焊條熔化及熔池形成

焊條熔化及熔池形成第1頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院1）電弧熱焊接電弧傳給焊條的熱量占焊接電弧總功率的20%-27%一部分：熔化藥皮和焊芯，使焊條端部的液態(tài)金屬過熱和蒸發(fā)。一部分：傳到未熔化的焊芯深處，使焊芯和藥皮升溫。一、焊條金屬的加熱

（電弧熱電阻熱化學反應熱）第2頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院2）電阻熱

電阻熱與焊接電流密度，焊芯的電阻和焊接時間有關。正常焊接——加熱藥皮電流密度，焊條伸出長度——開裂

第3頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院焊條電阻熱過大的不良影響：1、飛濺增加；2、藥皮開裂或脫落，電弧燃燒不穩(wěn)定；3、藥皮喪失冶金作用；4、焊條發(fā)紅變軟，操作困難；5、焊縫成形變壞，甚至產生氣孔等缺陷。不銹鋼焊條焊接時，這種現(xiàn)象更為突出。嚴格限制焊芯和藥皮的加熱溫度，一般焊接終了時，焊芯的溫度不應超過600~650℃。第4頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院

3)化學反應熱藥皮部分化學物質化學反應時產生的熱量。約占總熱量的1%-3%，可以忽略不計。第5頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院二、焊條金屬的熔化速度

◆平均熔化速度（vm）：單位時間內熔化的焊芯質量或長度。vm=m/t=αpI單位：g/h◆平均熔敷速度（vH）：單位時間內真正進入焊縫的那部分金屬質量。vH=mH/t=аHI◆熔化系數(shù)p：單位時間內，由單位電流單位時間內所熔化的焊絲量（長度，重量）

P=m/It單位：g/(A.H)◆熔敷系數(shù)（αH）是真正反映焊接生產率的指標！аH=mH/單位：g/(A.H)思考：提高焊條熔化速度的措施？⑤第6頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院電流：電流↑→熔化速度↑電壓：——詳看下一頁較長弧長范圍內，電壓變化→不影響焊絲的熔化在較短弧長范圍內，電壓↓→熔化系數(shù)↑（自調節(jié)作用在更短弧長范圍內，電壓↓→熔化系數(shù)↓電流極性：焊絲為陰極時，熔化速度大，氣體介質：反接時介質的影響不大，正接時介質的影響比較復雜，無明顯規(guī)律伸出長度：Ls↑→熔化速度↑焊絲直徑：d↑→熔化速度↓影響焊絲熔化速度的因素第7頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院電弧電壓影響焊絲熔化速度電弧電壓：AB段：下降的壓降主要在弧柱上，不影響熔化。熔化速度主要取決于電流。BC段：電壓降低，電流減小。原因：電弧短，熱量損失少；熔滴加熱溫度低，帶走能量少，從而溶化系數(shù)高。C以下：短路時間增加，能量輸入少，從而溶化系數(shù)減小。固有自調節(jié)作用：BC段，電弧本身有恢復原來弧長的能力。熔化特性曲線IUBAC第8頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院熔滴上的作用力：

1.重力2.表面張力3.電磁力4.摩擦力

三、焊條金屬的過渡特性熔化極電弧焊（焊條電弧焊、CO2焊、MIG、MAG、埋弧焊）熔滴是指電弧焊時，在焊條（或焊絲）端部形成的向熔池過渡的液態(tài)金屬滴。熔滴通過電弧空間向熔池的轉移過程即熔滴過渡。第9頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院重力

重力對熔滴過渡的影響依焊接位置的不同而不同。平焊時，熔滴上的重力促使熔滴過渡；而在立焊及仰焊位置則阻礙熔滴過渡。

FG＝mg＝(4／3)πRD3ρg

第10頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院表面張力Fσ

此處的表面張力Fσ是指焊絲端頭上保持熔滴的作用力。

Fσ＝2πRσ式中：R——焊絲半徑；σ——表面張力系數(shù)。

表面張力是促進熔滴過渡還是阻止過渡應針對不同的焊接方法、不同的熔滴過渡形式來分析，如短路過渡后期，表面張力是促進熔滴過渡的，特別是對于現(xiàn)在的STT電源，實現(xiàn)無飛濺過渡更是如此。

