第二章 电弧焊熔化现象

第二章电弧焊熔化现象要求：〔1〕掌握焊丝熔化的热源、熔滴过渡种类、出现条件及特点；等熔化特性曲线及原因；熔滴上作用力及其与电弧形态、焊接位置等之间的关系。〔2〕掌握焊缝的形状尺寸参数及其影响工艺因素，掌握焊接缺陷的种类，了解其影响因素；重点：〔1〕射流过渡、短路过渡、亚射流过渡等熔滴过渡形式特点及出现的条件；〔2〕等熔化特性曲线及原因〔3〕焊缝形状尺寸参数与焊接工艺参数之间的关系难点：主要熔滴过渡形式特点及出现的条件；等熔化特性曲线及原因2.1母材熔化与焊缝成形焊缝质量的评定标准：1〕焊缝成形；2〕组织性能；3)力学性能一母材熔化特征和焊缝的形状尺寸〔一〕母材的熔化热与温度分布熔化极(70%～80%)比非熔化极(50%～70%)热效率高埋弧焊热效率高短弧比长弧热效率高温度分布:熔池中心温度高(远高于材料熔点)。〔二〕熔池所受的力１电弧对熔池的作用力：电磁静压力和电磁动态压力。２熔池中的其它作用力１〕液态金属的重力；２〕电磁力３〕外表张力：取决于液态金属的成分与温度a.外表张力阻止熔池金属的流动。b.外表张力影响液态金属润湿性。c.外表张力内外差造成液态金属的流动，影响焊缝尺寸。中心外表张力小中心外表张力大〔三〕母材的熔化断面形状图a图b图c图a：单纯熔化型，电流密度小，弧长短时；电磁力小，热传导起主要作用。焊条电弧焊、TIG焊。图b：中心熔化型，电流密度相当大。电磁静、动压力对熔池的挖掘作用，底部暴露。对于MIG焊、CO2焊接的熔池形状见P61图2.4：图a：MIG焊；图b：CO2焊接较大电流；图c：CO2焊接潜弧焊。图c：周边熔化型，电流密度较大，弧长较长时。〔电弧斑点漂动，过热金属流向四周〕〔四〕焊缝形状尺寸及特征参数熔深H：影响接头的承载能力。成形系数：影响气体析出、熔池的结晶方向、焊缝中心偏析的严重程度。等离子为1，一般焊接方法大于1，电子束焊小于1。BaHBaFMFH3余高系数：，太小，易形成应力集中，太大，易形成缺陷，一般在4～8。4熔合比：〔五〕熔池形状对焊缝的影响对焊缝形状的影响对化学成分的影响。对焊缝结晶过程的影响：熔池金属的对流和对流驱动力熔池内部存在着液态金属的流动，对焊接区域的热输送现象及所形成的焊缝形状尺寸有很大影响。熔池金属的对流驱动力1〕等离子气流作用力：从熔池的中心区向周边区流动。2〕外表张力：温度越高越小，从高温区向低温区流动。3〕熔池内部的电流产生的电磁力：指向电流发散方向。4〕熔化金属密度差引起的浮力流。外表张力流与微量元素的影响1〕液态金属的外表张力〔1〕外表张力随温度的增加而降低。〔2〕大多数液态金属，当其含有氧、硫等外表活性元素时，外表张力会大幅度降低。注意：当有外表活性元素存在时，外表张力的温度系数会变为正值。见P65图2.11。2〕微量元素对熔池现象的影响〔自学〕注意：微量元素会对熔深、熔宽有影响，当采用标准参数不变时，可通过调整微量元素来改变熔深。3〕焊接熔池外表张力流的研究〔自学〕注意：微量元素会对熔深的影响原因是引起外表张力的正温度系数变化。氧、硫使熔深增加的原因如右图：等离子流及电磁对流对熔化现象的影响等离子流使熔池外表金属产生向着周边的流动。电磁对流使熔池外表金属产生向着熔池中心的流动。三焊接参数与工艺的影响通常将对焊接质量影响较大的工艺参数(焊接电流、电弧电压、焊接速度、线能量等)称为焊接参数。其它工艺参数(焊丝直径、电流种类与极性、电极和工件倾角、保护气等)称为工艺因数〔或工艺条件〕。此外，工件的结构因数〔坡口形状、间隙、工件厚度等〕也会对焊缝成形造成一定的影响。注意与教材上的不一致，上述更合理。1．焊接参数的影响

