第四节 焊丝及母材熔化

一、焊丝金属的熔化及熔滴过渡

熔化极电弧焊时，焊丝（焊芯）一方面作为电极传导电流，另一方面受热熔化后作为填充金属，与熔化的母材共同形成焊缝。因此，焊丝（焊芯）的加热熔化及熔滴过渡将对焊接的过程和焊缝的质量产生直接影响。

（一）焊丝（焊芯）加热与熔化的热源和焊丝（焊芯）的熔化

1．熔化极电弧焊时，加热并熔化焊丝（焊芯）的热量主要有电阻热和电弧热

（1）电阻热。当电流在焊条中通过时，将产生电阻热。电阻热的大小取决于焊条长度或焊丝的伸出长度、电流密度和金属的电阻率。焊条或焊丝伸出长度越长、电流密度越大、电阻率越高，则电阻热越大。

（2）电弧热。电弧产生的热量仅有一部分用来熔化焊丝，而大部分热量用来熔化母材、药皮或焊剂，另外还有相当一部分的热量消耗在辐射、飞溅和母材的传热上。

2．焊丝（焊芯）的熔化

焊丝（焊芯）金属受到电阻热和电弧热加热后，便开始熔化。衡量焊丝（焊芯）熔化的主要指标是熔化速度，即单位时间内焊丝的熔化长度或质量。焊丝或焊芯的熔化速度主要取决于焊接电流的大小。就焊条电弧焊而言，由于电阻热对焊芯强烈的预热作用，使焊条后半部的熔化速度比前半部要快20%～30%。

（二）焊丝（焊芯）金属的熔滴过渡

熔滴即焊条或焊丝端部形成的向熔池过渡的液态金属滴。熔滴通过电弧空间向熔池转移的过程称为熔滴过渡。

1．熔滴上的作用力

影响熔滴过渡的主要因素是熔滴上的作用力。熔滴上的作用力根据来源不同，可分为重力、表面张力、电磁收缩力、斑点压力和电弧气体的吹力。

（1）重力。焊接时，熔滴由于本身所受重力而具有下垂的倾向。平焊时，重力起促进熔滴过渡的作用。

（2）表面张力。金属熔化后，在表面张力的作用下形成球滴状，使液态金属不会马上脱离焊条。表面张力的大小与熔滴的成分、温度、环境有关，另外，与焊丝直径成正比。平焊时，表面张力阻碍熔滴过渡，而其他位置有利于熔滴过渡。

（3）电磁收缩力。在任何焊接位置，电磁收缩力的作用都是促使熔滴向熔池过渡的。

（4）斑点力。在焊接电弧中，斑点力是阻碍熔滴过渡的。直流正接时，阳离子的压力阻碍熔滴过渡；反之，电子的压力阻碍熔滴过渡。由于阳离子的质量大，阳离子流的压力也就比电子流的压力大，所以采用直流反接可以减小熔滴过渡的阻碍作用，减少飞溅，更容易产生细颗粒熔滴过渡。

（5）电弧气体的吹力。在焊条电弧焊时，焊条药皮的熔化稍微落后于焊芯的熔化，在焊条的末端便形成一小段未熔化的喇叭形套管。此套管内含有大量的气体，并顺着套管方向形成挺直而稳定的气流，进而把熔滴送到熔池中去。不论焊接的空间位置如何，电弧气体的吹力都将有利于熔滴金属的过渡。

2．熔滴过渡的形式

金属熔滴向熔池过渡大致可分为以下几种形式：

（1）喷射过渡。细小的熔滴颗粒以喷射状态快速通过电弧空间向熔池过渡的形式称为喷射过渡，如图1-9（a）所示。一般在熔化极惰性气体保护焊中，当焊接电流很大（超过临界电流），且电压较高时，形成喷射过渡；此时，熔滴过渡频率高，电弧稳定，飞溅少，熔深大，焊缝成形美观，可全位置焊接，生产效率高，但易形成指状熔深。

（2）滴状过渡。当电弧长度超过一定值时，熔滴依靠表面张力的作用自由过渡到熔池，而不发生短路，即为滴状过渡。滴状过渡又可分为粗滴过渡和细滴过渡。粗滴过渡时飞溅多，电弧也不稳定，成形不好，如图1-9（b）所示。滴状过渡一般在较大的焊接电流和较高的焊接电压条件下形成，熔滴尺寸的大小与焊接电流的大小和焊丝的成分有关。

（3）短路过渡。焊丝端部的熔滴与熔池短路接触时，强烈的热和磁收缩的作用使熔滴爆断，直接向熔池过渡，这种形式称为短路过渡，如图1-9（c）所示。短路过渡的形成条件是小电流、低电弧电压，且电弧功率较小。它能实现稳定的金属熔滴过渡和稳定的焊接过程。短路过渡适合于薄板或需要低热输入情况下的焊接。

3．熔滴过渡的飞溅

熔焊过程中，熔化的金属颗粒和熔渣向周围飞散的现象称为飞溅。飞溅不仅影响焊缝成形和美观，更严重的是它降低了单位电流、单位时间内焊芯（或焊丝）熔敷到焊缝中的金属量（即熔敷系数），从而降低了焊接生产效率和效益。引起飞溅的主要原因有以下两种：