若熔滴上含有少量活化物質(如O2、S等)或熔滴溫度升高，都會減小表面張力系數(shù)，有利于形成細顆粒熔滴過渡。FaFσθRDθRFG第11頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院電弧力

電弧中的電磁壓縮力、等離子流力、斑點壓力對熔滴過渡都有不同的影響。需要指出的是，電流較小時住往是重力和表面張力起主要作用；電流較大時，電弧力對熔滴過渡起主要作用。

第12頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院焊接時，把熔滴看成由許多平行截面流導體組成，這樣在熔滴上就受到由四周向中心的電磁力電磁壓縮力在任何位置上都促使熔滴向熔池過渡。1.電磁壓縮力熔滴中的電磁收縮力第13頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院電磁壓縮力使電弧氣流上、下形成壓力差，使上部的等離子體迅速向下流動產生壓力

電弧等離子流力隨著等離子流從焊絲末端側面切人，并沖向熔池而產生，它有助于熔滴脫離焊絲，并使其加速通過電弧空間進入熔池。等離子流力與焊絲直徑和焊接電流有密切關系，采用的焊絲直徑越細，電流越大，產生的等離子流力和流速越大，因而對熔滴推力也就越大。在大電流焊接時，等離子流力會顯著地影響熔滴過渡特性。2.等離子體流力第14頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院

3.斑點壓力電弧中帶電質點在電場作用下向兩極移動，撞擊在兩極的斑點上產生的機械壓力

斑點壓力包括:正離子和電子對熔滴的撞擊力、電極材料蒸發(fā)時產生的反作用力以及弧根面積很小時產生的指向熔滴的電磁收縮力。a)在一定條件下，斑點壓力將阻礙金屬熔滴的過渡。b)通常陽極受到的斑點壓力比陰極受到的斑點壓力要小，因而焊絲為陽極時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。第15頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院4爆破力

若熔滴內部含有易揮發(fā)金屬或由于冶金反應而生成氣體，則在電弧高溫作用下氣體積聚和膨脹而造成較大的內力，從而使熔滴爆炸。在CO2短路過渡焊接時，電磁力及表面張力的作用導致熔滴形成縮頸，電流密度增加，急劇加熱使液態(tài)小橋爆破形成熔滴過渡，同時也造成了較大飛濺。第16頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院5電弧氣體吹力焊條電弧焊時，焊條藥皮的熔化滯后于焊芯的熔化，在焊條的端頭形成套筒。藥皮中造氣劑分解產生的CO、CO2、H2及O2等在高溫作用下急劇膨脹，從套筒中沖出，推動熔滴沖向熔池。無論何種位置焊接，這種力都有利于熔滴過渡。焊條藥皮套筒示意第17頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院熔滴過渡和飛濺

電弧焊時，在電弧熱作用下焊絲或焊條端部受熱熔化形成熔滴，由于受到各種大小不同的作用力，具體形狀和位置不斷變化，從而熔滴以不同的形式脫離焊絲或焊條，過渡到熔池中去。重力：平焊，促進過渡。立焊、仰焊，阻礙過渡表面張力：平焊，阻礙過渡。立焊、仰焊，促進過渡電磁力：促進過渡等離子流力：促進熔滴過渡的力斑點壓力：撞擊力、蒸發(fā)反作用力、電磁力。阻礙過渡爆破力：促進過渡。綜上所述：1）除重力、表面張力、爆破力外，其余力都與電弧形態(tài)有關。2）熔滴上的作用力對熔滴過渡的影響應從焊縫空間位置、熔滴過渡形式、電弧形態(tài)、工藝條件等綜合考慮。第18頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院熔滴的比表面積和作用時間：比表面積（S）：熔滴表面積（A）與其質量（ρV）之比，即S=A/ρV。設熔滴是半徑為R的球體，則S=3/ρR。熔滴越細其熔滴比表面積越大，凡是能使熔滴變細的因素，都能加強冶金反應。熔滴相互作用時間近似等于熔滴存在時間（0.01~1.0s），是很短暫的。第19頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院熔滴過渡的形式：國際焊接學會（IIW）對熔滴過渡形式分類：第20頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院

接觸過渡自由過渡渣壁過渡熔滴過渡的形式：第21頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院焊接金屬熔滴及其過渡特性焊條端部熔化形成的滴狀液態(tài)金屬稱為熔滴

