第二章 電弧焊熔化現象

第二章電弧焊熔化現象要求：〔1〕掌握焊絲熔化的熱源、熔滴過渡種類、出現條件及特點；等熔化特性曲線及原因；熔滴上作用力及其與電弧形態(tài)、焊接位置等之間的關系?！?〕掌握焊縫的形狀尺寸參數及其影響工藝因素，掌握焊接缺陷的種類，了解其影響因素；重點：〔1〕射流過渡、短路過渡、亞射流過渡等熔滴過渡形式特點及出現的條件；〔2〕等熔化特性曲線及原因〔3〕焊縫形狀尺寸參數與焊接工藝參數之間的關系難點：主要熔滴過渡形式特點及出現的條件；等熔化特性曲線及原因2.1母材熔化與焊縫成形焊縫質量的評定標準：1〕焊縫成形；2〕組織性能；3)力學性能一母材熔化特征和焊縫的形狀尺寸〔一〕母材的熔化熱與溫度分布熔化極(70%～80%)比非熔化極(50%～70%)熱效率高埋弧焊熱效率高短弧比長弧熱效率高溫度分布:熔池中心溫度高(遠高于材料熔點)?！捕橙鄢厮艿牧Γ彪娀θ鄢氐淖饔昧Γ弘姶澎o壓力和電磁動態(tài)壓力。２熔池中的其它作用力１〕液態(tài)金屬的重力；２〕電磁力３〕外表張力：取決于液態(tài)金屬的成分與溫度a.外表張力阻止熔池金屬的流動。b.外表張力影響液態(tài)金屬潤濕性。c.外表張力內外差造成液態(tài)金屬的流動，影響焊縫尺寸。中心外表張力小中心外表張力大〔三〕母材的熔化斷面形狀圖a圖b圖c圖a：單純熔化型，電流密度小，弧長短時；電磁力小，熱傳導起主要作用。焊條電弧焊、TIG焊。圖b：中心熔化型，電流密度相當大。電磁靜、動壓力對熔池的挖掘作用，底部暴露。對于MIG焊、CO2焊接的熔池形狀見P61圖2.4：圖a：MIG焊；圖b：CO2焊接較大電流；圖c：CO2焊接潛弧焊。圖c：周邊熔化型，電流密度較大，弧長較長時?！搽娀“唿c漂動，過熱金屬流向四周〕〔四〕焊縫形狀尺寸及特征參數熔深H：影響接頭的承載能力。成形系數：影響氣體析出、熔池的結晶方向、焊縫中心偏析的嚴重程度。等離子為1，一般焊接方法大于1，電子束焊小于1。BaHBaFMFH3余高系數：，太小，易形成應力集中，太大，易形成缺陷，一般在4～8。4熔合比：〔五〕熔池形狀對焊縫的影響對焊縫形狀的影響對化學成分的影響。對焊縫結晶過程的影響：熔池金屬的對流和對流驅動力熔池內部存在著液態(tài)金屬的流動，對焊接區(qū)域的熱輸送現象及所形成的焊縫形狀尺寸有很大影響。熔池金屬的對流驅動力1〕等離子氣流作用力：從熔池的中心區(qū)向周邊區(qū)流動。2〕外表張力：溫度越高越小，從高溫區(qū)向低溫區(qū)流動。3〕熔池內部的電流產生的電磁力：指向電流發(fā)散方向。4〕熔化金屬密度差引起的浮力流。外表張力流與微量元素的影響1〕液態(tài)金屬的外表張力〔1〕外表張力隨溫度的增加而降低?！?〕大多數液態(tài)金屬，當其含有氧、硫等外表活性元素時，外表張力會大幅度降低。注意：當有外表活性元素存在時，外表張力的溫度系數會變?yōu)檎怠Ｒ奝65圖2.11。2〕微量元素對熔池現象的影響〔自學〕注意：微量元素會對熔深、熔寬有影響，當采用標準參數不變時，可通過調整微量元素來改變熔深。3〕焊接熔池外表張力流的研究〔自學〕注意：微量元素會對熔深的影響原因是引起外表張力的正溫度系數變化。氧、硫使熔深增加的原因如右圖：等離子流及電磁對流對熔化現象的影響等離子流使熔池外表金屬產生向著周邊的流動。電磁對流使熔池外表金屬產生向著熔池中心的流動。三焊接參數與工藝的影響通常將對焊接質量影響較大的工藝參數(焊接電流、電弧電壓、焊接速度、線能量等)稱為焊接參數。其它工藝參數(焊絲直徑、電流種類與極性、電極和工件傾角、保護氣等)稱為工藝因數〔或工藝條件〕。此外，工件的結構因數〔坡口形狀、間隙、工件厚度等〕也會對焊縫成形造成一定的影響。注意與教材上的不一致，上述更合理。1．焊接參數的影響

