母材熔化与熔池形态
材料成型方法与设备 第三章 母材的熔化和焊缝成型
3.1 焊缝和熔池的形状尺寸和焊缝成型
一 焊缝形状尺寸及其对焊缝质量的影响 1 焊缝的几 何参数
一般接 头形式如 图3—1。
几个主要尺寸是熔深H、熔宽B、余高a、成型系数Ø 、 熔合
比γ 。
其中
Ø=B/H
Fm γ= ———
FH+Fm 2 几何形状尺寸对焊缝质量的影响
①成型系数。
Ø越小，表示焊缝窄而深，从提高热效率和减小热影响区恶化角度 看是有利的，但不要过小容易出现裂纹和气孔。
第三章 母材的熔化和焊缝成型
一 本章重点
1 熔池形状尺寸及焊缝成型
焊缝的几何形状尺寸参数B、H、a、Ø、 γ对焊缝质量的影响.母材 的熔化,熔池的形成及特点。
2 焊缝成型的影响因素及常见成型缺陷
要求掌握影响规律及产生这种规律的原因。了解常见成型缺陷的特 点及产生原因。
3 了解力对熔池的作用，尤其空间位置焊接的情况。 二 学时 4学时
电弧焊接过程中，母材金属 和填充金属在电弧的直接作用下 被强烈加热﹑熔化而混合在一起， 同时电弧正下方的熔池中的液体 金属在电弧力的作用下被排向熔 池尾部，并在电弧力﹑本身重力 和表面张力等共同作用下保持有 一定的液面差,形成了具有一定形 状和尺寸的熔池，如图3—2所示。
熔池的特点
1）运动情况下结晶液体金属是在流动受搅拌的情况下结晶的。 2）焊接过程是一个急热、急冷的过程。 3）熔池的结晶是柱状晶。 4）纵向上是细小的层状结晶，外观具有明显的鱼鳞纹。
其中η为热效率
工件热输入 电弧热功率-电弧热损失总和
η=————— = ——————————————
电弧热功率
电弧热功率
电弧热损失包括:
1)用于加热电极和焊条头等的热损失。
母材的熔化和焊缝成形
第三章 母材的熔化和焊缝成形
影响因素:焊接方法;焊件的坡口形式;焊接参 数. 重要性:在焊接中碳钢,合金钢和有色金属时易 产生裂纹,力学性能降低,可通过改变熔合比的 大小来调整焊缝的化学成分.控制冶金反应， 降低裂纹的敏感性和提高焊缝的力学性能.
是焊接热输入功率；
η是电弧加热工件的热效率； U是电弧电压；
I是焊接电流。 1焦耳=0.24卡
第三章 母材的熔化和焊缝成形
用交流电焊接时热输入公式计算：
P＝ 0.24ηKUI
交流电焊接时,考虑到波形的非正弦性,乘以系数 K,K=0.7-0.9;
第三章 母材的熔化和焊缝成形
表3-1 各种弧焊方法的热效率η 弧焊方法
第三章 母材的熔化和焊缝成形
2.焊接熔池的特征参数
可以根据式（3-4）计算出熔池前部长度L1、 熔池尾部长度L2。
L1在x轴上，计算L1时取L1 =r；计算L2长度时取L2 =-r。T=Tm,通过计算，得到表达式如下：
l1
a v
(ln
p
2 Tm
ln l1)
a v
ln
p
2 Tm
式中，Tm是被l2 焊2材pT料m 的熔化温度。
第三章 母材的熔化和焊缝成形
3.2.3 焊件比热流与焊接参数的关系
实际上电弧不是点热源，可以近似认为热量以正态分布 规律，通过分布半径为r的圆面积输入工件。
• 焊件的比热流分布
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； （3）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； （4）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。
第三章母材熔化与焊缝成形
第三章 母材熔化和焊缝成形熔化焊时，被焊金属（母材）和填充金属在热源作用下熔融在一起，并形成具有一定几何形状的液体金属叫熔池，冷却凝固后则称谓焊缝。
焊缝成形的好坏是衡量焊接质量的主要指标之一。
本章将讨论在电弧热和力作用下母材的熔化、熔池和焊缝的形成、对接接头焊缝成形的基本规律及对焊缝成形的控制。
第一节 焊缝和熔池的形状及尺寸焊接接头的形式很多，不同的接头形式其焊缝形状亦有所不同。
一、 焊缝形状尺寸及其影响焊缝的形状通常是指熔化焊缝区横截、熔宽面和余高来表的形状，一般以熔深H 、熔宽B 和余高a 来表示，如图3-1所示。
其中熔深是对接接头焊缝最重要的尺寸，它直接影响到接头的承载能力。
熔宽和余高则应与熔深具有恰当的比例，因而采用焊缝成形系数(/)B H φφ=和余高系数(/)B a ψψ=来表征焊缝的成形特点。
