对焊丝焊化速率的影响越大，因此对于加热和熔化焊总热量P主要由两部分组成，即P=I(U+IRS)。

1.2.2熔滴过渡形式及其作用力

在熔化极电弧焊中，焊丝端头形成的熔滴，它受到各种力的作用。由于作用力的大小和方向不断变化，而引起焊丝端头上的熔滴形状和位置也不断变化，从而以不同的形式脱离焊丝飞向熔池。

1.2.2.1熔滴上的作用力

在焊丝端部的金属熔滴受以下几个力的作用：表面张力、重力、电磁收缩力、斑点压力、等离子流力和其它力。

(1) 表面张力：液态金属和其它液体一样，具有表面张力，焊丝熔化后，液态金属并不马上掉下来，而是在表面张力的作用下形成球状熔滴悬挂在焊条未端。随着焊丝的不断熔化，熔滴体积不断增大，直到作用在熔滴上的作用力超过熔滴与焊丝界面间的张力时，熔滴才脱离焊丝进入熔池。

表面张力越大，焊丝未端的熔滴越大。表面张力与焊丝直径、液态金属和保护气体的成分以及温度等有关。焊丝直径大,表面张力也大；液态金属温度越高，其表面张力越小；在焊丝内加入一定的活性物质，或在保护气体中加入氧化性气体(O2、CO2)，可以显著降低液体金属的表面张力，形成细颗粒熔滴向熔池过渡。

(2) 重力：任何物体在重力作用下都有下垂的倾向,所以在平焊时，重力促进了熔滴的过渡，但在立焊和仰焊时重力将对熔滴的过渡起阻碍作用。当焊丝直径较大而焊接电流较小时，在平焊位置的情况下，使熔滴脱离的力主要是重力。

(3) 电磁力：在焊接时，焊丝上通过较大的电流，由于大电流可以看成是许多同向平行的小电流。根据电磁学中平行电流磁场的作用原理可知，同向平行电流是彼此吸引的，即对通电导体有一径向收缩力(即磁缩力)，这种电磁收缩力促使熔滴很快形成并脱离焊丝端部向熔池过渡。

当采用大电流焊接时，重力与电磁收缩力相比数值很小，电磁收缩力将是影响熔滴脱落的主要作用力。

在熔化极焊接的情况下，由于存在电极斑点，使电流流过熔滴时，导体的截面发生变化，将产生电磁的轴向分力，其方向总是从小截面指向大截面，如图1.3所示。如果斑点尺寸小于焊丝直径,则轴向分力阻碍熔滴过渡，斑点尺寸大于焊丝直径则促使熔滴过渡。

图1.3 电磁力及其作用方向

(4) 等离子流力： 电弧焊时，电弧直径从焊条到工件是逐渐增大的，这时在电弧中产生轴向推力，由于该力的作用，将建立起从焊丝向工件方向的气流即等离子流。 当电流较大时，高速离子流对焊丝端头口的熔滴和已脱离焊丝处在电弧空间的熔滴，产生很大的作用力，使之沿焊丝轴线运动，促进熔滴的过渡。

(5) 斑点力：主要由以下两方面组成，一是由于熔滴金属在斑点处产生大量金属蒸气，在垂直于斑点表面的方向上出现较大的蒸气反作用力，其大小随斑点处电流密度的增加而增大，该力将阻碍熔滴金属过渡。阴极斑点的电流密度大于阳极斑点的电流密度，所以焊丝为阴极时将受到更大的阻力。另一方面带电质点对斑点表面有撞击力，阳极接受电子的撞击阴

极接受正离子的撞击。由于正离子的质量大于电子，同时一般情况下，阴极压降大于阳极压降，因此这种斑点力在阴极上表现较大，在阳极上表现较小。

1.2.2.2熔滴过渡的主要形式

对于熔化极气体保护焊焊丝端头口熔滴由于受上述各种作用力的综合作用,而表现出不同的过渡形式,大致可分为三种。即粗滴过渡、短路过渡、喷射过渡；而在颗粒状过渡中又可为滴状过渡和上挠过渡。

1.粗滴过渡

如图1.4所示, 熔滴呈粗大颗粒状向熔池自由过渡的形式。

图1.4 粗滴过渡

2. 短路过渡 如图1.5所示，焊丝端部的熔滴与熔池短路接触,由于强烈过热和磁收缩的作用使其爆断,直接向熔池过渡的形式。

图1.5 短路过渡

3. 喷射过渡

如图1.6所示，熔滴呈细小颗粒并以喷射状态快速通过电弧空间向熔池过渡的形式。

图1.6 喷射过渡

熔滴过渡现象十分复杂,焊接电流、电压极性、保护气体种类、焊丝成分等都影响熔滴的过渡形式,将在下面的具体焊接方法中分别介绍。

1.23焊接熔池

电弧焊过程中，在电弧热作用下，被焊金属材料──母材接缝处发生局部熔化，这部

分熔化的液态金属不断地与从焊丝过渡来的熔滴金属相混合，形成焊接熔池。在不填金属的非熔化极电弧焊时，熔池完全由母材熔化的液态金属组成。在电弧移动的连续焊接时，熔池将随着电弧移动，同时熔池液态金属还在电弧力的作用下向电弧移动的后方排开。

