母材熔化和焊缝成形

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
3.2 熔池形状与焊接电弧热的关系
❖ 3.2.4熔池尺寸与比热流分布的关系 在其他条件一定前提下，比热流值、电弧集中
系数影响熔池的熔深、熔宽规律——教材P.61
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3.2 熔池形状与焊接电弧热的关系
❖ 3.2.1焊接电弧的热输入功率 （1）电弧热损失
电弧产热的一部分热量会通过对流、传导、 辐射等形式散失，所以会存在热效率问题。 电弧热损失包括： a.电弧热辐射和气体对流、传导的热损失； b.传入焊枪和电极等的热损失； c.加热和熔化焊条药皮或焊剂的损失； d.飞溅造成的损失。
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3.1 焊缝形成过程及焊缝形状尺寸
❖ 3.1.1焊缝（weld）形成过程 母材熔化形成熔池(molten pool)／熔池凝固形 成焊缝——熔池形状与焊缝质量有关。
❖ 3.1.2焊缝形状尺寸 （1）焊缝形状参数
H——熔深，B——熔宽，a——余高，教材图3-3 H——最重要的形状参数，直接影响接头承载力； B——同样影响焊缝性能，见下述各参数； a——可避免熔池金属凝固收缩，增加焊缝承载力； 过大引起应力集中，降低抗疲劳强度。
3.3 熔池受力及其对焊缝成形的影响
❖ 3.3.1力对熔池的影响 力作用于熔池，促进液态熔融金属对流，影响熔 池形状，从而影响焊缝形状、尺寸。
❖ 3.3.2熔池中的对流驱动力 （1）等离子流力（动压力）
属于电弧压力的一种形式，从中心向周边作用。
等离子气流
熔池
图3.2 等离子流力引起的对流
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第三章 母材熔化和焊缝成形
重庆理工大学
母材熔化和焊缝成形
3.1 焊缝形成过程及焊缝形状尺寸 3.2 熔池形状与焊接电弧热的关系 3.3 熔池受力及其对焊缝成形的影响 3.4 焊接工艺对焊缝成形的影响 3.5 焊缝成形缺陷及其防止
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3.2 熔池形状与焊接电弧热的关系
（2）焊接电弧的热效率η 电弧功率： Q0=IUa=I(UC+UA+UP) 电弧的有效功率： Q=ηQ0 η——热效率，与焊接方法有关
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
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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
功率
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3.2 熔池形状与焊接电弧热的关系
常用焊接方法的大致热效率如表：
焊接方法 埋弧焊 MIG/MAG/焊条电弧焊 TIG焊 等离子弧焊（熔入型） 等离子弧焊（小孔型）
热效率η/%
90-99 66-85 60-70 60-75 45-65
3.2 熔池形状与焊接电弧热的关系
❖ 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
比热流：单位时间内通过单位面积传入焊件的热 量。
图3.1 不同焊接热流密度分布模型
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3.2 熔池形状与焊接电弧热的关系
（2）比热流分布与电弧参数之间的关系 a.弧长对比热流的影响 弧长变化影响电弧热效率、电弧能量集中程度， 从而影响比热流。教材图3-6。 b.电弧电流对比热流的影响 电弧电流变化影响热输入，从而影响比热流， 教材图3-7。 c.钨极端部角度和直径的影响 教材图3-8
本章提示
❖ 本章重点：①焊缝形状尺寸；②焊接温度场；③ 熔池受力；④焊接工艺对焊缝成形的影响；⑤主 要焊缝成形缺陷。
❖ 本章难点：①焊接工艺对焊缝成形的影响规律； ②熔池上的作用力特别是活性元素对表面张力的 作用规律。
❖ 学习方法建议：①重在理解掌握焊接工艺过程的 内在联系；②结合多方面因素分析焊缝成形的规 律。
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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3.2 熔池形状与焊接电弧热的关系
❖ 3.2.2焊接温度场 （1）焊接温度场的解析计算 （2）焊接熔池的特征参数 （3）实际焊接条件与解析计算的假设条件的差异
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❖ 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。
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3.1 焊缝形成过程及焊缝形状尺寸
（3）余高系数 Ψ=B/a ≥4～8
（4）熔合比
γ= Fm / (Fm+FH) = Am / (Am+AH) Fm——焊缝中的母材量； FH——焊缝中的填充金属(焊丝、焊条)量； Am——母材金属在焊缝横截面中所占面积； AH——填充金属在焊缝横截面中所占面积。 ❖ 对焊接性差的基本金属，γ较小，可预留间隙，或 开坡口，以增大γ。焊接性好的金属γ较大。
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3.3 熔池受力及其对焊缝成形的影响
（2）电磁力（静压力） 熔池内部流动的电流产生的电磁力。 该力指向电流发散的方向，促进熔池对流，
即电弧正下方熔池中心向熔池底部流动。 影响熔池轮廓。
电磁力
电流
熔池
图3.3 电磁力引起的对流
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