1.2 焊丝熔化及熔滴过渡

1§2焊丝熔化及熔滴过渡WeldingwireMeltinganddroplettransfer材料成型及控制工程第一章电弧焊基础知识2主要内容一、焊丝的加热与熔化特性二、熔滴上的作用力三、熔滴过渡的主要形式、特点及控制3焊丝的作用有两个：作为电极导电用做填充金属焊丝熔化的热量来源分两种情况：熔化极电弧焊：阴极区产生的电弧热阳极区产生的电弧热焊丝伸出长度上的电阻热弧柱区的热量作用比较小非熔化极电弧焊：弧柱区产热熔化焊丝一、焊丝熔化的热量来源4（1）电弧热阴极区：PK=IUK-IUW-IUT阳极区：PA=IUA+IUW+IUTUK阴极压降UA阳极压降UW逸出电压UT弧柱温度等效电压电流密度较大时：近似为0电弧温度6000K时：小于1V阴极区：PK=IUK-IUW=I(UK-UW)阳极区：PA=IUW焊丝接负时：焊丝加热与熔化取决于（UK-UW）。焊丝接正时：主要取决于材料逸出功和电流的大小。5阴极区：PK=I(UK-UW)阳极区：PA=IUW熔化极气体保护焊时，UKUW所以，同种材料，在相同的电流的作用下，焊丝作为阴极的产热将比焊丝作为阳极时产热多。因为散热条件相近，所以焊丝接负(正接)时比焊丝接正（反接）时熔化快。（1）电弧热6(2)电阻热：PR=I2RSRs=ρLs/SLs为焊丝的伸出长度7(3）总热量接负：Pm=PK+PR=I（UK-Uw）+I2Rs接正：Pm=PA+PR=I(Uw+IRs)+I2Rs合并：Pm=I（Um+IRs）焊丝接正时Um=UW焊丝接负时Um=UK-UW电流、影响电子发射的因素(UK、UW)影响电阻热的因素（Rs）所以影响产热的因素包括：写错了！电弧热的等效电压焊丝材料有无氧化膜焊丝熔点焊丝直径焊丝伸出长度（10－30mm）焊丝电阻率8二、焊丝熔化速度及熔化系数焊丝的熔化速度：单位时间内，熔化的焊丝的长度。m/h或m/min或者kg/h焊丝的熔化系数：单位时间内通过单位电流时焊丝的熔化量。g/(A.h)等熔化曲线：送丝速度与熔化速度相等条件下，获得的电流电压的关系。电弧的固有调节作用：弧长因外界干扰发生变化时，能自动回复到原来长度的特性。9影响焊丝熔化速度的因素总结电流：电流↑→熔化速度↑电压：较长弧长范围内，电压变化→不影响焊丝的熔化在较短弧长范围内，电压↓→熔化系数↑（自调节作用在更短弧长范围内，电压↓→熔化系数↓电流极性：焊丝为阴极（正接）时，熔化速度大气体介质：反接时介质的影响不大，正接时介质的影响比较复杂，无明显规律伸出长度：Ls↑→熔化速度↑焊丝直径：d↑→熔化速度↓10三、熔滴上的作用力1.重力及表面张力2.电弧力3.爆破力、、、、、、111.重力及表面张力焊丝直径较大而电流较小时重力及表面张力起主要作用Fδ=2Rπσ细焊丝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。122.电弧力电弧对熔滴和熔池的机械作用力包括：电磁收缩力等离子流力斑点力电弧力只有在焊接电流较大的时候，才对熔滴过渡起主要作用；电流小时，重力表面张力其主要作用。13（1）电磁收缩力电磁力对熔滴过渡的影响取决于电弧形态在熔滴端部与弧柱间导电的弧根面积的大小将决定该处电磁力的方向，如果弧根直径小于熔滴直径，此处电磁力合力向上，阻碍熔滴过渡；反之，若弧根面积笼罩整个熔滴，此处电磁力合力向下，促进熔滴过渡。14（2）等离子流力等离子流力：电流较大时，高速等离子流力对熔滴产生很大的推力，使之沿轴线方向运动。电弧等离子流力随着等离子流从焊丝末端侧面切人，并冲向熔池而产生，它有助于熔滴脱离焊丝，并使其加速通过电弧空间进入熔池。等离子流力与焊丝直径和焊接电流有密切关系，采用的焊丝直径越细，电流越大，产生的等离子流力和流速越大，因而对熔滴推力也就越大。在大电流焊接时，等离子流力会显著地影响熔滴过渡特性。15（3）斑点力正离子或电子对熔滴的撞击力电极材料蒸发时产生的反作用力弧根面积很小时指向熔滴的电磁收缩力斑点力组成：斑点面积比较小的时候，斑点压力常常阻碍熔滴过渡；斑点面积比较大的时候，笼罩整个熔滴，斑点压力促进熔滴过渡。在一定条件下，斑点压力将阻碍金属熔滴的过渡。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。163.爆破力当熔滴内部因冶金反应而生成气体或者含有易蒸发金属时，在电弧高温的作用下，使气体体积膨胀而产生的内压力，致使熔滴爆破，这一内压力称为爆破力，它促进熔滴过渡，但产生飞溅。17上述诸力，对于熔滴过渡的作用随工艺条件、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(图30)，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(图31)，此时电磁力的轴向分力则有助于熔滴过渡。