焊絲熔化及熔滴過渡

§2焊絲熔化及熔滴過渡

WeldingwireMeltinganddroplettransfer材料成型及控制工程第一章電弧焊基礎(chǔ)知識(shí)1主要內(nèi)容一、焊絲的加熱與熔化特性二、熔滴上的作用力三、熔滴過渡的主要形式、特點(diǎn)及控制2焊絲的作用有兩個(gè)：作為電極導(dǎo)電用做填充金屬(作為填充金屬，其熔化和過渡的特性將會(huì)對(duì)焊縫的質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響。)焊絲熔化的熱量來源分兩種情況：熔化極電弧焊：陰極區(qū)產(chǎn)生的電弧熱陽(yáng)極區(qū)產(chǎn)生的電弧熱焊絲伸出長(zhǎng)度上的電阻熱弧柱區(qū)的熱量作用比較小

非熔化極電弧焊：弧柱區(qū)產(chǎn)熱熔化焊絲一、焊絲熔化的熱量來源3（1）電弧熱陰極區(qū)：PK=IUK-IUW-IUT陽(yáng)極區(qū)：PA=IUA+IUW+IUTUK陰極壓降UA陽(yáng)極壓降UW逸出電壓UT弧柱溫度等效電壓電流密度較大時(shí)：近似為0電弧溫度6000K時(shí)：小于1V4（1）電弧熱陰極區(qū)：PK=IUK-IUW=I(UK-UW)陽(yáng)極區(qū)：PA=IUW焊絲接負(fù)時(shí)：焊絲加熱與熔化取決于（UK-UW）。很多因素影響陰極電子發(fā)射，即影響的UK大小。如電流、溫度、材料等。焊絲接正時(shí)：主要取決于材料逸出功和電流的大小。當(dāng)電流一定時(shí)，由于逸出功為常數(shù)，此時(shí)，焊絲熔化系數(shù)為定值。5陰極區(qū)：PK=I(UK-UW)陽(yáng)極區(qū)：PA=IUW熔化極氣體保護(hù)焊時(shí)，UK>>UW

所以，同種材料，在相同的電流的作用下，焊絲作為陰極的產(chǎn)熱將比焊絲作為陽(yáng)極時(shí)產(chǎn)熱多。因?yàn)樯釛l件相近，所以焊絲接負(fù)(正接)時(shí)比焊絲接正（反接）時(shí)熔化快。

（1）電弧熱電弧熱的等效電壓6(2)電阻熱：PR=I2RSRs=ρLs/SLs為焊絲的伸出長(zhǎng)度7(3）總熱量

接負(fù)：Pm=PK+PR=I（UK-Uw）+I2Rs

接正：Pm=PA+PR=I(Uw+IRs)+I2Rs

合并：Pm=I（Um+IRs）

焊絲接正時(shí)Um=UW

焊絲接負(fù)時(shí)Um=UK-UW電流、影響電子發(fā)射的因素（UK、

UW

）、影響電阻熱的因素（Rs）

所以影響產(chǎn)熱的因素包括：寫錯(cuò)了！電弧熱的等效電壓8影響產(chǎn)熱的因素焊絲材料有無氧化膜焊絲熔點(diǎn)焊絲直徑焊絲伸出長(zhǎng)度焊絲電阻率一般10－30mm對(duì)導(dǎo)電性能良好的Cu、Al，電阻熱可忽略，對(duì)于不銹鋼等不容忽略9二、焊絲熔化速度及熔化系數(shù)焊絲的熔化速度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，熔化的焊絲的長(zhǎng)度。m/h或m/min或者kg/h焊絲的熔化系數(shù)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過單位電流時(shí)焊絲的熔化量。g/(A.h)等熔化曲線：送絲速度與熔化速度相等條件下，獲得的電流電壓的關(guān)系。電弧的固有調(diào)節(jié)作用：弧長(zhǎng)因外界干擾發(fā)生變化時(shí)，能自動(dòng)回復(fù)到原來長(zhǎng)度的特性。10影響焊絲熔化速度的因素11影響焊絲熔化速度的因素總結(jié)電流：電流↑→熔化速度↑電壓：較長(zhǎng)弧長(zhǎng)范圍內(nèi)，電壓變化→不影響焊絲的熔化在較短弧長(zhǎng)范圍內(nèi)，電壓↓→熔化系數(shù)↑（自調(diào)節(jié)作用在更短弧長(zhǎng)范圍內(nèi)，電壓↓→熔化系數(shù)↓電流極性：焊絲為陰極（正接）時(shí)，熔化速度大氣體介質(zhì)：反接時(shí)介質(zhì)的影響不大，正接時(shí)介質(zhì)的影響比較復(fù)雜，無明顯規(guī)律伸出長(zhǎng)度：Ls↑→熔化速度↑焊絲直徑：d↑→熔化速度↓12三、熔滴上的作用力

