母材熔化与焊缝成形
焊缝成形系数
焊缝成形系数焊缝成形系数是指焊接过程中焊缝形状的完整程度和焊缝尺寸与母材尺寸之间的比值。
它是评价焊接质量的重要指标之一，能够直接影响焊接接头的强度和密封性能。
在实际焊接过程中，通过合理控制焊接参数和采取适当的焊接工艺，可以提高焊缝成形系数，从而获得高质量的焊接接头。
焊缝成形系数与焊接参数有着密切的关系。
焊接参数包括焊接电流、电压、焊接速度等。
在焊接过程中，如果电流和电压过高，焊接速度过快，会导致焊缝过深、过宽，甚至烧穿母材，从而降低焊缝成形系数。
因此，在选择焊接参数时，需要根据焊接材料的特性和焊接接头的要求进行合理的调整，以保证焊缝成形系数的达标。
焊接工艺也对焊缝成形系数起着重要的影响。
焊接工艺包括焊接方法、焊接位置、焊接顺序等。
不同的焊接方法和焊接位置会使焊接接头的形状和尺寸发生变化，进而影响焊缝成形系数。
同时，合理的焊接顺序可以避免焊接过程中产生应力集中和变形，进一步提高焊缝成形系数。
因此，在制定焊接工艺时，需要考虑焊接接头的结构和形状，选择合适的焊接方法和位置，并制定科学的焊接顺序，以确保焊缝成形系数的优化。
焊接材料也对焊缝成形系数有一定的影响。
焊接材料的选择和配比会影响焊缝的熔化性能和流动性。
如果焊接材料与母材的熔点差异过大或者焊接材料的流动性较差，容易造成焊缝不完整或者焊缝尺寸偏大，从而降低焊缝成形系数。
因此，在选择焊接材料时，需要考虑焊接材料与母材的相容性和熔点匹配性，以及焊接材料的流动性和熔化性能，以保证焊缝成形系数的提高。
焊缝成形系数是评价焊接质量的重要指标，合理控制焊接参数、采取适当的焊接工艺和选择合适的焊接材料，能够提高焊缝成形系数，获得高质量的焊接接头。
只有在焊接过程中充分考虑这些因素，并进行正确的操作和控制，才能够最大程度地提高焊缝成形系数，确保焊接接头的强度和密封性能，从而达到预期的焊接效果。
电弧焊熔化现象
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2．表面张力流及微量元素的影响 表面张力与熔滴过渡、熔池形成及其内部的流动都有紧
密的联系。因此。凡是影响表面张力的因素，都会对表面张 力流产生影响，进而影响熔池形状。
影响表面张力的主 要因素：
合金系； 温度； 微量表面活性元素；
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对影响熔池形状的元素进行探讨，试验研究结果显示：对于 TIG 焊，当 母材中含有 O、S 等第VI族元素及卤族元素时可以增大熔深；Se、Te 的存在 也有同样作用，而 Ce 的存在作用相反；
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母材熔化形态变化的原因是源于电弧力或等离子气流对 熔池的挖掘作用。
电弧力和等离子气流对熔他的压力都是起因于流经弧 柱的电流，把两者合并考虑，力的数值可以用下式表达：
式中， k是与电弧形状有关的比例常数，δ为电极端部电弧 的电流密度。设焊丝直径为d，则可以用下式近似表示：
综合上面两式可看出，熔池受到的挖掘力与电流的平方
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焊件倾角：上坡焊——相当于后倾焊； 下坡焊——相当于前倾焊；
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四、焊缝缺陷及形成原因
焊接缺陷有多种，包括内部缺陷和外部缺陷、微观组织缺陷和宏观缺等。 气孔、夹渣、裂纹缺陷除与焊接规范和工艺有关外，更主要的是受到焊缝 冶金因亲和焊接热循环的影响，其成因相对比较复杂。 以下仅探讨焊缝成形方面所出现的宏观缺陷，这些缺陷的成因主要是焊接 工艺参数不合理。
道形状的影响
1—余高 2—熔深 3—焊道宽度
○—焊丝直径Φ1.2mm,
焊接电流250A ；
●—焊丝直径Φ1.6mm,
焊接电流350A(保护气 体Ar95%+CO25%，气 流量25L/min) ；
坡口角度及间隙：增大，则余高及熔合比减小； 板厚：增大，则熔深及余高减小；
电弧焊-基础知识
27
（二）电子的发射
（2）场致发射
当阴极表面空间有强电场存在时，金属 电极内的电子在电场静电库仑力的作用下， 从电极表面飞出的现象称为场致发射。
冷阴极电弧正是主要依靠这种方式获得足 够的电子以维持电弧稳定燃烧的。
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（二）电子的发射
（3）光发射
当金属电极表面接受光辐射时，电极表面的 自由电子能量增加，当电子的能量达到一定值时 能飞出电极的表面，这种现象称为光发射。
9
（一）气体的电离
（1）电离与激励
