第三章 母材的熔化和焊缝成形——【《熔焊方法及设备(第2版)》王宗杰】
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• 熔池金属的表面张力的大小取决于液体金属的 成分和温度。大多数液体金属中当含有氧、硫等表 面活性元素时，能够明显降低表面张力。液体金属 的表面张力随温度升高而降低。
•
此外，熔池金属由于各处成分和温度的不均
匀性，各处表面张力大小也不同，这样形成沿表面
方向的表面张力梯度dσ/dr（σ－表面张力系数，r-
熔池半径）,这种表面张力梯度将促使液体金属流
动。
图3-9 熔池金属流动与表面张力梯度的关系(dσ／dr>0) 图3-10 熔池金属流动与表面张力梯度的关系(dσ／dr<0)
3.3.3.焊接电弧力
•
焊接电流流入焊接熔池时，由于斑点面积较
小，电流密度较大，因而斑点处的压力较大，而熔
池表面内的其它处的电流密度较小、压力也较小。
图3-2熔池结晶过程示意图
3.1.2 焊缝形状尺寸
• 焊缝的形状一般是指焊缝横截面的形状，通常 用焊缝熔深H、焊缝熔宽B和焊缝余高h来描述。其 中，焊缝熔深H是指母材熔化的深度；焊缝熔宽B 是两焊趾之间的距离；焊缝余高h是焊缝横截面上 焊趾连线之上的那部分焊缝金属的最大高度。此 外，还常用焊缝成形系数φ（φ＝B/H）和余高系 数Ψ（Ψ＝B/h）来表征焊缝成形的特点。图3-3是 对接接头和角接接头的焊缝形状和各参数的意义。
略有增加。
•
气体保护熔化极氩弧焊，焊接电流增加，
焊缝熔深增加。若焊接电流过大、电流密度过
高时，容易出现指状熔深，尤其焊铝时较明显。
2. 电弧电压对焊缝成形的影响
• 在其它条件一定的条件下，提高电弧电压，电弧 功率相应增加，焊件输入的热有所增加。但是电弧 电压增加是通过增加电弧长度实现的，电弧长度增 加使得电弧热源半径增大，电弧散热增加，输入焊 件的能量密度减小，因此熔深略有减小而熔宽增大。 同时由于焊接电流不变，焊丝的送丝速度和焊丝熔 化速度不变，使得焊缝余高减小。
图3-3 对接接头和角接接头焊缝形状和尺寸 H－焊缝熔深，B－焊缝熔宽，h－焊缝余高， Ah－填充金属熔化面积，AM－母材熔化面积
• 熔合比γ是另一个表征焊缝横截面形状特 征的重要参数。所谓熔合比γ是指单道焊时，
在焊缝横截面上熔化的母材所占的面积与焊缝
的总面积之比。它能反映母材成分对焊缝成分
的稀释程度，熔合比γ越大，说明母材向焊缝 中熔入的量越大，稀释程度越大。熔合比γ用
这种压力差促使熔池金属流动，在熔池中心处，较
大的斑点压力促使液体金属向下流动，而熔池四周
的液体金属流向熔池中心，形成涡流现象。金属流
动时，由于熔池中心的高温金属能把热量带向熔池
底部，因而会使熔深加大。
图3-11 电弧静压力对焊缝成形的影响 图3-12 电弧动压力对焊缝成形的影响
3.3.4. 熔滴冲击力
下式计算：
•
γ= AM/( AM+ Ah) （3－1）
•AM是熔化的母材在焊缝横截面积中所占的面 积；Ah是填充金属在焊缝横截面中所占的面积。
3.2 熔池形状与焊接电弧热的关系
• 焊接电弧热中有相当大一部分用于熔化母材 和填充金属，它不仅能决定焊接熔池的体积，而 且能影响熔池的形状尺寸。其影响结果与电弧的 热输入功率和焊件上的温度分布有关。
• 1) 材料的物理特征值导热系数、密度、比热等均不随温度 变化。
• 2) 在任何时刻和任何温度下材料都处于固态，不发生任何 相变。材料各向同性，材质均匀。
