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Y CF（中职）熔焊基础与金属材料焊接第二章电子教案第2 章焊接冶金基础 2.1 焊接热过程 2.2 焊缝成型 2.3 焊接化学冶金 2.4 焊接缺陷返回2.1 焊接热过程 2.1.1 焊接热源 实现焊接过程必须由外界提供相应的能量，也就是说，能源是实现焊接的基本条件。从实现焊接所用能源的本质来看，主要是热能。对于熔化焊接来讲，所用的能源主要是热能源。熔焊时，要对焊件进行局部加热。由于金属具有良好的导热性，加热时热量必然会向金属内部流动。为保证焊接区金属能够迅速达到熔化状态，并防止加热区过宽，要求焊接热源具备温度高且热量集中的特点，即热源温度应明显高于被焊金属的熔点且加热范围小。1.常用焊接热源 焊接热源的种类很多，生产中常用的焊接热源及其适用的焊接方法如表2-1 所示。下一页 返回2.1 焊接热过程 上述热源中，用于熔焊的焊接热源有电弧、化学反应热、等离子弧、激光束、电子束等。其中以电弧应用最为广泛。2.焊接热源的主要特征 热源的性能不仅影响焊接质量，而且对焊接生产率有着决定性的作用。先进的焊接技术要求热源能够进行高速焊接，并能获得致密的焊缝和最小的加热范围。通常从以下三个方面对焊接热源进行对比。最小加热面积。即在保证热源稳定的条件下加热的最小面积。最大功率密度。热源在单位面积上的最大功率。在功率相同时，热源加热面积越小，则功率密度越高，表明热源的集中性越好。上一页 下一页 返回2.1 焊接热过程 在正常焊接参数下能达到的温度。温度越高，则加热速度越高，因而可用来焊接高熔点金属，具有更宽的应用范围。不同热源的上述三个特性是不同的(如表2-2 所示)，理想的热源应该具有加热面积小、功率密度高、加热温度高等特点。3.焊接过程中的热效率 焊接时，热源所产生的热量并不能全部得到利用，其中有一部分损失于周围介质和飞溅中。也就是说，真正用于焊接的热量只是由热源提供热量的一部分。假设由热源提供的热量为Q0，而有效地用于加热焊件的热量为，那么热效率刀的定义:上一页 下一页 返回2.1 焊接热过程 在一定条件下，热效率是个常数，它主要取决于焊接方法、焊接规范和焊接材料的种类(焊条、焊剂、保护气体等)，同时，电流种类、极性、焊接速度以及焊接位置等对热效率也有影响。热效率一般根据实验测定，不同焊接方法的热效率值见表2-3。应该说明的是，热效率值虽然代表了热源能量的利用率，但并不意味着其包含的热量全部得到了“有效”的应用，因为母材所吸收的热量并不全用于金属熔化，其中传导于母材内部的那一部分使得近缝区母材的温度升高，以致组织发生变化而形成热影响区。上一页 下一页 返回2.1 焊接热过程 2.1.2 焊接温度场 1.焊接温度场的概念及特点 焊接时，焊件上各点的温度不同，并随时间而变化。焊接过程中某一瞬间焊接接头上各点的温度分布状态称为焊接温度场。焊接温度场可用列表法、公式法或图像法表示，其中最常用最直观的方法是图像法，即用等温线或等温面来表示。所谓等温线或等温面，就是温度场中温度相等各点的连线或连面。因为在给定温度场中，任何一点不可能同时有两个温度，因此不同温度的等温线(面)绝对不会相交，这是等温线(面)的重要性质。上一页 下一页 返回2.1 焊接热过程 绘制等温线(面)时，通常以热源所处位置作为坐标原点O，以热源移动方向为X 轴，焊件宽度方向为Y 轴，焊件厚度方向为Z 轴，如图2-1(a)所示。如工件上等温线(面)确定，即温度场确定，则可以知道工件上各点的温度分布。例如，已知焊接过程中某瞬时XOY 面等温线表示的温度场图2-1(b)，则可知道该瞬时XOY 面任一点的温度情况。同样也可画出X 轴上和Y 轴上各点的温度分布曲线，如图2-1(c)、图2-1(d)所示。由图2-1 可知，沿热源移动方向温度场分布不对称。热源前面温度场等温线密集，温度下降快;热源后面等温线稀疏，温度下降较慢，如图2-1(b)、图2-1(c)所示。上一页 下一页 返回2.1 焊接热过程 这是因为热源前面是未经加热的冷金属，温差大，故等温线密集;而热源后面的是刚焊完的焊缝，尚处于高温，温差小，故等温线稀疏。热源运动对两侧温度分布的影响相同，如图2-1(a)所示。因此，整个温度场对Y 轴分布不对称，而对X 轴的分布保持对称。2.影响温度场的因素(1)热源的性质及焊接工艺参数 热源的性质不同，温度场的分布也不同。热源的能量越集中，则加热面积越小，温度场中等温线(面)的分布越密集。