母材熔化与焊缝形状大小分析

1.母材加热

把分离的部件连接起来，目前广泛采用电弧作为热源，加热与熔化焊件，随后形成焊缝。焊接条件不同，将严重影响电弧的产热、热分布和电弧的作用力等，所以也就对熔池行为有影响，最终表现在影响焊缝成形。

这里假设电弧能量只与其电功率有关，而与化学反应热无关（化学反应热较小，予以忽略）。电弧的电功率为

q=U_aI_a=（U_A+U_C+U_P）I_a （3-19）

焊接过程中，电弧能量的大部分传递给母材，其余将损失于焊条、母材的高温区及弧柱的辐射热、弧柱高温气体的对流和传导，少量熔化金属和熔渣的蒸发以及飞溅等。

由于电弧能量不是全部传给母材，这里把母材吸收的热量与电源供给的热量之比称为焊接电弧的热效率，用η表示。几种典型弧焊方法的热效率η见表3-6。

表3-6 各种弧焊方法的热效率

熔化极电弧焊时，无论是阴极还是阳极所吸收的热量最终都要给予母材，也就是焊丝受热后将通过熔滴过渡把热量传递给母材，所以热效率较高。而非熔化极电弧焊和等离子弧焊却不同，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，所以热效率较低。

弧柱部分的热量在气体保护焊中存在于等离子流中。熔入法时该气流将热量传递给母材，而小孔法时该气流将热量散失到空气中去，所以热效率很低，仅为50%左右。可是埋弧焊时弧柱热量主要用于熔化焊剂，热量利用最充分，所以热效率可高达90%以上。

可见，母材所获得的实际热功率为

q=ηU_aI_a （3-20）

2.在电弧热作用下所形成的焊接熔池

熔焊时，在焊接热源作用下，焊件上所形成的具有一定几何形状的液态金属部分的温度等于熔点的等温线所包围的液体金属区域称为焊接熔池。焊接熔池的主要尺寸如图3-64所示。

图3-64 焊接熔池的主要尺寸

为了求得电弧热与熔池尺寸的关系，下面首先从热传导的基本理论进行分析，弧焊过程可以认为是连续移动的点热源，当焊件为半无限大体和焊件处于极限饱和状态时，距离热源为R点的温度为（见图3-65）

式中 λ——热导率[J/（cm·s·℃）]；

a——导温系数（cm²/s）；

v——焊接速度（沿x—x轴移动）（cm/s）；

R——到电弧的距离，。

为了便于说明问题，下面列出几种典型的热传导方程。电弧在固定点加热时（v=0时）为

图3-65 半无限大体上点热源的坐标系

当加热功率q与被焊材料λ一定时，温度T只与R有关，TR=const，随着距离R增加，温度按双曲线规律降低。

当电弧沿x—x轴移动时，在电弧的后方（R=-x）温度为，与焊接速度无关，与R的关系也按双曲线规律变化。可是在电弧前方（R=x）温度为：

式中总是小于1，并随着焊接速度v的增加，温度T随距离R的变化曲线比电弧后方下降更陡，如图3-66所示。

当x=0时（也就是在垂直焊接方向的y—z平面内），热传导方程可简化为

可见，由于，所以沿oy、oz轴温度下降陡度比电弧后方（R=-x）大些，而因为，所以沿oy、oz轴温度下降陡度比电弧前方（R=x）小些。

从以上公式可以得出如下几点看法（见图3-67）：

1）在电弧的前方温度梯度较大，输入热量大于输出热量；而在电弧的后方温度梯度较小，输入热量小于输出热量。

2）在焊件表面的等温线（包括熔池形状）近似椭圆，但熔池头部较宽，而熔池尾部较尖。

3）在垂直焊接方向的等温线（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。

熔池的尺寸也可以按热传导公式求出。焊接熔池的长度L通过式（3-21）近似求得

图3-66 点热源移动速度v对半无限大体温度分布的影响

（q=4187J/s；v_s=0.1cm/s；

a=0.1cm²/s；λ=0.42J/cm·s·℃）

式中 T_M——母材的熔点（℃）。

图3-67 在半无限大体表面上运动的点热源的温度场

（q=4187J/s；v_s=0.1cm/s；a=0.1cm²/s；λ=0.42J/cm·s·℃）

熔宽B和熔深H可由最高温度T_max导出。用快速点热源加热半无限大体时，距热源为r点的温度为

由该式求出T_max为

式中 c——比热容（×4186.8J/kg·K）；

ρ——密度（g/cm³）。

熔池外部边缘的最高温度为熔点T_M，所以熔宽B可以近似求得

熔深H为(www.xing528.com)