• 3) 焊件为半无限大体，热源集中作用在半无限大体表面上 的体积为零的点上。
• 4）半无限大体表面上表面为绝热面，即热源的热能全部向 物体内部传导。
图3-7 电弧电流与比热流分布q(r)之间的关系
• 3) 钨极端部角度和端部直径对比热流的影响
图3-8 钨极端部角度θ和端部直径d对比热流分布的影响
3.2.4 熔池尺寸与比热流分布的关系
在焊件热输入功率P、电弧力等其它条件一定的条 件下，电弧焊单道焊的熔池形状与电弧的集中系数k及焊 件表面电弧轴线上的比热流值qm有关。电弧的集中系数k 增加，熔池的熔深（即焊缝熔深）增加，熔池的熔宽 （即焊缝熔深）减小；反之，则熔池的熔深减小，熔池 的熔宽增加。在电弧热输入功率、电弧力等其它条件一 定的情况下，焊件表面电弧轴线上的比热流值qm增加， 熔池的熔深（即焊缝熔深）增加，熔池的熔宽（即焊缝 熔深）减小；反之，则熔池的熔深减小，熔池的熔宽增 加。例如，在热输入功率等其它条件相同的情况下，等 离子弧焊的焊接热源的集中系数k及比热流值qm均比钨极 氩弧焊的k、qm大，所以等离子弧焊的焊接熔池比钨极氩 弧焊的焊接熔池的熔深大、熔宽小。
3.4.2 焊接电流种类和极性、电极尺寸对焊缝成形 的影响
• 1. 焊接电流的种类和极性
•
焊接电流的种类分为直流和交流。其中，
直流电弧焊根据电流有无脉冲，分为恒定直流
3.3.1. 熔池金属的重力
• 熔池金属的重力的大小正比于熔池金属的体 积和密度。熔池金属的重力对熔池金属流动的作用 与焊缝的空间位置有关。水平位置焊接时，熔池金 属的重力有利于熔池的稳定性。空间位置焊接时， 熔池金属的重力可能破坏熔池的稳定性，使焊缝成 形变坏。
3.3.2. 表面张力
• 表面张力将阻止熔池金属在电弧力或熔池金属 重力作用下的流动。表面张力对熔池金属在熔池界 面上的接触角（即润湿性）的大小也有直接影响。 所以表面张力既影响熔池的轮廓形状，也影响熔池 金属在坡口里的堆敷情况，即熔池表面的形状。
在x轴上，所以点的x坐标值与该点至坐标原点的距
离r相等，计算时取r；同理计算长度时取-r。通过
计算，得到及的表达式如下：
• •
l1
a v
(ln
q
2 Tm
ln l1)
a v
ln
q(3-5)
2 Tm
• •
l2
q
2 Tm
(3-6)
• 式中，是被焊材料的熔化温度。
3. 实际焊接条件与解析计算的假设条件的差异
• 实际焊接时，焊接条件与解析计算的假定存在很大差异， 例如，材料具有熔化及相变过程，不是始终处于固态；熔池前 部的金属熔化时吸收熔化潜热，熔池尾部的金属凝固时放出潜 热；焊接工件尺寸总是有限的，边界上的散热条件与假设条件 不同；实际焊接热源是分布热源，热源作用在焊件的一定的区 域上，在不同的条件下以不同的分布形态输入焊件，而不是作 用于一点上的点状热源；实际熔池的液体金属表面在电弧力等 各种力的作用下发生变形；熔池金属的流动使传热不再局限于 固体内的热传导等等。因此，用点状热源等公式计算出的熔池 形状和尺寸与实际情况有较大差异。尽管如此，式（3－4）、 （3－5）、（3－6）等解析计算公式可以清楚地表述各个物理 量之间的关系以及某些条件变化时的焊接温度场分布的变化规 律，这也是很有意义的。例如，解析计算表明，熔池前部长度 与焊接速度成反比，熔池尾部的长度与焊速无关等。
• 5）初始温度为零。
• 6）不考虑力的作用和熔池金属的流动。
• 7）物体上的传热过程已达到极限饱和状态，即t=∞。
•
设xyz坐标系的xy坐标处于半无限大体的表面