焊缝成形系数φ的大小影响到熔池中气体逸出的难易、熔池的结晶方向、焊缝中心偏析的严重程度等。
φ的大小要受到焊接方法及材料对焊缝产生裂纹和气孔的敏感性，即熔池合理冶金条件的制约。
一般而言，对于裂纹和气孔敏感的材料，其焊缝的φ值应取大一些。
此外，φ值的大小还受到电弧功率密度的限制。
对于常用的电弧焊方法，焊缝的φ值一般取1.3～2 。
堆焊时为了保证堆焊层材料的成分和高的生产率，要求熔深浅，焊缝宽度大，此时φ值可达10左右。
焊缝余高可避免熔池金属凝固收缩时形成缺陷，也可增加焊缝截面，提高结构承受静载荷能力。
但余高太大将引起应力集中，从而降低承受动载荷能力，因此要限制余高的尺寸。
通常对接接头的余高应控制在3mm 以下，或者余高系数ψ大于4～8。
对重要的承受动载荷的结构，焊后应将余高去除。
理想的角焊缝表面最好是凹形的（图3-1），对对于重要结构，可在焊后除去余高，磨成凹形。
焊缝的熔深、熔宽和余高确定后，基本确定了焊缝横截面的轮廓。
焊缝准确的横截面形状及面积可由焊缝断面的粗晶腐蚀确定，从而可确定母材金属在焊缝中所占的比例，即焊缝的熔合比。
母材的熔化与焊缝成形
（四）工件上的比热流 1、基本概念 (1) 比热流：通过单位面积输入至工件的热功率。
q(r) qm e kr2
式中：q(r)—离中心距离为r的某点的比热流； qm—中心处的比热流； k—电弧集中系数。
由 q q(r)ds 可推热源传递给工件的热量是通过一定的面积进行的，该
FH
Fm Fm
B a
H Fm
FH
B
a
Fm
H
FH
B
Fm
H
3、 = B/H ，被称为焊缝成形系数。意义：
1) 影响气孔敏感性 2) 影响结晶方向 3) 影响中心偏析
大时较有利，一般应大于1.25
4、余高a：一般规定：a=03mm或B/a>48 1) 防止因疑固收缩而造成的缺陷 2) 增大承受静载的能力 3) 造成应力集中 4) 疲劳寿命下降 5、熔合比：母材金属在焊缝中的含量
TIG焊： dw qm、H w qm 、B变化不大
(六)坡口、间隙
1、用于增大H，调整熔合比，改善结晶条件。 2、坡口、间隙越大，a↓↓。
(七)电极倾角
1、前倾：电弧下液态金属厚，电弧潜入深度小， 所以H↓B↑a↓。
2、后倾：相反。
(八)工件倾角
1、下坡焊：重力阻止液金后排，电弧潜入深度减小， H↓a↓B↑易于导致满溢，未焊透等。
面积叫加热斑点。加热斑点内的每一点处的比热流是不 相同的。 q(r)在加热斑点内呈正态分布，即：
q(r) 0.05qm 式中 r 为加热斑点的半径:
r 3
r
k
qm
0.005qm
2、电弧参数对比热流的影响 1) Ua： Ua增大，r↑ k↓ qm↓ 2) Ia： Ia增大， r稍有增大，k下降，q增大，qm增大。 3) 钨极尖角及直径： dw增大或w增大，qm减小。
电弧焊熔化现象2 第7次详解
影响焊丝熔化速度的因素
－－－熔滴过渡形式
铝
结论： 以喷射过渡和粗滴过渡临界点处 的临界电流为分界线，熔化特性 曲线的斜率发生变化。在熔滴呈 细小颗粒的喷射过渡区，熔化特 性曲线的倾斜率较大，也就是比 熔化量减小。
原因： 喷射过渡区中从焊丝前端脱落的 熔滴其平均温度高于粗滴过渡区 的熔滴平均温度，熔化同量的焊 丝需要更多的热量输人。
伸区的电流产生的电阻热。
铝焊丝和钢焊丝的电阻率哪 个大？
焊丝的熔化与熔化速度
评价焊丝熔化特性的参数 ? 比熔化量：单位时间．单位电流下的脱落金属
量，称作焊丝的比熔化量MR[单位mg／(A.s)] 比熔化量与电流无关 用于评价同一材料不同直径的焊丝的熔化特性 ? 焊丝熔化速度 焊接参数: 送丝速度
焊接过程稳定的前提下， 焊丝熔化速度＝比熔化量x电流
5. 试分析常见焊缝成形缺陷的产生原因及防止措施。
干伸长与焊丝熔化速度的关系从 直线－曲线的原因？
预热 熔化
注意：
铝焊丝－－电阻产热的效果不显著，常忽略干伸 长区的电流产生的电阻热 钢焊丝－－电阻产热的影响非常大，必须考虑
熔化速度与电流关系 －－不锈钢焊丝与铝焊丝
正比 比熔化量定值
铝焊丝：比熔化量与焊丝直径无关，几乎为定值 不锈钢：非正比 ，比熔化量是变值
影响焊丝熔化速度的因素
比熔化量在弧长 8mm下发生变化
等熔化速度曲线
结论： 1. 电流增加，焊丝送进速度
增加 2. 短路过渡－亚射流过渡－
