2.2熔滴的过渡

第二节熔滴过渡•熔化的液体金属达到一定程度便以一定的方式脱离焊丝末端，过渡到熔池中去。这个过程称为熔滴过渡。第二节熔滴过渡熔化极电弧焊（焊条电弧焊、CO2焊、MIG、MAG、埋弧焊）熔滴是指电弧焊时，在焊条（或焊丝）端部形成的向熔池过渡的液态金属滴。以滴状形式过渡到熔池熔滴端部熔化焊条各种力的作用下长大电弧热第二节熔滴过渡一、熔滴的过渡特性１、熔滴的比表面积和相互作用时间熔滴比表面积，即熔滴的表面积与其体积或质量之比。在熔滴长大的过程中其比表面积也应当是变化的，熔滴的比表面积取决于它的形状和尺寸。ggVAS/比表面积（S）：熔滴表面积（A）与其质量（ρV）之比，即。设熔滴是半径为R的球体，则。熔滴越细其熔滴比表面积越大，凡是能使熔滴变细的因素，都能加强冶金反应。RRRS/3)34/(432第二节熔滴过渡cpcpcpgm/)//()21(0trtrcpmmm]2/1)/[(0trcpmmτcp，熔滴平均相互作用时间mcp熔滴平均质量，mcp=m0+1/2mtr，m0熔滴脱落后在焊条端部剩余液体量；mtr单个熔滴质量；τ熔滴长大时间；gcp熔滴过渡一个周期内焊芯的平均熔化速度，gcp=mtr/τ熔滴与周围介质相互作用的时间越长，冶金反应越充分。熔滴平均相互作用时间表示式：熔滴相互作用时间近似等于熔滴存在时间（0.01~1.0s），是很短暂的。第二节熔滴过渡2、熔滴的温度熔滴的温度是研究熔滴阶段各种物理化学反应时不可缺少的重要参数。试验表明，熔滴的平均温度随焊接电流的增加而升高，并随焊丝直径的增加而降低。对焊接低碳钢而言，熔滴的平均温度波动在2100～2700K的范围内。第二节熔滴过渡3、熔滴过渡特性对焊接过程的影响１）熔滴过渡的速度和熔滴的尺寸影响焊接过程的稳定性、飞溅程度以及焊缝成形的好坏；２）熔滴的尺寸大小和长大情况决定了熔滴反应的作用时间和比表面积（指熔滴的表面积与其体积或质量之比）的大小,从而决定了熔滴反应速度和完全程度；３）熔滴过渡的形式与频率直接影响焊接生产率；４）熔滴过渡的特性对焊接热输入有一定的影响，改变熔滴过渡的特性可以在一定程度上调节焊接热输入，从而改变焊缝的结晶过程和热影响区的尺寸及性能。第二节熔滴过渡2.2熔滴上的作用力•重力Fg对熔滴的影响取决于焊缝的空间位置。平焊时，重力是促使熔滴脱离焊丝末端的作用力；立焊和仰焊时，重力则为阻碍熔滴从焊丝末端脱离的作用力。重力为•Fg＝mg=4πr3ρg/3•式中，ρ是熔滴密度，r是熔滴半径，g是重力加速度。1重力第二节熔滴过渡2表面张力•表面张力Fδ作用于焊丝末端、与熔滴相交并且相切的圆周面上，是焊丝端头上保持熔滴的主要作用力。焊丝与熔滴之间的表面张力Fδ如图2-7b所示，Fδ可以分解为径向分力Fδr以及轴向分力Fδα，径向分力使熔滴在焊丝末端产生缩颈，轴向分力则使熔滴保持在焊丝末端．阻碍熔滴过渡。熔滴受重力和表面张力示意图第二节熔滴过渡•如果焊丝半径为R，熔滴半径为r，则焊丝与熔滴之间的表面张力Fδ为：•Fδ=2πRσ式中，σ是表面张力系数，其数值与材料、温度、气体介质等因素有关。金属MgZnAlCuFeTiMoWσ×10-3(N·m-1)65077090011501220151022502680表2-1纯金属的表面张力系数第二节熔滴过渡•只有重力和其它作用力的合力超过Fδ时，熔滴才能脱离焊丝过渡到熔池中去。因此．一般情况下Fδ是阻碍熔滴过渡的力。但在仰焊或其它位置（立焊、横焊）焊接时，却有利于熔滴过渡。因为一是熔滴与熔池接触时，表面张力有将熔滴拉入熔池的作用；二是使熔池或熔滴不易流淌。•加入表面活性物质或熔滴温度升高，可以降低表面张力系数,如O，S第二节熔滴过渡•3.电磁收缩力•电流流过导体时，在导体周围产生磁场，此磁场对导体又产生压缩力p(见图2-5)，这种力称为电磁力。图2-5电磁力•电磁力的方向垂直于导体表面（更确切的说是垂直于电流线），使导体截面积减小。