第二章焊丝的熔化和熔滴的过渡

第二章焊丝的熔化和熔滴过渡•电弧焊时，焊丝（或焊条）的末端在电弧的高温作用下加热熔化，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。焊接过程中，焊丝的加热、熔化及熔滴过渡会直接影响到焊缝质量和焊接生产率。本章将讲述焊丝的加热与熔化、熔滴上的作用力、熔滴过渡的主要形式以及熔滴过渡过程中产生的飞溅。第二章焊丝的熔化和熔滴的过渡第二章焊丝的熔化和熔滴过渡2.1焊丝的加热与熔化•熔化极电弧焊时，焊丝具有两方面的作用:•一方面作为电弧的一极导电并传输能量；•另一方面作为填充材料向熔池提供熔化金属并和熔化的母材一起冷却结晶而形成焊缝。•a)焊丝的加热熔化主要靠单位时间内阴极区(直流正接时)或阳极区(直流反接时)所产生的电弧热及焊丝自身的电阻热，弧柱的辐射热则是次要的。•b)非熔化极电弧焊（如钨极氩弧焊或等离子弧焊）填充焊丝时，主要靠弧柱的辐射热来熔化焊丝。2.1.1焊丝的熔化热源第二章焊丝的熔化和熔滴过渡•1.电弧热•单位时间内阴极区和阳极区的产热量如果分别用电功率PK和PA表示，计算公式如下：•（2-1）•PA＝I（UA＋UW＋UT）（2-2）•在通常电弧焊的情况下，弧柱的平均温度为6000K左右，UT1V；当焊接电流密度较大时，UA近似为零，故上两式可简化为：•PK＝I（UK一UW）（2-3）•PA＝IUW（2-4）•这是熔化极电弧焊熔化焊丝的主要热源。•规律：电流一定时，阴极区和阳极区的产热取决于UK和UW。•熔化极气体保护焊，为冷阴极电弧，UKUW,PKPAPK＝I（UK－UW－UT）第二章焊丝的熔化和熔滴过渡•从焊丝与导电嘴的接触点到电弧端头的一段焊丝上(即焊丝的伸出长度，用Ls表示)有焊接电流流过时，将产生电阻热。焊丝伸出长度的电阻为•Rs＝ρLs/S(2-5)•则电阻热为•PR＝I2Rs(2-6)•式中，Rs是焊丝Ls段的电阻值，ρ是焊丝的电阻率，Ls是焊丝的伸出长度，S是焊丝的横截面积。2．电阻热图2-1焊丝伸出长度的电阻热示意图第二章焊丝的熔化和熔滴过渡•熔化极电弧焊时，综合电弧热和电阻热，用于加热和熔化焊丝的总能量Pm可表示•Pm＝I（Um十IRs）（2-7）•Um是电弧热的等效电压，•a)一般Ls=10～30mm。对于导电性能良好的铝和铜等金属焊丝，PR与PK或PA相比是很小的，可忽略不计。对于不锈钢、钢和钛等材料，电阻率较高，特别在细丝大电流时，焊丝伸出长度越大，PR越大，这时PR与PK或PA相比才有重要的作用•b)焊丝为阳极时，Um＝UW；焊丝为阴极时，Um＝UK－UW。•这就是单位时间内由电弧热和电阻热提供的用于加热和熔化焊丝的主要能量。第二章焊丝的熔化和熔滴过渡2.1.2影响焊丝熔化速度的因素•熔化速度Vm：单位时间内焊丝的熔化量。•单位：g/scm/s•熔化系数m：单位时间内，由单位电流所熔化的焊丝量（长度，重量）•单位：g/A.SCm/A.S•m=Vm/I•焊丝的熔化速度主要取决于式(2-7)所表示的单位时间内用于加热和熔化焊丝的总能量Pm。第二章焊丝的熔化和熔滴过渡•电弧热与电流成正比，电阻热与电流平方成正比。电流增大，熔化焊丝的电阻热和电弧热增加，焊丝熔化速度加快。图2-2铝焊丝熔化速度与电流的关系1．焊接电流的影响铝焊丝，可近似为：Pm＝IUm焊丝直径越小，焊丝的熔化系数越大，斜率越大。第二章焊丝的熔化和熔滴过渡图2-3不锈钢焊丝熔化速度与电流的关系第二章焊丝的熔化和熔滴过渡•2．电弧电压的影响•等速送丝熔化极气体保炉焊时，焊丝熔化速度与电弧电压和电流的关系.图2-4熔化极气体保护焊时电弧的固有调节作用a)铝焊丝（Φ1.6ｍｍb)钢焊（Φ2.4ｍｍ）第二章焊丝的熔化和熔滴过渡•图2-4a中的曲线是在稳定的焊接条件下的铝焊丝的电弧自身调节系统静特性曲线（即等熔化曲线):•a)当电弧较长时(电弧电压较高)，曲线垂直于横轴，即电弧电压对焊丝熔化速度影响很小。此时送丝速度与熔化速度平衡，熔化速度主要决定于电流的大小(AB段)。•b)当电弧弧长为8mm到2mm区间(BC段)时，曲线向左倾斜，这说明随着电弧电压降低(弧长缩短)，熔化一定数量焊丝所要的电流减小，亦即等量的焊接电流所熔化的焊丝增加。也就是说，电弧较短时熔化系数增加了。之所以如此，是因为弧长缩短时，电弧热量向周围空间散失减少，提高了电弧的热效率，使焊丝的熔化系数增加所致。第二章焊丝的熔化和熔滴过渡•c)BC段的这种熔化特性在电弧焊中具有重要意义。例如，电流及送丝速度不变时，在弧长较短的范围内，当弧长因受外界干扰发生变化时，使弧长缩短或增长，则因此时的熔化系数要增大或减小，导致熔化速度增大或减小，使弧长得以恢复。这种弧长受外界干扰发生变化时电弧本身具有自动恢复到原来弧长的能力，称为“电弧的固有调节作用(IntrinsicSelfRegulationCharacters)”。铝焊丝电弧的固有调节作用很强，钢焊丝则较弱(见图2-4b)，故铝焊丝采用这段弧长(亚射流过渡)进行焊接时,可以使用恒流电源实行等速送丝熔化极气体保护焊。第二章焊丝的熔化和熔滴过渡•3．焊丝直径的影响•电流一定时，焊丝直径越细电阻热越大，同时电流密度也越大．从而使焊丝熔化速度增大，见图2-2。图2-2铝焊丝熔化速度与电流的关系第二章焊丝的熔化和熔滴过渡•4．焊丝伸出长度的影响•其它条件一定时，焊丝伸出长度越长，电阻热越大，通过焊丝传导的热损失减少，所以焊丝熔化速度越快，见图2-3。图2-3不锈钢焊丝熔化速度与电流的关系第二章焊丝的熔化和熔滴过渡•对熔化速度的影响:不锈钢电阻率较大，会加快焊丝的熔化速度，尤其是伸出长度较长时影响更为明显。