喷射过渡，功率增大，熔 滴从加热不充分－－加热 充分。 3. 在亚射流区，比熔化量增 大，由于弧长缩短，熔滴 的平均温度降低。 4. 滴状过渡－喷射过渡，由 于电流增加，温度增加， 熔滴表面张力增加
焊接方法与设备——第三章 母材熔化和焊缝成形
讨论：
1）不含O、S等表面活性物质
d 0
dr
表面：从中心向四周流 中心：从下至上 熔池浅而宽。 2）含O、S、Bi 正好与前面相反
§3-3 焊缝形状参数及工艺因素对它的影响
一）、焊缝形状参数及其与焊缝质量的关系 基本参数有：H、B、a 1、熔深H：Hweld=Hpool，直接影响承载能力
2、熔宽B：Bweld=Bpool
5、熔合比：母材金属在焊缝中的含量
FM FM FH
调整熔合比可调整焊缝化学成分，改善性能。 一般通过开坡口来实现。
二）、影响焊缝形状尺寸的因素 （一）焊接电流Ia
Ia增大，H增大，a增大，B基本不变 1、 Ia↑ Fa↑→热源下移→H↑
q= IU↑ → H↑ H=km I 2、 Ia增大，电弧分布半径 增大但潜入工件深度大，限 制r有效增大，B基本不变。减小。 3、 Ia↑，焊丝熔化量增加，B不变， a↑
FP及FC
电弧力
细熔滴的冲击力
二、影响熔池对流的力
1、TIG焊时的等离子流力 等离子流挺度较小，碰到熔池后，沿着熔池向外走。
因此： 表面：从中心向四周流 中心：从下至上 熔池浅而宽。
2、浮力
中心：从下至上 熔池浅而宽。
1、电磁力
熔池上形成斑点时，电流进入熔池后发散，形成向下的推力 ，导致涡流换热。增大熔深
（二）电弧电压 Ua↑ q增加不多， r增大，qm减小，因此，B、增大，H、a 减小。 通常，Ia选定后，Ua也基本上定下来了。总是根据板厚选Ia ，再由Ia选定Ua。
（三）焊接速度
将q/w 定义为线能量，即单位长度的焊缝上 输入的热量。
w增大时，ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ/w减小，H、B、a等均减小
铜陵学院焊接原理第一章3母材熔化及焊缝成形
二、焊接条件对焊缝成形的影响
（4）电流种类和极性： 熔化极电弧焊直流反接法的熔深和熔宽要
比直流正接的要大（产热？） 熔化极电弧焊交流电弧焊介于上述两者之
间 非熔化极电弧焊，正接时熔深较大，反接
时较小 （产热？）
16
二、焊接条件对焊缝成形的影响
（5）焊丝直径与伸出长度： 在一定的范围内，同样的焊接电流，焊丝
焊缝余高
5
2．熔池及焊缝的描述
➢ 焊缝形状系数Φ：Φ＝ B/H
➢ 焊缝余高系数ψ：ψ= B/a
➢ 熔合比γ:
焊缝中母材金属所占的面积与焊缝总
面积的比值为熔合比γ＝Am/（Am +AH）
6
2．熔池及焊缝的描述
设计时Φ、ψ、γ必须在合理的范围内，否 则容易造成缺陷
➢ 裂纹、气孔夹渣， Φ=1.3~2
堆焊时 Φ－10
➢ 应力集中, a<3mm
➢ 焊缝成分与性能与母材相差大
7
2．熔池及焊缝的描述
但是焊缝成形缺陷总是难以避免：
8
2．熔池及焊缝的描述
9
2．熔池及焊缝的描述
10
2．熔池及焊缝的描述
11
2．熔池及焊缝的描述
12
二、焊接条件对焊缝成形的影响
（1）电流：
随着焊接电流的增大，熔深成比 例增加、熔宽略有增加，余高增 加，成形系数及余高系数减小。
18
二、焊接条件对焊缝成形的影响
（7）间隙和坡口：间隙和坡口尺寸越大，余 高越小。
19
二、焊接条件对焊缝成形的影响
（8）电极的倾角：
20
二、焊接条件对焊缝成形的影响
（9）工件位置及焊接位置：
21
二、焊接条件对焊缝成形的影响
母材熔化与焊缝成型
第2章电弧焊熔化现象母材熔化特征和焊缝形状尺寸熔池金属的对流和对流驱动力焊接参数与工艺的影响焊缝成形缺陷及形成原因2.1 母材熔化与焊缝成形1. 母材熔化特征和焊缝形状尺寸1）母材的熔化热与温度分布熔池温度测量示例（铝）（MIG, I=390~430A, v ＝26cm/min, Ua=39~41V ）电弧产热借助于传导、辐射、电子能量、熔滴、等离子气流等传入母材。
aU I Q ⋅⋅=ηTIG热效率达50～70％。
气体保护焊熔滴过渡把热量带给母材，达70～80％熔池内部以靠近热源处的温度较高，随着与热源距离的增加而单调减小。
钢材料熔池金属过热度较低，温度值比较接近熔点。
对于钢的熔池，熔化金属产生的热输送的影响较大。
