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1、,电弧焊基础,第二章、电弧焊熔化现象,第一节,母材熔化与焊缝成形,一、,母材的熔化特征和焊缝形状尺寸,（一）母材的熔化热和温度分布,1,、,母材的熔化热,P=Pa=IUa,电弧焊方法,电弧焊方法,手工电弧焊,埋弧焊,CO,2,电弧焊,0.65,0.85,0.80,0.90,0.75,0.90,熔化极氩弧焊,钨极氩弧焊,0.70,0.80,0.65,0.70,2,、,母材的温度分布,?,铝合金熔池表面的温度远高于材料的熔点；,?,钢材料熔池金属过热程度较低，温度值比较接近于熔,点温度；,铝合金,钢,（二）母材熔化的断面形状,?,母材的熔化形态由母材的热物理参数,(,比热、热传,导率等,),、母材
2、的形状、焊接速度等决定,?,受到电弧对母材的热输入量及电弧燃烧形态的影响,?,理论计算所形成的焊缝断面形状是呈半圆形的,?,实际焊接中得到的焊缝断面形状是多种多样的，依,据焊接条件,(,弧长、电流、速度,),、焊丝直径、熔滴,过渡形态等而有显著变化。,（二）母材熔化的断面形状,?,单纯熔化型,?,中心熔化型,?,周边熔化型,（二）母材熔化的断面形状,单纯熔化型,(,热传导）,型熔化,),?,常见于,SMAW,及,TIG,焊中,?,在,GMAW,中，采用小热输入的,短路过渡,?,熔池中熔化金属的对流比较自由，,热量通过熔池和固体金属的界面,均匀流出,?,呈现半圆形,（二）母材熔化的断面形状,中心
3、熔化型,?,与周围区域相比，电弧正,下方产生了很深的熔化,?,产生在,细丝大电流,焊,接中,?,源于电弧力或等离子气,流对熔池的挖掘作用,（二）母材熔化的断面形状,周边熔化型,?,周边区的熔化比中心区深,?,熔池内金属向外侧流动,(,如图中箭头指示,),，从,电弧正下方进入的热量,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,?,电弧较长或焊接速度较慢时,MIG,焊的熔池形状,?,指状熔深：等离子流力的挖掘作用导致,?,圆形熔深：,CO,2,焊接，,SAW,焊接,?,梨形熔深：,CO,2,（潜弧焊）,（三）焊缝形状尺寸,（三）焊缝形状尺寸,?,成形系数,:=B/H,?,影响熔池中
4、气体逸出、结晶方向、成分偏析、裂纹倾向。,?,深宽比,(Depth to width ratio)=H/B,?,余高,?,可避免熔池金属凝固收缩时形成缺陷，也可增加焊缝承,载能力,?,余高过大将引起应力集中或降低抗疲劳强度,?,熔合比,：,=Fm/,（,Fm+F,H,）,?,坡口和熔池形状改变时，,都将发生变化,?,电弧焊接中碳钢、合金钢和有时金属时，可通过改变,来调整,焊缝的化学成分，降低裂纹倾向和提高焊缝的机械性能。,（三）焊缝形状尺寸,焊缝金属的结晶特征,二、熔池上的作用力及其影响,1,、电弧的轴向推力H,2,、,等离子流力 H,3,、熔池金属的重力：平焊、立向下焊 H,仰焊、立向下焊
5、H,4,、电磁力 H,5,、熔池金属的表面张力,熔池金属的表面张力是阻止熔池金属在电弧力,或熔池金属重力作用下流动的作用力，它既影响熔,池的轮廓形状，也影响熔池的表面形状,熔池金属的流动与表面张力梯度的关系,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,0,dT,d,0,dr,d,b),0,dT,d,0,dr,d,a),三、焊接条件对焊缝成形的影响,（一）焊接规范参数的影响,1,、焊接电流对焊缝尺寸的影响：,H=K,m,I,I,B,H,a,0,H,、,B,、,a,各种电弧焊方法及规范（焊钢）时的熔深系数,电弧焊方法,电极直径,/mm,焊接电流,/A,电弧电压,/V,焊
6、接速度,/(m,h,-1,),熔深系数,Km,/(mm/100A),埋弧焊,2,5,200700,4501200,3240,3444,15100,3060,1.01.7,0.71.3,TIG,焊,3.2,100350,1016,618,0.81.8,MIG,焊,1.22.4,210550,2442,40120,1.51.8,CO,2,焊,24,0.81.6,500900,70300,3545,1623,4080,30150,1.11.6,0.81.2,等离子弧焊,1.6(,喷嘴孔径,),3.4(,喷嘴孔径,),50100,220300,2026,2836,1060,1830,1.22.0,1.
