焊接方法与设备——第三章 母材熔化和焊缝成形
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材料成型方法与设备 第三章 母材的熔化和焊缝成型
3.1 焊缝和熔池的形状尺寸和焊缝成型
一 焊缝形状尺寸及其对焊缝质量的影响 1 焊缝的几 何参数
一般接 头形式如 图3—1。
几个主要尺寸是熔深H、熔宽B、余高a、成型系数Ø 、 熔合
比γ 。
其中
Ø=B/H
Fm γ= ———
FH+Fm 2 几何形状尺寸对焊缝质量的影响
①成型系数。
Ø越小，表示焊缝窄而深，从提高热效率和减小热影响区恶化角度 看是有利的，但不要过小容易出现裂纹和气孔。
第三章 母材的熔化和焊缝成型
一 本章重点
1 熔池形状尺寸及焊缝成型
焊缝的几何形状尺寸参数B、H、a、Ø、 γ对焊缝质量的影响.母材 的熔化,熔池的形成及特点。
2 焊缝成型的影响因素及常见成型缺陷
要求掌握影响规律及产生这种规律的原因。了解常见成型缺陷的特 点及产生原因。
3 了解力对熔池的作用，尤其空间位置焊接的情况。 二 学时 4学时
电弧焊接过程中，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。
熔池的特点
1）运动情况下结晶液体金属是在流动受搅拌的情况下结晶的。 2）焊接过程是一个急热、急冷的过程。 3）熔池的结晶是柱状晶。 4）纵向上是细小的层状结晶，外观具有明显的鱼鳞纹。
其中η为热效率
工件热输入 电弧热功率-电弧热损失总和
η=————— = ——————————————
电弧热功率
电弧热功率
电弧热损失包括:
1)用于加热电极和焊条头等的热损失。
母材的熔化和焊缝成形
AM：熔化的母材在焊缝横截面积中所占的 面积； Ah：填充金属在焊缝横截面中所占的面积。
第三章 母材的熔化和焊缝成形
影响因素:焊接方法;焊件的坡口形式;焊接参 数. 重要性:在焊接中碳钢,合金钢和有色金属时易 产生裂纹,力学性能降低,可通过改变熔合比的 大小来调整焊缝的化学成分.控制冶金反应， 降低裂纹的敏感性和提高焊缝的力学性能.
是焊接热输入功率；
η是电弧加热工件的热效率； U是电弧电压；
I是焊接电流。 1焦耳=0.24卡
第三章 母材的熔化和焊缝成形
用交流电焊接时热输入公式计算：
P＝ 0.24ηKUI
交流电焊接时,考虑到波形的非正弦性,乘以系数 K,K=0.7-0.9;
第三章 母材的熔化和焊缝成形
表3-1 各种弧焊方法的热效率η 弧焊方法
第三章 母材的熔化和焊缝成形
2.焊接熔池的特征参数
可以根据式（3-4）计算出熔池前部长度L1、 熔池尾部长度L2。
L1在x轴上，计算L1时取L1 =r；计算L2长度时取L2 =-r。T=Tm,通过计算，得到表达式如下：
l1
a v
(ln
p
2 Tm
ln l1)
a v
ln
p
2 Tm
式中，Tm是被l2 焊2材pT料m 的熔化温度。
第三章 母材的熔化和焊缝成形
3.2.3 焊件比热流与焊接参数的关系
实际上电弧不是点热源，可以近似认为热量以正态分布 规律，通过分布半径为r的圆面积输入工件。
• 焊件的比热流分布
金属熔化时吸收熔化潜热，熔池尾部的金属凝固时放出潜热； （3）实际焊接热源是分布热源，热源作用在焊件的一定的区域上，在不
同的条件下以不同的分布形态输入焊件，而不是作用于一点上的点状 热源； （4）实际熔池的液体金属表面在电弧力等各种力的作用下发生变形；熔 池金属的流动使传热不再局限于固体内的热传导等等。 因此，用点状热源等公式计算出的熔池形状和尺寸与实际情况有较大 差异。
第三章 母材的熔化和焊缝成形
影响因素:焊接方法;焊件的坡口形式;焊接参 数. 重要性:在焊接中碳钢,合金钢和有色金属时易 产生裂纹,力学性能降低,可通过改变熔合比的 大小来调整焊缝的化学成分.控制冶金反应， 降低裂纹的敏感性和提高焊缝的力学性能.