钢材料熔池温度测量示例(a) GTA, Ar, t=6mm, I=250A, v=9.3cm/min; (b) GTA, Ar, t=3mm, I=145A, v=11.2cm/min2）母材的熔化断面形状在电弧热作用下，母材的熔化形态基本上由母材的热物理参数（比热、热传导率等）、母材的形状、焊接速度等决定，并受到电弧对母材的热输入量及电弧燃烧形态的影响。
母材熔化形态分类①单纯熔化型单纯熔化型与从热传导理论计算得到的形状接近，呈现半圆形。
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，能够产生热传导型熔化。
②中心熔化型是指与周围区域相比，电弧正下方产生了很深的熔化。
产生在细径焊丝大电流焊接中。
其原因是电弧力或等离子气流对熔池的挖掘作用。
③周边熔化型是指周边区的熔化比中心区深。
熔池内金属向外侧流动，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。
对于气体保护熔化极电弧焊接，其母材熔化的形状多数场合呈现中心熔化型，根据保护气体种类及电弧长度等因素的不同。
熔化形态差别很大。
阴极斑点的形成与熔池形状a) 惰性气体保护下MIG焊母材熔化形态。
焊丝作为阳极，熔滴以喷射状过渡，焊丝的前端被削成很尖锐形状。
第七讲 母材的熔化及熔池、熔合比
第七讲母材的熔化及熔池、熔合比教学目的：掌握熔池的概念、主要尺寸及焊接参数的变化对熔池主要尺寸的影响。
了解焊缝金属的熔合比的概念。
教学重点：熔池的概念、主要尺寸及焊接参数对熔池影响。
教学难点：熔池的概念、主要尺寸及焊接参数对熔池影响。
教学方法：讲述法课时分配：2课时教学内容：一、母材的熔化与熔池1、熔池：由熔化的焊条金属和熔化的母材组成具有一定几何形状的液体金属部分。
（如右图）熔焊时，在热源作用下焊条熔化的同时母材也局部熔化。
在不填加金属时，熔池则仅由熔化的母材组成。
2、熔池的主要尺寸：熔池长度L，最大宽度B max与最大深度H max。
熔宽：焊缝的宽度B max。
熔深：焊缝的深度H max。
一般情况下，增加焊接电流，H max增加，B max减小；增加电弧电压，B max增加，H max减小。
熔池长度L与电弧能量成正比。
3、熔池的温度分布及热过程熔池的温度分布是很不均匀，在电弧下面的温度最高，在其边缘是固液交界处，温度为被焊金属的熔点。
在电弧运动方向的前方（即熔池头部）输入的热量大于散失的热量，温度不断升高，母材随热源运动不断熔化。
而熔池尾部输入热量小于输出热量，温度不断下降，熔池边缘不断凝固而形成焊缝。
（一般取熔池的平均温度）二、焊缝金属的熔合比1、概念：熔焊时，熔化的母材在焊缝金属所占的百分比叫做熔合比，以符号θ表示θ=G m/G m+G H=A m/A H+A m (表示焊缝截面的熔透情况)当焊缝金属中的合金元素主要来自于焊芯时，局部熔化的母材将对焊缝成分起稀释作用。
因此又称为稀释率，即熔合比越大，母材的稀释作用越严重。
熔合比的大小与焊接方法、焊接参数、接头形式、坡口形式及焊道层数等因素有关。
当焊接电流增加时，熔合比增大；电弧电压或焊接速度增加，熔合比减小。
在多层焊时，随着焊道层数的增加，熔合比逐渐下降。
三、作业1、教材第144页第6题2、什么是熔合比？影响熔合比的因素有哪些？怎样影响？。
母材熔化与焊缝成形
母材熔化与焊缝成形母材熔化, 焊缝成形母材熔化与焊缝成形电弧焊过程中，熔化焊丝与母材的焊接热源不断地移动，使得不同位置的焊缝所受的热循环作用不同，焊缝成形特点和规律也不同。
本节主要介绍对接接头单道焊缝的成形规律与影响因素、缺陷的形成原因及其改善措施。
一、焊缝形成过程在电弧热的作用下焊丝与母材被熔化，在焊件上形成一个具有一定形状和尺寸的液态熔池。
随着电弧的移动熔池前端的焊件不断被熔化进入熔池中，熔池后部则不断冷却结晶形成焊缝。
熔池的形状不仅决定了焊缝的形状，而且对焊缝的组织、力学性能和焊接质量有重要的影响。
接头的形式和空间位置不同，则重力和表面张力对熔池的作用也不同；焊接工艺方法和焊接参数不同，则熔池的体积和熔池的长度等都不同。
平焊位置时熔池处于最稳定的位置，容易得到成形良好的焊缝。
在生产中常采用焊接翻转机或焊接变位机等装置来回转或倾斜焊件，使接头处于水平或船形位置进行焊接。
