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焊缝形成过程及焊缝形状尺寸

1 .焊缝形成过程

电弧焊时，焊缝的形成一般要经历加热、熔化、化学冶金、凝固和固态相变等一系列冶金过程。其中，熔化和凝固是两个必不可少的过程。

在电弧的作用下，整个焊件上的温度分布是不均匀的，电弧作用中心的温度最高，随着远离电弧作用中心其温度逐渐降低。在电弧正下方的母材温度超过了熔点，因此必然被熔化，与此同时，填充材料被电弧加热形成熔滴，向母材方向过渡，这两部分金属互相混合在一起，共同形成了具有一定几何形状的液体金属，即所谓的焊接熔池。如果用非熔化极电弧进行焊接并且不加填充焊丝，则熔池仅由局部熔化的母材金属组成。由于焊接电弧是沿着焊件接缝不断移动的，因此熔池也是移动的。在移动的过程中，熔池中电弧正下方的金属在电弧力作用下被排向熔池尾部，并在电弧力、表面张力和本身重力的共同作用下与前部金属保持一定的液面差，熔池保持一定的形状尺寸。

由于熔池内各点与电弧作用中心的距离不同，熔池内的温度分布也是不均匀的。离电弧作用中心越近，温度越高，离电弧作用中心越远，温度越低。由于熔池是移动的，也使各点的温度是变化的。沿着熔池的纵向看，熔池前部的固体母材金属处于急剧升温阶段并不断被电弧熔化成为液体金属；熔池尾部的液体金属渐离电弧热源，温度降低，不断凝固形成焊缝。

熔池凝固是一个结晶过程。首先在熔池内形成晶核，然后晶体长大，直到全部凝固成焊缝。但形核主要是非自发形核，即金属原子主要是依附在熔合面（熔池与母材的交界面）上的半熔化和未熔化的晶粒形核，然后，以柱状晶的形式向熔池中心生长，直至相遇为止，这种结晶方式通常称为联生结晶。当焊接热输入大时，焊缝中心也会产生一些等轴晶。由于焊缝是由熔池凝固而成的，熔池的形状将决定焊缝的形状。

2. 焊缝形状尺寸

焊缝的形状一般是指焊缝横截面的形状，通常用焊缝熔深H、焊缝熔宽B和焊缝余高h来描述。其中，焊缝熔深H是指母材熔化的深度；焊缝熔宽B是两焊趾之间的距离；焊缝余高h是焊缝横截面上焊趾连线之上的那部分焊缝金属的最大高度。此外，还常用焊缝成形系数中（∅=B/H)和余高系数中（Ψ=B/h)来表征焊缝成形的特点。

焊缝形状的合理与否对焊接质量能产生很大影响。例如，焊缝熔深H是对接接头焊缝很重要的尺寸，它直接影响接头的承载能力。焊缝成形系数∅的大小能影响熔池中气体逸出的难易程度、熔池金属的结晶方向、焊缝中心偏析程度等，因而对焊缝产生裂纹和气孔的敏感性、熔池的冶金条件等均能产生影响。在能够保证焊缝充分熔透的情况下，较小的焊缝成形系数∅，可以缩小焊缝宽度方向的无效加热范围，进而可以提高热效率及减小热影响区。但过小的焊缝成形系数中，使焊缝截面过窄，熔池中的气体不易逸出，在焊缝中容易产生气孔，结晶条件也恶化，加大焊缝中产生夹渣及裂纹的倾向。不同的焊接方法对焊缝成形系数的要求不同。实际焊接时，在保证焊透的前提下要求匹配合适的∅值。对于常用的电弧焊方法，焊缝的成形系数∅一般取1.3-2;堆焊时，为了保证堆焊层的成分和高的堆焊生产率，要求熔深浅，焊缝宽度大，成形系数∅可达到10。

焊缝余高在静载下可以增加焊缝的承载能力，但在动载或交变载荷下，不仅不能起加强作用，反而由于能引起应力集中而降低焊缝的疲劳强度，因此需要合适的焊缝余高尺寸。通常，对接接头的余高h=0~3mm,或者余高系数Ψ（B/h)为4~8。当焊件的疲劳寿命是主要问题时，焊后应将余高去除。

熔合比是另一个表征焊缝横截面形状特征的重要参数。所谓熔合比是指单道焊时，在焊缝横截面上熔化的母材所占的面积与焊缝的总面积之比。它能反映母材成分对焊缝成分的稀释程度。熔合比越大，说明母材向焊缝中熔入的量越多，稀释程度越大。

当接头形式、坡口形式、焊接参数变化时，焊缝的熔合比将发生变化。电弧焊时可通过控制熔合比的大小来调整焊缝的化学成分、降低裂纹的敏感性和提高焊缝的力学性能。