第二章 焊条熔化及熔池形成1011

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5 电弧气体吹力 • 焊条电弧焊时，焊条药皮的熔化滞 焊条电弧焊时， 后于焊芯的熔化， 后于焊芯的熔化，在焊条的端头形 成套筒。 成套筒。药皮中造气剂分解产生的 CO、 CO、CO2、H2及O2等在高温作用下急 剧膨胀，从套筒中冲出， 剧膨胀，从套筒中冲出，推动熔滴 冲向熔池。 冲向熔池。 • 无论何种位置焊接，这种力都有利 无论何种位置焊接， 于熔滴过渡。 于熔滴过渡。
电阻热与焊接电流密度，焊芯的电阻和焊接时 间有关。 正常焊接 —— 加热药皮 电流密度，焊条伸出长度——开裂
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焊条电阻热过大的不良影响：
1、飞溅增加； 、飞溅增加； 2、药皮开裂或脱落，电弧燃烧不稳定； 、药皮开裂或脱落，电弧燃烧不稳定； 3、药皮丧失冶金作用； 、药皮丧失冶金作用； 4、焊条发红变软，操作困难； 、焊条发红变软，操作困难； 5、焊缝成形变坏，甚至产生气孔等缺陷。 、焊缝成形变坏，甚至产生气孔等缺陷。
第二章 焊条熔化及熔池形成
第一节 焊条的加热及熔化
•
一、焊条金属的加热
（ 电பைடு நூலகம்热 电阻热 化学反应热）
1） ）
电弧热
焊接电弧传给焊条的热量占焊接电弧总功率的20%-27% 一部分：熔化药皮和焊芯，使焊条端部的液态金属过热 和蒸发。 一部分：传到未熔化的焊芯深处，使焊芯和药皮升温。
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2）电阻热
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3.斑点压力 3.斑点压力 电弧中带电质点在电场作用下向两极移动， 电弧中带电质点在电场作用下向两极移动， 带电质点在电场作用下向两极移动 撞击在两极的斑点上产生的机械压力
•
斑点压力包括: 斑点压力包括:正离子和电子对熔滴的撞击 电极材料蒸发时产生的反作用力 反作用力以及弧根面 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 的电磁收缩力。 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 a)在一定条件下， 在一定条件下 渡。 • b)通常阳极受到的斑点压力比阴极受到的斑点压 b)通常阳极受到的斑点压力比阴极受到的斑点压 通常阳极 要小， 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。 要原因之一。
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熔滴的比表面积和作用时间： 熔滴的比表面积和作用时间：
比表面积（S）：熔滴表面积（A）与其质量（ρV）之比， 即S=A/ρV 。 设熔滴是半径为R的球体，则S=3/ρR。 熔滴越细其熔滴比表面积越大，凡是能使熔滴变细的因素， 都能加强冶金反应。 熔滴相互作用时间近似等于熔滴存在时间（0.01~1.0s），是 很短暂的。
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1. 重力 2. 表面张力 3. 电磁力 4. 摩擦力
•
重力
重力对熔滴过渡的影响依焊接位置的不同而不同。 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； 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。 置则阻碍熔滴过渡。
FG＝mg＝(4／3)πRD³ρg ＝ ／
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Fσ＝2πRσ ——焊丝半径 焊丝半径； ——表面张力系数 表面张力系数。 式中 ： R——焊丝半径；σ——表面张力系数。
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。 是指焊丝端头上保持熔滴的作用力。
Fa θ RD θ
R Fσ
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， 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，表面张力是促进熔滴过渡的， 如短路过渡后期，表面张力是促进熔滴过渡的， 特别是对于现在的STT电源，实现无飞溅过渡更是如此。 特别是对于现在的STT电源，实现无飞溅过渡更是如此。 STT电源
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电弧电压影响焊丝熔化速度 电弧电压影响焊丝熔化速度
电弧电压： 电弧电压： AB段 下降的压降主要在弧柱上， AB段：下降的压降主要在弧柱上， 不影响熔化。熔化速度主要 不影响熔化。 取决于电流。 取决于电流。 BC段：电压降低，电流减小。 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， 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。 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。 以下：短路时间增加，能量输入少，从而溶化系数减小。 以下 固有自调节作用： 段 电弧本身有恢复原来弧长的能力。 固有自调节作用：BC段，电弧本身有恢复原来弧长的能力。
不锈钢焊条焊接时，这种现象更为突出。 严格限制焊芯和药皮的加热温度，一般焊接终了时， 焊芯的温度不应超过600~650℃。
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3) 化学反应热
药皮部分化学物质化学反应时产生的热量。 药皮部分化学物质化学反应时产生的热量。 约占总热量的1%-3%，可以忽略不计。 约占总热量的 ，可以忽略不计。
2.等离子体流力 2.等离子体流力 电磁压缩力使电弧气流上、下 形成压力差， 形成压力差，使上部的等离子体迅速 向下流动产生压力 • 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， 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， 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 通过电弧空间进入熔池。 与焊丝直径和焊接电流有密切关系， 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， 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， 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， 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。 •
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二、焊条金属的熔化速度