上，z坐标垂直于半无限大体的表面。点状热源的
作用点与运动坐标系xyz的原点重合，两者一起以
速度沿x轴正向运动。对热传导微分方程式求特解，
距离；k是电弧集中系数；q(r)是焊件表面加热点距离电弧
轴线为r处的比热流值；qm是焊件表面电弧轴线上的比热流 值， qm＝P k/π。
图3-5 正态分布比热流
2. 比热流分布与电弧参数之间的关系
1) 弧长对比热流的影响
图3-6 弧长与比热流分布q(r)之间的关系
• 2) 电弧电流对比热流的影响
Hale Waihona Puke 3.2.1 焊接电弧的有效热功率及热效率
• 通常用电弧加热焊件的热输入功率与电弧 热功率的比值η来反映焊接电弧加热焊件的效 率， • η＝焊件热输入功率/电弧热功率＝（电弧热 功率－电弧热损失的总和）/电弧热功率 • 直流电弧焊：q＝ 0.24ηUI
• 交流电弧焊：q＝ 0.24ηKUI
• q是焊接热输入功率；η是电弧加热工件的热 效率，它与焊接方法和焊接参数有关；U是电 弧电压；I是焊接电流。
3.3 熔池受到的力及其对焊缝成形的影响
• 在电弧焊焊接过程中，熔池不仅受到热的作用， 还受到力的作用。在电弧力和其它各种力的作用下 熔池表面产生凹陷，液体金属被排向熔池尾部，使 熔池尾部的液面高于焊件表面，从而产生焊缝余高。 同时，电弧力及其它力还使熔池金属产生流动，一 方面促使熔池内部的对流换热和填充金属与母材金 属的混合，从而使焊缝各处的成分比较均匀一致； 另一方面也必然影响熔池的形状和焊缝的成形。
即可求出焊件上任意一点A点的温度解析表达式：
•
•
T(r, x) q exp v(x r) / 2a
• T是点A的加热温2度r ；r是点A到坐标系原点O的空
间距离；x是运动坐标系中点A在轴上的坐标；v是
点热源的运动速度；λ是热导率；α是热扩散率。
图3-4 熔池形状示意图
2.焊接熔池的特征参数
• 焊接熔池的特征参数有熔池前部长度l1、熔池 尾部长度l2 、熔池长度l、熔池宽度B、熔池深度H 等。可以根据式（3-4）计算熔池特征参数。由于
1. 焊接温度场的解析计算
•
利用焊接温度场解析法求解熔池的形状和尺
寸的基本思路是：由于影响焊件实际温度场的因素
很多，为了使问题简化，首先作一些假设，然后利
用热传导微分方程式进行求解。
• 热传导微分方程式如下：
• •
t
c
2 ( x2
2 y 2
2 z 2 )
a 2
•
• 计算焊接温度场时作如下假定：
3.2.3 焊件比热流与焊接参数的关系
1. 焊件的比热流分布
•
所谓比热流，是指单位时间内通过单位面积传入焊件
的热量。电弧热输入量是通过半径为r的圆面积输入焊件，
可以近似地认为在分布半径r的区域内电弧输入焊件的比热
流以正态规律分布，解析计算公式如下：
• •
q(r) qmekr2
(3-7)
•
其中，r是焊件表面加热斑点中任意一点到电弧轴线的
• 富氩气体保护熔化极电弧焊射流过渡时，焊丝前端熔化金属以 较小的熔滴及很高的速度沿焊丝轴向冲向熔池，对熔池形成较大的 冲击力，容易形成指状熔深。
3.4 焊接参数和工艺因素对焊缝成形的影响
3.4.1 焊接参数对焊缝成形的影响
• 1. 焊接电流对焊缝成形的影响
•
在其它条件一定的情况下，随着电弧焊焊
接电流增加，焊缝的熔深和余高均增加，熔宽
3. 焊接速度对焊缝成形的影响
