《电弧焊与电渣焊》第3章 母材的熔化和焊缝成形
第三章连接成形介绍
电弧产生的原理
一般情况下，气体是不导电的，要使两极间能够连 续地放电，必须使两极间的气体电离，连续不断地产 生带电粒子（电子、正负离子），同时，在两极间应 有足够的电压，带电粒子在电场的作用下向两极做定 向运动，即形成导电体并通过很大的电流，产生强烈 的电弧放电。 这也是产生电弧的条件。
焊接电弧所使用的电源称为弧焊电源。
酸性焊条：药皮熔渣中酸性氧化物（如SiO2、TiO2、Fe2O3）比碱
3．焊条的牌号与型号
（1）型号：国家标准中规定的焊条代号。
（2）牌号： 焊条牌号是焊条行业标准中规定的焊条代号。 其表示方法为：以大写拼音字母或汉字表示焊条的类别，后面跟三位数字，前两位表 示焊缝金属的性能，如强度、化学成分、工作温度等；第三位数字表示焊条药皮的类 型和焊接电源。
第三章 连接成形
第三章 连接成形
（三）改善焊接接头组织和性能的措施
(1)选材：尽量选择低碳且硫、磷含量低的钢材作为焊接结构材料。 (2)适当控制冷却速度：使热影响区尽量缩小。对于低碳钢，采用细焊丝
、小电流、高焊速，可提高接头韧度，减轻接头脆化；对于易淬硬钢，在
不出现硬脆马氏体的前提下适当提高冷却速度，可以细化晶粒，有利于改 善接头性能。
第三章 连接成形
扬州大学机械工程学院
杨树和
第三章 连接成形
一、基本内容
§3.1 §3.2 §3.3 §3.4 §3.5
电弧焊 其它连接方法 常用金属材料的焊接 焊接件的结构工艺性 胶接
二、重点 1、焊接接头及热影响区的组织与性能的变化；焊接应力与变形产生的原因、规 律和预防方法； 2、常用金属的焊接性能及其应采用的； 3、焊接结构设计的工艺性。 三、难点 1、接头组织形成的机理； 2、焊接应力、变形的客观规律及防止措施，焊接方法的选用 。
第三章母材熔化和焊缝成形汇总
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磁力引起的对流
重庆工学院 材料科学与工程学院 罗怡 本科专业必修课 材料连接方法与工艺
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3.1 焊缝形成过程及焊缝形状尺寸
（2）成形系数φ φ=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 ≈10 φ 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。
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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。 对焊接性差的基本金属，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。
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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 埋弧焊 MIG/MAG/焊条电弧焊 TIG焊 等离子弧焊（熔入型） 等离子弧焊（小孔型） 热效率η /% 90-99 66-85 60-70 60-75 45-65
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第三章母材熔化与焊缝成形
第三章 母材熔化和焊缝成形熔化焊时，被焊金属（母材）和填充金属在热源作用下熔融在一起，并形成具有一定几何形状的液体金属叫熔池，冷却凝固后则称谓焊缝。
焊缝成形的好坏是衡量焊接质量的主要指标之一。
本章将讨论在电弧热和力作用下母材的熔化、熔池和焊缝的形成、对接接头焊缝成形的基本规律及对焊缝成形的控制。
第一节 焊缝和熔池的形状及尺寸焊接接头的形式很多，不同的接头形式其焊缝形状亦有所不同。
一、 焊缝形状尺寸及其影响焊缝的形状通常是指熔化焊缝区横截、熔宽面和余高来表的形状，一般以熔深H 、熔宽B 和余高a 来表示，如图3-1所示。
其中熔深是对接接头焊缝最重要的尺寸，它直接影响到接头的承载能力。
熔宽和余高则应与熔深具有恰当的比例，因而采用焊缝成形系数(/)B H φφ=和余高系数(/)B a ψψ=来表征焊缝的成形特点。