同样的焊接热源，焊接工艺参数不同，温度场的分布也不同。在焊接工艺参数中，热源功率和焊接速度的影响最大。上一页 下一页 返回2.1 焊接热过程 当热源功率一定时，焊接速度增加，等温线的范围变小，即温度场的宽度和长度都变小，但宽度减小得更大些，所以温度场的形状变得细长。当焊接速度一定时，随热源功率的增加，温度场的范围随之增大。另外，当P/v 一定时，等比例改变P 和v，等温线有所拉长，温度场范围也随之拉长。(2)焊件的热物理性质 焊件(被焊金属)的热导率、比热容、传热系数等对焊接温度场的影响较大。例如，在线能量与工件尺寸一定时，热导率小的不锈钢600 以上高温区比低碳钢大，而热导率高的铝、纯铜的高温区要小得多。这是因为热导率大时，热量很快向金属内部流失，热作用的范围大，但高温区域却缩小了。上一页 下一页 返回2.1 焊接热过程 因此，焊接不同的材料，应选用合适的焊接热源及工艺参数。(3)焊件的几何尺寸及状态 焊件的几何尺寸影响导热面积和导热方向。根据焊件的尺寸不同，可形成点状热源、线状热源和面状热源三种。当工件尺寸厚大时，如图2-2(a)所示，热量可沿X、Y、Z 三个方向传递，属于三向导热，热源相对于工件尺寸可看做点状热源。当工件为尺寸较大的薄板时，如图2-2(b)所示，可认为工件在厚度方向不存在温差，热量沿X、Y 方向传递，是二向导热，可将热源看做线状热源。如果工件是细长的杆 件，只在X 方向存在温差，是属于单向导热，热源可看做面状热源，如图2-2(c)所示。上一页 下一页 返回2.1 焊接热过程 焊件的状态(如预热、环境温度)不同，等温线的疏密也不一样。预热温度和环境温度越高，等温线分布越稀疏。(4)被焊金属所处的条件 被焊金属所处的条件(如预热温度，环境温度)不同时，对温度场也有影响。工件经过预热或环境温度升高，使原始温度升高，减小了热源中心与周围金属的温度差，而使传导向金属内部的热量减少，工件上温度分布更为均匀，等温线比不预热时稀疏。另外，产品的结构、接头形式、坡口形式与尺寸、间隙大小、焊接顺序等因素对温度场都有不同程度的影响。上一页 下一页 返回2.1 焊接热过程 2.1.3 焊接热循环 在焊接热源作用下，焊件上某点的温度随时间变化的过程称为焊接热循环。焊接热循环是针对某个具体的点而言的。当热源向该点靠近时，该点温度升高，直至达到最大值，随着热源的离开，温度又逐渐降低。热循环一般用温度一时间曲线来表示，图2-3 为典型的焊接热循环曲线。1.焊接热循环参数(1)加热速度(vH)加热速度是指热循环曲线上加热段的斜率大小。焊接时的加热速度比热处理时要大得多。上一页 下一页 返回2.1 焊接热过程 随着加热速度提高，相变温度也提高，从而影响接头加热、冷却过程中的组织转变。影响加热速度的因素有焊接方法、工艺参数、焊件成分及工件尺寸等。(2)最高加热温度(Tm)最高加热温度是焊接热循环中最重要的参数之一，又称为峰值温度。焊接时，焊件上各点的峰值温度不同，取决于该点至焊缝中心的距离。焊件上各部位最高加热温度不同，可发生再结晶、重结晶、晶粒长大及熔化等一系列的变化，从而影响接头冷却后组织与性能。因此，在研究焊接接头的组织变化时，就是按最高加热温度划分区域的。上一页 下一页 返回2.1 焊接热过程(3)相变温度以上停留时间(tH)对一般低碳钢、低合金钢来说，略高于相变温度Ac3并保温一定时间，有利于奥氏体化过程的充分进行，但温度太高(如1100 以上)则将发生晶粒长大现象。一般来说，温度越高，晶粒长大所需时间越短，相变温度以上高温区(1100)停留时间越长，晶粒长大越严重，接头的组织与性能越差。焊接时，由于近缝区必然要在相变温度以上的高温停留，热影响区中不可避免地会发生晶粒粗化的现象。在某些条件(如电渣焊或大线能量的埋弧焊)下，晶粒粗化会对焊接质量带来明显影响，需采取必要的辅助措施加以防止。上一页 下一页 返回2.1 焊接热过程(4)指定温度下的冷却速度(t8/5)冷却速度是指热循环曲线上冷却阶段的斜率大小。冷却速度不同，冷却后得到的组织与性能也不一样。对于低碳钢和低合金钢来说，一般常用接头从800 500 所需时间(t8/5，此温度范围为相变最激烈的温度范围)来表示冷却速度。因为这个温度区域正好是焊接接头金属的固态相变区，其值大小对接头金属的转变、过热和淬硬倾向都有影响。t8/5越小，表示冷却速度越大。2.多层焊的焊接热循环 上面所述的是单层单道焊时的热循环，在实际生产中常采用多道焊或多层焊。