電弧焊基礎第二章電弧焊熔化現(xiàn)象

《電弧焊基礎》

第二章、電弧焊熔化現(xiàn)象

第一節(jié)

母材熔化與焊縫成形

一、母材的熔化特征和焊縫形狀尺寸

（一）母材的熔化熱和溫度分布

1、母材的熔化熱

P=ηPa=ηIUa

電弧焊方法

η

電弧焊方法

η

手工電弧焊

埋弧焊

CO2電弧焊

0.65～0.850.80～0.900.75～0.90熔化極氬弧焊

鎢極氬弧焊

0.70～0.800.65～0.702、母材的溫度分布

?鋁合金熔池表面的溫度遠高于材料的熔點；

?鋼材料熔池金屬過熱程度較低，溫度值比較接近于熔點溫度；

鋁合金

鋼

（二）母材熔化的斷面形狀

?母材的熔化形態(tài)由母材的熱物理參數(比熱、熱傳導率等)、母材的形狀、焊接速度等決定

?受到電弧對母材的熱輸入量及電弧燃燒形態(tài)的影響

?理論計算所形成的焊縫斷面形狀是呈半圓形的

?實際焊接中得到的焊縫斷面形狀是多種多樣的，依據焊接條件(弧長、電流、速度)、焊絲直徑、熔滴過渡形態(tài)等而有顯著變化。

（二）母材熔化的斷面形狀

?單純熔化型

?中心熔化型

?周邊熔化型

（二）母材熔化的斷面形狀

單純熔化型(熱傳導）型熔化)?常見于SMAW及TIG焊中

?在GMAW中，采用小熱輸入的

短路過渡

?熔池中熔化金屬的對流比較自由，

熱量通過熔池和固體金屬的界面

均勻流出

?呈現(xiàn)半圓形

（二）母材熔化的斷面形狀

中心熔化型

?與周圍區(qū)域相比，電弧正

下方產生了很深的熔化

?產生在細絲大電流焊

接中

?源于電弧力或等離子氣

流對熔池的挖掘作用

（二）母材熔化的斷面形狀

周邊熔化型

?周邊區(qū)的熔化比中心區(qū)深

?熔池內金屬向外側流動

(如圖中箭頭指示)，從

電弧正下方進入的熱量

通過熔化金屬的對流被

逐漸傳送到周邊區(qū)，促

進周邊區(qū)的熔化

?電弧較長或焊接速度較慢時

MIG焊的熔池形狀

?指狀熔深：等離子流力的挖掘作用導致

?圓形熔深：CO2焊接，SAW焊接

?梨形熔深：CO2（潛弧焊）

（三）焊縫形狀尺寸

（三）焊縫形狀尺寸

?成形系數φ:φ=B/H

?φ影響熔池中氣體逸出、結晶方向、成分偏析、裂紋傾向。

?深寬比(Depthtowidthratio)=H/B?余高

?可避免熔池金屬凝固收縮時形成缺陷，也可增加焊縫承載能力

?余高過大將引起應力集中或降低抗疲勞強度

?熔合比γ：

γ=Fm/（Fm+FH）

?坡口和熔池形狀改變時，γ都將發(fā)生變化

?電弧焊接中碳鋼、合金鋼和有時金屬時，可通過改變γ來調整焊縫的化學成分，降低裂紋傾向和提高焊縫的機械性能。

（三）焊縫形狀尺寸

焊縫金屬的結晶特征

二、熔池上的作用力及其影響

1、電弧的軸向推力→H↑

2、

等離子流力→H↑

3、熔池金屬的重力：平焊、立向下焊→H↓

仰焊、立向下焊→H↑

4、電磁力→H↑

5、熔池金屬的表面張力

熔池金屬的表面張力是阻止熔池金屬在電弧力或熔池金屬重力作用下流動的作用力，它既影響熔池的輪廓形狀，也影響熔池的表面形狀

熔池金屬的流動與表面張力梯度的關系

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

0drd

b)

