第二章 焊丝的熔化和熔滴的过渡
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(二)减少飞溅的措施
1、控制电弧气氛:尽量↓保护气的活性气体量CO2、、O2
2、控制母材及焊丝中的含C量
3、控制焊接规范
(1) Ih:
Ih较小时,熔滴呈短路过渡;
Ih↑熔滴呈短路过渡+颗粒状过渡，飞溅率ψ↑;
Ih↑Ik时喷射过渡，飞溅率ψ↓.
(2)电弧电压(Lc).Lc↑-过渡系数不稳定,ψ↑
(3)焊丝直径:d↑飞溅↑;
焊接电源参数和送丝速度都保持不变,只是机头(包括送丝机构)以一定的频率振动,使电弧长度也按振动频率由零(短路)变化到某一长度,然后由某一长度到零,控制熔池和焊丝的熔化量.
用途:主要用于磨损零件的修复堆焊如拖拉机、汽车上的轴杆等.
第二章焊丝的熔化和熔滴的过渡
在各种熔化极自动焊和半自动电弧焊中，焊丝的熔化和稳定过渡将影响着电弧焊的生产率和焊接质量。
本章讨论：
1、焊丝熔化特征和控制熔化速度的途径；
2、熔滴过渡的基本形式及产生条件；
3、熔滴过渡的飞溅形成及影响因素；
4、熔滴过渡的控制方式。
第一节焊丝金属的熔化
一、焊丝的加热和熔化的热量
适用:薄板或需低热输入的条件下及全位置焊接.
1、短路过渡的形成过程
图1-36短路过渡成过程与电压、电流波形
2、短路过渡的频率每秒钟熔滴过渡的次数
短路过渡的频率↑――焊丝末端形成的熔滴尺寸越小――过渡一滴
时的干扰就少――短路过渡就越稳定。
3、短路过渡对电源特性的要求
（1）适当的电流上升速度di/dt，使短路小桥柔顺而平稳断开。
二、焊丝的熔化速度、熔化系数及影响因素
１、熔化速度及熔化系数
（1）熔化速度：单位时间内熔化焊丝的重量（Kg/h）或长度（m/h）
（2）熔化系数：单位时间内通过单位电流时熔化金属的重量(g/A.h)
２、熔化系数的影响因素
（1）焊接电流和电弧电压（电弧长度）的影响
焊接电流↑→熔化速度↑
P24图1-26熔化极气体保护焊时电弧的固有调节作用
正接时混合气体对am的影响大于反接。
原因：气体混合比变化时将引起Uk的变化，如熔化极气体保护焊时，Ar2+CO2混合比不同对焊丝的熔化速度影响（见上图）。
（3）焊丝（芯）的材料
a、铝丝直流反接时，Um＞＞IRs,IRs忽略不计，则：Vm与I成直线关系，am为定值;
b、不锈钢焊丝直流反接P较大，IRs不能忽略，则Vm与I不成直线关系，am不为定值。
AB段电弧较长时，熔化速度不取决于电弧电压而取决于焊接电流，Ih↑--Vm↑
BC段短弧时，在一定时间内熔化一定数量的焊丝所需电流↓；即等量电流熔化的焊丝量增加。
原因：电弧较短时，电弧向周围空间散失的热量减少，提高了电弧的热效率，使电弧的熔化系数增加。
（2）电流的极性和电弧气氛影响：
由于Pa=IUw,Pk=I(Uk-Uw)正接的熔化速度熔化速度大于反接
2、射流过渡的分类
（1）射滴过渡：滴状过渡与连续射流过渡之间的一种过渡形式
适用范围：钢焊丝脉冲焊和铝合金焊丝熔化极气体保护焊
（2）亚射流过渡：短路过渡和射滴过渡之间的一种过渡形式。
适用范围：铝、镁及其合金焊丝熔化极气体保护焊
（3）射流过渡纯氩或富氩的保护气体，直流反极性，高弧压，焊接电流达到某一临界值
焊丝的作用：作为电弧一个极;作为填充金属向熔池提供熔化金属。