是焊接热输入功率；
η是电弧加热工件的热效率； U是电弧电压；
I是焊接电流。 1焦耳=0.24卡
第三章 母材的熔化和焊缝成形
用交流电焊接时热输入公式计算：
P＝ 0.24ηKUI
交流电焊接时,考虑到波形的非正弦性,乘以系数 K,K=0.7-0.9;
第三章 母材的熔化和焊缝成形
表3-1 各种弧焊方法的热效率η 弧焊方法
第三章 母材的熔化和焊缝成形
2.焊接熔池的特征参数
可以根据式（3-4）计算出熔池前部长度L1、 熔池尾部长度L2。
L1在x轴上，计算L1时取L1 =r；计算L2长度时取L2 =-r。T=Tm,通过计算，得到表达式如下：
l1
a v
(ln
p
2 Tm
ln l1)
a v
ln
p
2 Tm
式中，Tm是被l2 焊2材pT料m 的熔化温度。
第三章 母材的熔化和焊缝成形
3.2.3 焊件比热流与焊接参数的关系
实际上电弧不是点热源，可以近似认为热量以正态分布 规律，通过分布半径为r的圆面积输入工件。
• 焊件的比热流分布
金属熔化时吸收熔化潜热，熔池尾部的金属凝固时放出潜热； （3）实际焊接热源是分布热源，热源作用在焊件的一定的区域上，在不
同的条件下以不同的分布形态输入焊件，而不是作用于一点上的点状 热源； （4）实际熔池的液体金属表面在电弧力等各种力的作用下发生变形；熔 池金属的流动使传热不再局限于固体内的热传导等等。 因此，用点状热源等公式计算出的熔池形状和尺寸与实际情况有较大 差异。
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。
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
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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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
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.
铜陵学院焊接原理第一章3母材熔化及焊缝成形
15
二、焊接条件对焊缝成形的影响
（4）电流种类和极性： 熔化极电弧焊直流反接法的熔深和熔宽要
比直流正接的要大（产热？） 熔化极电弧焊交流电弧焊介于上述两者之
间 非熔化极电弧焊，正接时熔深较大，反接
时较小 （产热？）
16
二、焊接条件对焊缝成形的影响
（5）焊丝直径与伸出长度： 在一定的范围内，同样的焊接电流，焊丝
焊缝余高
5
2．熔池及焊缝的描述
➢ 焊缝形状系数Φ：Φ＝ B/H
➢ 焊缝余高系数ψ：ψ= B/a
➢ 熔合比γ:
焊缝中母材金属所占的面积与焊缝总
面积的比值为熔合比γ＝Am/（Am +AH）
6
2．熔池及焊缝的描述
设计时Φ、ψ、γ必须在合理的范围内，否 则容易造成缺陷
➢ 裂纹、气孔夹渣， Φ=1.3~2
堆焊时 Φ－10
➢ 应力集中, a<3mm
➢ 焊缝成分与性能与母材相差大
7
2．熔池及焊缝的描述
但是焊缝成形缺陷总是难以避免：
8
2．熔池及焊缝的描述
9
2．熔池及焊缝的描述
10
2．熔池及焊缝的描述
11
2．熔池及焊缝的描述
12
二、焊接条件对焊缝成形的影响
（1）电流：
随着焊接电流的增大，熔深成比 例增加、熔宽略有增加，余高增 加，成形系数及余高系数减小。
18
二、焊接条件对焊缝成形的影响
（7）间隙和坡口：间隙和坡口尺寸越大，余 高越小。
19
二、焊接条件对焊缝成形的影响
