电弧焊基础(第二章)电弧焊熔化现象

1、电弧焊基础电弧焊基础第二章、电弧焊熔化现象第二章、电弧焊熔化现象第一节第一节 母材熔化与焊缝成形母材熔化与焊缝成形一、母材的熔化特征和焊缝形状尺寸母材的熔化特征和焊缝形状尺寸（一）母材的熔化热和温度分布（一）母材的熔化热和温度分布 1 1、母材的熔化热母材的熔化热 P=Pa=IUaP=Pa=IUa电弧焊方法电弧焊方法 电弧焊方法电弧焊方法 手工电弧焊手工电弧焊埋弧焊埋弧焊 COCO2 2电弧焊电弧焊 0.650.650.850.850.800.800.90 0.90 0.750.750.90 0.90 熔化极氩弧焊熔化极氩弧焊钨极氩弧焊钨极氩弧焊 0.700.700.800.800.650.6

2、50.70 0.70 2、母材的温度分布母材的温度分布n铝合金熔池表面的温度远高于材料的熔点；铝合金熔池表面的温度远高于材料的熔点；n钢材料熔池金属过热程度较低，温度值比较接近于熔钢材料熔池金属过热程度较低，温度值比较接近于熔点温度；点温度； 铝合金钢（二）母材熔化的断面形状（二）母材熔化的断面形状n母材的熔化形态由母材的热物理参数母材的熔化形态由母材的热物理参数(比热、热传比热、热传导率等导率等)、母材的形状、焊接速度等决定、母材的形状、焊接速度等决定n受到电弧对母材的热输入量及电弧燃烧形态的影响受到电弧对母材的热输入量及电弧燃烧形态的影响n理论计算所形成的焊缝断面形状是呈半圆形的理论计算所

3、形成的焊缝断面形状是呈半圆形的n实际焊接中得到的焊缝断面形状是多种多样的，依实际焊接中得到的焊缝断面形状是多种多样的，依据焊接条件据焊接条件(弧长、电流、速度弧长、电流、速度)、焊丝直径、熔滴、焊丝直径、熔滴过渡形态等而有显著变化。过渡形态等而有显著变化。（二）母材熔化的断面形状（二）母材熔化的断面形状n单纯熔化型单纯熔化型n中心熔化型中心熔化型n周边熔化型周边熔化型（二）母材熔化的断面形状（二）母材熔化的断面形状单纯熔化型单纯熔化型(热传导）热传导）型熔化)n常见于常见于SMAW及及TIG焊中焊中 n在在GMAW中，采用小热输入的中，采用小热输入的 短路过渡短路过渡n熔池中熔化金属的对流比较

4、自由，熔池中熔化金属的对流比较自由， 热量通过熔池和固体金属的界面热量通过熔池和固体金属的界面 均匀流出均匀流出n呈现半圆形呈现半圆形（二）母材熔化的断面形状（二）母材熔化的断面形状中心熔化型中心熔化型n与周围区域相比，电弧正与周围区域相比，电弧正 下方产生了很深的熔化下方产生了很深的熔化 n产生在产生在细丝大电流细丝大电流焊焊 接中接中 n源于电弧力或等离子气源于电弧力或等离子气 流对熔池的挖掘作用流对熔池的挖掘作用（二）母材熔化的断面形状（二）母材熔化的断面形状周边熔化型周边熔化型n周边区的熔化比中心区深周边区的熔化比中心区深n熔池内金属向外侧流动熔池内金属向外侧流动 ( (如图中箭头指示

5、如图中箭头指示) )，从，从 电弧正下方进入的热量电弧正下方进入的热量 通过熔化金属的对流被通过熔化金属的对流被 逐渐传送到周边区，促逐渐传送到周边区，促 进周边区的熔化进周边区的熔化n电弧较长或焊接速度较慢时电弧较长或焊接速度较慢时MIG焊的熔池形状n指状熔深：等离子流力的挖掘作用导致指状熔深：等离子流力的挖掘作用导致n圆形熔深：圆形熔深：CO2焊接，焊接，SAW焊接焊接n梨形熔深：梨形熔深：CO2（潜弧焊）（潜弧焊） （三）焊缝形状尺寸（三）焊缝形状尺寸 （三）焊缝形状尺寸（三）焊缝形状尺寸n成形系数成形系数: =B/H n影响熔池中气体逸出、结晶方向、成分偏析、裂纹倾向。影响熔池中气体逸

