电弧物理 ppt课件 第四章 焊丝的熔化和熔滴的过渡.ppt

电弧物理,主讲教师：黄健康,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。,第四章 焊丝的熔化和熔滴的过渡,4.1 焊丝的加热与熔化,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。,4.1.1焊丝的熔化热源,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：PKI（UKUWUT）（4-1）PAI（UAUWUT）（4-2）在通常电弧焊的情况下，弧柱的平均温度为6000K左右，UT1V；当焊接电流密度较大时，UA近似为零，故上两式可简化为：PKI（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。,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 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，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。,4.电阻热,图4-1 焊丝伸出长度的电阻热示意图,一般Ls=1030mm。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 PmI（Um十IRs）（4-7）式中，Um是电弧热的等效电压，焊丝为阳极时，UmUW；焊丝为阴极时，UmUKUW。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。,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(mh或mmin)或熔化质量(kgh)表示；熔化系数或称比熔化速度m,则是指每安培焊接电流在单位时间内所熔化的焊丝质量(gAh)。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。,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,1焊接电流的影响,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。,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（1.6 b)钢焊（4.4）,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。,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。,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,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。,5焊丝材料的影响,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。PKI（UK一UW）（4-3）,6气体介质及焊丝极性的影响,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,4.2 熔滴上的作用力,4.2 熔滴上的作用力,重力Fg对熔滴的影响取决于焊缝的空间位置。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 Fgmg=4r 3g/3(4-8)式中，是熔滴密度，r是熔滴半径，g是重力加速度。