在空间位置焊接时，由于重力的作用有使熔池金属下淌的趋势，因此要限制熔池的尺寸或采取特殊措施控制焊缝的成形。
例如采用强迫成形装置来控制焊缝的成形，在气电立焊和电渣焊时皆采用这种措施。
二、焊缝形状与焊缝质量的关系焊缝的形状即是指焊件熔化区横截面的形状，它可用焊缝有效厚度s、焊缝宽度ｃ和余高ｈ三个参数来描述。
图1-30所示为对接和角接接头的焊缝形状以及各参数的意义。
合理的焊缝形状要求s、ｃ和ｈ之间有适当的比例，生产中常用焊接成形系数φ=ｃ／Ｓ和余高系数ψ＝ｃ／ｈ来表征焊缝成形的特点。
焊缝厚度是焊缝质量优劣的主要指标，焊缝宽度和余高则应与焊缝厚度有合理的比例。
焊缝成形系数φ小，表示焊缝深而窄，既可缩小焊缝宽度方向的无效加热范围，又可提高热效率和减小热影响区，因而从热利用的角度来看是十分有利的。
若想得到焊缝成形系数小的焊缝就必须有热量集中的热源，获得较高的能量密度。
但若φ过小，焊缝截面过窄，则不利于气体从熔池中逸出，容易在焊缝中产生气孔，且使结晶条件恶化，增大产生夹渣和裂纹的倾向。
焊条熔化及熔池形成优秀课件
熔滴上的作用力：
• 1. 重力 • 2. 表面张力 • 3. 电磁力 • 4. 摩擦力
重力
重力对熔滴过渡的影响依焊接位置的不同而不同。 平焊时，熔滴上的重力促使熔滴过渡；而在立焊及仰焊位 置则阻碍熔滴过渡。
FG＝mg＝(4／3)πRD³ρg
稳定性是指焊接持续稳定、 飞溅大小、成形等方面 a. 电流上升率； b. 短路最大电流IMax c. 空载电压恢复速度； d. 短路频率：越大越稳定。
４）影响短路频率的因素： a. 电弧电压：有一个最佳值；b. 送丝速度：有一个最佳值。 c. 电感：增加，频率降低，但可增加燃弧时间，调节热输入。 ５） 特点 a. 短路过渡是燃弧、熄弧交替进行的。 b. 短路过渡时，焊接过程中的平均电流较小，而短路电流峰值又
相当大，这种电流形式既可避免薄板的焊穿，又可保证熔滴过 渡的顺利进行，有利于薄板焊接或全位置焊接。 c. 短路过渡时，一般使用小直径的焊丝或焊条，电流密度较大， 电弧产热集中，焊丝或焊条熔化速度快，因而焊接速度快。同 时，短路过渡的电弧弧长较短，焊件加热区较小，可减小焊接 接头热影响区宽度和焊接变形量，提高焊接接头质量 d. 小电流、低电压、细焊丝，二氧化碳细丝焊。
３ 渣壁过渡（附壁过渡）
定义：渣壁过渡是熔滴沿着熔渣的壁面流入熔池的一种过渡形式。
出现的焊接方法：埋弧焊和焊条电弧焊。
埋弧焊时，电弧在熔渣形成的空腔(气泡)内燃烧，熔滴主要通过 渣壁流入熔池，只有极少数熔滴通过空腔内的电弧空间进入熔池。 埋弧焊的熔滴过渡频率及熔滴尺寸与极性、电弧电压和焊接电流有 关。直流反接时：熔滴较细，沿渣壁以小滴状过渡，频率较高；直流正接
近年来，随着逆变技术特别是数字技术在焊接设备上的应用 逐渐推广，已经可以对熔滴过渡进行快速、精确的实时控制， 情况发生了很大的变化，在熔化极气体保护焊中出现了如表面 张力过渡（STT）、冷金属过渡（CMT）和双脉冲（double pulse、super pulse）过渡等新的熔滴过渡技术。
焊接熔池的形成
焊接熔池的形成
熔池：焊接时，在母材上由熔化的焊条金属和局部熔化的母材组成只有一定几何形状的液态金属叫熔池。
※熔池的形状、尺寸、体积、温度和存在时间以及液态金属的流动状态，对熔池中的治金反应、结晶方向、晶体结构、夹杂物的数量及分布，以至焊接缺陷（气孔和结晶裂纹）的产生均有极其重要的影响。
1、熔池的形状及尺寸
※熔池的形成需要一定的时间，这段时间叫过渡的时期。
经过过渡时期以后就进入准过渡时期，这时熔池的形状、尺寸和质量不再变化，只取决于母材的种类和焊接工艺条件，并随着热源作同步运动，形状类似于椭圆形，其轮廓为温度等于母材的熔点的等温面。
电流I↑最大深度Hmax↑最大宽度Bmax↓（相对↓）随着电弧电压υ↑最大深度Hmax↓最大宽度Bmax↑
熔池的温度：熔池内的温度分布是不均匀的。
取决于被焊材料的性质和周围材料的散热条件，头部温度较高，尾部较低。
对于碳钢熔池的平均温度约为1770±100℃
4、熔池中流体的运动状态
熔池的强烈运动使得焊材金属和母材均匀混合，冶金反应得以顺利进行，运动原因如下：
（1）液体中的密度差产生自由对流运动
熔池各部分的温度不同，T↑P（密度）↓；T↓P↑P大→P小——低温流向高温（2）表面张力引起强迫对流运动
T↑表面张力↓；T↓表面张力↑—低温流向高温