上一页 下一页 返回2.1 焊接热过程 多层焊的热循环实际是由多个单层焊热循环叠加而成，相邻焊缝之间具有预热或后热作用。按照实际生产中的不同要求，多层焊又可分为长段多层焊与短段多层焊。(1)长段多层焊的焊接热循环 习惯上将每道焊缝的长度在1m 以上的多层焊称为长段多层焊。由于焊道较长，在焊完前一层后再焊下一层时，前层焊道已冷却到较低的温度(一般在200 以下)，其热循环如图2-4 所示。可见，前层焊道对后层焊道可起到预热作用，而后层焊道对前层则起到了后热作用。为了防止最后一层焊缝金属因冷却速度过大而淬硬，可以多加一层退火焊道以提高焊接质量。上一页 下一页 返回2.1 焊接热过程 需要说明的是，在焊接淬硬倾向较大的材料(如某些调质钢)时，如采用长段多层焊，则有可能在焊下一层焊道前，前层焊道已因形成硬脆组织而开裂。此时，应采取必要的辅助措施(如预热、层间保温)加以配合。(2)短段多层焊的焊接热循环 一般每层焊道长度在50 400 mm 时，称为短段多层焊。这样，在焊下层焊道时，前层焊道的温度可保持在Ms点以上，短段多层焊的焊接热循环如图2-5 所示。由图可以看出，1 点在整个焊接过程中在Ac3以上停留的时间较短，避免了奥氏体的晶粒粗化;但在Ac3以下的冷却速度又比较低，防止了淬硬组织的形成。上一页 下一页 返回2.1 焊接热过程 4 点则是在前几层施焊产生的预热作用的基础上焊接，在焊缝长度适当时，仍可保证在Ac3以上停留较短的时间。为了防止最后的焊道形成淬硬组织，可另加退火焊道以保证过冷奥氏体有足够的时间分解。短段多层焊适用于焊接过热倾向大而又容易淬硬的金属。但因操作繁琐，生产率很低，只在很有必要时才应用。3.影响焊接热循环的因素(1)焊接热输入上一页 下一页 返回2.1 焊接热过程 焊接热输入是指焊接时由焊接能源输入给单位长度焊缝上的热能，焊接热输入是综合焊接电流、电弧电压、焊接速度的参数，其计算公式如下:式中 单位长度焊缝的热输入(J/mm);I 焊接电流(A);U 电弧电压(V);v 焊接速度(mm/s);上一页 下一页 返回2.1 焊接热过程 热效率(焊条电弧焊时:=0.70.8;埋弧焊时:=0.80.95 TIG 时:=0.5);由焊接热输入计算公式可知，当焊接电流或电弧电压越大，而焊接速度不变或减小，则焊接热输入越大;当焊接速度越大，而焊接电流或电弧电压不变或减小，则焊接热输入越小。由此可知，焊接热输入越大，在高温停留的时间就越长，焊后的冷却速度也就变慢。焊接热输入变小，在高温停留的时间也变短，焊后的冷却速度将变快。(2)焊接方法 焊接方法不同，加热速度、高温停留时间、焊后冷却速度及焊接热输入都有所不同。上一页 下一页 返回2.1 焊接热过程 如:氧乙炔气焊的加热速度较慢，高温停留的时间较长，冷却速度也较慢;手工钨极氩弧焊焊接时，不仅加热速度快，冷却的速度也快，而且在高温停留的时间也较短。由此可见，焊接方法不同，应用的焊接参数也不同，焊接热输入也就不同。常见焊接方法的热输人见表2-4。(3)焊前预热 在焊接热输入相同的情况下，焊前预热可以降低焊后冷却速度，但不会增加在高温停留的时间。所以，焊前预热不会使焊缝组织晶粒粗化加剧，力学性能变差，相反却可以避免焊缝组织淬硬，是比较理想的防止裂纹产生的工艺措施。上一页 下一页 返回2.1 焊接热过程(4)层间温度 层间温度是指在多层多道焊缝焊接时，在施焊后续焊道之前，其相邻焊道应保持的温度。控制层间温度可降低冷却速度，促使扩散氢的逸出。(5)其他因素 焊件尺寸。当线能量不变和板厚较小时，板宽增大，t8/5明显下降，但板宽增大到150mm 以后，t8/5变化不大。当板厚较大时，板宽的影响不明显。焊件厚度越大，冷却速度越大，高温停留时间越短。接头形式。接头形式不同，接头的散热面不同，导热情况不同。同样板厚的X 形坡口对接接头比V 形坡口对接接头的冷却速度大，角焊缝比对接焊缝的冷却速度大。上一页 下一页 返回2.1 焊接热过程 热导率。热导率大的材料，焊接过程中冷却速度快，焊件在高温停留的时间短;热导率小的材料，焊接过程中冷却速度慢，高温停留的时间稍长。焊道长度。焊道越短，其冷却速度越大。焊道短于40mm 时，冷却速度急剧增大。4.焊接热循环的调整方法 根据上述影响焊接热循环的因素的分析可知，在生产中通常要对焊接热循环进行调整，以满足焊接接头组织和性能的要求。生产中一般可从以下几个方面着手。上一页 下一页 返回2.1 焊接热过程(1)根据被焊金属的成分和性能选择合适的焊接方法。