第2章-焊丝的熔化与熔滴过渡

第2章焊丝的熔化与熔滴过渡在熔化极电弧焊时，焊丝是否稳定的熔化并过渡到熔池中去是影响焊接生产率和焊缝质量的关键因素。2.1焊丝的加热与熔化一焊丝的作用１）作为电弧的一个电极；２）提供熔化金属作为焊缝金属的一部分。二焊丝的加热和熔化的热源电弧焊时，用于加热、熔化焊丝的热源是电弧热和电阻热。熔化极电弧焊时，焊丝的熔化主要靠阴极区(正接)或阳极区(反接)所产生的热量及焊丝伸出长度上的电阻热，弧柱区产生的热量对焊丝的加热熔化作用较小。非熔化极电弧焊(如钨极氩弧焊或等离子弧焊)的填充焊丝主要靠弧柱区产生的热量熔化。1）电弧热阴极区和阳极区两个区域的产热功率可表达为PK＝IUK—IUW—IUTPA＝IUA+IUw+IUT电弧焊时，当弧柱温度为6000K左右时，UT小于1V；当电流密度较大时，UA近似为零，故上两式可简化为：PK＝I(UK—UW)PA＝IUW由此可看出，两电极区的产热量（功率）都与焊接电流成正比。当电流一定时，阴极区的产热量取决于UK与UW的差值；阳极区的产热量取决于UW。在细丝熔化极气体保护电弧焊、使用含有CaF2焊剂的埋弧焊和使用碱性焊条电弧焊等情况下，当采用同样大小的电流焊接同一种材料时，焊丝作为阴极时的产热量比作为阳极时的产热量多，在散热条件相同时，焊丝作阴极比作阳极时熔化速度快。2）电阻热熔化极电弧焊时，焊丝只在通过导电嘴时才和焊接电源接通（焊条？）。因此，讨论焊丝的加热和熔化，实际上是分析焊丝伸出部分（称为焊丝干伸长：ls）的受热情况，因为焊丝伸出部分有电流流过时所产生的电阻热对焊丝有预热作用。CO2气体保护焊时，ls是焊丝直径的10～12倍。三焊丝的熔化特性１）熔化速度、熔化系数熔化速度（Vm）：在单位时间内熔化的焊丝质量。熔化系数аm：在单位时间内，单位电流所熔化的焊丝质量。２）焊丝的熔化特性焊丝的熔化特性则是指焊丝的熔化速度Vm和焊接电流I之间的关系。在采用熔化极电弧焊进行焊接时，必须使焊丝的熔化速度等于送丝速度，才能建立稳定的焊接过程。用公式表示为：IVmm图2-1焊丝伸出长度的电阻热示意图四熔化速度的影响因素１）焊接电流：直线关系（低碳钢等）；非直线关系（不锈钢：电阻率大，电阻热作用明显）。２）焊丝材料（电阻率）、干伸长（正比）及直径（反比）。３）电弧电压：AB段：下降的压降主要在弧柱上，不影响熔化。熔化速度主要取决于电流。BC段：电压降低，电流减小。原因：电弧短，热量损失少；熔滴加热温度低，带走能量少，从而溶化系数高。C以下：短路时间增加，能量输入少，从而溶化系数减小。固有自调节作用：BC段，电弧本身有恢复原来弧长的能力。４）极性：一般正接比反接熔化速度大。５）气体介质.熔化特性曲线IUBAC图2-2铝焊丝熔化速度与电流的关系图2-3不锈钢焊丝熔化速度与电流的关系图2-4GMAW电弧的固有自调节作用a.铝焊丝(Φ1.6mm)b.钢焊丝(Φ2.4mm)图2-5Ar与CO2混合比(体积分数)对焊丝熔化速度的影响图2-6铝焊丝氩弧焊不同极性时焊丝熔化速度2熔滴过渡和飞溅电弧焊时，在电弧热作用下焊丝或焊条端部受热熔化形成熔滴，由于受到各种大小不同的作用力，具体形状和位置不断变化，从而熔滴以不同的形式脱离焊丝或焊条，过渡到熔池中去。一熔滴上的作用力熔滴上的作用力可分为重力、表面张力、电弧力、熔滴爆破力和电弧气体的吹力等。1重力重力对熔滴过渡的影响依焊接位置的不同而不同。平焊时，熔滴上的重力促使熔滴过渡；而在立焊及仰焊位置则阻碍熔滴过渡。FG＝mg＝(4／3)πRD³ρg2表面张力Fσ此处的表面张力Fσ是指焊丝端头上保持熔滴的作用力。