,4.2.1 重力,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F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F如图2-7b所示，F可以分解为径向分力Fr以及轴向分力F，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。,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F为：F=2R(2-9)式中，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,只有重力和其它作用力的合力超过F时，熔滴才能脱离焊丝过渡到熔池中去。因此一般情况下F是阻碍熔滴过渡的力。但在仰焊或其它位置（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F作用。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，/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。,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4-8 作用在熔滴上的电磁力,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。,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。,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为真空导磁率，rd为熔滴半径，re为焊丝半径，为电弧根部的弧度，I为电流。,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.等离子体流力,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。,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。无论何种位置焊接，这种力都有利于熔滴过渡。,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、焊接位置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。,图4-10 形成液态桥时表面张力的作用1-焊丝 4-液态金属过桥 3-母材,图4-11 形成液态桥时电磁力的作用1-焊丝 4-液态金属桥 3-电流 4-母材,4.3 熔滴过渡主要形式及其特点,根据外观形态，熔滴尺寸以及过渡频率等特征。熔滴过渡通常可分为三种基本类型，即自由过渡(Free Flight)、接触过渡(Contacting Transfer)和渣壁过渡(Slag Guiding Transfer)。自由过渡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。接触过渡是通过焊丝末端的熔滴与熔池表面接触成桥而过渡的。渣壁过渡是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。,4.3.1 短路过渡,图4-12 短路过渡示意图,短路过渡(Short Circuiting Transfer)主要用于1.6mm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。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（见图2-12），这样的过渡形式称为短路过渡。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置焊接。,1.短路过渡过程 正常的短路过渡过程，一般要经历电弧燃烧形成熔滴熔滴长大并与熔池短路熄弧液桥缩颈而断开过渡电弧再引燃等四个阶段。