第二章 电弧焊熔化现象教学讲义.ppt

本章重点：熔滴过渡的主要形式及特点； 焊接工艺参数对焊缝成形的影响； 本章难点： 熔滴过渡形式的影响因素、特点及应用 ； 学习建议：对焊接电弧的基础知识，包括电弧的物理基础、 导电 特性的内容不必追求过深、过细； 在准确把握熔滴过渡特点的基础上去理解它们的应用， 并弄清楚常见焊接方法所用的熔滴过渡形式； 了解常见焊接工艺参数及因素对焊缝成形（质量） 的影响规律电弧的工艺特性主要包括： 热能特性、力学特性、 电弧稳定性等第二章 电弧焊熔化现象,一、焊缝（weld）形成过程,母材熔化形成熔池(molten pool)熔池凝固形成焊缝熔池形状与焊缝质量有关,二、焊缝形状与焊缝质量的关系,焊缝成形的基本参数： 熔深； 熔宽； 余高； 焊缝成形系数：焊缝宽度焊缝厚度,第一节 母材熔化与焊缝成形,1母材的熔化热 电弧产热借助于传导、辐射、电子能量、极区能量、熔滴、等离子气流等传人母材 电弧焊输入到母材中的热量一般由下式给出：,一、母材熔化特征和焊缝形状尺寸,为电弧加热母材的热效率； 工件热输入/电弧热功率 （电弧热功率总的热损失）/电弧热功率,电弧热损失包括：电极、导电嘴等传导散热； 熔化焊丝、焊剂、药皮等热损耗； 电弧光辐射、热辐射、气流散热； 熔滴飞溅的热损失； TIG焊、等离子弧焊 约为(5070)； 熔化极弧焊，由于熔滴过渡时将其保有的热量带到母材， 可达到(7080)，其中埋弧焊的值最高； 电弧介质及焊接电流值对 的影响较小，但弧长会对 有某种程度的影响。

电弧力和等离子气流对熔他的压力都是起因于流经弧 柱的电流，把两者合并考虑，力的数值可以用下式表达： 式中， k是与电弧形状有关的比例常数，为电极端部电弧 的电流密度设焊丝直径为d，则可以用下式近似表示：,母材熔化形态变化的原因是源于电弧力或等离子气流对熔池的挖掘作用综合上面两式可看出，熔池受到的挖掘力与电流的平方成正比，而与电极直径的平方成反比因此，细焊丝大电流的气保护熔化极电弧焊，其熔池受到的向下挖掘力是非常大的，熔化形状呈中心熔化型，熔深远远大于通过热传导理论计算的数值周边熔化型形态是指周边区的熔深比中心区大这是由于熔池内金属向外侧流动，热量通过熔化金属的对流被逐渐传送到周边区，促进周边区的熔化原因这种形状通常出现在电弧较长或焊接速度较慢时 产生的机理可能包括以下几方面 熔池中心区与周边区的温度差所造成的表面张力流； 熔池内部电流密度差产生的磁力流； 等离子气流引发的吹力流等； 然而其详细机构尚不完全清楚图（a）为指状熔深，在氩气MIG焊时出现其形成因素包括： 工件受到阴极清理作用，熔滴喷射过渡； 图（b）的形态是大电流CO2焊中出现的（也可能在氦气MIG 焊、埋弧焊中出现）。

其形成因素包括： 弧柱受热拘束而收缩，工件无阴极清理作用； 图（c）是CO2焊中焊丝端部深入焊接坡口内出现的形态，又称 “梨形”熔深，其焊缝组织易产生结晶裂纹热输入、电弧力 母材的熔化形状,,因此可以在不改变对母材的热输入量前提下，对母材的熔深进行控制 选择电极的直径是一 个有效手段，电极直径越细，母材熔化越深 右图给出钢材料MIG焊时在相同电流、电压、速度下，改变焊丝直径所得到的熔深实测值，它与电流密度成正比增加，即与焊丝直径的平方的倒数成正比以平面单道对接 焊缝为讨论对象 形状参数 ： H、B、 、 a、 ； B/H 焊缝成形系数； B/a 余高系数； Fm/(Fm + FH) 焊缝熔合比； 通常 1； 一般取 a=03 mm； B/H=48；,3焊缝形状尺寸,焊接工艺方法和规范参数对熔池体积及熔池长度等都有很大的影响 在厚板非完全熔透焊接中，H 对接头的承载能力有重要影响；而在薄件完全熔透的焊接中，B对焊缝性能有影响； 的大小对熔池中气体的逸出、熔池的结晶方向、成分偏析、裂纹倾向性等有影响；的大小对焊缝合金成分、接头强度、裂纹倾向等有影响熔池内部存在 着液态金属的流 动，力是产生液体 流动的原因。