（8）电极的倾角：
20
二、焊接条件对焊缝成形的影响
（9）工件位置及焊接位置：
21
二、焊接条件对焊缝成形的影响
二、焊接条件对焊缝成形的影响
（4）电流种类和极性： 熔化极电弧焊直流反接法的熔深和熔宽要
比直流正接的要大（产热？） 熔化极电弧焊交流电弧焊介于上述两者之
间 非熔化极电弧焊，正接时熔深较大，反接
时较小 （产热？）
16
二、焊接条件对焊缝成形的影响
（5）焊丝直径与伸出长度： 在一定的范围内，同样的焊接电流，焊丝
焊缝余高
5
2．熔池及焊缝的描述
➢ 焊缝形状系数Φ：Φ＝ B/H
➢ 焊缝余高系数ψ：ψ= B/a
➢ 熔合比γ:
焊缝中母材金属所占的面积与焊缝总
面积的比值为熔合比γ＝Am/（Am +AH）
6
2．熔池及焊缝的描述
设计时Φ、ψ、γ必须在合理的范围内，否 则容易造成缺陷
➢ 裂纹、气孔夹渣， Φ=1.3~2
堆焊时 Φ－10
➢ 应力集中, a<3mm
➢ 焊缝成分与性能与母材相差大
7
2．熔池及焊缝的描述
但是焊缝成形缺陷总是难以避免：
8
2．熔池及焊缝的描述
9
2．熔池及焊缝的描述
10
2．熔池及焊缝的描述
11
2．熔池及焊缝的描述
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二、焊接条件对焊缝成形的影响
（1）电流：
随着焊接电流的增大，熔深成比 例增加、熔宽略有增加，余高增 加，成形系数及余高系数减小。
18
二、焊接条件对焊缝成形的影响
（7）间隙和坡口：间隙和坡口尺寸越大，余 高越小。
19
二、焊接条件对焊缝成形的影响
（8）电极的倾角：
20
二、焊接条件对焊缝成形的影响
（9）工件位置及焊接位置：
21
二、焊接条件对焊缝成形的影响
母材的熔化与焊缝的成形
埋弧焊φ>1.25避免产生裂纹及气孔
堆焊φ=10要求熔深深浅,焊缝宽熔大
2、余高a
有利一面:①避免熔池金属凝固收缩时形成缺陷;
②↑焊缝的截面积-提高承载能力;
有害一面:③↑应力集中;
④↓疲劳寿命.
H、B、a确定之后基本上确定了焊缝截面轮廓,但不能确定形状.
3、熔合比:确定了母材金属在焊缝中横截面与焊缝横截面之比
(2)焊剂的密度↓堆积高度↓- H↓C↑B↑;
(3)熔渣的粘度↑熔点↑-焊缝表面将形成压坑，成形变差
2、保护气体:成份将影响电弧的极区压降和弧柱的电位梯度;
原因:导热系数↑-弧柱导电截面↓-动压力及比热流发生变化
P85图3-20保护气体的成份对焊缝成形的影响.
第四节焊缝成形缺陷及缺陷形成的原因
电弧焊时的气孔,裂纹和夹渣等缺陷虽然和焊缝的成形有关,但主要是冶金因素的因素,这里不再讨论.常见的成形缺陷有未焊透、未焊合、烧穿、咬边、焊瘤等缺陷.原因:坡口尺寸不合适,规范选择不当,焊缝未对准焊缝沿.
2、空间位置施焊,由于重力不利,应限熔池的尺寸和强制成形:如电气立焊及电渣焊时.
第二节熔池受到的力及熔池尺寸的影响因素
前面只讨论了热的影响,实际上还受到各种力的影响.在焊接电弧的作用下,熔池表面凹陷液态金属被排向尾部,使熔池尾部液面高出工件表面,凝固后形成余高.力还使熔池也产生流动,从而使焊缝各处的成份比较一致,同时将影响到熔池的形状和焊缝的成形.
r=Fm/(Fm+FH)
Fm-母材金属在焊缝截面中所占的面积
FH-填充金属在焊缝截面中所占的面积
※:坡口及熔池形状改变,r将发生变化
r的影响:
①可调整焊缝的化学成份;
②↓裂纹的敏感性.坡口形状对r的影响,改变坡口形状
堆焊φ=10要求熔深深浅,焊缝宽熔大
2、余高a
有利一面:①避免熔池金属凝固收缩时形成缺陷;
②↑焊缝的截面积-提高承载能力;
有害一面:③↑应力集中;
④↓疲劳寿命.
