焊接接头形成

焊接接头形成 1、温度场的基本概念 温度场 一般地, 物体的温度分布是坐标和时间的函数。因此, 与重力场、速度场一样, 物体中存在的温度的场, 叫做温度场, 即物体中各点温度分布的的总称。 温度场的分类 若物体各点的温度不随时间变化, 这种温度场称为稳态温度场。若温度随时间而变化, 则称为非稳态温度场。 等温线、等温面 温度场中同一瞬时温度相同的各点连成的面称为等温面, 在任何一个二维的截面上等温面表现温等温线。 温度梯度 等温线法线方向上的温度变化率。

焊接温度场的影响因素 (1) 热源种类及规范 (2) 被焊工件的热物理性质 1) 导热系数； 2) 比热容和容积比热容； 3) 热扩散率； 4) 比热焓； 5) 表面散热系数 (3) 焊件的形态 (4) 热源作用时间和移动速度 焊接温度场按热源作用方式可分为以下几类：

2、焊接电弧简介 §2.1 电弧的基本概念

STSTTS210lim 定义: 电弧是一种特殊的气体放电现象，它是带电粒子通过两电极之间气体空间的一种导电过程(电极与工件之间气体介质中长时间的放电现象)。 作用: 实现了将电能转化为机械能、热能和光能。电 弧导电机制与金属中自由电子定向移动导电机制不同 的是, 电弧中电子、正离子、负离子都参与导电, 是 复杂的导电过程。 分区: 沿电弧方向电场强度分布不均匀, 分为三个区域: 阴极 区、阳极区和弧柱区。 (1) 阴极、阳极区尺寸很小, 约为10-2-10-6cm (2) 电场分布的不均匀性表明电弧电阻的非线性。

§2.2 电弧的产热

1、弧柱产热(约占总热量的21%) 带电粒子(电子和正离子)在电场作用下, 将电能转化成为热能: 电子的运动速度比正离子运动速度大得多, 因而从电源吸取电能转化为热能的作用几乎完全由电子来承担, 进而将电能转化为热能: 特征： (1) 单位弧长弧柱的电能EI——大小决定了弧柱产热量的大小。 (2) 电弧处于稳定状态时，弧柱的产热与弧柱的热损失(对流>80%,传导和热辐射: 20%)处于动态平衡状态。 2、阴极区的产热(约占总热量的36%) 阴极区靠近电极或者工件，其产热直接影响焊接过程中电极或者工件所受到的热的作用。 阴极区有两种粒子：电子和正离子, 这两种粒子不断的产生、运动和消失, 同时伴随着能量转换与传递。但电子流占整个电流的99%以上, 所以电子流对于阴极产热影响很大。 Pk=IUk-IUw-IUT Uk阴极压降; Uw逸出电压; UT弧柱温度等效电压 3、阳极区的产热(约占总热量的43%) Pa=IUa+IUw+IUT 热量主要用于对阳极的加热和阳极的热量损失。 阳极区和阴极区的热量主要用于加热填充材料或者焊件，是焊接过程可以直接 电弧温度、

电流密度和能量密度轴向分布示意图 利用的能量。 §2.3 电弧的温度分布

电弧温度、电流密度和能量密度轴向分布示意图 TIG电弧温度径向分布示意图(SUS304不锈钢) §2.4 电弧的能量密度

能量密度 采用某热源加热工件时, 单位面积上的有效热功率, 单位为：W/cm2。 *同一工艺在不同的位置上的能量密度也不同; *能量密度大的时候, 可有效利用热源熔化金属,并减小热影响区, 获得窄而深的焊缝,有利于提高焊接生产率。

3、焊丝(条)的加热与熔化 §3.1 焊丝的加热、熔化

*熔化极电弧焊：焊丝的熔化主要依靠阴极区(正接)或者阳极区(反接)产生的热量以及焊丝伸出长度上的电阻热。弧柱区产生的热量对于焊丝的加热熔化作用比较小。 *非熔化极电弧焊：弧柱区产热熔化焊丝。 *熔化系数：单位时间内通过单位电流时焊丝的熔化量[g/(A.h)] 一、电弧热 阴极区：Pk=IUk-IUw-IUT≈ I(Uk-Uw) Uk阴极压降; Uw逸出电压; UT弧柱温度等效电压(电弧温度6000K时: 小于1V)。 焊丝接负时： 焊丝的加热与熔化取决于(Uk-Uw)。很多因素影响阴极电子发射，即影响的Uk大小。 阳极区：Pa=IUa+IUw+IUT≈IUw Ua阳极压降(电流密度较大时：近似为0); Uw逸出电压; UT弧柱温度等效电压(电弧温度6000K时：小于1V )。 焊丝接正时： 主要取决于材料的电子逸出电压和电流的大小。当电流一定时，由于电子逸出电压为常数，此时焊丝熔化系数为定值。 熔化极气体保护焊时，焊丝材料为冷阴极材料，Uk>>Uw ，则Pk>Pw。 所以同种材料，在相同电流的作用下，焊丝作为阴极的产热将比焊丝作为阳极时产热多。因为散热条件相近，所以焊丝接负(直流正接)时比焊丝接正(直流反接)时熔化快。 二、电阻热 在自动和半自动焊时，从焊丝与导电嘴接触点到焊丝端头的一段焊丝（即焊丝伸出长度，称为干伸长，用Ls表示）有焊接电流通过，所产生的电阻热对焊丝有预热作用，从而影响焊丝的熔化速度。特别是焊丝比较细和焊丝的电阻系数比较大时（如不锈钢），这种影响更加明显。 Rs=ρLs /S PR=I2Rs 电阻热与干伸长的电阻以及通过的电流有关。 材料不同，则电阻率不同，相应的电阻就会不同；因此在相同干伸长，相同电流条件下，电阻热也不同。 *熔化极气体保护焊时，通常焊丝伸出长度Ls＝10~30mm，对于导电良好的铝和铜等金属，PR与Pa或Pk相比很小，可以忽略不计；而对于钢和钛等材料，电阻率高， PR与Pa或Pk相比很大。 *用于加热和熔化焊丝的总热量Pm是单位时间内电弧热和电阻热提供的能量。 §3.2 焊条的加热、熔化