6、出、结晶方向、成分偏析、裂纹倾向。 n深宽比深宽比(Depth to width ratio)=H/Bn余高余高n可避免熔池金属凝固收缩时形成缺陷，也可增加焊缝承可避免熔池金属凝固收缩时形成缺陷，也可增加焊缝承载能力载能力n余高过大将引起应力集中或降低抗疲劳强度余高过大将引起应力集中或降低抗疲劳强度n熔合比 ： =Fm/（Fm+FH）n坡口和熔池形状改变时，坡口和熔池形状改变时，都将发生变化都将发生变化n电弧焊接中碳钢、合金钢和有时金属时，可通过改变电弧焊接中碳钢、合金钢和有时金属时，可通过改变来调整来调整焊缝的化学成分，降低裂纹倾向和提高焊缝的机械性能。焊缝的化学成分，降低裂纹倾向和提高焊缝

7、的机械性能。 （三）焊缝形状尺寸（三）焊缝形状尺寸焊缝金属的结晶特征焊缝金属的结晶特征二、熔池上的作用力及其影响二、熔池上的作用力及其影响 1、电弧的轴向推力电弧的轴向推力HH 2、 等离子流力等离子流力 H H 3 3、熔池金属的重力：平焊、立向下焊、熔池金属的重力：平焊、立向下焊 HH 仰焊、立向下焊仰焊、立向下焊 HH4 4、电磁力、电磁力 H H 5 5、熔池金属的表面张力、熔池金属的表面张力 熔池金属的表面张力是阻止熔池金属在电弧力熔池金属的表面张力是阻止熔池金属在电弧力或熔池金属重力作用下流动的作用力，它既影响熔或熔池金属重力作用下流动的作用力，它既影响熔池的轮廓形状，也影响熔池的

8、表面形状池的轮廓形状，也影响熔池的表面形状熔池金属的流动与表面张力梯度的关系熔池金属的流动与表面张力梯度的关系0dTd 0drd b) 0dTd 0drd a)三、焊接条件对焊缝成形的影响三、焊接条件对焊缝成形的影响 （一）焊接规范参数的影响（一）焊接规范参数的影响 1 1、焊接电流对焊缝尺寸的影响：、焊接电流对焊缝尺寸的影响：H= KH= Km mI I IBHa0H、 B、a（2 2）电压）电压对焊缝尺寸对焊缝尺寸的影响的影响0H、 B、UaaHB（3 3）焊速对焊缝尺寸的影响）焊速对焊缝尺寸的影响0H、 B、awaHaB（二）电流种类和极性的影响（二）电流种类和极性的影响 1 1、熔化极

9、电弧焊：直流反接、熔化极电弧焊：直流反接B H B H 直流正接直流正接B HB H 交流介于反接和正接之间。交流介于反接和正接之间。2 2、钨极氩弧焊：直流反接、钨极氩弧焊：直流反接B HB H 直流正接直流正接B H B H （三）其他工艺参数的影响（三）其他工艺参数的影响 1 1、焊丝直径及伸出长度、焊丝直径及伸出长度 焊丝直径：焊丝直径：d H a B 。 伸出长度：伸出长度：LsLs a H 。2 2、焊丝倾角、焊丝倾角3 3、工件倾角、工件倾角 焊丝倾角对焊缝成形的影响焊丝倾角对焊缝成形的影响（a a） 后倾；后倾； （b b） 前倾；前倾； （c c） 后倾角的影响后倾角的影响

10、工件倾角对焊缝成形的影响工件倾角对焊缝成形的影响（a a） 上坡焊的影响；上坡焊的影响； （b b） 下坡焊的影响下坡焊的影响4 4、接口间隙和坡口形状、接口间隙和坡口形状坡口或间隙坡口或间隙 a H a H 5 5、工件厚度及散热条件、工件厚度及散热条件 厚度厚度 B H B H 但但H=0.6H=0.6时时, H ., H . 总之，影响焊缝成形的因素很多，要总之，影响焊缝成形的因素很多，要获得良好的焊缝成形，需要根据工件的材获得良好的焊缝成形，需要根据工件的材料、厚度、接头的形式及焊缝的空间位置，料、厚度、接头的形式及焊缝的空间位置，以及对接头性能和焊缝尺寸方面的要求，以及对接头性能和焊

