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1、电弧熔化现象电弧熔化现象电弧熔化现象电弧熔化现象本讲稿第一页，共二十九页一、母材熔化热与温度分布一、母材熔化热与温度分布电弧产热借助于传导、辐射、电子能量、极区能量、熔滴、等离子气流等传入母材。电弧焊输入到母材中的热量：QIUa I为焊接电流，Ua为电弧电压，IUa是供给电弧的全部电能。称作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。本讲稿第二页，共二十九页母材中的温度分布根据材料不同而有很大差异。铝合金MIG焊，熔池表面的温度远高于材料的熔点，测量中达到了1600。钢材料熔池金属过热程度较低，温度值比较接近于熔点温度。本讲稿第三页，共二十九页二、二、母材熔化断面形状母材熔化断面
2、形状母材的熔化形态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，同时受电弧对母材的热输入量及电弧燃烧形态、电弧力的影响。在充分大厚板表面进行焊接时，理论上焊缝断面形状是半圆形的，实际焊接中得到的焊缝断面形状是多种多样的，依据焊接条件(弧长、电流、速度)、焊丝直径、熔滴过渡形态等而有显著变化。本讲稿第四页，共二十九页本讲稿第五页，共二十九页单纯熔化型(热传导型熔化)常见于SMAW及TIG焊中 在GMAW中，采用小热输入的短路过渡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，熔化截面呈现半圆形本讲稿第六页，共二十九页中心熔化型电弧正下方产生了很深的熔化
3、产生在细丝大电流焊接中 源于电弧力或等离子气流对熔池的挖掘作用，熔池受到的挖掘力与电流的平方成正比，而与电极直径的平方成反比。熔滴冲击也不可忽略。ParcI 本讲稿第七页，共二十九页周边熔化型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，促进周边区的熔化电弧较长或焊接速度较慢（极端：电弧点焊）时常见原因：熔池中心区与周边区的温度差所造成的表面张力、熔池内部对流产生的电磁力，以及等离子气流的吹力等。本讲稿第八页，共二十九页二、二、焊缝形状尺寸焊缝形状尺寸成形系数=B/H深宽比(Depth to width ratio)余高,以前叫加强高可
4、避免熔池金属凝固收缩时形成缺陷，也可增加焊缝承载能力余高过大将引起应力集中或降低抗疲劳强度本讲稿第九页，共二十九页三、三、焊接参数与工艺对焊缝成形的影响焊接参数与工艺对焊缝成形的影响焊接电流 电弧电压 焊接速度 电流的种类和极性 钨极端部形状、焊丝直径和伸出长度的影响 焊接工艺因素对焊缝尺寸的影响本讲稿第十页，共二十九页焊接电流焊接电流增大时，焊缝的熔深和余高增加，而熔宽略有增加，一定范围内熔深与焊接电流近于成比例关系。原因：电流增大后，作用在工件上的电弧力和热输入均增大，有利于热量向深度方向传导。熔化极焊接中，通常是通过改变送丝速度来改变焊接电流，焊丝供给量增加，并且熔宽增加较少，所以余高增
5、大。电流增大后，弧柱直径增大，会使熔宽增加，但是电弧潜入工件的深度增大，电弧斑点移动范围受到限制，因而熔宽增加量较小，也就是熔宽的增加小于熔深的增加。本讲稿第十一页，共二十九页电弧电压 电弧电压增大后，电弧功率加大，工件热输入有所增大。由于电弧电压的增加是以增加电弧长度实现的，使得电弧热源半径增大，工件热输入能量密度减小，因此熔深略有减小而熔宽增大。由于焊接电流不变，焊丝送进速度和焊丝熔化量没有改变，使得焊缝余高减小。为了得到合适的焊缝成形，在增大焊接电流时，也要适当地提高电弧电压，也可以说电弧电压要根据焊接电流来确定。本讲稿第十二页，共二十九页焊接速度焊速提高时焊接线能量减少，熔宽和熔深都减
6、小，余高也减小。线能量：单位长度从移动热源输入的能量，J/mmH=UI/v因为单位焊缝长度上的焊丝金属熔敷量与焊速v成反比，而熔宽则近似于与v1/2成反比。从提高焊接生产率考虑，在提高焊接速度时要相应提高焊接电流和电弧电压，这三个量是相互联系的。大功率下高速焊接，有可能在工件熔化及凝固中形成焊接缺陷，比如裂纹、咬边等，所以对焊速的提高一般需要加以限制。本讲稿第十三页，共二十九页电流的种类和极性 TIG焊焊接钢、钛等金属时，以钨极接负所形成的焊接熔深最大，钨极接正时的熔深最小，交流居于两者之间。焊接铝、镁及其合金时，考虑到要利用电弧阴极清理作用，以采用交流为好，方波交流由于波形参数的可调性，焊接
7、效果更好。熔化极电弧焊，母材作为阴极时的熔深和熔宽都要大于作阳极的情况，交流焊接居于两者之间。对于GMA焊接，考虑到熔滴过渡的重要性，一般采用直流反接。埋弧焊对电流种类和极性的选择要考虑焊剂的成分，直流焊接时也是采用反接，以获得更大的熔深。本讲稿第十四页，共二十九页钨极端部形状、焊丝直径和伸出长度钨极前端角度和形状对电弧集中性及电弧压力影响较大，通常电弧越为集中、电弧压力越大，所形成的熔深越大，而熔宽相应减小。熔化极电弧焊，电流不变，焊丝越细，电弧加热越为集中，电弧力也越大，熔深增加，熔宽减小。焊丝伸出长度加大时，焊丝电阻热增加，焊丝熔化速度增加，使余高增大而熔深有所减小，这在钢质、细径焊丝中