电离能通常以电子伏（eV）为单位， 1电子伏就是1个电子通过1V电位差的空间所 获得的能量，其数值为1.6×10-19J。为了便 于计算，常把以电子伏为单位的能量转换为 数值上相等的电压来处理，单位为伏（V）， 此电压称为电离电压。电弧气氛中常见气体 的电离电压如表1-1所示。
（1）热发射 金表面承受热作用而产生电子发射的现象称 为热发射。金属电极内部的自由电子受到热作用 以后，热运动加剧，动能增加，当自由电子的动 能大于该金属的电子逸出功时，就会从金属电极 表面飞出，参加电弧的导电过程。电子发射时从 金属电极表面带走能量，故能对金属产生冷却作 用。当电子被另外的同种金属表面接受时，将释 放能量，使金属表面加热。
二、焊接电弧的导电特性
其中，暗放电和辉光放电的电流较小，电 压较高，发热发光较弱，而电弧放电的电流最 大，电压最低，温度最高、发光最强。正是因 为电弧具有这样的特点，因此在工业中广泛用 来作为热源和光源，在焊接技术中成为一种不 可缺少的能源。 综上所述，从电弧的物理本质来看，它是一种 在具有一定电压的两电极之间的气体介质中所 产生的电流最大、电压最低、温度最高、发光 最强的自持放电现象。
第一章电弧焊基础知识
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。
焊接工艺学
焊接工艺学第一章焊接电弧1.什么叫焊接电弧？电弧是两电极之间或电极与母材之间的气体介质中产生强烈而持久的放电现象2.最小电压原理在电流和周围条件一定的情况下，稳定燃烧的电弧将自动选择一个适当的断面，以保证电弧的电场强度具有最小的数值，即在固定弧长上的电压最小。
这意味着电弧总是保持最小的能量消耗。
3.电离电子发射电弧放电两个最基本物理现象气体介质的电离和电极的电子发射4.电离种类1）热电离气体粒子受热的作用而产生的电离称热电离。
其实质是气体粒子由于受热而产生高速运动和相互之间激烈碰撞而产生的一种电离。
根据气体分子运动理论可知，气体的温度高低意味着气体粒子（包括中性粒子、电子和离子）总体动能的大小，亦即气体粒子平均运动速度的快慢。
2）场致电离当气体中有电场作用时，气体中的带电粒子被加速，电能被转换为带电粒子的动能，当其动能增加到一定程度时，能与中性粒子产生非弹性碰撞，使之电离，这种电离称为场致电离。
3）光电离中性粒子接受光辐射的作用而产生的电离现象称为光电离。
不是所有的光辐射都可以引发电离，气体都存在一个能产生光电离的临界波长，气体的电离电压不同，其临界波长也不同，只有当接受的光辐射波长小于临界波长时，中性气体粒子才可能被直接电离。
5.电子发射种类根据外加能量的不同，电子发射可分为：（1）热发射：金属表面承受热作用而产生电子发射的现象称为热发射。
（2）场致发射：当阴极表面空间有强电场存在时，金属电极内的电子在电场静电库仑力的作用下，从电极表面飞出的现象称为场致发射（自发射）。
（3）光发射：当金属电极表面接受光辐射时，电极表面的自由电子能量增加，当电子的能量达到一定值时能飞出电极的表面，这种现象称为光发射。
（4）粒子碰撞发射：高速运动的粒子（电子或正离子）碰撞金属电极表面时，将能量传给电极表面的电子，使电子能量增加并飞出电极表面，这种现象称为粒子的碰撞发射。
6.阳极区导电机构电弧燃烧时，阳极区的任务主要是接受来自弧柱占总电流 99.9% 的电子流，同时还要向弧柱区发送约占总电流 0.1% 的正离子流。
电弧焊熔化现象2 第7次详解
影响焊丝熔化速度的因素
－－－熔滴过渡形式
铝
结论： 以喷射过渡和粗滴过渡临界点处 的临界电流为分界线，熔化特性 曲线的斜率发生变化。在熔滴呈 细小颗粒的喷射过渡区，熔化特 性曲线的倾斜率较大，也就是比 熔化量减小。
原因： 喷射过渡区中从焊丝前端脱落的 熔滴其平均温度高于粗滴过渡区 的熔滴平均温度，熔化同量的焊 丝需要更多的热量输人。
伸区的电流产生的电阻热。
铝焊丝和钢焊丝的电阻率哪 个大？
焊丝的熔化与熔化速度
评价焊丝熔化特性的参数 ? 比熔化量：单位时间．单位电流下的脱落金属
量，称作焊丝的比熔化量MR[单位mg／(A.s)] 比熔化量与电流无关 用于评价同一材料不同直径的焊丝的熔化特性 ? 焊丝熔化速度 焊接参数: 送丝速度
焊接过程稳定的前提下， 焊丝熔化速度＝比熔化量x电流
5. 试分析常见焊缝成形缺陷的产生原因及防止措施。
干伸长与焊丝熔化速度的关系从 直线－曲线的原因？
预热 熔化
注意：
铝焊丝－－电阻产热的效果不显著，常忽略干伸 长区的电流产生的电阻热 钢焊丝－－电阻产热的影响非常大，必须考虑
熔化速度与电流关系 －－不锈钢焊丝与铝焊丝
正比 比熔化量定值
铝焊丝：比熔化量与焊丝直径无关，几乎为定值 不锈钢：非正比 ，比熔化量是变值
影响焊丝熔化速度的因素
比熔化量在弧长 8mm下发生变化
等熔化速度曲线
结论： 1. 电流增加，焊丝送进速度
增加 2. 短路过渡－亚射流过渡－