电磁力对焊条未熔化部分无甚影响，而对熔化的金属则有显著的压缩作用。特别是在焊条末端与熔滴之间的细颈部分，电流密度最大，电磁力也最大。这种沿焊条轴线分布不均匀的电磁力又构成一种轴向推力，促使熔滴脱离焊条，而向熔池过渡。•在空间任何位置进行焊接时，电磁力都有促进熔滴过渡的作用。在用大电流施焊时，电磁力是熔滴过渡中的主要作用力。图2-5作用在熔滴上的电磁力第二节熔滴过渡4爆破力•若熔滴内部含有易挥发金属或由于冶金反应而生成气体，则在电弧高温作用下气体积聚和膨胀而造成较大的内力，从而使熔滴爆炸。在CO2短路过渡焊接时，电磁力及表面张力的作用导致熔滴形成缩颈，电流密度增加，急剧加热使液态小桥爆破形成熔滴过渡，同时也造成了较大飞溅。第二节熔滴过渡5电弧气体吹力•焊条电弧焊时，焊条药皮的熔化•滞后于焊芯的熔化，在焊条的端头形成套筒，见图2-9。药皮中造•气剂分解产生的CO、CO2、H2及•O2等在高温作用下急剧膨胀，从•套筒中冲出，推动熔滴冲向熔池。•无论何种位置焊接，这种力都有•利于熔滴过渡。第二节熔滴过渡•6.斑点压力•电弧中带电质点在电场作用下向两极移动，撞击在两极的斑点上产生的机械压力•斑点压力包括:正离子和电子对熔滴的撞击力、电极材料蒸发时产生的反作用力以及弧根面积很小时产生的指向熔滴的电磁收缩力。•a)在一定条件下，斑点压力将阻碍金属熔滴的过渡。•b)通常阳极受到的斑点压力比阴极受到的斑点压力要小，因而焊丝为阳极时熔滴过渡的阻碍力较小。这也是许多熔化极电弧焊采用直流反接的主要原因之一。第二节熔滴过渡•上述诸力，除重力和表面张力之外，电弧力、爆破力等的存在与方向都与电弧形态有关。而对于熔滴过渡的作用则随工艺条件、焊接位置以及熔滴状态等的变化而异。•例如，长弧焊时，表面张力总是阻碍熔滴从焊丝末端脱离，而成为反过渡力。但短弧焊时．当熔滴与熔池金属短路并形成液态金属过桥时，由于与熔池接触界面很大，使向下的表面张力远大于焊丝端向上的表面张力，结果使液桥被拉进熔池而有利于熔滴过渡。电磁力也有相同的情况。当熔滴短路时，电流呈发散形，此时电磁力的轴向分力则有助于熔滴过渡。第二节熔滴过渡图2-10形成液态桥时表面张力的作用1-焊丝2-液态金属过桥3-母材图2-11形成液态桥时电磁力的作用1-焊丝2-液态金属桥3-电流4-母材第二节熔滴过渡2.3熔滴过渡主要形式及其特点•根据外观形态、熔滴尺寸以及过渡频率等特征，熔滴过渡通常可分为三种基本类型，即接触过渡(ContactingTransfer)、自由过渡(FreeFlight)和渣壁过渡(SlagGuidingTransfer)。接触过渡是通过焊丝末端的熔滴与熔池表面接触成桥而过渡的。自由过渡是指熔滴脱离焊丝末端前不与熔池接触，它经电弧空间自由飞行进入熔池的一种过渡形式。渣壁过渡是渣保护时的一种过渡形式，埋弧焊时在一定条件下熔滴沿熔渣的空腔壁形成过渡。第二节熔滴过渡熔滴过渡的形式：国际焊接学会（IIW）对熔滴过渡形式分类：爆炸过渡旋转射流过渡射流过渡射滴过渡喷射过渡细滴过渡排斥过渡大颗粒过渡颗粒过渡自由过渡)1(套筒过渡渣壁过渡渣壁过渡搭桥过渡短路过渡接触过渡)3()2(第二节熔滴过渡接触过渡自由过渡渣壁过渡熔滴过渡的形式：第二节熔滴过渡2.3.1短路过渡图2-12短路过渡示意图第二节熔滴过渡•短路过渡(ShortCircuitingTransfer)主要用于φ1.6mm以下的细丝CO2气体保护焊或使用碱性焊条，采用低电压、小电流焊接工艺的焊条电弧焊。由于电压低，电弧较短，熔滴尚未长成大滴时即与熔池接触而形成短路液桥，在向熔池方向的表面张力及电磁收缩力的作用下,熔滴金属过渡到熔池中去（见图2-6），这样的过渡形式称为短路过渡。•这种过渡电弧稳定，飞溅较小，熔滴过渡频率高（每秒可达几十次至一百多次），焊缝成型良好。广泛用于薄板结构及全位置焊接。第二节熔滴过渡•1.