Fσ＝2πRσ式中：R——焊丝半径；σ——表面张力系数。表面张力是促进熔滴过渡还是阻止过渡应针对不同的焊接方法、不同的熔滴过渡形式来分析，如短路过渡后期，表面张力是促进容滴过渡的，特别是对于现在的STT电源，实现无飞溅过渡更是如此。若熔滴上含有少量活化物质(如O2、S等)或熔滴温度升高，都会减小表面张力系数，有利于形成细颗粒熔滴过渡。3电磁力电流通过熔滴时，导电界面是变化的，在熔焊情况下，焊丝、熔滴、电极斑点、弧柱之间产生电磁力的轴向分力，其方向总是由小截面志向大截面。电弧是否笼罩熔滴。FaFσθRDθRFG4等离子流力：促进熔滴过渡的力5斑点压力：撞击力、蒸发反作用力、电磁力。6爆破力：促进过渡。综上所述：1）除重力、表面张力、爆破力外，其余力都与电弧形态有关。2）熔滴上的作用力对熔滴过渡的影响应从焊缝空间位置、熔滴过渡形式、电弧形态、工艺条件等综合考虑。二熔滴过渡的主要形式及其特点分为三种：自由过渡、接触过渡（短路过渡）和渣壁过渡。1自由过渡自由过渡是指熔滴经电弧空间自由飞行，焊丝端头和熔池之间不发生直接接触的过渡方式。①滴状过渡：特点：熔滴直径大于焊丝直径。大颗粒过渡：条件：电流较小，电弧电压高时，小电流MIG焊。过渡频率低，主要是重力与表面张力的平衡。熔化极气体保护焊熔滴过渡的种类短路过渡自由过渡细颗粒过渡：条件：较大电流时，大电流CO2焊。频率高，电弧稳定，焊缝质量高,重力、电磁力促进过渡。注：CO2中等电流焊时：短路过渡加大滴状排斥过渡，飞溅大.喷射过渡：在MIG焊时会出现这种形式的过渡，又分为：射滴过渡、亚射流过渡、射流过渡、旋转射流过渡。1)射滴过渡:熔滴直径接近焊丝直径，f=100～200，熔滴加速度大于重力加速度，尺寸规则呈球形，沿轴向过渡。形成原因：熔滴被弧根笼罩，电弧呈种罩形，从而电磁收缩力形成较强的推力。出现场合：铝及其合金的氩弧焊及钢的脉冲氩弧焊。２）射流过渡：电流密度大，熔滴直径小于焊丝直径，f=５00左右，熔滴加速度比重力加速度大几十倍。形成原因：电流密度大，焊丝熔化端部形成尖锥状，出现金属蒸发，电弧跳弧（此时电流称为射流过渡的临界电流），形成很强的等离子流力。随着电流增加，电弧的电极斑点笼罩面积逐渐扩大，以致达到熔滴的根部；这时熔滴与焊丝间形成细颈，全部电流都通过细颈流过，该处电流密度很高，细颈被过热，其表面将产生大量金属蒸气，从而使细颈表面具备了产生电极斑点的有利条件，电弧将从熔滴根部跳至细颈根部，形成很强的等离子流力。熔滴过渡的主要力是等离子流力。射流过渡的临界电流及其影响因素定义：发生跳弧现象的最小电流。ICr.影响因素：焊丝的种类、直径；焊丝干伸长；气体介质（如CO2解离，使电弧收缩不易扩展，ICr增加；但若在氩气中加入氧气，ICr降低）；电极表面状态及极性。特点：焊接电流必须大于ICr；电弧明显分为两层：一条黑线和圆锥状烁亮区；电弧稳定，对气体的保护影响小；电流与电压的波形几乎是两条平行线；输入功率大，熔深大，适合于焊接厚件，不适合于焊接薄件。大电流MIG焊或大电流富氩混合气体保护焊出现。图2-21射流过渡形成机理示意图图2-22熔滴过渡频率（或体积）与电流的关系钢焊丝φ1.6mm,Ar+O2(1%),弧长6mm,DCEP图2-23不同材质焊丝的临界电流图2-24焊丝直径、伸出长度与临界电流的关系图2-25射流过渡时飞溅示意图a.正常射流过渡b.旋转射流过渡磁控旋转射流过渡图2-26气体介质成分对临界电流的影响3）亚射流过渡（亚射滴过渡）介于短路过渡于射滴过渡之间的熔滴过渡形式。