第一章第二节焊丝的熔化和熔滴过渡

2.2 熔滴上的作用力
2.2.1熔滴上的作用力 熔滴上的作用力是影响熔滴过渡及焊缝成形的 主要因素。
（1）表面张力 （2）重力 （3）电磁力 （4）等离子流力 （5）斑点压力 （6）爆破力 （7）电弧气体吹力
熔滴上的作用力示意图
2.2 熔滴上的作用力
（1）表面张力 Fγ=2πRγ R ——焊丝半径， γ——表面张力系数 R增大 Fγ增大； T增大γ减小Fγ减小； 表面活性物质(S、O)γ减小Fγ减小。 对熔滴过渡的作用： Fγ 长弧焊——阻碍熔滴过渡力
2.1 焊丝的加热与熔化特性
可得：焊丝端部产热量与电流成正比，比例常数 为熔化等价电压。 ∵UT<1V，j较大时，UA≈0 ∴PA=IUW ——DCRP Pk=I(Uk-UW) ——DCSP 熔化极电弧焊（冷阴极）： ∵Uk>>UW， ∴Pk>>PA
2.1 焊丝的加热与熔化特性
∴焊丝为阴极(DCSP)时产热比焊丝为阳极(DCRP) 产热高——焊丝接负时比焊丝接正时熔化快。 总结：熔化极电弧焊采用DCRP的原因 ①焊丝接负（DCSP）比接正熔化快，产生的焊缝 余高a大，不利于焊缝成形； ②焊丝接负斑点力阻止熔滴过渡，易产生飞溅； ③母材接负产热高，有利于母材熔化； ④阴极清理作用，有利于清除氧化膜。 非熔化极电弧焊（热阴极）： ∵Uk<<UW，∴PC<<PA，电极作阳极产热大
Fγ
短弧焊——促进熔滴过渡力（短路过渡）
2.2 熔滴上的作用力
（2）重力 Fg=ρVg 平焊——促进熔滴过渡力，如果熔滴重力大于表 面张力，熔滴脱离焊丝； 仰焊、立焊——阻碍熔滴过渡力。 （3）电磁力 径向分力——促进颈缩的形成； 轴向分力——方向总是从小截面指向大截面。
2.2 熔滴上的作用力
电流流过熔滴时，导体截面是变化的（熔化极， 指焊丝——熔滴——电极斑点——弧柱之间）
2.1.3影响焊丝熔化速度的因素 （1）焊接电流I I增大，电弧热与电阻热增加——vm增大；
焊丝熔化速度与焊接电流、 焊丝直径的关系
2.1 焊丝的加热与熔化特性
电阻热对焊丝熔化速度的作用：
铝焊丝熔化速度与电流关系
不锈钢焊丝熔化速度与电流关系
2.1 焊丝的加热与熔化特性
（2）电弧电压（弧长） 弧长较长时，U的变化对vm影响不大； 弧长较短时，U减小， vm增大。 原因:弧长缩短时，减小了电弧与空气接触空间， 热量散失减少，提高了电弧热效率。
2.3 熔滴过渡及其特点
（1）射滴过渡
射滴过渡示意图
2.3 熔滴过渡及其特点
（2）射流过渡 形成过程
射流过渡示意图
2.3 熔滴过渡及其特点
射流过渡的特点： 1.焊接过程稳定，飞溅极少，焊缝成型质量好。 2.由于电弧稳定，对保护气流的扰动作用小， 故保护效果好。 3.射流过渡能量高，熔滴冲击力大，所以熔深 大。 4.不适合焊接3mm以下的薄板。
材料连接方法与工艺
第二节 焊丝的熔化和熔滴过渡
重庆公共运输职业学院
焊丝的熔化和熔滴过渡
2.1 2.2 2.3 2.4 焊丝的加热与熔化特性 熔滴上的作用力 熔滴过渡及其特点 焊接飞溅
本章提示
本章重点：①焊丝的熔化机理；②熔滴上力的作 用及其对熔滴过渡的影响；③典型的熔滴过渡形 式，如短路过渡、喷射过渡；④焊接飞溅。 本章难点：与熔滴过渡有关的热、力的作用及其 对焊接工艺的影响。 学习方法建议：将焊丝熔化、熔滴过渡的物理过 程与焊接电弧物理相关知识结合，帮助学习理解。 学习提示：本章内容主要涉及添加焊丝的焊接方 法的熔化现象，即MIG、MAG、CO2、SAW等熔化极 电弧焊与TIG、PAW等非熔化极电弧焊。
2.3 熔滴过渡及其特点
2.3.3颗粒过渡 特点：电弧电压高（弧长较长） （1）粗滴过渡 焊接电流小，电弧力小，基本靠重力实现自 由过渡，因此熔滴较大，焊接飞溅较大，焊接稳 定性差，焊缝质量差，基本不采用。
粗滴过渡过程示意图
2.3 熔滴过渡及其特点
（2）细滴过渡 焊接电流较大，熔滴细化，飞溅较小，电弧稳定， 成形较好，广泛采用，常见于CO2焊接。（与射 滴过渡相区别）。 2.3.4喷射过渡 喷射过渡:易在（富）氩气氛种获得，熔深大， 熔敷效率高，适用于中、厚板平位置的填充、盖 面。（有上、下限电流，可加脉冲）