1.重力及表面張力2.電弧力3.爆破力、、、、、、131.重力及表面張力Fδ=2Rπσ

細(xì)焊絲焊絲直徑較大而電流較小時(shí)重力及表面張力起主要作用14重力及表面張力只有重力和其它作用力的合力超過Fδ時(shí)，熔滴才能脫離焊絲過渡到熔池中去。因此．一般情況下Fδ是阻礙熔滴過渡的力。但在仰焊或其它位置（立焊、橫焊）焊接時(shí)，卻有利于熔滴過渡。因?yàn)橐皇侨鄣闻c熔池接觸時(shí)，表面張力有將熔滴拉入熔池的作用；二是使熔池或熔滴不易流淌。152.電弧力電弧對(duì)熔滴和熔池的機(jī)械作用力包括：電磁收縮力等離子流力斑點(diǎn)力電弧力只有在焊接電流較大的時(shí)候，才對(duì)熔滴過渡起主要作用；電流小時(shí)，重力表面張力其主要作用。16（1）電磁收縮力電磁力對(duì)熔滴過渡的影響取決于電弧形態(tài)17（1）電磁收縮力在熔滴端部與弧柱間導(dǎo)電的弧根面積的大小將決定該處電磁力的方向，如果弧根直徑小于熔滴直徑，此處電磁力合力向上，阻礙熔滴過渡；反之，若弧根面積籠罩整個(gè)熔滴，此處電磁力合力向下，促進(jìn)熔滴過渡。18（2）等離子流力等離子流力：電流較大時(shí)，高速等離子流力對(duì)熔滴產(chǎn)生很大的推力，使之沿軸線方向運(yùn)動(dòng)。19（2）等離子流力

電弧等離子流力隨著等離子流從焊絲末端側(cè)面切人，并沖向熔池而產(chǎn)生，它有助于熔滴脫離焊絲，并使其加速通過電弧空間進(jìn)入熔池。等離子流力與焊絲直徑和焊接電流有密切關(guān)系，采用的焊絲直徑越細(xì)，電流越大，產(chǎn)生的等離子流力和流速越大，因而對(duì)熔滴推力也就越大。在大電流焊接時(shí)，等離子流力會(huì)顯著地影響熔滴過渡特性。20（3）斑點(diǎn)力正離子或電子對(duì)熔滴的撞擊力電極材料蒸發(fā)時(shí)產(chǎn)生的反作用力弧根面積很小時(shí)指向熔滴的電磁收縮力斑點(diǎn)力組成：斑點(diǎn)面積比較小的時(shí)候，斑點(diǎn)壓力常常阻礙熔滴過渡；斑點(diǎn)面積比較大的時(shí)候，籠罩整個(gè)熔滴，斑點(diǎn)壓力促進(jìn)熔滴過渡。在一定條件下，斑點(diǎn)壓力將阻礙金屬熔滴的過渡。通常陽(yáng)極受到的斑點(diǎn)壓力比陰極受到的斑點(diǎn)壓力要小，因而焊絲為陽(yáng)極時(shí)熔滴過渡的阻礙力較小。這也是許多熔化極電弧焊采用直流反接的主要原因之一。213.爆破力當(dāng)熔滴內(nèi)部因冶金反應(yīng)而生成氣體或者含有易蒸發(fā)金屬時(shí)，在電弧高溫的作用下，使氣體體積膨脹而產(chǎn)生的內(nèi)壓力，致使熔滴爆破，這一內(nèi)壓力稱為爆破力，它促進(jìn)熔滴過渡，但產(chǎn)生飛濺。