形成：因其电弧较短，在电弧热作用下，形成的熔滴长大，在即将以射滴过渡时与熔池短路，在电磁收缩力的作用下断裂形成过渡。特点：短路前就已经形成细颈；短路时间短，电流上升不大；飞溅小，焊缝成形美观；电弧自调节能力极强（弧长2～8mm)；主要用于铝及其合金的焊接。２接触过渡（短路过渡）１）定义：当电流较小，电弧电压较低时，弧长较短，熔滴未长成大滴就与熔池接触形成液态金属短路，电弧熄灭，随之金属熔滴在表面张力及电磁收缩力的作用下过渡到熔池中去，熔滴脱落之后电弧重新引燃，如此交替进行。２）短路过渡的过程：３）稳定性及其影响因素稳定性是指焊接持续稳定、飞溅大小、成形等方面a.电流上升率；b.短路最大电流IMaxc.空载电压恢复速度；d.短路频率：越大越稳定。４）影响短路频率的因素：a.电弧电压：有一个最佳值；b.送丝速度：有一个最佳值。c.电感：增加，频率降低，但可增加燃弧时间，调节热输入。５）特点a.短路过渡是燃弧、熄弧交替进行的。b.短路过渡时，焊接过程中的平均电流较小，而短路电流峰值又相当大，这种电流形式既可避免薄板的焊穿，又可保证熔滴过渡的顺利进行，有利于薄板焊接或全位置焊接。c.短路过渡时，一般使用小直径的焊丝或焊条，电流密度较大，电弧产热集中，焊丝或焊条熔化速度快，因而焊接速度快。同时，短路过渡的电弧弧长较短，焊件加热区较小，可减小焊接接头热影响区宽度和焊接变形量，提高焊接接头质量d.小电流、低电压、细焊丝，二氧化碳细丝焊。dtdi图2-12短路过渡示意图图2-13短路过渡过程电弧电压和电流动态波形图图2-14短路过渡的主要形式a.固态断路b.细丝小电流时c.中等电流小电感时图2-15短路过渡频率与电弧电压的关系图2-16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2-17回路电感对短路过渡频率的影响３渣壁过渡定义：渣壁过渡是熔滴沿着熔渣的壁面流入熔池的一种过渡形式。出现的焊接方法：埋弧焊和焊条电弧焊。埋弧焊时，电弧在熔渣形成的空腔(气泡)内燃烧，熔滴主要通过渣壁流入熔池，只有极少数熔滴通过空腔内的电弧空间进入熔池。埋弧焊的熔滴过渡频率及熔滴尺寸与极性、电弧电压和焊接电流有关。直流反接时，若电弧电压较低，则气泡较小，形成的熔滴较细小，沿渣壁以小滴状过渡，频率较高，每秒可以达几十滴；直流正接时，以粗滴状过渡，频率较小，每秒仅十滴左右。熔滴过渡频率随电流的增加而增大，这一特点在直流反接时表现得尤为明显。焊条电弧焊时，熔滴过渡形式可能有四种：渣壁过渡、粗滴过渡、细滴过渡和短路过渡，过渡形式取决于药皮成分和厚度、焊接参数、电流种类和极性等。当采用厚药皮焊条焊接时，焊芯比药皮熔化快，使焊条端头形成有一定角度的药皮套筒，控制熔滴沿套筒壁落入熔池，形成渣壁过渡。三熔敷系数和飞溅1熔敷效率和熔敷系数1）熔敷效率：过渡到焊缝中的金属重量与使用焊丝重量之比。MIG焊、埋弧焊大于90%CO2焊、手工电弧焊约为80%。２）熔敷系数αy：单位时间、单位焊接电流内所熔敷到焊缝上的焊丝金属重量。熔化系数αm：单位时间、单位焊接电流内所熔化的焊丝金属重量。损失系数：焊接电流增加,熔敷系数αy、熔化系数αm增加，损失系数减小。2熔滴过渡的飞溅及其影响因素1)焊接中飞溅的产生a.伴随气体析出而引起的飞溅．%100mymsb.气体爆炸引起的飞溅c.电弧斑点力引起的飞溅d.短路过渡再引燃引起的飞溅２）影响飞溅的因素a.焊接方法和规范b.过渡形式c.电源动特性d.气体介质e.极性f.焊丝、焊件表面的清洁度四熔滴过渡的控制１脉冲电流控制法２波形控制法３脉冲送丝法