母材熔化和焊缝成形

第三章母材熔化和焊缝成形母材熔化和焊缝成形焊缝形成过程及焊缝形状尺寸3.1熔池形状与焊接电弧热的关系3.2熔池受力及其对焊缝成形的影响3.3焊接工艺对焊缝成形的影响3.43.5焊缝成形缺陷及其防止.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外表张力的作用规律。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。.3.1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(moltenpool)／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3-3H——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——可防止熔池金属凝固收缩，增加焊缝承载力；过大引起应力集中，降低抗疲劳强度。.3.1焊缝形成过程及焊缝形状尺寸〔2〕成形系数φφ=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≈10φ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。.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。对焊接性差的根本金属，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。.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局部热量会通过对流、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。.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=ηQ0η——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〕/电弧热功率.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：焊接方法热效率η/%埋弧焊90-99MIG/MAG/焊条电弧焊66-85TIG焊60-70等离子弧焊（熔入型）60-75等离子弧焊（小孔型）45-65.3.2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.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.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.弧长比照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.电弧电流比照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3-8.3.2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.61.3.3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.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。电流电磁力熔池图3.3电磁力引起的对流.3.3熔池受力及其对焊缝成形的影响〔3〕外表张力熔池金属各处成分、温度不均匀，引起各处外表张力大小不同，因此沿外表形成外表张力梯度dσ/dr。表面张力熔池图3.4外表张力引起的对流.3.3熔池受力及其对焊缝成形的影响〔4〕浮力熔池内部温度差引起了不同区域熔化金属的密度差，因此产生浮力对流。方向：熔池底部向熔池外表，熔池底部固液界面为相对低温区，熔池外表为相对高温区。浮力熔池图3.5浮力引起的对流.3.3熔池受力及其对焊缝成形的影响〔5〕细熔滴冲击力熔滴射流过渡时较为显著。〔6〕熔池金属重力全位置焊接或立焊、仰焊时。3.3.3外表张力流的影响〔1〕液态金属外表张力a.纯金属Tσ图3.6纯液态金属中的外表张力变化.3.3熔池受力及其对焊缝成形的影响b.含有外表活性元素〔O、S等〕〔2〕微量元素对熔池现象的影响〔3〕焊接熔池外表张力流对熔池形状的影响Tσ图3.7外表活性元素对外表张力的影响.3.3熔池受力及其对焊缝成形的影响温度T

温度T

γγTB<TC

γB>γC

TB<TC

γB<γC

BBCCBB熔池

熔池

图3.8外表张力流对熔池形状的影响示意图作业：根据图3.8简述外表张力对熔池形状的影响。.3.4焊接工艺对焊缝成形的影响3.4.1焊接参数对焊缝成形的影响〔1〕焊接电流Ia.I增大Q增加〔Q=ηIU〕；电弧力F增大〔电磁力、等离子流力增大〕。——H增加b.I增大焊丝熔速vm增大——a增加c.I增大弧柱直径略增大；工件上斑点区缩小。.3.4焊接工艺对焊缝成形的影响

——B增加较小

所以，I增大——H增加，a增加，B略增。IBHaHBa图3.9焊接电流对焊缝成形的影响.3.4焊接工艺对焊缝成形的影响〔2〕电弧电压Ua.U增大那么弧长增加，加热面积增大——B增加b.U增大弧长增加，那么散热增大，η减小——H减小c.U增大弧长增加，过渡金属量变化不大，而熔敷面积S增大——a减小所以，U增大——B增加，H减小，a减小.3.4焊接工艺对焊缝成形的影响〔3〕焊接速度vv增大线能量q〔q=ηUI/v〕减小——B减小，H减小，a略有减小。I、U、v相互关联，U、I过大，组织过热；v增加，提高生产率，v过大，易形成缺陷。IBHaHBa图3.10电弧电压对焊缝成形的影响.3.4焊接工艺对焊缝成形的影响3.4.2其他工艺因素的影响〔1〕电流种类和极性a.TIG方法焊接钢、Ti等材料H：直流正接>交流>直流反接∵正接时，阳极〔焊件〕析出的热量较大；焊接Al、Mg合金材料，考虑阴极清理作用，采用交流；焊接薄件，直流反接。b.熔化极电弧焊H、B：直流反接>交流>直流正接.3.4焊接工艺对焊缝成形的影响∵直流正接时，焊丝为阴极，熔化率较大，使焊缝余高较大，焊缝成形不良；另外，斑点力较大，阻止熔滴过渡，∴采用反接。脉冲焊时，脉冲I、脉冲U比平均值高，在同样U、I平均值下，可获得更大H、B，规律相同。〔2〕电极直径〔ds〕a.不熔化极：形状影响电弧集中性、电弧压力b.熔化极：如果ds减小j增大，那么电弧力F增大，——H增加；弧柱半径减小，那么加热面积减小——B减小；.3.4焊接工艺对焊缝成形的影响H增大，B减小，而ds减小，使熔敷量减小，——a减小。〔3〕焊丝伸出长度〔干伸长ls〕ls增大，电阻R增加，焊丝熔化速度增大，那么熔敷量正大，——a增大，而B、H变化不大。〔4〕焊丝或电极倾角a.前倾——H减小，B增大，a减小α焊接方向.3.4焊接工艺对焊缝成形的影响

由于电弧力后排熔池金属的作用减弱，熔池底部金属增厚，熔深减小，而电弧对前方的母材的预热作用加强，故熔宽增大，前倾角α越大，这一作用越明显。b.后倾

——H增大，B减小，a增大α焊接方向.3.4焊接工艺对焊缝成形的影响〔5〕工件倾角〔一般采用上坡焊〕a.上坡焊β≤6°～12°——H增大，B减小，a增大∵液体金属的重力有助于熔池金属排向熔池底部。如β>6°～12°，a过大，焊缝两侧易产生咬边，成形恶化。β焊接方向.3.4焊接工艺对焊缝成形的影响b.下坡焊β≤6°～8°——H减小，a减小，B增大，改善成形。如β继续增大，易产生熔深缺乏、焊瘤β焊接方向.3.4焊接工艺对焊缝成形的影响〔6〕保护气体保护气体成分不同，使热导率等热物特性不同，影响了电弧区导电导热特性和电弧力作用，从而影响焊缝成形。教材图3-16。〔7〕其他坡口形状、坡口尺寸、间隙大小、接头位置等。.3.5焊缝成形缺陷及其防止焊接缺陷有多种，如内部缺陷和外部缺陷、微观组织缺陷和宏观缺陷等，这里主要讨论焊缝成形缺陷。3.5.1未焊透、未熔合定义：未焊透、未熔合、熔合不良。P.68产生原因：焊接电流小、焊接速度过高、坡口尺寸不适宜、电弧中心线偏离焊缝、电弧产生磁偏吹。例如：细丝短路过渡CO2焊接，对工件热输入较少，易产生这类缺陷。防止措施：P.68.3.5焊缝成形缺陷及其防止3.5.2焊穿、塌陷定义：P.68产生原因：焊接电流过大、焊接速度过小。防止措施：选择适宜的焊接工艺；加垫板。3.5.3咬边定义：P.68产生原因：多是由于焊接速度过快，润湿性不好的熔融金属没有及时填充到熔化了的母材局部区域。防止措施：选择适宜的焊接速度、焊接电流、电弧电压。.3.5焊缝成形缺陷及其防止3.5.4焊