（1）气体爆炸引起的飞溅。由于冶金反应时在液体内部产生大量的CO气体，气体的析出十分猛烈，造成液体金属（熔滴和熔池金属）发生粉碎性的细滴飞溅。

（2）斑点力引起的飞溅。短路过渡的最后阶段，在熔滴与熔池之间发生烧断的瞬间，液态“金属小桥”的电流密度太大，从而引起强烈的飞溅。

二、母材熔化与焊缝成形

在电弧热的作用下，母材被熔化，进而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而形成焊缝，如图1-10所示。熔池的形状不仅决定了焊缝的形状，而且对焊缝质量有重要的影响。熔池的体积和形状主要取决于电弧的热量和电弧对熔池的作用力。

（一）焊缝形状与焊缝质量的关系

焊缝的形状是指焊件熔化区横截面的形状，它可用熔深s、熔宽c和余高h三个参数来描述。如图1-11所示为对接和角接接头的焊缝形状及各参数的意义。合理的焊缝形状要求s、c和h之间有适当的比例，生产中常用成形系数Φ=c/s和余高系数ψ=c/h来表征焊缝成形的特点。

成形系数是衡量焊缝质量优劣的主要指标之一。ψ值小，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。但若ψ值过小，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，成形系数的大小应根据焊缝产生裂纹和气孔的敏感性合理控制，不同焊接方法的成形系数应控制在一定范围内。

余高系数也是衡量焊缝质量优劣的指标。理想的焊缝成形，其表面应该是与母材平齐的，即余高h为零。由于有余高，焊缝和母材在连接处不能平滑过渡，焊接接头承载时在突起处形成应力集中，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。为了保证焊缝的质量，对一般焊缝都有一个允许的余高值进行限制。

表示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。熔合比是指单道焊时，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（γ=Am/（Am+Ah））。熔合比越大，则焊缝的化学成分越接近母材本身的化学成分。在电弧焊工艺中，焊件的坡口形式、焊接参数都会影响焊缝的熔合比。

（二）影响焊缝成形的因素

焊缝成形的影响因素主要有焊接参数（焊接电流、电弧电压、焊接速度、热输入等）、工艺条件（焊丝直径、电流种类与极性、电极和焊件倾角、保护气等）和焊件的结构因数（坡口形状、间隙、焊件厚度等）。

1．焊接参数的影响

焊接参数决定焊缝输入的能量，是影响焊缝成形的主要工艺参数。

（1）焊接电流。焊接电流主要影响焊缝的熔深。其他条件一定时，随着电流的增大，焊缝的熔深和余高增加，而熔宽几乎不变，成形系数减小。

（2）电弧电压。电弧电压主要影响焊缝的熔宽。其他条件一定时，随电弧电压的增大，熔宽显著增加，而熔深和余高略有减小，熔合比稍有增加。不同的焊接方法对成形系数有自身的特定要求。因此，为得到合适的焊缝成形，一般在改变焊接电流时，对电弧电压也应适当调整。

（3）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，故熔深、熔宽和余高都减小，熔合比几乎不变。

2．工艺条件的影响

（1）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）产生的热量较多，熔深、熔宽都比直流正接时大。交流焊接时，熔深、熔宽介于直流正接与直流反接之间。在钨极氩弧焊或酸性焊条电弧焊中，直流反接时熔深小；直流正接时熔深大；交流焊接介于直流反接与直流正接之间。

（2）焊丝直径。焊接电流、电弧电压及焊接速度给定时，焊丝直径越细（钨极氩弧焊时，钨极端部几何尺寸越小），电流密度越大，对焊件加热越集中；同时，电磁收缩力增大，焊丝熔化量增多，使得熔深、余高均增大。

（3）焊丝伸出长度。焊丝伸出长度增加，则电阻增大，电阻热增加，焊丝熔化速度加快，余高增加，熔深略有减小。焊丝电阻率越高，直径越细，伸出长度越长，这种影响越大。

（4）电极倾角。电弧焊时，根据电极倾斜方向和焊接方向的关系，可分为电极前倾和电极后倾两种形式，如图1-12（a）和（b）所示。电极前倾时，熔宽增加，熔深、余高均减小。前倾角越小，这种现象越突出，如图1-12（c）所示。电极后倾时，情况刚好相反。焊条电弧焊和半自动气体保护焊时，通常采用电极前倾法，倾角α=65°～80°较合适。

（5）焊件倾角。实际焊接时，有时因焊接结构等条件的限定，焊件摆放存在一定的倾斜，重力的作用使熔池中的液态金属有向下流动的趋势，因而在不同的焊接方向会产生不同的影响。下坡焊时，重力的作用阻止熔池金属流向熔池尾部，电弧下方液态金属变厚，电弧对熔池底部金属的加热作用减弱，熔深减小，而余高和熔宽增大。上坡焊时，熔深和余高均增大，熔宽减小，如图1-13所示。

3．结构因数

在一定条件下，焊件的结构因数也会对焊缝成形造成影响。

（1）焊件材料和厚度。不同的焊件材料，其热物理性能不同。相同条件下，导热性好的材料熔化单位体积金属所需的热量更多，在热输入量一定时，焊缝的熔深和熔宽就小。焊件材料的密度或液态黏度越大，则电弧对熔池液态金属的排开越困难，则熔深越浅。其他条件相同时，焊件厚度越大，散热越多，熔深和熔宽越小。

（2）坡口和间隙。焊件是否要开坡口，是否要留间隙及留多大间隙，均应视具体情况确定。采用对接形式焊接薄板时，不需留间隙，也不需开坡口；板厚较大时，为了焊透焊件或改善熔合比，需留一定间隙或开坡口，此时余高和熔合比随坡口或间隙尺寸的增大而减小，因此，焊接时常采用开坡口来控制余高和熔合比。