• 在其它条件一定的条件下，提高焊接速度导致 焊接热输入减少，从而焊缝熔宽和熔深都减小。由于 单位长度焊缝上的焊丝金属熔敷量与焊接速度成反比， 所以也导致焊缝余高减小。 • 焊接速度是评价焊接生产率的一项重要指标。为 了提高焊接生产率，应该提高焊接速度，但为了保证 结构设计上所需的焊缝尺寸，在提高焊接速度的同时 要相应提高焊接电流和电弧电压，这三个量是相互联 系的。同时，还应考虑在提高焊接电流、电弧电压、 焊接速度（即采用大功率焊接电弧、高焊接速度焊接） 时，有可能在焊件熔化形成熔池过程中及熔池凝固过 程中产生焊接缺陷，如咬边、裂纹等，所以提高焊接 速度是有限度的。
• 实际上，电弧焊形成的焊接熔池形状受焊接热 输入率、热输入分布形态、电弧力、接头型式、空 间位置等许多因素的影响，是一个非常复杂的问题， 解析法有一定的局限性。为了得到与实际更接近的 结果，近些年来，数值解法逐渐得到人们的重视和 应用。常用的数值解法有有限元法、有限差分法以 及数值积分法等。虽然数值解法的计算工作量都很 大，但在电子计算机日益发达的今天，已不再是难 以解决的问题。
表3-1 各种弧焊方法的热效率η
•
弧焊方法
η
焊条电弧焊
0.65～0.85
埋弧自动焊
0.80～0.90
CO2气体保护焊 熔化极氩弧焊（MIG）
0.75～0.90 0.70～0.80
钨极氩弧焊
0.65～0.70
3.2.2 焊接温度场
• 所谓焊接温度场是指焊接过程中某一瞬 间焊接接头上各点的温度分布状态，通常用 等温线或等温面来表示。为了了解熔池形状 与焊接电弧热之间的关系，人们试图利用焊 接温度场解析法求出熔池的形状和尺寸。
第三章 母材的熔化和焊缝成形
3.1 焊缝形成过程及焊缝形状尺寸
•3.1.1 焊缝形成过程 • 电弧焊时，焊缝的形成一般要经历加热、熔化、 化学冶金、凝固和固态相变等一系列冶金过程。 其中，熔化和凝固是两个必不可少的过程。
•
图3-1 熔池内沿焊缝纵向轴线上的温度分布示意图 1－熔池前部 2－熔池尾部
•
此外，熔池金属由于各处成分和温度的不均
匀性，各处表面张力大小也不同，这样形成沿表面
方向的表面张力梯度dσ/dr（σ－表面张力系数，r-
熔池半径）,这种表面张力梯度将促使液体金属流
动。
图3-9 熔池金属流动与表面张力梯度的关系(dσ／dr>0) 图3-10 熔池金属流动与表面张力梯度的关系(dσ／dr<0)
3.3.3.焊接电弧力
•
焊接电流流入焊接熔池时，由于斑点面积较
小，电流密度较大，因而斑点处的压力较大，而熔
池表面内的其它处的电流密度较小、压力也较小。
图3-2熔池结晶过程示意图
3.1.2 焊缝形状尺寸
• 焊缝的形状一般是指焊缝横截面的形状，通常 用焊缝熔深H、焊缝熔宽B和焊缝余高h来描述。其 中，焊缝熔深H是指母材熔化的深度；焊缝熔宽B 是两焊趾之间的距离；焊缝余高h是焊缝横截面上 焊趾连线之上的那部分焊缝金属的最大高度。此 外，还常用焊缝成形系数φ（φ＝B/H）和余高系 数Ψ（Ψ＝B/h）来表征焊缝成形的特点。图3-3是 对接接头和角接接头的焊缝形状和各参数的意义。
略有增加。
•
气体保护熔化极氩弧焊，焊接电流增加，
焊缝熔深增加。若焊接电流过大、电流密度过
高时，容易出现指状熔深，尤其焊铝时较明显。
2. 电弧电压对焊缝成形的影响
• 在其它条件一定的条件下，提高电弧电压，电弧 功率相应增加，焊件输入的热有所增加。但是电弧 电压增加是通过增加电弧长度实现的，电弧长度增 加使得电弧热源半径增大，电弧散热增加，输入焊 件的能量密度减小，因此熔深略有减小而熔宽增大。 同时由于焊接电流不变，焊丝的送丝速度和焊丝熔 化速度不变，使得焊缝余高减小。