焊缝成形系数φ的大小影响到熔池中气体逸出的难易、熔池的结晶方向、焊缝中心偏析的严重程度等。
φ的大小要受到焊接方法及材料对焊缝产生裂纹和气孔的敏感性，即熔池合理冶金条件的制约。
一般而言，对于裂纹和气孔敏感的材料，其焊缝的φ值应取大一些。
此外，φ值的大小还受到电弧功率密度的限制。
对于常用的电弧焊方法，焊缝的φ值一般取1.3～2 。
堆焊时为了保证堆焊层材料的成分和高的生产率，要求熔深浅，焊缝宽度大，此时φ值可达10左右。
焊缝余高可避免熔池金属凝固收缩时形成缺陷，也可增加焊缝截面，提高结构承受静载荷能力。
但余高太大将引起应力集中，从而降低承受动载荷能力，因此要限制余高的尺寸。
通常对接接头的余高应控制在3mm 以下，或者余高系数ψ大于4～8。
对重要的承受动载荷的结构，焊后应将余高去除。
理想的角焊缝表面最好是凹形的（图3-1），对对于重要结构，可在焊后除去余高，磨成凹形。
焊缝的熔深、熔宽和余高确定后，基本确定了焊缝横截面的轮廓。
焊缝准确的横截面形状及面积可由焊缝断面的粗晶腐蚀确定，从而可确定母材金属在焊缝中所占的比例，即焊缝的熔合比。
焊接方法及设备思考题
“焊接方法及设备”思考题第一章焊接电弧1、焊接电弧的物理本质是什么?它具有什么特点?电弧的本质是气体放电，是气体放电的一种表现形态。
特点：电压最低、电流最大、温度2、电弧中带电粒子的产生的方式主要有哪些?1）中性粒子电离2）阴极电子发射3、气体的电离电压、材料的电子逸出电压与电弧稳定性之间有什么关系?电离电压越低，越容易引弧，稳弧性好逸出功越小，引弧越容易，稳弧性能越好4、热阴极（如TIG焊）电子产生的主要方式是什么？冷阴极（如MIG焊）电子产生的主要方式是什么？热：热发射冷：场致发射光发射粒子碰撞发射5、常用的引弧方式有哪些？常用的电弧焊方法各采用什么方式引弧？1、接触引弧焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊2、非接触引弧钨极氩弧焊，等离子弧焊6、焊接电弧由哪几部分构成？其电弧电压的表达式是什么？由阴极区、阳极区和弧柱区三部组成。
电弧电压：Ua=Uc+Uk+UA弧柱电压Uc 阳极电压UA阴极电压Uk7、简述阴极区和阳极区的导电机构阴极区：电子流阳极区：A+8 阴极斑点和阳极斑点各有何特点阴极斑点电流密度大，温度高跳跃性和粘着性存在斑点力自动寻找氧化膜—阴极清理作用（或阴极雾化作用），对铝、镁合金的焊接非常重要。
阳极斑点阳极斑点则有避开氧化膜而去自动寻找纯金属表面的倾向。
产生阳极斑点力，但该斑点力小于阴极斑点力。
9、最小电压原理的含义是什么？在电流和周围条件一定时，处于稳定燃烧状态的电弧，其电弧导电半径（r）或温度（T）应使弧柱的电场强度（E）具有最小值。
也就是说，电弧具有保持最小能量消耗的特性。
10、电弧所受的力有哪些？电磁收缩力、等离子流力、斑点压力、短路爆破力11、什么是焊接电弧的静特性和动特性？焊接电弧静特性在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧时，焊接电流与电弧电压的关系。
焊接电弧的动特性弧长一定时，当焊接电流发生连续快速变化时，电弧电压与电流瞬时值之间的关系。
反映电弧导电性能对电流变化的响应能力。
3母材熔化与焊缝成形
式中：A——物体的吸收率，A＝QA／Q0； R——物体的反射率，R＝QR／Q0； D——物体的穿透率，D＝QD／Q0。
图3.7 辐射能的分配
A、R、D的大小与物体的温度、表面情况、性质及射线的波长 等有关。 如果A＝1，则R＝D＝0，说明落在物体上的全部辐射能都被 该物体所吸收，这类物体叫作绝对黑体。 如果 R＝ l，则 A＝ D＝0，即所有落在物体上的辐射能，完全 被该物体反射出来。一种是正常反射，称为镜体；另一种是乱 反射，则称为绝对白体。对于介于黑体与白体之间的物体，一 律称为灰体。 如果D＝1，则A＝R＝0，即所有落在物体上的辐射能，完全 透过该物体，这一类物体称为绝对透明体或透热体。 在自然界中并不存在绝对的黑体、白体和透明体。该处的黑体、 白体、透明体，不是对可见光而言，而是对热辐射线而言。
对于牛顿流体，对流传热为：
Qc ac (T T0 ) Ft
（3-32）
式中 ac——对流传热系数。 αc的影响因素很多：
ac f (T , T0 , , , cp , ,,...)