熔滴特性至關重要焊接過程穩(wěn)定性焊接冶金焊縫成形重點研究第22頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院熔滴過渡的主要形式及其特點分為三種：自由過渡、接觸過渡（短路過渡）和渣壁過渡（附壁過渡）。1自由過渡

自由過渡是指熔滴經電弧空間自由飛行，焊絲端頭和熔池之間不發(fā)生直接接觸的過渡方式。滴狀過渡：特點：熔滴直徑大于焊絲直徑。大顆粒過渡：條件：電流較小，電弧電壓高時，小電流MIG焊。過渡頻率低，主要是重力與表面張力的平衡。細顆粒過渡：條件：較大電流時，大電流CO2焊。頻率高，電弧穩(wěn)定，焊縫質量高,重力、電磁力促進過渡。注：CO2中等電流焊時：短路過渡加大滴狀排斥過渡，飛濺大。第23頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院噴射過渡：在MIG焊(熔化極惰性氣體保護焊)時會出現(xiàn)這種形式的過渡，又分為：射滴過渡、亞射流過渡、射流過渡、旋轉射流過渡。1)射滴過渡:熔滴直徑接近焊絲直徑，熔滴加速度大于重力加速度，尺寸規(guī)則呈球形，沿軸向過度。

形成原因：熔滴被弧根籠罩，電弧呈種罩形，從而電磁收縮力形成較強的推力。

出現(xiàn)場合：鋁及其合金的氬弧焊及鋼的脈沖氬弧焊。２）射流過渡：電流密度大，熔滴直徑小于焊絲直徑，熔滴加速度比重力加速度大幾十倍。形成原因：電流密度大，焊絲熔化端部形成尖錐狀，出現(xiàn)金屬蒸發(fā)，電弧跳弧，形成很強的等離子流力。第24頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院射滴過渡第25頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院3）亞射流過渡（亞射滴過渡）介于短路過渡與射滴過渡之間的熔滴過渡形式。形成：因其電弧較短，在電弧熱作用下，形成的熔滴長大，在即將以射滴過渡時與熔池短路，在電磁收縮力的作用下斷裂形成過渡。特點：短路前就已經形成細頸；短路時間短，電流上升不大；飛濺小，焊縫成形美觀；電弧自調節(jié)能力極強（弧長2～8mm)；主要用于鋁及其合金的焊接。第26頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院２接觸過渡（短路過渡）１）定義：當電流較小，電弧電壓較低時，弧長較短，熔滴未長成大滴就與熔池接觸形成液態(tài)金屬短路，電弧熄滅，隨之金屬熔滴在表面張力及電磁收縮力的作用下過渡到熔池中去，熔滴脫落之后電弧重新引燃，如此交替進行。２）短路過渡的過程：以P20圖2-2進行分析。３）穩(wěn)定性及其影響因素

穩(wěn)定性是指焊接持續(xù)穩(wěn)定、飛濺大小、成形等方面a.電流上升率；b.短路最大電流IMax

c.空載電壓恢復速度；d.短路頻率：越大越穩(wěn)定。第27頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院４）影響短路頻率的因素：電弧電壓：有一個最佳值；b.送絲速度：有一個最佳值。c.電感：增加，頻率降低，但可增加燃弧時間，調節(jié)熱輸入。５）特點a.短路過渡是燃弧、熄弧交替進行的。b.短路過渡時，焊接過程中的平均電流較小，而短路電流峰值又相當大，這種電流形式既可避免薄板的焊穿，又可保證熔滴過渡的順利進行，有利于薄板焊接或全位置焊接。短路過渡時，一般使用小直徑的焊絲或焊條，電流密度較大，電弧產熱集中，焊絲或焊條熔化速度快，因而焊接速度快。同時，短路過渡的電弧弧長較短，焊件加熱區(qū)較小，可減小焊接接頭熱影響區(qū)寬度和焊接變形量，提高焊接接頭質量小電流、低電壓、細焊絲，二氧化碳細絲焊。第28頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院３渣壁過渡（附壁過渡）定義：渣壁過渡是熔滴沿著熔渣的壁面流入熔池的一種過渡形式。出現(xiàn)的焊接方法：埋弧焊和焊條電弧焊。

