第四章-母材的熔化与焊缝成形课件

4.1焊接电弧热对母材的作用4.2电弧焊接熔池的形态4.3电弧焊焊缝几何尺寸4.4影响电弧焊焊缝成形的因素4.5电弧焊焊缝成形的控制第4章母材的熔化与焊缝成形4.1焊接电弧热对母材的作用4.1.1焊接热源的作用模式按热源作用方式不同，可将焊接热源当作集中热源、平面分布热源、体积分布热源处理。

焊接电弧的热流是分布在焊件上一定的作用面积内，可以将其作为平面分布热源。4.1.2集中热源

集中热源是把焊接电弧热能看作集中作用在某一点（点热源）、某条线（线热源）或某个面（面热源），是对实际情况的简化描述。对于厚大焊件表面焊接，把热源看成是集中在电弧加热斑点中心的点热源。对于薄板对接焊，把电弧热看作是施加在焊件厚度上的线热源。对于某些杆件对接焊，把电弧热看作是施加在杆件断面上的面热源。4.1.3平面分布热源(1)高斯分布热源焊接电弧把热能传给焊件是通过焊件上一定的作用面积进行的。对于电弧焊来讲，这个面积称为加热斑点，如下图所示。(2)双椭圆分布热源

由于电弧沿焊接方向运动，电弧热流围绕加热斑点中心不对称分布。由于焊接速度的影响，电弧前方的加热区域要比电弧后方的小；加热斑点不是圆形，而是椭圆形，并且电弧前、后的椭圆形状也不相同，如下图所示。4.1.4体积分布热源

熔化极气体保护电弧焊或高能束流焊热源的热流密度不仅作用在焊件表面，也作用于焊件厚度方向，应将焊接热源作为体积分布热源，可用椭球体模式描述。

(1)半椭球体分布热源

(2)双椭球体分布热源实际上电弧沿焊接方向运动，电弧热流是不对称分布的。电弧前方的加热区域要比电弧后方的小；加热区域不是关于电弧中心线对称的单个的半椭球体，而是双半椭球体，并且电弧前、后的半椭球体形状也不相同。作用于焊件上的体积热源分成前、后两部分。半椭球体分布区域示意图双椭球体分布区域示意图4.1.5电弧焊热效率和焊件加热区的热能分布(1)电弧焊的热效率

如果把电弧看成是无感的，则全部电能转为热能时，电弧功率可由下式表示：式中——电弧功率，即电弧在单位时间内所提供的能量；U——电弧电压；I——焊接电流。由于有损失，故用于加热焊件的有效功率为：式中—加热过程的功率有效系数或称热效率。

不同焊接方法的值焊接方法厚皮焊条电弧焊埋弧自动焊电渣焊电子束及激光焊TIGMIG钢铝0.77～0.870.77～0.900.83>0.90.68～0.850.66～0.690.70～0.85（a）厚皮焊条（I=150～250A，U=35V）；（b）埋弧自动焊I=1000A，U=36V，v=36m/n）电弧焊时的热量分布热源把热能传给焊件是通过焊件上一定的加热面积进行的。对于焊接电弧来讲，该面积称为加热斑点。加热斑点又可分为活性斑点区和加热斑点区，如右图所示。

dA—活性斑点直径;dH

—加热斑点直径q(r)—热流密度(2)焊件上加热区的热能分布

①活性斑点

带电质点集中轰击直径为的斑点面积，把电能转为热能。

②加热斑点在直径为的区域内，金属受热是通过弧柱的辐射和电弧周围介质的对流进行。4.1.6电弧热传递的基本方式

（1）热传导热传导是由于温度不同，在导体内存在温差或温度梯度，引起自由电子移动的结果。温差越大，自由电子的移动越激烈。（2）

对流对流是由运动的流体质点发生相对位移而引起热能转移的现象。是利用不同温度的质点密度不同来传热，在流体受热密度变小而上浮的同时，冷的流体就会流过来补充，这样一个周而复始的过程，即所谓对流。

(3)辐射辐射能是物体受热后，内部原子振动而出现的一种电磁波能量传递。一切物体只要其温度高于绝对零度（-273℃），就会从表面放出辐射能。4.2电弧焊接熔池的形态

焊接熔池的几何形状、熔池内流体动力学状态及传热传质过程称为焊接熔池形态。电弧焊接时，熔池中的流体流动主要受以下几种力的驱动：

（1）表面张力梯度表面张力是温度的函数，使流体从表面张力低的部位流向表面张力高的部位。表面张力温度系数对熔池流体流动的影响（2）电磁力电弧焊时，焊接电流从斑点进入熔池后会产生电流线的发散，熔池内部电流同其自身的磁场相互作用就产生了电磁力（洛仑兹力）。（3）浮力浮力是由于熔池中存在温度梯度或成分梯度，从而使液态金属密度发生变化而产生。

（4）电弧等离子流的冲击力电弧等离子流冲向熔池表面时，施加的是冲击力或剪切力。（a）浮力（b）表面张力（c）电磁力（d）冲击力各种力单独作用时造成的熔池流体流动模式（箭头表示流动方向和流速）4.2.1瞬态TIG焊熔池流场和热场的数值分析