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。辐射能主要是以热能形式发射出的一种能量。在放 热体和吸热体之间的辐射是彼此往复的。 QA+QR+QD＝Q0 A+R+D=1 (3-33)
qmf Q f
2 AB
（3-12）
前半个椭圆的半轴是 af和 bh。假定电弧传给焊件的热能中， 有95％落在双椭圆内，则有：
2 q f (0, bh ) qmf exp(Bbh ) 0.05qmf
3 B 2 bh
同理：
（3-13）
q f (a f ,0) qmf exp( Aa2 f ) 0.05qmf
焊接方法与设备——第三章 母材熔化和焊缝成形
讨论：
1）不含O、S等表面活性物质
d 0
dr
表面：从中心向四周流 中心：从下至上 熔池浅而宽。 2）含O、S、Bi 正好与前面相反
§3-3 焊缝形状参数及工艺因素对它的影响
一）、焊缝形状参数及其与焊缝质量的关系 基本参数有：H、B、a 1、熔深H：Hweld=Hpool，直接影响承载能力
2、熔宽B：Bweld=Bpool
5、熔合比：母材金属在焊缝中的含量
FM FM FH
调整熔合比可调整焊缝化学成分，改善性能。 一般通过开坡口来实现。
二）、影响焊缝形状尺寸的因素 （一）焊接电流Ia
Ia增大，H增大，a增大，B基本不变 1、 Ia↑ Fa↑→热源下移→H↑
q= IU↑ → H↑ H=km I 2、 Ia增大，电弧分布半径 增大但潜入工件深度大，限 制r有效增大，B基本不变。减小。 3、 Ia↑，焊丝熔化量增加，B不变， a↑
FP及FC
电弧力
细熔滴的冲击力
二、影响熔池对流的力
1、TIG焊时的等离子流力 等离子流挺度较小，碰到熔池后，沿着熔池向外走。
因此： 表面：从中心向四周流 中心：从下至上 熔池浅而宽。
2、浮力
中心：从下至上 熔池浅而宽。
1、电磁力
熔池上形成斑点时，电流进入熔池后发散，形成向下的推力 ，导致涡流换热。增大熔深
（二）电弧电压 Ua↑ q增加不多， r增大，qm减小，因此，B、增大，H、a 减小。 通常，Ia选定后，Ua也基本上定下来了。总是根据板厚选Ia ，再由Ia选定Ua。
（三）焊接速度
将q/w 定义为线能量，即单位长度的焊缝上 输入的热量。
w增大时，ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ/w减小，H、B、a等均减小
5第三篇焊接成形工艺
J422 ——牌号（焊接行业中焊条代号）
药皮类型、电流种类、 1-5酸性、6、7碱性 抗拉强度 420MPa 结构钢焊条。
注意：
• 焊条型号是国家标准中的焊条代号；焊条牌号是焊 接行业的焊条代号，注意型号和牌号的对应关系。
• 按熔渣性质，焊条可分为两类： ➢ 酸性焊条：药皮熔渣中的酸性氧化物较多，适于各
5第三篇焊接成形工艺
第一章 回归分析的性质
焊接成型
• 焊接的实质 通过加热或加压等手段，使分离的两 部分金属借助于金属间原子的粘结与扩散作用， 使分离的金属材料牢固地连接起来，成为不可拆 卸的连接方式。