焊接电流、电弧电压、焊接速度。焊接参数决定焊缝输入的能量，是影响焊缝成形的主要工艺参数。

焊接电流是影响熔深的主要参数；电弧电压是影响熔宽的主要参数。IBaHUBaHVwBaH图a电流增加图b电压增加图c焊速增加1〕焊接电流的影响要注意：〔1〕对于改变送丝速度调整焊接电流的焊接设备，在焊接电流增加时送丝速度也增加，而熔宽增加少，因此余高增加。〔2〕电流增加，弧柱直径增加，熔宽增加，但电弧潜入工件深度增加，电弧斑点受到限制，熔宽增加少。2〕电弧电压的影响注意：在增加电流的同时要增加电弧电压，以保证适宜的焊缝成形。3〕焊接速度是评价焊接生产率上下的一项重要指标，但焊接速度的提高会产生缺陷：裂纹及咬边。

工艺因数的影响电流种类和极性：熔化极气体保护焊和埋弧焊采用直流反接时，熔深、熔宽都比直流正接大；交流焊接时，熔深、熔宽介于直流正接与直流反接之间。在钨极氩弧焊或酸性焊条电弧焊中，直流反接熔深小；直流正接熔深大；交流焊接介于上述两者之间。2〕焊丝直径和伸出长度3〕电极倾角：电极后倾〔倾斜方向与焊接方向同向〕：熔宽增加，熔深、余高均减小；电极前倾：情况刚好相反。焊条电弧焊和半自动气体保护焊时，通常采用电极后倾法，倾角α＝65°～80°之间较适宜。Vwα焊丝或焊条后倾4〕工件倾角：下坡焊时：重力作用阻止熔池金属流向熔池尾部，电弧下方液态金属变厚，电弧对熔池底部金属的加热作用减弱，熔深减小，余高和熔宽增大。上坡焊时：熔池金属在重力及电弧力的作用下流向熔池尾部，电弧正下方液体金属层变薄，电弧对熔池底部金属的加热作用增强，因而熔深和余高均增大，熔宽减小，3结构因数焊件的结构因数通常指工件的材料和厚度、工件的坡口和间隙等。在一定条件下，工件的结构因数也会对焊缝成形造成影响。1〕工件材料和厚度导热性好熔深和熔宽就小；工件材料的密度或液态粘度越大，熔深越浅；工件厚度越大散热越多，熔深和熔宽越小。2〕坡口和间隙采用对接形式焊接薄板时不需留间隙，也不需开坡口；板厚较大时，为了焊透工件需留一定间隙或开坡口，此时余高和熔合比随坡口或间隙尺寸的增大而减小，因此，焊接时常采用开坡口来控制余高和熔合比。总之，影响焊缝成形的因素很多，想获得良好的焊缝成形，需根据工件的材料和厚度、焊缝的空间位置、接头形式、工作条件、对接头性能和焊缝尺寸要求等，选择适宜的焊接方法和焊接工艺参数；否那么就可能造成焊缝的成形缺陷。四焊缝成形缺陷及形成原因1焊缝外形尺寸不符合要求问题：焊缝外表上下不平、焊缝波纹不均匀、纵向宽度不均匀、蛇行焊道、外表缩孔、大电流MIG焊接的起皱现象等。后果：除造成焊缝成形不美观外，还影响焊缝与母材金属的结合强度。原因：工件所开坡口角度不当、装配间隙不均匀、焊接参数选择不适宜及操作人员技术不熟练.2．咬边电弧将焊缝边缘熔化后，没有得到填充金属的补充而留下缺口的现象叫咬边(也称咬肉)原因：当采用大电流高速焊接或焊角焊缝时一次焊接的焊脚过大，电压过高或焊枪角度不当，都可能产生咬边现象常见焊接缺陷气孔咬边夹渣层间未熔合未熔合焊瘤6G位置焊接名称焊接位置1G平焊2G横焊3G立焊4G仰焊5G管道水平焊6G管道45°固定焊焊接位置专业术语3．未焊透和未熔合未焊透：熔焊时，焊接接头根部未熔透的现象。未熔合：焊道与母材之间、焊道与焊道之间未能完全熔化结合的现象。后果：未焊透和未熔合处易产生应力集中，使接头力学性能下降原因：焊接电流过小、焊速过高、坡口尺寸不适宜及焊丝偏离焊缝中心，或受磁偏吹影响等；焊件清理不良，杂质阻碍母材边缘与根部之间以及焊层之间的熔合，也易引起未焊透和未熔合。