0dTdσ

0drdσ

a)三、焊接條件對焊縫成形的影響

（一）焊接規(guī)范參數的影響

1、焊接電流對焊縫尺寸的影響：H=KmI

IBHa0H、

B、

a各種電弧焊方法及規(guī)范（焊鋼）時的熔深系數

電弧焊方法

電極直徑

/mm焊接電流

/A電弧電壓

/V焊接速度

/(m·h-1)熔深系數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等離子弧焊

1.6(噴嘴孔徑)3.4(噴嘴孔徑)50~100220~30020~2628~3610~6018~301.2~2.01.5~2.4

（2）電壓對焊縫尺寸的影響

0H、

B、

UaaHB（3）焊速對焊縫尺寸的影響

0H、

B、

aυwaHaB（二）電流種類和極性的影響

1、熔化極電弧焊：直流反接→B↑H↑

直流正接→B↓H↓

交流介于反接和正接之間。

2、鎢極氬弧焊：直流反接→B↓H↓

直流正接→B↑H↑

（三）其他工藝參數的影響

1、焊絲直徑及伸出長度

焊絲直徑：d↓

→H↑a↑B↓。

伸出長度：Ls↑→a↑H↓。

2、焊絲傾角

3、工件傾角

焊絲傾角對焊縫成形的影響

（a）

后傾；

（b）

前傾；

（c）

后傾角的影響

工件傾角對焊縫成形的影響

（a）

上坡焊的影響；

（b）

下坡焊的影響

4、接口間隙和坡口形狀

坡口或間隙↑

→a↓

γ↓H↑

5、工件厚度及散熱條件

厚度δ↑

→

B↓

H↓

但H=0.6δ時,δ↑

→H↑.

總之，影響焊縫成形的因素很多，要獲得良好的焊縫成形，需要根據工件的材料、厚度、接頭的形式及焊縫的空間位置，以及對接頭性能和焊縫尺寸方面的要求，選擇適宜的焊接方法、焊接規(guī)范和焊接工藝。

四、焊縫成形缺陷及形成原因

?焊接缺陷有多種

?內部缺陷和外部缺陷

?微觀組織缺陷和宏觀缺陷

等

?氣孔、夾渣、裂紋缺陷除于焊接規(guī)范和工藝有關外，更主要的是受到焊縫冶金因素和焊接熱循環(huán)的影響

?焊縫成形方面所表現(xiàn)出的明顯缺陷

1、未焊透和未熔合

?未焊透

?單面焊接時，接頭根部未完全焊透的現(xiàn)象

?未熔合

?單層焊、多層焊或雙面焊時，焊道與母材之間、焊道與焊道之間未能完全結合的部分稱作

1、未焊透和未熔合

?未焊透、未熔合有相同的產生原因，

?主要是焊接電流小、焊速過高，

?或者是坡口尺寸不合適，

?以及電弧中心線偏離焊縫、電弧產生偏吹等，

?細絲短路過渡CO2焊接，由于工件熱輸入量少，容易產生這種缺陷。

?薄板焊接中，如果夾具對焊件背面的散熱程度大，也會出現(xiàn)未焊透，或背面一部分焊透、一部分未焊透的成形不均現(xiàn)象。

2、焊穿

?焊穿

?焊接時熔化金屬自焊縫背面流出并脫離焊道形成穿孔的現(xiàn)象

?原因：

?焊接電流過大、焊速過小都可能出現(xiàn)這種缺陷。

?厚板焊接時，熔池過大，固態(tài)金屬對熔化金屬的表面張力不足以承受熔池重力和電弧力的作用，從而形成熔池脫落。

?在薄板焊接時，如果電弧力過于集中，或者對縫間隙過大也會出現(xiàn)焊穿。

3、咬邊和凹坑

?咬邊和凹坑的形成受到熔池形態(tài)的影響

對應于高速焊接的電弧和熔池，由于焊速很快，焊縫兩側的金屬沒有被很好熔化，同時熔化金屬受表面張力的作用容易聚集在一起而對焊趾部位的潤濕性不好，容易形成固液態(tài)剝離，凝固后出現(xiàn)咬邊

4、焊瘤

?表現(xiàn)形態(tài)

?熔化金屬流淌到焊縫區(qū)以外未熔化母材上聚集成金屬瘤，這是由于填充金屬過多引起的，或熔池重力作用的結果；

?直接在焊縫上聚集成大的金屬瘤，多數情況是由于不穩(wěn)定的熔滴過渡造成。

5、其它焊縫成形缺陷

?大電流MIG焊接當電弧陰極斑點的清理作用消失、陰極斑點進入熔池內部時，電弧力集中到熔池底部，對熔池金屬有激烈的攪動作用，將出現(xiàn)類似大象皮膚的不良焊縫，稱作起皺焊縫。

