第3章-母材的熔化和焊縫成形課件

第3章母材熔化和焊縫成形電弧焊時(shí)，在電弧熱源（電弧產(chǎn)熱借助于傳導(dǎo)、輻射、電子能量、極區(qū)能量、熔滴等傳入母材。電弧焊輸入到母材中的熱量一般由Q=ηIUa給出，η為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見(jiàn)表3-1）作用下。焊件上形成的具有一定幾何形狀的液態(tài)金屬部分稱為熔池。在熔化極電弧焊中，熔池中還包括已經(jīng)熔化了的填充金屬。熔池冷卻凝固后成為焊縫其成形的好壞是衡量焊接質(zhì)量的指標(biāo)之一。3-1熔池和焊縫的形狀尺寸一.焊縫形成過(guò)程:熔化極電弧焊中，母材和填充金屬在電弧熱的作用下，液態(tài)金屬被排向電弧移動(dòng)的后方，并且在電弧力、本身重力和表面張力的等共同作用下保持一定的液面差，形成了具有一定形狀和尺寸的熔池。隨電弧前移，熔池也隨之前移，熔池尾部液態(tài)金屬的溫度逐步降低。當(dāng)液態(tài)金屬溫度降到金屬的凝固溫度時(shí)，便冷凝結(jié)晶而成為焊縫。圖3-1熔池縱向溫度分布示意圖3-2熔池結(jié)晶過(guò)程示意圖熔池凝固的特點(diǎn):1.非均勻形核和聯(lián)生生長(zhǎng)2.擇優(yōu)長(zhǎng)大3.凝固速度是不斷變化的4.偏向晶和定向晶的形成二.焊縫形狀尺寸焊縫形狀是指焊縫橫截面的形狀，一般以熔深H，熔寬B和余高a描述。合理的焊縫橫截面形狀要求H.B.a具有恰當(dāng)?shù)谋壤?。通常用焊縫系數(shù)和余高系數(shù)表示焊縫成形的特點(diǎn)，焊縫成形系數(shù)Ф=B/H，余高系數(shù)ψ=B/a。Ф過(guò)小，焊縫截面窄而深易產(chǎn)生氣孔和熱裂紋。故對(duì)裂紋和氣孔敏感的材料Ф值應(yīng)取大一些。常用電弧焊方法Ф一般取1.3-2。堆焊要求寬而淺，Ф可達(dá)10左右。余高過(guò)大會(huì)引起應(yīng)力集中，降低承動(dòng)載能力。通常對(duì)接接頭余高a為0~3mm，或使ψ=4-8。對(duì)重要結(jié)構(gòu)，應(yīng)在焊后除去余高。磨成光滑凹型。熔合比：母材金屬在焊縫中所占比例，可用母材金屬在焊縫中所占的面積Am與焊縫的總面積（Am+AH）之比即熔合比γ來(lái)表示：其中AH為填充金屬在焊縫截面中所占面積（圖3-3），可見(jiàn)，坡口和熔池形狀改變時(shí)，熔合比γ都將發(fā)生變化。通過(guò)改變?nèi)酆媳?，可以調(diào)整焊縫化學(xué)成分，降低裂紋傾向和提高焊縫力學(xué)性能。圖3-3對(duì)接接頭和角接接頭焊縫形狀和尺寸3-2熔池形狀與電弧熱的關(guān)系一.焊接溫度場(chǎng)和熔池特征參數(shù):圖3-4焊接熔池形狀示意圖二.焊件比熱流與焊接參數(shù)的關(guān)系焊件比熱流—單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積傳入焊件的熱量圖3-5正態(tài)分布比熱流圖3-6弧長(zhǎng)與比熱流分布之間的關(guān)系圖3-10電弧電流與比熱流分布之間的關(guān)系圖3-8鎢極端部角度θ和端部直徑d對(duì)比熱流分布的影響3-3熔池受力及其對(duì)焊縫成形的影響重力、表面張力、焊接電弧力和熔滴沖擊力圖3-9熔池流動(dòng)與表面張力梯度關(guān)系（dσ/dr＞0）圖3-10熔池流動(dòng)與表面張力梯度關(guān)系（dσ/dr＜0）圖3-11電弧靜壓力對(duì)焊縫成形的影響圖3-12電弧動(dòng)壓力對(duì)焊縫成形的影響3-4焊接參數(shù)和工藝因素對(duì)焊縫成形的影響一、電流、電壓及焊速的影響焊接電流、電弧電壓和焊接速度是決定焊縫尺寸的主要工藝參數(shù)，它們對(duì)焊縫形狀的影響規(guī)律如下：1．