11、缝尺寸方面的要求，选择适宜的焊接方法、焊接规范和焊接工选择适宜的焊接方法、焊接规范和焊接工艺。艺。 四、焊缝成形缺陷及形成原因四、焊缝成形缺陷及形成原因n焊接缺陷有多种焊接缺陷有多种 n内部缺陷和外部缺陷内部缺陷和外部缺陷 n微观组织缺陷和宏观缺陷微观组织缺陷和宏观缺陷 等等n气孔、夹渣、裂纹缺陷除于焊接规范和工艺有关外，气孔、夹渣、裂纹缺陷除于焊接规范和工艺有关外，更主要的是受到焊缝冶金因素和焊接热循环的影响更主要的是受到焊缝冶金因素和焊接热循环的影响 n焊缝成形方面所表现出的明显缺陷焊缝成形方面所表现出的明显缺陷 1、未焊透和未熔合、未焊透和未熔合n未焊透未焊透n单面焊接时，接头根部未完全

12、焊透的现象单面焊接时，接头根部未完全焊透的现象n未熔合未熔合n单层焊、多层焊或双面焊时，焊道与母材之间、单层焊、多层焊或双面焊时，焊道与母材之间、焊道与焊道之间未能完全结合的部分称作焊道与焊道之间未能完全结合的部分称作 1、未焊透和未熔合、未焊透和未熔合n未焊透、未熔合有相同的产生原因，未焊透、未熔合有相同的产生原因，n主要是焊接电流小、焊速过高，主要是焊接电流小、焊速过高，n或者是坡口尺寸不合适，或者是坡口尺寸不合适，n以及电弧中心线偏离焊缝、电弧产生偏吹等，以及电弧中心线偏离焊缝、电弧产生偏吹等，n细丝短路过渡细丝短路过渡COCO2 2焊接，由于工件热输入量少，焊接，由于工件热输入量少，容

13、易产生这种缺陷。容易产生这种缺陷。n薄板焊接中，如果夹具对焊件背面的散热程度薄板焊接中，如果夹具对焊件背面的散热程度大，也会出现未焊透，或背面一部分焊透、一大，也会出现未焊透，或背面一部分焊透、一部分未焊透的成形不均现象。部分未焊透的成形不均现象。2、焊穿、焊穿n焊穿焊穿n焊接时熔化金属自焊缝背面流出并脱离焊道形焊接时熔化金属自焊缝背面流出并脱离焊道形成穿孔的现象成穿孔的现象n原因：原因：n焊接电流过大、焊速过小都可能出现这种缺陷。焊接电流过大、焊速过小都可能出现这种缺陷。 n厚板焊接时，熔池过大，固态金属对熔化金属厚板焊接时，熔池过大，固态金属对熔化金属的表面张力不足以承受熔池重力和电弧力的

14、作的表面张力不足以承受熔池重力和电弧力的作用，从而形成熔池脱落。用，从而形成熔池脱落。 n在薄板焊接时，如果电弧力过于集中，或者对在薄板焊接时，如果电弧力过于集中，或者对缝间隙过大也会出现焊穿。缝间隙过大也会出现焊穿。 3、咬边和凹坑、咬边和凹坑n咬边和凹坑的形成受到熔池形态的影响咬边和凹坑的形成受到熔池形态的影响 对应于高速焊接的电弧对应于高速焊接的电弧和熔池，由于焊速很快，焊和熔池，由于焊速很快，焊缝两侧的金属没有被很好熔缝两侧的金属没有被很好熔化，同时熔化金属受表面张化，同时熔化金属受表面张力的作用容易聚集在一起而力的作用容易聚集在一起而对焊趾部位的润湿性不好，对焊趾部位的润湿性不好，容

15、易形成固液态剥离，凝固容易形成固液态剥离，凝固后出现咬边后出现咬边 4、焊瘤、焊瘤n表现形态表现形态 n熔化金属流淌到焊缝区以外未熔化母材上聚集熔化金属流淌到焊缝区以外未熔化母材上聚集成金属瘤，这是由于填充金属过多引起的，或成金属瘤，这是由于填充金属过多引起的，或熔池重力作用的结果；熔池重力作用的结果； n直接在焊缝上聚集成大的金属瘤，多数情况是直接在焊缝上聚集成大的金属瘤，多数情况是由于不稳定的熔滴过渡造成。由于不稳定的熔滴过渡造成。 5、其它焊缝成形缺陷、其它焊缝成形缺陷n大电流大电流MIG焊接当电弧阴极斑点的清理作用消失、焊接当电弧阴极斑点的清理作用消失、阴极斑点进入熔池内部时，电弧力集