喷射过渡，功率增大，熔 滴从加热不充分－－加热 充分。 3. 在亚射流区，比熔化量增 大，由于弧长缩短，熔滴 的平均温度降低。 4. 滴状过渡－喷射过渡，由 于电流增加，温度增加， 熔滴表面张力增加
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。
工科专业课程思政探索与实践——以连接成形及增材制造设备及工艺课程为例
［收稿时间］2021-11-24［作者简介］刘广柱（1983—），男，吉林人，博士，副教授，研究方向为液态金属成型及腐蚀。
［摘要］文章以连接成形及增材制造设备及工艺课程为例，探索工科专业课程思政的教学目标、思政元素引入形式、情境设计和实施方式等，挖掘其蕴含思政元素的资源以及探索其与受教育者相契合的教育教学模式。
经实施发现，开展“工程应用—实际问题—解决问题的人—职业素养的培养—价值观的树立”五步递进的项目引导式课程思政，能够使学生有效融入教学情境，学生的思想品质和专业素养也得到了明显提高。
［关键词］课程思政；课程建设；工科专业；连接成形及增材制造设备及工艺课程［中图分类号］G642［文献标识码］A ［文章编号］2095-3437（2023）02-0015-03习近平总书记在2016年举办的全国高校思想政治工作会议上强调，“高校思想政治工作关系高校培养什么样的人、如何培养人以及为谁培养人这个根本问题。
要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人，努力开创我国高等教育事业发展新局面”[1]。
教育部2020年印发的《高等学校课程思政建设指导纲要》中指出，要科学设计课程思政教学体系，在课程教学中突出课堂育德、典型树德、规则立德，培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当[2]。
全面提高课程思政教学质量显然已经成为高校课程建设的必然趋势，因此，创新课程思政建设的方法，是对高校培养合格的社会主义建设者和接班人的明确要求。
课程思政建设要深入挖掘专业课程与受教育者之间的内在联系，采用符合教育教学工作要求以及人的认知和发展规律的方式，潜移默化、深入人心地落实立德树人根本任务。
课程思政不仅是对思想政治理论教育的有益补充，而且最好能取得“无心插柳柳成荫”的良好效果[3]。
高校学生综合素养的培养不仅需要专门的思政课程，更需要专业教师在平时的教学中将政治觉悟、职业道德、社会伦理等相对抽象的培养内容具体化到各门专业课程中，渗透到课堂学习、实验实习和课外实践中[4]。
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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第。16页/共24页
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↑
0.85 0.69 0.85
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（三）熔池的形状及表征参数
1、熔池的基本概念 由母材上熔化的金属（焊丝、工件）组成的、具有一
定几何形状的液态属属叫熔池。引弧后。经过一过渡期后， 熔池稳定，形状不再发生变化。熔池的形状为一半椭球形。
l1
l2
x H
y z
熔池的形状尺寸
第4页/共24页
2、熔池的表征参数：
第12页/共24页
熔池表面
熔池表面及内部
d 0
dr
第13页/共24页
d 0
dr
一、焊缝形状参数及其与焊缝质量的关系
(一) 基本参数：H、B、a
1、熔深H：Hweld=Hpool，母材熔化的深度， 直接影响承载能力。
2、熔宽B：Bweld=Bpool ，两焊趾之间的距离；
FH
FH
Fm B
Fm a
① 熔宽B；② 熔深；③ 前部长度L1；④ 尾部长度L2 在做出一些假设的基础上，可推导出上述几个尺寸与
焊速s，热输入q之间的关系：
B = 2H ；
L1
a
s
ln
q
2 Tm
；
L2
q
2 Tm
；
H
2q 。
ec sTm
式中：Tm——材料的熔点； λ——导热系数； a——热扩散率，a= λ /c ρ ； c——比热； ρ——密度。
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（四）工件上的比热流 1、基本概念 (1) 比热流：通过单位面积输入至工件的热功率。
q(r) qm e kr2
式中：q(r)—离中心距离为r
由 q q(r)ds 可推导出：
qm
k
q
影响q(r)因素：焊接工艺参数，电弧长度
（四）电流的种类及极性
TIG：
PA>PK
，BDCSP>BAC>BDCRP HDCSP>HAC>HDCRP
MIG、CO2、SAW等：
PA<PK