（3）熔池中的各种作用力作用产生的搅拌作用作用于熔池
如：熔滴下落的重力、电磁力、气流吹力、金属（熔池）蒸发时产生的反作用力、粒子的冲击力。
电弧焊基础第二章电弧焊熔化现象
? 余高过大将引起应力集中或降低抗疲劳强度 ? 熔合比γ ： γ=Fm/ （Fm+F H）
? 坡口和熔池形状改变时， γ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 γ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。
3、影响焊丝熔化速度的因素
①焊接电流
3、影响焊丝熔化速度的因素
②焊丝干伸长（电阻热）
3、影响焊丝熔化速度的因素
③气体介质及焊丝极性
3、影响焊丝熔化速度的因素
④熔滴过渡形态
3、影响焊丝熔化速度的因素
⑤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。
（2）电压对焊缝尺寸 的影响
H、B、a 0
B H a
U
（3）焊速对焊缝尺寸的影响
H、B、a
B
H
a
a
0
υw
（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
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 熔池重力作用的结果；
第三章母材熔化和焊缝成形汇总
T 图3.6 纯液态金属中的表面张力变化
重庆工学院 材料科学与工程学院 罗怡 本科专业必修课 材料连接方法与工艺
3.3 熔池受力及其对焊缝成形的影响
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3.1 焊缝形成过程及焊缝形状尺寸
（2）成形系数φ φ=B/H（宽深比）——深宽比H/B 普通电弧焊φ =1.3～2.0 高能密度焊φ <1 堆焊φ ≈10 φ 的大小的意义：影响熔池中气体逸出的难易， 熔池的结晶方向，成份偏析，裂纹倾向等 Φ 的大小受焊接方法及材料的冶金条件的制约， 如材料的裂纹倾向、气孔敏感性等。
温度T TB < TC γ B<γ C B C B
熔池
图3.8 表面张力流对熔池形状的影响示意图
作业：根据图3.8简述表面张力对熔池 形状的影响。
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3.4 焊接工艺对焊缝成形的影响
3.4.1焊接参数对焊缝成形的影响 （1）焊接电流 I a. I增大 Q增加（Q=ηIU）； 电弧力F增大（电磁力、等离子流力增 大）。 ——H增加 b.I增大 焊丝熔速vm增大 ——a增加 c.I增大 弧柱直径略增大； 工件上斑点区缩小。
3.3 熔池受力及其对焊缝成形的影响
（3）表面张力 熔池金属各处成分、温度不均匀，引起各处 表面张力大小不同，因此沿表面形成表面张力梯 度dσ/dr。
表面张力
熔池
图3.4 表面张力引起的对流
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第3章 母材的熔化和焊缝成形
熔合比：
Am
Am AH
母材金属在焊缝中所占比例，可用母材金属在焊缝中所占的面积Am与焊缝的 总面积（Am+AH）之比即熔合比γ来表示： 其中AH为填充金属在焊缝截面中 所占面积（图3-3），可见，坡口和熔池形状改变时，熔合比γ都将发生变化。
通过改变熔合比，可以调整焊缝化学成分，降低裂纹倾向和提高焊缝力学性
3-4 焊接参数和工艺因素对焊缝成形的影响
一、电流、电压及焊速的影响
焊接电流、电弧电压和焊接速度是决定焊缝尺寸的主要工艺参数，它们对焊缝形 状的影响规律如下： 1．焊接电流：焊接电流是影响熔深的主要因素。 随焊接电流增大、熔深近于成比例增加（热输入、电弧力增大、热源下移），熔 宽略有增加（电弧截面增加，但潜入深度增加限制斑点移动范围），余高增加 （焊丝熔化量增加），结果使成形系数及余高系数均减小。（见表3-2 熔深系数） 2．电弧电压：电弧电压是影响焊缝熔宽的主要因素。 在其它条件不变时，随着电弧电压增大，焊缝熔宽显著增加（弧长增加，工件上 比热流分布半径增大），熔深和余高略有减小（焊丝熔化量不变，熔宽增加则a.H 减小） 3．焊接速度：焊接速度对焊缝形状和尺寸都有明显的影响。 焊速提高，焊接线能量IUa/vw减小，熔深和熔宽都显著减小。为保证合理的焊缝 尺寸同时又有高的焊接生产率，在提高焊速的同时，应相应提高焊接电流和电弧 电压，并使其保持在稳定的匹配工件范围内。