7、52.4,（,2,）电压,对焊缝尺寸,的影响,0,H,、,B,、,U,a,a,H,B,（,3,）焊速对焊缝尺寸的影响,0,H,、,B,、,a,w,a,H,a,B,（二）电流种类和极性的影响,1,、熔化极电弧焊：直流反接B H,直流正接B H,交流介于反接和正接之间。,2,、钨极氩弧焊：直流反接B H,直流正接B H,（三）其他工艺参数的影响,1,、焊丝直径及伸出长度,焊丝直径：,d,H a B,。,伸出长度：,Ls,a H,。,2,、焊丝倾角,3,、工件倾角,焊丝倾角对焊缝成形的影响,（,a,）,后倾；,（,b,）,前倾；,（,c,）,后倾角的影响,工件倾角对焊缝成形的影响,（,a,）,上坡焊
8、的影响；,（,b,）,下坡焊的影响,4,、接口间隙和坡口形状,坡口或间隙,a,H,5,、工件厚度及散热条件,厚度,B,H,但,H=0.6,时,H,.,总之，影响焊缝成形的因素很多，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。,四、焊缝成形缺陷及形成原因,?,焊接缺陷有多种,?,内部缺陷和外部缺陷,?,微观组织缺陷和宏观缺陷,等,?,气孔、夹渣、裂纹缺陷除于焊接规范和工艺有关外，,更主要的是受到焊缝冶金因素和焊接热循环的影响,?,焊缝成形方面所表现出的明显缺陷,1,、未焊透和未熔合
9、,?,未焊透,?,单面焊接时，接头根部未完全焊透的现象,?,未熔合,?,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,1,、未焊透和未熔合,?,未焊透、未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,CO,2,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，或背面一部分焊透、一,部分未焊透的成形不均现象。,2,、焊穿,?,焊穿,?,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,?,
10、原因：,?,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，固态金属对熔化金属,的表面张力不足以承受熔池重力和电弧力的作,用，从而形成熔池脱落。,?,在薄板焊接时，如果电弧力过于集中，或者对,缝间隙过大也会出现焊穿。,3,、咬边和凹坑,?,咬边和凹坑的形成受到熔池形态的影响,对应于高速焊接的电弧,和熔池，由于焊速很快，焊,缝两侧的金属没有被很好熔,化，同时熔化金属受表面张,力的作用容易聚集在一起而,对焊趾部位的润湿性不好，,容易形成固液态剥离，凝固,后出现咬边,4,、焊瘤,?,表现形态,?,熔化金属流淌到焊缝区以外未熔化母材上聚集,成金属瘤，这是由于填充金属过多引起的，或
11、,熔池重力作用的结果；,?,直接在焊缝上聚集成大的金属瘤，多数情况是,由于不稳定的熔滴过渡造成。,5,、其它焊缝成形缺陷,?,大电流,MIG,焊接当电弧阴极斑点的清理作用消失、,阴极斑点进入熔池内部时，电弧力集中到熔池底,部，对熔池金属有激烈的搅动作用，将出现类似,大象皮肤的不良焊缝，称作,起皱焊缝,。,缺陷的抑制,?,可以采取多种办法：,?,使电弧作用区分散开来、减小电弧力、采用粗,径焊丝、给焊丝一个前倾角使电弧吹向前方、,采用下坡焊等措施，,?,埋弧焊有合适的焊剂层厚度，合适的焊丝伸出,长度，,?,二氧化碳电弧焊中采用小电流区下的短路过渡,方式，在大电流区采用潜弧方式焊接，以及增,加保护效
12、果，稳定熔滴过渡等。,第二节,焊丝的熔化与熔滴过渡,一、焊丝的加热熔化和熔化速度,热源：电弧阴极区（正接）或阳极区（反接）,所产热,和电阻热。,1,、电弧热（主要的）：,正接：,P,c,=I,（,U,c,-U,-U,T,）,反接：,P,A,=I,（,U,A,+U,+U,T,）,或,正接：,P,c,=I,（,U,c,-U,）,反接：,P,A,=IU,（一）加热和熔化焊丝的热量,焊丝伸出长度上产生的电阻热为：,式中：,P,R,为,Le,段焊丝的电阻热；,焊丝的电阻率；,Le,焊丝伸出长度；,S,焊丝的截面积。,用于焊丝熔化的总热量：,Pm=I,（,Um+IRe,）,2,Re,2,S,Le,I,I,
