第二章焊丝的熔化和熔滴的过渡

图2-3 不锈钢焊丝熔化速度与电流的关系
第二章 焊丝的熔化和熔滴过渡
• 2．电弧电压的影响 •
等速送丝熔化极气体保炉焊时，焊丝熔化速度 与电弧电压和电流的关系.
图2-4 熔化极气体保护焊时电弧的固有调节作用 a) 铝焊丝（Φ1.6ｍｍ b) 钢焊（Φ2.4ｍｍ）
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图2-4a中的曲线是在稳定的焊接条件下的铝焊丝的 电弧自身调节系统静特性曲线（即等熔化曲线 ): • a)当电弧较长时(电弧电压较高)，曲线垂直于横轴， 即电弧电压对焊丝熔化速度影响很小。此时送丝速度 与熔化速度平衡，熔化速度主要决定于电流的大小(AB 段)。 • b)当电弧弧长为8mm到2mm区间(BC段)时，曲线向左 倾斜，这说明随着电弧电压降低(弧长缩短)，熔化一 定数量焊丝所要的电流减小，亦即等量的焊接电流所 熔化的焊丝增加。也就是说，电弧较短时熔化系数增 加了。之所以如此，是因为弧长缩短时，电弧热量向 周围空间散失减少，提高了电弧的热效率，使焊丝的 熔化系数增加所致。
图2-2 铝焊丝熔化速度与电流的关系
图2-3 不锈钢焊丝熔化速度与电流的关系
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6．气体介质及焊丝极性的影响 • 焊丝接阳极时： Vm =KIUw与气体介质无关 • 焊丝接阴极时： Vm =KI(Uk-Uw）Uk与气体介质有关，
因此气体介质影响熔化速度，例如在Ar中加CO2可使Vm增大 • 冷阴极电弧，Uk>>Uw,Pk>>PA,正接时的熔化速度大于反接。
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2.1 焊丝的加热与熔化
2.1.1焊丝的熔化热源 • 熔化极电弧焊时，焊丝具有两方面的作用: • 一方面作为电弧的一极导电并传输能量； • 另一方面作为填充材料向熔池提供熔化金属并和 熔化的母材一起冷却结晶而形成焊缝。 • a)焊丝的加热熔化主要靠单位时间内阴极区(直流 正接时)或阳极区(直流反接时)所产生的电弧热及 焊丝自身的电阻热，弧柱的辐射热则是次要的。 • b)非熔化极电弧焊（如钨极氩弧焊或等离子弧焊） 填充焊丝时，主要靠弧柱的辐射热来熔化焊丝。
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义。例如，电流及送丝速度不变时，在弧长较短 的范围内，当弧长因受外界干扰发生变化时，使 弧长缩短或增长，则因此时的熔化系数要增大或 减小，导致熔化速度增大或减小，使弧长得以恢 复。这种弧长受外界干扰发生变化时电弧本身具 有自动恢复到原来弧长的能力，称为“电弧的固 有调节作用(Intrinsic Self Regulation Characters)”。铝焊丝电弧的固有调节作用很强， 钢焊丝则较弱(见图2-4b)，故铝焊丝采用这段弧 长(亚射流过渡)进行焊接时,可以使用恒流电源实 行等速送丝熔化极气体保护焊。
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2.3.1 短路过渡
短路过渡(Short Circuiting Transfer) • 主要用于:φ1.6mm以下的细丝CO2气 体保护焊或使用碱性焊条，采用低 电压、小电流焊接工艺的焊条电弧 焊。 • 定义：由于电压低，电弧较短，熔 滴尚未长成大滴时即与熔池接触而 形成短路液桥，在向熔池方向的表 面张力及电磁收缩力的作用下,熔滴 金属过渡到熔池中去这样的过渡形 式称为短路过渡。 • 应用：这种过渡电弧稳定，飞溅较 小，熔滴过渡频率高（每秒可达几 十次至一百多次），焊缝成型良好。 广泛用于薄板结构及全位臵焊接。
• 式中，σ是表面张力系数，其数值与材料、温度、气
体介质等因素有关。减小焊丝直径，氧化性气氛，提高熔 滴温度，减小表面张力。
表2-1 纯金属的表面张力系数
金属
Mg
Zn 770
Al
Cu
Fe
Ti
Mo
W
σ×103(N· m- 650 1)
900 1150 1220 1510 2250 2680
只有重力和其它作用力的合力超过Fδ时， 熔滴才能脱离焊丝过渡到熔池中去: a)一般情况下Fδ是阻碍熔滴过渡的力。 b)仰焊或其它位臵（立焊、横焊）焊接时， 却有利于熔滴过渡。因为一是熔滴与熔池 接触时，表面张力有将熔滴拉入熔池的作 用；二是使熔池或熔滴不易流淌。
图2-3 不锈钢焊丝熔化速度与电流的关系
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5．焊丝材料的影响
• 对熔化速度的影响:不锈钢电阻率较 大，会加快焊丝的熔化速度，尤其是伸 出长度较长时影响更为明显。 • 对焊丝熔化系数的影响： • 铝合金因电阻率小，焊丝熔化速度与 电流成线性关系。但是焊丝越细，熔化 速度与电流关系曲线斜率越大，说明熔 化系数随焊丝直径变小而增大，与电流 无关 。 • 不锈钢电阻率较大，产生的电阻热较 大，Байду номын сангаас而焊丝熔化速度与电流不成线性 关系，随着电流增大，曲线斜率增大， 说明熔化系数随电流增加而增大，并且 随焊丝伸出长度增加而增加。