(2)合理地选用焊接工艺参数。(3)采用预热或缓冷等措施来降低冷却速度。(4)调整多层焊的焊道数和层间温度。单道焊时，为了保证焊缝及焊缝尺寸，线能量只能在很窄范围内调整;多道焊时，通过调整焊道数可在较大范围内调整线能量，从而调整焊接热循环。层间温度应等于或略高于预热温度，以保证降低冷却速度。上一页 下一页 返回2.1 焊接热过程(5)利用短段多层焊。对于焊件上的某点而言，只有在离此点最近的一层焊缝焊接时，最高加热温度最高，其他层焊接时，最高加热温度较低，相当于起到了缓冷或预热的作用。但可缩短Ac3以上高温的停留时间。因此，短段多层焊可解决高温停留时间和冷却速度难以同时降低的矛盾，改善焊接接头的组织。上一页 返回2.2 焊缝成型 2.2.1 填充金属材料的加热与熔化 1.填充金属材料的加热及熔化 电弧焊时，用于加热、熔化填充金属材料(焊条或焊丝)的热源有电弧热和电阻热。熔化极电弧焊时，填充金属材料的熔化主要靠阴极区(正接)或阳极区(反接)所产生的热量及焊丝伸出长度上的电阻热。非熔化极电弧焊(如钨极氩弧焊或等离子弧焊)的填充焊丝主要靠弧柱区产生的热量熔化。填充金属材料的熔化速度通常以单位时间内焊条或焊丝的熔化长度(m/h 或m/min)或熔化质量(kg/h 表示;熔化系数(或称比熔化速度)则是指每安培焊接电流在单位时间内所熔化的焊丝质量(gA-1h-1)。下一页 返回2.2 焊缝成型 填充金属材料的熔化速度主要取决于单位时间内用于加热和熔化焊条或焊丝的总能量。在实际焊接中，用于加热和熔化填充金属材料的总能量取决于焊接工艺参数和焊接条件，如焊接电流和电压、焊丝的伸出长度、保护介质、焊丝材料的物理性能和表面状态以及电源特性等。填充金属材料的熔化特性是指焊条或焊丝的熔化速度vm和焊接电流I之间的关系，它主要与焊丝材料及直径有关。焊丝材料不同，其物理性能(包括电阻率、熔化系数)不同，在其他条件相同的情况下，焊丝的电阻率和熔化系数越大，焊丝熔化速度越快;反之，熔化速度越慢。对于一定成分和直径的焊丝，其熔化速度也要随焊接电流与焊 丝伸出长度的变化而改变。上一页 下一页 返回2.2 焊缝成型 在采用熔化极电弧焊进行焊接时，必须使焊丝的熔化速度等于送丝速度，才能建立稳定的焊接过程。对于不同成分和直径的焊丝，如果有了现成的熔化特性曲线图，则焊接时只要根据此图就可大致确定焊接电流的大小。2.2.2 熔滴过渡 电弧焊时，在填充金属材料端部形成的，并向熔池过渡的滴状液态金属称为熔滴。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。焊条(丝)形成的熔滴作为填充金属与熔化的母材共同形成焊缝。1.熔滴上的作用力 电弧焊时，在电弧热作用下焊丝或焊条端部受热熔化形成熔滴。上一页 下一页 返回2.2 焊缝成型 熔滴上的作用力是影响熔滴过渡及焊缝成型的主要因素。根据熔滴上的作用力来源不同，可将其分为重力、表面张力、电弧力、熔滴爆破力和电弧气体的吹力。(1)重力 重力对熔滴过渡的影响依焊接位置的不同而不同。平焊时，熔滴上的重力促使熔滴过渡;而在立焊及仰焊位置则阻碍熔滴过渡，如图2-6 所 示。重力Fg可表示为:式中 r 熔滴半径;熔滴密度;g 重力加速度。上一页 下一页 返回2.2 焊缝成型(2)表面张力 表面张力是指焊丝端头上保持熔滴的作用力，用F表示，大小为:式中R 焊丝半径;表面张力系数。的数值与材料成分、温度、气体介质等因素有关。表2-5 列举了一些纯金属的表面张力系数。平焊时，表面张力F阻碍熔滴过渡(见图2-6)，因此，只要是能使F减小的措施都将有利于平焊时的熔滴过渡。上一页 下一页 返回2.2 焊缝成型 由式 可知，使用小直径及表面张力系数小的焊丝就能达到这一目的。除平焊之外的其他位置焊接时，表面张力对熔滴过渡有 利。若熔滴上含有少量活化物质(如O2、S 等)或熔滴温度升高，都会减小表面张力系数，有利于形成细颗粒熔滴过渡。(3)电弧力 电弧力指电弧对熔滴和熔池的机械作用力，包括电磁收缩力、等离子流力、斑点力等。电弧力对熔滴过渡的作用不尽相同，需根据不同情况具体分析。电磁收缩力形成的轴向推力以及等离子流力可在熔化极电弧焊中促使熔滴过渡;斑点力总是阻碍熔滴过渡的作用力。上一页 下一页 返回2.2 焊缝成型 但有一点必须指出，电弧力只有在焊接电流较大时才对熔滴过渡起 主要作用，焊接电流较小时起主要作用的往往是重力和表面张力。