电弧物理 课件 第四章 焊丝的熔化和熔滴的过渡

4.1 焊丝的加热与熔化
4.1.1焊丝的熔化热源 熔化极电弧焊时，焊丝具有两方面的作用， 即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。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)所产生的热量及焊丝自身的电阻 热，弧柱的辐射热则是次要的。 非熔化极电弧焊（如钨极氩弧焊或等离子弧 焊）填充焊丝时，主要靠弧柱热来熔化焊丝。
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根据第二章中的可知，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： PK＝I（UK－UW－UT） （4-1） PA＝I（UA＋UW＋UT） （4-2） 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-UW） （4-3） PA＝ IUW （4-4） 这是熔化极电弧焊熔化焊丝的主要热源。
1．焊接电流的影响
由式（4-7）可知，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。
图4-2 铝焊丝熔化速度与电流的关系
图4-3 不锈钢焊丝熔化速度与电流的关系
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，见图4-4。
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。因此．一般情 况下Fδ是阻碍熔滴过渡的力。但在仰焊或其它位 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。
右图把熔滴过渡简化为一个在水管口水滴缓 慢长大，这时只受重力Fg和表面张力Fγ作用。
左图是焊丝端部熔滴模型，黑色区为熔滴电弧根部区 ，为电流流过区域，假定电流密度为均匀分布，有电 磁力计算公式：
0 I 2 r sin 1 1 2 2 Fem [ln( d ) ln( )] 2 4 re 4 1 cos (1 cos ) 1 cos
μ0为真空导磁率，rd为熔滴半径，re为焊 丝半径，θ为电弧根部的弧度，I为电流 。
BC段的这种熔化特性在电弧焊中具有重要意 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4-4b)，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。
电弧物理
主讲教师：黄健康
第四章 焊丝的熔化和熔滴 的过渡
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。
5．焊丝材料的影响 焊丝材料不同，电阻率也不同，所产生的电阻 热不同，因而对熔化速度的影响也不同。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。 材料不同还会引起焊丝熔化系数的不同。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， 因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。
图4-1 焊丝伸出长度的电阻热示意图
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。 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） （4-7） 式中，Um是电弧热的等效电压，焊丝为阳极时， Um＝UW；焊丝为阴极时，Um＝UK－UW。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。
3．焊丝直径的影响
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 4-2。
图4-2 铝焊丝熔化速度与电流的关系
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4-3。
图4-3 不锈钢焊丝熔化速度与电流的关系
4.2 熔滴上的作用力
4.2 熔滴上的作用力
4.2.1 重力
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,见图4-7a。重力为 Fg＝mg=4πr 3ρg/3 (4-8) 式中，ρ是熔滴密度，r是熔滴半径，g是重力加 速度。
6．气体介质及焊丝极性的影响
气体介质不同，对阴极压降和电弧产热有直接 影响（对阳极产热影响不大）。由式（4-3）可 知，阴极产热与阴极压降有关，所以焊丝为阴极 时，气体介质的成分将直接影响焊丝熔化速度。
PK＝I（UK一UW）
（4-3）
图4-5 Ar与CO2混合比对 焊丝熔化速度的影响
图4-6 铝焊丝氩弧焊 不同极性时的焊丝熔化速度
爆破力
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。
4.2.5 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，见图4-9。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。
当重力大于表面张力时，水滴从管口脱落。 在焊接过程，当电流很小时，就会出现这样的 现象，称做重力过渡。
对于金属熔滴，即使相同直径，存在表明表 面张力及密度较大差别 ，脱落的熔滴形状也 不同，ρ/γ值越大金属 越容易小颗粒过渡， 如右图
对于当水滴保持在管口时，水滴的底部已接触水面(类似焊接过程中的短路过 渡)， 当水滴较小时就接触水面见上图a，这时处于平衡状态，随着水滴的长大 ，先形成缩劲，产生缩进的原因是液柱的长度大于其直径，液柱两边表面张力 对液柱产生拘束作用，见上图b。
Fd Cd Ad p
1 2
2 p
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。在一定条件 下，斑点压力将阻碍金属熔滴的过渡。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。
4.等离子体流力 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，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。
4.1.2影响焊丝熔化速度的因素
焊丝熔化速度vm通常以单位时间内焊丝的熔 化长度(m／h或m／min)或熔化质量(kg／h)表示； 熔化系数或称比熔化速度αm,则是指每安培焊接 电流在单位时间内所熔化的焊丝质量(g／A·h)。 焊丝的熔化速度主要取决于式(4-7)所表示的单位 时间内用于加热和熔化焊丝的总能量Pm。
4.2.3 电弧力
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。 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。
在熔滴端部与弧柱间导电的 弧根面积的大小将决定该处 电磁力的方向，如果弧根直 径小于熔滴直径，此处电磁 力合力向上，阻碍熔滴过渡； 反之，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。
图4-7 熔滴受重力和表面张力示意图
4.2.2 表面张力 表面张力Fδ作用于焊丝末端、与熔滴相交 并且相切的圆周面上，是焊丝端头上保持熔滴的 主要作用力，如图2-7a所示。焊丝与熔滴之间的 表面张力Fδ如图2-7b所示，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。
4.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，这也是焊丝加热熔化的一 部分热源(图4-1)。焊丝伸出长度的电阻为 Rs＝ ρ Ls/S (4-5) 则电阻热为 PR＝ I 2Rs (4-6) 图4-1 焊丝伸出长度的电阻热示意图 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 积。
图4-9 焊条药皮套筒示意
上述诸力，除重力和表面张力之外，电弧力、 爆破力等的存在与方向都与电弧形态有关。而对 于熔滴过渡的作用则随工艺条件、焊接位臵以及 熔滴状态等的变化而异。例如，长弧焊时，表面 张力总是阻碍熔滴从焊丝末端脱离，而成为反过 渡力。但短弧焊时．当熔滴与熔池金属短路并形 成液态金属过桥时(图2-10)，由于与熔池接触界 面很大，使向下的表面张力远大于焊丝端向上的 表面张力，结果使液桥被拉进熔池而有利于熔滴 过渡。电磁力也有相同的情况。当熔滴短路时， 电流呈发散形(图2-11)，此时电磁力的轴向分力 则有助于熔滴过渡。
如果焊丝半径为R，熔滴半径为r，则焊丝与熔 滴之间的表面张力Fδ为： Fδ=2πRσ (2-9) 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。
表4-1 纯金属的表面张力系数
金属
Mg
Zn 770
Al
Cu
Fe
Ti
Mo
W
σ×103(N· - 650 m 1)
900 1150 1220 1510 2250 2680
图4-8 作用在熔滴上的电磁力
熔滴过渡除了重力和表面张力的作用，电磁力对熔滴过渡有很大的影响。
Fem J B
电磁力对熔滴过渡不同阶段和类型有促进和阻碍之分，短路过渡时电磁力促进 过渡，见上图a。在电弧较长，熔滴未与熔池接触，如上图b所示，熔滴中流过 的电流出现下方扩展型分布，电磁力指向内侧，且向下，这时促进熔滴过渡。 然而对于CO2及He气电弧，由于电位梯度较大，多数情况下电弧收缩并集中熔 滴底部窄小区域，如上图c，这时电磁力作用向上，阻碍熔滴过渡。
图4-4 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（Φ4.4ｍｍ）
图4-4a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），每一条曲线都代表一个送丝速度，其上 的每一点都满足送丝速度与熔化速度相等。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)。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。