2—2熔滴过渡及作用力

就可能发生跳弧现象,发生跳弧现象的最小电流称为临界电流。 当达到一定电流后,立即 发生电弧形态及过渡形式 的变化,如图2—21。
当电流由255A增大到 265A时，熔滴数由15滴/秒 变到240滴/秒，熔滴尺寸 由原来的Ø 4mm突然降到 Ø 1mm，则265A为达到 射流过渡的临界电流。 2 ）特点： （1）射流过渡电弧形态的轮廓清晰，燃烧稳定，焊接电流、 电压几乎呈两根平行线。 （2）飞溅小，焊缝成型光滑、美观。
3）可调节参数多。 4）可控制波形以满足不同工艺要求。 2 过渡过程 原理是：控制焊接电流以一 定的频率和波形变化，从而控制 焊丝的熔化及熔滴过渡。它的典 型电流波形及熔滴过渡过程如图 2—41所示。无论脉冲电流波形 形状如何，其脉冲电流峰值一定 要大于该条件下的喷射过渡临界 电流值。
这样脉冲焊接过渡方式可分为三种： ①脉冲电流较大或脉冲持续时间较长时，过渡波形如图2—42。
1 特点 电流小，弧长短，弧压低，焊丝较细，过渡频率较高，成型较 好，主要用于薄板及全 位置焊接过程。
2 短路过渡过程 这种过渡过程,可 分为熔滴长大短路、 细颈形成、金属液 桥破断、电弧复燃四 个阶段。其具体过程 如图2—28所示。
具体分析其过程如下： 1）燃弧阶段 电焊燃烧、焊丝熔化、熔滴长大， 图中1）——3）。 2）弧隙短路 随着熔滴长大，电弧向未熔化的焊丝传递热量减少，使焊丝熔 化速度下降，焊丝等速送进，熔滴与熔池短路，如图4）。 3）细颈形成 短路后，电流迅速增大。在电磁力及表面张力的作用下，熔滴 与焊丝间形成缩颈，此时，过渡力主要是表面张力及电磁收缩力， 如图5）、6）。 4） 电弧复燃阶段 当短路电流增加到一定数值时，小桥迅速拉开，电弧又从新引 燃，如图7） 上述过程的一个周期为： T=t1+t2+t3≈ t1+t2 则频率有： 1 f=1/T= ——— t1+t2
2—2熔滴过渡及作用力
在电弧的热作用下,焊丝与焊条端头的熔化金属形成熔滴，并在 各种力的作用下向母材过渡,称之为熔滴过渡。
一 熔滴上的作用力
金属熔滴受以下几个力的作用：表面张力、
重力、电磁收缩力、斑点压力、等离子流力和 其他力。 （一）表面张力 表面张力是在焊条端头上保持熔滴的主要
作用力。如图2—10。
R相同的情况下，ρ 、σ不同，熔滴脱离前的形态也不同， ρ/ σ 越大时，过渡熔滴越细。
（三）电磁力 电流通过熔滴时，导体的截面是变化的，将产生电磁力的轴向 分力，其方向总是从小截面指向大截面。电磁力对熔滴过渡的影响， 可以按不同 部位加以分析。 1 在焊丝与熔滴连接的缩颈处，
这时的电磁力是由小 断面指向大断面，是促 进过渡的。如图2—12。 2 形成斑点时：
（ 3）电弧功率大、热量集中，对焊件的熔透能力强焊缝程蘑 菇状。 3）影响射流过渡稳定性的因素 （1）焊接电流， I临1 < I < I临2 。 （2）电弧电压 。 （3）电源特性。 （4）气体成分的影响。 （5）焊丝外伸长度。 2 其他几种过渡形式 1）射滴过渡 这种过渡方式通常在钢焊丝 脉冲焊及铝合金熔化极氩弧焊时 出现，这时，产生FC和F斑 促进熔 滴过渡，同时Fσ阻碍熔滴过渡， 如图2—17所示。
②脉冲持续时间或脉冲幅值比第一种形式小时，熔滴过渡形式 如图2—43。
③脉冲电流峰值较小，持续时间很短时，熔滴过渡形式如图2—44。