4．焊瘤焊瘤：熔焊时，熔化的金属流到焊缝以外未熔化的母材上而形成金属瘤的现象原因：主要是由于填充金属量过多引起的，坡口尺寸过小、焊速过慢、电压过低、焊丝偏离焊缝中心及焊丝伸出长度过长在各种焊接位置中，平焊时产生焊瘤的可能性最小，而立焊、横焊、仰焊那么易产生焊瘤。5.焊穿及塌陷焊穿:焊缝上形成穿孔的现象。塌陷:熔化的金属从焊缝反面漏出，使焊缝正面下凹反面凸起的现象。原因:主要是电流过大、焊速过小或坡口间隙过大等。在气体保护电弧焊时，气体流量过大也可能导致焊穿。通常情况下，平焊易获得良好的焊缝成形。2.2焊丝熔化与熔滴过渡焊丝的熔化与熔化速度1焊丝的熔化热熔化焊丝的热源是电弧热和电阻热。熔化极电弧焊：焊丝的熔化主要靠阴极区(正接)或阳极区(反接)所产生的热量及焊丝伸出长度上的电阻热，弧柱区产生的热量对焊丝的加热熔化作用较小。非熔化极电弧焊(如钨极氩弧焊或等离子弧焊)：填充焊丝主要靠弧柱区产生的热量熔化。1〕电弧热：阴极区的产热功率为：PC＝IUC-IUW+IUT阳极区的产热功率：PA＝IUA+IUw+IUT电弧焊时，当弧柱温度为6000K左右时，UT小于1V；当电流密度较大时，UA近似为零，故上两式可简化为：PC＝I(UC—UW)；PA＝IUW在细丝熔化极气体保护电弧焊、使用含有CaF2焊剂的埋弧焊和使用碱性焊条电弧焊等情况下，当采用同样大小的电流焊接同一种材料时，焊丝作为阴极时的产热量比作为阳极时的产热量多，在散热条件相同时，焊丝作阴极比作阳极时熔化速度快。(提高焊丝熔化速度的方法)2〕电阻热熔化极电弧焊时，焊丝通电点与电弧端点之间的焊丝长度称为干伸长：ls〕。焊丝伸出局部有电流流过时所产生的电阻热对焊丝有预热作用。CO2气体保护焊时，ls是焊丝直径的10～12倍。焊丝的熔化速度与比熔化量1〕比熔化量：又常称为熔化系数。2〕焊丝熔化速度与电流之间的关系表达式:注意：当焊丝的干伸长电阻对加热有较大作用时，从上式可知：熔化速度与焊接电流为非线性关系。3熔化速度的影响因素１〕焊接电流：直线关系〔低碳钢等〕；非直线关系〔不锈钢：电阻率大，电阻热作用明显〕。２〕焊丝材料〔电阻率〕、干伸长〔正比〕及直径〔反比〕。３〕电弧电压：AB段：下降的压降主要在弧柱上，不影响熔化。熔化速度主要取决于电流。BC段：电压降低，电流减小。原因：电弧短，热量损失少；熔滴加热温度低，带走能量少，从而熔化系数高。C以下：短路时间增加，能量输入少，从而熔化系数减小。固有自调节作用：BC段，电弧本身有恢复原来弧长的能力。４〕极性：一般正接比反接熔化速度大。熔化特性曲线IUBAC熔滴上的作用力与熔滴过渡分类〔一〕熔滴上的作用力熔滴上的作用力可分为重力、外表张力、电弧力、熔滴爆破力和电弧气体的吹力等。1重力重力对熔滴过渡的影响依焊接位置的不同而不同。平焊时，熔滴上的重力促使熔滴过渡；而在立焊及仰焊位置那么阻碍熔滴过渡。FG＝mg＝(4／3)πRD³ρg2外表张力Fσ此处的外表张力Fσ是指焊丝端头上保持熔滴的作用力。