2.3 熔滴过渡及其特点
射流过渡临界电流：产生射流过渡的最小电流。 电流一旦达到临界电流，熔滴尺寸减小，过渡频 率大大增加。
熔滴过渡频率与焊接电流的关系
2.3 熔滴过渡及其特点
影响射流过渡临界电流的因素： 焊丝成分、焊丝直径、焊丝伸出长度、气体 介质、电源极性。
不同材质焊丝的临界电流
2.3 熔滴过渡及其特点
对于φ 0.8-φ 1.6的焊丝，最佳值约为20V，短 路频率增大，稳定短路过渡。 小于最佳值或过低， 电弧引燃困难，焊接过 程不稳定，弧长短，易 固体短路、焊丝爆断， 使焊接不稳定。 大于最佳值，弧长较 短路过渡频率与电弧电压的关系 长，大颗粒长弧过渡，焊接不稳定。
2.3 熔滴过渡及其特点wk.baidu.com
干伸长与焊丝熔化速度的关系
2.1 焊丝的加热与熔化特性
（6）气体介质 CO2增加，Ar减少，CO2分解使吸热增加， 电弧收缩效应使UC增大，即PC增大，使vm随之增 加。
气体介质与熔化速度
2.1 焊丝的加热与熔化特性
（7）焊丝极性 DCSP，焊丝为阴极，Uk>>UW，所以Pk>PA。
焊丝极性与熔化速度的关系
ds F
mj
ds 1 2 3 4 dG dD
F
mZ
F
m
dD dG
电磁力的作用
电磁力轴向分力示意图 1.焊丝，2.电磁轴向分力，3.电流线，4.电弧 ds—焊丝直径，dD—熔滴直径，dG—弧根直径
2.2 熔滴上的作用力
电磁力对熔滴过渡的影响决定于电弧形态。 dG<dD时，弧根在熔滴底部，电磁力是阻碍熔滴 过渡力；dG>dD时，弧根面积笼罩整个熔滴，电 磁力是促进熔滴过渡力。 （4）等离子流力 对熔滴产生很大推力，是促进熔滴过渡力。 大小与焊丝直径、电流大小有关。 （5）斑点压力 a.撞击力 电极形成斑点时，斑点处接受电子（反接时）和
焊丝直径、干伸长与临界电流
2.3 熔滴过渡及其特点
气体介质对临界电流的影响
2.3 熔滴过渡及其特点
2.3.5渣壁过渡 沿渣壳（埋弧焊）、沿套筒（焊条电弧焊） 焊条电弧焊主要是在厚药皮出 现。 埋弧焊随着过渡频率增加，每 秒从10滴增加到几十滴。
2.3 熔滴过渡及其特点
2.3.6常见焊接方法的熔滴过渡形式 焊条手工焊：细滴过渡、粗滴过渡、短路过渡、 渣壁过渡 CO2焊：滴状过渡（粗丝）、短路过渡、表面张 力过渡（STT）（细丝） MIG（焊铝）：喷射过渡、亚射流过渡 埋弧焊：渣壁过渡 TIG焊：搭桥过渡
b.电源特性的影响 适当的di/dt、Imax取决于回路电感： di/dt=（U0-iR）/L L过大，di/dt、Imax过小，颈缩不能及时形成， 造成固体短路、爆断、熄弧 L过小， di/dt、Imax过大，液柱未形成颈缩即 爆断，小颗粒金属飞溅增加。 c.送丝速度的影响
送丝速度与 短路过渡的 关系
2.1 焊丝的加热与熔化特性
2.1.1焊丝的熔化热 ——焊丝的作用：①作为电极参与导电；②作为 填充材料填充焊缝。 ——焊丝熔化热来自于： ①电弧热； ②焊丝电 阻热。
焊丝熔化热的组成
2.1 焊丝的加热与熔化特性
（1）电弧热 焊丝作为阳极（DCRP）的产热量： PA=I(UA+UW+UT) 焊丝作为阴极（DCSP）的产热量： Pk=I(Uk-UW-UT) 其中，UA——阳极压降；Uk——阴极压降； UW——电极材料逸出电压；UT——弧柱电子、 离子动能的等价电压。
2.1.2熔化速度和比熔化量——评价焊丝熔化特 性 （1）焊丝比熔化量（MR） 定义：单位时间、单位电流下的熔化金属量，体 现了热效率，单位mg/(A· s)。 （2）焊丝熔化速度（vm） 定义：单位时间的熔化金属量，单位m/min或 kg/h。由电弧热及焊丝电阻热决定。
2.1 焊丝的加热与熔化特性
2.3 熔滴过渡及其特点
（3）短路过渡稳定性及影响因素 对于短路过渡，短路频率增大，焊接稳定性提高。 与稳定性有关的工艺参数：电弧电压、焊接电流、 焊接回路电感（电源动特性）、焊接速度、气体 流量、焊丝干伸长。 a.电弧电压的影响 U的大小决定了电弧的长短和熔滴过渡的形式， 对焊缝成形、飞溅、焊接缺陷及焊缝的力学性能 有很大的影响，实现短路过渡的条件之一：保持 较短的弧长，即低电压。