1、主要是阴极区（正接）或阳极区（反接）所产生的热量
（弧柱的辐射热是次要的）
PA=I(UA+Uw+UT)；Pk=I(Uk-Uw- UT)
电弧焊时，T弧柱平均＝6000K，UT＜1；又当j很大时，UA≈0
则PA=I Uw；Pk=I(Uk-Uw)----（PA、Pk取决于Uk、Uw）
σ-表面张力系数（10－3N/m）
熔滴上有少量表面活化物质，表面张力系数σ↓；液体钢中最大的表面活性物质是氧和硫（O、S）,因此，金属的脱氧程度、渣的成份将会影响过渡特性。
说明：ⅠT熔滴↑→σ↓，d熔滴↓--改善熔滴的过渡特性
Ⅱ熔滴上表面活性物质可d熔滴↓――↓σ；
Ⅲ熔滴太大或太小时,表面张力依为保持力
（3）混合气体
Ar+(<5%)O2O2使熔滴的表面张力↓――过渡阻力↓
――临界电流↓
Ar+(>5%)O2或Ar+CO2O2CO2的解离吸热作用使弧柱的电场强度↑－电弧收缩且不易扩展――难以实现跳弧――临界电流↑
(三)短路过渡
特点:小功率电功,小电流,低电弧电压,电弧稳定，飞溅小，焊缝的成形焊缝成型美观。
(三)焊丝的伸出长度
L↑-电阻热↑-预热↑-熔滴尺寸↑-过渡频率↓
射流过渡-滴状过渡
(四)电流的类型及极性
正接: d熔滴↑f↓飞溅↑-易形滴状过渡
反接: d熔滴↑f↑飞溅↓-易形喷射过渡
主要原因:正接时斑点压力较大.
四、熔滴过渡的飞溅:滴状过渡＞短路过渡＞射流过渡
(一)飞溅的形成及产生的机理
1、伴随气泡放出而引起的飞溅:小滴状飞溅.
※对于熔化极（细丝）焊或使用含有CaF2焊剂及焊条焊接时Pk＞＞Pa.
原因：CaF2产生负离子，使Uk↑，Uk＞＞Uw→Pk＞＞PA
因此直流正接时，焊丝熔化速度快，生产率高，但反接工艺易控制。（F＋e→F-)使阴极区的Uk↑）
2、其次是焊丝外伸部分电阻热PR=I2Rs;
3、焊丝熔化的总热量：Pm=PA(k)+ I2Rs=I(Um+IR) Um—电弧热的等效电压
（2）提供电流大小为焊接电流2～3倍的短路电流峰值Imax――保证
引燃点弧和促进熔滴液桥平稳断开并过渡
Imax过大，会引起激烈爆断，造成飞溅。ຫໍສະໝຸດ Baidu
Imax过小，不利于电弧引燃。
（3）短路液桥断开过渡后，电源空载电压恢复要快，便于电弧及时
复燃。
三、熔滴过渡的影响因素
(一)电极材料的影响P、λ
不锈钢:P大-电阻热大,焊丝端头的温度梯度大但λ小,导热困难,过渡困难.
有利于熔滴过渡.
过渡形式以喷射和射流过流时,等离子流力起重要作用
P27图1-29作用在熔滴上的电磁力
(四)斑点压力
正离子和电子对熔滴的撞击力；电极材料蒸发时产生的反作用
力；弧根面积很小时产生的指向熔滴的电磁收缩力
二、熔滴过渡的主要形式及特点
（一）熔滴过渡的分类及其形状（P28表1-4）
自由过渡：熔滴脱离焊丝末端前不与熔池接触，脱离焊丝后迳电弧
空间自由飞行进入熔池的过渡形式。
接触过渡：通过焊丝末端的熔滴和与熔池表面接触成桥而过渡的。
渣壁过渡：熔滴沿熔渣的空腔壁形成过渡。
（二）射流过渡
特点:熔滴细,过渡频率高,熔滴沿焊丝的轴向熔池运动,并且电弧稳定,飞溅小,熔深大,焊缝成形美观,生产率高-等离子流力较大.
1、射流过渡的形成过程
图1-32射流过渡的形成过程示意图
出现在熔池表面及焊丝端头的熔滴.
