金屬熔焊原理（第3版）課件：焊縫金屬的構成

金屬熔焊原理

焊縫金屬的構成本章內容焊條（焊絲）的加熱與熔化熔滴過渡母材的熔化與焊縫的形成模塊一焊條（焊絲）的加熱與熔化學習目標123理解焊條（焊絲）的加熱掌握焊條的熔化速度了解焊條藥皮的熔化及過渡焊條（焊絲）的加熱焊條（焊絲）的加熱1焊條（焊絲）：電弧放電的電極之一與熔化的母材混合成焊縫電弧焊時，加熱和熔化焊條的能量有：焊接電流通過焊芯時所產(chǎn)生的電阻熱；焊條電弧傳給焊條端部的熱能；化學冶金反應產(chǎn)生的反應熱（可忽略）焊條（焊絲）的加熱1（1）電阻加熱焊接電流通過焊芯時產(chǎn)生的電阻熱，使其本身和藥皮的溫度升高。電流通過焊條產(chǎn)生的電阻熱QR為QR=I2Rτ式中I—焊接電流（A）；R—焊芯的電阻（Ω）；

τ—電弧燃燒時間（s）。

電阻加熱特點：從導電接觸點至電弧之間的焊芯上，熱量均勻分布。

當焊接電流密度很大、焊芯過長時，引起不良后果：1）焊條金屬在電弧作用下熔化過分激烈，飛濺增加；2）焊條藥皮開裂，或過早脫落使電弧不能穩(wěn)定燃燒；3）藥皮組成物之間過早地發(fā)生反應，喪失其冶金性能；4）焊縫成形變壞，產(chǎn)生氣孔等缺陷；5）焊條發(fā)紅變軟，操作困難。電流密度焊芯的電阻焊芯的熔化速度藥皮厚度及成分焊芯和藥皮的加熱溫度焊條（焊絲）的加熱1電流密度越大，溫度越高電阻越大，溫度越高熔化速度越快，溫度越低焊條（焊絲）的加熱1（2）電弧加熱焊條端部得到這部分能量后，一部分消耗于熔化端部的藥皮及焊芯，另一部分傳導到焊芯的上部，使焊芯和藥皮的溫度升高。電弧對焊條加熱的特點是熱量非常集中，沿焊條軸向與徑向的溫度場都非常窄。在焊條橫截面上的溫度分布t—焊芯平均溫度t1—藥皮內表面溫度t2—藥皮平均溫度t4—藥皮外表面溫度δ—藥皮厚度焊條的熔化速度2焊條的熔化速度焊條的熔化速度可用單位時間內焊芯熔化的長度或質量來表示。試驗證明，在正常焊接參數(shù)條件下，焊條的平均熔化速度與焊接電流成正比，即式中vm——焊條的平均熔化速度（g/h）；

m——熔化的焊芯質量（g）；

τ——電弧燃燒的時間（h）；

ɑp——焊條的熔化系數(shù)（g/(h·A)）。ɑp的物理意義是：熔焊過程中，在單位時間內使用單位電流時焊芯（焊絲）的熔化量。焊條的熔化速度是標志焊接生產(chǎn)率的主要參數(shù)ɑp=Iτm2焊條的熔化速度單位電流、單位時間內焊芯（或焊絲）熔敷在焊件上的金屬量稱為熔敷系數(shù)，可表示為式中mH——熔敷到焊縫中的金屬質量（g）；

ɑH——熔敷系數(shù)（g/(h·A)）。

由于金屬蒸發(fā)、氧化和飛濺，焊芯（或焊絲）在熔敷過程中的損失量與熔化的焊芯（或焊絲）原有質量的百分比叫飛濺率（Ψ），可表示為式中vH——焊條的平均熔敷速度。