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熔化极电弧焊时，综合电弧热和电阻热， 用于加热和熔化焊丝的总能量Pm可表示 Pm＝I（Um十IRs） （2-7） Um是电弧热的等效电压， a)一般Ls=10～30mm。对于导电性能良好的铝和铜 等金属焊丝，PR与PK或PA相比是很小的，可忽略不 计。对于不锈钢、钢和钛等材料，电阻率较高， 特别在细丝大电流时，焊丝伸出长度越大，PR越 大，这时PR与PK或PA相比才有重要的作用 b)焊丝为阳极时，Um＝UW；焊丝为阴极时，Um＝ U K－ U W。 这就是单位时间内由电弧热和电阻热提供的用于 加热和熔化焊丝的主要能量。
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2.2.5 电弧气体吹力 • 焊条电弧焊时，焊条药皮的熔化滞 后于焊芯的熔化，在焊条的端头形 成套筒。药皮中造气剂分解产生的 CO、CO2、H2及O2等在高温作用下急 剧膨胀，从套筒中冲出，推动熔滴 冲向熔池。 • 无论何种位臵焊接，这种力都有 利于熔滴过渡。
图2-9 焊条药皮套筒示意
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粗滴过渡 滴状过渡 排斥过渡 细滴过渡 射滴过渡 (1)自由过渡喷射过渡射流过渡 旋转射流过渡 爆炸过渡
短路过渡 (2)接触过渡 搭桥过渡 沿渣壳过渡 (3)渣壁过渡 套筒过渡
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2.2.3 电弧力
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电弧中的电磁收缩力、等离子流力、斑点 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； 电流较大时，电弧力对熔滴过渡起主要作用。
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1.电磁收缩力 作用在熔滴上的电 磁力通常可分解为径向 和轴向两个分力。
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2.1.2影响焊丝熔化速度的因素
• 熔化速度Vm：单位时间内焊丝的熔化量。 • 单位：g/s cm/s • 熔化系数m：单位时间内，由单位电流所熔化的 焊丝量（长度，重量） • 单位：g/A.S Cm/A.S • m= Vm /I • 焊丝的熔化速度主要取决于式(2-7)所表示的单 位时间内用于加热和熔化焊丝的总能量Pm。
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2．电阻热
从焊丝与导电嘴的接触点 到电弧端头的一段焊丝上(即焊 丝的伸出长度，用Ls表示)有焊 接电流流过时，将产生电阻热。 焊丝伸出长度的电阻为 • Rs＝ρLs/S (2-5) • 则电阻热为 • PR＝ I2Rs (2-6) • 式中， Rs是焊丝Ls段的电阻值， ρ是焊丝的电阻率，Ls是焊丝 的伸出长度，S是焊丝的横截面 图2-1 焊丝伸出长度的电阻热示意图 积。
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3.斑点压力
斑点压力包括: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以及弧根面积很小时 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渡。 • b)通常阳极受到的斑点压力比阴极受到的斑点压力要 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。
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2.2.4爆破力
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若熔滴内部含有易挥 发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，从而使 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，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。
图2-5 Ar与CO2混合比对 焊丝熔化速度的影响
图2-6 铝焊丝氩弧焊 不同极性时的焊丝熔化速度
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2.2 熔滴上的作用力
2.2.1 重力