总之根据传热学理论计算可求出熔池形状，如图3-68所示。

3. 熔池行为

熔池行为是指在电弧热和电弧力作用下，引起熔池内部金属的流动及成形的特点。焊缝成形主要决定于熔池行为，为此首先说明电弧热和电弧力对熔池的作用，同时说明对熔池行为的影响。

（1）熔池温度 熔池温度是难以通过理论精确计算和通过试验准确测量的。通过测量表明熔池中各点的温度分布不均匀，如图3-69所示。根据温度分布情况，可以把熔池分为头部和尾部两部分。熔池头部的输入热量大于散失热量，所以随着电弧移动，母材不断熔化。在熔池头部处于电弧下面的熔池表面的温度最高，而远离电弧的熔池尾部温度逐渐降低。在熔池尾部输入热量小于散失热量，所以熔池金属流动性变差，最终发生凝固。根据实测结果表明，钢的平均温度为1700～2000℃，而钢的熔点为1530℃，可见熔池温度仅比熔点高200～500℃。而铝合金熔池的平均温度为1200℃左右，其熔点为600℃，大约为铝合金熔点的2倍。

图3-68 熔池形状示意图

图3-69 熔池的温度分布

1—熔池头部 2—中部 3—尾部

从上述可见，钢的熔池平均温度略高于熔点，说明熔池温度比较均匀。这是因为熔池的搅拌作用较好。而铝合金熔池温度却很不均匀，这是因为Al₂O₃的熔点高达2030℃，使得斑点处温度很高。另外由于铝的熔池比较平静，对流交换损失能量较少，所以铝合金熔池温度较高。

纯铜的熔池温度特点与钢类似，由于熔池对流作用较强，所以熔池温度只比铜的熔点高200℃，而且较均匀。可是钢中加入质量分数为20%的Al时，却呈现铝合金的熔池特点。由于Al₂O₃的存在，对熔池起镇静作用，熔池也较平静，所以熔池温度较高。

熔池温度及其分布特点不但影响焊接冶金特点，而且也影响焊接熔池行为，最后影响到焊缝质量和焊缝成形。

（2）焊缝的熔入形式 焊缝的熔入形式是指熔池底部的轮廓形状。它是由两个方面的因素所决定的：一方面是电弧热所引起的热传导作用；另一方面是熔池金属受力所引起的液体金属流动。关于热传导对焊缝形状的影响，已在前面叙述过了，熔池形状比较简单，为圆弧状。在实际焊接条件下，熔池在电弧力、表面张力和重力等的作用下和在不均匀的受热状态，使得熔池行为十分复杂。从焊缝的横截面来看，焊缝的熔入形式大致可分为三种类型，如图3-70所示。

1）简单熔入型很容易理解，由于电弧静压力和电弧热量作用在熔池表面，热传导所形成的等温线轮廓呈圆弧状。经常出现在以下情况，电流较小、弧长较短、钨极尖角较钝时的TIG焊和电流较小、熔滴呈大滴过渡及短路过渡的熔化极气体保护焊。

2）中央熔入型是由于在细电极大电流时除电弧静压力外，还有从电极流向母材的等离子流，该流以高速冲击熔池。在等离子流的强烈冲击下形成了很大的挖掘力，把熔池中间的液体金属排向两边和后侧，使得等离子流直接加热熔池底部的金属，同时细小的高温熔滴也以高速冲向熔池底部，于是在熔池中间形成犹如指状的熔池凹陷，通常称为指状熔深。在集中的流体冲击之下，熔池底部过热的液体金属被排挤向两侧，它有对母材产生二次熔化的作用，同时还有电弧的电磁静压力作用，所以出现在熔池两侧熔深较浅而中间凹陷的熔入形状。