αH=（1-ψ）αP

真正反映焊條金屬利用率及生產(chǎn)率的指標是熔敷系數(shù)。焊條藥皮的熔化及過渡3焊條藥皮的熔化及過渡焊條藥皮是壓涂在焊芯表面上的涂料層，它是具有不同物理和化學性質的細顆粒物質的緊密混合物化合物分解水分的蒸發(fā)各組成物間相互作用低沸點材料的揮發(fā)3焊條藥皮的熔化及過渡套筒的形成由于焊條藥皮的導熱能力比焊芯低得多，加之藥皮表面的散熱作用，因此，藥皮厚度方向的溫度分布是不均勻的，等溫線由焊芯過渡到藥皮內表面發(fā)生突然轉折，以錐面伸到藥皮外表面，這樣在焊條端部形成了所謂的套筒。藥皮的熔點越高，藥皮厚度越大，套筒也就越長。套筒的影響藥皮套筒的長度對焊接工藝性能、熔滴過渡形態(tài)和化學冶金過程都有影響。增大套筒長度可以提高電弧吹力，增加熔深，細化熔滴，并使氣流對熔滴的保護作用得到加強。但套筒過長，將使電弧拉長，造成電弧不穩(wěn)，甚至中斷或是藥皮成塊脫落。藥皮形成的套筒3焊條藥皮的熔化及過渡藥皮熔池熔渣熔化過渡過渡形式一是包在熔滴外形成一層薄膜或部分熔渣質點被熔滴金屬包裹，隨熔滴過渡；（熔渣在過渡過程中就能與熔滴進行冶金反應）二是從焊條端部直接進入熔池。（藥皮厚度比較大時才會出現(xiàn)，熔渣僅和熔池金屬進行反應）模塊二熔滴過渡在電弧熱的作用下，焊條端部熔化形成的滴狀液態(tài)金屬稱為熔滴學習目標了解熔滴的過渡特性理解熔滴的過渡特性對焊接過程的影響理解熔滴過渡的作用力掌握熔滴過渡的形式熔滴的過渡特性熔滴的過渡特性1（1）熔滴的比表面積和相互作用時間

熔滴的比表面積：通常指單位質量物料所具有的總面積，可表示為式中Fg——熔滴的表面積；

Vg——熔滴的體積；

S——熔滴的比表面積。

熔滴越細，其比表面積越大。

可以通過增大電流密度、在藥皮中加入表面活性物質等使熔滴比表面積增大，有利于冶金反應的進行。熔滴的過渡特性1（1）熔滴的比表面積和相互作用時間

熔滴與周圍介質相互作用的時間越長，冶金反應越充分。

作用時間與熔滴長大的時間很大程度取決于熔滴脫落后在焊條端部剩下的液體金屬的質量m0與單個熔滴的質量mtr之比。

當熔滴長大所需的時間增加時，熔滴與周圍介質相互作用的時間增加；

當m0/mtr增加時，相互作用時間也增加。熔滴的過渡特性1（2）熔滴的溫度

熔滴的溫度時研究熔滴階段各種物理化學反應時不可缺少的重要參數(shù)。試驗表明，熔滴的平均溫度隨焊接電流的增加而升高，并隨焊絲直徑的增加而降低。在多數(shù)情況下，正極性焊接時熔滴的平均溫度比反極性焊接時低。

工件接正極焊條接負極工件接負極焊條接正極熔滴的過渡特性對焊接過程的影響2熔滴的過渡特性對焊接過程的影響熔滴過渡的速度和熔滴的尺寸影響焊接過程的穩(wěn)定性、飛濺程度以及焊縫成形的好壞熔滴的尺寸大小和長大情況決定了熔滴反應的作用時間和比表面積的大小，從而決定了熔滴反應速度和完全程度熔滴過渡的形式與頻率直接影響焊接生產(chǎn)率熔滴過渡的特性對焊接熱輸入有一定的影響，改變熔滴過渡的特性可以在一定程度上調節(jié)焊接熱輸入，從而改變焊縫的結晶過程和熱影響區(qū)的尺寸及性能熔滴過渡特性對焊接過程的影響熔滴過渡的作用力3熔滴過渡的作用力（1）重力當焊絲直徑較大而焊接電流較小時，在平焊位置的情況下，使熔滴脫離焊絲的力主要是重力，其大小為式中r——熔滴半徑；

ρ——熔滴的密度；

g——重力加速度。如果熔滴的重力大于表面張力時，熔滴就要脫離焊絲。平焊時，重力促進熔滴過渡；在立焊及仰焊時，重力阻礙熔滴過渡。3熔滴過渡的作用力（2）表面張力表面張力是使熔滴保持在焊絲端部上的主要作用力，其大小為式中Fσ——表面張力；

R——焊絲半徑；

σ——表面張力系數(shù)。

平焊時，表面張力阻礙熔滴過渡，因此，只要使表面張力減小的措施都將有利于平焊時熔滴的過渡。除平焊之外的其他位置焊接時，表面張力對熔滴過渡有利。

熔滴上少量的表面活化物質可以大大降低表面張力系數(shù)。（如氧和硫）

增加熔滴溫度，降低金屬的表面張力系數(shù)。3熔滴過渡的作用力（3）電磁力

電流流過導體時，在導體周圍產(chǎn)生磁場，此磁場對導體又產(chǎn)生壓縮力P，這種力稱為電磁力。

電磁力的方向垂直于導體表面，使導體橫截面積減小。電磁力對焊條未熔化部分無甚影響，而對熔化的金屬則有顯著的壓縮作用。特別是在焊條末端與熔滴之間的細頸部分，電流密度最大，電磁力也最大。此種沿焊條軸線分布不均勻的電磁力又構成一種軸向推力，促使熔滴脫落焊條，而向熔池過渡。