16、中到熔池底阴极斑点进入熔池内部时，电弧力集中到熔池底部，对熔池金属有激烈的搅动作用，将出现类似部，对熔池金属有激烈的搅动作用，将出现类似大象皮肤的不良焊缝，称作大象皮肤的不良焊缝，称作起皱焊缝起皱焊缝。 缺陷的抑制缺陷的抑制n可以采取多种办法：可以采取多种办法：n使电弧作用区分散开来、减小电弧力、采用粗使电弧作用区分散开来、减小电弧力、采用粗径焊丝、给焊丝一个前倾角使电弧吹向前方、径焊丝、给焊丝一个前倾角使电弧吹向前方、采用下坡焊等措施，采用下坡焊等措施，n埋弧焊有合适的焊剂层厚度，合适的焊丝伸出埋弧焊有合适的焊剂层厚度，合适的焊丝伸出长度，长度，n二氧化碳电弧焊中采用小电流区下的短路过渡二氧

17、化碳电弧焊中采用小电流区下的短路过渡方式，在大电流区采用潜弧方式焊接，以及增方式，在大电流区采用潜弧方式焊接，以及增加保护效果，稳定熔滴过渡等。加保护效果，稳定熔滴过渡等。 第二节第二节 焊丝的熔化与熔滴过渡焊丝的熔化与熔滴过渡 一、焊丝的加热熔化和熔化速度一、焊丝的加热熔化和熔化速度 热源：电弧阴极区（正接）或阳极区（反接）热源：电弧阴极区（正接）或阳极区（反接） 所产热所产热 和电阻热。和电阻热。1 1、电弧热（主要的）：、电弧热（主要的）： 正接：正接： P Pc c=I=I（U Uc c-U-U-U-UT T） 反接：反接： P PA A=I=I（U UA A+U+U+U+UT T）或

18、或 正接：正接： P Pc c=I=I（U Uc c-U-U） 反接：反接： P PA A=IU=IU （一）加热和熔化焊丝的热量（一）加热和熔化焊丝的热量焊丝伸出长度上产生的电阻热为：焊丝伸出长度上产生的电阻热为：式中：式中： P PR R为为LeLe段焊丝的电阻热；段焊丝的电阻热； 焊丝的电阻率；焊丝的电阻率； LeLe焊丝伸出长度；焊丝伸出长度； S S焊丝的截面积。焊丝的截面积。用于焊丝熔化的总热量：用于焊丝熔化的总热量： Pm=IPm=I（Um+IReUm+IRe） 2Re2 SLeIIPR2、电阻热（次要的）、电阻热（次要的）（二）（二）焊丝的熔化速度及其影响因素焊丝的熔化速度及其

19、影响因素 1 1、焊丝的熔化速度（、焊丝的熔化速度（W W）：）： 是指单位时间内熔化焊丝的重量（是指单位时间内熔化焊丝的重量（g/hg/h）。）。 2 2、焊丝熔化系数（、焊丝熔化系数（M MR R）：）： 是 指 单 位 时 间 内 通 过 单 位 电 流 时 熔 化 焊 丝 的 重 量是 指 单 位 时 间 内 通 过 单 位 电 流 时 熔 化 焊 丝 的 重 量（g/(A.h)g/(A.h)）。）。设单位时间脱落的熔滴金属所保有的热量为设单位时间脱落的熔滴金属所保有的热量为QmQm，则：，则： Qm=WQm=W（C CT Tf f+H+H）J J式中：式中：W W焊丝的熔化速度焊丝的