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上述諸力，除重力和表面張力之外，電弧力、爆破力等的存在與方向都與電弧形態(tài)有關(guān)。而對(duì)于熔滴過渡的作用則隨工藝條件、焊接位置以及熔滴狀態(tài)等的變化而異。例如，長(zhǎng)弧焊時(shí)，表面張力總是阻礙熔滴從焊絲末端脫離，而成為反過渡力。但短弧焊時(shí)．當(dāng)熔滴與熔池金屬短路并形成液態(tài)金屬過橋時(shí)(圖1-30)，由于與熔池接觸界面很大，使向下的表面張力遠(yuǎn)大于焊絲端向上的表面張力，結(jié)果使液橋被拉進(jìn)熔池而有利于熔滴過渡。電磁力也有相同的情況。當(dāng)熔滴短路時(shí)，電流呈發(fā)散形(圖1-31)，此時(shí)電磁力的軸向分力則有助于熔滴過渡。23圖1-30形成液態(tài)橋時(shí)表面張力的作用1-焊絲2-液態(tài)金屬過橋3-母材圖1-31形成液態(tài)橋時(shí)電磁力的作用1-焊絲2-液態(tài)金屬橋3-電流4-母材24四熔滴過渡主要形式及其特點(diǎn)

根據(jù)外觀形態(tài)，熔滴尺寸以及過渡頻率等特征。熔滴過渡通?？煞譃槿N基本類型，即自由過渡(FreeFlight)、接觸過渡(ContactingTransfer)和渣壁過渡(SlagGuidingTransfer)。自由過渡是指熔滴脫離焊絲末端前不與熔池接觸，它經(jīng)電弧空間自由飛行進(jìn)入熔池的一種過渡形式。接觸過渡是通過焊絲末端的熔滴與熔池表面接觸成橋而過渡的。渣壁過渡是渣保護(hù)時(shí)的一種過渡形式，埋弧焊時(shí)在一定條件下熔滴沿熔渣的空腔壁形成過渡。

251射流過渡

氬氣或富氬氣體保護(hù)焊接時(shí)．在一定工藝條件下，會(huì)出現(xiàn)噴射過渡。通常分為射滴、亞射流、射流和旋轉(zhuǎn)射流四種過渡形式。射滴過渡是介于滴狀過渡與連續(xù)射流過渡之間的一種熔滴過渡形式，亞射流過渡是介于短路與射滴之間的一種過渡形式，旋轉(zhuǎn)射流過渡是在焊絲伸出長(zhǎng)度較大，焊接電流比通常射流過渡臨界電流高出很多時(shí)(稱為第二臨界電流)出現(xiàn)的一種熔滴過渡形式。

射流過渡是噴射過渡中最富有代表性且用途廣泛的一種過渡形式。獲得射流過渡的條件是采用純氬或富氬保護(hù)氣氛，直流反接，除了保持高弧壓（長(zhǎng)弧)外，還必須使焊接電流大于某一臨界值。26圖1-32射流過渡形成機(jī)理示意圖跳弧跳?。弘娀娜鄣蔚母繑U(kuò)張到頸縮的根部27跳弧現(xiàn)象產(chǎn)生跳弧現(xiàn)象的最小電流IL，稱為射流過渡臨界電流。當(dāng)焊接電流小于臨界電流時(shí)，電流的增大只是熔滴尺寸略有減小，熔滴過渡頻率變化不大。電流一旦達(dá)到臨界電流，熔滴尺寸減小，過渡頻率大大增加。隨后再增加電流，熔滴過渡頻率變化不大。圖1-33為鋼焊絲在富Ar氣氛中焊接時(shí)熔滴過渡頻率（體積）與電流的關(guān)系。1射流過渡28圖1-33熔滴過渡與電流的關(guān)系鋼焊絲φ1.6mm氣體Ar+O21%弧長(zhǎng)6mm直流反接體積頻率29射流過渡臨界電流的大小與下列因素有關(guān)：

（1）焊絲成分焊絲成分不同將引起電阻率、熔點(diǎn)及金屬蒸發(fā)能力的變化。圖1-34為各種不同成分焊絲的臨界電流。

圖1-34不同材質(zhì)焊絲的臨界電流30

（2）焊絲直徑即使是同種材料的焊絲，直徑不同，其臨界電流值也不同。由圖2-23和圖2-24可見，隨焊絲直徑的增大，臨界電流成比例地增加。這是因?yàn)楹附z直徑大，則電流密度小，熔化焊絲所需要的熱量增加，因而形成射流過渡的臨界電流值也隨之增大。（3）焊絲伸出長(zhǎng)度焊絲伸出長(zhǎng)度長(zhǎng)，電阻熱的預(yù)熱作用增強(qiáng)，焊絲熔化快，易實(shí)現(xiàn)射流過渡，使臨界電流值降低。這種現(xiàn)象，電阻率越大的材料越明顯。