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重力Fg对熔滴的影响取决于焊 缝的空间位臵。平焊时，重力是促 使熔滴脱离焊丝末端的作用力；立 焊和仰焊时，重力则为阻碍熔滴从 焊丝末端脱离的作用力。重力为 • Fg＝mg=4πr3ρg/3 (2-8) • 式中，ρ是熔滴密度，r是熔滴 半径，g是重力加速度。
第二章 焊丝的熔化和熔滴过渡
第二章 焊丝的熔化和熔滴 的过渡
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电弧焊时，焊丝（或焊条）的末端在电弧的高 温作用下加热熔化，熔化的液体金属达到一定程度 便以一定的方式脱离焊丝末端，过渡到熔池中去。 这个过程称为熔滴过渡。焊接过程中，焊丝的加热、 熔化及熔滴过渡会直接影响到焊缝质量和焊接生产 率。本章将讲述焊丝的加热与熔化、熔滴上的作用 力、熔滴过渡的主要形式以及熔滴过渡过程中产生 的飞溅。
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• 1.电弧热 • 单位时间内阴极区和阳极区的产热量如果分别用电功率PK 和PA表示，计算公式如下： P K＝ I（ • UK－UW－UT） （2-1） • PA＝I（UA＋UW＋UT） （2-2） • 在通常电弧焊的情况下，弧柱的平均温度为6000K左右， UT<1V；当焊接电流密度较大时，UA近似为零，故上两式 可简化为： • PK＝I（UK一UW） （2-3） • PA＝ IUW （2-4） • 这是熔化极电弧焊熔化焊丝的主要热源。 • 规律：电流一定时，阴极区和阳极区的产热取决于UK和UW。 • 熔化极气体保护焊，为冷阴极电弧，UK>>UW,PK>PA
• 在熔滴端部与弧柱间： • 弧根直径小于熔滴直径，此 处电磁力合力向上，阻碍熔 滴过渡； • 若弧根面积笼罩整个熔滴， 此处电磁力合力向下，促进 熔滴过渡。
熔滴中的 电磁收缩 力
图2-8 作用在熔滴上的电磁力
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2.等离子体流力
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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，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，产生 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，等离子流力会显著地影 响熔滴过渡特性。
Fmg
重力
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2.2.2 表面张力
Fδ=2πRσ (2-9)
焊丝半径为R， 熔滴半径为r σ是表面张力系数
• Fδ可以分解为径向分力Fδr以及轴向分力Fδα， • 径向分力使熔滴在焊丝末端产生缩颈， • 轴向分力则使熔滴保持在焊丝末端．阻碍熔滴过渡。
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c)BC段的这种熔化特性在电弧焊中具有重要意
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• 3．焊丝直径的影响
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电流一定时，焊丝直径越细电阻热越大，同时 电流密度也越大．从而使焊丝熔化速度增大，见 图2-2。
图2-2 铝焊丝熔化速度与电流的关系
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• 4．焊丝伸出长度的影响 • 其它条件一定时，焊丝伸出长度越长，电阻热 越大，通过焊丝传导的热损失减少，所以焊丝熔 化速度越快，见图2-3。
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2.3 熔滴过渡主要形式及其特点
• 熔滴过渡通常可分为三种基本类型: • 自由过渡(Free Flight):是指熔滴脱离焊 丝末端前不与熔池接触，它经电弧空间自 由飞行进入熔池的一种过渡形式 • 接触过渡(Contacting Transfer):通过焊 丝末端的熔滴与熔池表面接触成桥而过渡 的 • 渣壁过渡(Slag Guiding Transfer) :渣 保护时的一种过渡形式，埋弧焊时在一定 条件下熔滴沿熔渣的空腔壁形成过渡。
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1．焊接电流的影响
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电弧热与电流成正比，电阻热与电流平方成正比。 电流增大，熔化焊丝的电阻热和电弧热增加，焊 丝熔化速度加快。
铝焊丝，可近似为： Pm＝IUm 焊丝直径越小，焊丝的熔化系 数越大，斜率越大。
图2-2 铝焊丝熔化速度与电流的关系
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