焊接電流、電弧電壓、焊接速度。焊接參數決定焊縫輸入的能量，是影響焊縫成形的主要工藝參數。

焊接電流是影響熔深的主要參數；電弧電壓是影響熔寬的主要參數。IBaHUBaHVwBaH圖a電流增加圖b電壓增加圖c焊速增加1〕焊接電流的影響要注意：〔1〕對于改變送絲速度調整焊接電流的焊接設備，在焊接電流增加時送絲速度也增加，而熔寬增加少，因此余高增加?！?〕電流增加，弧柱直徑增加，熔寬增加，但電弧潛入工件深度增加，電弧斑點受到限制，熔寬增加少。2〕電弧電壓的影響注意：在增加電流的同時要增加電弧電壓，以保證適宜的焊縫成形。3〕焊接速度是評價焊接生產率上下的一項重要指標，但焊接速度的提高會產生缺陷：裂紋及咬邊。

工藝因數的影響電流種類和極性：熔化極氣體保護焊和埋弧焊采用直流反接時，熔深、熔寬都比直流正接大；交流焊接時，熔深、熔寬介于直流正接與直流反接之間。在鎢極氬弧焊或酸性焊條電弧焊中，直流反接熔深?。恢绷髡尤凵畲?；交流焊接介于上述兩者之間。2〕焊絲直徑和伸出長度3〕電極傾角：電極后傾〔傾斜方向與焊接方向同向〕：熔寬增加，熔深、余高均減小；電極前傾：情況剛好相反。焊條電弧焊和半自動氣體保護焊時，通常采用電極后傾法，傾角α＝65°～80°之間較適宜。Vwα焊絲或焊條后傾4〕工件傾角：下坡焊時：重力作用阻止熔池金屬流向熔池尾部，電弧下方液態(tài)金屬變厚，電弧對熔池底部金屬的加熱作用減弱，熔深減小，余高和熔寬增大。上坡焊時：熔池金屬在重力及電弧力的作用下流向熔池尾部，電弧正下方液體金屬層變薄，電弧對熔池底部金屬的加熱作用增強，因而熔深和余高均增大，熔寬減小，3結構因數焊件的結構因數通常指工件的材料和厚度、工件的坡口和間隙等。在一定條件下，工件的結構因數也會對焊縫成形造成影響。1〕工件材料和厚度導熱性好熔深和熔寬就小；工件材料的密度或液態(tài)粘度越大，熔深越淺；工件厚度越大散熱越多，熔深和熔寬越小。2〕坡口和間隙采用對接形式焊接薄板時不需留間隙，也不需開坡口；板厚較大時，為了焊透工件需留一定間隙或開坡口，此時余高和熔合比隨坡口或間隙尺寸的增大而減小，因此，焊接時常采用開坡口來控制余高和熔合比?？傊绊懞缚p成形的因素很多，想獲得良好的焊縫成形，需根據工件的材料和厚度、焊縫的空間位置、接頭形式、工作條件、對接頭性能和焊縫尺寸要求等，選擇適宜的焊接方法和焊接工藝參數；否那么就可能造成焊縫的成形缺陷。四焊縫成形缺陷及形成原因1焊縫外形尺寸不符合要求問題：焊縫外表上下不平、焊縫波紋不均勻、縱向寬度不均勻、蛇行焊道、外表縮孔、大電流MIG焊接的起皺現象等。后果：除造成焊縫成形不美觀外，還影響焊縫與母材金屬的結合強度。原因：工件所開坡口角度不當、裝配間隙不均勻、焊接參數選擇不適宜及操作人員技術不熟練.2．咬邊電弧將焊縫邊緣熔化后，沒有得到填充金屬的補充而留下缺口的現象叫咬邊(也稱咬肉)原因：當采用大電流高速焊接或焊角焊縫時一次焊接的焊腳過大，電壓過高或焊槍角度不當，都可能產生咬邊現象常見焊接缺陷氣孔咬邊夾渣層間未熔合未熔合焊瘤6G位置焊接名稱焊接位置1G平焊2G橫焊3G立焊4G仰焊5G管道水平焊6G管道45°固定焊焊接位置專業(yè)術語3．未焊透和未熔合未焊透：熔焊時，焊接接頭根部未熔透的現象。未熔合：焊道與母材之間、焊道與焊道之間未能完全熔化結合的現象。后果：未焊透和未熔合處易產生應力集中，使接頭力學性能下降原因：焊接電流過小、焊速過高、坡口尺寸不適宜及焊絲偏離焊縫中心，或受磁偏吹影響等；焊件清理不良，雜質阻礙母材邊緣與根部之間以及焊層之間的熔合，也易引起未焊透和未熔合。