(4)熔滴爆破力 当熔滴内部因冶金反应面生成气体或含有易蒸发金属时，在电弧高温作用下将使气体积聚、膨胀而产生较大的内压力，致使熔滴爆破，这一内压力称为熔滴爆破力。它在促使熔滴过渡的同时也产生飞溅。(5)电弧的气体吹力 电弧的气体吹力出现在焊条电弧焊中。焊条电弧焊时，焊条药皮的熔化滞后于焊芯的熔化，这样在焊条的端头形成套筒，如图2-7 所示。上一页 下一页 返回2.2 焊缝成型 此时药皮中造气剂产生的气体及焊芯中碳元素氧化的CO气体在高温作用下急剧膨胀，从套筒中喷出作用于熔滴。不论是何种位置的焊接，电弧气体吹力总是促进熔滴过渡。2.熔滴过渡形式及特点 在电弧热的作用下，焊丝末端加热熔化形成熔滴，并在各种力的作用下脱离焊丝进入熔池，称之为熔滴过渡。熔滴过渡过程不但影响电弧的稳定性，而且对焊缝成型和冶金过程也有很大的影响，熔滴过渡过程十分复杂，主要过渡形式有自由过渡、接触过渡和渣壁过渡三种。各种过渡所对应的熔滴及电弧形状如图2-8 所示。上一页 下一页 返回2.2 焊缝成型(1)自由过渡 自由过渡是指熔滴经电弧空间自由飞行，焊丝端头和熔池之间不发生直接接触的过渡方式。如果过渡的熔滴直径比焊丝直径大时，称为滴状过渡(见图2-8 中1 所示);过渡的熔滴直径比焊丝直径小时，则称为喷射过渡(见图2-8 中2 所示);在电弧气氛或保护气体中含有CO2气体时，有时会发生爆炸现象，使部分熔滴金属爆炸成为飞溅，而只有部分金属得以过渡，这种形式称为爆破过渡(见图2-8 中3 所示)。常用的自由过渡是滴状过渡和喷射过渡。滴状过渡。滴状过渡时电弧电压较高，根据电流大小、极性和保护气体的种类不同，滴状过渡又分为粗滴过渡和细滴过渡。上一页 下一页 返回2.2 焊缝成型l 粗滴过渡。当电流较小而电弧电压较高时，弧长较长，熔滴不与熔池短路接触，熔滴尺寸逐渐长大。当重力足以克服熔滴的表面张力时，熔滴便脱离焊丝端部进入熔池(小电流时电弧力忽略)。粗滴过渡时熔滴存在时间长，尺寸大，飞溅也大，电弧的稳定性及焊缝质量都较差。l 细滴过渡。与粗滴过渡相比，细滴过渡电流较大，相应的电磁收缩力增大，表面张力减小，熔滴存在时间缩短，熔滴细化，过渡频率增加。电弧稳定性较高，飞溅较少，焊缝质量提高。细滴过渡广泛应用于生产中。气体介质不同或焊接材料不同时，细滴过渡特点又有不同。上一页 下一页 返回2.2 焊缝成型 在CO2气体保护电弧焊和酸性焊条电弧焊中，熔滴呈非轴向过渡;而在铝合金熔化极氩弧焊或较大电流活性气体保护焊焊钢件时，熔滴呈轴向过渡。相比之下，前者比后者飞溅大。喷射过渡。喷射过渡容易出现在以氩气或富氩气体作保护气体的焊接方法，如熔化极氩弧焊、活性气体保护焊中。喷射过渡时，细小的熔滴从焊丝端部连续不断地以高速度冲向熔池(加速度可达重力加速度的几十倍)，过渡频率快，飞溅少，电弧稳定，热量集中，对焊件的穿透力强，可得到焊缝中心部位熔深明显增大的指状焊缝。喷射过渡适合焊接厚度大于3 mm 的焊件，不适宜焊接薄板。上一页 下一页 返回2.2 焊缝成型 喷射过渡形成机理如图2-9 所示。在氩或富氩(质量分数大于80%)保护气体中，当焊接电流较小时，电弧与熔滴的形态如图2-9(a)所示。此时电磁收缩力比较小，所以熔滴在重力作用下呈大颗粒状过渡。随着焊接电流的增加，电弧的电极斑点笼罩面积逐渐扩大，以致达到熔滴的根部，如图2-9(b)所示。这时熔滴与焊丝间形成细颈，全部电流都通过细颈流过，该处电流密度很高，细颈被过热，其表面将产生大量金属蒸气，从而使细颈表面具备了产生电极斑点的有利条件，电弧将从熔滴根部跳至细颈根部，如图2-9(c)所示。形成跳弧现象之后，焊丝末端已经存在的熔滴脱离焊丝，电弧随之变成图2-9(d)所示的圆锥形状。上一页 下一页 返回2.2 焊缝成型 这种形态有利于形成较强的等离子流，使焊丝末端的液态金属被削成铅笔尖状。在各种电弧力作用下，铅笔尖状的液态金属以细小颗粒连续不断地冲向熔池。因这种喷射过渡熔滴细小，过渡频率及速度 都较高，通常也称为射流过渡。(2)接触过渡 接触过渡是指焊丝(或焊条)端部的熔滴与熔池表面通过接触而过渡的方式。根据接触之前熔滴的大小不同，该过渡方式又可分为两种形态:小滴时电磁收缩力的作用大于表面张力，通常形成短路过渡(如图2-8 中4 所示);大滴时表面张力作用大于电磁收缩力，靠熔滴和熔池表面接触后所产生的表面张力使之过渡，称为搭桥过渡(如图2-8 中5 所示)。上一页 下一页 返回2.2 焊缝成型 短路过渡。电弧引燃后，随着电弧的燃烧，焊丝(或焊条)端部熔化形成熔滴并逐步长大。