第3章 母材的熔化和焊缝成形

图3-13 间隙和坡口对焊缝成形的影响
图3-14 焊丝倾角对焊缝成形的影响
图3-15 工件倾角对焊缝成形的影响
图3-16 保护气体成分对焊缝成形的影响
3-5 焊缝成形缺陷及其防止
图3-17 未焊透和未熔合
图3-18 烧穿和塌陷
图3-19 焊缝咬边
图3-20 焊瘤
图3-3 对接接头和角接接头焊缝形状和尺寸
3-2 熔池形状与电弧热的关系
一.焊接温度场和熔池特征参数:
图3-4 焊接熔池形状示ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ图
二.焊件比热流与焊接参数的关系
焊件比热流—单位时间内通过单位面积传入焊件的热量
图3-5 正态分布比热流
图3-6 弧长与比热流分布之间的关系
图3-10 电弧电流与比热流分布之间的关系
图3-1 熔池纵向温度分布示意
熔池凝固的特点:
图3-2 熔池结晶过程示意图
1.非均匀形核和联生生长 2.择优长大 3.凝固速度是不断变化的 4.偏向晶和定向晶的形成
二.焊缝形状尺寸 焊缝形状是指焊缝横截面的形状，一般以熔深H，熔宽B和余高a描述。合理 的焊缝横截面形状要求H.B.a具有恰当的比例。通常用焊缝系数和余高系数表 示焊缝成形的特点，焊缝成形系数Ф=B/H，余高系数ψ=B/a。 Ф过小，焊缝截面窄而深易产生气孔和热裂纹。故对裂纹和气孔敏感的材料Ф 值应取大一些。 常用电弧焊方法Ф一般取1.3-2。 堆焊要求宽而浅，Ф可达10左右。 余高过大会引起应力集中，降低承动载能力。 通常对接接头余高a为0~3mm，或使ψ=4-8。 对重要结构，应在焊后除去余高。磨成光滑凹型。 A 熔合比：
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 厚，阻碍着电弧对熔池底部母材的加热，故熔深变小。但电弧却对熔池 前方未熔化的母材预热作用加强，因此熔宽增加，余高减小。且前倾角α 越小，这一影响越明显。 电极后倾时，情况与前倾焊大不相同，其结果是熔深较深，余高较大， 熔宽减小。实际焊接中，手工TIG焊，半自动熔化极气保焊等一般采用 前倾焊。而后倾焊是手工焊条电弧焊采用的方式，倾角α以自然保持6070°为宜。 此外，影响焊缝成形的因素还有许多，如工件厚度、倾斜度及散热条件， 焊剂、焊条药皮成分等。
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。
m
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 能。
二、其它焊接条件的影响： 1．电流种类和极性：主要影响工件的热输入，熔滴过渡等。熔 化极电弧焊一般采用直流反接法，因为熔化极电弧阴极（工件） 产热较大，因而其熔深和熔宽比直流正接的要大。交流电弧焊介 于两者之间。非熔化极电极产热特性与熔化极电弧焊相反 （PA>PK）故正接时熔深较大，反接时较小。除铝、镁及其合金 要求除去表面氧化膜采用交流外，非熔化极电流焊一般采用直流 正接法。 脉冲电流焊接时，在同样的焊接电流和电压平均值条件下，比一 般的电弧焊可获更大的熔深和熔宽。 2．焊丝直径和伸出长度： 在一定范围内，同样的焊接焊接电流，焊丝越细，则焊缝熔深越 大。伸出长Ls↑→Rs↑→熔化量↑→余高a↑。 ρ丝↑，d丝↓Ls↑→这种影响越明显→必须限制焊丝平均电流密 度和焊丝伸出长度。
第3章 母材熔化和焊缝成形
电弧焊时，在电弧热源（电弧产热借助于传导、辐射、电子能量、 极区能量、熔滴等传入母材。电弧焊输入到母材中的热量一般由 Q=ηIUa给出，η为电弧加热母材的热效率，即电弧产生的热量输 入到母材中的比率见表3-1）作用下。焊件上形成的具有一定几何 形状的液态金属部分称为熔池。在熔化极电弧焊中，熔池中还包 括已经熔化了的填充金属。熔池冷却凝固后成为焊缝其成形的好 坏是衡量焊接质量的指标之一。 3-1 熔池和焊缝的形状尺寸 一.焊缝形成过程: 熔化极电弧焊中，母材和填充金属在电弧热的作用下，液态金属被 排向电弧移动的后方，并且在电弧力、本身重力和表面张力的等共 同作用下保持一定的液面差，形成了具有一定形状和尺寸的熔池。 随电弧前移，熔池也随之前移，熔池尾部液态金属的温度逐步降低。 当液态金属温度降到金属的凝固温度时，便冷凝结晶而成为焊缝。
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
3-3 熔池受力及其对焊缝成形的影响
重力、表面张力、焊接电弧力和熔滴冲击力
图3-9 熔池流动与表面张力梯度关系 （dσ/dr＞0）
图3-10 熔池流动与表面张力梯度关系 （dσ/dr＜0）
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