和表面张力对熔滴过渡起主要作用。§4.3 熔滴过渡的主要形式按照熔滴过渡形式可分为3类: 自由过渡 接触过渡 渣壁过渡自由过渡：熔滴经电弧空间自由飞行，焊丝的端头和熔池不发生直接接触。主要发生在GMAW中。主要有以下几种类型：接触过渡：焊丝端部的熔滴与熔池的表面通过接触而过渡。主要有短路过渡和搭桥过渡两种类型。(1)短路过渡: 在GMAW中，焊丝短路并重复引燃电弧，这种接触过渡成为短路过渡。(2)搭桥过渡: 在GTAW中，焊丝作为填充金属，与工件之间不引燃电弧。渣壁过渡与渣保护

18、有关，发生在埋弧焊时，熔滴从熔渣的空腔壁上流下。两种类型:沿熔渣壳过渡：发生在SAW。沿套筒过渡：发生在SMAW。熔滴过渡的特征参数 mtr过渡熔滴的质量; m0焊条端部残留熔化金属的质量; f过渡频率(次/s)；过渡周期(s, =1/f ); me过渡周期临近终了时熔滴的质量 (me=m0+mtr) 熔滴的比表面积熔滴的比表面积式中: Fg-熔滴的表面积; Vg-熔滴的体积; -熔滴密度。熔滴比表面积取决于其形状和尺寸。熔滴越细小, 其比表面积越大, 一般S103104cm2/kg。凡使熔滴变细的因素, 如增大电流密度、药皮中加入活性物质, 都可以增大熔滴比表面积。 对熔滴与气相、熔渣间的冶

19、金反应有很大影响，这是引入比表面积的主要目的。 熔滴的温度与热焓熔滴的温度是研究熔滴阶段各种物理化学反应时不可缺少的重要参数。迄今为止，还不能从理论上精确计算熔滴温度。实际测量表明, 对手工电弧焊焊接低碳钢而言, 熔滴的平均温度为2100一2700K。试验表明，熔滴的平均温度随焊接电流的增加而升高，随焊丝直径的增加而降低。目前主要测量方法有: 测热法、热电偶法、光学高温计法。熔滴的温度熔滴脱落的平均温度与焊接电流、电压电流极性、药皮厚度和成分等因素有关。*电流增大，温度升高；*焊丝直径增大，温度降低；*电压增大，温度升高；*正极性焊接熔滴的温度比反极性低。5、熔池的形成§5.1 熔池

20、的形状与尺寸熔池的定义在电弧作用下，母材上由熔化的填充金属与局部熔化的母材组成的具有一定几何形状的液体金属叫熔池。如不填充金属，则熔池仅由局部熔化的母材组成。熔池的形成*熔池的形成需要一定时间à过渡时期。*经过过渡时期以后，进入准稳定时期，此时熔池形状、尺寸和质量不再变化，只取决于母材的种类和焊接工艺条件，并随热源作同步运动。*熔池的形状与尺寸在电弧焊的条件下，准稳定时期熔池的形状类似于不标准的(双)半椭球体。熔池的宽度和深度沿X轴连续变化。在一般情况下, 随着电流的增加，而最大深度Hmax增大, 随着电弧电压的增加, Bmax增大。熔池的形状与尺寸熔池的长度L可由下式估算： LP2

21、UI式中: P2为比例系数。试验证明，P2取决于焊接方法和焊接电流。*熔池的形状和大小主要由电弧的热作用及其对熔池的作用力决定;*在电弧压力作用下熔池表面出现凹坑;*熔滴过渡机械冲击力对熔池的表面形状也有影响;*空间位置不同，重力、表面张力对熔池的作用不同;*工艺方法、焊接参数也影响熔池的尺寸;§5.2 熔池的质量与存在的时间熔池的质量(1) 手弧焊时熔池的重量通常在0.6-16g范围之内，多数情况下小于5g 。(2) 埋弧焊低碳钢时，即使焊接电流很大，熔池的质量也不超过100g。熔池存在的时间熔池在液态时存在的最大时间取决于熔池的长度L和焊速v: tmax=L/v。§5.