当电流较小、电弧电压较低时，弧长较短，熔滴未长成大滴就与熔池接触形成液态金属短路，电弧熄灭，随之金属熔滴过渡到熔池中去。熔滴脱落之后电弧重新引燃，如此交替进行，这种过渡形式称为短路过渡。在熔化极电弧焊中，使用碱性焊条的焊条电弧焊及细丝(直径大于1.6mm)气体保护电弧焊，熔滴过渡形式主要为短路过渡。短路过渡由燃弧和熄弧(短路)两个交替的阶段组成，电弧燃烧过程是不连续的。图2-10 所示为短路过渡过程及其电弧电压和焊接电流动态波形图。上一页 下一页 返回2.2 焊缝成型 电弧引燃后(2-10 中1),焊丝受热的作用端头开始熔化并形成熔滴(如图2-10 中2 所示);随着焊丝的熔化，熔滴继续长大(如图2-10 中3 所示)，此时电弧向焊丝传递的热量减少，焊丝的熔化速度减慢，而焊丝仍以一定的速度送进，送丝速度比熔化速度快，使熔滴接触熔池造成短路(如图2-10 中4 所示);短路瞬时电弧熄灭，电弧电压急剧下降;随着短路 电流的迅速上升，在电磁收缩力和其他电弧力的共同作用下，熔滴与焊丝之间形成缩颈(如图2-10 中5 所示)，并逐渐变细(如图2-10 中6 所示);当短路电流上升到一定数值时，缩颈爆断，熔滴过渡到熔池中，电弧电压迅速恢复到空载电压，电弧重新引燃(如图2-10 中7 所示);此后重复上述过程。上一页 下一页 返回2.2 焊缝成型 短路过渡具有以下特点。l 短路过渡是燃弧、熄弧交替进行的。燃弧时电弧对焊件加热，熄弧时熔滴形成缩颈过渡到熔池。通过对短路过渡时电弧的燃烧及熄灭时间进行调节，就可调节对焊件的热输入，控制焊缝形状(主要是焊缝厚度)。l 短路过渡时，平均焊接电流较小，而短路电流峰值又相当大，这种电流形式既可避免薄板的焊穿，又可保证熔滴过渡的顺利进行，有利于薄板焊接或全位置焊接。l 短路过渡时，一般使用小直径的焊丝或焊条，电流密度较大，电弧产热集中，焊丝或焊条熔化速度快，因而焊接速度快。上一页 下一页 返回2.2 焊缝成型 同时，短路过渡的电弧弧长较短，焊件加热区较小，可减小焊接接头热影响区宽度和焊接变形量，提高焊接接头质量。搭桥过渡。上面讨论的是熔化极电弧焊熔滴过渡情况。实际焊接中，与短路过渡相似的还有一种搭桥过渡，这种过渡出现在非熔化极填丝电弧焊或气焊中。因焊丝一般不通电，因此不称为短路过渡。搭桥过渡时，焊丝在电弧热作用下熔化形成熔滴与熔池接触，在表面 张力、重力和电弧力作用下，熔滴进入熔池，如图2-11 所示。(3)渣壁过渡 渣壁过渡是熔滴沿着熔渣的壁面流入熔池的一种过渡形式。上一页 下一页 返回2.2 焊缝成型 这种过渡方式只出现在埋弧焊和焊条电弧焊中。埋弧焊时熔滴沿熔渣壁过渡(如图2-8 中6 所示);焊条电弧焊时熔滴沿药皮套筒壁过渡(如图2-8 中7 所示)。埋弧焊时，电弧在熔渣形成的空腔内燃烧，熔滴主要通过渣壁流入熔池，只有少量熔滴通过空腔内的电弧空间进入熔池。埋弧焊的熔滴过渡频率及熔滴尺寸与极性、电弧电压和焊接电流有关。直流反接时，若电弧电压较低，则气泡较小，形成的熔滴较细小，沿渣壁以小滴状过渡，频率较高，每秒可以达几十滴;直流正接时，以粗滴状过渡，频率较小，每秒仅10 滴左右。熔滴过渡频率随电流的增加而增大，这一特点在直流反接时表现得尤为明显。上一页 下一页 返回2.2 焊缝成型 焊条电弧焊时，熔滴过渡形式可能有四种:渣壁过渡、粗滴过渡、细滴过渡和短路过渡，过渡形式取决于药皮成分和厚度、焊接参数、电流种类和极性等。当采用厚药皮焊条焊接时，焊芯比药皮熔化快，使焊条端头形成有一定角度的药皮套筒，控制熔滴沿套筒壁落入熔池，形成渣壁过渡。2.2.3 母材熔化与焊缝成型 熔焊时，当焊接热源作用于母材，母材金属瞬时被加热熔化，在焊件上所形成的具有一定几何形状的液态金属部分称为熔池。母材的熔化程度主要由焊接电流决定。上一页 下一页 返回2.2 焊缝成型 熔池不是在瞬间形成的，其尺寸和质量均是从零增加到某一个极限值，然后进入一个稳定时期，这时熔池的形状、尺寸和液体金属量变化极小。母材的熔化速度等于熔池的结晶速度，熔池随着电弧向前移动作同步运动。熔池的液体金属量(不加填充材料时，由熔化的母材组成;加填充材料时，由熔化的母材和填充材料组成)随着电弧的功率增加而急剧增大，随着焊接速度的增加而减少。焊条电弧焊熔池的液体金属量在0.616 g 范围内，通常在5g 以下。埋弧焊的熔池，即使焊接电流很大，其熔池金属量也不超过100g。上一页 下一页 返回2.2 焊缝成型 1.