缺陷的抑制

?可以采取多種辦法：

?使電弧作用區(qū)分散開來、減小電弧力、采用粗徑焊絲、給焊絲一個前傾角使電弧吹向前方、采用下坡焊等措施，

?埋弧焊有合適的焊劑層厚度，合適的焊絲伸出長度，

?二氧化碳電弧焊中采用小電流區(qū)下的短路過渡方式，在大電流區(qū)采用潛弧方式焊接，以及增加保護效果，穩(wěn)定熔滴過渡等。

第二節(jié)

焊絲的熔化與熔滴過渡

一、焊絲的加熱熔化和熔化速度

熱源：電弧陰極區(qū)（正接）或陽極區(qū)（反接）

所產熱

和電阻熱。

1、電弧熱（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）加熱和熔化焊絲的熱量

焊絲伸出長度上產生的電阻熱為：

式中：PR——為Le段焊絲的電阻熱；

ρ——焊絲的電阻率；

Le——焊絲伸出長度；

S——焊絲的截面積。

用于焊絲熔化的總熱量：

Pm=I（Um+IRe）

2Re2

SLeIIPR???2、電阻熱（次要的）

（二）焊絲的熔化速度及其影響因素

1、焊絲的熔化速度（W）：

是指單位時間內熔化焊絲的重量（g/h）。

2、焊絲熔化系數（MR）：

是指單位時間內通過單位電流時熔化焊絲的重量（g/(A.h)）。

設單位時間脫落的熔滴金屬所保有的熱量為Qm，則：

Qm=W（C×Tf+H）J式中：W——焊絲的熔化速度

C——金屬比熱

Tf

——脫落的熔滴金屬的平均溫度

H——熔化潛熱

J——熱功當量

∵

Pm=Qm，則：

I（Um+IRe）=W（C×Tf+H）J

∴MR=W/I=（Um+IRe）/（C×Tf+H）J

2、焊絲熔化系數（MR）

①焊接電流

3、影響焊絲熔化速度的因素

②焊絲干伸長（電阻熱）

3、影響焊絲熔化速度的因素

③氣體介質及焊絲極性

3、影響焊絲熔化速度的因素

④熔滴過渡形態(tài)

3、影響焊絲熔化速度的因素

⑤電弧電壓

電弧的固有自身調節(jié)作用：

指在焊絲送絲速度發(fā)生變化時，焊絲熔化系數隨弧長的減小而增大的現(xiàn)象。它使電弧自身具有保持弧長穩(wěn)定的能力。

3、影響焊絲熔化速度的因素

（一）熔滴過渡的概念

在電弧熱作用下，焊絲與焊條端頭的熔化金屬形成熔滴，它受各種力的作用向母材過渡稱為熔滴過渡。

（二）熔滴上的作用力

二、熔滴上的作用力與熔滴過渡的分類

1、熔滴重力

：

⑴概念：Fw=mg

⑵影響：

?平焊時，重力是促使熔滴和焊絲末端相脫離的力；

?而立焊和仰焊時，重力將阻礙熔滴過渡。

2、表面張力

⑴概念：Fσ=2πRσ

⑵影響：有時促進，有時阻礙熔滴過渡。

（二）熔滴上的作用力

熔滴所受重力和表面張力

⑴概念：

⑵影響：

?斑點直徑大于熔滴直徑時促進熔滴過渡；

?斑點直徑小于熔滴直徑時阻礙熔滴過渡。

21log2

ddIFCZ?3、電磁收縮力

3、電磁收縮力

4、等離子流力

：促進熔滴過渡。

5、斑點壓力

：

?電磁收縮力

：有時促進，有時阻礙熔滴過渡。

?正離子和電子對電極的撞擊力

：阻礙熔滴過渡。

?電極材料蒸發(fā)的反作用力：阻礙熔滴過渡。

（三）常見的熔滴過渡形式及特點

1、熔滴過渡的分類：

⑴自由過渡

滴狀過渡

噴射過渡

爆炸過渡

大滴過渡

大滴排斥過渡

細顆粒過渡

射滴過渡

射流過渡

旋轉射流過渡

⑵接觸過渡

⑶渣壁過渡

短路過渡

搭橋過渡

沿套筒過渡

沿渣壁殼過渡

⑴滴狀過渡

①產生條件：高電壓、小電流。

②形式：

?大滴滴落過渡：→MIG焊，電弧不穩(wěn)。

?大滴排斥過渡：→小電流CO2焊，電弧不穩(wěn)，

飛濺大，