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（4）氣體介質(zhì)不同氣體介質(zhì)對(duì)電弧電場(chǎng)強(qiáng)度的影響不同。在Ar氣保護(hù)下弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度較低、電弧弧根容易擴(kuò)展，易形成射流過渡，臨界電流值較低。當(dāng)Ar氣中加入CO2時(shí)，隨加入CO2的比例增加臨界電流值增大。若CO2的比例超過30％，則不能形成射流過渡，見圖1-35。32圖1-35氣體介質(zhì)成分對(duì)臨界電流的影響當(dāng)Ar中加入O2時(shí)，如果O2的比例小于5％，因?yàn)镺2使熔滴表面張力降低，減小過渡阻力，故可降低臨界電流值。但若O2加入量增大，因?yàn)镺2的解離吸熱使弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度提高，電弧收縮不易擴(kuò)展，使臨界電流反而提高，見圖1-35。33

（5）電源極性直流反接時(shí)，焊絲為陽(yáng)極，熔滴上的斑點(diǎn)壓力較小，熔滴易脫落，臨界電流值較小，易實(shí)現(xiàn)射流過渡；直流正接時(shí)，焊絲為陰極，熔滴上的斑點(diǎn)壓力較大，阻礙熔滴過渡，臨界電流值較大，電弧不穩(wěn)定，不易實(shí)現(xiàn)射流過渡。34

短路過渡(ShortCircuitingTransfer)主要用于φ1.6mm以下的細(xì)絲CO2氣體保護(hù)焊或使用堿性焊條，采用低電壓、小電流焊接工藝的焊條電弧焊。由于電壓低，電弧較短，熔滴尚未長(zhǎng)成大滴時(shí)即與熔池接觸而形成短路液橋，在向熔池方向的表面張力及電磁收縮力的作用下,熔滴金屬過渡到熔池中去（見圖1-36），這樣的過渡形式稱為短路過渡。這種過渡電弧穩(wěn)定，飛濺較小，熔滴過渡頻率高（每秒可達(dá)幾十次至一百多次），焊縫成型良好。廣泛用于薄板結(jié)構(gòu)及全位置焊接。2短路過渡35

（1）短路過渡過程

正常的短路過渡過程，一般要經(jīng)歷電弧燃燒形成熔滴——熔滴長(zhǎng)大并與熔池短路熄弧——液橋縮頸而斷開過渡——電弧再引燃等四個(gè)階段。圖1-36為短路過渡過程的電弧電壓和電流動(dòng)態(tài)波形圖。36圖1-36為短路過渡過程的電弧電壓和電流動(dòng)態(tài)波形圖t1-燃弧時(shí)間t2-短路時(shí)間t3-拉斷熔滴后的電壓恢復(fù)時(shí)間T-短路周期T=t1+t2+t3Imax-最大電流，也稱短路峰值電流Imin-最小電流Ia-平均焊接電流Ua-平均電弧電壓37（2）短路過渡的特點(diǎn)

l）短路過渡是燃弧、短路交替進(jìn)行。燃弧時(shí)電弧對(duì)焊件加熱，短路時(shí)電弧熄滅，熔池溫度降低。因此，調(diào)節(jié)燃弧時(shí)間或熄弧時(shí)間即可調(diào)節(jié)對(duì)焊件的熱輸入，控制母材熔深。

2）短路過渡時(shí)所使用的焊接電流（平均值）較小，但短路時(shí)的峰值電流可達(dá)平均電流的幾倍，既可避免薄件的焊穿又能保證熔滴順利過渡，有利于薄板焊接或全位置焊接。

3）短路過渡一般采用細(xì)絲（或細(xì)焊條），焊接電流密度大，焊接速度快，故對(duì)焊件熱輸入低，而且電弧短，加熱集中，可減小焊接接頭熱影響區(qū)寬度和焊件變形。38（3）短路過渡的穩(wěn)定性

短路過渡過程實(shí)質(zhì)上可視為“短路——燃弧”周期性的交替過程。因此，短路過程的穩(wěn)定性一方面可以用這種交替過程的柔順、均勻一致程度以及過程中飛濺大小來衡量，同時(shí)還可以用短路過渡頻率特性來評(píng)定。短路過渡的周期T是由燃弧時(shí)間t1和熄弧時(shí)間t2所組成。調(diào)節(jié)燃弧時(shí)間和熄弧時(shí)間的大小，即可調(diào)節(jié)過渡周期，亦即調(diào)節(jié)過渡頻率。一般認(rèn)為，短路過渡頻率越高，即每秒鐘熔滴過渡次數(shù)越多，那么在恒定的送絲速度條件下，焊絲端部形成的熔滴尺寸越小，每過渡一滴時(shí)電弧的擾動(dòng)也就越小，過渡過程就越穩(wěn)定，飛濺也越小，并可提高生產(chǎn)效率。39（4）短路過渡的頻率特性短路過渡時(shí)每秒鐘熔滴過渡的次數(shù)稱為短路過渡頻率，以f表示。若以vf