H、B、a确定之后基本上确定了焊缝截面轮廓,但不能确定形状.
3、熔合比:确定了母材金属在焊缝中横截面与焊缝横截面之比
(2)焊剂的密度↓堆积高度↓- H↓C↑B↑;
(3)熔渣的粘度↑熔点↑-焊缝表面将形成压坑，成形变差
2、保护气体:成份将影响电弧的极区压降和弧柱的电位梯度;
原因:导热系数↑-弧柱导电截面↓-动压力及比热流发生变化
P85图3-20保护气体的成份对焊缝成形的影响.
第四节焊缝成形缺陷及缺陷形成的原因
电弧焊时的气孔,裂纹和夹渣等缺陷虽然和焊缝的成形有关,但主要是冶金因素的因素,这里不再讨论.常见的成形缺陷有未焊透、未焊合、烧穿、咬边、焊瘤等缺陷.原因:坡口尺寸不合适,规范选择不当,焊缝未对准焊缝沿.
2、空间位置施焊,由于重力不利,应限熔池的尺寸和强制成形:如电气立焊及电渣焊时.
第二节熔池受到的力及熔池尺寸的影响因素
前面只讨论了热的影响,实际上还受到各种力的影响.在焊接电弧的作用下,熔池表面凹陷液态金属被排向尾部,使熔池尾部液面高出工件表面,凝固后形成余高.力还使熔池也产生流动,从而使焊缝各处的成份比较一致,同时将影响到熔池的形状和焊缝的成形.
r=Fm/(Fm+FH)
Fm-母材金属在焊缝截面中所占的面积
FH-填充金属在焊缝截面中所占的面积
※:坡口及熔池形状改变,r将发生变化
r的影响:
①可调整焊缝的化学成份;
②↓裂纹的敏感性.坡口形状对r的影响,改变坡口形状
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dr
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
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。
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，使之洼凹陷，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 使熔凹陷，增大H，易于导致指状熔深 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
（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
（五）电极形状、尺寸、伸出长度
MIG焊： ds减小 qm
Ls减小 qm TIG焊：
dw w
qm
H、a B H、a
系数、余高、熔合比等基本概念； 2、标征熔池及焊缝形状尺寸的参数 3、焊接参数对焊缝形状尺寸的影响
§3.1 电弧热与熔池形状尺寸的关系
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 -电弧加热工件的热效率
（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
0.005qm
r
qm
r
2、电弧参数对比热流的影响
r
1）Ua：Ua增大，r↑ k↓ qm↓
2）Ia：Ia增大， r稍有增大，k下降，q增大，qm增大
3）钨极尖角及直径
dw增大或w增大，qm减小
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）
§3-2 作用于熔池上的力及力对熔池的影响
焊接方法与设备
第三章 母材熔化和焊缝成形
一、基本要求 1、熟练掌握标征熔池及焊缝形状尺寸的几个参数； 2、熟练掌握热输入、线能量、熔深、熔宽、成形系数 、余高、熔合比等基本概念； 3、了解作用于熔池上的力 4、熟练掌握焊接参数对焊缝形状尺寸的影响 5、了解各种焊缝缺陷形成的原因及预防措施。
二、重点 1、热输入、线能量、熔深、熔宽、成形
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
FH Fm
B
Fm
FH Fm
a H
B
FH
B
FH
a
Fm
H
Fm
H
4、余高a： 1）防止因疑固收缩而造成的缺陷 2）增大承受静载的能力 3）造成应力集中 4）疲劳寿命下降 一般规定：a=03mm或B/a>48
4、表面张力 在F的作用下，液金从小的地方向大原地方流。 驱动力：体系表面自由能的减少。 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 0 dr
则表面液态金属由中心向四周流，熔池浅而宽。
2）如：
d 0
dr
表面液金从四周向中心流，使熔池深而窄。
熔池表面
熔池表面及内部
d 0
dr
d 0
（四）、工件上的比热流 1、基本概念 比热流：通过单位面积输入至工件的热功率。
式中： 由
q(r) qm e kr2
q（r） —离中心距离为r的某点的比热流 qm—中心处的比热流 k—电弧集中系数
q q(r)ds 可推导出：
qm
k
q
定义： q(r) 0.05qm
式中 r
为加热斑点的半径
r 3 k
l1
l2
x H
y z
熔池的形状尺寸
2
熔池的表征参数：
可用下列几个参数表征：
a）熔宽B
b）熔深
c）前部长度L1
d）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。
L1