在空間任何位置進行焊接時，電磁力都有促進熔滴過渡的作用。在用大電流施焊時，電磁力時熔滴過渡中的主要作用力。電磁力收縮作用3熔滴過渡的作用力（4）熔滴爆破力當熔滴內部因冶金反應而生成氣體或含易蒸發(fā)金屬時，在電弧高溫作用下將使積聚氣體膨脹而產(chǎn)生較大的內壓力，致使熔滴爆破，這一內壓力稱為熔滴爆破力。

當短路過渡焊接時，在電磁力及表面張力的作用下形成縮頸，在其中流過較大電流，使小橋爆破形成熔滴過渡，同時會產(chǎn)生飛濺。（5）電弧的氣體吹力

在電弧焊時，焊條藥皮的熔化滯后于焊芯的熔化，這樣在焊條的端頭形成套筒，此時藥皮中造氣劑產(chǎn)生的氣體及焊芯中碳元素氧化產(chǎn)的CO氣體在高溫作用下急劇膨脹，從套筒中噴出，作用于熔滴。

無論何種位置的焊接，電弧氣體吹力總是促進熔滴過渡。3熔滴過渡的作用力（6）斑點壓力

電極上形成斑點時，由于斑點是導電的主要通道，所以此處也是產(chǎn)熱集中的地方。同時該處將承受電子（反接）或正離子（正接）的撞擊力。又因該處電流密度很高，將使金屬強烈蒸發(fā)，金屬蒸發(fā)時對金屬表面產(chǎn)生很大的反作用力，對電極造成壓力。

當斑點面積較小時，斑點壓力常常是阻礙熔滴過渡的力；

當斑點面積很大，籠罩整個熔滴時，斑點壓力常常促進熔滴過渡。熔滴過渡的形式4熔滴過渡的形式四種過渡形式短路過渡顆粒狀過渡噴射過渡渣壁過渡短路過渡：

短弧焊時，熔滴長大受到電弧空間的限制。這時，熔滴還沒有長大到它在自由成形的最大尺寸就與熔池接觸，形成短路。

金屬熔滴在表面張力和其他力的作用下，開始沿著熔池表面流散，并在熔滴和熔池之間迅速形成縮頸，稱之為金屬小橋。顯然，小橋中的電流密度將急劇升高，熔滴被強烈過熱而發(fā)生爆炸便脫離焊絲過渡到熔池內。然后電弧重新點燃，開始下一個周期的過程。

4熔滴過渡的形式四種過渡形式短路過渡顆粒狀過渡噴射過渡渣壁過渡顆粒狀過渡：當電弧長度超過臨界值時，熔滴依靠表面張力的作用可以保持在焊絲端部自由長大。當促使熔滴下落的力大于表面張力時，熔滴就離開焊絲落到熔池中，不發(fā)生短路，因此焊接電流和電壓的波動比短路過渡時小。焊絲直徑、焊接電流電流極性、保護氣體焊劑和藥皮成分等影響因素4熔滴過渡的形式四種過渡形式短路過渡顆粒狀過渡噴射過渡渣壁過渡噴射過渡：用細焊絲和直流反極性在惰性氣體中焊接時，如果電流達到某個臨界值，將發(fā)生噴射過渡。

熔滴細、過渡頻率高，熔滴沿焊絲軸向以高速向熔池運動，過程穩(wěn)定，飛濺小，熔深大，焊縫成形美觀渣壁過渡：該方式中，熔滴沿渣壁流入熔池。焊條電弧焊時熔滴沿藥皮套筒過渡，埋弧焊時熔滴沿熔渣壁過渡。模塊三母材的熔化與焊縫的形成熔池的特性2焊縫金屬的熔合比3熔池的形狀和尺寸1學習目標熔池的形狀和尺寸熔池的形狀和尺寸1熔池：在母材上由熔化的焊條金屬和母材組成的具有一定幾何形狀的液體金屬。熔深（H）：增加電流，H增加熔寬（B）：增加弧壓，B增加熔池的溫度分布不均勻.熔池金屬在強烈的運動著.熔池的特性熔池的特性21.熔池的質量焊條電弧焊時熔池的質量mp與p02/v成線性關系熔池的特性22.熔池的存在時間熔池在液態(tài)存在的最長時間

τmax=L/v

L——熔池長度（mm）v——焊接速度（mm/s）

焊縫軸線上各點在液態(tài)停留的時間最長，離軸線越遠，停留的時間越短。熔池的特性23.熔池的溫度熔池各點的溫度分布不均勻熔池的平均溫度取決于被焊金屬的熔點與焊接方法