右图 示意无添加焊丝 GTAW（TIG焊）电 弧作用下熔池内部 的4种对流驱动 力其中浮力对流 是次要的二、熔池金属的对流,1对流驱动力,表面张力与熔滴过渡、熔池形成及其内部的流动都有紧 密的联系凡是影响表面张力的因素，都会对表面张 力流产生影响，进而影响熔池形状2表面张力流及微量元素的影响,影响表面张力的主要因素： 合金系； 温度； 微量表面活性元素；,对影响熔池形状的元素进行探讨，试验研究结果显示：对于 TIG 焊，当母材中含有 O、S 等第VI族元素及卤族元素时可以增大熔深；Se、Te 的存在也有同样作用，而 Ce 的存在作用相反； 保护气中 S 含量的增加也会增大熔深，与纯氮保护的情况相比，采用 Ar 气和 Ar + H2 气保护时，S 元素的影响更为显著焊接熔池表面张力流的研究表明：当焙池表面流从熔池中 心区向周边区流动时，得到的焙深较浅，如下图（a）所示； 当焙池表面流从熔池中心区向周边区流动时，得到的焙深较浅， 如图（b）所示等离子气流使熔池表面金属产生向着周边的流动，而电磁对 流产生向着熔池中心的流动流动强度与电弧的形态有关3等离子流及电磁对流对熔池流动的影响,在熔池表面上阳极区域较大的情况下，等离子气流增强，而熔池内的电流密度下降，从而使电磁对流相对减弱，如图(a)的情况。

而在阳极区收缩的情况下，如图(b)所示，电磁对流的影响增强其它条件不变时，焊接电流增大时，焊缝的熔深和余高增 加，而熔宽略有增加三、焊接工艺参数对焊缝尺寸的影响,1.电流、电压、焊接速度的影响,各种电弧焊方法为了得到合适的焊缝成形，在增大焊接 电流时，也要适当地提高电弧电压，即在熔化极电弧焊中电 弧电压通常要根据焊接电流来确定焊接电流不变，电弧电压增大后，熔宽增大，而熔深、焊缝余高略有减小这是由于电弧电压的增加是以增加电弧长度实现的，使得电弧热源半径增大，工件热输入能量密度减小；同时由于焊丝送进速度和焊丝熔化量没有改变，使得电弧功率加大，工件热输入有所增大焊速提高时，熔宽和熔深都减小，余高也减小 增大焊接速度可以提高焊接生产率，但在提高焊接速度时要相应提高焊接电流和电弧电压，以保证结构设计上所需要的焊缝尺寸 需要注意在大功率下高速焊接，有可能在工件熔化及凝固中形成焊接缺陷，比如裂纹、咬边等，因此对焊速的提高一般需要加以限制电流种类和极性影响到工件热输入量的大小，也影响到 熔滴过渡的情况以及熔池表面氧化膜的去除等钨极端部的 磨尖角度和焊丝的直径，影响到电弧的集中性和电弧压力的 大小而焊丝的直径和焊丝的伸出长度等，还影响到焊丝的 熔化和熔滴的过渡，因此都会影响到焊缝的尺寸。