8、表现最为明显，铝焊丝影响不大。但焊丝伸出长度过大，焊丝熔化稳定性和焊缝成形欠佳。本讲稿第十五页，共二十九页其他工艺因素对焊缝尺寸的影响其他工艺因素对焊缝成形也有影响，如坡口形式、尺寸、间隙的大小，电极与工件间的倾角，接头的空间位置（平焊、立焊、横焊、仰焊、全位置焊接）及焊接方式（对接、角接、搭接、T字接头）等。本讲稿第十六页，共二十九页四、四、熔池金属的流动及驱动力熔池金属的流动及驱动力熔池中的熔融金属不是死水一潭，而是处于不断地流动过程中，在某些情况下，流动还非常剧烈。熔化金属的流动情况及热量流动的不同，造成焊缝断面形状、尺寸有很大差别。等离子气流引起的对流、表面张力流及电磁对流最为重要，浮
9、力流相对可以忽略。电磁对流使熔深加大，而等离子气流的作用及表面张力对流增强，易得到浅而宽的熔池，在小电流下尤其明显。本讲稿第十七页，共二十九页等离子气流作用下产生的熔池金属的对流电弧等离子气流以电弧压力的形式作用于熔池，使熔池的中心区出现凹陷，同时又从熔池的中心区向周边区流动，把熔池表面从中心区从周边区拉伸，对熔池表面金属形成从熔池中心向熔池周边区流动。本讲稿第十八页，共二十九页电磁力引起的电磁对流从电弧进入熔池的电流在电弧正下方有着较高的电流密度，从熔池到母材内部，电流密度是逐渐降低的。电流与其自身产生的磁场之间相互作用而产生了电磁力，该电磁力指向电流发散方向，由此产生了电磁对流。电磁对流的
10、流动方向是向着电流的发散方向即从电弧正下方熔池中心区向熔池底部流动。本讲稿第十九页，共二十九页熔池表面张力差引起的表面张力流流动的方向依赖于液面上的表面张力梯度和分布，是从表面张力低的部分流向表面张力高的部分。焊接情况下，熔池表面存在着从固液界面处的熔点温度到中心高温区的温度差，通常情况下，熔化金属的表面张力依赖于温度值，由此熔池表面的各部位出现了表面张力差。本讲稿第二十页，共二十九页熔化金属密度差引起的浮力流熔池内部的温度是从电弧正下方的高温区向固液界面处的熔点温度变化着的，形成了熔池内部的空间温度场。液态金属是温度越高密度越低，密度低的部分受到浮力的作用向着重力的反方向运动。（平焊可忽略，
11、仰焊时需考虑）本讲稿第二十一页，共二十九页表面张力流与微量元素（简介）表面张力在熔化焊接中起到重要作用。液态金属，当其含有氧、硫等表面活性元素时，虽然含量可能非常少，但表面张力都有大幅度降低。另外，纯金属具有负的表面张力温度系数，表面张力随温度的升高而降低，但当有表面活性元素存在时，表面张力温度系数会变为正值。本讲稿第二十二页，共二十九页五、五、焊缝成形缺陷及形成原因焊缝成形缺陷及形成原因焊接缺陷有多种 内部缺陷和外部缺陷 微观组织缺陷和宏观缺陷气孔、夹渣、裂纹缺陷除于焊接规范和工艺有关外，更主要的是受到焊缝冶金因素和焊接热循环的影响，本课程主要讨论由于工艺性因素导致的焊缝成形方面所表现出的明
12、显缺陷。本讲稿第二十三页，共二十九页未焊透和未熔合未焊透单面焊接时，接头根部未完全焊透的现象未熔合单层焊、多层焊或双面焊时，焊道与母材之间、焊道与焊道之间未能完全结合的部分原因：焊接电流小、焊速过高，或者是坡口尺寸不合适，以及电弧中心线偏离焊缝、电弧产生偏吹等，细丝短路过渡CO2焊接，由于工件热输入量少，容易产生这种缺陷。薄板焊接中，如果夹具对焊件背面的散热程度大，也会出现未焊透，或背面一部分焊透、一部分未焊透的成形不均现象。本讲稿第二十四页，共二十九页焊穿焊穿焊接时熔化金属自焊缝背面流出并脱离焊道形成穿孔的现象原因：焊接电流过大、焊速过小。厚板焊接时，熔池过大，固态金属对熔化金属的表面张力不
13、足以承受熔池重力和电弧力的作用。在薄板焊接时，电弧力过于集中，或者对缝间隙过大。本讲稿第二十五页，共二十九页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。本讲稿第二十六页，共二十九页焊瘤表现形态 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；直接在焊缝上聚集成大金属瘤，多数情况是由于熔滴过渡不稳定造成。本讲稿第二十七页，共二十九页其它成形缺陷大电流MIG焊接当电弧阴极斑点的清理作用消失、阴极斑点进入熔池内部时，电弧力集中到熔池底部，对熔池金属有激烈的搅动作用，将出现类似大象皮肤的不良焊缝，称作起皱焊缝。本讲稿第二十八页，共二十九页缺陷的抑制根据具体情况，可以采取多种办法：使电弧作用区分散开来、减小电弧力、采用粗径焊丝、给焊丝一个前倾角使电弧吹向前方、采用下坡焊等措施，埋弧焊有合适的焊剂层厚度，合适的焊丝伸出长度，二氧化碳电弧焊中采用小电流区下的短路过渡方式，在大电流区采用潜弧方式焊接，以及增加保护效果，稳定熔滴过渡等。本讲稿第二十九页，共二十九页