图3-3 对接接头和角接接头焊缝形状和尺寸 H－焊缝熔深，B－焊缝熔宽，h－焊缝余高， Ah－填充金属熔化面积，AM－母材熔化面积
• 熔合比γ是另一个表征焊缝横截面形状特 征的重要参数。所谓熔合比γ是指单道焊时，
在焊缝横截面上熔化的母材所占的面积与焊缝
的总面积之比。它能反映母材成分对焊缝成分
的稀释程度，熔合比γ越大，说明母材向焊缝 中熔入的量越大，稀释程度越大。熔合比γ用
这种压力差促使熔池金属流动，在熔池中心处，较
大的斑点压力促使液体金属向下流动，而熔池四周
的液体金属流向熔池中心，形成涡流现象。金属流
动时，由于熔池中心的高温金属能把热量带向熔池
底部，因而会使熔深加大。
图3-11 电弧静压力对焊缝成形的影响 图3-12 电弧动压力对焊缝成形的影响
3.3.4. 熔滴冲击力
下式计算：
•
γ= AM/( AM+ Ah) （3－1）
•AM是熔化的母材在焊缝横截面积中所占的面 积；Ah是填充金属在焊缝横截面中所占的面积。
3.2 熔池形状与焊接电弧热的关系
• 焊接电弧热中有相当大一部分用于熔化母材 和填充金属，它不仅能决定焊接熔池的体积，而 且能影响熔池的形状尺寸。其影响结果与电弧的 热输入功率和焊件上的温度分布有关。
• 1) 材料的物理特征值导热系数、密度、比热等均不随温度 变化。
• 2) 在任何时刻和任何温度下材料都处于固态，不发生任何 相变。材料各向同性，材质均匀。
• 3) 焊件为半无限大体，热源集中作用在半无限大体表面上 的体积为零的点上。
• 4）半无限大体表面上表面为绝热面，即热源的热能全部向 物体内部传导。
图3-7 电弧电流与比热流分布q(r)之间的关系
• 3) 钨极端部角度和端部直径对比热流的影响
图3-8 钨极端部角度θ和端部直径d对比热流分布的影响
3.2.4 熔池尺寸与比热流分布的关系
在焊件热输入功率P、电弧力等其它条件一定的条 件下，电弧焊单道焊的熔池形状与电弧的集中系数k及焊 件表面电弧轴线上的比热流值qm有关。电弧的集中系数k 增加，熔池的熔深（即焊缝熔深）增加，熔池的熔宽 （即焊缝熔深）减小；反之，则熔池的熔深减小，熔池 的熔宽增加。在电弧热输入功率、电弧力等其它条件一 定的情况下，焊件表面电弧轴线上的比热流值qm增加， 熔池的熔深（即焊缝熔深）增加，熔池的熔宽（即焊缝 熔深）减小；反之，则熔池的熔深减小，熔池的熔宽增 加。例如，在热输入功率等其它条件相同的情况下，等 离子弧焊的焊接热源的集中系数k及比热流值qm均比钨极 氩弧焊的k、qm大，所以等离子弧焊的焊接熔池比钨极氩 弧焊的焊接熔池的熔深大、熔宽小。
3.4.2 焊接电流种类和极性、电极尺寸对焊缝成形 的影响
• 1. 焊接电流的种类和极性
•
焊接电流的种类分为直流和交流。其中，
直流电弧焊根据电流有无脉冲，分为恒定直流
3.3.1. 熔池金属的重力
• 熔池金属的重力的大小正比于熔池金属的体 积和密度。熔池金属的重力对熔池金属流动的作用 与焊缝的空间位置有关。水平位置焊接时，熔池金 属的重力有利于熔池的稳定性。空间位置焊接时， 熔池金属的重力可能破坏熔池的稳定性，使焊缝成 形变坏。
3.3.2. 表面张力
• 表面张力将阻止熔池金属在电弧力或熔池金属 重力作用下的流动。表面张力对熔池金属在熔池界 面上的接触角（即润湿性）的大小也有直接影响。 所以表面张力既影响熔池的轮廓形状，也影响熔池 金属在坡口里的堆敷情况，即熔池表面的形状。