焊接電流：焊接電流是影響熔深的主要因素。隨焊接電流增大、熔深近于成比例增加（熱輸入、電弧力增大、熱源下移），熔寬略有增加（電弧截面增加，但潛入深度增加限制斑點(diǎn)移動(dòng)范圍），余高增加（焊絲熔化量增加），結(jié)果使成形系數(shù)及余高系數(shù)均減小。（見(jiàn)表3-2熔深系數(shù)）2．電弧電壓：電弧電壓是影響焊縫熔寬的主要因素。在其它條件不變時(shí)，隨著電弧電壓增大，焊縫熔寬顯著增加（弧長(zhǎng)增加，工件上比熱流分布半徑增大），熔深和余高略有減?。ê附z熔化量不變，熔寬增加則a.H減?。?．焊接速度：焊接速度對(duì)焊縫形狀和尺寸都有明顯的影響。焊速提高，焊接線能量IUa/vw減小，熔深和熔寬都顯著減小。為保證合理的焊縫尺寸同時(shí)又有高的焊接生產(chǎn)率，在提高焊速的同時(shí)，應(yīng)相應(yīng)提高焊接電流和電弧電壓，并使其保持在穩(wěn)定的匹配工件范圍內(nèi)。二、其它焊接條件的影響：1．電流種類和極性：主要影響工件的熱輸入，熔滴過(guò)渡等。熔化極電弧焊一般采用直流反接法，因?yàn)槿刍瘶O電弧陰極（工件）產(chǎn)熱較大，因而其熔深和熔寬比直流正接的要大。交流電弧焊介于兩者之間。非熔化極電極產(chǎn)熱特性與熔化極電弧焊相反（PA>PK）故正接時(shí)熔深較大，反接時(shí)較小。除鋁、鎂及其合金要求除去表面氧化膜采用交流外，非熔化極電流焊一般采用直流正接法。脈沖電流焊接時(shí)，在同樣的焊接電流和電壓平均值條件下，比一般的電弧焊可獲更大的熔深和熔寬。2．焊絲直徑和伸出長(zhǎng)度：在一定范圍內(nèi)，同樣的焊接焊接電流，焊絲越細(xì)，則焊縫熔深越大。伸出長(zhǎng)Ls↑→Rs↑→熔化量↑→余高a↑。ρ絲↑，d絲↓Ls↑→這種影響越明顯→必須限制焊絲平均電流密度和焊絲伸出長(zhǎng)度。3．保護(hù)氣氛和熔滴過(guò)渡形式：保護(hù)氣體對(duì)焊縫成形的影響：CO2焊大電流細(xì)滴過(guò)渡，焊縫熔滴較大，底部呈圓弧狀；短路過(guò)渡焊縫形狀與其類似只是熔深要淺得多。純氬保護(hù)射流過(guò)渡的焊縫中部深陷。通常加入少量的CO2，O2，He等可使熔深形狀得到改善。4．間隙和坡口：開(kāi)坡口、留間隙可控制焊縫的余高和調(diào)整熔合比。（坡口尺寸↑→H↑a、γ↓）5．電極（焊絲）的傾角：電極相對(duì)工件傾斜有前傾和后傾兩種，習(xí)慣的意義是指電極軸線與上表面之間的夾角α。電極前傾時(shí)，電極指向未焊方向，電弧力使熔池金屬向后排出的作用減弱，熔池底部的液體金屬層變厚，阻礙著電弧對(duì)熔池底部母材的加熱，故熔深變小。但電弧卻對(duì)熔池前方未熔化的母材預(yù)熱作用加強(qiáng)，因此熔寬增加，余高減小。且前傾角α越小，這一影響越明顯。電極后傾時(shí)，情況與前傾焊大不相同，其結(jié)果是熔深較深，余高較大，熔寬減小。實(shí)際焊接中，手工TIG焊，半自動(dòng)熔化極氣保焊等一般采用前傾焊。而后傾焊是手工焊條電弧焊采用的方式，傾角α以自然保持60-70°為宜。此外，影響焊縫成形的因素還有許多，如工件厚度、傾斜度及散熱條件，焊劑、焊條藥皮成分等。圖3-13間隙和坡口對(duì)焊縫成形