• 焊接特点 • 1）能化大为小，拼小为大：把大型复杂的机器零
部件，分解为简单的小零部件来准备毛坯，然后 再用焊接的方法把它们连接起来，这样可简化锻 造或锻压工艺，还可以解决铸锻能力的不足。
小，变形较小，焊缝致密无渣壳，成形美观。 • ③ 适用性广—可以焊接几乎所有的金属，特
别适于焊接易氧化材料。 • ④明弧可见，操作方便，可以全位置焊接。
•氩弧焊与熔渣保护焊相比的缺点
• ① 氩气成本高，设备比较复杂。 • ② 只能在室内进行焊接—以防保护气体被
破坏。 • 氩弧焊主要用于焊接铝、镁、钛及其合金，
• ④ 焊前预热，可减小温差，减少焊接应力 较为效。
• ⑤ 采用小能量焊接方法，或焊后立即捶击。 • ⑥ 需较彻底地消除焊接应力时，焊后去应
力退火。
• ⑦ 采用水压试验或振动法消除焊接应力。
（七）焊接变形
• 焊接变形：由焊接应力引起的变形。 • 变形种类： • 收缩变形 角变形 弯曲变形 扭曲变形 波浪变形
• 3）熔化金属与空气接触，产生氧化物，使钢中合金元素 C、Si、Mn烧蚀，氮、氢在高温下溶解于液态金属，产生 氮化物增加焊缝脆性，氢的溶入会引起氢脆化—空气在高 温电弧作用下分解出原子状态的氧、氮、氢。
第三章母材的熔化和焊缝成形
第三章 母材的熔化和焊缝成形
2. 电弧电压对焊缝成形的影响
其他条件不变时,U增大→H略有减小,B增大, h减小. ①U增大→弧长增大→电弧斑点飘动范围变宽→熔宽增加. ②U↑→电弧功率增加.但由于电弧长度增加.弧柱的散热 增加.故所增加的电弧功率主要用于熔宽的增加和弧柱 的散热增加.而电弧力却因熔宽增加而分散了.故熔深略 有减小. ③对h. U高时,U对Um影响不大 U低时, U↑→Um↓ 又因B↑焊丝的熔化量 并无增大,故h↓.
第三章 母材的熔化和焊缝成形
以上分析可知: 电流主要影响熔深.是决定熔深的主要因素. 电弧电压主要影响熔宽.是影响熔宽的主要 因素.
第三章 母材的熔化和焊缝成形
3. 焊接速度对焊缝成形的影响
在其他参数不变时 v↑导致H↓B↓h↓ 焊速与焊逢单位长度上电弧作用时间成反 比.焊速增加.相当于电弧给予焊逢单位的能量 减小.故H.B. h都↓
2) 电弧电流对比热流的影响 电流增加，qm增加， 分布半径ra增大
图3-7 电弧电流与比热流分布q(r)之间的关系
第三章 母材的熔化和焊缝成形
3) 钨极端部角度和端部直径对比热流的影响 随着钨极磨尖角度和端部直径的增大，比热流的分布从正态分 布过渡到近似于直角分布，同时qm变小。
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
第三章 母材的熔化和焊缝成形
3.3.3.焊接电弧力
电弧的静态和动态电磁压力： 由电弧中电磁收缩力对熔池造成的压力称电弧静压力. 由电弧中等离子流力对熔池造成的压力称电磁动压力. 电弧的电磁静压力和电磁动压力作用在熔池上使熔池 表面产生弧坑.作用力越大弧坑就越深.弧坑越深热源下移 的距离越大,熔深相应增大. 电磁静压力和电磁动压力的大小取决于电流的大小和 焊丝的直径.