金属熔焊原理（第3版）课件：焊缝金属的构成

金属熔焊原理

焊缝金属的构成本章内容焊条（焊丝）的加热与熔化熔滴过渡母材的熔化与焊缝的形成模块一焊条（焊丝）的加热与熔化学习目标123理解焊条（焊丝）的加热掌握焊条的熔化速度了解焊条药皮的熔化及过渡焊条（焊丝）的加热焊条（焊丝）的加热1焊条（焊丝）：电弧放电的电极之一与熔化的母材混合成焊缝电弧焊时，加热和熔化焊条的能量有：焊接电流通过焊芯时所产生的电阻热；焊条电弧传给焊条端部的热能；化学冶金反应产生的反应热（可忽略）焊条（焊丝）的加热1（1）电阻加热焊接电流通过焊芯时产生的电阻热，使其本身和药皮的温度升高。电流通过焊条产生的电阻热QR为QR=I2Rτ式中I—焊接电流（A）；R—焊芯的电阻（Ω）；

τ—电弧燃烧时间（s）。

电阻加热特点：从导电接触点至电弧之间的焊芯上，热量均匀分布。

当焊接电流密度很大、焊芯过长时，引起不良后果：1）焊条金属在电弧作用下熔化过分激烈，飞溅增加；2）焊条药皮开裂，或过早脱落使电弧不能稳定燃烧；3）药皮组成物之间过早地发生反应，丧失其冶金性能；4）焊缝成形变坏，产生气孔等缺陷；5）焊条发红变软，操作困难。电流密度焊芯的电阻焊芯的熔化速度药皮厚度及成分焊芯和药皮的加热温度焊条（焊丝）的加热1电流密度越大，温度越高电阻越大，温度越高熔化速度越快，温度越低焊条（焊丝）的加热1（2）电弧加热焊条端部得到这部分能量后，一部分消耗于熔化端部的药皮及焊芯，另一部分传导到焊芯的上部，使焊芯和药皮的温度升高。电弧对焊条加热的特点是热量非常集中，沿焊条轴向与径向的温度场都非常窄。在焊条横截面上的温度分布t—焊芯平均温度t1—药皮内表面温度t2—药皮平均温度t4—药皮外表面温度δ—药皮厚度焊条的熔化速度2焊条的熔化速度焊条的熔化速度可用单位时间内焊芯熔化的长度或质量来表示。试验证明，在正常焊接参数条件下，焊条的平均熔化速度与焊接电流成正比，即式中vm——焊条的平均熔化速度（g/h）；

m——熔化的焊芯质量（g）；

τ——电弧燃烧的时间（h）；

ɑp——焊条的熔化系数（g/(h·A)）。ɑp的物理意义是：熔焊过程中，在单位时间内使用单位电流时焊芯（焊丝）的熔化量。焊条的熔化速度是标志焊接生产率的主要参数ɑp=Iτm2焊条的熔化速度单位电流、单位时间内焊芯（或焊丝）熔敷在焊件上的金属量称为熔敷系数，可表示为式中mH——熔敷到焊缝中的金属质量（g）；

