第二章電弧熔化現(xiàn)象

1、C o p y r i g h t S t a t e k e y L a b o f W e l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c nArc welding methods二、電弧熔化現(xiàn)象Chapter 2: Wire melting and droplet transferC o p y r i g h t S t a t e k e y L a b o f W e l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n一、母材熔化熱與溫度分

2、布一、母材熔化熱與溫度分布電弧產(chǎn)熱借助于傳導、輻射、電子能量、極區(qū)能量、熔滴、等離子氣流等傳入母材。電弧焊輸入到母材中的熱量： QIUa I為焊接電流，Ua為電弧電壓，IUa是供給電弧的全部電能。稱作電弧加熱母材的熱效率，即電弧產(chǎn)生的熱量輸入到母材中的比率。C o p y r i g h t S t a t e k e y L a b o f W e l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n母材中的溫度分布根據(jù)材料不同而有很大差異。鋁合金MIG焊，熔池表面的溫度遠高于材料的熔點，測量中達到了1600。鋼材料熔池金

3、屬過熱程度較低，溫度值比較接近于熔點溫度。C o p y r i g h t S t a t e k e y L a b o f W e l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n二、二、 母材熔化斷面形狀母材熔化斷面形狀母材的熔化形態(tài)由母材的熱物理參數(shù)(比熱、熱傳導率等)、母材的形狀、焊接速度等決定，同時受電弧對母材的熱輸入量及電弧燃燒形態(tài)、電弧力的影響。在充分大厚板表面進行焊接時，理論上焊縫斷面形狀是半圓形的，實際焊接中得到的焊縫斷面形狀是多種多樣的，依據(jù)焊接條件(弧長、電流、速度)、焊絲直徑、熔滴過渡形態(tài)等而

4、有顯著變化。C o p y r i g h t S t a t e k e y L a b o f W e l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n C o p y r i g h t S t a t e k e y L a b o f W e l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n單純?nèi)刍?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

5、勻流出，熔化截面呈現(xiàn)半圓形C o p y r i g h t S t a t e k e y L a b o f W e l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n中心熔化型電弧正下方產(chǎn)生了很深的熔化 產(chǎn)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，熔池受到的挖掘力與電流的平方成正比，而與電極直徑的平方成反比。熔滴沖擊也不可忽略。24IdParcI C o p y r i g h t S t a t e k e y L a b o f W e l d i n g , H I T h t t p :

6、/ / w e l d . h i t . e d u . c n周邊熔化型周邊區(qū)的熔化比中心區(qū)深熔池內(nèi)金屬向外側流動，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（極端：電弧點焊）時常見原因：熔池中心區(qū)與周邊區(qū)的溫度差所造成的表面張力、熔池內(nèi)部對流產(chǎn)生的電磁力，以及等離子氣流的吹力等。C o p y r i g h t S t a t e k e y L a b o f W e l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n二、二、 焊縫形狀尺寸焊縫形狀尺寸成形系

7、數(shù)=B/H深寬比(Depth to width ratio) 余高,以前叫加強高 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 C o p y r i g h t S t a t e k e y L a b o f W e l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n三、三、 焊接參數(shù)與工藝對焊縫成形的影響焊接參數(shù)與工藝對焊縫成形的影響焊接電流 電弧電壓 焊接速度 電流的種類和極性 鎢極端部形狀、焊絲直徑和伸出長度的影響 焊接工藝因素對焊縫尺寸的影響C o p y r

8、 i g h t S t a t e k e y L a b o f W e l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n焊接電流焊接電流增大時，焊縫的熔深和余高增加，而熔寬略有增加，一定范圍內(nèi)熔深與焊接電流近于成比例關系。原因： 電流增大后，作用在工件上的電弧力和熱輸入均增大，有利于熱量向深度方向傳導。 熔化極焊接中，通常是通過改變送絲速度來改變焊接電流，焊絲供給量增加，并且熔寬增加較少，所以余高增大。 電流增大后，弧柱直徑增大，會使熔寬增加，但是電弧潛入工件的深度增大，電弧斑點移動范圍受到限制，因而熔寬增加量較小

9、，也就是熔寬的增加小于熔深的增加。C o p y r i g h t S t a t e k e y L a b o f W e l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n電弧電壓 電弧電壓增大后， 電弧功率加大，工件熱輸入有所增大。 由于電弧電壓的增加是以增加電弧長度實現(xiàn)的，使得電弧熱源半徑增大，工件熱輸入能量密度減小，因此熔深略有減小而熔寬增大。 由于焊接電流不變，焊絲送進速度和焊絲熔化量沒有改變，使得焊縫余高減小。 為了得到合適的焊縫成形，在增大焊接電流時，也要適當?shù)靥岣唠娀‰妷?，也可以說電弧電壓要根據(jù)焊接電

10、流來確定。C o p y r i g h t S t a t e k e y L a b o f W e l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n焊接速度n焊速提高時焊接線能量減少，熔寬和熔深都減小，余高也減小。 線能量：單位長度從移動熱源輸入的能量，J/mmH=UI/vn因為單位焊縫長度上的焊絲金屬熔敷量與焊速v成反比，而熔寬則近似于與v1/2成反比。n從提高焊接生產(chǎn)率考慮，在提高焊接速度時要相應提高焊接電流和電弧電壓，這三個量是相互聯(lián)系的。n大功率下高速焊接，有可能在工件熔化及凝固中形成焊接缺陷，比如裂紋、咬