20、熔化速度 C C金属比热金属比热 T Tf f 脱落的熔滴金属的平均温度脱落的熔滴金属的平均温度 HH熔化潜热熔化潜热 J J热功当量热功当量 Pm=QmPm=Qm，则：，则： I I（Um+IReUm+IRe）=W=W（C CT Tf f+H+H）J J M MR R= = W/I= W/I= （Um+IReUm+IRe）/ / （C CT Tf f+H+H）J J2 2、焊丝熔化系数（、焊丝熔化系数（M MR R） 焊接电流焊接电流3 3、影响焊丝熔化速度的因素、影响焊丝熔化速度的因素 焊丝干伸长（电阻热）焊丝干伸长（电阻热）3 3、影响焊丝熔化速度的因素、影响焊丝熔化速度的因素 气体介质

21、及焊丝极性气体介质及焊丝极性3 3、影响焊丝熔化速度的因素、影响焊丝熔化速度的因素 熔滴过渡形态熔滴过渡形态3 3、影响焊丝熔化速度的因素、影响焊丝熔化速度的因素 电弧电压电弧电压电弧的固有自身调节作用：电弧的固有自身调节作用： 指在焊丝送丝速度发生变化时，焊丝熔化系指在焊丝送丝速度发生变化时，焊丝熔化系数随弧长的减小而增大的现象。数随弧长的减小而增大的现象。它使电弧自身具它使电弧自身具有保持弧长稳定的能力。有保持弧长稳定的能力。3 3、影响焊丝熔化速度的因素、影响焊丝熔化速度的因素（一）熔滴过渡的概念（一）熔滴过渡的概念 在电弧热作用下，焊丝与焊条端头的熔化金在电弧热作用下，焊丝与焊条端头的

22、熔化金属形成熔滴，它受各种力的作用向母材过渡称为属形成熔滴，它受各种力的作用向母材过渡称为熔滴过渡。熔滴过渡。（二）熔滴上的作用力（二）熔滴上的作用力二、二、熔滴上的作用力与熔滴过渡的分类熔滴上的作用力与熔滴过渡的分类 1 1、熔滴重力、熔滴重力 ： 概念：概念：Fw=mg Fw=mg 影响：影响：平焊时，重力是促使熔滴和焊丝末端相脱离的力；平焊时，重力是促使熔滴和焊丝末端相脱离的力；而立焊和仰焊时，重力将阻碍熔滴过渡。而立焊和仰焊时，重力将阻碍熔滴过渡。2 2、表面张力、表面张力 概念：概念：F F=2R =2R 影响：有时促进，有时阻碍熔滴过渡。影响：有时促进，有时阻碍熔滴过渡。（二）熔滴

23、上的作用力（二）熔滴上的作用力 熔滴所受重力和表面张力熔滴所受重力和表面张力 概念：概念： 影响：影响：斑点直径大于熔滴直径时促进熔滴过渡；斑点直径大于熔滴直径时促进熔滴过渡；斑点直径小于熔滴直径时阻碍熔滴过渡。斑点直径小于熔滴直径时阻碍熔滴过渡。 21log2 ddIFCZ3、电磁收缩力、电磁收缩力3、电磁收缩力、电磁收缩力4 4、等离子流力、等离子流力 ：促进熔滴过渡。：促进熔滴过渡。5 5、斑点压力、斑点压力 ：电磁收缩力电磁收缩力 ：有时促进，有时阻碍熔滴过渡。：有时促进，有时阻碍熔滴过渡。正离子和电子对电极的撞击力正离子和电子对电极的撞击力 ：阻碍熔滴过渡。：阻碍熔滴过渡。电极材料蒸

24、发的反作用力：阻碍熔滴过渡电极材料蒸发的反作用力：阻碍熔滴过渡。（三）常见的熔滴过渡形式及特点（三）常见的熔滴过渡形式及特点1 1、熔滴过渡的分类：、熔滴过渡的分类： 自由过渡自由过渡滴状过渡喷射过渡爆炸过渡大滴过渡大滴过渡大滴排斥过渡大滴排斥过渡细颗粒过渡细颗粒过渡射滴过渡射滴过渡射流过渡射流过渡旋转射流过渡旋转射流过渡接触过渡接触过渡渣壁过渡渣壁过渡短路过渡搭桥过渡沿套筒过渡沿渣壁壳过渡滴状过渡滴状过渡 产生条件：高电压、小电流。产生条件：高电压、小电流。 形式：形式：大滴滴落过渡：大滴滴落过渡：MIGMIG焊，电弧不稳。焊，电弧不稳。大滴排斥过渡：大滴排斥过渡：小电流小电流COCO2 2焊，