2、气体爆炸而引起的飞溅:含C量高,氧化性气氛大时,冶金反应产生大量的CO,造成细滴飞溅.
3、电弧的斑点压力而引起的飞溅(滴状过渡)
手工电弧焊,CO2焊,直流正接时易发生.
4、短路过渡时,由电弧的再引燃而引起的飞溅
CO2焊时,短路期间(2.5-5s),电弧空间逐渐冷却.当电弧引燃时,电流较大.由于电弧热量突然增大,较冷的气体瞬时发生体积膨胀,同时CO2→2CO+O2也使气体膨胀,而引起较大的气动冲击力.
(4)选择合适的电流类型及极性
直流反接飞溅<交流<直流正接
五、熔滴过渡形式的控制
(一)电控制熔滴过程:是通过电参数(电流、电压)的变化来控制熔滴过渡
1、脉冲电流控制
在送丝速度不变的条件下,焊接电流以一定的频率变化来控制焊丝的熔化及熔滴的过渡,可在小电流的条件下,实现喷射过渡控制对母材的热输入及焊缝成形.
P24图1-24铝焊丝熔化速度与电流的关系
图1-25不锈钢焊丝熔化速度与电流的关系
（4）焊丝直径及伸出长度：d↑→am↓；长度↑→am↑；
（5）熔滴过渡形式的影响：颗粒状过渡的熔化系数＞射流过渡
原因：射流过渡时，熔滴很小，容易过热而温度上升较高，单位重量熔滴金属从焊丝带走的热量较多，而颗粒过渡时，熔滴过热较小，带走的热量也较小。
脉冲范围不同熔滴过渡不同:
1一个脉冲过渡多滴;
2一个脉冲过渡一滴;
3多个脉冲一个熔滴
2、射流-短路过渡的交替控制
通过电源电压与送丝速度的低频同步变化来获得喷射过渡和短路过渡的交替.
（二）机械控制熔滴过渡
1、脉冲送丝控制方法
通过特殊的送丝机构提供周期性变化的送丝机构.
2、机械振动控制方法幅度0.3～3㎜
铝:P小电阻热小,焊丝端头温度梯度小,易过渡.
(二)电弧气氛(影响较大)
例:CO2焊时,d熔滴可以很大,甚至d熔滴=(7-8)d焊丝，无射流过渡;
Ar+5％CO2Ik最小,Dd＜纯Ar时Dd，易产生射流作用CO2＜25％;
Ar+ O2(少量) Ik也较小,熔滴过渡更稳定,射流过渡O2＜5％原因:Ar中加入少量的氧化性气体能↓钢的表面张力-↓过渡阻力→Ik↓
Dd/dw在某一比值(1.14)为促进过渡..
(三)电磁收缩力和等离子流力
大电流施焊时,短路过渡时,电磁力起重要作用;
电流通过熔滴时,导体的表面是变化的,将产生电磁力的轴向分力，即等离子流力。
其方向是由小截面指向大截面:
1、如斑点尺寸小于焊丝直径（弧根吊在熔滴下边），则轴向力阻碍熔滴过渡;
2、如斑点尺寸大于焊丝直径（弧根包围熔滴）则轴向力
（4）旋转式射流过渡焊丝伸出长度较大，焊接电流比通常射流过渡临界电流高很多时，由于液滴细长，在各种力的作用下失稳而产生旋转，焊缝成型不良。不能用于焊接。
3、射流过渡的临界电流的影响因素
（1）焊丝材料的化学成分
沸点和熔点↓――临界电流↓
（2）焊丝直径及伸出长度
焊丝直径↓――临界电流↓
伸出长度↑――预热作用↑――临界电流↓
第二节熔滴过渡形式及其作用力
熔滴的过渡形式主要取决于其作用力的大小和方向
一、熔滴上的作用力
重力、表面张力、电磁收缩力、斑点压力（等离子流力）等。
（一）重力Fg=mg=4πr3ρg
在大滴过渡时起重要作用.因此,现实生活中,立、横、仰施焊d＜5(尤其是立、仰)焊条端头上保持熔滴的主要作用力
(二)表面张力Fσ=2лRσ
1、控制电弧气氛:尽量↓保护气的活性气体量CO2、、O2
2、控制母材及焊丝中的含C量
3、控制焊接规范
(1) Ih:
Ih较小时,熔滴呈短路过渡;
Ih↑熔滴呈短路过渡+颗粒状过渡，飞溅率ψ↑;
Ih↑Ik时喷射过渡，飞溅率ψ↓.