焊缝形成过程 在电弧热的作用下焊条(丝)与母材被熔化，在焊件上形成一个具有一定形状和尺寸的液态熔池。随着电弧的移动，熔池前端的焊件不断被熔化进入熔池中，熔池后部则不断冷却结晶形成焊缝，如图2-12 所示。熔池的形状不仅决定了焊缝的形状，而且对焊缝的组织、力学性能和焊接质量有重要的影响。熔池各区域的温度不均匀分布决定了熔池的凝固有先后之分。对于一定的焊件来说，熔池的体积主要由电弧的热作用确定，而熔池的形状却主要决定于电弧对熔池的作用力(包括电弧的静态和动态电磁压力、熔滴过渡的冲击力、液体金属的重力和表面张力等)。上一页 下一页 返回2.2 焊缝成型 在电弧压力的作用下可在熔池表面形成凹坑，且电流密度越高、电弧动压力越大，则熔池表面的凹坑将越深。熔滴过渡的机械冲击力一也会对熔池表面形状产生很大的影响，由于喷射过渡时的冲击力比较大，所以会使熔池形成很深的凹坑。接头的形式和空间位置不同，则重力和表面张力对熔池的作用也不同;焊接工艺方法和焊接参数不同，则熔池的体积和熔池的长度等都不同。平焊位置时熔池处于最稳定的位置，容易得到成型良好的焊缝。在生产中常采用焊接翻转机或焊接变位机等装置来回转或倾斜焊件，使接头处于水平或船形位置进行焊接。上一页 下一页 返回2.2 焊缝成型 在空间位置焊接时，由于重力的作用有使熔池金属下淌的趋势，因此要限制熔池的尺寸或采取特殊措施控制焊缝的成型。例如采用强迫成型装置来控制焊缝的成型，在气电立焊和电渣焊时皆采用这种措施。焊缝的结晶过程与熔池的形状有密切的联系，因而对焊缝的组织和质量有重要的影响。焊缝结晶总是从熔池边缘处母材的原始晶粒开始，沿着熔池散热的相反方向进行，直至熔池中心与从不同方向结晶而来的晶粒相遇时为止。因此，所有的结晶晶粒方向都与熔池的池壁相垂直，如图2-13 所示。上一页 下一页 返回2.2 焊缝成型 从横截面图2-13(a)、(b)上看，当成型系数过小时，焊缝的枝晶会在焊缝中心交叉，易使低熔点杂质聚集在焊缝中心而产生裂纹、气孔和夹渣等缺陷;从水平截面图2-13(c)、(d)上看，熔池尾部的形状决定了晶粒的交角，尾部越细长，两侧的晶粒在焊缝中心相交时的夹角越大，焊缝中心的杂质偏析便越严重，且产生纵向裂纹的可能性也越大。这通常发生在焊接速度过快的条件下，而当焊接速度较低，使熔池尾部呈椭圆形时，杂质的偏析程度便要轻微得多，因而产生裂纹的可能性也较小。上一页 下一页 返回2.2 焊缝成型 2.熔池的温度及熔池金属的流动 由于熔池中各部分与电弧热源中心距离及熔池周围散热条件不同等原因，使熔池各区域的温度分布不均匀，如图2-14 所示，熔池的头部(处于电弧正下方)温度比较高，尾部(离电弧稍远部位)温度逐渐降低，到熔池边缘下降到母材熔化温度。熔池的最高温度位于电弧下面的熔池表面上，图中TM为熔化温度。由于熔池金属处于不断的运动状态，其内部金属必然要流动。熔池金属运动如图2-15 所示。引起熔池金属运动的原因为:一是液体金属的密度差所产生的自由对流运动。上一页 下一页 返回2.2 焊缝成型 熔池中温度分布不均，温度高的地方金属密度小，温度低的地方金属密度大，这种密度差将促使液体金属从低温向高温区流动。二是表面张力差所引起的强迫对流运动。温度越高，表面张力越小，反之则越大，因此熔池温度分布不均，必然会引起表面张力不均，这种表面张力差将强迫熔池液体金属发生对流运动。三是电弧的各种机械力所产生的搅拌运动。作用在熔池上的力有熔滴下落的冲击力、电磁力、气流的吹力，熔池金属蒸发产生的反作用力、离子的冲击力等。由于这些力的存在，使熔池中的液体金属存着强烈的搅拌和对流运动，使母材和焊条金属成分能够很好地混合，形成成分均匀的焊缝金属。熔池中液态金属的这种运动有利于有害气体和非金属夹杂物的外逸，提高焊缝质量。上一页 下一页 返回2.2 焊缝成型 应该指出，在液体金属与母材交界的区域内，液体金属的运动受到限制，在这个区域内往往形成化学成分的不均匀性，此区域称作熔合区。3.母材金属的稀释与稀释率 除了自熔焊接和不加填充材料的焊接外，焊缝均由熔化的母材和填充金属组成。填充金属受母材或先前焊道的熔入而引起化学成分含量的降低称为稀释。通常用母材金属或先前焊道的焊缝金属在焊道中所占的质量比来确定，称为稀释率。稀释率与焊接方法、焊接工艺参数、接头形状和尺寸、坡口尺寸、焊道数目、母材金属的热物理性质等有关。上一页 下一页 返回2.2 焊缝成型 因母材金属的稀释，即使用同一种焊接材料，焊缝的化学成分也不相同。