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。

m m HA A A γ=+ 式中m A ------母材金属在焊缝横截面中所占面积；H A -----填充金属在焊缝横截面中所占面积。

由图3-1可见，当坡口和熔池形状改变时，熔合比都将发生变化。

在电弧焊接各种高强度合金结构钢和有色金属时，可通过改变熔合比的大小来调整焊缝的化学成分，降低裂纹的敏感性和提高焊缝的力学性能。

二、熔池的形状和焊缝的形成电弧焊过程中，母材金属和填充金属在电弧的直接作用下被强烈加热、熔化而混合在一起，同时电弧正下方的熔池中的液体金属在电弧力的作用下被排向熔池尾部，并在电弧力、本身重力和表面张力等共同作用下保持有一定的液面差，形成了具有一定形状和尺寸的熔池，如图3-2所示。

随着电弧向前移动，工件接缝处不断熔化，熔池逐渐向前移动，熔池尾部液体金属的温度不断降低。

当液体金属温度下降到金属的凝固温度时，便逐渐冷凝结晶而形成焊缝。

因此焊缝的形状是由熔池的形状决定的。

所有影熔深响熔池形熔状的因素都将影响到焊缝成形。

电弧是使工件加热、熔化形成熔池的热源，因此电弧的特性就决定了熔池的形状。

熔池的形状还与各种焊接工艺因素有关，如接头形式、空间位置、坡口形状和间隙尺寸等。

为了得到成形良好的焊缝，就必须弄清各种因素对焊缝成形的影响和了解焊缝成形的基本规律。

第二节 电弧与熔池形状的关系电弧除了对熔池具有热作用之外，还存在力的作用，应从电弧热作用和力作用两个方面来讨论电弧对熔池的影响。

一、电弧热输入对熔池形状尺寸的影响电弧的热量使工件受热熔化，但电弧的热量中只有一部分输入工件，且在工件上的分布亦是不均匀的。

因此要首先知道电弧的热输入、热效率及工件上的热量分布，才能对熔池的形状尺寸加以分析。

（一）电弧的热输入直流电弧对工件的热输入功率P 可表示为：P=0.24ηUI式中 η--------电弧加热工件的热效率；U-------电弧电压；I--------焊接电流。

如果用交流电进行焊接，考虑到波形的非正弦性，在上式右边还要乘一系数K （K=0.7～1.97），此时U 、I 为有效值。

电弧加热工件的热效率η可用下式表示：P P η-=='工件热输入功率电弧热功率电弧热损失的总和电弧热功率电弧热功率式中 P '——电弧热功率，P '=0.24UI 。

其中电弧热损失包括以下几个方面：（1）弧柱热辐射和气体对流、传导的热损失。

（2）传入焊枪和电极（钨极）等的热损失。

（3）加热和熔化焊条药皮或焊剂的损失（不包括渣传导给工件的那部分热量）。

（4）飞溅造成的热损失。

表1-9给出了各种弧焊方法的热效率η。

埋弧焊的电弧空间被液态的渣膜所包围，电弧辐射、对流和飞溅等造成的热损失很小，因而埋弧焊的热效率最高。

熔化极电弧焊电极所吸收的热量可由熔滴带入熔池，故熔化极电弧焊的热效率较高。

而不熔化极电弧焊电极吸收的热量都将被焊枪或冷却水带走，而不能传递到母材中去，所以热效率最低。

热效率η还与选用的焊接规范有关。

在其它条件相同时，弧长越长，η越小。

此外，η还与熔滴过渡的稳定性有关，当飞溅增大时，η减小。

选定合适的η值就可求出P（或者用量热法直接测定），然后利用有关的热计算公式就可以近似地分析熔池的尺寸。

（二）焊接熔池的计算在电弧热作用下，工件上温度等于熔点的等温面所包围的液体金属区域称为焊接熔池。

在进行焊接热计算时，通常将电弧看作集中热源作用在体积为零的点、线或面上。

这里主要讨论连续移动点热源的熔池计算问题。

为了简化温度场的计算公式，需做如下假定：1. 工件是半无限大物体。

2. 在整个焊接过程中，材料的热物理常数不随温度而变化。

3. 在任何温度下材料都处于固态，不发生任何相变。

4. 温度场处于准稳态，各种条件不随时间变化。

5. 不考虑力的作用和熔池金属的流动。

在以上假定条件下，通过求解热传导微分方程，得出工件上任意一点A的温度为（图3-3）ρ——密度；υ——热源移动的速度。

由上式计算的厚大焊件上点状移动热源的温度场如图3-4所示。

由此可得出以下几点：1）在电弧前方熔池的温度梯度较大， 而在电弧后方熔池的温度梯度较小。

2）在工件表面的等温线（包括熔池形状）近似椭圆形，但熔池头部较宽，而尾部较尖。

3）在垂直焊接方向平面上的等温线（包括熔池）均为半圆形，也就是焊缝的熔宽B 与熔深H 之间的关系为B=2H 。

将T=Tm （Tm 为金属的熔化温度）、x=-R 和x=R 分别代入式（3-1）中，可进一步得出如图3-5所示的熔池尾部长度l 2和前部长度l 1的表达式：2mP l 2T πλ= （3-2） 11(ln ln )ln 22m m aP a P l l T T υπλυπλ=-≈ 由此可见，熔池尾部长度l 2与P 成正比，与 热源移动速度v 无关。