4．焊瘤焊瘤：熔焊時，熔化的金屬流到焊縫以外未熔化的母材上而形成金屬瘤的現象原因：主要是由于填充金屬量過多引起的，坡口尺寸過小、焊速過慢、電壓過低、焊絲偏離焊縫中心及焊絲伸出長度過長在各種焊接位置中，平焊時產生焊瘤的可能性最小，而立焊、橫焊、仰焊那么易產生焊瘤。5.焊穿及塌陷焊穿:焊縫上形成穿孔的現象。塌陷:熔化的金屬從焊縫反面漏出，使焊縫正面下凹反面凸起的現象。原因:主要是電流過大、焊速過小或坡口間隙過大等。在氣體保護電弧焊時，氣體流量過大也可能導致焊穿。通常情況下，平焊易獲得良好的焊縫成形。2.2焊絲熔化與熔滴過渡焊絲的熔化與熔化速度1焊絲的熔化熱熔化焊絲的熱源是電弧熱和電阻熱。熔化極電弧焊：焊絲的熔化主要靠陰極區(qū)(正接)或陽極區(qū)(反接)所產生的熱量及焊絲伸出長度上的電阻熱，弧柱區(qū)產生的熱量對焊絲的加熱熔化作用較小。非熔化極電弧焊(如鎢極氬弧焊或等離子弧焊)：填充焊絲主要靠弧柱區(qū)產生的熱量熔化。1〕電弧熱：陰極區(qū)的產熱功率為：PC＝IUC-IUW+IUT陽極區(qū)的產熱功率：PA＝IUA+IUw+IUT電弧焊時，當弧柱溫度為6000K左右時，UT小于1V；當電流密度較大時，UA近似為零，故上兩式可簡化為：PC＝I(UC—UW)；PA＝IUW在細絲熔化極氣體保護電弧焊、使用含有CaF2焊劑的埋弧焊和使用堿性焊條電弧焊等情況下，當采用同樣大小的電流焊接同一種材料時，焊絲作為陰極時的產熱量比作為陽極時的產熱量多，在散熱條件相同時，焊絲作陰極比作陽極時熔化速度快。(提高焊絲熔化速度的方法)2〕電阻熱熔化極電弧焊時，焊絲通電點與電弧端點之間的焊絲長度稱為干伸長：ls〕。焊絲伸出局部有電流流過時所產生的電阻熱對焊絲有預熱作用。CO2氣體保護焊時，ls是焊絲直徑的10～12倍。焊絲的熔化速度與比熔化量1〕比熔化量：又常稱為熔化系數。2〕焊絲熔化速度與電流之間的關系表達式:注意：當焊絲的干伸長電阻對加熱有較大作用時，從上式可知：熔化速度與焊接電流為非線性關系。3熔化速度的影響因素１〕焊接電流：直線關系〔低碳鋼等〕；非直線關系〔不銹鋼：電阻率大，電阻熱作用明顯〕。２〕焊絲材料〔電阻率〕、干伸長〔正比〕及直徑〔反比〕。３〕電弧電壓：AB段：下降的壓降主要在弧柱上，不影響熔化。熔化速度主要取決于電流。BC段：電壓降低，電流減小。原因：電弧短，熱量損失少；熔滴加熱溫度低，帶走能量少，從而熔化系數高。C以下：短路時間增加，能量輸入少，從而熔化系數減小。固有自調節(jié)作用：BC段，電弧本身有恢復原來弧長的能力。４〕極性：一般正接比反接熔化速度大。熔化特性曲線IUBAC熔滴上的作用力與熔滴過渡分類〔一〕熔滴上的作用力熔滴上的作用力可分為重力、外表張力、電弧力、熔滴爆破力和電弧氣體的吹力等。1重力重力對熔滴過渡的影響依焊接位置的不同而不同。平焊時，熔滴上的重力促使熔滴過渡；而在立焊及仰焊位置那么阻礙熔滴過渡。FG＝mg＝(4／3)πRD3ρg2外表張力Fσ此處的外表張力Fσ是指焊絲端頭上保持熔滴的作用力。

Fσ＝2πRσ式中：R——焊絲半徑；σ——外表張力系數。外表張力是促進熔滴過渡還是阻止過渡應針對不同的焊接方法、不同的熔滴過渡形式來分析，如短路過渡后期，外表張力是促進容滴過渡的，特別是對于現在的STT電源，實現無飛濺過渡更是如此。假設熔滴上含有少量活化物質(如O2、S等)或熔滴溫度升高，都會減小外表張力系數，有利于形成細顆粒熔滴過渡。電磁力電流通過熔滴時，導電界面是變化的，其方向總是由小截面指向大截面。電弧是否籠罩熔滴。FaFσθRDθRFG等離子流力：促進熔滴過渡的力斑點壓力：撞擊力、蒸發(fā)反作用力、電磁力。