第二章 电弧焊熔化现象

B H
3
B 余高系数： a
，太小，易形成应力集中，太 大，易形成缺陷，一般在4～8。
4
熔合比：

FM FM FH
（五） 熔池形状对焊缝的影响
1 2 3 对焊缝形状的影响 对化学成分的影响。 对焊缝结晶过程的影响：
二
熔池金属的对流和对流驱动力
现
熔池内部存在着液态金属的流动，对焊接区域的热输送 象及所形成的焊缝形状尺寸有很大影响。 1 熔池金属的对流驱动力 1） 等离子气流作用力：从熔池的中心区向周边区流动。 2） 表面张力：温度越高越小，从高温区向低温区流动。
原因：主要是由于填充金属量过多引起的，坡口尺寸过小、焊 速过慢、电压过低、焊丝偏离焊缝中心及焊丝伸出长度过长
在各种焊接位置中，平焊时产生焊瘤的可能性最小，
而立焊、横焊、仰焊则易产生焊瘤。
5. 焊穿及塌陷 焊缝上形成穿孔的现象。 焊穿:
塌陷: 熔化的金属从焊缝背面漏出，使焊缝正面下凹背面凸起 的现象。
第二章 电弧焊熔化现象
要求：
（1）掌握焊丝熔化的热源、熔滴过渡种类、出现条件及特点；等熔化特性曲线及
原因；熔滴上作用力及其与电弧形态、焊接位置等之间的关系。
（2）掌握焊缝的形状尺寸参数及其影响工艺因素，掌握焊接缺陷的种类，了解其 影响因素；
重点：
（1）射流过渡、短路过渡、亚射流过渡等熔滴过渡形式特点及出现的条件； （2）等熔化特性曲线及原因 （3）焊缝形状尺寸参数与焊接工艺参数之间的关系
原因:
主要是电流过大、焊速过小或坡口间隙过大等。
在气体保护电弧焊时，气体流量过大也可能导致焊穿。 通常情况下，平焊易获得良好的焊缝成形。
2.2 焊丝熔化与熔滴过渡
一 焊丝的熔化与熔化速度
1
焊丝的熔化热
熔化焊丝的热源是电弧热和电阻热。 熔化极电弧焊：焊丝的熔化主要靠阴极区(正接)或阳极区(反 接)所产生的热量及焊丝伸出长度上的电阻热，弧柱区 产生的热量对焊丝的加热熔化作用较小。
上坡焊时：熔池金属在重力及电弧力的作用下流向熔 池尾部，电弧正下方液体金属层变薄，电弧对熔池底部金 属的加热作用增强，因而熔深和余高均增大，熔宽减小， 3 结构因数
焊件的结构因数通常指工件的材料和厚度、工件的坡 口和间隙等。在一定条件下，工件的结构因数也会对焊缝 成形造成影响。 1）工件材料和厚度
导热性好熔深和熔宽就小；工件材料的密度或液态粘度越 大，熔深越浅；工件厚度越大散热越多，熔深和熔宽越小。
2
焊丝的熔化速度与比熔化量
1） 比熔化量：又常称为熔化系数。
单位时间熔化金属保有的热量：Qm I (C T f H ) J 熔化系数：单位时间单位电流熔化的金属重量；C为金 属比热；T f 为熔滴的平均温度；H 为潜热；J 为功当量。
单位时间焊丝熔化的总 热量：Pm I (U m I Re ) U m：电弧熔化热的等效电 压；Re：焊丝杆伸长等效电阻 。
难点：
主要熔滴过渡形式特点及出现的条件；等熔化特性曲线及原因
2.1 母材熔化与焊缝成形
焊缝质量的评定标准：
1）焊缝成形； 2） 组织性能； 3) 力学性能
一 母材熔化特征和焊缝的形状尺寸
（一） １ ２ 母材的熔化热与温度分布 熔化极(70%～80%)比非熔化极(50%～70%)热效率高 埋弧焊热效率高
形缺陷。
四 焊缝成形缺陷及形成原因 1 焊缝外形尺寸不符合要求 问题：焊缝表面高低不平、焊缝波纹不均匀、纵向宽度不均匀、 蛇行焊道、表面缩孔、大电流MIG焊接的起皱现象等。 后果：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。 原因：工件所开坡口角度不当、装配间隙不均匀、焊接参数选 择不合适及操作人员技术不熟练 . 2．咬边 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(也称咬肉) 原因：当采用大电流高速焊接或焊角焊缝时一次焊接的焊脚过 大，电压过高或焊枪角度不当，都可能产生咬边现象
图c：周边熔化型，电流密度较大，弧长较长时。（电弧斑点 漂动，过热金属流向四周） （四） 焊缝形状尺寸及特征参数