在x轴上，所以点的x坐标值与该点至坐标原点的距
离r相等，计算时取r；同理计算长度时取-r。通过
计算，得到及的表达式如下：
• •
l1
a v
(ln
q
2 Tm
ln l1)
a v
ln
q(3-5)
2 Tm
• •
l2
q
2 Tm
(3-6)
• 式中，是被焊材料的熔化温度。
3. 实际焊接条件与解析计算的假设条件的差异
• 实际焊接时，焊接条件与解析计算的假定存在很大差异， 例如，材料具有熔化及相变过程，不是始终处于固态；熔池前 部的金属熔化时吸收熔化潜热，熔池尾部的金属凝固时放出潜 热；焊接工件尺寸总是有限的，边界上的散热条件与假设条件 不同；实际焊接热源是分布热源，热源作用在焊件的一定的区 域上，在不同的条件下以不同的分布形态输入焊件，而不是作 用于一点上的点状热源；实际熔池的液体金属表面在电弧力等 各种力的作用下发生变形；熔池金属的流动使传热不再局限于 固体内的热传导等等。因此，用点状热源等公式计算出的熔池 形状和尺寸与实际情况有较大差异。尽管如此，式（3－4）、 （3－5）、（3－6）等解析计算公式可以清楚地表述各个物理 量之间的关系以及某些条件变化时的焊接温度场分布的变化规 律，这也是很有意义的。例如，解析计算表明，熔池前部长度 与焊接速度成反比，熔池尾部的长度与焊速无关等。
• 5）初始温度为零。
• 6）不考虑力的作用和熔池金属的流动。
• 7）物体上的传热过程已达到极限饱和状态，即t=∞。
•
设xyz坐标系的xy坐标处于半无限大体的表面
上，z坐标垂直于半无限大体的表面。点状热源的
作用点与运动坐标系xyz的原点重合，两者一起以
速度沿x轴正向运动。对热传导微分方程式求特解，
距离；k是电弧集中系数；q(r)是焊件表面加热点距离电弧
轴线为r处的比热流值；qm是焊件表面电弧轴线上的比热流 值， qm＝P k/π。
图3-5 正态分布比热流
2. 比热流分布与电弧参数之间的关系
1) 弧长对比热流的影响
图3-6 弧长与比热流分布q(r)之间的关系
• 2) 电弧电流对比热流的影响
Hale Waihona Puke 3.2.1 焊接电弧的有效热功率及热效率
• 通常用电弧加热焊件的热输入功率与电弧 热功率的比值η来反映焊接电弧加热焊件的效 率， • η＝焊件热输入功率/电弧热功率＝（电弧热 功率－电弧热损失的总和）/电弧热功率 • 直流电弧焊：q＝ 0.24ηUI
• 交流电弧焊：q＝ 0.24ηKUI
• q是焊接热输入功率；η是电弧加热工件的热 效率，它与焊接方法和焊接参数有关；U是电 弧电压；I是焊接电流。
3.3 熔池受到的力及其对焊缝成形的影响
• 在电弧焊焊接过程中，熔池不仅受到热的作用， 还受到力的作用。在电弧力和其它各种力的作用下 熔池表面产生凹陷，液体金属被排向熔池尾部，使 熔池尾部的液面高于焊件表面，从而产生焊缝余高。 同时，电弧力及其它力还使熔池金属产生流动，一 方面促使熔池内部的对流换热和填充金属与母材金 属的混合，从而使焊缝各处的成分比较均匀一致； 另一方面也必然影响熔池的形状和焊缝的成形。
即可求出焊件上任意一点A点的温度解析表达式：
•
•
T(r, x) q exp v(x r) / 2a
• T是点A的加热温2度r ；r是点A到坐标系原点O的空
间距离；x是运动坐标系中点A在轴上的坐标；v是
点热源的运动速度；λ是热导率；α是热扩散率。
图3-4 熔池形状示意图
2.焊接熔池的特征参数