2电流种类、极性及电极尺寸对焊缝尺寸的影响,TIG焊时，以直流正接所形成的焊接熔深最大，直流反接时的熔深最小，交流居于两者之间； 熔化极弧焊时，直流反接的熔深和熔宽都要大于直流正接的情况，交流焊接居于两者之间但在直流正接时，焊丝熔化快；,焊丝伸出长度加大时，焊丝电阻热增加，熔化速度增加，使余高增大而 熔深有所减小，这在钢质细径焊丝中表现最为明显，而铝焊丝的影响不大 坡口形式、尺寸、间隙的大小，电极与工件间的倾角，接头的空间位置 及焊接方式等对焊缝成形也有影响 总之，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TIG焊中，钨极端部越尖锐，电弧越集中、电弧压力越大，熔深越大，而熔宽相应减小应该根据使用的电流、焊件厚度选取合适的形状尺寸； 熔化极弧焊中，在同等电流在下焊丝越细，电弧加热越为集中，熔深增加，熔宽减小但在特定条件下，焊丝直径的选取还要考虑电流值和熔池形态，避免不良焊缝的出现2其它工艺因素对焊缝尺寸的影响,焊丝伸出长度对焊 道形状的影响 1余高 2熔深 3焊道宽度 焊丝直径1.2mm, 焊接电流250A ； 焊丝直径1.6mm,焊接电流350A(保护气体Ar95%+CO25%，气流量25L/min) ；,坡口角度及间隙：增大，则余高及熔合比减小； 板厚：增大，则熔深及余高减小； 电极倾角：前倾焊熔深变小，熔宽变大，余高变小； 后倾焊熔深变大，熔宽变小，余高变大；,,焊件倾角：上坡焊相当于后倾焊； 下坡焊相当于前倾焊；,,焊接缺陷有多种，包括内部缺陷和外部缺陷、微观组织缺陷和宏观缺等。

气孔、夹渣、裂纹缺陷除与焊接规范和工艺有关外，更主要的是受到焊缝 冶金因亲和焊接热循环的影响，其成因相对比较复杂 以下仅探讨焊缝成形方面所出现的宏观缺陷，这些缺陷的成因主要是焊接 工艺参数不合理四、焊缝缺陷及形成原因,未焊透、末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1. 未焊透与未熔合,单面焊接时，接头根部末完全焊透的现象叫未焊透； 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未熔合焊接时熔化金属自焊缝背面流出并脱离焊道形成穿孔的 现象叫焊穿焊接电流过大、焊速过小都可能出现这种缺陷 厚板焊接时，熔池过大，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，造成熔池脱落；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2. 焊穿,3. 咬边与凹坑,焊缝表面两侧与母材交界处出现的凹槽，称为咬边 在高速焊接过程中，若焊缝两侧的金属没有被足够加热，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，凝固后出现咬边。

焊缝中凹坑的形成主要是由于在一定的焊速下电流值过 大，导致电弧压力对熔池的冲击过大造成的焊瘤有两种表现形态： 熔化金属流淌到焊缝区以外未熔化母材上堆集这是由于 填充金属过多，或熔池重力作用引起的； 在焊缝上聚集成凸出的堆高这大多是由于不稳定的熔滴 过渡造成4. 焊瘤及其它缺陷,焊缝的其 它缺陷如右图 所示，其成因 涉及到综合的 工艺因素1. 焊丝熔化热 焊丝熔化所需要的热量大部分来自电弧对电极前端的加 热弧焊中焊丝作为阳极还是作为阴极，其前端的产热量是 不同的，各自产热的等价电能PA、PC 分别可用下面简化公 式表达：,第二节 焊丝熔化与熔滴过渡,一、焊丝熔化热与熔化速度,式中UA为阳极压降，Uc为阴极压降，Uw为电极材料的功函数，UT为弧柱电子动能的等价电压PC = （Uc Uw UT1） PA = （UA + UT2 + Uw ）,在普通电弧焊接中，即使弧柱温度达到6000K，UT值也 在1V以下，并且电流密度较大时UA接近于0，因此熔化等价 电压主要由Uc和Uw值决定 熔化极电弧焊，焊丝都是冷阴极材料，由于UcUw， 通常有PC PA的关系，即焊丝作为阴极的产热量较大。

而 TIG焊时则与此相反焊丝除了受电弧极区能量的加热之外，还受到干伸长 段的电阻热这部分热量对焊丝起预热作用，提高焊丝的 熔化速度，尤其对细丝和材质电阻率大的焊丝更为明显对于电阻率高的细丝，在干伸长较大的大电流下焊接时，PR可以达到与PA或PC同等值可以认为用于焊丝熔化的 总热量 Pm 就是 PA或 PC 与 PR 之和，一般用下式表示：,式中Um是电弧极区熔化热的等价电压；,此外，还有电弧弧柱区的辐射、对流传热对焊丝的加热等通常将这部分热量忽略2. 焊丝的熔化速度与比熔化量,焊丝的熔化速度由来自电弧的热输入量及焊丝的电阻产 热所决。