第四節 焊絲及母材熔化

一、焊絲金屬的熔化及熔滴過渡

熔化極電弧焊時，焊絲（焊芯）一方面作為電極傳導電流，另一方面受熱熔化后作為填充金屬，與熔化的母材共同形成焊縫。因此，焊絲（焊芯）的加熱熔化及熔滴過渡將對焊接的過程和焊縫的質量產生直接影響。

（一）焊絲（焊芯）加熱與熔化的熱源和焊絲（焊芯）的熔化

1．熔化極電弧焊時，加熱并熔化焊絲（焊芯）的熱量主要有電阻熱和電弧熱

（1）電阻熱。當電流在焊條中通過時，將產生電阻熱。電阻熱的大小取決于焊條長度或焊絲的伸出長度、電流密度和金屬的電阻率。焊條或焊絲伸出長度越長、電流密度越大、電阻率越高，則電阻熱越大。

（2）電弧熱。電弧產生的熱量僅有一部分用來熔化焊絲，而大部分熱量用來熔化母材、藥皮或焊劑，另外還有相當一部分的熱量消耗在輻射、飛濺和母材的傳熱上。

2．焊絲（焊芯）的熔化

焊絲（焊芯）金屬受到電阻熱和電弧熱加熱后，便開始熔化。衡量焊絲（焊芯）熔化的主要指標是熔化速度，即單位時間內焊絲的熔化長度或質量。焊絲或焊芯的熔化速度主要取決于焊接電流的大小。就焊條電弧焊而言，由于電阻熱對焊芯強烈的預熱作用，使焊條后半部的熔化速度比前半部要快20%～30%。

（二）焊絲（焊芯）金屬的熔滴過渡

熔滴即焊條或焊絲端部形成的向熔池過渡的液態金屬滴。熔滴通過電弧空間向熔池轉移的過程稱為熔滴過渡。

1．熔滴上的作用力

影響熔滴過渡的主要因素是熔滴上的作用力。熔滴上的作用力根據來源不同，可分為重力、表面張力、電磁收縮力、斑點壓力和電弧氣體的吹力。

（1）重力。焊接時，熔滴由于本身所受重力而具有下垂的傾向。平焊時，重力起促進熔滴過渡的作用。

（2）表面張力。金屬熔化后，在表面張力的作用下形成球滴狀，使液態金屬不會馬上脫離焊條。表面張力的大小與熔滴的成分、溫度、環境有關，另外，與焊絲直徑成正比。平焊時，表面張力阻礙熔滴過渡，而其他位置有利于熔滴過渡。

（3）電磁收縮力。在任何焊接位置，電磁收縮力的作用都是促使熔滴向熔池過渡的。

（4）斑點力。在焊接電弧中，斑點力是阻礙熔滴過渡的。直流正接時，陽離子的壓力阻礙熔滴過渡；反之，電子的壓力阻礙熔滴過渡。由于陽離子的質量大，陽離子流的壓力也就比電子流的壓力大，所以采用直流反接可以減小熔滴過渡的阻礙作用，減少飛濺，更容易產生細顆粒熔滴過渡。

（5）電弧氣體的吹力。在焊條電弧焊時，焊條藥皮的熔化稍微落后于焊芯的熔化，在焊條的末端便形成一小段未熔化的喇叭形套管。此套管內含有大量的氣體，并順著套管方向形成挺直而穩定的氣流，進而把熔滴送到熔池中去。不論焊接的空間位置如何，電弧氣體的吹力都將有利于熔滴金屬的過渡。

2．熔滴過渡的形式

金屬熔滴向熔池過渡大致可分為以下幾種形式：

（1）噴射過渡。細小的熔滴顆粒以噴射狀態快速通過電弧空間向熔池過渡的形式稱為噴射過渡，如圖1-9（a）所示。一般在熔化極惰性氣體保護焊中，當焊接電流很大（超過臨界電流），且電壓較高時，形成噴射過渡；此時，熔滴過渡頻率高，電弧穩定，飛濺少，熔深大，焊縫成形美觀，可全位置焊接，生產效率高，但易形成指狀熔深。