(2)电弧电压(Lc).Lc↑-过渡系数不稳定,ψ↑
(3)焊丝直径:d↑飞溅↑;
焊接电源参数和送丝速度都保持不变,只是机头(包括送丝机构)以一定的频率振动,使电弧长度也按振动频率由零(短路)变化到某一长度,然后由某一长度到零,控制熔池和焊丝的熔化量.
用途:主要用于磨损零件的修复堆焊如拖拉机、汽车上的轴杆等.
第二章焊丝的熔化和熔滴的过渡
在各种熔化极自动焊和半自动电弧焊中，焊丝的熔化和稳定过渡将影响着电弧焊的生产率和焊接质量。
本章讨论：
1、焊丝熔化特征和控制熔化速度的途径；
2、熔滴过渡的基本形式及产生条件；
3、熔滴过渡的飞溅形成及影响因素；
4、熔滴过渡的控制方式。
第一节焊丝金属的熔化
一、焊丝的加热和熔化的热量
适用:薄板或需低热输入的条件下及全位置焊接.
1、短路过渡的形成过程
图1-36短路过渡成过程与电压、电流波形
2、短路过渡的频率每秒钟熔滴过渡的次数
短路过渡的频率↑――焊丝末端形成的熔滴尺寸越小――过渡一滴
时的干扰就少――短路过渡就越稳定。
3、短路过渡对电源特性的要求
（1）适当的电流上升速度di/dt，使短路小桥柔顺而平稳断开。
二、焊丝的熔化速度、熔化系数及影响因素
１、熔化速度及熔化系数
（1）熔化速度：单位时间内熔化焊丝的重量（Kg/h）或长度（m/h）
（2）熔化系数：单位时间内通过单位电流时熔化金属的重量(g/A.h)
２、熔化系数的影响因素
（1）焊接电流和电弧电压（电弧长度）的影响
焊接电流↑→熔化速度↑
P24图1-26熔化极气体保护焊时电弧的固有调节作用
正接时混合气体对am的影响大于反接。
原因：气体混合比变化时将引起Uk的变化，如熔化极气体保护焊时，Ar2+CO2混合比不同对焊丝的熔化速度影响（见上图）。
（3）焊丝（芯）的材料
a、铝丝直流反接时，Um＞＞IRs,IRs忽略不计，则：Vm与I成直线关系，am为定值;
b、不锈钢焊丝直流反接P较大，IRs不能忽略，则Vm与I不成直线关系，am不为定值。
AB段电弧较长时，熔化速度不取决于电弧电压而取决于焊接电流，Ih↑--Vm↑
BC段短弧时，在一定时间内熔化一定数量的焊丝所需电流↓；即等量电流熔化的焊丝量增加。
原因：电弧较短时，电弧向周围空间散失的热量减少，提高了电弧的热效率，使电弧的熔化系数增加。
（2）电流的极性和电弧气氛影响：
由于Pa=IUw,Pk=I(Uk-Uw)正接的熔化速度熔化速度大于反接
2、射流过渡的分类
（1）射滴过渡：滴状过渡与连续射流过渡之间的一种过渡形式
适用范围：钢焊丝脉冲焊和铝合金焊丝熔化极气体保护焊
（2）亚射流过渡：短路过渡和射滴过渡之间的一种过渡形式。
适用范围：铝、镁及其合金焊丝熔化极气体保护焊
（3）射流过渡纯氩或富氩的保护气体，直流反极性，高弧压，焊接电流达到某一临界值
焊丝的作用：作为电弧一个极;作为填充金属向熔池提供熔化金属。
1、主要是阴极区（正接）或阳极区（反接）所产生的热量
（弧柱的辐射热是次要的）
PA=I(UA+Uw+UT)；Pk=I(Uk-Uw- UT)