，BDCSP<BAC<BDCRP HDCSP<HAC<HDCRP
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(2)加热斑点： 热源传递给工件的热量是通过一定的面积进行的，该
面积叫加热斑点。加热斑点内的每一点处的比热流是不 相同的。 q(r)在加热斑点内呈正态分布，即：
q(r) 0.005qm
式中 r 为加热斑点的半径:
0.005qm
r 3
r
k
qm
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2、电弧参数对比热流的影响 1) Ua： Ua增大，r↑ k↓ qm↓ 2) 钨极尖角及直径： dw增大或w增大，qm减小。
H Fm
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FH
B
a
Fm
H
FH
B
Fm
H
第15页/共24页
3、 = B/H ，被称为焊缝成形系数。意义： 1) 影响气孔敏感性； 2) 影响结晶方向； 3) 影响中心偏析
大时较有利，一般应大于1.25
4、余高a：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。一般规定：a=03mm或
3、熔池金属的重力： 其大小正比于熔池体积，其作用与空间位置有关。
(1) 立、仰、横焊时，重力使熔池不稳，易于使熔池下坠。 (2) 平焊时，稳定
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FP及FC
电弧力
细熔滴的冲击力
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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，
• 影响的因素： 1）焊接方法： TIG、 CO2 、 MIG、SAW的不同。 2）焊接规范：
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表4-1 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 电子束 渣 及激光 TIG 焊焊
MIG 钢铝
0.77 ～
0.87
0.77 ～
0.90
0.8 3
>0.9
0.68 0.66 0.70 ～ ～～
3、比热流对熔池尺寸的影响 K↑ 则H↑ B↓ K↓ 则H↓ B↓ （焊速大时） B↑ （焊速小时）
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一、使熔池凹陷的作用力
1、电弧静压力及动压力： Fp、Fc均指向熔池，使之凹陷，热源下移，有利
于增大H。 MIG焊时的Fp易于导致指状熔深。
2、细熔滴的冲击力： 使熔池凹陷，增大H，易于导致指状熔深
一、电弧的热输入
（一）热输入： 输入至工件的热功率或单位时间内输入
至工件的热量。 q = 0.24 Ua Ia 式中-电弧加热工件的热效率。
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（二）电弧加热工件的热效率
电弧热功率 电弧热损失 电弧热功率
• 电弧热损失： 1）幅射，对流散热 2）加热W极，焊条头的热量 3）加热焊剂，焊条头 4）飞溅热损失
影响换热及润湿角，从而影响焊缝的形状及表面轮廓。
1)如
d
dr
, 0
则表面液态金属由中心向四周流，熔池浅而宽。
2)如 d , 0
dr
则表面液金从四周向中心流，使熔池深而窄。
＊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
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。 3、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。
第11页/共24页
4、表面张力
在F的作用下，液态金属从小的地方向大的地方流。 熔池表面温度分布不均匀
5、驱动力：体系表面自由能的减少。
是根据板厚选Ia，再由Ia选定Ua。
第17页/共24页
（三）焊接速度 w 将q/w 定义为线能量，即单位时间、单位长度焊缝上输入
的热量。w增大时，q/w减小，H、B、a等均减小
为了促进生产率，应提高w ，但为了保证焊透，应同时 提高Ia，即采用大电流高速焊，这 种方法易引起咬边。通常采 用双弧焊或多弧焊来提高焊接速度。
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↑。
（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