•对焊丝熔化系数的影响：•铝合金因电阻率小，焊丝熔化速度与电流成线性关系。但是焊丝越细，熔化速度与电流关系曲线斜率越大，说明熔化系数随焊丝直径变小而增大，与电流无关。•不锈钢电阻率较大，产生的电阻热较大，因而焊丝熔化速度与电流不成线性关系，随着电流增大，曲线斜率增大，说明熔化系数随电流增加而增大，并且随焊丝伸出长度增加而增加。5．焊丝材料的影响图2-3不锈钢焊丝熔化速度与电流的关系图2-2铝焊丝熔化速度与电流的关系第二章焊丝的熔化和熔滴过渡•焊丝接阳极时：Vm=KIUw与气体介质无关•焊丝接阴极时：Vm=KI(Uk-Uw）Uk与气体介质有关，因此气体介质影响熔化速度，例如在Ar中加CO2可使Vm增大•冷阴极电弧，UkUw,PkPA,正接时的熔化速度大于反接。6．气体介质及焊丝极性的影响图2-5Ar与CO2混合比对焊丝熔化速度的影响图2-6铝焊丝氩弧焊不同极性时的焊丝熔化速度第二章焊丝的熔化和熔滴过渡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(2-8)•式中，ρ是熔滴密度，r是熔滴半径，g是重力加速度。2.2.1重力Fmg重力第二章焊丝的熔化和熔滴过渡2.2.2表面张力•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。Fδ=2πRσ(2-9)焊丝半径为R，熔滴半径为rσ是表面张力系数第二章焊丝的熔化和熔滴过渡•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。减小焊丝直径，氧化性气氛，提高熔滴温度，减小表面张力。金属MgZnAlCuFeTiMoWσ×103(N·m-1)65077090011501220151022502680表2-1纯金属的表面张力系数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:a)一般情况下Fδ是阻碍熔滴过渡的力。b)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。第二章焊丝的熔化和熔滴过渡2.2.3电弧力•电弧中的电磁收缩力、等离子流力、斑点压力对熔滴过渡都有不同的影响。需要指出的是，电流较小时住往是重力和表面张力起主要作用；电流较大时，电弧力对熔滴过渡起主要作用。•第二章焊丝的熔化和熔滴过渡•在熔滴端部与弧柱间：•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；•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。图2-8作用在熔滴上的电磁力1.电磁收缩力作用在熔滴上的电磁力通常可分解为径向和轴向两个分力。熔滴中的电磁收缩力第二章焊丝的熔化和熔滴过渡•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。2.等离子体流力第二章焊丝的熔化和熔滴过渡•3.斑点压力••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。第二章焊丝的熔化和熔滴过渡2.2.4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。第二章焊丝的熔化和熔滴过渡2.2.5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。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。图2-9焊条药皮套筒示意第二章焊丝的熔化和熔滴过渡2.3熔滴过渡主要形式及其特点•熔滴过渡通常可分为三种基本类型:•自由过渡(FreeFlight):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•接触过渡(ContactingTransfer):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(SlagGuidingTransfer):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。第二章焊丝的熔化和熔滴过渡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粗滴过渡滴状过渡自由过渡)1(套筒过渡沿渣壳过渡渣壁过渡搭桥过渡短路过渡接触过渡)3()2(第二章焊丝的熔化和熔滴过渡2.3.1短路过渡•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。•定义：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这样的过渡形式称为短路过渡。•应用：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。图2-12短路过渡示意图第二章焊丝的熔化和熔滴过渡•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2-13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-平均电弧电压第二章焊丝的熔化和熔滴过渡2短路过渡的特