电弧焊基础第二章电弧焊熔化现象

《电弧焊基础》

第二章、电弧焊熔化现象

第一节

母材熔化与焊缝成形

一、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

1、母材的熔化热

P=ηPa=ηIUa

电弧焊方法

η

电弧焊方法

η

手工电弧焊

埋弧焊

CO2电弧焊

0.65～0.850.80～0.900.75～0.90熔化极氩弧焊

钨极氩弧焊

0.70～0.800.65～0.702、母材的温度分布

?铝合金熔池表面的温度远高于材料的熔点；

?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；

铝合金

钢

（二）母材熔化的断面形状

?母材的熔化形态由母材的热物理参数(比热、热传导率等)、母材的形状、焊接速度等决定

?受到电弧对母材的热输入量及电弧燃烧形态的影响

?理论计算所形成的焊缝断面形状是呈半圆形的

?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(弧长、电流、速度)、焊丝直径、熔滴过渡形态等而有显著变化。

（二）母材熔化的断面形状

?单纯熔化型

?中心熔化型

?周边熔化型

（二）母材熔化的断面形状

单纯熔化型(热传导）型熔化)?常见于SMAW及TIG焊中

?在GMAW中，采用小热输入的

短路过渡

?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

均匀流出

?呈现半圆形

（二）母材熔化的断面形状

中心熔化型

?与周围区域相比，电弧正

下方产生了很深的熔化

?产生在细丝大电流焊

接中

?源于电弧力或等离子气

流对熔池的挖掘作用

（二）母材熔化的断面形状

周边熔化型

?周边区的熔化比中心区深

?熔池内金属向外侧流动

(如图中箭头指示)，从

电弧正下方进入的热量

通过熔化金属的对流被

逐渐传送到周边区，促

进周边区的熔化

?电弧较长或焊接速度较慢时

MIG焊的熔池形状

?指状熔深：等离子流力的挖掘作用导致

?圆形熔深：CO2焊接，SAW焊接

?梨形熔深：CO2（潜弧焊）

（三）焊缝形状尺寸

（三）焊缝形状尺寸

?成形系数φ:φ=B/H

?φ影响熔池中气体逸出、结晶方向、成分偏析、裂纹倾向。

?深宽比(Depthtowidthratio)=H/B?余高

?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

?余高过大将引起应力集中或降低抗疲劳强度

?熔合比γ：

γ=Fm/（Fm+FH）

?坡口和熔池形状改变时，γ都将发生变化

?电弧焊接中碳钢、合金钢和有时金属时，可通过改变γ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。

（三）焊缝形状尺寸

焊缝金属的结晶特征

二、熔池上的作用力及其影响

1、电弧的轴向推力→H↑

2、

等离子流力→H↑

3、熔池金属的重力：平焊、立向下焊→H↓

仰焊、立向下焊→H↑

4、电磁力→H↑

5、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，也影响熔池的表面形状

熔池金属的流动与表面张力梯度的关系

??????????????????0dTd

0drd

b)

0dTdσ

0drdσ

a)三、焊接条件对焊缝成形的影响

（一）焊接规范参数的影响

1、焊接电流对焊缝尺寸的影响：H=KmI

IBHa0H、

B、

a各种电弧焊方法及规范（焊钢）时的熔深系数

电弧焊方法

电极直径

/mm焊接电流

/A电弧电压

/V焊接速度

/(m·h-1)熔深系数Km/(mm/100A)埋弧焊

25200~700450~120032~4034~4415~10030~601.0~1.70.7~1.3TIG焊

3.2100~35010~166~180.8~1.8MIG焊

1.2~2.4210~55024~4240~1201.5~1.8CO2焊

2~40.8~1.6500~90070~30035~4516~2340~8030~1501.1~1.60.8~1.2等离子弧焊

1.6(喷嘴孔径)3.4(喷嘴孔径)50~100220~30020~2628~3610~6018~301.2~2.01.5~2.4

（2）电压对焊缝尺寸的影响

0H、

B、

UaaHB（3）焊速对焊缝尺寸的影响

0H、

B、

aυwaHaB（二）电流种类和极性的影响

1、熔化极电弧焊：直流反接→B↑H↑

直流正接→B↓H↓

交流介于反接和正接之间。

2、钨极氩弧焊：直流反接→B↓H↓

直流正接→B↑H↑

（三）其他工艺参数的影响

1、焊丝直径及伸出长度

焊丝直径：d↓

→H↑a↑B↓。

伸出长度：Ls↑→a↑H↓。

2、焊丝倾角

3、工件倾角

焊丝倾角对焊缝成形的影响

（a）

后倾；

（b）

前倾；

（c）

后倾角的影响

工件倾角对焊缝成形的影响

（a）

上坡焊的影响；

（b）

下坡焊的影响

4、接口间隙和坡口形状

坡口或间隙↑

→a↓

γ↓H↑

5、工件厚度及散热条件

厚度δ↑

→

B↓

H↓

但H=0.6δ时,δ↑

→H↑.