2.4 焊接飞溅
2.4.3减少飞溅的措施 （1）材料方面 原因：焊材中的C+保护气体中的OCO 熔滴中被氧化后的FeO+熔滴中的CCO ——膨胀爆裂形成飞溅 措施：a.焊丝成分控制——限制含C量，适当脱 氧成分（Si，Mn等） b.添加Ar气（增加了成本） c.焊材中添加稳弧剂。 （2）工艺和规范方面 a.正确匹配焊接电流、电压；
2.4 焊接飞溅
2.4 焊接飞溅
2.4.1几个概念 熔敷效率：过渡到焊缝中的金属质量与使用的焊丝（条） 金属质量之比。 熔敷系数：单位时间、单位电流所熔敷到焊缝中的焊丝 金属质量。 飞溅率Ψ ：（飞溅损失/熔化焊丝（条）重量×100% 2.4.2焊接飞溅 （1）飞溅的影响： 造成焊接材料损失，恶化操作环境，增加焊接清理工 序，影响焊接稳定性，威胁焊工安全。
2.3 熔滴过渡及其特点
2.3.2短路过渡 短路过渡在各种气氛中，低电压、细焊丝 （小电流）（但电流密度不小）均可获得。 （1）短路过渡过程 条件：细焊丝（0.6mm-1.4mm），实际生产 可到1.6mm，大于1.6mm的短路过渡飞溅严重， 很少采用；低电压；小焊接电流。
2.3 熔滴过渡及其特点
2.2 熔滴上的作用力
正离子（正接时）的撞击力。是阻碍熔滴过渡力。 b.蒸发反作用力 金属蒸发，是阻碍熔滴过渡力。 c.电磁收缩力（见电磁力分析） （6）爆破力 熔滴内气体膨胀而爆炸。是促进熔滴过渡力，易 形成飞溅。 （7）电弧气体吹力 焊条电弧焊，是促进熔滴过渡力。
2.2 熔滴上的作用力
2.2.2熔滴上的作用力对熔滴过渡的作用(小结) ①除重力、表面张力、等离子流力外，电磁力、 斑点压力与电弧形态有关； ②纯促进熔滴过渡力：等离子流力 ③依情况而定：重力——平焊：促进力 立焊、仰焊：阻碍力 表面张力——长弧焊：阻碍力 短弧焊：促进力 电磁力——小截面指向大截面 斑点力——阻碍力（除电磁力）
燃弧——短路过程交替进行。
短路过渡示意图
2.3 熔滴过渡及其特点
（2）短路过渡特点 1）能调节对焊件的热输出，有效的控制母 材熔深，适合薄板焊接。 2）由于表面张力的作用，使得其适用于全 位置焊接。 3）短路过渡一般采用细焊丝，焊接电流密 度大，焊接速度快，而且电弧短，热量集中， 减小热影响区宽度和变形。 4）由于短路时金属液态桥爆断，所以飞溅 比较大。
电弧的固有调节作用 a.铝焊丝，b.钢焊丝
2.1 焊丝的加热与熔化特性
（3）焊丝直径 φ 减小电阻R增大电阻热增加vm增大。
焊丝直径与熔化速度
2.1 焊丝的加热与熔化特性
（4）干伸长（焊丝伸出长度） ls增大R增大电阻热增加 vm增大。 （5）焊丝材料 焊丝材料的电阻率不同， 使vm不同。举例：不锈钢焊条。
2.1 焊丝的加热与熔化特性
（2）电阻热 PR=I2Rs Al、Cu焊丝，Rs小，PR可忽略不计； 钢、不锈钢等焊丝，Rs大，PR不可忽略。 （3）焊丝熔化总热量 Pm=I(Um+IRe) 即：Pm=I(UC-UW)+I2Rs ——DCSP Pm=IUW+I2Rs ——DCRP
2.1 焊丝的加热与熔化特性
2.3 熔滴过渡及其特点
2.3.1熔滴过渡的分类 熔滴过渡过程复杂，对电弧的稳定性、焊缝成形 和冶金过程均有影响。 传统上，通常将熔滴过渡分成短路过渡、颗粒过 渡、喷射过渡和渣壁过渡四种主要形式，每一种 又可以再分为不同的亚型。目前，熔滴过渡的名 称尚未规范、统一。
熔化极电弧焊 的电弧形态
2.4 焊接飞溅
（2）测量方法：收集飞溅颗粒（称重法）、测量焊丝损失 率 （3）影响飞溅的因素： a.材料：熔点低，活泼金属飞溅大。 b.焊材：焊条：碱性大于酸性；焊丝：实芯大于药芯。 c.气体：CO2大，氩弧焊小。 d.焊接方法：CO2焊大于手弧焊。 e.过渡形式：颗粒过渡大于短路过渡。 f.焊接工艺：电压、电流、干伸长、倾角、送丝速度。 g.焊接电源：交流大于直流；正接大于反接。