ɑH——熔敷系数（g/(h·A)）。

由于金属蒸发、氧化和飞溅，焊芯（或焊丝）在熔敷过程中的损失量与熔化的焊芯（或焊丝）原有质量的百分比叫飞溅率（Ψ），可表示为式中vH——焊条的平均熔敷速度。

αH=（1-ψ）αP

真正反映焊条金属利用率及生产率的指标是熔敷系数。焊条药皮的熔化及过渡3焊条药皮的熔化及过渡焊条药皮是压涂在焊芯表面上的涂料层，它是具有不同物理和化学性质的细颗粒物质的紧密混合物化合物分解水分的蒸发各组成物间相互作用低沸点材料的挥发3焊条药皮的熔化及过渡套筒的形成由于焊条药皮的导热能力比焊芯低得多，加之药皮表面的散热作用，因此，药皮厚度方向的温度分布是不均匀的，等温线由焊芯过渡到药皮内表面发生突然转折，以锥面伸到药皮外表面，这样在焊条端部形成了所谓的套筒。药皮的熔点越高，药皮厚度越大，套筒也就越长。套筒的影响药皮套筒的长度对焊接工艺性能、熔滴过渡形态和化学冶金过程都有影响。增大套筒长度可以提高电弧吹力，增加熔深，细化熔滴，并使气流对熔滴的保护作用得到加强。但套筒过长，将使电弧拉长，造成电弧不稳，甚至中断或是药皮成块脱落。药皮形成的套筒3焊条药皮的熔化及过渡药皮熔池熔渣熔化过渡过渡形式一是包在熔滴外形成一层薄膜或部分熔渣质点被熔滴金属包裹，随熔滴过渡；（熔渣在过渡过程中就能与熔滴进行冶金反应）二是从焊条端部直接进入熔池。（药皮厚度比较大时才会出现，熔渣仅和熔池金属进行反应）模块二熔滴过渡在电弧热的作用下，焊条端部熔化形成的滴状液态金属称为熔滴学习目标了解熔滴的过渡特性理解熔滴的过渡特性对焊接过程的影响理解熔滴过渡的作用力掌握熔滴过渡的形式熔滴的过渡特性熔滴的过渡特性1（1）熔滴的比表面积和相互作用时间

熔滴的比表面积：通常指单位质量物料所具有的总面积，可表示为式中Fg——熔滴的表面积；

Vg——熔滴的体积；

S——熔滴的比表面积。

熔滴越细，其比表面积越大。

可以通过增大电流密度、在药皮中加入表面活性物质等使熔滴比表面积增大，有利于冶金反应的进行。熔滴的过渡特性1（1）熔滴的比表面积和相互作用时间

熔滴与周围介质相互作用的时间越长，冶金反应越充分。

作用时间与熔滴长大的时间很大程度取决于熔滴脱落后在焊条端部剩下的液体金属的质量m0与单个熔滴的质量mtr之比。

当熔滴长大所需的时间增加时，熔滴与周围介质相互作用的时间增加；

当m0/mtr增加时，相互作用时间也增加。熔滴的过渡特性1（2）熔滴的温度

熔滴的温度时研究熔滴阶段各种物理化学反应时不可缺少的重要参数。试验表明，熔滴的平均温度随焊接电流的增加而升高，并随焊丝直径的增加而降低。在多数情况下，正极性焊接时熔滴的平均温度比反极性焊接时低。

工件接正极焊条接负极工件接负极焊条接正极熔滴的过渡特性对焊接过程的影响2熔滴的过渡特性对焊接过程的影响熔滴过渡的速度和熔滴的尺寸影响焊接过程的稳定性、飞溅程度以及焊缝成形的好坏熔滴的尺寸大小和长大情况决定了熔滴反应的作用时间和比表面积的大小，从而决定了熔滴反应速度和完全程度熔滴过渡的形式与频率直接影响焊接生产率熔滴过渡的特性对焊接热输入有一定的影响，改变熔滴过渡的特性可以在一定程度上调节焊接热输入，从而改变焊缝的结晶过程和热影响区的尺寸及性能熔滴过渡特性对焊接过程的影响熔滴过渡的作用力3熔滴过渡的作用力（1）重力当焊丝直径较大而焊接电流较小时，在平焊位置的情况下，使熔滴脱离焊丝的力主要是重力，其大小为式中r——熔滴半径；

ρ——熔滴的密度；

g——重力加速度。如果熔滴的重力大于表面张力时，熔滴就要脱离焊丝。平焊时，重力促进熔滴过渡；在立焊及仰焊时，重力阻碍熔滴过渡。3熔滴过渡的作用力（2）表面张力表面张力是使熔滴保持在焊丝端部上的主要作用力，其大小为式中Fσ——表面张力；

R——焊丝半径；

σ——表面张力系数。

平焊时，表面张力阻碍熔滴过渡，因此，只要使表面张力减小的措施都将有利于平焊时熔滴的过渡。除平焊之外的其他位置焊接时，表面张力对熔滴过渡有利。

熔滴上少量的表面活化物质可以大大降低表面张力系数。（如氧和硫）

增加熔滴温度，降低金属的表面张力系数。3熔滴过渡的作用力（3）电磁力

电流流过导体时，在导体周围产生磁场，此磁场对导体又产生压缩力P，这种力称为电磁力。

电磁力的方向垂直于导体表面，使导体横截面积减小。电磁力对焊条未熔化部分无甚影响，而对熔化的金属则有显著的压缩作用。特别是在焊条末端与熔滴之间的细颈部分，电流密度最大，电磁力也最大。此种沿焊条轴线分布不均匀的电磁力又构成一种轴向推力，促使熔滴脱落焊条，而向熔池过渡。