11、邊等，所以對焊速的提高一般需要加以限制。C o p y r i g h t S t a t e k e y L a b o f W e l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n電流的種類和極性 TIG焊焊接鋼、鈦等金屬時，以鎢極接負所形成的焊接熔深最大，鎢極接正時的熔深最小，交流居于兩者之間。焊接鋁、鎂及其合金時，考慮到要利用電弧陰極清理作用，以采用交流為好，方波交流由于波形參數(shù)的可調(diào)性，焊接效果更好。熔化極電弧焊，母材作為陰極時的熔深和熔寬都要大于作陽極的情況，交流焊接居于兩者之間。對于GMA焊接，考慮到熔滴過

12、渡的重要性，一般采用直流反接。埋弧焊對電流種類和極性的選擇要考慮焊劑的成分，直流焊接時也是采用反接，以獲得更大的熔深。C o p y r i g h t S t a t e k e y L a b o f W e l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n鎢極端部形狀、焊絲直徑和伸出長度鎢極前端角度和形狀對電弧集中性及電弧壓力影響較大，通常電弧越為集中、電弧壓力越大，所形成的熔深越大，而熔寬相應減小。熔化極電弧焊，電流不變，焊絲越細，電弧加熱越為集中，電弧力也越大，熔深增加，熔寬減小。焊絲伸出長度加大時，焊絲電阻熱

13、增加，焊絲熔化速度增加，使余高增大而熔深有所減小，這在鋼質(zhì)、細徑焊絲中表現(xiàn)最為明顯，鋁焊絲影響不大。但焊絲伸出長度過大，焊絲熔化穩(wěn)定性和焊縫成形欠佳。C o p y r i g h t S t a t e k e y L a b o f W e l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n其他工藝因素對焊縫尺寸的影響 其他工藝因素對焊縫成形也有影響，如坡口形式、尺寸、間隙的大小，電極與工件間的傾角，接頭的空間位置（平焊、立焊、橫焊、仰焊、全位置焊接）及焊接方式（對接、角接、搭接、T字接頭）等。C o p y r i

14、g h t S t a t e k e y L a b o f W e l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n四、四、 熔池金屬的流動及驅動力熔池金屬的流動及驅動力熔池中的熔融金屬不是死水一潭，而是處于不斷地流動過程中，在某些情況下，流動還非常劇烈。熔化金屬的流動情況及熱量流動的不同，造成焊縫斷面形狀、尺寸有很大差別。等離子氣流引起的對流、表面張力流及電磁對流最為重要，浮力流相對可以忽略。電磁對流使熔深加大，而等離子氣流的作用及表面張力對流增強，易得到淺而寬的熔池，在小電流下尤其明顯。C o p y r i g

15、 h t S t a t e k e y L a b o f W e l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n等離子氣流作用下產(chǎn)生的熔池金屬的對流電弧等離子氣流以電弧壓力的形式作用于熔池，使熔池的中心區(qū)出現(xiàn)凹陷，同時又從熔池的中心區(qū)向周邊區(qū)流動，把熔池表面從中心區(qū)從周邊區(qū)拉伸，對熔池表面金屬形成從熔池中心向熔池周邊區(qū)流動。C o p y r i g h t S t a t e k e y L a b o f W e l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t .

16、 e d u . c n電磁力引起的電磁對流從電弧進入熔池的電流在電弧正下方有著較高的電流密度，從熔池到母材內(nèi)部，電流密度是逐漸降低的。電流與其自身產(chǎn)生的磁場之間相互作用而產(chǎn)生了電磁力，該電磁力指向電流發(fā)散方向，由此產(chǎn)生了電磁對流。電磁對流的流動方向是向著電流的發(fā)散方向即從電弧正下方熔池中心區(qū)向熔池底部流動。C o p y r i g h t S t a t e k e y L a b o f W e l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n熔池表面張力差引起的表面張力流流動的方向依賴于液面上的表面張力梯度和分布

17、，是從表面張力低的部分流向表面張力高的部分。焊接情況下，熔池表面存在著從固液界面處的熔點溫度到中心高溫區(qū)的溫度差，通常情況下，熔化金屬的表面張力依賴于溫度值，由此熔池表面的各部位出現(xiàn)了表面張力差。C o p y r i g h t S t a t e k e y L a b o f W e l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n熔化金屬密度差引起的浮力流熔池內(nèi)部的溫度是從電弧正下方的高溫區(qū)向固液界面處的熔點溫度變化著的，形成了熔池內(nèi)部的空間溫度場。液態(tài)金屬是溫度越高密度越低，密度低的部分受到浮力的作用向著重力的

18、反方向運動。（平焊可忽略，仰焊時需考慮）C o p y r i g h t S t a t e k e y L a b o f W e l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n表面張力流與微量元素（簡介）表面張力在熔化焊接中起到重要作用。液態(tài)金屬，當其含有氧、硫等表面活性元素時，雖然含量可能非常少，但表面張力都有大幅度降低。另外，純金屬具有負的表面張力溫度系數(shù)，表面張力隨溫度的升高而降低，但當有表面活性元素存在時，表面張力溫度系數(shù)會變?yōu)檎?。C o p y r i g h t S t a t e k e y L

19、a b o f W e l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n五、五、 焊縫成形缺陷及形成原因焊縫成形缺陷及形成原因焊接缺陷有多種 內(nèi)部缺陷和外部缺陷 微觀組織缺陷和宏觀缺陷氣孔、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，本課程主要討論由于工藝性因素導致的焊縫成形方面所表現(xiàn)出的明顯缺陷 。 C o p y r i g h t S t a t e k e y L a b o f W e l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d .

20、h i t . e d u . c n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 原因：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(chǎn)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(chǎn)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。C o p y r i g h t S t a t e k e y L a b o f W e l d i n g , H I T h t t p : / / w e

21、 l d . h i t . e d u . c n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。 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。 在薄板焊接時，電弧力過于集中，或者對縫間隙過大。 C o p y r i g h t S t a t e k e y L a b o f W e l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n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