Fσ＝2πRσ式中：R——焊丝半径；σ——外表张力系数。外表张力是促进熔滴过渡还是阻止过渡应针对不同的焊接方法、不同的熔滴过渡形式来分析，如短路过渡后期，外表张力是促进容滴过渡的，特别是对于现在的STT电源，实现无飞溅过渡更是如此。假设熔滴上含有少量活化物质(如O2、S等)或熔滴温度升高，都会减小外表张力系数，有利于形成细颗粒熔滴过渡。电磁力电流通过熔滴时，导电界面是变化的，其方向总是由小截面指向大截面。电弧是否笼罩熔滴。FaFσθRDθRFG等离子流力：促进熔滴过渡的力斑点压力：撞击力、蒸发反作用力、电磁力。爆破力：促进过渡。综上所述：1〕除重力、外表张力、爆破力外，其余力都与电弧形态有关。2〕熔滴上的作用力对熔滴过渡的影响应从焊缝空间位置、熔滴过渡形式、电弧形态、工艺条件等综合考虑。〔二〕熔滴过渡形态的分类分为三种：自由过渡、接触过渡〔短路过渡〕和渣壁过渡。1自由过渡自由过渡是指熔滴经电弧空间自由飞行，焊丝端头(熔化与非熔化局部〕和熔池之间不发生直接接触的过渡方式。滴状过渡：特点：熔滴直径大于焊丝直径。大颗粒过渡：条件：电流较小，电弧电压高时，小电流MIG焊。过渡频率低，主要是重力与外表张力的平衡。细颗粒过渡：条件：较大电流时，大电流CO2焊。频率高，电弧稳定，焊缝质量高,重力、电磁力促进过渡。排斥过渡：CO2中等电流焊时，飞溅大〔讲解CO2焊接从大颗粒过渡到细颗粒过渡的转换过程〕。喷射过渡：在MIG焊时会出现这种形式的过渡，又分为：射滴过渡、亚射流过渡、射流过渡、旋转射流过渡。1)射滴过渡:熔滴直径接近焊丝直径，f=100～200，熔滴加速度大于重力加速度，尺寸规那么呈球形，沿轴向过度。形成原因：熔滴被弧根笼罩，电弧呈种罩形，从而电磁收缩力形成较强的电弧推力。出现场合：铝及其合金的氩弧焊及钢的脉冲氩弧焊。２〕射流过渡：电流密度大，熔滴直径小于焊丝直径，f=５00左右，熔滴加速度比重力加速度大几十倍。形成原因：电流密度大，焊丝熔化端部形成尖锥状，出现金属蒸发，电弧跳弧〔此时电流称为射流过渡的临界电流〕，形成很强的等离子流力〔熔滴过渡的主要力〕。随着电流增加，电弧的电极斑点笼罩面积逐渐扩大，以致到达熔滴的根部；这时熔滴与焊丝间形成细颈，全部电流都通过细颈流过，该处电流密度很高，细颈被过热，其外表将产生大量金属蒸气，从而使细颈外表具备了产生电极〔阳极〕斑点的有利条件，电弧将从熔滴根部跳至细颈根部，形成很强的等离子流力。射流过渡的临界电流及其影响因素定义：发生跳弧现象的最小电流。ICr.影响因素：焊丝的种类、直径；焊丝干伸长；气体介质〔如CO2解离，使电弧收缩不易扩展，ICr增加；但假设在氩气中参加氧气，ICr降低〕；电极外表状态积极性。特点：焊接电流必须大于ICr；电弧明显分为两层：一条黑线和圆锥状烁亮区；电弧稳定，对气体的保护影响小；电流与电压的波形几乎是两条平行线；输入功率大，熔深大，适合于焊接厚件，不适合于焊接薄件。大电流MIG焊或大电流富氩混合气体保护焊出现。3〕亚射流过渡：介于短路过渡与射滴过渡之间形成：因其电弧较短，在电弧热作用下，形成的熔滴长大，在即将以射滴过渡时与熔池短路，在电磁收缩力的作用下断裂形成过渡。特点：短路前就已经形成细颈；短路时间短，电流上升不大；飞溅小，焊缝成形美观；电弧自调节能力极强〔弧长2～8mm)；主要用于铝及其合金的焊接。４〕旋转射流过渡：特大电流钢MIG焊。③爆炸过渡２接触过渡：①短路过渡１〕定义：当电流较小，电弧电压较低时，弧长较短，熔滴未长成大滴就与熔池接触形成液态金属短路，电弧熄灭，随之金属熔滴在外表张力及电磁收缩力的作用下过渡到熔池中去，熔滴脱落之后电弧重新引燃，如此交替进行。２〕短路过渡的过程：以P135图5.5进行分析。３〕稳定性及其影响因素稳定性是指焊接持续稳定、飞溅大小、成形等方面。a.电流上升率；b.短路最大电流IMaxc.空载电压恢复速度；d.短路频率：越大越稳定。４〕影响短路频率的因素：电弧电压：有一个最正确值；b.送丝速度：有一个最正确值。c.电感：增加，频率降低，但燃弧时间增加，调节热