电弧焊时，T弧柱平均＝6000K，UT＜1；又当j很大时，UA≈0
则PA=I Uw；Pk=I(Uk-Uw)----（PA、Pk取决于Uk、Uw）
σ-表面张力系数（10－3N/m）
熔滴上有少量表面活化物质，表面张力系数σ↓；液体钢中最大的表面活性物质是氧和硫（O、S）,因此，金属的脱氧程度、渣的成份将会影响过渡特性。
说明：ⅠT熔滴↑→σ↓，d熔滴↓--改善熔滴的过渡特性
Ⅱ熔滴上表面活性物质可d熔滴↓――↓σ；
Ⅲ熔滴太大或太小时,表面张力依为保持力
（3）混合气体
Ar+(<5%)O2O2使熔滴的表面张力↓――过渡阻力↓
――临界电流↓
Ar+(>5%)O2或Ar+CO2O2CO2的解离吸热作用使弧柱的电场强度↑－电弧收缩且不易扩展――难以实现跳弧――临界电流↑
(三)短路过渡
特点:小功率电功,小电流,低电弧电压,电弧稳定，飞溅小，焊缝的成形焊缝成型美观。
(三)焊丝的伸出长度
L↑-电阻热↑-预热↑-熔滴尺寸↑-过渡频率↓
射流过渡-滴状过渡
(四)电流的类型及极性
正接: d熔滴↑f↓飞溅↑-易形滴状过渡
反接: d熔滴↑f↑飞溅↓-易形喷射过渡
主要原因:正接时斑点压力较大.
四、熔滴过渡的飞溅:滴状过渡＞短路过渡＞射流过渡
(一)飞溅的形成及产生的机理
1、伴随气泡放出而引起的飞溅:小滴状飞溅.
※对于熔化极（细丝）焊或使用含有CaF2焊剂及焊条焊接时Pk＞＞Pa.
原因：CaF2产生负离子，使Uk↑，Uk＞＞Uw→Pk＞＞PA
因此直流正接时，焊丝熔化速度快，生产率高，但反接工艺易控制。（F＋e→F-)使阴极区的Uk↑）
2、其次是焊丝外伸部分电阻热PR=I2Rs;
3、焊丝熔化的总热量：Pm=PA(k)+ I2Rs=I(Um+IR) Um—电弧热的等效电压
（2）提供电流大小为焊接电流2～3倍的短路电流峰值Imax――保证
引燃点弧和促进熔滴液桥平稳断开并过渡
Imax过大，会引起激烈爆断，造成飞溅。ຫໍສະໝຸດ Baidu
Imax过小，不利于电弧引燃。
（3）短路液桥断开过渡后，电源空载电压恢复要快，便于电弧及时
复燃。
三、熔滴过渡的影响因素
(一)电极材料的影响P、λ
不锈钢:P大-电阻热大,焊丝端头的温度梯度大但λ小,导热困难,过渡困难.
有利于熔滴过渡.
过渡形式以喷射和射流过流时,等离子流力起重要作用
P27图1-29作用在熔滴上的电磁力
(四)斑点压力
正离子和电子对熔滴的撞击力；电极材料蒸发时产生的反作用
力；弧根面积很小时产生的指向熔滴的电磁收缩力
二、熔滴过渡的主要形式及特点
（一）熔滴过渡的分类及其形状（P28表1-4）
自由过渡：熔滴脱离焊丝末端前不与熔池接触，脱离焊丝后迳电弧
空间自由飞行进入熔池的过渡形式。
接触过渡：通过焊丝末端的熔滴和与熔池表面接触成桥而过渡的。
渣壁过渡：熔滴沿熔渣的空腔壁形成过渡。
（二）射流过渡
特点:熔滴细,过渡频率高,熔滴沿焊丝的轴向熔池运动,并且电弧稳定,飞溅小,熔深大,焊缝成形美观,生产率高-等离子流力较大.
1、射流过渡的形成过程
图1-32射流过渡的形成过程示意图
出现在熔池表面及焊丝端头的熔滴.