在空间任何位置进行焊接时，电磁力都有促进熔滴过渡的作用。在用大电流施焊时，电磁力时熔滴过渡中的主要作用力。电磁力收缩作用3熔滴过渡的作用力（4）熔滴爆破力当熔滴内部因冶金反应而生成气体或含易蒸发金属时，在电弧高温作用下将使积聚气体膨胀而产生较大的内压力，致使熔滴爆破，这一内压力称为熔滴爆破力。

当短路过渡焊接时，在电磁力及表面张力的作用下形成缩颈，在其中流过较大电流，使小桥爆破形成熔滴过渡，同时会产生飞溅。（5）电弧的气体吹力

在电弧焊时，焊条药皮的熔化滞后于焊芯的熔化，这样在焊条的端头形成套筒，此时药皮中造气剂产生的气体及焊芯中碳元素氧化产的CO气体在高温作用下急剧膨胀，从套筒中喷出，作用于熔滴。

无论何种位置的焊接，电弧气体吹力总是促进熔滴过渡。3熔滴过渡的作用力（6）斑点压力

电极上形成斑点时，由于斑点是导电的主要通道，所以此处也是产热集中的地方。同时该处将承受电子（反接）或正离子（正接）的撞击力。又因该处电流密度很高，将使金属强烈蒸发，金属蒸发时对金属表面产生很大的反作用力，对电极造成压力。

当斑点面积较小时，斑点压力常常是阻碍熔滴过渡的力；

当斑点面积很大，笼罩整个熔滴时，斑点压力常常促进熔滴过渡。熔滴过渡的形式4熔滴过渡的形式四种过渡形式短路过渡颗粒状过渡喷射过渡渣壁过渡短路过渡：

短弧焊时，熔滴长大受到电弧空间的限制。这时，熔滴还没有长大到它在自由成形的最大尺寸就与熔池接触，形成短路。

金属熔滴在表面张力和其他力的作用下，开始沿着熔池表面流散，并在熔滴和熔池之间迅速形成缩颈，称之为金属小桥。显然，小桥中的电流密度将急剧升高，熔滴被强烈过热而发生爆炸便脱离焊丝过渡到熔池内。然后电弧重新点燃，开始下一个周期的过程。

4熔滴过渡的形式四种过渡形式短路过渡颗粒状过渡喷射过渡渣壁过渡颗粒状过渡：当电弧长度超过临界值时，熔滴依靠表面张力的作用可以保持在焊丝端部自由长大。当促使熔滴下落的力大于表面张力时，熔滴就离开焊丝落到熔池中，不发生短路，因此焊接电流和电压的波动比短路过渡时小。焊丝直径、焊接电流电流极性、保护气体焊剂和药皮成分等影响因素4熔滴过渡的形式四种过渡形式短路过渡颗粒状过渡喷射过渡渣壁过渡喷射过渡：用细焊丝和直流反极性在惰性气体中焊接时，如果电流达到某个临界值，将发生喷射过渡。

熔滴细、过渡频率高，熔滴沿焊丝轴向以高速向熔池运动，过程稳定，飞溅小，熔深大，焊缝成形美观渣壁过渡：该方式中，熔滴沿渣壁流入熔池。焊条电弧焊时熔滴沿药皮套筒过渡，埋弧焊时熔滴沿熔渣壁过渡。模块三母材的熔化与焊缝的形成熔池的特性2焊缝金属的熔合比3熔池的形状和尺寸1学习目标熔池的形状和尺寸熔池的形状和尺寸1熔池：在母材上由熔化的焊条金属和母材组成的具有一定几何形状的液体金属。熔深（H）：增加电流，H增加熔宽（B）：增加弧压，B增加熔池的温度分布不均匀.熔池金属在强烈的运动着.熔池的特性熔池的特性21.熔池的质量焊条电弧焊时熔池的质量mp与p02/v成线性关系熔池的特性22.熔池的存在时间熔池在液态存在的最长时间

τmax=L/v

L——熔池长度（mm）v——焊接速度（mm/s）

焊缝轴线上各点在液态停留的时间最长，离轴线越远，停留的时间越短。熔池的特性23.熔池的温度熔池各点的温度分布不均匀熔池的平均温度取决于被焊金属的熔点与焊接方法