3．保护气氛和熔滴过渡形式： 保护气体对焊缝成形的影响：
CO2焊大电流细滴过渡，焊缝熔滴较大，底部呈圆弧状；短路过渡焊缝形 状与其类似只是熔深要浅得多。
纯氩保护射流过渡的焊缝中部深陷。通常加入少量的CO2，O2，He等可 使熔深形状得到改善。
4．间隙和坡口：开坡口、留间隙可控制焊缝的余高和调整熔合比。（坡 口尺寸↑→H↑a、γ↓） 5．电极（焊丝）的倾角：电极相对工件倾斜有前倾和后倾两种，习惯的 意义是指电极轴线与上表面之间的夹角α。电极前倾时，电极指向未焊方 向，电弧力使熔池金属向后排出的作用减弱，熔池底部的液体金属层变
母材熔化和焊缝成形
3 母材熔化焊缝成形
• 3. 2 电弧和熔池形状的关系
1，电弧热输入对熔地形状尺寸的影响 焊接熔池的计算： 将T=Tm、x=-R和x=R分别代入式(3-1), 得到熔池后部长度l2和前部长度l1:
P l2 = 2Tm
a P l1 = (ln -ln l1 ) v 2Tm a P ln v 2Tm
3 母材熔化焊缝成形
• 3. 4 焊缝成形的控制
1，平面内直缝的焊接 立焊和横焊
3 母材熔化焊缝成形
• 3. 4 焊缝成形的控制
2，环缝的焊接
3 母材熔化焊缝成形
• 3. 4 焊缝成形的控制
3，引弧、收弧和成形控制 焊接过程的引弧控制
3 母材熔化焊缝成形
• 3. 4 焊缝成形的控制
3，引弧、收弧和成形控制 焊接过程的引弧控制
3 母材熔化焊缝成形
• 3. 1焊缝和熔池的形状及尺寸
1，焊缝形状尺寸及其影响 • 焊缝成形系数：
B = H
焊缝余高系数：
B = a
3 母材熔化焊缝成形
• 3. 1焊缝和熔池的形状及尺寸
1，焊缝形状尺寸及其彤响 • 焊缝成形系数：
B = H
焊缝余高系数：
B = a
3 母材熔化焊缝成形
• 3. 2 电弧和熔池形状的关系
3 母材熔化焊缝成形
1，电弧热输入对熔地形状尺寸的影响 焊接熔池的计算： 不同的P和v值时熔池尺寸的计算值
3 母材熔化焊缝成形
• 3. 2 电弧和熔池形状的关系
1，电弧热输入对熔地形状尺寸的影响 工件上的比热流分布及对熔池尺寸的影响
q( r )=qm e qm = k
2，力对熔地形状尺寸的影响
3 母材熔化焊缝成形
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3．未熔透与未熔合
▪ 概念：焊接接头根部未 熔透称为未焊透；在焊 道与母材之间、焊道与 焊道之间未能完全熔化 结合的部分称为未融 合。
▪影响：未熔透与未熔合常伴有夹渣，同时易引起应力 集中，这些都使捍接接头的力学性能降低。
▪ 产生原因：焊接电流太小、焊速过快、坡口尺寸不合 理、焊枪未对准焊缝中心或磁犏吹使电孤煸离焊缝中 心等。焊件清理不良，杂质阻碍母材边缘与根部之间 以及焊层之间的熔合，也易引起未焊透。
第三节 母材熔化与熔池形态
一、熔池的形成
▪ 熔池：焊接热源作用在焊件上所形成的具有一定几何形状的液态 金属部分就是熔池。
▪ 熔池是由熔化的焊条金属与局部熔化的母材金属所组成的。 ▪ 若用非熔化极进行焊接时，熔池仅由局部熔化的母材所组成。
二、熔池形状和尺寸 ：半椭球体
1.宽度、深度和长度
◆焊接电流的增加，熔池的最大深度Hmax增大； 熔池的最大宽度Bmax相对减小；
▪ 熔池中液体金属发生强烈运动，使熔池 中热量和质量传输过程得以进行。
1 运动方向： 熔化的母材由熔池前部，沿结晶前沿的弯 曲表面向熔池的后部运动；
熔池的表面上，液态金属由熔池的后部向 中心运动。
2 运动作用： a) 使母材和焊条金属充分混合，形成成分
均匀的焊缝金属。
b) 有利于气体和非金属夹杂物外逸，加速 冶金反应，消除焊接缺陷(如气孔)，提 高焊接质量。
二、焊缝形状尺寸
焊缝形状一般指焊缝截面形状，以熔深H、熔宽B和余高h表示。 熔深是指母材熔化的深度，熔宽是指两焊趾之间的距离，焊缝余高
是指焊缝截面上两焊趾连线之上的那部分焊缝金属的最大高度。
焊缝成形系数 =B/H 余高系数B/h
三、焊缝金属的熔合比
表征缝截面形状特征参数，局部熔化的母材在焊缝金属中 所占的百分比叫做熔合比