埋弧焊時，電弧在熔渣形成的空腔(氣泡)內燃燒，熔滴主要通過渣壁流入熔池，只有極少數(shù)熔滴通過空腔內的電弧空間進入熔池。埋弧焊的熔滴過渡頻率及熔滴尺寸與極性、電弧電壓和焊接電流有關。直流反接時：熔滴較細，沿渣壁以小滴狀過渡，頻率較高；直流正接時：熔滴較大，在斑點力的作用下擺動，呈粗滴狀過渡，頻率較低。

焊條電弧焊時，熔滴過渡形式可能有四種：渣壁過渡、粗滴過渡、細滴過渡和短路過渡，過渡形式取決于藥皮成分和厚度、焊接參數(shù)、電流種類和極性等。當采用厚藥皮焊條焊接時，焊芯比藥皮熔化快，使焊條端頭形成有一定角度的藥皮套筒，控制熔滴沿套筒壁落入熔池，形成渣壁過渡。

堿性焊條：大滴狀或短路過渡。（弧長較短時，短路過渡；弧長較長時，大滴狀過渡）酸性焊條：細顆粒過渡（部分沿套筒內壁過渡，部分直接過渡）第29頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院附壁過渡第30頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院關于熔滴過渡技術的最新發(fā)展

傳統(tǒng)上，熔滴過渡在一個電流周期，形式內比較單一，缺乏靈活性，焊縫成形的好壞在很大程度上仍然依賴于焊工的操作技術水平和心理狀態(tài)。

近年來，隨著逆變技術特別是數(shù)字技術在焊接設備上的應用逐漸推廣，已經可以對熔滴過渡進行快速、精確的實時控制，情況發(fā)生了很大的變化，在熔化極氣體保護焊中出現(xiàn)了如表面張力過渡（STT）、冷金屬過渡（CMT）和雙脈沖（doublepulse、superpulse）過渡等新的熔滴過渡技術。第31頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院

下面為冷金屬過渡過程及其所焊的鋁合金薄板對接焊縫。第32頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院熔敷系數(shù)和飛濺1熔敷效率和熔敷系數(shù)1）熔敷效率：過渡到焊縫中的金屬重量與使用焊絲重量之比。MIG焊、埋弧焊大于90%CO2焊、手工電弧焊約為80%。２）熔敷系數(shù)αy：單位時間、單位焊接電流內所熔敷到焊縫上的焊絲金屬重量。熔化系數(shù)αm：單位時間、單位焊接電流內所熔敷到焊縫上的焊絲金屬重量。損失系數(shù)：焊接電流增加,熔敷系數(shù)αy、熔化系數(shù)αm增加，損失系數(shù)減小。第33頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院2熔滴過渡的飛濺及其影響因素焊接中飛濺的產生a.伴隨氣體析出而引起的飛濺．氣體爆炸引起的飛濺電弧斑點力引起的飛濺短路過渡再引燃引起的飛濺２）影響因素飛濺的因素焊接方法和規(guī)范過渡形式電源動特性氣體介質極性焊絲、焊件表面的清潔度第34頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院熔滴過渡的控制脈沖電流控制法射流短路交替控制法脈沖送絲法第35頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院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，需要對焊接區(qū)進行封閉，并且要做到封閉區(qū)內部焊接前后狀態(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量焊絲損失率來一定程度上表示焊接飛濺率大小。第36頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院藥皮的熔化與過渡一以薄膜的形式包在金屬熔滴的外面或被夾在熔滴內二熔渣直接從焊條端部以滴狀落入到熔池藥皮熔化后熔渣的過渡形式藥皮溫度不均勻藥皮厚度—影響—藥皮套筒藥皮熔點—影響—藥皮套筒藥皮套筒的長度對焊接工藝，熔滴過度和化學冶金反應影響第37頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院第二節(jié)焊接熔池的形成熔焊時，母材上由熔焊的焊條金屬與局部熔化的母材所組成的具有一定幾何形狀的的液體金屬叫熔池。如焊接時不填充金屬，則熔池僅由局部熔化的母材組成。第38頁，共45頁，2023年，2月20日，星期日浙江機電學院熔池的形狀類似于不標準的半橢球，其輪廓為溫度等于母材熔點的等溫面。