13、P,R,?,?,?,2,、电阻热（次要的）,（二）焊丝的熔化速度及其影响因素,1,、焊丝的熔化速度（,W,）：,是指单位时间内熔化焊丝的重量（,g/h,）。,2,、焊丝熔化系数（,M,R,）：,是,指,单,位,时,间,内,通,过,单,位,电,流,时,熔,化,焊,丝,的,重,量,（,g/(A.h),）。,设单位时间脱落的熔滴金属所保有的热量为,Qm,，则：,Qm=W,（,C,T,f,+H,）,J,式中：,W,焊丝的熔化速度,C,金属比热,T,f,脱落的熔滴金属的平均温度,H,熔化潜热,J,热功当量,Pm=Qm,，则：,I,（,Um+IRe,）,=W,（,C,T,f,+H,）,J,M,R,=,W/
14、I=,（,Um+IRe,）,/,（,C,T,f,+H,）,J,2,、焊丝熔化系数（,M,R,）,焊接电流,3,、影响焊丝熔化速度的因素,焊丝干伸长（电阻热）,3,、影响焊丝熔化速度的因素,气体介质及焊丝极性,3,、影响焊丝熔化速度的因素,熔滴过渡形态,3,、影响焊丝熔化速度的因素,电弧电压,电弧的固有自身调节作用：,指在焊丝送丝速度发生变化时，焊丝熔化系,数随弧长的减小而增大的现象。,它使电弧自身具,有保持弧长稳定的能力。,3,、影响焊丝熔化速度的因素,（一）熔滴过渡的概念,在电弧热作用下，焊丝与焊条端头的熔化金,属形成熔滴，它受各种力的作用向母材过渡称为,熔滴过渡。,（二）熔滴上的作用力,二
15、、,熔滴上的作用力与熔滴过渡的分类,1,、熔滴重力,：,概念：,Fw=mg,影响：,?,平焊时，重力是促使熔滴和焊丝末端相脱离的力；,?,而立焊和仰焊时，重力将阻碍熔滴过渡。,2,、表面张力,概念：,F,=2R,影响：有时促进，有时阻碍熔滴过渡。,（二）熔滴上的作用力,熔滴所受重力和表面张力,概念：,影响：,?,斑点直径大于熔滴直径时促进熔滴过渡；,?,斑点直径小于熔滴直径时阻碍熔滴过渡。,2,1,log,2,d,d,I,F,CZ,?,3,、电磁收缩力,3,、电磁收缩力,4,、等离子流力,：促进熔滴过渡。,5,、斑点压力,：,?,电磁收缩力,：有时促进，有时阻碍熔滴过渡。,?,正离子和电子对电
16、极的撞击力,：阻碍熔滴过渡。,?,电极材料蒸发的反作用力：阻碍熔滴过渡,。,（三）常见的熔滴过渡形式及特点,1,、熔滴过渡的分类：,自由过渡,滴状过渡,喷射过渡,爆炸过渡,大滴过渡,大滴排斥过渡,细颗粒过渡,射滴过渡,射流过渡,旋转射流过渡,接触过渡,渣壁过渡,短路过渡,搭桥过渡,沿套筒过渡,沿渣壁壳过渡,滴状过渡,产生条件：高电压、小电流。,形式：,?,大滴滴落过渡：,MIG,焊，电弧不稳。,?,大滴排斥过渡：小电流,CO,2,焊，电弧不稳，,飞溅大，很少采用。,?,细颗粒过渡：大电流,CO,2,焊，电弧稳定，飞,溅较小。,2,、几种常见熔滴过渡形式的特点、产生条件,射滴过渡,产生条件：中电
17、压、中电流，铝,MIG,焊，,或钢焊丝,MIG,脉冲焊。,特,点：电弧稳定，飞溅小，成形好。,射流过渡,产生条件：钢,MIG,焊，大电流。,特点：,?,电弧呈钟状，电极呈铅笔状；,?,熔滴细微，频率高，速度大；,?,焊缝熔深大；,?,电弧稳定，飞溅小，成形好；,?,存在一个临界电流值，称之为射流过渡临界电流。,用于厚板焊接。,各种焊丝射流过渡的临界电流,产生条件：小电流，低电压，细丝,CO,2,焊。,特,点：,?,电弧稳定，飞溅较小，成形较好；,?,广泛用于薄板和全位置焊接。,短路频率大小是短路过渡过程稳定性的标,志。,短路过渡,产生条件：铝,MIG,焊，电流、电压介于短路和,射流之间。,铝焊丝熔滴过渡形式与规范的关系,亚射流过渡,特点：,?,电弧为“碟形”，短路时间极短，短路电流冲击,很小,；,?,焊接过程稳定，焊缝成形美观,；,?,电弧具有很强的固有调节作用。,用于,Al,及其合金的焊接。,熔滴过渡的示例,射滴过渡,短路过渡,旋转射流过渡,