爆破力：促進過渡。綜上所述：1〕除重力、外表張力、爆破力外，其余力都與電弧形態(tài)有關。2〕熔滴上的作用力對熔滴過渡的影響應從焊縫空間位置、熔滴過渡形式、電弧形態(tài)、工藝條件等綜合考慮?！捕橙鄣芜^渡形態(tài)的分類分為三種：自由過渡、接觸過渡〔短路過渡〕和渣壁過渡。1自由過渡自由過渡是指熔滴經電弧空間自由飛行，焊絲端頭(熔化與非熔化局部〕和熔池之間不發(fā)生直接接觸的過渡方式。滴狀過渡：特點：熔滴直徑大于焊絲直徑。大顆粒過渡：條件：電流較小，電弧電壓高時，小電流MIG焊。過渡頻率低，主要是重力與外表張力的平衡。細顆粒過渡：條件：較大電流時，大電流CO2焊。頻率高，電弧穩(wěn)定，焊縫質量高,重力、電磁力促進過渡。排斥過渡：CO2中等電流焊時，飛濺大〔講解CO2焊接從大顆粒過渡到細顆粒過渡的轉換過程〕。噴射過渡：在MIG焊時會出現這種形式的過渡，又分為：射滴過渡、亞射流過渡、射流過渡、旋轉射流過渡。1)射滴過渡:熔滴直徑接近焊絲直徑，f=100～200，熔滴加速度大于重力加速度，尺寸規(guī)那么呈球形，沿軸向過度。形成原因：熔滴被弧根籠罩，電弧呈種罩形，從而電磁收縮力形成較強的電弧推力。出現場合：鋁及其合金的氬弧焊及鋼的脈沖氬弧焊。２〕射流過渡：電流密度大，熔滴直徑小于焊絲直徑，f=５00左右，熔滴加速度比重力加速度大幾十倍。形成原因：電流密度大，焊絲熔化端部形成尖錐狀，出現金屬蒸發(fā)，電弧跳弧〔此時電流稱為射流過渡的臨界電流〕，形成很強的等離子流力〔熔滴過渡的主要力〕。隨著電流增加，電弧的電極斑點籠罩面積逐漸擴大，以致到達熔滴的根部；這時熔滴與焊絲間形成細頸，全部電流都通過細頸流過，該處電流密度很高，細頸被過熱，其外表將產生大量金屬蒸氣，從而使細頸外表具備了產生電極〔陽極〕斑點的有利條件，電弧將從熔滴根部跳至細頸根部，形成很強的等離子流力。射流過渡的臨界電流及其影響因素定義：發(fā)生跳弧現象的最小電流。ICr.影響因素：焊絲的種類、直徑；焊絲干伸長；氣體介質〔如CO2解離，使電弧收縮不易擴展，ICr增加；但假設在氬氣中參加氧氣，ICr降低〕；電極外表狀態(tài)積極性。特點：焊接電流必須大于ICr；電弧明顯分為兩層：一條黑線和圓錐狀爍亮區(qū)；電弧穩(wěn)定，對氣體的保護影響??；電流與電壓的波形幾乎是兩條平行線；輸入功率大，熔深大，適合于焊接厚件，不適合于焊接薄件。大電流MIG焊或大電流富氬混合氣體保護焊出現。3〕亞射流過渡：介于短路過渡與射滴過渡之間形成：因其電弧較短，在電弧熱作用下，形成的熔滴長大，在即將以射滴過渡時與熔池短路，在電磁收縮力的作用下斷裂形成過渡。特點：短路前就已經形成細頸；短路時間短，電流上升不大；飛濺小，焊縫成形美觀；電弧自調節(jié)能力極強〔弧長2～8mm)；主要用于鋁及其合金的焊接。４〕旋轉射流過渡：特大電流鋼MIG焊。③爆炸過渡２接觸過渡：①短路過渡１〕定義：當電流較小，電弧電壓較低時，弧長較短，熔滴未長成大滴就與熔池接觸形成液態(tài)金屬短路，電弧熄滅，隨之金屬熔滴在外表張力及電磁收縮力的作用下過渡到熔池中去，熔滴脫落之后電弧重新引燃，如此交替進行。２〕短路過渡的過程：以P135圖5.5進行分析。３〕穩(wěn)定性及其影響因素穩(wěn)定性是指焊接持續(xù)穩(wěn)定、飛濺大小、成形等方面。a.電流上升率；b.短路最大電流IMaxc.空載電壓恢復速度；d.短路頻率：越大越穩(wěn)定。４〕影響短路頻率的因素：電弧電壓：有一個最正確值；b.送絲速度：有一個最正確值。c.電感：增加，頻率降低，但燃弧時間增加，調節(jié)熱