气体保护焊电弧特性二

气体保护焊电弧特性（二）1.27TIG焊时都使用钍钨极或铈钨极等，而很少使用纯钨极，为什么？钨极氩弧焊（TIG）是以钨棒作为电弧一个极的气体保护焊方法。钨极作为不熔化电极，要求它的熔点高，高温挥发性小和强度高。钨的熔点为3690K、沸点为5900K是理想的电极材料。早期采用纯钨棒[w（W）≥99.9%]，由于其耐用性和工艺性不良，而逐渐被钍钨棒（W-Th）和铈钨棒（W-Ce）以及含有其他稀土类氧化物如镧钨棒和钇钨棒等（W-La、W-Y等）的钨极所代替。钨棒牌号及化学成分见表5。表5钨棒化学成分分类钨棒牌号化学成分（质量分数，%）WThO2CeOSiO2FeO3+Al2O3MoCaOW＞99.92－－0.030.030.010.01WTh7余量0.7～0.99－0.060.020.010.01WTh15余量1.5～2.0－0.060.020.010.01WTh30余量3.0～3.5－0.060.020.010.01WCe20余量－2.00.060.020.010.01广泛使用的W-Th和W-Ce等都比纯W的载流能力、引弧性能以及使用寿命好。其主要原因是它们的逸出功比纯W低，如表6所示。表6钨极其合金钨极的逸出功电极WW-ThW-CeW-ZrW-CsW-Ba逸出功/V4.542.632.703.141.361.56纯W的逸出功为4.31～5.16V，W-Th为2.63V，W-Ce为2.70V，若加入Cs和Ba等碱金属和碱土金属的钨电极的逸出功更低，只有1.36～1.56V。由于逸出功低将带来如下特点：（1）耐用性高即钨极端部在焊接过程中不易损耗。试验表明，市钨、镧钨、钨棒的端部形状稳定性高于纯钨和钍钨棒。这是因为W-La、W-Ce、W-Y电极的逸出功低于纯W和W-Th电极。在相同使用条件下它们的电极温度都低于纯W和W-Th电极。使得烧损率下降，修复钨极次数减少。（2）W-Th极比纯W极的许用电流大表7所示，相同直径时W-Th比纯W的许用电流高得多。而W-Ce又比W-Th的许用电流高5%～8%。表7不同成分钨极的最大许用电流的比较（直流正接）钨极直径/mm1.01.62.43.24.05.06.4最大许用电流/AW3080130180240300400W-Th80140230310400550800（3）工艺性好纯钨棒的逸出功高，它的工艺性不如W-Th极。W-Th极的电子发射能力强，引弧可靠，交流稳弧性好，空载电压低。但是，钍钨极中钍是放射性元素，虽只含有微量的钍，若不注意防护对工人也是有害的。为此而用铈、镧等代替钍。实验证明，铈钨极的工艺性比钍钨极好，在相同的情况下，可使电弧更加集中，能量密度大，提高许用电流容量，延长寿命。直流时阴极压降降低10%，比钍钨极更易引弧，电弧稳定性更好。总之，虽然纯钨可以用作钨电极，但是由于其耐用性，工艺性及许用电流容量等均不如钍钨极和各种稀土钨极，所以实际应用中很少使用纯钨极。1.28何谓熔滴和熔滴过渡？熔滴是指在电弧焊时，从焊丝端头形成的，并向熔池过渡的滴状液态金属。熔滴过渡是电弧焊时，焊丝端头形成的熔滴通过电弧空间向熔池转移的过程。熔滴过渡形式有很多种：按短路与否，分为短路过渡和自由过渡；按熔滴的尺寸大小，分为大滴过渡和射流过渡等。1.29气体保护焊时熔滴过渡有哪几种形式？为了便于使用统一的术语和概念去交流和探讨问题，国际焊接学会（ⅡW）对电弧焊熔滴过渡的分类曾发表过许多见解，最后于1976年发表了ⅡW.DOC.Ⅶ-F-173-76文件。这里仅将与气体保护焊有关的熔滴过渡的分类及特征示于表8。这里主要按熔滴过渡的行为进行分类，例如焊丝与熔池接触与否，而分为自由过渡和接触过渡，在自由过渡中按熔滴受力的主要特点，分为大滴过渡（以重力为主）、喷射过渡（以电弧力为主）帮爆炸过渡（以气体爆炸力为主）。在接触过渡中按焊丝通电与否，分为短路过渡和搭桥过渡。1.30为什么要研究GMAW法熔滴过渡问题？通常GMAW法是用气体作为保护介质，而没有熔渣参与焊接过程。