表示焊絲的送進(jìn)速度，在穩(wěn)定焊接時(shí)vf＝vm，那么每次熔滴過渡的消耗焊絲的平均長(zhǎng)度Ld＝vf/f。因此，在送絲速度恒定時(shí)，f越高則Ld越小，即熔滴的體積越小，短路過程越穩(wěn)定。40圖1-37、圖1-38、圖1-39分別表示焊接電弧電壓(空載電壓)、送絲速度(即焊接電流)以及焊接回路直流電感與短路過渡頻率關(guān)系。圖1-37短路過渡頻率與電弧電壓的關(guān)系41圖1-38送絲速度與短路過渡頻率、短路時(shí)間和短路電流峰值的關(guān)系42圖1-39回路電感對(duì)短路過渡頻率的影響433渣壁過渡渣壁過渡示意圖444熔滴過渡的飛濺（1）熔敷效率、熔敷系數(shù)和損失率

熔敷效率（depositionefficiency）：過渡到焊縫中的金屬質(zhì)量與使用的焊絲（條）金屬質(zhì)量之比。為了評(píng)價(jià)焊接過程中焊絲金屬的損失程度，還常用到熔敷系數(shù)和損失率的概念。熔敷系數(shù)是指單位時(shí)間、單位電流所熔敷到焊縫中的焊絲金屬質(zhì)量。若用熔化系數(shù)表示（單位時(shí)間、單位電流熔化焊絲金屬的質(zhì)量），則焊絲金屬的蒸發(fā)、氧化和飛濺的損失率ψδ為

ψδ＝(2-10)45（2）熔滴過渡的飛濺

飛濺率ψ:定義為飛濺損失的金屬與熔化的焊絲（條）金屬的重量百分比。測(cè)量焊接飛濺率的辦法:一種是焊接后收集飛濺顆粒的辦法，但要保證完全收集也是很困難的，需要對(duì)焊接區(qū)進(jìn)行封閉，并且要做到封閉區(qū)內(nèi)部焊接前后狀態(tài)的一致(特別是各部件的表面狀態(tài))。第二種辦法是通過測(cè)量焊絲損失率ψδ來一定程度上表示焊接飛濺率ψ大小。461）短路過渡飛濺的特點(diǎn)

短路過渡過程飛濺大小是衡量電弧穩(wěn)定性的最直觀的標(biāo)志。在短路過渡過程中，熔滴與熔池接觸時(shí)將形成縮頸。隨著短路電流增大，縮頸變細(xì)，縮頸內(nèi)的電流密度大大增加，使縮頸金屬迅速加熱，最后導(dǎo)致縮頸金屬汽化爆炸，產(chǎn)生大量細(xì)顆粒飛濺。飛濺的多少與爆炸能量有關(guān)，即與此時(shí)的短路電流值有關(guān)。此時(shí)的電流稱為短路峰值電流。該電流值越大，爆炸能量越大，飛濺越嚴(yán)重。所以減少飛濺的重要途徑是改善電源的動(dòng)特性，使之限制短路峰值電流。472）射流過渡飛濺的特點(diǎn)

在進(jìn)行富氬氣體保護(hù)電弧焊接時(shí)，熔滴沿焊絲軸線方向以細(xì)滴狀過渡。對(duì)于鋼焊絲的射流過渡，焊絲端頭呈“鉛筆尖”狀，被圓錐形電弧所籠罩。在細(xì)頸斷面I-I處，焊接電流不但由液態(tài)金屬細(xì)頸流過，同時(shí)還通過電弧流過。由于電弧的分流作用，減弱了細(xì)頸處的電磁收縮力與爆破力，不存在小橋過熱問題，促使細(xì)頸破斷和熔滴過渡的主要原因是受等離子流力而機(jī)械拉斷，所以飛濺極少。在正常射流過渡情況下，飛濺率在1％以下。48五、熔滴過渡的控制熔滴過渡控制技術(shù)的目的：改善過渡品質(zhì)、提高焊接質(zhì)量。常用的熔滴過渡控制技術(shù)包括：脈沖電流控制法脈動(dòng)送絲控制法射流－短路過渡控制法波形控制法脈動(dòng)送絲－電流波形控制結(jié)合49五、熔滴過渡的控制脈沖電流控制