a
s
ln
q
2 Tm
L2
q
2 Tm
2q H
ec sTm
B = 2H
式中：
Tm—材料的熔点 λ导热系数 a热扩散率 c比热 ρ密度
H B变化不大
（六）坡口、间隙 用于增大H，调整熔合比，改善结晶条件。 坡口、间隙越大，a↓↓
（七）电极倾角 前倾：电弧下液态金属厚，电弧潜入深度小，所以 H↓B↑a↓ 后倾：相反
（八）工件倾角
•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
•影响的因素： 1）焊接方法：TIG、 CO2 、 MIGSAW的不同。 2）焊接规范
（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。
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
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。
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，使之洼凹陷，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 使熔凹陷，增大H，易于导致指状熔深 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
（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
（五）电极形状、尺寸、伸出长度
MIG焊： ds减小 qm
Ls减小 qm TIG焊：
dw w
qm
H、a B H、a
系数、余高、熔合比等基本概念； 2、标征熔池及焊缝形状尺寸的参数 3、焊接参数对焊缝形状尺寸的影响
§3.1 电弧热与熔池形状尺寸的关系
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 -电弧加热工件的热效率
（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
0.005qm
r
qm
r
2、电弧参数对比热流的影响
r
1）Ua：Ua增大，r↑ k↓ qm↓
2）Ia：Ia增大， r稍有增大，k下降，q增大，qm增大
3）钨极尖角及直径
dw增大或w增大，qm减小
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）
§3-2 作用于熔池上的力及力对熔池的影响
焊接方法与设备
第三章 母材熔化和焊缝成形
一、基本要求 1、熟练掌握标征熔池及焊缝形状尺寸的几个参数； 2、熟练掌握热输入、线能量、熔深、熔宽、成形系数 、余高、熔合比等基本概念； 3、了解作用于熔池上的力 4、熟练掌握焊接参数对焊缝形状尺寸的影响 5、了解各种焊缝缺陷形成的原因及预防措施。
二、重点 1、热输入、线能量、熔深、熔宽、成形
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
FH Fm
B
Fm
FH Fm
a H
B
FH
B
FH
a
Fm
H
Fm
H
4、余高a： 1）防止因疑固收缩而造成的缺陷 2）增大承受静载的能力 3）造成应力集中 4）疲劳寿命下降 一般规定：a=03mm或B/a>48
4、表面张力 在F的作用下，液金从小的地方向大原地方流。 驱动力：体系表面自由能的减少。 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 0 dr
则表面液态金属由中心向四周流，熔池浅而宽。
2）如：
d 0
dr
表面液金从四周向中心流，使熔池深而窄。
熔池表面
熔池表面及内部
d 0
dr
d 0
（四）、工件上的比热流 1、基本概念 比热流：通过单位面积输入至工件的热功率。
式中： 由
q(r) qm e kr2
q（r） —离中心距离为r的某点的比热流 qm—中心处的比热流 k—电弧集中系数
q q(r)ds 可推导出：
qm
k
q
定义： q(r) 0.05qm
式中 r
为加热斑点的半径
r 3 k
l1
l2
x H
y z
熔池的形状尺寸
2
熔池的表征参数：
可用下列几个参数表征：
a）熔宽B
b）熔深
c）前部长度L1
d）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。
L1
a
s
ln
q
2 Tm
L2
q
2 Tm
2q H
ec sTm
B = 2H
式中：
Tm—材料的熔点 λ导热系数 a热扩散率 c比热 ρ密度
H B变化不大
（六）坡口、间隙 用于增大H，调整熔合比，改善结晶条件。 坡口、间隙越大，a↓↓
（七）电极倾角 前倾：电弧下液态金属厚，电弧潜入深度小，所以 H↓B↑a↓ 后倾：相反
（八）工件倾角
•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
•影响的因素： 1）焊接方法：TIG、 CO2 、 MIGSAW的不同。 2）焊接规范
（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。