2、气体爆炸而引起的飞溅:含C量高,氧化性气氛大时,冶金反应产生大量的CO,造成细滴飞溅.
3、电弧的斑点压力而引起的飞溅(滴状过渡)
手工电弧焊,CO2焊,直流正接时易发生.
4、短路过渡时,由电弧的再引燃而引起的飞溅
CO2焊时,短路期间(2.5-5s),电弧空间逐渐冷却.当电弧引燃时,电流较大.由于电弧热量突然增大,较冷的气体瞬时发生体积膨胀,同时CO2→2CO+O2也使气体膨胀,而引起较大的气动冲击力.
(4)选择合适的电流类型及极性
直流反接飞溅<交流<直流正接
五、熔滴过渡形式的控制
(一)电控制熔滴过程:是通过电参数(电流、电压)的变化来控制熔滴过渡
1、脉冲电流控制
在送丝速度不变的条件下,焊接电流以一定的频率变化来控制焊丝的熔化及熔滴的过渡,可在小电流的条件下,实现喷射过渡控制对母材的热输入及焊缝成形.
P24图1-24铝焊丝熔化速度与电流的关系
图1-25不锈钢焊丝熔化速度与电流的关系
（4）焊丝直径及伸出长度：d↑→am↓；长度↑→am↑；
（5）熔滴过渡形式的影响：颗粒状过渡的熔化系数＞射流过渡
原因：射流过渡时，熔滴很小，容易过热而温度上升较高，单位重量熔滴金属从焊丝带走的热量较多，而颗粒过渡时，熔滴过热较小，带走的热量也较小。
脉冲范围不同熔滴过渡不同:
1一个脉冲过渡多滴;
2一个脉冲过渡一滴;
3多个脉冲一个熔滴
2、射流-短路过渡的交替控制
通过电源电压与送丝速度的低频同步变化来获得喷射过渡和短路过渡的交替.
（二）机械控制熔滴过渡
1、脉冲送丝控制方法
通过特殊的送丝机构提供周期性变化的送丝机构.
2、机械振动控制方法幅度0.3～3㎜
铝:P小电阻热小,焊丝端头温度梯度小,易过渡.
(二)电弧气氛(影响较大)
例:CO2焊时,d熔滴可以很大,甚至d熔滴=(7-8)d焊丝，无射流过渡;
Ar+5％CO2Ik最小,Dd＜纯Ar时Dd，易产生射流作用CO2＜25％;
Ar+ O2(少量) Ik也较小,熔滴过渡更稳定,射流过渡O2＜5％原因:Ar中加入少量的氧化性气体能↓钢的表面张力-↓过渡阻力→Ik↓
Dd/dw在某一比值(1.14)为促进过渡..
(三)电磁收缩力和等离子流力
大电流施焊时,短路过渡时,电磁力起重要作用;
电流通过熔滴时,导体的表面是变化的,将产生电磁力的轴向分力，即等离子流力。
其方向是由小截面指向大截面:
1、如斑点尺寸小于焊丝直径（弧根吊在熔滴下边），则轴向力阻碍熔滴过渡;
2、如斑点尺寸大于焊丝直径（弧根包围熔滴）则轴向力
（4）旋转式射流过渡焊丝伸出长度较大，焊接电流比通常射流过渡临界电流高很多时，由于液滴细长，在各种力的作用下失稳而产生旋转，焊缝成型不良。不能用于焊接。
3、射流过渡的临界电流的影响因素
（1）焊丝材料的化学成分
沸点和熔点↓――临界电流↓
（2）焊丝直径及伸出长度
焊丝直径↓――临界电流↓
伸出长度↑――预热作用↑――临界电流↓
第二节熔滴过渡形式及其作用力
熔滴的过渡形式主要取决于其作用力的大小和方向
一、熔滴上的作用力
重力、表面张力、电磁收缩力、斑点压力（等离子流力）等。
（一）重力Fg=mg=4πr3ρg
在大滴过渡时起重要作用.因此,现实生活中,立、横、仰施焊d＜5(尤其是立、仰)焊条端头上保持熔滴的主要作用力
(二)表面张力Fσ=2лRσ