（2）滴狀過渡。當電弧長度超過一定值時，熔滴依靠表面張力的作用自由過渡到熔池，而不發生短路，即為滴狀過渡。滴狀過渡又可分為粗滴過渡和細滴過渡。粗滴過渡時飛濺多，電弧也不穩定，成形不好，如圖1-9（b）所示。滴狀過渡一般在較大的焊接電流和較高的焊接電壓條件下形成，熔滴尺寸的大小與焊接電流的大小和焊絲的成分有關。

（3）短路過渡。焊絲端部的熔滴與熔池短路接觸時，強烈的熱和磁收縮的作用使熔滴爆斷，直接向熔池過渡，這種形式稱為短路過渡，如圖1-9（c）所示。短路過渡的形成條件是小電流、低電弧電壓，且電弧功率較小。它能實現穩定的金屬熔滴過渡和穩定的焊接過程。短路過渡適合于薄板或需要低熱輸入情況下的焊接。

3．熔滴過渡的飛濺

熔焊過程中，熔化的金屬顆粒和熔渣向周圍飛散的現象稱為飛濺。飛濺不僅影響焊縫成形和美觀，更嚴重的是它降低了單位電流、單位時間內焊芯（或焊絲）熔敷到焊縫中的金屬量（即熔敷系數），從而降低了焊接生產效率和效益。引起飛濺的主要原因有以下兩種：

（1）氣體爆炸引起的飛濺。由于冶金反應時在液體內部產生大量的CO氣體，氣體的析出十分猛烈，造成液體金屬（熔滴和熔池金屬）發生粉碎性的細滴飛濺。

（2）斑點力引起的飛濺。短路過渡的最后階段，在熔滴與熔池之間發生燒斷的瞬間，液態“金屬小橋”的電流密度太大，從而引起強烈的飛濺。

二、母材熔化與焊縫成形

在電弧熱的作用下，母材被熔化，進而在焊件上形成一個具有一定形狀和尺寸的液態熔池。隨著電弧的移動，熔池前端的焊件不斷被熔化進入熔池中，熔池后部則不斷冷卻結晶而形成焊縫，如圖1-10所示。熔池的形狀不僅決定了焊縫的形狀，而且對焊縫質量有重要的影響。熔池的體積和形狀主要取決于電弧的熱量和電弧對熔池的作用力。

（一）焊縫形狀與焊縫質量的關系

焊縫的形狀是指焊件熔化區橫截面的形狀，它可用熔深s、熔寬c和余高h三個參數來描述。如圖1-11所示為對接和角接接頭的焊縫形狀及各參數的意義。合理的焊縫形狀要求s、c和h之間有適當的比例，生產中常用成形系數Φ=c/s和余高系數ψ=c/h來表征焊縫成形的特點。

成形系數是衡量焊縫質量優劣的主要指標之一。ψ值小，表示焊縫深而窄，既可縮小焊縫寬度方向的無效加熱范圍，又可提高熱效率和減小熱影響區。但若ψ值過小，焊縫截面過窄，則不利于氣體從熔池中逸出，容易在焊縫中產生氣孔，且使結晶條件惡化，增大產生夾渣和裂紋的傾向。因此，實際焊接時，成形系數的大小應根據焊縫產生裂紋和氣孔的敏感性合理控制，不同焊接方法的成形系數應控制在一定范圍內。

余高系數也是衡量焊縫質量優劣的指標。理想的焊縫成形，其表面應該是與母材平齊的，即余高h為零。由于有余高，焊縫和母材在連接處不能平滑過渡，焊接接頭承載時在突起處形成應力集中，降低了焊接結構的承載能力。但是，理想的無余高又無凹陷的焊縫是不可能在焊后直接獲得的。為了保證焊縫的質量，對一般焊縫都有一個允許的余高值進行限制。

表示焊縫橫截面形狀特征的另一個重要參數就是焊縫的熔合比。熔合比是指單道焊時，在焊縫橫截面上母材熔化部分所占的面積與焊縫全部面積之比（γ=Am/（Am+Ah））。熔合比越大，則焊縫的化學成分越接近母材本身的化學成分。在電弧焊工藝中，焊件的坡口形式、焊接參數都會影響焊縫的熔合比。