图2-13为短路过渡过程的电弧电压和电流动态波形图。,图2-13为短路过渡过程的电弧电压和电流动态波形图t1-燃弧时间 t4-短路时间 t3-拉断熔滴后的电压恢复时间 T-短路周期 T=t1+t2+t3 Imax-最大电流，也称短路峰值电流 Imin-最小电流 Ia-平均焊接电流 Ua-平均电弧电压,2 短路过渡的特点 l）短路过渡是燃弧、短路交替进行。燃弧时电弧对焊件加热，短路时电弧熄灭，熔池温度降低。因此，调节燃弧时间或熄弧时间即可调节对焊件的热输入，控制母材熔深。2）短路过渡时所使用的焊接电流（平均值）较小，但短路时的峰值电流可达平均电流的几倍，既可避免薄件的焊穿又能保证熔滴顺利过渡，有利于薄板焊接或全位置焊接。3）短路过渡一般采用细丝（或细焊条），焊接电流密度大，焊接速度快，故对焊件热输入低，而且电弧短，加热集中，可减小焊接接头热影响区宽度和焊件变形。,3 短路过渡的稳定性 短路过渡过程实质上可视为“短路燃弧”周期性的交替过程。因此，短路过程的稳定性一方面可以用这种交替过程的柔顺、均匀一致程度以及过程中飞溅大小来衡量，同时还可以用短路过渡频率特性来评定。短路过渡的周期T是由燃弧时间t1和熄弧时间t2所组成。调节燃弧时间和熄弧时间的大小，即可调节过渡周期，亦即调节过渡频率。一般认为，短路过渡频率越高，即每秒钟熔滴过渡次数越多，那么在恒定的送丝速度条件下，焊丝端部形成的熔滴尺寸越小，每过渡一滴时电弧的扰动也就越小，过渡过程就越稳定，飞溅也越小，并可提高生产效率。,燃弧时间取决于电弧电压和焊接电流或焊丝送进速度。增大电弧电压，减小焊接电流或送丝速度，都使熔滴要经过较长时间才能和熔池接触短路，故燃弧时间长，熔滴尺寸较大，短路频率较低，将降低电弧稳定性和增大飞溅。反之，则燃弧时间短，短路频率增加。如果电弧电压过低或送丝速度过快，则会造成熔滴尚未脱离焊丝时焊丝未熔化部分就可能插入熔池，造成固体短路，并产生大段爆断，使飞溅增大，见图2-14。关于短路过渡的飞溅及其特点将在本章2.4节中详细介绍。,图4-14 短路过渡的主要形式a)固态短路时 b)细丝小电流时 c)中等电流小电感时,短路过渡过程,短路时间主要取决于短路时的电流增长速度di/dt。di/dt大，短路时间短；di/dt小，短路时间长。如果di/dt过小，短路时电流不能及时增到相应数值，则熔滴不能及时过渡，熄弧时间就拉长，电弧空间温度下降许多，将造成电弧复燃困难。另外，在等速送丝时，还可能引起固态焊丝直接插入熔池，破坏电弧稳定性，焊缝成形不佳，甚至使焊接过程无法进行。,短路电流上升速度及短路峰值电流，一般是通过串联在焊接回路中的电感来调节。电感大时短路电流上升速度慢，短路时间长，同时短路峰值电流也较小，短路频率下降；反之，短路电流上升速度快，短路时间短，短路峰值电流大，短路频率增加。电感过小时，短路过程不稳定，将造成大量飞溅。电感过大时，则缩颈难以形成，同时因为短路峰值电流过小，短路时间过长，甚至造成固体短路，使焊接过程不能正常进行。在短路过渡过程中，电源电压的恢复速度对稳定性具有重要影响。如果缩颈爆断后电源电压不能及时恢复到再引燃电压，则电弧不能及时再引燃而造成断弧现象，这就破坏了焊接过渡的连续性和稳定性。,综上所述，为了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，而且要求电源有合适的动特性。即：1）对不同直径的焊丝和焊接参数，要有合适的短路电流上升速度，保证缩颈柔顺地断开，达到减少飞溅的目的。2）要有适当的短路峰值电流Imax。一般Imax为平均电流Ia的23倍。3）短路结束之后，空载电压恢复速度快，以便电弧及时再引燃，避免断弧现象。,4 短路过渡的频率特性 短路过渡时每秒钟熔滴过渡的次数称为短路过渡频率，以f表示。若以vf表示焊丝的送进速度，在稳定焊接时vfvm，那么每次熔滴过渡的消耗焊丝的平均长度Ldvf/f。因此，在送丝速度恒定时，f越高则Ld越小，即熔滴的体积越小，短路过程越稳定。,图4-15、图4-16、图4-17分别表示焊接电弧电压(空载电压)、送丝速度(即焊接电流)以及焊接回路直流电感与短路过渡频率关系。