图1-30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1-31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18四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，即自由过渡(FreeFlight)、接触过渡(ContactingTransfer)和渣壁过渡(SlagGuidingTransfer)。自由过渡：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。接触过渡：通过焊丝末端的熔滴与熔池表面接触成桥而过渡的。渣壁过渡：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。191射流过渡氩气或富氩气体保护焊接时．在一定工艺条件下，会出现喷射过渡。通常分为射滴、亚射流、射流和旋转射流四种过渡形式。射滴过渡是介于滴状过渡与连续射流过渡之间的一种熔滴过渡形式，亚射流过渡是介于短路与射滴之间的一种过渡形式，旋转射流过渡是在焊丝伸出长度较大，焊接电流比通常射流过渡临界电流高出很多时(称为第二临界电流)出现的一种熔滴过渡形式。20产生跳弧现象的最小电流IL，称为射流过渡临界电流。当焊接电流小于临界电流时，电流的增大只是熔滴尺寸略有减小，熔滴过渡频率变化不大。电流一旦达到临界电流，熔滴尺寸减小，过渡频率大大增加。随后再增加电流，熔滴过渡频率变化不大。1射流过渡射流过渡是喷射过渡中最富有代表性且用途广泛的一种过渡形式。获得射流过渡的条件是采用纯氩或富氩保护气氛，直流反接，除保持高弧压（长弧)外，还必须使焊接电流大于某临界值。图1-32射流过渡形成机理示意图跳弧跳弧：电弧从熔滴的根部扩张到颈缩的根部21图1-33熔滴过渡与电流的关系钢焊丝φ1.6mm气体Ar+O21%弧长6mm直流反接体积频率图1-33为钢焊丝在富Ar气氛中焊接时熔滴过渡频率（体积）与电流的关系。22射流过渡临界电流的大小与下列因素有关：（1）焊丝成分焊丝成分不同将引起电阻率、熔点及金属蒸发能力的变化。图1-34不同材质焊丝的临界电流23（2）焊丝直径即使是同种材料的焊丝，直径不同，其临界电流值也不同。由图2-23和图2-24可见，随焊丝直径的增大，临界电流成比例地增加。这是因为焊丝直径大，则电流密度小，熔化焊丝所需要的热量增加，因而形成射流过渡的临界电流值也随之增大。（3）焊丝伸出长度焊丝伸出长度长，电阻热的预热作用增强，焊丝熔化快，易实现射流过渡，使临界电流值降低。这种现象，电阻率越大的材料越明显。（4）气体介质不同气体介质对电弧电场强度的影响不同。在Ar气保护下弧柱电场强度较低、电弧弧根容易扩展，易形成射流过渡，临界电流值较低。当Ar气中加入CO2时，随加入CO2的比例增加临界电流值增大。若CO2的比例超过30％，则不能形成射流过渡，见图1-35。24图1-35气体介质成分对临界电流的影响当Ar中加入O2时，如果O2的比例小于5％，因为O2使熔滴表面张力降低，减小过渡阻力，故可降低临界电流值。但若O2加入量增大，因为O2的解离吸热使弧柱电场强度提高，电弧收缩不易扩展，使临界电流反而提高，见图1-35。（5）电源极性直流反接时，焊丝为阳极，熔滴上的斑点压力较小，熔滴易脱落，临界电流值较小，易实现射流过渡；直流正接时，焊丝为阴极，熔滴上的斑点压力较大，阻碍熔滴过渡，临界电流值较大，电弧不稳定，不易实现射流过渡。25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1-36），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。2短路过渡（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。26图1-36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27（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。28（3）短路过渡的稳定性短路过渡过程实质上可视为“短路——燃弧”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。29（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。30图1-37、图1-38、图1-39分别表示焊接电弧电压(空载电压)、送丝速度(即焊接电流)以及焊接回路直流电感与短路过渡频率关系。图1-37短路过渡频率与电弧电压的关系图1-38送丝速度与短路过渡频率、短路时间和短路电流峰值的关系图1-39回路电感对短路过渡频率的影响313渣壁过渡渣壁过渡示意图324熔滴过渡的飞溅（1）熔敷效率、熔敷系数和损失率熔敷效率（depositionefficiency）：过渡到焊缝中的金属质量与使用的焊丝（条）金属质量之比。为了评价焊接过程中焊丝金属的损失程度，还常用到熔敷系数和损失率的概念。熔敷系数是指单位时间、单位电流所熔敷