SMAW: 加热和熔化焊条的能量有: 电阻热、电弧热以及药皮中的某些化学反应热, 但后者一般仅占1~3%, 可以忽略不计。 焊条的加热主要靠电弧热, 电弧用于加热和熔化焊条的功率Qe为: Qe＝ηeUI 式中: ηe、U、I分别为焊条加热有效系数、电压和电流。 焊条加热有效系数取决于焊接规范、电流极性、药皮成分和焊芯金属的过渡形态。 焊丝:ηe=0.31~0.35, 焊条:ηe=0.2~0.27。 Qe中有一部分能量用于熔化药皮、焊芯端部液态金属过热以及传导到焊芯里使其与药皮温度升高。

SMAW: 焊接电流通过焊芯时产生电阻热, 将使药皮温度升高。焊芯和药皮的加热温度取决于电流密度、焊芯电阻、焊芯的熔化速度、药皮厚度及其成分等。 *电流密度越大，焊芯达到温升越高。调节焊接电流密度是控制焊芯加热温度的有效办法。 *焊芯的电阻越大，其温升越高。 *焊条熔化越快，加热时间越短，其温升越低。 *药皮的成分和厚度影响焊芯表面的散热条件。药皮厚度增加，药皮表面的温度直线下降，但增加了焊芯与药皮之间的温差，增加了药皮开裂的倾向。 研究表明，调整药皮的成分，使焊条金属由短路过渡变成细颗粒过渡，可提高焊条的熔化速度，降低焊接终了时药皮的温度。 焊条的药皮一直是焊条研究的热点，到目前为止焊条药皮已有上万个配方。 严格控制焊芯或药皮的加热温度, 焊接结束时, 焊芯的温度不应超过600~650ºC。采用正常焊接规范, 药皮表面温升不大,但采用大电流密度施焊时, 药皮温度升高, 将产生不良后果： *焊芯在电弧作用下熔化过分激烈, 飞溅增加; *药皮开裂，或早脱落使电弧不稳定燃烧; *药皮组分之间过早发生发应，丧失其冶金性能; *焊缝成形变坏，甚至产生缺陷。 不锈钢焊条比较短：不锈钢电阻大。 焊条的熔化速度是焊接生产效率重要的参数, 试验表明, 焊条金属的熔化速度是变化的: 由于电流对焊芯的预热作用, 焊芯的熔化速度将越来越快, 终了时要比开始时大30％。因此, 焊条的熔化速度分为平均熔化速度和瞬时熔化速度。 式中: gM、 αp 、I分别为焊条金属平均熔化速度、焊条的熔化系数和焊接电流。 αp的意义为单位时间内单位电流熔化的焊条金属的质量[g/h·A]。 熔化的焊条金属并不是全部进入焊缝，而是有一部分通过飞溅等方式损失掉，引入“平均熔敷速度”的概念，用“单位时间内熔覆到焊缝金属中去的那部分金属的质量”表示。

式中: gD、 αH 、I分别为焊条金属平均熔化速度、焊条的熔敷系数和焊接电流。 电流密度较大时， αP和αH 都不是常数。 焊条的损失系数：

如果药皮中含有金属添加剂，设其单位时间内进入焊缝的速度为 gC, 则焊条的损失系数为： 药皮中金属添加剂可以减少焊芯金属的损失。 焊条瞬时熔化速度取决于两方面的因素: (1) 电弧在焊芯或焊丝端部析出的热能, Ha (2) 通过熔滴传递到焊芯或焊丝内的能量, Hc 提高焊条熔化速度的主要途径: 1. 增加电弧在焊条端部析出的热功率; 2. 获得高频细滴过渡—传到焊芯上的能量减少; 3. 使电弧活性斑点位于固态焊丝与熔滴的界面处—有效加热; 4. 在药皮中加入铁粉或其他金属添加剂; 5. 适当增加电阻热的作用—预热。

4、熔滴过渡 §4.1 熔滴定义、研究意义

熔滴过渡的定义： 电弧焊时，焊丝的末端在电弧的高温作用下加热熔化，形成的熔滴通过电弧空间向熔池转移的过程，称为熔滴过渡。 焊丝形成的熔滴作为填充金属与熔化的母材共同形成焊缝。因此，熔滴的过渡过程将对焊接过程和焊缝质量产生直接的影响。 熔滴过渡的研究意义 ①熔滴过渡直接影响焊接过程的稳定性、飞溅程度、焊缝成形的优劣和焊接缺陷产生的可能性;(工艺性能) ②熔滴的形态、长大时间、比表面积和温度对金属与熔渣和气体的相互作用过程具有强烈影响;(物理冶金性能) ③在一定条件下改变熔滴过渡的特性可以调节焊接热输入，从而可以控制焊缝金属的结晶过程，改变HAZ的尺寸和性能;(冶金过程) ④调整熔滴过渡可以提高焊丝的熔化速度。(生产效率) §4.2 熔滴上的作用力

1、表面张力

IgpMIgHDMDMDMggg

gg1

CMDCMDCMgggggggg

1