（1）TIG焊熔池形态及其热过程的数值分析

下图表示了钨极惰性气体保护电弧焊（TIG）焊接熔池传热的物理作用机制。利用合适的边界条件描述TIG焊接过程，并联立求解能量、动量和质量守恒方程以及描述自由表面变形的方程，从而得到熔池形状尺寸和焊件上的温度分布。TIG焊接熔池传热的物理作用机制（a）熔池上表面（z=0）熔池三维形状和流场随时间的动态演变过程（TIG焊工艺条件A）(2)熔池形状和流场的瞬态演变（b）熔池纵截面（y=0）（c）熔池横断面（x=-1.2mm）（a）上表面（b）下表面熔池上下表面的长度、宽度和熔深随时间的变化图（TIG焊接工艺条件A）(3)熔池表面变形的瞬态演变图4-13不锈钢试件焊接过程中熔池表面变形的瞬态演变（TIG焊接工艺条件B）(a)熔池上、下表面最大变形的演变(b)熔池上表面的变形(c)熔池上表面的变形（横截面）(d)熔池下表面的变形（纵截面）(e)熔池下表面的变形（横截面）(a)熔池上表面最大下榻量Ddmax与宽度W的比值(b)熔池上表面最大下榻量Ddmax与熔池长度的比值不同时刻熔池上表面最大下榻与熔池长度、宽度的比值（TIG焊接工艺条件B）

(4)熄弧后熔池形状及流场的动态演变熄弧后熔池三维形状的瞬态演变（TIG焊接工艺条件C）（a）熔池上表面（b）熔池下表面（c）熔池纵截面（d）熔池横截面（x=0mm）熄弧后熔池尺寸的瞬态变化（4.0s时刻熄弧）（TIG焊接工艺条件C）（a）熔池上表面的形状参数（b）熔池下表面的形状参数(5)TIG焊熔池形态的实验分析熔池轮廓以及处理后得到的形状(a)熔池上表面的图像(b)提取的熔池上表面边缘4.3电弧焊焊缝几何尺寸

通常以熔深H、熔宽B和余高h表示。熔深是指母材熔化的深度，熔宽是指两焊趾之间的距离，焊缝余高是指焊缝截面上两焊趾连线之上的那部分焊缝金属的最大高度。在生产中，通常是以成形系数φ＝B／H和余高系数B／h来表征焊缝的成形特点。对接接头和角接接头的焊缝尺寸

熔合比γ:焊缝横截面中母材金属所占面积比，即

式中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。4.4影响电弧焊焊缝成形的因素

4.4.1焊接参数对焊缝成形的影响

(1)焊接电流随电流的增大焊缝熔深和余高都增加，而熔宽则几乎不变或略有增加。

(2)电弧电压其它条件一定时，电弧电压增大，焊缝熔宽显著增加而熔深和余高略有减小，熔合比稍有增加。

(3)焊接速度其它条件一定，焊接速度提高，熔深、熔宽和余高均减小，而熔合比几乎不变。4.4.2其它工艺因素对焊缝成形的影响(1)电流的种类和极性

MIG焊和SAW直流反接，熔深、熔宽最大。交流焊时，介于两者之间。TIG焊时，直流正接熔深最大，直流反接熔深最小，交流介于两者之间。脉冲焊通过调整脉冲参数，控制焊缝成形尺寸。

(2)钨极端部形状、焊丝直径和伸出长度直径变细，则电流密度大，电磁收缩力大，熔深、余高均增大，而熔宽减小。伸出长度增加，电阻热增加，余高增加，熔深略有减小；钨极端部形状越尖，熔深越大，熔宽减小。

(3)电极倾角电极前倾时，电弧对熔池前部未熔化母材的预热作用加强，熔宽增加，余高减小。对熔池金属的后推作用减弱，不能直接加热熔池底部金属，因而熔深减小。电极后倾时，电弧对熔池金属向与焊接方向相反的方向的推开作用较大，对熔池底部金属加热作用强而对熔池前部未熔化母材的预热作用弱，故熔深较大，余高也较大而熔宽较小。a)前倾b)后倾c)倾角影响电极倾角对焊缝成形的影响(4)焊件倾角

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，因此熔深、余高皆增大，熔宽减小。下坡焊时，由于电弧下方液体金属层较厚，电弧对熔池底部金属直接加热作用减弱，因此熔深与余高减小。此外，电弧不能深入熔池，电弧斑点移动范围扩大，熔宽增大。如果α角过大，则可能产生咬边或未焊透。a)上坡焊b)下坡焊焊件倾角对对焊缝成形的影响(5)坡口和间隙坡口或间隙的尺寸增大时，余高和熔合比显著减小。图4-30坡口和间隙对焊缝成形的影响(6)保护条件

埋弧焊时，焊剂的成分影响电弧的稳定性。稳弧性较差的焊剂，焊缝熔深较大。焊剂的密度小、颗粒度大或堆积高度小时，电弧承受的压力较低，弧柱体积膨胀，电弧斑点飘动范围大，因此熔深较小，熔宽较大，余高减小。熔渣粘度过大或熔点较高，则透气不良，熔池析出的气体不易透过熔渣，在焊缝表面形成许多压坑，焊缝表面成形变差。保护气体成分对焊缝成形的影响(7)焊件材料和厚度

导热性好、比热容大的材料，单位体积金属加热到同样温度所需热量多，因此熔深和熔宽都小。材料的密度或粘度越大，则电弧对熔池金属的