2熔化区域的局部热作用(不讲)

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1、第四节 对熔化区域的局部热作用焊接电弧概述 最经常使用的焊接热源焊接电弧，它将电能转化为热能，使填充金属和母材熔化。电弧是一种特殊类型的、基于电弧空间内自由运动的带电粒子（电子和离子）的气体放电现象。 电弧作为一种（运动）导电体，被它自己的磁场包围着，磁场也加速带电粒子向电弧轴心运动，结果，电弧压缩其自身，在阳极和阴极上形成很小的附着斑点（即阳极斑点和阴极斑点），电极上的斑点总是小于焊接熔池上的斑点，与极性无关。阳极斑点比较稳定，而阴极斑点易于游动。电弧很容易为外部的磁力偏转（磁偏吹效应）。 焊接电弧概述焊接过程中最广泛使用的是熔化电极，在这种情况下，填充金属以熔滴形式过渡到工件，右图示出了发

2、生在这一过程的各种力。即：粘滞力、表面张力，重力，等离子体流吸力，惯性力、电磁力的静电力。电磁压缩（收缩效应）是形成熔滴的最重要的因素，而膨胀的气体影响熔滴的分离。 第四节 对熔化区域的局部热作用影响熔化电极熔滴形成的各种力热平衡和热流密度 焊接热源的有效功率是进行热过程分析中非常关键的问题，如果通过分析电弧的物理过程来求解有效功率是十分复杂的，一般情况下，可利用焊接电弧的热平衡来估算有效功率， 电弧的总电功率IU和构件上的有效热输入q*之间的关系可用热效率来表示： 熔化极焊接时，由于部分用于熔化电极的热量和熔滴一起进入熔池，增加了对母材的加热，因而热效率的值较高。 第四节 对熔化区域的局部热

3、作用 热平衡和热流密度 焊接电流的类型，极性和强度对h影响较小。电弧长度(电弧电压), h。明弧的hTm(熔点)，焊丝以速度ve不断送进并熔化，上式中可引入变量熔化速度meg/s 第四节 对熔化区域的局部热作用电极的熔化速度电弧熔化的熔滴与电阻热加热的焊丝末端相比较，其单位质量的热含量（即焓）的变化为：由于和c是随温度变化的，为简单起见，采用所研究温度范围内的平均值，并考虑熔化潜热加以修正，以 表示,第四节 对熔化区域的局部热作用所以熔化和送丝速度为电极的熔化速度 实际上，熔化速率me和熔化速度ve主要受电流I的控制。 对于焊芯来说：焊接时间tw增加，熔化速率me增加，这是因为Tr增加。因此，

4、焊接过程越快，对于给定的焊芯，在整个焊接过程完成后的温升Trmax就越大，而且裸焊丝比药皮焊条的温升更高。 第四节 对熔化区域的局部热作用 电极的熔化速度 定义e为单位电流I作用下的熔化速率，即： 如果熔敷速率不是特别高，则e近似为常数，一般手工焊时e=514g/Ah，埋弧焊时，e=1323g/Ah。 熔敷量应为熔化量与质量损耗（蒸发与飞溅等）的差值， 其中，d为损失系数。 对于普通焊接方法，d=0.050.2，对于埋弧焊， d=0.010.02。 定义d为单位电流作用下的熔敷速率， 则第四节 对熔化区域的局部热作用母材的熔化 无论是否有填充金属，母材的熔化对被焊接零件间形成牢固的结合都具有重

5、要的意义。理论上讲，只需极薄的一层熔化层就可满足要求，而实际上的目标是获得约1厚的熔化层，以补偿可能因几何、材料和工艺等方面因素造成的偏差，而不至引起未熔合。 第四节 对熔化区域的局部热作用母材的熔化 在表面堆焊和对接焊缝时，焊接熔池或熔化区的特征尺寸有：lm*焊接熔池长度;wm焊接熔池宽度;hd焊道高度;hm焊接熔池深度;Ad焊道横截面积(与填充金属量一致);Am焊接熔池横截面积(与母材熔化金属量一致)。其中，wm、hd 、hm、Ad、Am可以从焊缝的横截面上测量。lm可以从凝固后焊缝末尾的弧坑测量。 有时可引入无量纲形状参数，如：相对熔深hm/Wm,其与焊接方法、电极材料和木材有关；而相对

6、熔化面积=Am/hmWm=0.60.8。相对恒定为常数。 第四节 对熔化区域的局部热作用Am的计算： 熔化母材的热输入q可由熔化的体积vAmmm3/s及其体积比热imJ/mm2(包括熔化潜热)来决定，并通过熔化效率m，与电弧热功率相等： 上式中未考虑填充金属，即Ad=0。如果以Ad+Am代替上式中的Am则会更加准确。 第四节 对熔化区域的局部热作用熔化效率m可分解为h和th电弧区间热量产生和热量传递的效率。t由计算确定的母材熔化的热效率（考虑电弧有效功率损失）。P校正因数，反映计算结果与实际的偏差。h取决于焊接方法，可从表中选取或测量确定； t可将熔化区的面积Am转换成热输入，再与有效热输入q