短路过渡过程••正常的短路过渡过程，一般要经历电弧燃烧形成熔滴——熔滴长大并与熔池短路熄弧——液桥缩颈而断开过渡——电弧再引燃等四个阶段。图2-6为短路过渡过程的电弧电压和电流动态波形图。第二节熔滴过渡图2-6为短路过渡过程的电弧电压和电流动态波形图t1-燃弧时间t2-短路时间t3-拉断熔滴后的电压恢复时间T-短路周期T=t1+t2+t3Imax-最大电流，也称短路峰值电流Imin-最小电流Ia-平均焊接电流Ua-平均电弧电压第二节熔滴过渡•2短路过渡的特点•l）短路过渡是燃弧、短路交替进行。燃弧时电弧对焊件加热，短路时电弧熄灭，熔池温度降低。因此，调节燃弧时间或熄弧时间即可调节对焊件的热输入，控制母材熔深。•2）短路过渡时所使用的焊接电流（平均值）较小，但短路时的峰值电流可达平均电流的几倍，既可避免薄件的焊穿又能保证熔滴顺利过渡，有利于薄板焊接或全位置焊接。•3）短路过渡一般采用细丝（或细焊条），焊接电流密度大，焊接速度快，故对焊件热输入低，而且电弧短，加热集中，可减小焊接接头热影响区宽度和焊件变形。第二节熔滴过渡•3短路过渡的稳定性•短路过渡过程实质上可视为“燃弧——短路”周期性的交替过程。因此，短路过程的稳定性一方面可以用这种交替过程的柔顺、均匀一致程度以及过程中飞溅大小来衡量，同时还可以用短路过渡频率特性来评定。•短路过渡的周期T是由燃弧时间t1和熄弧时间t2所组成。调节燃弧时间和熄弧时间的大小，即可调节过渡周期，亦即调节过渡频率。一般认为，短路过渡频率越高，即每秒钟熔滴过渡次数越多，那么在恒定的送丝速度条件下，焊丝端部形成的熔滴尺寸越小，每过渡一滴时电弧的扰动也就越小，过渡过程就越稳定，飞溅也越小，并可提高生产效率。第二节熔滴过渡•燃弧时间取决于电弧电压和焊接电流或焊丝送进速度。增大电弧电压，减小焊接电流或送丝速度，都使熔滴要经过较长时间才能和熔池接触短路，故燃弧时间长，熔滴尺寸较大，短路频率较低，将降低电弧稳定性和增大飞溅。反之，则燃弧时间短，短路频率增加。•但如果电弧电压过低或送丝速度过快，则会造成熔滴尚未脱离焊丝时焊丝未熔化部分就可能插入熔池，造成固体短路，并产生大段爆断，使飞溅增大。第二节熔滴过渡短路过渡的主要形式a)固态短路时b)细丝小电流时c)中等电流小电感时第二节熔滴过渡•在短路过渡过程中，电源电压的恢复速度对稳定性具有重要影响。如果缩颈爆断后电源电压不能及时恢复到再引燃电压，则电弧不能及时再引燃而造成断弧现象，这就破坏了焊接过渡的连续性和稳定性。第二节熔滴过渡•4短路过渡的频率特性•短路过渡时每秒钟熔滴过渡的次数称为短路过渡频率，以f表示。若以vf表示焊丝的送进速度，在稳定焊接时vf＝vm，那么每次熔滴过渡的消耗焊丝的平均长度Ld＝vf/f。因此，在送丝速度恒定时，f越高则Ld越小，即熔滴的体积越小，短路过程越稳定。第二节熔滴过渡•与短路过渡相似的还有一种•接触过渡。这种过渡出现在•非熔化极填丝电弧焊或气焊•中。因焊丝一般不通电，因•此不称为短路过渡，而称为•搭桥过渡。过渡时，焊丝在•电弧热作用下熔化形成熔滴•与熔池接触，在表面张力、•重力和电弧力作用下，熔滴•进入熔池，见图2-18。图2-18搭桥过渡示意图搭桥过渡第二节熔滴过渡2.3.2滴状过渡•1粗滴过渡•电流较小而电弧电压较高时，因弧长较长，熔滴与熔池不发生短路，焊丝末端便形成较大的熔滴。当熔滴长大到一定程度后，重力克服表面张力使熔滴脱落图2-19粗滴过渡过程示意图粗滴过渡时熔滴存在时间长，尺寸大，飞溅也大，电弧的稳定性及焊缝质量都较差。第二节熔滴过渡•2细滴过渡•电流比较大时，电磁收缩力较大，熔滴表面张力减小，熔滴细化，这些都促使熔滴过渡，使熔滴过渡频率增加。这种过渡形式称为细滴过渡。因飞溅较少，电弧稳定，焊缝成形较好，在生产中被广泛应用。第二节熔滴过渡•这种过渡形式在不同气体介质中或材料不同时，其过渡特点也不同。对于CO2气体保护电弧焊及酸性焊条电弧焊，熔滴呈非轴向过渡。而铝合金熔化极氩弧焊