图3-70 典型的焊缝熔入形式

a）简单熔入型 b）中央熔入型 c）周边熔入型

3）周边熔入型是在弧长较长、电流较小、等离子流较弱的情况下出现的。它是由于熔池内部液体金属对流而产生的，如图3-70c所示。从熔池表面中心A流向边缘B，再由B经熔池底部流回A。显然熔池表面金属在电弧作用下温度高，当流到边缘B处，将其热量传递给该处，并使之发生熔化。当熔化金属通过对流运动，又从B处流向A处时，它的温度已降低，熔化母材的能力也很小了，结果便形成周边熔入型焊缝。这类焊缝只出现在电弧固定的情况下，而在电弧移动时却不会出现。

引起熔池金属内部对流的原因如下：

1）来自电极的等离子流因挖掘作用较小，所以它是沿熔池表面流向熔池四周的。因此与等离子流接触的熔池表面就要在摩擦力作用下与等离子流一起做同向运动。

2）熔池表面的温度不均匀，显然中心A处温度高于边缘B处，则中心A处的表面张力小，而B处的表面张力大，于是便会在表面张力作用下形成沿A→B方向的表面流动。

由于摩擦力与表面张力作用引起熔池表面流动和随后的从B向A的底层流动，其结果便形成了熔池内部的对流现象和周边熔入型焊缝。

在熔化极气体保护焊时，母材的熔入形状大多数为中央熔入型。可是由于保护气体种类和弧长等原因，它的形状有很大差异。图3-71a为纯Ar或富Ar气体保护的MIG和MAG焊情况。焊丝为正极时，熔滴过渡为喷射过渡，焊丝端头较尖，在熔池周围可看到阴极斑点的清理作用，电弧也扩展较宽的范围。这时等离子流显著，所以电弧的热量主要集中在中间，而四周热量分散。因此形成中央熔入型的指状熔深焊缝。通常在细丝大电流情况下都能得到这种焊缝。

图3-71 大电流熔化极气体保护焊时典型熔入形式

a）MIG焊Al b）CO₂焊钢 c）大电流MIG焊

图3-71b为CO₂气体保护焊喷射过渡时的特点。这时焊丝端头与焊件表面大约处在同一平面上。弧柱在CO₂气氛中将发生强烈的热收缩，同时由于熔池金属表面不断出现新的氧化膜，所以电弧不可能像Ar气保护那样，到熔池周围寻找氧化膜，而是集中在熔池中央。熔池在集中电弧的电磁静压力作用下，将在电弧下面形成凹陷，反之在凹陷中的电弧又能充分加热熔池，尤其是在熔池底部。所以可以得到焊缝底部呈圆弧状，但其深度却远远大于仅由热传导所引起的熔深。这类焊缝除CO₂焊以外，在氦气保护的MIG焊和焊剂层下埋弧焊时均能获得。

粗丝CO₂气体保护焊及粗丝MIG焊铝、铜和不锈钢时，焊丝端头深入到熔池内部，如图3-71c所示。这时电弧出现在焊丝端头与熔池底部。由于电弧都出现在母材表面以下，所以通常称为潜弧。在潜弧状态下，电弧在熔池底部强烈地加热母材，这时焊缝熔入形式可出现“U”形或梨形。显然梨形焊缝不是理想焊缝，易产生裂纹。

4.几种常见的气体保护焊的焊缝成形特点

由于电流极性和保护气体的不同，将对电弧形态和产热特点产生很大的影响，所以也必然影响焊缝成形，如图3-72所示。

图3-72 不同保护气体的焊缝形状与熔深形式

a）DCEP b）DCEN

首先说明直流反接的情况。纯氩保护时电弧为锥形电弧，电弧中心的热量集中，如前述通常能获得指状熔深焊缝。在焊缝表面，电弧总是寻找氧化膜作为阴极斑点，但由于氧化膜厚薄不均匀。在氧化膜薄处阴极清理作用很易消除，而氧化膜厚处电弧常发生粘着作用，所以尽管焊接时直线前进，但焊缝边缘却是蛇形，如图3-73所示。这样就造成了焊缝边缘不整齐的缺陷。为此焊钢时总是要加入O₂或CO₂，用以固定阴极斑点。

在氩气中加入少量O₂（体积分数为1%～5%）或CO₂（体积分数为15%～25%）时，可以改善焊缝表面成形。从焊缝横截面来看，指状熔深特点削弱，如图3-74所示。由于氧的作用使得平台处不断出现氧化膜，于是在此处产生阴极斑点，这样就改变了加热特点，使得熔入形状变为虚线所示的形状，削弱了指状熔深的特点。