7、相联系来确定。 第四节 对熔化区域的局部热作用 对于半无限体上作用的快速移动大功率点热源，在热源运动轴线周围，半园柱面（半径rm）被加热到Tm，则按下式分析：再由前面介绍过的结果：可得即只有36.8%的有效功率用于熔化母材。 第四节 对熔化区域的局部热作用 对于板上作用快速移动大功率线热源，在热源运动平面两侧各有一条带（宽度为Wm、厚度为h）被加热到Tm，则可按下式分析：（2表示热源两侧被加热到Tm）再引用前述公式： 即有48.4%的有效热功率用于熔化母材。 第四节 对熔化区域的局部热作用 焊接熔池长度可从计算温度场的熔点等温线得出。对于移动点热源作用于半无限体，由公式：当T=Tm时，R=lm

8、* 与速度无关。对于移动线热源作用的无限板，由公式：设B=0，可得： q为移动热源有效热输入。求解上式可得出lm* ，而是与速度有关的。第四节 对熔化区域的局部热作用母材与填充金属的热分配焊接时，电弧热被母材和填充金属吸收。吸收比例受控于焊接方法、材料成分、电极极性和弧长等因素。热分配可用熔敷截面积熔化截面积来表示：其中：Am熔化截面积 Ad熔化截面积 v焊速 密度 im母材熔化的比热含(填充材料与母材同) m熔化效率 U焊接电压 I焊接电流 第四节 对熔化区域的局部热作用母材与填充金属的热分配 由于 由于 可推出 实际上，不同焊缝类型的Am/Ad相差很大，极端状态时，如：表面堆焊焊缝： Am

9、/Ad1，而无填充金属时， Am/Ad 1。第四节 对熔化区域的局部热作用 热传导模型是分析焊接接头的温度场、残余应力、变形和显微组织变化的主要基础，此模型在热影响区以外能给出可靠的结果；在一定条件下，也可在热影响区以内有可靠的结果。通过调节热源的分布，在某种程度上可以实现上述条件。此模型不适合于处理熔化区域以内的各种焊接性问题，包括良好的焊缝设计，如：足够的熔深、平滑的过渡、不太大的余高，不产生缺陷：如大的咬边、烧穿、气孔和其它缺陷。第四节 对熔化区域的局部热作用-焊接熔池模型焊接熔池物理 要表征焊接熔池行为的各种物理现象，主要是要考虑熔池内的各种过程和熔池表面的各种条件，而不涉及电弧及高能

10、束的形成，电极尖端熔滴的形成和从电极到焊接熔池的物质传输等环节。 和传统热传导模型相比，焊接熔池的热流主要是对流，而对流基于熔池内流体的流动。熔池内的温度梯度随流动速度的增加而减小。流体的流动可又非对称磁场（旋转流动）、表面张力梯度（环形流动）、等离子体和气体射流的托拽力、滞止压力、金属熔滴撞击力和浮力等引发。第四节 对熔化区域的局部热作用-焊接熔池模型焊接熔池物理 表面张力及其与温度的关系经常是流体主要流动模式的决定性驱动力。如果表面张力*随温度T的增加而减小（d*/dT为负），将在表面产生向外的流动，主要造成水平方向的热量传递，并获得宽而浅的焊接熔池。如果表面张力*随温度T的增加而增加（d

11、*/dT为正），则在表面产生向内的流动，主要是垂直方向传输热量，获得深而窄的焊接熔池。第四节 对熔化区域的局部热作用 -焊接熔池模型焊接熔池液体流动模式焊接熔池物理焊接熔池表面并不像一般简化模型所假定的那样维持为平面。熔池表面的变形主要是由于电弧和气体滞止压力所致，这种压力随电流的增加而增加。特别是在埋弧焊时熔池表面发生显著的变形，并且变形由于脉动空腔的形成而增大，在大功率气体保护金属电弧焊时也是如此。表面的变形影响电弧并改善热流和电流，还会形成表面波使形成焊波和局部形状不稳定，例如由于表面隆起随后又塌陷而产生的孔洞等。 第四节 对熔化区域的局部热作用 -焊接熔池模型埋弧焊熔池的表面凹陷和流动