（二）喷射——短路交替控制法 这种方法通过电源电压与送丝速度的低频同步变化，来获得喷 射——短路过渡的交替过程。 特点：热输入较小，适合全位置焊，但有两个送丝速度，要求 送丝机构惯性小，需要两个电源，设备复杂。
（四）喷射过渡 1 射流过渡形成的条件与特点 1）形成条件 钢焊丝TIG焊,电流较 小时，电弧与熔滴状态； 如图2--19a所示，熔滴在 重力作用下呈大滴状过渡。 随着电流的增加，电磁力 等离子流力增,轴向电磁力 由原来的阻碍过渡变为促 进过渡这时熔滴长大将受 到限制,在熔滴和焊丝之间 形成缩颈,此处在高电流密 度下,产生大量金属蒸气 ,细颈表面具备产生阳极斑点的有利条件,此 时,按最小电压原理,如果 :
四 熔滴过渡的飞溅与蒸发 1飞溅 飞溅问题主要针对短路过渡和颗粒过渡，射流过渡飞溅很小。 2产生飞溅的原因 1）由冶金反应在液体金属内产生气体，在高温的作用下气体要膨 胀，而液体金属又限制其膨胀，则发生爆炸，产生飞溅。 2）规范选择不合适，发生熔滴严重长大或固体焊丝插入熔池产生 大的爆断。 3）电源动特性调节不当，大电流峰值过大，引起飞溅。 4）斑点压力过大，产生大块排斥过渡。 5）气体介质，CO 2 、A r。 五 熔滴过渡的控制 （一）脉冲电流控制法 1 特点 1）电弧连续稳定燃烧，基值电流维弧，峰值电流过渡，小平均电 流下实现喷射过渡。 2）避免了喷射过渡的缺点，同一台设备可焊厚板、薄板，可进行 全位置焊接。
二 作用力分析 1 有助于过渡的力 等离子流力 2 工艺条件不同，力的作用不同。 斑点压力：除MIG焊射流过渡情况外，总是阻碍熔滴过渡。 重力：平焊时，促进过渡，立焊、仰焊时阻碍过渡。 表面张力：长弧焊时，表面张力总是阻碍熔滴过渡。当熔滴与熔 池金属短路并形成液体过桥时，由于熔池界面很大，这时表面张力 有助于把液体金属拉近熔池。 电磁力： dG﹥ dD促进过渡，dG＜ dD阻碍过渡。 三 熔滴过渡形式及其特点 （一）分类： 1 自由过渡：颗粒过渡 、喷射过渡。 2 接触过渡：短路过渡、搭桥过渡。 3 渣壁过渡 （二）短路过渡
2）亚射流过渡 这种过渡形式的特点是,弧长较短，在电弧热作用下形成熔滴并 长大，形成缩颈并在即将以射滴形式脱离焊丝端部之际与熔池短路， 在电磁收缩力的作用下细颈破断，并重燃电弧完成过渡。 3）渣壁过渡 渣壁过渡是指在涂料焊条手弧焊和埋弧焊等借助涂料和焊剂进 行保护时的熔滴过渡情况之一。过渡示意图如2—34。
3 短路过程的稳定性 为保证短路过渡过程稳定进行，不但要求电源有合适的静特性， 而且要求有合适的动特性，主要包括以下三个方面。 ① 对不同的焊丝直径和规范，要保证合适的短路电流上升速度， 保证短路小桥柔顺断开，以减小飞溅。 ② 要有合适的短路电流峰值Im ，一般Im=（2～ 3）Ia。 ③ 短路结束后，要求空载电压恢复速度要快，保证及时引燃， 避免熄弧。 稳定性评价：通常用短路频率f作为评价稳定性的重要标志，f 越高，熔滴越小，过程越稳定，成型也越好。 4 影响短路过渡的稳定性因素 1）电弧电压及电流 弧压过高时，熔滴长得很大，会产生大颗粒飞溅，f显著降低。 弧压过小时，可能熔滴未脱离焊丝时，焊丝未熔化部分就插入熔池， 造成焊丝固体短路，产生大的爆断，甚至出现断弧，使焊接过程无 法顺利进行。
显然：dG﹥ dD促进过渡
dG＜ dD阻碍过渡