1.2.4熔池金属的受力和流动状态

焊接熔池在接受电弧热作用的同时，还受到各种机械力的作用，其中有各种形式的电弧力,还有熔池金属自身的重力和表面张力等，使熔池中的液态金属处于不断的运动状态。熔池金属主要受以下几种作用力：

1. 电弧力

(1)电磁静压力

由于焊接电弧呈圆锥状而形成的电磁静压力始终指向熔池，使电弧正下方的液态金属发生流动，并向四周排开。

(2) 电磁收缩力

当电流从电极斑点流向熔池时，电流密度变小，这种电流密度的变化就造成了电磁收缩力和流体中压力差，使电极斑点区熔池金属压力大于其它部分，结果引起熔池中液体金属沿着电流方向向下运动。这不仅加剧了熔池中凹坑的形成，而且还会形成熔池金属旋涡状流动。

(3) 等离子流力

由高温等离子体高速流动而形成的动态电磁压力也使熔池金属流动，并且在电弧中心的正下方加剧凹坑的形成和深度。

(4) 熔滴的冲击力

在射流过渡中，熔滴的运动速度较快，具有较大的动能，熔滴对熔池的冲击力是非常大的。

以上各种电弧力的大小都随着电流浓密的增大而增大。电弧焊时的气体吹力和带电粒子的撞击力对于熔池金属也具有一定的作用。

2. 液体金属的重力

其大小正比于熔池的体积, 亦即正比于焊接线能量。在平焊位置时，对焊缝成形有利，除平焊位置外，在其它各种空间位置的焊接，液体金属的重力往往是破坏熔池稳定性的主要因素，对焊缝成形不利。

3. 液体金属的表面张力

其大小与液体金属的成分和温度有关。纯金属或合金的表面张力较大，金属氧化物的表面张力较小；液体金属的温度越高，其表面张力越小。表面张力阻止熔池液态金属在电弧力作用下的流动，即影响熔池的表面形状，也影响熔池金属在坡口中的堆敷情况。另一方面由于熔池各部分成分及温度不同而造成表面张力不同，从而可能导致熔池内形成涡流，将影响熔池的深度和宽度。

图1.7为平焊位置的熔池形状和熔池液态金属流动情况的示意图。

图1.7 熔池形状和熔池液态金属流动情况的示意图

1.2.5焊缝的几何参数及术语

1. 焊趾：焊缝表面与母材的交界处，见图1.8。

图1.8

2. 焊脚：角焊缝的横截面中，从一个焊件上的焊趾到另一个焊件表面的最小距离，见图1.9。 3. 焊缝凸度：凸形角焊缝横截面中，焊趾连线与焊缝表面之间的最大距离，见图1.9。 4. 焊缝凹度：凹形角焊缝横截面中，焊趾连线与焊缝表面之间的最大距离，见图1.9。 5. 焊脚尺寸：在角焊缝横截面中画出的最大等腰直角三角形中直角边的长度，见图1.9。 6. 熔深：在焊接接头的横截面上，母材熔化的深度。它不但标志电弧穿透能力的大小，而且影响到焊缝的承载能力，见图1.10。 7. 焊缝宽度：单道焊缝横截面中，两焊趾之间的距离，见图1.8。 8. 焊缝厚度：在焊缝横截面中，从焊缝正面到焊缝背面的距离，见图1.9。

图 1.9

图 1.10

9. 余高：超出表面焊趾连线上面的那部分焊缝金属的高度，见图1.11。余高可避免熔池金属凝固收缩时形成缺陷，也可增大焊缝截面承受静载荷能力。但余高过大将引起应力集中或疲劳寿命的下降，因此应限制余高的尺寸。通常对接接头的余高小于3mm或余高系数（焊缝宽度/余高）大于4～8。当工件的疲劳寿命是主要问题时，焊后应将余高去除。理想的角焊缝表面最好是凹形的，可在焊后除去余高，磨成凹形。

图 1.11

10.焊根：焊缝背面与母材的交界处，见图1.12。

图 1.12

11.焊缝成形系数：焊缝宽度与焊缝计算厚度的比值，见图1.13。其大小会影响熔池中气体逸出的难易、熔池的结晶方向、焊缝中成分偏析程度等，从而影响到焊缝产生气孔和裂纹的敏感性。

图 1.13

1.3焊接应力和变形

1.3.1焊接残余应力残余变形的产生

焊接残余应力和残余变形主要是由于焊接过程中局部加热和冷却，高温区域的金属热胀膨冷缩受到阻碍所形成的。

例如，在钢板边缘堆焊时，焊件变形情况如图1.14所示。焊接开始时，A区受热膨胀，但因受到B区冷金属的阻碍，不能自由伸长，这时板向上(加热侧)弯曲(如图-B)，A区受到压应力，B区产生拉应力。焊接继续进行，板的弯曲如图C所示。当A区的压应力大于材料的屈服极限时，A区就产生塑性变形。冷却时，塑性变形保留下来，即形成残余变形，板向下弯曲(如图D),这时A区受拉应力，B区受压应力。最后整条钢板发生如图的向下弯曲，A区受拉伸残余应力，B区受压缩残余应力。

图1.14 板边缘堆焊时变形过程

1.3.2焊接残余应力和残余变形之间的关系

焊接残余应力、残余变形的分布及大小与材料的线膨胀系数、弹性模量、屈服极限、温