B a a H B FM
FH
1 熔深H：影响接头的承载能力。
2 成形系数：
影响气体析出、熔池的结晶方向、 焊缝中心偏析的严重程度。等离子为1，一般焊接方法大于 1，电子束焊小于1。

常 见 焊 接 缺 陷
气孔
咬边
层间未熔合
夹渣
焊瘤
未熔合
焊接位置专业术语
名称
1G 2G
3G
4G 5G
6G位置焊接
焊接位置 平焊 横焊 立焊 仰焊 管道水平焊 管道45°固定焊
6G
3．未焊透和未熔合 未焊透：熔焊时，焊接接头根部未熔透的现象。
未熔合：焊道与母材之间、焊道与焊道之间未能完全熔化结 合的现象。
３
短弧比长弧热效率高
温度分布:熔池中心温度高(远高于材料熔点)。
q 0.24IU
（二） １ ２
熔池所受的力
电弧对熔池的作用力：电磁静压力和电磁动态压力。 熔池中的其它作用力 ２） 电磁力
１）液态金属的重力；
３）表面张力：取决于液态金属的成分与温度
a. 表面张力阻止熔池金属的流动。 b. 表面张力影响液态金属润湿性。 c. 表面张力内外差造成液态金属 的流动，影响焊缝尺寸。
表面张力是促进熔滴过渡还是阻止过渡应针 对不同的焊接方法、不同的熔滴过渡形式 来分析，如短路过渡后期，表面张力是促进
Fa θ RD θ R Fσ
容滴过渡的，特别是对于现在的STT电源，
实现无飞溅过渡更是如此。
3
熔化速度的影响因素
１） 焊接电流：直线关系（低碳钢等）；非直线关系 （不锈钢：电阻率大，电阻热作用明显）。 ２） 焊丝材料（电阻率）、干伸长（正比）及直径（反 比）。 ３） 电弧电压：
AB段：下降的压降主要在弧柱上， 不影响熔化。熔化速度主要 取决于电流。 BC段：电压降低，电流减小。
U
A 熔化特性曲线
（一）熔滴上的作用力
1
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
2
表面张力Fσ 此处的表面张力Fσ 是指焊丝端头上保持熔滴的 作用力。
Fσ ＝2π Rσ 式中 ： R——焊丝半径；σ ——表面张力系数。
2）坡口和间隙
采用对接形式焊接薄板时不需留间隙，也不需开坡口； 板厚较大时，为了焊透工件需留一定间隙或开坡口，此时 余高和熔合比随坡口或间隙尺寸的增大而减小，因此，焊 接时常采用开坡口来控制余高和熔合比。
总之，影响焊缝成形的因素很多，想获得良好的焊缝 成形，需根据工件的材料和厚度、焊缝的空间位置、接头 形式、工作条件、对接头性能和焊缝尺寸要求等，选择合 适的焊接方法和焊接工艺参数；否则就可能造成焊缝的成
1．焊接参数的影响 焊接电流、电弧电压、焊接速度。焊接参数决定焊缝输 入的能量，是影响焊缝成形的主要工艺参数。
H
B a I 图a 电流增加 a 图b 电压增加 H U B
B
H a Vw 图c 焊速增加
焊接电流是影响熔深的主要参数；电弧电压是影响熔宽的主 要参数。
1）焊接电流的影响要注意：
（1）对于改变送丝速度调整焊接电流的焊接设备，在焊 接电流增加时送丝速度也增加，而熔宽增加少，因此 余高增加。 （2）电流增加，弧柱直径增加，熔宽增加，但电弧潜入 工件深度增加，电弧斑点受到限制，熔宽增加少。 2）电弧电压的影响注意：在增加电流的同时要增加电弧 电压，以保证合适的焊缝成形。
非熔化极电弧焊(如钨极氩弧焊或等离子弧焊)：填充焊丝主
要靠弧柱区产生的热量熔化。 1）电弧热：阴极区的产热功率为： PC＝IUC - IUW + IUT
阳极区的产热功率：PA＝IUA + IUw + IUT
电弧焊时，当弧柱温度为6000K左右时，UT小于1V；当电 流密度较大时，UA近似为零，故上两式可简化为： PC＝I(UC—UW)； PA＝IUW 在细丝熔化极气体保护电弧焊、使用含有CaF2焊剂的埋弧 焊和使用碱性焊条电弧焊等情况下，当采用同样大小的 电流焊接同一种材料时，焊丝作为阴极时的产热量比作 为阳极时的产热量多，在散热条件相同时，焊丝作阴极 比作阳极时熔化速度快。(提高焊丝熔化速度的方法) 2）电阻热 熔化极电弧焊时，焊丝通电点与电弧端点之间的焊丝 长度称为干伸长：ls）。 焊丝伸出部分有电流流过时所 产生的电阻热对焊丝有预热作用。 CO2气体保护焊时， ls是焊丝直径的10～ 12倍。