◆随电弧电压升高，Hmax减小，Bmax增加。 ◆熔池的长度与电弧能量成正比，近似估算：L=P2q=P2UI
▪ 2 熔池的质量和存在时间 ▪ 熔池的质量很小：手工电弧焊时，0.6-16g，多数情况下为5g以下；
自动理弧焊时，熔池的质量较大，但通常也小于100g。 ▪ 熔池存在的时间很短，一般只有几秒至几十秒。 ▪ 熔池中冶金反应时间是很短暂的，但比熔滴阶段存在的时间长。
6．焊穿及塌陷
▪ 概念：在焊缝上形成穿 孔，称为焊穿。若液体 金属从焊缝背面漏出凝 成疙瘩，正面下陷，称 为塌陷 。
▪ 影响：焊穿和塌陷均严重破坏焊缝成形，是不 允许存在的焊接缺陷。
▪ 产生原因：电流过大、焊速过慢及坡口间隙过大 等都可能造成上述缺陷。气体保护焊时，保护 气体流量过大也是形成焊穿的原因之一。
为获得良好的焊缝成形，必须根据焊件的材料和厚度、接头形 式、焊缝的空间位置以及工作条件对接头性能及焊缝的尺寸要 求等合理地选择焊件方法和焊接参数。
五、焊缝成形缺陷及产生原因
1．焊缝尺寸不符合要求
▪ 影响：表面高低不平、
波形粗劣、宽度不均匀， 除造成焊缝成形不美观外， 还影响焊缝与母材金属的 结合强度。余高过高，则 易形成应力集中；余高太 低，则不能得到足够的接 头强度。
4．焊瘤 ▪ 概念：焊接时，熔化
金属流到焊缝以外 未熔化的母材上形 成金属瘤的现象叫 焊瘤，也称满溢 。
▪ 影响：焊瘤部位往往还存在夹渣与未熔透。
▪ 产生原因：主要原因是填充金属量过多，如焊丝 伸出长度过长、坡口过小、焊速太慢、电弧电 压过低、焊丝未对准焊缝等均可能产生焊瘤。
5．弧坑
▪ 概念：焊焊缝收尾处熔 池冷却收缩形成的下陷 现象称为弧坑 。
(3)焊接速度 当其他条件一定，焊接速度提高时，单位长 度焊缝上的热输入及焊丝金属的熔敷量均减小，熔深、 熔宽和余高均会减小，而熔合比几乎不变。从提高焊接 生产率来考虑，焊速越快越好。但要保证合理的焊缝尺 寸，必须在提高焊速的同时，相应地提高焊接电流和电 弧电压。
▪ 2．工艺因素的影响 (1)电流的种类和极性 (2)钨极端部形状、焊丝直径和伸出长度 (3)电极倾角 (4)焊件倾角 (5)坡口和间隙 (6)保护条件 (7)焊件材料和厚度
熔池最大存在时间（熔池长度决定）：
tmax
L v
三、熔池的温度
▪ 熔池各处的温度不均匀。 ▪ 熔池前部，母材就不断地熔化 ▪ 熔池中部电弧下面熔池的表面
具有最高的温度。 ▪ 熔池后部的温度逐渐降低。 ▪ 低碳钢熔池的平均温度约为
1770±100 ℃。
熔池的温度分布 1-中部 2-前部 3-后部
四、熔池中金属的流动
▪ 影响：弧坑可减少焊接接头的有效工作截面，并易产 生弧坑裂纹。
▪ 产生原因：熄弧过快，填充金属不足及熄弧时电流过 大等。
▪ 防止措施：焊条电弧焊的收弧过程中注意使焊枪在收 尾处作短时间停留．渐渐拉开电弧。使填充金属填满 熔池。焊接薄件时，电流不宜过大。在埋弧焊收尾时 应分两步“停止”，不可一下突然熄弧。另外，若在 焊接设备上设置电流衰减装置
图1-5 TIG焊 钛合金时熔池 中金属的流向
第四节 焊缝成形
一、焊缝形成过程
电弧焊中，母材金属和焊丝金属受电弧热作用被 熔化——熔滴过渡——形成熔池——先后结晶形成焊 缝，直至焊接过程结束。
因熔池中各部分与电弧热源中心距离不同及周围散热 条件不同等原因使熔池的温度分布不均匀，这种不均 匀决定了熔池的凝固有先后之分。处于电弧正下方的 熔池前部温度高，而离电弧稍远的尾部温度低。
Am
AH Am
四、焊接参数和工艺因素对焊缝成形的影响
1. 焊接参数的影响
(1)焊接电流 电流增大，焊缝熔深和余高都增加，而熔宽 则几乎不变或略有增加。焊缝成形系数因熔深增大而碱 小，熔合比也有所增加。
(2)电弧电压 电弧电压即电弧长度增大，焊缝熔宽显著增 加而熔深和余高略有减小，熔合比稍有增加。
▪ 原因：由焊件坡口角
度不当、装配间隙不均匀 或焊接参数不当等因素所
致。
2．咬边
▪ 概念：电弧将焊缝边缘熔化后，没有得到填充金属的补 充而留下缺口的现象叫咬边。
▪ 影响：减弱了焊件的有效截面，使焊接接头强度降低； 造成应力集中，焊缝承载后可能在咬边处产生裂纹。
▪ 产生原因：大电流高速焊接时，焊缝两侧熔化不良，可 能产生咬边。横焊及角焊缝焊接时，如果一次焊接的焊 脚过大、电压过高或焊枪角度不当，也可能造成咬边。