于是焊丝金属熔化，熔滴形成和熔滴过渡等都发生在气体介质中。为保证焊接过程稳定，首先应保证熔滴过渡稳定。这就要求正确选择焊丝直径，焊丝材料，保护气体种类和焊接参数等，以获得合适的熔滴过渡形式和焊缝成形。这样一来，研究熔滴过渡的主要目的是为了解决以下3个问题：1）了解和掌握熔滴过渡的规律，以便根据工作的情况，正确选择焊丝、保护气体和工艺参数，保证焊接过程稳定，包括电弧燃烧稳定，飞溅小和熔滴过渡均匀等。2）建立熔滴过渡与焊缝成形和焊接质量的关系。因为熔滴过渡影响焊缝成形，如熔深形状（圆弧状或指状熔深等）及焊缝缺陷，如咬边、驼峰焊道等。3）建立熔滴过渡与焊接冶金的关系。1.31试述电弧形态及其与熔滴过渡的关系？电弧形成是指电弧在燃烧过程中的形貌，它随焊接条件的不同而变化。通常GMAW焊时，电弧分两层，外层为暗区，而内层为烁亮区。在烁亮区中充满了金属蒸气，它的边界形状轮廓分明，该烁亮区的形貌称为电弧形态。常见的电弧形态与熔滴过渡的对应关系如图34所示。电弧形态大致可分为束状电弧、钟罩状电弧和锥状电弧等3种。束状电弧对应的熔滴形式有大滴过渡和短路过渡等。钟罩状电弧为射滴过渡，而锥状电弧为射流过渡。通常利用目视观察时，根据电弧形态就可以判断熔滴过渡形式。1.32何谓跳弧？试说明产生跳弧现象的机理与影响因素。跳弧现象是在熔化极脉冲氩弧焊时发生的。当脉冲电流幅值较大或脉冲时间较长时，在电弧烁亮区沿熔滴表面逐渐扩大，如图35a所示，当烁亮区上爬到熔滴的根部如图35b所示，此时缩颈更细了。然后经过极短的时间（大约2.5～5ms），电弧从熔滴根部上跳到缩颈上，如图35c所示，这一现象称为跳弧现象。跳弧之后，焊丝端头都在电弧笼罩之下，熔滴变为倒蘑菇状，并被迅速推离焊丝，细颈也变得又细又长如图35d所示。产生跳弧现象的机理如图36所示。从上述的电弧形态分析可见，跳弧前后产生新的阳极斑点，二为出现新的电弧通道。跳弧前电弧烁亮区已笼罩整个熔滴表面，并在焊丝与熔滴之间形成缩颈，于是全部电流通过较细的缩颈，电流密度高，迅速产生很大的电阻热，使得在缩颈的表面产生金属蒸气，为建立阳极斑点创造了条件。另一个方面，电弧与该斑点相连的通道（弧柱）所消耗的能量应该等于或小于原有通道，也就是在满足公式（14）。UN──≥E（14）lN式中UN——缩颈液体金属上的电压降；lN——缩颈长度；E——弧柱的电场强度。如图36所示，跳弧前的导电通道为BMK，而跳弧后为CNK。显然，电弧通过CNK所消耗的能量小于BMK。总之，影响跳弧的主要因素有：1）焊丝金属的蒸发能力及金属蒸气的电离势的大小；2）焊丝缩颈金属液柱的电阻率；3）电弧的电场强度（主要与保护气体有关）。1.33什么是射滴过渡？它有哪些特点？射滴过渡是指熔滴直径达到与焊丝直径相近时，电弧力使之强制脱离焊丝端头，并快速通过电弧空间，向熔池过渡的形式。射滴过渡仅产生在从大滴过渡向射流过渡转变的过渡区间内，如图37所示。由于电流较大，电弧沿熔滴扩展，包围着熔滴的大部或全部表面，电弧呈钟罩形。电弧形态改变了，则作用在熔滴上的力也发生了变化。这时作用在熔滴上的力的特点是，通过熔滴的电流将产生促使熔滴过渡的轴向推力即电磁收缩力Fe和由于钟罩形电弧形态将产生等离子流力Fp。同时由于弧根面积较大，斑点压力的方向改变了，由大滴过渡时的阻力变为射滴过渡时的压缩力，该压缩力也将转化为促使熔滴过渡的轴向推力Fs。这时阻碍熔滴过渡的力只有表面张力Fc，如图38所示。可见促使熔滴过渡的力远远大于表面张力和重力，所以射滴过渡时可实现空间位置焊接。如果电流更大，则变为射流过渡形式。在连续电流条件下，稳定的射滴过渡电流区间较窄，见图37中I2－I1，其大小与保护气体介质有关，如Ar+（1%～2%）O2混合气体时，电流区间仅为5A左右，而Ar+20%CO2混合气体时，电流区间为几十安。射滴过渡的主要特点为：1）熔滴温度比大滴过渡和射流过渡时低。2）因为熔滴温度低，所以焊丝的熔化系数较高。3）焊接烟尘小。