12、模式焊接熔池物理 在熔化区的分析中，忽略熔化和结晶潜热的影响及假定熔点为单一恒定温度是不可接受的。实际上存在一个部分熔化区，即两相区围绕着运动中的焊接熔池（见图），图中实线为焊接熔池的边界，标明合金的液相线温度，虚线标明实际的固相线温度，实际的固相线温度总是低于平衡状态图所表示的温度。液相的体积从虚线处的零至实线处的100%连续变化。部分熔化区有着重要的意义，因为焊接缺陷，特别是热烈纹和冷烈纹长起源于此处。 第四节 对熔化区域的局部热作用 -焊接熔池模型焊接熔池的形态焊接熔池物理 在焊接熔池的前缘ABC处，发生熔化过程，这就要求补充熔化潜热以促使熔化；在熔池后缘CDA，潜热必须释放以促使结晶；

13、在中间部位，固体的生长平行于最大温度梯度方向，垂直于推进的固液相界面。在熔池侧边（点A和C）的生长速度必然为零。在焊缝的中心线处（D点）生长速度最大，但是，在这一位置的温度梯度最小；因此，向周围较冷的环境传导结晶潜热的能力也最小。 这样，当焊接速度达到极限时，平行于焊接方向的生长速率将不能再维持，焊接熔池将呈现泪珠形状（见图b），这一极限速度与焊接电流成反比，而焊接电压对熔池尺寸和形状的影响很小。熔化区晶粒的方向被焊接熔池的形状所控制，而晶粒的形状遵循选择生长的条件。 第四节 对熔化区域的局部热作用 -焊接熔池模型焊接电弧模型 发生在焊芯尖端和板材平面或变形表面之间的放电过程是焊接电弧的特征。

14、电弧可在侧向扩展、产生等离子体射流，射流被保护气体增强。除了电流电压特性和电弧的效率等一般的电行为外，焊接熔池的模型化需要更详尽得场的信息：温度的分布、气体流线、电流密度、热流量和电弧压力等。 电弧模型基于Maxwell方程式，它描述磁场电场的分布，磁通、场强及等离子体中的电流密度；也基于质量连续方程式及考虑电磁力的动量守恒方程和能量守恒方程，此外还有物态方程式。部分非线性的和温度有关的微分方程式系统，在适当的边界条件下可以求解。 第四节 对熔化区域的局部热作用 -焊接熔池模型焊接电弧模型 已有人对包括温度分布、阳极电流密度和阳极热流量等因素在内的焊接电弧模型。适用于平面焊接熔池和凹陷焊接熔池

15、表面的结果见下图。研究发现，微小的熔池凹陷就会明显改变热流对焊接熔池的投射，在表面凹陷的边缘出现热流密度峰值偏离中心的特征。 第四节 对熔化区域的局部热作用 -焊接熔池模型平表面熔池上的电弧凹陷表面熔池上的电弧焊接电弧模型 上述研究中，表面的凹陷是人为规定的；实际上，电弧自身主要通过电弧压力使熔池表面变形。在平的熔池表面测量的电弧压力曲线如图所示，已经证实其为高斯正态分布。第四节 对熔化区域的局部热作用 -焊接熔池模型熔池表面为平面时的电弧压力流体静力学表面张力模型 表面张力及表面张力梯度对焊接熔池内部的流动起着重要的作用，此外，由于某些与焊接材料有关的化学元素在其熔点附近具有很高的表面张力，

16、焊接时对焊缝成形也起着重要的作用。如：在薄板焊接时，不加垫板，熔池也可以稳定地悬浮；或者，在仰焊时，填充金属可以平稳地向焊接熔池过渡等。第四节 对熔化区域的局部热作用 -焊接熔池模型流体静力学表面张力模型 两种倾斜角条件下焊道余高hr和焊道宽度wb之间的关系见图。开始时，高度和宽度同时增加，然后高度渐进地达到一恒定的最大值。至此，焊道余高的形状和尺寸就可以在热输入速率和体积熔化速率除以焊接速度的基础上进行计算；前者决定其焊道的宽度，后者决定其横截面积。二维近似计算的结果与三维的实际焊接情况相比，所得数值偏低。第四节 对熔化区域的局部热作用 -焊接熔池模型流体静力学表面张力模型 熔池表面形状对自支持熔池的允许根部焊道宽度的影响见图，允许宽度随板厚增加成反比地减小，如果上表面凹陷，可允许较大的宽度值。 第四节 对熔化区域的局部热作用 -焊接熔池模型流体静力学表面张力模型 依据表面张力模型计算的具有相等焊脚长度的水平横角焊缝焊道外形见图。给出了可以避免咬边和焊瘤两种缺陷并获得良好外形的参数范围；该图还证明，要避免不良的焊道成形，熔敷速率只能在很窄的限度内变化。第四节 对熔化区域的局部热作用 -焊接熔池模型流体静力学焊缝形状模型 第四节 对熔化区域的局部热作用 -焊接熔池模型