,图4-15 短路过渡频率与电弧电压的关系,图4-16 送丝速度与短路过渡频率、短路时间和短路电流峰值的关系,图4-17 回路电感对短路过渡频率的影响,与短路过渡相似的还有一种接触过渡。这种过渡出现在非熔化极填丝电弧焊或气焊中。因焊丝一般不通电，因此不称为短路过渡，而称为搭桥过渡。过渡时，焊丝在电弧热作用下熔化形成熔滴与熔池接触，在表面张力、重力和电弧力作用下，熔滴进入熔池，见图4-18。,图4-18 搭桥过渡示意图,4.3.2 滴状过渡,1 粗滴过渡 电流较小而电弧电压较高时，因弧长较长，熔滴与熔池不发生短路，焊丝末端便形成较大的熔滴。当熔滴 长大到一定程度后，重力克服表面张力使熔滴脱落,见图4-19。,图4-19 粗滴过渡过程示意图,2细滴过渡 电流比较大时，电磁收缩力较大，熔滴表面张力减小，熔滴细化，这些都促使熔滴过渡，使熔滴过渡频率增加。这种过渡形式称为细滴过渡。因飞溅较少，电弧稳定，焊缝成形较好，在生产中被广泛应用。,这种过渡形式在不同气体介质中或材料不同时，其过渡特点也不同。对于CO2气体保护电弧焊及酸性焊条电弧焊，熔滴呈非轴向过渡。而铝合金熔化极氩弧焊或较大电流活性气体保护焊钢件时，熔滴呈轴向过渡（熔滴沿焊丝轴向落入熔池）。因此，前者又称为细颗粒过渡；而后者称为射滴过渡，见图4-20。相比之下，后者比前者飞溅小。,图4-20 细颗粒过渡与射滴过渡a)、b)细颗粒过渡 c)射滴过渡,4.3.3 喷射过渡,氩气或富氩气体保护焊接时在一定工艺条件下，会出现喷射过渡。通常分为射滴、亚射流、射流和旋转射流四种过渡形式。射滴过渡是介于滴状过渡与连续射流过渡之间的一种熔滴过渡形式，亚射流过渡是介于短路与射滴之间的一种过渡形式，旋转射流过渡是在焊丝伸出长度较大，焊接电流比通常射流过渡临界电流高出很多时(称为第二临界电流)出现的一种熔滴过渡形式。射流过渡是喷射过渡中最富有代表性且用途广泛的一种过渡形式。获得射流过渡的条件是采用纯氩或富氩保护气氛，直流反接，除了保持高弧压（长弧)外，还必须使焊接电流大于某一临界值。,图4-21 射流过渡形成机理示意图,短路过渡,喷射过渡,射流过渡,旋转射流过渡,不同的熔滴过渡形式对应着不同的焊接电弧位置和形态，不同电弧形态和位置又决定了熔滴（液流束）不同的受力状态。所以，熔滴（液流束）的受力状态是决定不同熔滴过渡形式的关键因素,产生跳弧现象的最小电流IL，称为射流过渡临界电流。当焊接电流小于临界电流时，电流的增大只是熔滴尺寸略有减小，熔滴过渡频率变化不大。电流一旦达到临界电流，熔滴尺寸减小，过渡频率大大增加。随后再增加电流，熔滴过渡频率变化不大。图4-22为钢焊丝在富Ar气氛中焊接时熔滴过渡频率（体积）与电流的关系。,跳弧现象,定义：所谓跳弧现象是指电弧烁亮区突然由熔滴根部跳到缩颈上部的过程。,1.跳弧前,4.跳弧,3.跳弧后,跳弧过程,跳弧现象机理,跳弧条件：1能量条件2焊丝金属蒸发3电弧的电位梯度,V颈,L4-L1,=X,X-电弧的电位梯度L1-MK距离L4-NK距离V颈-MN间的电压,跳弧后熔滴过渡转变为射流过渡,跳弧是熔滴过渡转变的必由之路，跳弧前后，熔滴受力特点发生了本质变化。,射流过渡的形成,跳弧后：,P电+P等+P气,P表,图4-22 熔滴过渡频率（体积）与电流的关系钢焊丝1.6mm 气体Ar+O2 1%弧长6mm 直流反接,射流过渡临界电流的大小与下列因素有关：,（1）焊丝成分 焊丝成分不同将引起电阻率、熔点及金属蒸发能力的变化。图4-23为各种不同成分焊丝的临界电流。,图4-23不同材质焊丝的临界电流,（2）焊丝直径 即使是同种材料的焊丝，直径不同，其临界电流值也不同。由图4-23和图4-24可见，随焊丝直径的增大，临界电流成比例地增加。这是因为焊丝直径大，则电流密度小，熔化焊丝所需要的热量增加，因而形成射流过渡的临界电流值也随之增大。,（3）焊丝伸出长度 焊丝伸出长度长，电阻热的预热作用增强，焊丝熔化快，易实现射流过渡，使临界电流值降低。这种现象，电阻率越大的材料越明显，见图4-24。