（二）影響焊縫成形的因素

焊縫成形的影響因素主要有焊接參數（焊接電流、電弧電壓、焊接速度、熱輸入等）、工藝條件（焊絲直徑、電流種類與極性、電極和焊件傾角、保護氣等）和焊件的結構因數（坡口形狀、間隙、焊件厚度等）。

1．焊接參數的影響

焊接參數決定焊縫輸入的能量，是影響焊縫成形的主要工藝參數。

（1）焊接電流。焊接電流主要影響焊縫的熔深。其他條件一定時，隨著電流的增大，焊縫的熔深和余高增加，而熔寬幾乎不變，成形系數減小。

（2）電弧電壓。電弧電壓主要影響焊縫的熔寬。其他條件一定時，隨電弧電壓的增大，熔寬顯著增加，而熔深和余高略有減小，熔合比稍有增加。不同的焊接方法對成形系數有自身的特定要求。因此，為得到合適的焊縫成形，一般在改變焊接電流時，對電弧電壓也應適當調整。

（3）焊接速度。焊接速度的快慢主要影響母材的熱輸入量。其他條件一定時，提高焊接速度，單位長度焊縫的熱輸入量及焊絲金屬的熔敷量均減小，故熔深、熔寬和余高都減小，熔合比幾乎不變。

2．工藝條件的影響

（1）電流種類和極性。電流種類和極性對焊縫形狀的影響與焊接方法有關。熔化極氣體保護焊和埋弧焊采用直流反接時，焊件（陰極）產生的熱量較多，熔深、熔寬都比直流正接時大。交流焊接時，熔深、熔寬介于直流正接與直流反接之間。在鎢極氬弧焊或酸性焊條電弧焊中，直流反接時熔深小；直流正接時熔深大；交流焊接介于直流反接與直流正接之間。

（2）焊絲直徑。焊接電流、電弧電壓及焊接速度給定時，焊絲直徑越細（鎢極氬弧焊時，鎢極端部幾何尺寸越小），電流密度越大，對焊件加熱越集中；同時，電磁收縮力增大，焊絲熔化量增多，使得熔深、余高均增大。

（3）焊絲伸出長度。焊絲伸出長度增加，則電阻增大，電阻熱增加，焊絲熔化速度加快，余高增加，熔深略有減小。焊絲電阻率越高，直徑越細，伸出長度越長，這種影響越大。

（4）電極傾角。電弧焊時，根據電極傾斜方向和焊接方向的關系，可分為電極前傾和電極后傾兩種形式，如圖1-12（a）和（b）所示。電極前傾時，熔寬增加，熔深、余高均減小。前傾角越小，這種現象越突出，如圖1-12（c）所示。電極后傾時，情況剛好相反。焊條電弧焊和半自動氣體保護焊時，通常采用電極前傾法，傾角α=65°～80°較合適。

（5）焊件傾角。實際焊接時，有時因焊接結構等條件的限定，焊件擺放存在一定的傾斜，重力的作用使熔池中的液態金屬有向下流動的趨勢，因而在不同的焊接方向會產生不同的影響。下坡焊時，重力的作用阻止熔池金屬流向熔池尾部，電弧下方液態金屬變厚，電弧對熔池底部金屬的加熱作用減弱，熔深減小，而余高和熔寬增大。上坡焊時，熔深和余高均增大，熔寬減小，如圖1-13所示。

3．結構因數

在一定條件下，焊件的結構因數也會對焊縫成形造成影響。

（1）焊件材料和厚度。不同的焊件材料，其熱物理性能不同。相同條件下，導熱性好的材料熔化單位體積金屬所需的熱量更多，在熱輸入量一定時，焊縫的熔深和熔寬就小。焊件材料的密度或液態黏度越大，則電弧對熔池液態金屬的排開越困難，則熔深越淺。其他條件相同時，焊件厚度越大，散熱越多，熔深和熔寬越小。

（2）坡口和間隙。焊件是否要開坡口，是否要留間隙及留多大間隙，均應視具體情況確定。采用對接形式焊接薄板時，不需留間隙，也不需開坡口；板厚較大時，為了焊透焊件或改善熔合比，需留一定間隙或開坡口，此時余高和熔合比隨坡口或間隙尺寸的增大而減小，因此，焊接時常采用開坡口來控制余高和熔合比。