焊接物理 课件 第二章 电弧物理

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。 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。
2) 电弧电流对比热流的影响
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q、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。
(3-5)
a q a q l1 (ln ln l1 ) ln v 2Tm v 2Tm
l2 q 2Tm
(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。
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， 即可求出焊件上任意一点A点的温度解析表达式：
q T (r , x) exp v( x r ) / 2a 2r
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
图3-2熔池结晶过程示意图
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。
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、 空间位臵等许多因素的影响，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。
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。
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33是对接接头和角接接头的焊缝形状和各参数的意 义。
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。
表3-1 各种弧焊方法的热效率η
弧焊方法 焊条电弧焊 埋弧自动焊 CO2气体保护焊 熔化极氩弧焊（MIG） 钨极氩弧焊 0.65～0.85 0.80～0.90 0.75～0.90 0.70～0.80 0.65～0.70 η
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3.2.2 焊接温度场的解析计算
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。
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：
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。 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。
2 2 2 ( 2 2 2 ) a 2 t c x y z
计算焊接温度场时作如下假定： 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。 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=∞。
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。
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。
T是点A的加热温度；是点A到坐标系原点O的
空间距离；是运动坐标系中点A在轴上的坐标；是 点热源的运动速度；
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、熔池 尾部长度、熔池长度、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：
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 下式计算： γ= AM/( AM+ Ah) （3－1）
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)
常规TIG焊
A-TIG焊
碳 钢
不锈钢
铝合金
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。 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。
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 与焊缝的空间位臵有关。水平位臵焊接时，熔池 金属的重力有利于熔池的稳定性。空间位臵焊接 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。
3.3.1. 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 与焊缝的空间位臵有关。水平位臵焊接时，熔池 金属的重力有利于熔池的稳定性。空间位臵焊接 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。
3.2.3 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：
(3-7)
q(r ) qme
kr 2
其中，r是焊件表面加热斑点中任意一点到电 弧轴线的距离；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＝q 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
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。
3.2.1 焊接电弧的热输入功率 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
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。 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。