,图4-24焊丝直径、伸出长度与临界电流的关系,（4）气体介质 不同气体介质对电弧电场强度的影响不同。在Ar气保护下弧柱电场强度较低、电弧弧根容易扩展，易形成射流过渡，临界电流值较低。当Ar气中加入CO2时，随加入CO2的比例增加临界电流值增大。若CO2的比例超过30，则不能形成射流过渡，见图4-25。当Ar中加入O2时，如果O2的比例小于5，因为O2使熔滴表面张力降低，减小过渡阻力，故可降低临界电流值。但若O2加入量增大，因为O2的解离吸热使弧柱电场强度提高，电弧收缩不易扩展，使临界电流反而提高，见图4-26。,图4-25 旋转射流过渡示意图,图4-26 气体介质成分对临界电流的影响,（5）电源极性 直流反接时，焊丝为阳极，熔滴上的斑点压力较小，熔滴易脱落，临界电流值较小，易实现射流过渡；直流正接时，焊丝为阴极，熔滴上的斑点压力较大，阻碍熔滴过渡，临界电流值较大，电弧不稳定，不易实现射流过渡。如果采用活化焊丝（在焊丝表面涂敷一层低逸出功的活化剂，例如Cs2CO3）可减弱熔滴上的斑点压力，有利于形成射流过渡。,4.3.4 渣壁过渡,渣壁过渡是焊条电弧焊和埋弧焊中出现的一种熔滴过渡形式。熔滴沿渣壁流下，落入熔池，见图4-27。,图4-27 渣壁过渡a)焊条电弧焊 b)埋弧焊,使用焊条焊接时，可能出现的过渡形式有四种：渣壁过渡、粗滴过渡、细滴过渡和短路过渡。过渡形式取决于药皮的成分与厚度、焊接工艺参数、电流种类和极性等。埋弧焊时，电弧在熔渣形成的空腔内燃烧，熔滴主要是通过渣壁流入熔池的，只有少量熔滴是通过空腔内的电弧空间落入熔池。埋弧焊的熔滴过渡与焊接速度、极性、电弧电压和焊接电流有关。,图4-28 埋弧焊时电流对过渡频率的影响,4.4 熔滴过渡的飞溅,4.4.1熔敷效率、熔敷系数和损失率 熔敷效率（deposition efficiency）：过渡到焊缝中的金属质量与使用的焊丝（条）金属质量之比。为了评价焊接过程中焊丝金属的损失程度，还常用到熔敷系数和损失率的概念。熔敷系数是指单位时间、单位电流所熔敷到焊缝中的焊丝金属质量。若用表示熔化系数（单位时间、单位电流熔化焊丝金属的质量），则焊丝金属的蒸发、氧化和飞溅的损失率为(4-10),4.4.2 熔滴过渡的飞溅,飞溅率:定义为飞溅损失的金属与熔化的焊丝（条）金属的重量百分比。测量焊接飞溅率的办法:一种是焊接后收集飞溅颗粒的办法，但要保证完全收集也是很困难的，需要对焊接区进行封闭，并且要做到封闭区内部焊接前后状态的一致(特别是各部件的表面状态)。第二种办法是通过测量焊丝损失率来一定程度上表示焊接飞溅率大小。,1.短路过渡飞溅的特点,短路过渡过程飞溅大小是衡量电弧稳定性的最直观的标志。在短路过渡过程中，熔滴与熔池接触时将形成缩颈。随着短路电流增大，缩颈变细，缩颈内的电流密度大大增加，使缩颈金属迅速加热，最后导致缩颈金属汽化爆炸，产生大量细颗粒飞溅。飞溅的多少与爆炸能量有关，即与此时的短路电流值有关。此时的电流称为短路峰值电流。该电流值越大，爆炸能量越大，飞溅越严重。所以减少飞溅的重要途径是改善电源的动特性，使之限制短路峰值电流。,另外，缩颈位置对飞溅的影响很大。如果缩颈出现在熔滴与熔池之间，则缩颈爆炸力阻碍熔滴向熔池过渡，此时形成大量飞溅。如果缩颈位置出现在焊丝与熔滴之间，则缩颈爆炸力将促使熔滴向熔池过渡，飞溅较少。为此必须控制短路电流上升速度di/dt，使熔滴与熔池接触瞬间不能形成缩颜。在表面张力和重力作用下，熔滴向熔池过渡，最后在焊丝与熔滴之间形成缩颈，减少金属飞溅。,4.滴状过渡的飞溅特点,CO2电弧焊或CO2含量大于30的混合气体保护焊粗滴过渡时，因CO2气体高温分解吸热时对电弧有冷却作用，使电弧电场强度提高，电弧收缩，集中于熔滴顶部，弧根面积小于熔滴直径，此时形成的电磁收缩力阻碍熔滴过渡，易形成粗滴飞溅，见图2-29a。另外，熔滴在焊丝端头停留时间较长，严重过热，此时在熔滴内部发生强烈的冶金反应，析出气体使熔滴爆炸而形成大量金属飞溅（见图2-29b），焊缝成形很差，故不宜采用。,细滴过渡时，飞溅较少，主要产生于熔滴与焊丝之间的缩颈处。