在不考虑冶金反应导致的成分变化时，焊缝的成分只取决于稀释率。4.焊缝形状及其表征 焊缝的形状即是指焊件熔化区横截面的形状，它可用焊缝有效厚度S、焊缝宽度c 和余高h 三个参数来描述。图2-16 所示为对接和角接接头的焊缝形状以及各参数的意义。合理的焊缝形状要求S、c 和h 之间有适当的比例，生产中常用焊接成型系数(c/S)和余高系数(h/S)来表征焊缝成型的特点。焊缝厚度是焊缝质量优劣的主要指标，焊缝宽度和余高则应与焊缝厚度有合理的比例。上一页 下一页 返回2.2 焊缝成型 焊缝成型系数小，表示焊缝深而窄，既可缩小焊缝宽度方向的无效加热范围又可提高热效率和减小热影响区，因而从热利用的角度来看是十分有利的。若想得到焊缝成型系数小的焊缝就必须有热量集中的热源，获得较高的能量密度。但若焊缝成型系数过小，焊缝截面过窄，则不利于气体从熔池中逸出，容易在焊缝中产生气孔，且使结晶条件恶化，增大产生夹渣和裂纹的倾向。因此，实际焊接时，在保证焊透(或达到足够焊缝厚度)的前提下焊缝成型系数大小应根据焊缝产生裂纹和气孔的敏感性来确定。比如，埋弧焊时一般要求焊缝成型系数大于1.25;堆焊时，在保证堆焊成分的前提下可使焊缝成型系数为10。上一页 下一页 返回2.2 焊缝成型 除了对焊缝成型系数有要求外，理想的焊缝成型其表面应该是与焊件平齐的，即余高为零。因为有余高，焊缝和母材连接处不能平滑过渡，焊接接头承载时在突起处就有应力集中，降低了焊接结构的承载能力。但是理想的无余高又无凹陷的焊缝是不可能在焊后直接获得的，因此为了保证焊缝的强度，对一般焊缝允许具有适当的余高，通常对接接头允许余高为03mm(或余高系数为48)。对于特别重要的承受动载负荷的结构，在不允许存在余高时，可先焊出带有余高的焊缝，而后用人工磨平。角接接头从承受动载的角度来看，也不希望有余高，最好有呈微凹的平滑过渡的形状。所以对于重要的角接构件，也应焊出余高后再打磨成凹形。上一页 下一页 返回2.2 焊缝成型 表征焊缝横截面形状特征的另一个重要参数就是焊缝的熔合比。焊缝金属的化学成分一方面与冶金反应时从焊丝和焊剂中过渡的合金含量有关，另一方面也与母材本身的熔化量有关，即与焊缝的熔合比有关。所谓熔合比，即是指单道焊时，在焊缝横截面上母材熔化部分所占的面积与焊缝全部面积之比。熔合比越大，则焊缝的化学成分越接近于母材本身的化学成分。显然焊件的坡口形式、焊接工艺参数都会影响焊缝的熔合比。所以在电弧焊工艺中，特别是焊接中碳钢、合金钢和有色金属时，调整焊缝的熔合比常常是控制焊缝化学成分、防止焊接缺陷和提高焊缝力学性能的重要乎段。上一页 下一页 返回2.2 焊缝成型 5.工艺参数对焊缝成型的影响 电弧焊的焊接工艺参数包括焊接参数和工艺因数等，不同的焊接工艺参数对焊缝成型的影响也不同。通常将对焊接质量影响较大的焊接工艺参数(焊接电流、电弧电压、焊接速度、热输入量等)称为焊接参数。其他工艺参数(焊丝直径、电流种类与极性、电极和焊件倾角、保护气等)称为工艺因数。此外，焊件的结构因数(坡口形状、间隙、焊件厚度等)也会对焊缝成型造成一定的影响。(1)焊接参数 焊接参数决定焊缝输入的能量，是影响焊缝成型的主要工艺参数。上一页 下一页 返回2.2 焊缝成型 焊接电流。焊接电流主要影响焊缝厚度。其他条件一定时，随着电流的增大，电弧力和电弧对焊件的热输入量及焊丝的熔化量(熔化极电弧焊)增大，焊缝厚度和余高增加，而焊缝宽度几乎不变或略有增加，焊缝成型系数减小，如图2-17 所示。如果焊接电流过大，有可能出现焊漏或焊瘤缺陷。当焊接电流减小时，焊缝厚度会减小，焊接熔透变差。电弧电压。电弧电压主要影响焊缝宽度。其他条件一定时，随着电弧电压的增焊缝宽度显著增加，而焊缝厚度和余高略有减小，如图2-18 所示。不同的焊接方法对焊缝成型系数有自身的特定要求。因此，为得到合适的焊缝成一般在改变焊接电流时对电弧电压也应适当地调整。上一页 下一页 返回2.2 焊缝成型 焊接速度。焊接速度的快慢主要影响母材的热输入量。其他条件一定时，提高焊接速度，单位长度焊缝的热输入量及焊丝金属的熔敷量均减小，故焊缝厚度、焊缝宽度和余高都减小，如图2-19 所示。增大焊接速度是提高焊接生产率的主要途径之一。但为保证一定的焊缝尺寸，必须在提高焊接速度的同时相应地提高焊接电流和电弧电压。(2)工艺因数 电流种类和极性。电流种类和极性对焊缝形状的影响与焊接方法有关。熔化极气体保护焊和埋弧焊采用直流反接时，焊件(阴极)产生热量较多，焊缝厚度、焊缝宽度都比直流正接大。交流焊