中心表面张力小
中心表面张力大
（三）
母材的熔化断面形状
图a
图b
图c
图 a：单纯熔化型，电流密度小，弧长短时；电磁力小，热传 导起主要作用。焊条电弧焊、TIG焊。 图b：中心熔化型，电流密度相当大。电磁静、动压力对熔池 的挖掘作用，底部暴露。 对于MIG焊、CO2焊接的熔池形状见P61图2.4：图 a： MIG 焊；图b：CO2焊接较大电流；图c：CO2焊接潜弧焊。
焊丝熔化的总热量与熔化金属保有的热量相等，则 比熔化量M R(熔化系数 )为： (U m I Re ) MR (C T f H ) J
2）焊丝熔化速度与电流之间的关系表达式:
焊丝的熔化速Baidu Nhomakorabea f 为：
f I Le I 2
、 为比例常数。
注意：当焊丝的干伸长电阻对加热有较大作用时，从上式 可知：熔化速度与焊接电流为非线性关系。
后果：未焊透和未熔合处易产生应力集中，使接头力学性能 下降 原因：焊接电流过小、焊速过高、坡口尺寸不合适及焊丝偏 离焊缝中心，或受磁偏吹影响等；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 焊透和未熔合。 4．焊瘤 焊瘤：熔焊时，熔化的金属流到焊缝以外未熔化的母材上而
形成金属瘤的现象
三
焊接参数与工艺的影响
通常将对焊接质量影响较大的工艺参数(焊接电流、
电弧电压、焊接速度、线能量等)称为焊接参数。其它工 艺参数(焊丝直径、电流种类与极性、电极和工件倾角、 保护气等) 称为工艺因数（或工艺条件）。此外，工件的
结构因数（坡口形状、间隙、工件厚度等）也会对焊缝成
形造成一定的影响。注意与教材上的不一致，上述更合理。
3） 熔池内部的电流产生的电磁力：指向电流发散方向。
4）熔化金属密度差引起的浮力流。 2 表面张力流与微量元素的影响 1）液态金属的表面张力 （1） 表面张力随温度的增加而降低。
（2） 大多数液态金属，当其含有氧、硫等表面活性元素 时，表面张力会大幅度降低。 注意：当有表面活性元素存在时，表面张力的温度系数会 变为正值。见P65图2.11。 2） 微量元素对熔池现象的影响（自学）
增加，熔深、余高均减小；电极前倾：情况刚好相反。
焊条电弧焊和半自动气体保护焊时，通常采用电极后倾法，倾 角α ＝65°～80°之间较合适。
焊丝或焊条 Vw α 后倾
4）工件倾角： 下坡焊时：重力作用阻止熔池金属流向熔池尾部，电 弧下方液态金属变厚，电弧对熔池底部金属的加热作用减 弱，熔深减小，余高和熔宽增大。
B
C I
原因：电弧短，热量损失少；熔滴加热温度低，带走能 量少，从而熔化系数高。 C以下：短路时间增加，能量输入少，从而熔化系数减小。 固有自调节作用：BC段，电弧本身有恢复原来弧长的能力。
４）
极性：一般正接比反接熔化速度大。
二
熔滴上的作用力与熔滴过渡分类 熔滴上的作用力可分为重力、表面张力、电弧力、 熔滴爆破力和电弧气体的吹力等。
注意：微量元素会对熔深、熔宽有影响，当采用规范参数 不变时，可通过调整微量元素来改变熔深。
3） 焊接熔池表面张力流的研究（自学） 注意：微量元素会对熔深的影响原因是 引起表面张力的正温度系数变化。氧、
硫使熔深增加的原因如右图：
3
等离子流及电磁对流对熔化现象的影响 等离子流使熔池表面金属产生向着周边的流动。 电磁对流使熔池表面金属产生向着熔池中心的流动。
3）焊接速度是评价焊接生产率高低的一项重要指标，但 焊接速度的提高会产生缺陷：裂纹及咬边。
2. 工艺因数的影响
1) 电流种类和极性 ：熔化极气体保护焊和埋弧焊采用直流 反接时，熔深、熔宽都比直流正接大；交流焊接时，熔深、
熔宽介于直流正接与直流反接之间。
在钨极氩弧焊或酸性焊条电弧焊中，直流反接熔深 小；直流正接熔深大；交流焊接介于上述两者之间。 2）焊丝直径和伸出长度 3）电极倾角：电极后倾（倾斜方向与焊接方向同向）：熔宽