熔池 前部长度l 1虽随P 增大而 增大，但不是正比的关 系，与热源移动速度v 则成反比关系。

当v 大时，l 1很小，熔池总长度l 近似等于熔池的尾部长度l 3。

表3-1是根据式（3-1）在不同的P和v值时计算出的熔池尺寸值。

从中可知，熔池宽度B 和熔池深度H用点热源公式计算出的B=2H。

式（3-1）是在一些假定条件下得出的，由此计算出的熔池尺寸值与实际存在着很大的差异。

尽管如此，仍可以从公式中清楚地看出各个物理量之间的关系以及某些条件变化时，温度场分布的变化规律。

以上介绍的是用解析法来计算熔池尺寸，该法只能求解比较简单的问题，而对于象焊接熔池这样复杂的问题，必须事先做前述的若干假设，使问题简化才能求解。

如果藉助计算机采用数值解法，则无需那么多的假设，就可得出与实际比较接近的结果。

因此数值解法正逐渐得到人们的重视和普遍应用。

常用的数值解法有有限差分法、有限元法以及数值积分法，这方面内容可参阅有关资料。

（三）工件上的比热流分布及对熔池尺寸的影响前面讨论了点热源计算问题，但实际电弧并非是点热源，而是一个分布热源。

它通过半径为r 的圆面积输入工件，热量在这个圆面积上近似地服从正态分布，即距电弧轴线距离为r 处的比热流：2()kr m q r q e-=式中 k------电弧集中系数； m q --------工件表面电弧轴线上的比热流值，m q =kP/π。

假设在r=r 处的q （r ）=0.05m q ，即当r ＞r 时的P 可忽略不计，则r =可见r k 越大，则分布半径r 越小，轴线上 的比热流越m q 大。

工件上的比热流分布与弧柱气体的成分、电弧电压、焊接电流、焊丝直径等多种因素有关，图3-6和图3-7分别为由实验测得的钨极氩弧焊的弧长及焊接电流与比热流分布的关系。

可见，随弧长增大，电弧功率P 增大，阳极功率P A 亦增大（由于η减小，故P A 增大的较小），而比热流m q 减小，表明电弧集中系数k 随弧长增大而减小了。

随电流增大，电弧功率和阳极功率均增大，同时弧柱也扩张，分布半径r 增大，m q 虽有所增大，但是k 有所减小。

显然，既使P一定，作用在工件上的比热流大小及分布不同，将直接影响到熔池的尺寸及形状。

图3-8为用有限元法计算的固定电弧的分布半径r与熔深、熔宽之间的关系。

当工件热输入p一定时，r越大，则熔深越小；而熔宽的变化还与热源作用时间t有关。

当t小时，随r的增大熔宽减小；当t大时，随r增大，在一定的r内熔宽还可稍许增大。

熔宽与熔深之比不像用点热源公式计算得出的那样始终成2：1，而是随比热流分布的变化，也就是随r的变化而变化。

二、力对熔池形状尺寸的影响熔池所受到的力除了电弧的压力之外，还有熔池自身的重力、电磁力及表面张力等。

这些力使热源作用位置发生改变，熔池中液体金属发生流动，这些都将影响到熔池的形状尺寸。

（一）力对热源作用位置及熔池形状的影响在前面熔池的计算中，假设点热源作用在工件表面上。

但由于电弧压力的作用，熔池表面将产生凹陷，实际上热源是作用在熔池的凹陷处。

凹陷越深，热源下移的距离越大，熔深相应增大。

使熔池表面产生凹陷的电弧力大小主要与焊接电流有关，如图3-9所示。

电流增大时，电弧中心最大压力max P 增大，此时m q 亦增大，因此熔深也增大。

在熔化极气体保护焊采用射流过渡焊接时，使熔池凹陷的力还有熔滴金属对熔池的冲击力，它对指状熔深的形成起着重要作用。

熔滴的过渡频率和进入熔池时的速度越高，形成的凹陷就越深。

（二）力对熔池金属流动及熔池形状的影响在电弧力的作用下，熔池表面产生凹陷，液态金属被排向熔池尾部，使熔池尾部的液面高出工件表面，凝固后则成为焊缝的余高。

此外，熔池还受到下述各种力的作用：1. 熔池金属的重力它的大小正比于熔池金属的密度和熔池体积。

该作用力使熔池金属流动的方向与焊接的空间位置有关。

在平焊以外的各种空间位置焊接时，它往往是破坏熔池稳定性，使焊缝成形变坏的重要因素。