平均熔化速度（ ◆ 平均熔化速度（vm）：单位时间内熔化的焊芯质量或长
度。 vm=m/t =αpI 分金属质量。 单位：g/h
平均熔敷速度（ ◆ 平均熔敷速度（vH）：单位时间内真正进入焊缝的那部
vH=mH/t=аHI
的焊丝量（长度，重量） αP= m /It
熔化系数α ◆ 熔化系数αp：单位时间内，由单位电流单位时间内所熔化
单位：g/(A.H)
熔敷系数（ ◆ 熔敷系数（αH）是真正反映焊接生产率的指标！ аH=mH/ 单位：g/(A.H)
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思考：提高焊条熔化速度的措施？⑤
影响焊丝熔化速度的因素 • 电流：电流↑→熔化速度↑ • 电压： ——详看下一页 –较长弧长范围内，电压变化→不影响焊丝的熔化 –在较短弧长范围内，电压↓→熔化系数↑（自调 节作用 –在更短弧长范围内，电压↓→熔化系数↓ • 电流极性：焊丝为阴极时，熔化速度大， • 气体介质：反接时介质的影响不大，正接时介质的 影响比较复杂，无明显规律 • 伸出长度：Ls↑→熔化速度↑ • 焊丝直径：d↑→熔化速度↓
FG
若熔滴上含有少量活化物质( 或熔滴温度升高， 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。 小表面张力系数，有利于形成细颗粒熔滴过渡。
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电弧力
• 电弧中的电磁压缩力、等离子流力、 电弧中的电磁压缩力、等离子流力、斑点 电磁压缩力 压力对熔滴过渡都有不同的影响 需要指出的是， 对熔滴过渡都有不同的影响。 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 住往是重力 起主要作用； 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 对熔滴过渡起主要作用。 电流较大时，电弧力对熔滴过渡起主要作用。
•
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4 爆破力
•
若熔滴内部含有易挥发 若熔滴内部含有易挥发 金属或由于冶金反应而生成气体， 或由于冶金反应而生成气体 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， 膨胀而造成较大的内力，从而使 短路过渡焊接时， 熔滴爆炸。 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， 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。 过渡，同时也造成了较大飞溅
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熔滴过渡的形式： 熔滴过渡的形式：
接触过渡
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自由过 渡
渣壁过 渡
焊接金属熔滴及其过渡特性 焊条端部熔化形成的滴状液态金属称为熔滴 焊接过程 稳定性 熔滴特性 至关重要 重点研究
焊接冶金
焊缝成形
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二
1
熔滴过渡的主要形式及其特点
自由过渡 自由过渡是指熔滴经电弧空间自由飞行， 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。 间不发生直接接触的过渡方式。
分为三种：自由过渡、 接触过渡（短路过渡）和渣壁过渡（附壁过渡）。 分为三种：自由过渡、 接触过渡（短路过渡）和渣壁过渡（附壁过渡）。
①
滴状过渡：特点：熔滴直径大于焊丝直径。 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 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 MIG 主要是重力与表面张力的平衡。 低，主要是重力与表面张力的平衡。 细颗粒过渡：条件：较大电流时，大电流CO 频率高，电弧稳定， 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。 缝质量高, 重力、电磁力促进过渡。 中等电流焊时：短路过渡加大滴状排斥过渡，飞溅大。 注：CO2中等电流焊时：短路过渡加大滴状排斥过渡，飞溅大。
•
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1.电磁压缩力 1.电磁压缩力
• 焊接时，把熔滴看成由许多 焊接时， 平行截面流导体组成， 平行截面流导体组成，这样 在熔滴上就受到由四周向中 心的电磁力 心的电磁力 • 电磁压缩力在任何位置上都 促使熔滴向熔池过渡 熔滴向熔池过渡。 促使熔滴向熔池过渡。
熔滴中的电 磁收缩力
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C U A 熔化特性曲线 B I
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三、焊条金属的过渡特性
熔滴是指电弧焊时，在焊条（或焊丝）端部形成的向熔 熔滴 池过渡的液态金属滴。 熔滴过渡。 熔滴通过电弧空间向熔池的转移过程即熔滴过渡 熔滴过渡 熔化极电弧焊（焊条电弧焊、CO2焊、MIG、MAG、埋 弧焊）
熔滴上的作用力： 熔滴上的作用力： • • •
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焊条药皮套筒示意
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， 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， 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。 以不同的形式脱离焊丝或焊条，过渡到熔池中去。 重力：平焊，促进过渡。立焊、仰焊， 重力：平焊，促进过渡。立焊、仰焊，阻碍过渡 表面张力：平焊，阻碍过渡。立焊、仰焊， 表面张力：平焊，阻碍过渡。立焊、仰焊，促进过渡 电磁力： 电磁力：促进过渡 等离子流力：促进熔滴过渡的力 等离子流力： 斑点压力：撞击力、蒸发反作用力、电磁力。 斑点压力：撞击力、蒸发反作用力、电磁力。阻碍过渡 爆破力：促进过渡。 爆破力：促进过渡。 综上所述： 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。 除重力、表面张力、爆破力外，其余力都与电弧形态有关。 熔滴上的作用力对熔滴过渡的影响应从焊缝空间位置、 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 电弧形态、工艺条件等综合考虑。 式、电弧形态、工艺条件等综合考虑。
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熔滴过渡的形式： 熔滴过渡的形式：
国际焊接学会（IIW）对熔滴过渡形式分类：
短路过渡 大颗粒过渡 (2)接触过渡 颗粒过渡 排斥过渡 搭桥过渡 细滴过渡 渣壁过渡 (3)渣壁过渡 射滴过渡 套筒过渡 (1)自由过渡 喷射过渡 射流过渡 旋转射流过渡 爆炸过渡