因为该处电流密度较大，使金属过热而爆断，形成颗粒细小的飞溅，见图4-29c。但是，如果焊丝或工件清理不良或焊丝含C量较大，在熔化金属内部生成CO气体，当这些气体从熔化金属中析出时，将造成小滴金属飞溅，见图4-29d。酸性焊条焊接一般为细滴过渡。当电流较大，渣与金属生成的气体较多时，由于气体膨胀，将造成渣和液体金属爆炸，形成大量金属飞溅，见图4-29e。,图4-29 滴状过渡的金属飞溅特点a)粗滴过渡时的飞溅 b)熔滴爆炸形成的飞溅 c)缩颈爆炸形成的飞溅 d)气体析出引起的飞溅 e)渣和液体金属爆炸形成的飞溅,3.射流过渡飞溅的特点,在进行富氩气体保护电弧焊接时，熔滴沿焊丝轴线方向以细滴状过渡。对于钢焊丝的射流过渡，焊丝端头呈“铅笔尖”状，被圆锥形电弧所笼罩,如图2-25a所示。在细颈断面I-I处，焊接电流不但由液态金属细颈流过，同时还通过电弧流过。由于电弧的分流作用，减弱了细颈处的电磁收缩力与爆破力，不存在小桥过热问题，促使细颈破断和熔滴过渡的主要原因是受等离子流力而机械拉断，所以飞溅极少。在正常射流过渡情况下，飞溅率在1以下。在焊接参数不合理的情况下，如电流过高或焊丝伸出长度过大时，焊丝端头熔化部分变长，而它又被电弧包围着，焊丝端部液体表面能够产生金属蒸气，当受到某一扰动后，液柱发生弯曲，在金属蒸气的反作用推动下旋转，形成旋转射流过渡，此时熔滴可能会横向抛出成为飞溅，如图2-25b所示。,不同的焊接规范区间对应不同的熔滴过渡形式,旋转射流过渡,射流过渡,短路过渡,脉冲焊接,对于GMAW焊熔滴过渡理论主要有静力平衡理论(SFBT)、电磁收缩不稳定理论(MPIT)、“质量-弹簧”理论、能量最小原理理论、流体动力学理论等，也一直是焊接界研究的重点。,A.静力平衡理论(SFBT)熔滴所受到的重力、表面张力、电磁力、等离子流力,当作用在熔滴上的静态分离力大于静态保持力时,熔滴从焊丝端部脱离，即：,当各作用力的合力指向向下时，熔滴脱落,静力平衡理论(SFBT)在小电流下比较准确,熔滴过渡分类,B.电磁收缩不稳定理论(MPIT)不稳定理论认为当熔滴尺寸大于一临界值时将脱落，即：,rd为熔滴半径，re为焊丝半径，n为常数，表面张力系数,电磁收缩不稳定理论(MPIT)适合大电流,熔滴过渡分类,C.“质量-弹簧”理论该理论认为,熔滴长大过程可用阻尼系数恒定、质量及弹簧系数均变化的线性二阶“质量-弹簧”系统来表示。,xe熔滴弹性位移，m为熔滴质量，t时间，c为阻尼系数k为弹性系数，Q为常量，F0为外部作用力,“质量-弹簧”理论在各电流下与试验结果都比较符合，但参数不易确定,熔滴过渡分类,4.5 熔滴过渡的控制,4.5.1 射滴过渡控制方法,焊接生产始终以追求最大效率为目标。高效化焊接法除了高速焊外，还有高熔敷率焊。MAG焊常常被认为是效率高的焊接方法。但是人们并不满足于一般的送丝速度(1618m/min)。随着送丝速度的提高，熔滴过渡将由射流过渡转变为不稳定的旋转射流过渡，解决旋转射流过渡的稳定问题是实现大电流MAG焊的关键。,4.5.2 旋转射流过渡控制方法,T.I.M.E焊,它使用四元保护气体，即TIME气体（26.5%He、8%CO2、0.5%O2，其余为Ar）;较大的焊丝干伸长;送丝速度可达到2850m/min，用 1.2mm 焊丝的最大熔敷率达430g/min。,无控制的旋转过渡,T.I.M.E焊高速摄像,磁控大电流MAG焊,4.5A,8A,12A,0.5A,励磁电流不同时，对焊缝成型的影响,磁场控制的角焊缝成形,磁控大电流MAG焊,4.5.3 短路过渡过程控制,1.1 短路过渡过程1.1.1问题的提出,产生的问题：1）很大飞溅2）焊缝成型差,解决问题：1）工艺2）设备,1.1.2 解决问题的思路,降低1，3阶段时的焊接电流。,1.1.3 关键问题,电弧传感信息的检测：如何检测熔滴短路瞬时的弧压变化？如何检测缩颈状态？dU/dt电源的快速响应,几种典型的短路熔滴过渡控制方法多外特性控制方法,1.基本原理,4.基本控制过程分析,1.4.2 表面张力控制法（STT法）,