一般dG大小与气体介质，焊接电流有关。 如Ar与CO2相比，Ar弧弧根大，电流增大， dG增大 （四） 等离子流力 由于电弧截面不等，电磁力不一样造成压力差，使电弧产生轴 向推力，造成从焊丝端部向工件的气体流动，形成等离子流力。 电流较大时，等离子流力对熔滴产生很大的推力，使之沿焊丝 轴向方向运动。这种推力的大小与焊丝直径和电流大小密切相关。 （五） 其他力 1）斑点压力 电极上形成斑点时，此处是产热集中的地方。这样斑点处将承 受电子(反接时)或正离子(正接时)的撞击力，通常情况下斑点压力 阻碍熔滴过渡(斑点面积小于熔滴直径时)；MIG焊喷射过渡的情况 下,而斑点面积很大且布满整个熔滴时，斑点压力常常促进熔滴过渡。 2）爆破力 当熔滴内部含有易挥发金属或由于冶金反应而生成气体时，都 会在电弧高温作用下气体积聚膨胀而造成较大的内力，从而使熔滴 爆炸而过渡。短路过渡焊接时，由于电流密度较大,使缩颈处熔断爆 破形成熔滴过渡,同时有飞溅产生。
（三）机构控制法 1 脉冲送丝控制法 这种方法是通过特殊的送丝机构，使送丝速度能周期性变化， 以实现对熔滴过渡进行控制，它利用脉冲送丝的惯性来强制过渡的， 如图2—46。
2 机械振动控制法 这种方法是焊接电源参数和送丝速度都保持不变，只是机头以 一定频率振动，使电弧弧长也按振动频率由零变化到某一长度，然 后由某一长度变为零，从而控制熔池和焊丝的熔化量。 这种方法主要用于磨损零件的修复堆焊。如汽车、拖拉机上的 轴等，一般用水或CO2作保护气。
焊接电流，即送丝速度，过快固体插入熔池，过小熔滴长大厉 害，飞溅大。如图2—32所示。
2）电感 L L增大，最高短路频率下降。L过大，短路小桥的缩颈难以形成， 小桥不易断开，甚至造成焊丝固体短路，使焊接过程无法进行；L 过小短路电流上升速度及Im过大，引起大量飞溅过程不稳定。 （三）滴状过渡 1 特点 ①小电流，高弧压，弧长较长，熔滴容易长大，而且电流较小，弧 根小于熔滴直径，斑点压力阻碍过渡，熔滴长大，电磁力不易形成 缩颈， Fg ﹥ F σ ，熔滴脱离焊丝，造成大颗粒过渡。 ② 电弧连续燃烧，大滴状过渡，甚至形成大滴状排斥过渡。 2应用情况 无论CO2 、Ar熔弧焊正接时，由于斑点压力较大，都有明显大 颗粒排斥过渡现象，焊接过程不稳定，焊缝成型粗糙，故很少用。 CO2 电弧焊时，加大电流，斑点面积增大，电磁力增加，形成 细颗粒过渡，频率也增大，飞溅小，成型较好，生产中广泛应用。
习题：
1.熔化极焊极时，有几种过渡形式 CO2和Ar弧焊各采用什么过渡形
式，其特点如何？ 2. CO2焊，熔化极氩弧焊时，各采用什么极性？为什么？ 3.短路过渡的过程如何？其稳定性的影响因素有哪些? 4.为什么有时Ar 要加5%的O2 ，有什么好处？
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若焊丝半径为R，这时焊丝与熔滴间的表面张力为： F σ =2πRσ 式中： σ为表面张力系数。 1） σ与材料成分有关。 2）温度有关，温度升高， σ减小。 3）当熔滴表面有表面活性物质时， σ降低。 （二）重力 当焊丝直径较大而焊接电流较小时，在平焊位置的情况下使熔 滴脱离焊丝的力主要是重力，大小为： Fg=mg=4/3（πr3ρg） 如果Fg ﹥ F σ ，熔滴脱离焊丝。假如熔滴为球形且拉断熔滴后 在焊丝上不保留液体金属，那么： 2πRσ=4/3（πr3ρg） 则