• 焊接熔池的特征参数有熔池前部长度l1、熔池 尾部长度l2 、熔池长度l、熔池宽度B、熔池深度H 等。可以根据式（3-4）计算熔池特征参数。由于
1. 焊接温度场的解析计算
•
利用焊接温度场解析法求解熔池的形状和尺
寸的基本思路是：由于影响焊件实际温度场的因素
很多，为了使问题简化，首先作一些假设，然后利
用热传导微分方程式进行求解。
• 热传导微分方程式如下：
• •
t
c
2 ( x2
2 y 2
2 z 2 )
a 2
•
• 计算焊接温度场时作如下假定：
3.2.3 焊件比热流与焊接参数的关系
1. 焊件的比热流分布
•
所谓比热流，是指单位时间内通过单位面积传入焊件
的热量。电弧热输入量是通过半径为r的圆面积输入焊件，
可以近似地认为在分布半径r的区域内电弧输入焊件的比热
流以正态规律分布，解析计算公式如下：
• •
q(r) qmekr2
(3-7)
•
其中，r是焊件表面加热斑点中任意一点到电弧轴线的
• 富氩气体保护熔化极电弧焊射流过渡时，焊丝前端熔化金属以 较小的熔滴及很高的速度沿焊丝轴向冲向熔池，对熔池形成较大的 冲击力，容易形成指状熔深。
3.4 焊接参数和工艺因素对焊缝成形的影响
3.4.1 焊接参数对焊缝成形的影响
• 1. 焊接电流对焊缝成形的影响
•
在其它条件一定的情况下，随着电弧焊焊
接电流增加，焊缝的熔深和余高均增加，熔宽
3. 焊接速度对焊缝成形的影响
• 在其它条件一定的条件下，提高焊接速度导致 焊接热输入减少，从而焊缝熔宽和熔深都减小。由于 单位长度焊缝上的焊丝金属熔敷量与焊接速度成反比， 所以也导致焊缝余高减小。 • 焊接速度是评价焊接生产率的一项重要指标。为 了提高焊接生产率，应该提高焊接速度，但为了保证 结构设计上所需的焊缝尺寸，在提高焊接速度的同时 要相应提高焊接电流和电弧电压，这三个量是相互联 系的。同时，还应考虑在提高焊接电流、电弧电压、 焊接速度（即采用大功率焊接电弧、高焊接速度焊接） 时，有可能在焊件熔化形成熔池过程中及熔池凝固过 程中产生焊接缺陷，如咬边、裂纹等，所以提高焊接 速度是有限度的。
• 实际上，电弧焊形成的焊接熔池形状受焊接热 输入率、热输入分布形态、电弧力、接头型式、空 间位置等许多因素的影响，是一个非常复杂的问题， 解析法有一定的局限性。为了得到与实际更接近的 结果，近些年来，数值解法逐渐得到人们的重视和 应用。常用的数值解法有有限元法、有限差分法以 及数值积分法等。虽然数值解法的计算工作量都很 大，但在电子计算机日益发达的今天，已不再是难 以解决的问题。
表3-1 各种弧焊方法的热效率η
•
弧焊方法
η
焊条电弧焊
0.65～0.85
埋弧自动焊
0.80～0.90
CO2气体保护焊 熔化极氩弧焊（MIG）
0.75～0.90 0.70～0.80
钨极氩弧焊
0.65～0.70
3.2.2 焊接温度场
• 所谓焊接温度场是指焊接过程中某一瞬 间焊接接头上各点的温度分布状态，通常用 等温线或等温面来表示。为了了解熔池形状 与焊接电弧热之间的关系，人们试图利用焊 接温度场解析法求出熔池的形状和尺寸。
第三章 母材的熔化和焊缝成形
3.1 焊缝形成过程及焊缝形状尺寸
•3.1.1 焊缝形成过程 • 电弧焊时，焊缝的形成一般要经历加热、熔化、 化学冶金、凝固和固态相变等一系列冶金过程。 其中，熔化和凝固是两个必不可少的过程。
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图3-1 熔池内沿焊缝纵向轴线上的温度分布示意图 1－熔池前部 2－熔池尾部