22、3 熔池的温度*熔池的平均温度主要取决于母材的性质和散热的条件。对低碳钢来讲,熔池的平均温度约为1770士100。§5.4 熔池中的流态运动状态熔池中的液体金属在各种力的作用下，将发生强烈的运动。正是这种运动使得熔池中的热量和质量的传输过程得以进行。*溶池中液态金属的强烈运动，使熔化的母材和焊条金属够很好的混合，形成成分均匀的焊缝金属。 *熔池中的运动有利于气体和非金属夹杂物的外逸，加速冶金反应，消除焊接缺陷(如气孔)，提高焊接质量。 *在液态金属与母材交界处，液态金属的运动受到限制，因此在该处常出现化学成分的不均匀性。 §5.5 焊接过程中熔池金属的保护一、保护的必要性为

23、了提高熔化焊焊缝金属的质量，就必须尽量减少焊接过程中焊缝金属中有害杂质的含量和有益的合金元素的烧损，从而保证焊缝金属得到合适的化学成分。因此焊接化学冶金的首要任务就是对焊接区域熔化的金属加强保护，以免受到空气的有害作用。 焊接化学冶金是在保护环境下进行的！二、保护的方式机械隔离保护方式: 把熔化金属和空气隔开。熔渣: 埋弧焊(SAM)、电渣焊(ESW)气体: GTAW，GMAW，CO2、PAW熔渣气体: 手工焊(SMAW)，自保护药芯焊（FCAW）真空: 电子束焊（EBW）自保护方式（冶金化处理）在焊材中加入脱氧、脱氮剂，通过某些冶金反应，使得焊缝中的有害杂质进入熔渣§5.6 焊接化

24、学冶金反应区一、焊接化学冶金过程的特点与普通的化学冶金过程不同的是，焊接化学冶金过程是分区域（或阶段）连续进行的，且各区的反应条件有较大的差异。不同的焊接工艺方法有不同的反应区域：二、药皮反应区温度: 100药皮熔点（钢焊条为1200）反应: 脱水及固态药皮物质的分解和分解产物间的反应，反应产物为气体和熔渣。(1) 脱水反应*吸附水的蒸发(T100)*结晶水和化合水开始分解(T300400)(2) 有机物的分解反应（T200 250）木粉、纤维素、淀粉等有机物分解和燃烧。(3) 矿物质的分解反应碳酸盐: 大理石àCaCO3, 菱苦土àMgCO3;高价氧化物: 赤铁矿

25、4;Fe2O3, 锰矿àMnO2。矿物质分解反应形成CO2和O2等气体。 结果:(1) 对熔化金属形成保护作用;(2) 先期脱氧铁合金的氧化先期脱氧药皮加热分解产生的自由氧等，使药皮中的铁合金（锰铁，硅铁等）发生一定的氧化，从而降低了气相对金属的氧化。这一过程也称为“先期脱氧”。三、 熔滴反应区从熔滴的形成、长大到过渡至熔池中都属于熔滴反应区。特点：*熔滴温度高: 18002400 *熔滴的比表面积大: 100010000cm2/kg，比炼钢时大1000倍*各相之间反应时间短: 0.010.1s*熔滴与熔渣发生强烈的混合熔滴反应区为冶金反应最激烈的部位。主要物化反应有：*气体的高度分

26、解*氢气和氮气的激烈溶解*激烈的增氧反应气氛中二氧化碳、水蒸气和氧气的直接氧化熔渣中(FeO)向熔滴中的分配(扩散)氧化熔渣中(MnO)、(SiO2)的置换氧化合金化过程药皮、焊剂、焊芯中的合金剂元素能使熔滴强烈地合金化。*低沸点元素的蒸发 四、熔池反应区：熔滴和熔渣同熔化的母材混合形成熔池熔池反应的物理条件(1) 温度较熔滴低： 1600-1900 (2) 比表面积较小： 1300 cm2/kg(3) 反应时间稍长： 3-8S（SMAW）(4)熔池反应的物理条件特点：a）温度分布极不均匀，熔池前部和后部反应可同时向相反方向进行如前部发生金属熔化、气体吸收，有利于吸热反应进行；后部发生金属凝固

27、、气体逸出，有利放热反应进行。b）熔池金属有规律地对流和搅拌运动有助于加快反应速度，为气体和非金属夹杂物的逸出提供有利条件。熔池反应的化学条件a）熔池中反应物的浓度与平衡浓度之差比熔滴阶段小在其他条件相同的情况下熔池中的反应速度比熔滴要小。b）当药皮重量系数Kb较大时，参与和熔池金属作用的熔渣数量比参与和熔滴金属作用的数量多。药皮重量系数单位长度上药皮与焊芯的质量比。临界药皮重量系数？c）熔池反应区的反应物质是不断更新的新熔化的母材、焊芯和药皮不断进入熔池前部，凝固的金属和熔渣不断从熔池后部退出反应区。在焊接工艺参数稳定的条件下，物质的更替可以达到准稳态，从而得到成分均匀的焊缝金属。与熔滴反应区相比, 熔池内反应速度比熔滴阶段要慢, 且在整个反应过程中的贡献也较小。焊接化学冶金过程是分区域连续进行的，在熔滴阶段进行的反应多数在熔池阶段将继续进行，但也有的停止反应甚至改变反应方向