4）焊接飞溅少。5）焊缝成形好。可以看出，射滴过渡是一种非常理想的熔滴过渡形式，应该加以利用。但是射滴过渡的电流区间过窄，电流大小又难以调节，所以连续电流的射滴过渡形式难以应用。不过，由此而引出了脉冲射滴过渡方法（将在后面详述）。1.34什么是射流过渡？它有哪些特点？射流过渡指的是熔滴呈细小颗粒，沿焊丝的铅笔尖状的端头以喷射状态快速通过电弧空间向熔池过渡的形式。射流过渡的主要特点如下：1）射流过渡的电弧形态如图39a所示。通过目视观察，可以看到电弧分为两部分，外层为暗区呈钟罩形，内层为烁亮区呈锥形。焊丝端头呈铅笔尖状。2）焊丝端头的受力情况如图39b所示。焊丝端头在电弧的包围之中，焊丝金属在电弧的直接加热之下，产生大量金属蒸气，于是对焊丝端头产生较大的斑点压力。同时，因电弧形态呈锥状，由于电弧压力引起了很大的等离子流。焊丝端头在该等离子流的作用下，呈现铅笔尖状。可见，射流过渡时熔滴主要受斑点压力与等离子流力的作用。其他力（如排斥力、重力及表面张力等）皆很小可忽略。3）射流过渡时熔滴过渡情况如图40所示。当电流大于265A以后，熔滴尺寸突然变得很小，熔滴尺寸仅为焊丝直径的30%～60%。而熔滴过渡频率却高达200个/s以上。铅笔尖状的焊丝端头在等离子流与斑点压力作用下，形成细的液柱，其径长比l/d3～5，则在其表面张力作用下可发生液柱失稳，于是形成与液柱直径相近的细滴。这些细滴沿焊丝轴线方向一个一个地向熔滴过渡。4）射流过渡的熔池形状呈指状熔深，如图41所示。这时熔池在强烈的等离子流作用下（其速度高达几百米/秒），同时熔滴脱离焊丝时的加速度也很大（高达几十吉到几百吉米/秒）。由于等离子流和熔滴都是沿焊丝轴线方向冲向熔池，于是在熔池中心形成了犹如指状的熔深。5）射流过渡焊接时，焊接过程比较平稳，无短路现象，飞溅极少，电弧声平稳、安静。1.35试述射流过渡形成的机理及其临界电流。随着电流的增加，由射滴过渡转变为射流过渡是突然发生的。射滴过渡是钟罩状电弧形态，而射流过渡是锥状电弧形态。由于电弧形态的变化，引起了熔滴过渡形式的改变。在1.32问中介绍了跳弧就是钟罩状电弧形态突然转变为锥状电弧形态的现象，同时伴随射流过渡的产生。所以射流过渡的形成可以用跳弧现象加以说明。如图42所示，图a→b跳弧后，缩颈被迅速拉长，如图42c所示，并将大滴推出，使焊丝端头形成铅笔尖状，电弧形态为锥状，从而转变为射流过渡形式如图42d所示。由滴状过渡向射流过渡转变的突变电流称为射流过渡临界电流（以下简称临界电流）。该电流也是产生跳弧现象的电流。所以关于临界电流的规律，都可以通过跳弧现象加以解释。下面分别讨论几种情况：1、焊丝直径的影响随着焊丝直径的增加，临界电流也增加，如表9所示。这是因为焊丝直径越大，则在焊丝端头将形成更大的熔滴，为实现跳弧不仅弧根面积要扩大，而且弧柱也要扩张，这就要求更大的能量，也就是需要提高临界电流。表9不同焊丝直径时的射流过渡临界电流焊丝直径/mm0.811.21.6临界电流/A1902202302652、焊丝成分的影响焊丝成分的影响主要反映在对缩颈电阻率及金属蒸发能力的影响两个方面。首先，比较钢与铝的射流过渡的可能性。由于铝的电阻率较低，难以跳弧，所以铝很难实现射流过渡。其次，钢焊丝成分不同时，则对金属蒸发能力的影响也不同，所以表面出对射流过渡临界电流有很大影响。从表10可见，在纯Ar保护下，三种焊丝的射流过渡临界电流接近。但是在（Ar+2%O2）混合气体保护下，H08Mn焊丝最易跳弧，因此临界电流值最低。这是因为Mn的蒸发倾向最强，同时由于氧化作用，而使之减少电弧中Mn蒸气的分压，所以进一步增强了Mn的蒸发。而H08Mn2SiA焊丝中虽然含Mn量更高，可是由于还含有较多的Si，Si与O的亲和力更强，它的氧化阻碍Mn的蒸发，所以这种焊丝的临界电流较高。表10不同成分焊丝的射流过渡临界电流（φ=1.2mm）(单位：A)H08Mn2SiH08AH08MnAr240210230Ar+2