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，选择适宜的焊接方法、焊接规范和焊接工艺。

四、焊缝成形缺陷及形成原因

?焊接缺陷有多种

?内部缺陷和外部缺陷

?微观组织缺陷和宏观缺陷

等

?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

?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

?单面焊接时，接头根部未完全焊透的现象

?未熔合

?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

1、未焊透和未熔合

?未焊透、未熔合有相同的产生原因，

?主要是焊接电流小、焊速过高，

?或者是坡口尺寸不合适，

?以及电弧中心线偏离焊缝、电弧产生偏吹等，

?细丝短路过渡CO2焊接，由于工件热输入量少，容易产生这种缺陷。

?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、一部分未焊透的成形不均现象。

2、焊穿

?焊穿

?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

?原因：

?焊接电流过大、焊速过小都可能出现这种缺陷。

?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作用，从而形成熔池脱落。

?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。

3、咬边和凹坑

?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和熔池，由于焊速很快，焊缝两侧的金属没有被很好熔化，同时熔化金属受表面张力的作用容易聚集在一起而对焊趾部位的润湿性不好，容易形成固液态剥离，凝固后出现咬边

4、焊瘤

?表现形态

?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，或熔池重力作用的结果；

?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。

5、其它焊缝成形缺陷

?大电流MIG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，电弧力集中到熔池底部，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，称作起皱焊缝。

缺陷的抑制

?可以采取多种办法：

?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、采用下坡焊等措施，

?埋弧焊有合适的焊剂层厚度，合适的焊丝伸出长度，

?二氧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，以及增加保护效果，稳定熔滴过渡等。

第二节

焊丝的熔化与熔滴过渡

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）

所产热

和电阻热。

1、电弧热（主要的）：

正接：Pc=I（Uc-Uω-UT）

反接：PA=I（UA+Uω+UT）

或

正接：Pc=I（Uc-Uω）

反接：PA=IUω

（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：

式中：PR——为Le段焊丝的电阻热；

ρ——焊丝的电阻率；

Le——焊丝伸出长度；

S——焊丝的截面积。

用于焊丝熔化的总热量：

Pm=I（Um+IRe）

2Re2

SLeIIPR???2、电阻热（次要的）

（二）焊丝的熔化速度及其影响因素

1、焊丝的熔化速度（W）：

是指单位时间内熔化焊丝的重量（g/h）。

2、焊丝熔化系数（MR）：

是指单位时间内通过单位电流时熔化焊丝的重量（g/(A.h)）。

设单位时间脱落的熔滴金属所保有的热量为Qm，则：

Qm=W（C×Tf+H）J式中：W——焊丝的熔化速度

C——金属比热

Tf

——脱落的熔滴金属的平均温度

H——熔化潜热

J——热功当量

∵

Pm=Qm，则：

I（Um+IRe）=W（C×Tf+H）J

∴MR=W/I=（Um+IRe）/（C×Tf+H）J

2、焊丝熔化系数（MR）

①焊接电流

3、影响焊丝熔化速度的因素

②焊丝干伸长（电阻热）

3、影响焊丝熔化速度的因素

③气体介质及焊丝极性

3、影响焊丝熔化速度的因素

④熔滴过渡形态

3、影响焊丝熔化速度的因素

⑤电弧电压

电弧的固有自身调节作用：

指在焊丝送丝速度发生变化时，焊丝熔化系数随弧长的减小而增大的现象。它使电弧自身具有保持弧长稳定的能力。

3、影响焊丝熔化速度的因素

（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属形成熔滴，它受各种力的作用向母材过渡称为熔滴过渡。

（二）熔滴上的作用力

二、熔滴上的作用力与熔滴过渡的分类

1、熔滴重力

：

⑴概念：Fw=mg

⑵影响：

?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。

2、表面张力

⑴概念：Fσ=2πRσ

⑵影响：有时促进，有时阻碍熔滴过渡。

（二）熔滴上的作用力

熔滴所受重力和表面张力

⑴概念：

⑵影响：

?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。

21log2

ddIFCZ?3、电磁收缩力

3、电磁收缩力

4、等离子流力

：促进熔滴过渡。

5、斑点压力

：

?电磁收缩力

：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

：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

1、熔滴过渡的分类：

⑴自由过渡

滴状过渡

喷射过渡

爆炸过渡

大滴过渡

大滴排斥过渡

细颗粒过渡

射滴过渡

射流过渡

旋转射流过渡

⑵接触过渡

⑶渣壁过渡

短路过渡

搭桥过渡

沿套筒过渡

沿渣壁壳过渡

⑴滴状过渡

①产生条件：高电压、小电流。

②形式：

?大滴滴落过渡：→MIG焊，电弧不稳。

?大滴排斥过渡：→小电流CO2焊，电弧不稳，

飞溅大，