随着CO₂含量的增加，使得电弧热量趋于均匀化，所以焊缝形状如图3-71b和图3-72所示。这时焊缝的熔入形状很好，但焊缝表面却较粗糙。

用纯氦气保护时，由于氦和氩同是惰性气体，不同的是氦的密度小和导热性好，于是电弧呈钟罩形，能量分布较均匀，所得到的焊缝熔入形状如图3-72所示，呈深而宽的盆底状熔深，类似于CO₂焊的形状。但是由于氦电弧的电场强度高，对弧长变化很敏感，所以焊缝成形不佳。

图3-73 MIG焊钢时焊缝边缘不整示意图

图3-74 在Ar中加入O₂时改善熔入形状示意图

在氦气中加入氩气之后，不但可以改善焊道边缘成形的均匀性，同时焊缝的熔入形式仍保留了纯氦的特点。

如果改变电流极性为直流正接（电极为负）时，将对电弧及熔滴过渡特点产生极大的影响。同时也影响母材的熔入形式。当用纯Ar保护时，由于阴极清理作用，将使阴极斑点沿焊丝上下不断跳动，同时在焊丝端头出现较大的金属熔滴。所以这时母材的熔入形状难以出现射流过渡特点，另一方面母材为正极性，产热较小，所以得到较浅的圆弧状熔深。相反，焊丝的熔化速度很高，使得焊缝余高较大。焊道成形不好。当在氩中加入氧以后，由于可以使阴极斑点固定在焊丝端头附近，于是可以出现射流过渡特点，所以熔入形式呈现为指状熔深。纯氦时与纯氩的特点类似，阴极斑点不稳定，也得到较浅的圆弧状熔深。

图3-75 焊丝直径与焊缝熔深的关系

如上所述，母材的熔化形状不能单纯用热输入确定，而是与电弧力有着很大的依赖关系。根据这一事实，在不改变对母材的热输入的前提下，可以对母材的熔深进行控制。从已经阐述的原因可知，选择电极的直径是一项有效的手段，电极直径越细，母材熔化越深。图3-75所示为钢材料MIG焊接在相同电流、电压和速度下改变电极直径所得到的熔深实测值，所测值与电流密度成正比增加，即与焊丝直径的平方的倒数成正比。

5.焊缝成形尺寸

电弧焊过程中，电弧正下方的熔池金属（包括母材熔化金属和焊丝过渡金属）在电弧力作用下克服重力和表面张力被排向熔池尾部。随着电弧的移动，熔池尾部金属流向电弧移去后留下的凹坑里，冷却结晶形成焊缝，因此焊缝的形状与熔池形状有直接联系。

因母材接头形状尺寸和所处空间位置的不同，在各种力的平衡作用下所形成的熔池呈现不同的形态，比如接头形式可以有对接、角接、搭接、T形接头等，接头端面可以开多种形式和尺寸的坡口，空间位置可以是平焊、立焊、横焊、仰焊、全位置焊等。在上述各种形式焊接中，熔池金属重力对熔池形态有不同的影响。焊接工艺方法和焊接参数对熔池体积及熔池长度等都有很大的影响。图3-76示出平焊位置熔池的特征参数。在厚板非完全熔透焊接中，对接头承载能力有重要影响的是熔深H，对于薄件通常进行完全熔透焊接，熔宽B对焊缝性能亦有影响，B与H之比（B/H）称做焊缝的成形系数ψ，H与B之比（H/B）称做焊缝的深宽比，ψ的大小还会影响熔池中气体逸出的难易、熔池的结晶方向、成分偏析、裂纹倾向性等。

图3-76 平焊位置焊缝形状尺寸（单道焊缝）

焊缝的另一个重要尺寸是余高a。余高可避免熔池金属凝固收缩时形成缺陷，也可增加焊缝承载能力。但余高过大将引起应力集中或降低抗疲劳强度，因此也要限制余高尺寸。

焊缝成形尺寸受多种因素的影响，其中焊接工艺与焊接参数的作用最大，由于结构性能与焊缝成形尺寸有直接的联系，对工艺和参数的选择可以参考有关手册或通过试验确定。