1、第第3章章 母材熔化和焊缝成形母材熔化和焊缝成形电弧焊时，在电弧热源（电弧产热借助于传导、辐射、电子能量、极区能量、熔滴等传入母材。电弧焊输入到母材中的热量一般由Q=IUa给出，为电弧加热母材的热效率，即电弧产生的热量输入到母材中的比率见表3-1）作用下。焊件上形成的具有一定几何形状的液态金属部分称为熔池。在熔化极电弧焊中，熔池中还包括已经熔化了的填充金属。熔池冷却凝固后成为焊缝其成形的好坏是衡量焊接质量的指标之一。 3-1 熔池和焊缝的形状尺寸熔池和焊缝的形状尺寸一一.焊缝形成过程焊缝形成过程:熔化极电弧焊中，母材和填充金属在电弧热的作用下，液态金属被排向电弧移动的后方，并且在电弧力、本身重
2、力和表面张力的等共同作用下保持一定的液面差，形成了具有一定形状和尺寸的熔池。随电弧前移，熔池也随之前移，熔池尾部液态金属的温度逐步降低。当液态金属温度降到金属的凝固温度时，便冷凝结晶而成为焊缝。图3-1 熔池纵向温度分布示意图3-2 熔池结晶过程示意图二二.焊缝形状尺寸焊缝形状尺寸焊缝形状是指焊缝横截面的形状，一般以熔深H，熔宽B和余高a描述。合理的焊缝横截面形状要求H.B.a具有恰当的比例。通常用焊缝系数和余高系数表示焊缝成形的特点，焊缝成形系数=B/H，余高系数=B/a。过小，焊缝截面窄而深易产生气孔和热裂纹。故对裂纹和气孔敏感的材料值应取大一些。常用电弧焊方法一般取1.3-2。堆焊要求宽
3、而浅，可达10左右。余高过大会引起应力集中，降低承动载能力。通常对接接头余高a为03mm，或使=4-8。对重要结构，应在焊后除去余高。磨成光滑凹型。熔合比：母材金属在焊缝中所占比例，可用母材金属在焊缝中所占的面积Am与焊缝的总面积（Am+AH）之比即熔合比来表示： 其中AH为填充金属在焊缝截面中所占面积（图3-3），可见，坡口和熔池形状改变时，熔合比都将发生变化。通过改变熔合比，可以调整焊缝化学成分，降低裂纹倾向和提高焊缝力学性能。mmHAAA图3-3 对接接头和角接接头焊缝形状和尺寸3-2 熔池形状与电弧热的关系熔池形状与电弧热的关系一一.焊接温度场和熔池特征参数焊接温度场和熔池特征参数:图
4、3-4 焊接熔池形状示意图二二.焊件比热流与焊接参数的关系焊件比热流与焊接参数的关系焊件比热流单位时间内通过单位面积传入焊件的热量图3-5 正态分布比热流图3-6 弧长与比热流分布之间的关系图3-10 电弧电流与比热流分布之间的关系图3-8 钨极端部角度和端部直径d对比热流分布的影响3-3 熔池受力及其对焊缝成形的影响熔池受力及其对焊缝成形的影响重力、表面张力、焊接电弧力和熔滴冲击力图3-9 熔池流动与表面张力梯度关系（d/dr0）图3-10 熔池流动与表面张力梯度关系（d/dr0）图3-11 电弧静压力对焊缝成形的影响图3-12 电弧动压力对焊缝成形的影响3-4 焊接参数和工艺因素对焊缝成形
5、的影响焊接参数和工艺因素对焊缝成形的影响一、电流、电压及焊速的影响一、电流、电压及焊速的影响焊接电流、电弧电压和焊接速度是决定焊缝尺寸的主要工艺参数，它们对焊缝形状的影响规律如下：1焊接电流：焊接电流是影响熔深的主要因素。随焊接电流增大、熔深近于成比例增加（热输入、电弧力增大、热源下移），熔宽略有增加（电弧截面增加，但潜入深度增加限制斑点移动范围），余高增加（焊丝熔化量增加），结果使成形系数及余高系数均减小。（见表3-2 熔深系数）2电弧电压：电弧电压是影响焊缝熔宽的主要因素。在其它条件不变时，随着电弧电压增大，焊缝熔宽显著增加（弧长增加，工件上比热流分布半径增大），熔深和余高略有减小（焊丝熔
6、化量不变，熔宽增加则a.H减小）3焊接速度：焊接速度对焊缝形状和尺寸都有明显的影响。焊速提高，焊接线能量IUa/vw减小，熔深和熔宽都显著减小。为保证合理的焊缝尺寸同时又有高的焊接生产率，在提高焊速的同时，应相应提高焊接电流和电弧电压，并使其保持在稳定的匹配工件范围内。二、其它焊接条件的影响二、其它焊接条件的影响：1电流种类和极性：主要影响工件的热输入，熔滴过渡等。熔化极电弧焊一般采用直流反接法，因为熔化极电弧阴极（工件）产热较大，因而其熔深和熔宽比直流正接的要大。交流电弧焊介于两者之间。非熔化极电极产热特性与熔化极电弧焊相反（PAPK）故正接时熔深较大，反接时较小。除铝、镁及其合金要求除去表
7、面氧化膜采用交流外，非熔化极电流焊一般采用直流正接法。脉冲电流焊接时，在同样的焊接电流和电压平均值条件下，比一般的电弧焊可获更大的熔深和熔宽。2焊丝直径和伸出长度：在一定范围内，同样的焊接焊接电流，焊丝越细，则焊缝熔深越大。伸出长LsRs熔化量余高a。丝，d丝Ls这种影响越明显必须限制焊丝平均电流密度和焊丝伸出长度。3保护气氛和熔滴过渡形式：保护气体对焊缝成形的影响：CO2焊大电流细滴过渡，焊缝熔滴较大，底部呈圆弧状；短路过渡焊缝形状与其类似只是熔深要浅得多。纯氩保护射流过渡的焊缝中部深陷。通常加入少量的CO2，O2，He等可使熔深形状得到改善。4间隙和坡口：开坡口、留间隙可控制焊缝的余高和调
8、整熔合比。（坡口尺寸Ha、）5电极（焊丝）的倾角：电极相对工件倾斜有前倾和后倾两种，习惯的意义是指电极轴线与上表面之间的夹角。电极前倾时，电极指向未焊方向，电弧力使熔池金属向后排出的作用减弱，熔池底部的液体金属层变厚，阻碍着电弧对熔池底部母材的加热，故熔深变小。但电弧却对熔池前方未熔化的母材预热作用加强，因此熔宽增加，余高减小。且前倾角越小，这一影响越明显。电极后倾时，情况与前倾焊大不相同，其结果是熔深较深，余高较大，熔宽减小。实际焊接中，手工TIG焊，半自动熔化极气保焊等一般采用前倾焊。而后倾焊是手工焊条电弧焊采用的方式，倾角以自然保持60-70为宜。此外，影响焊缝成形的因素还有许多，如工件厚度、倾斜度及散热条件，焊剂、焊条药皮成分等。图3-13 间隙和坡口对焊缝成形的影响图3-14 焊丝倾角对焊缝成形的影响图3-15 工件倾角对焊缝成形的影响图3-16 保护气体成分对焊缝成形的影响3-5 焊缝成形缺陷及其防止焊缝成形缺陷及其防止图3-17 未焊透和未熔合图3-18 烧穿和塌陷图3-19 焊缝咬边图3-20 焊瘤
