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第二章 焊丝的熔化和熔滴的过渡


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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 焊丝的加热 加热和

熔化的热量 一、焊丝的加热和熔化的热量 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。 焊丝的作用 主要是阴极区(正接)或阳极区(反接) 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) ※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: 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; 焊丝熔化的总热 s=I(Um+IR) Um— 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 焊丝的熔化速度、 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 熔化速度: (1)熔化速度:单位时间内熔化焊丝的重量(Kg/h)或长度(m/h) 熔化系数: (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 焊接电流和电弧电压(电弧长度) 电弧电压 (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 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 原因: 电弧较短时 高了电弧的热效率,使电弧的熔化系数增加。 电流的极性和电弧气氛影响 电弧气氛影响: (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 正接时混合气体对 am 的影响大于反接。 原因: 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) 。

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(3)焊丝(芯)的材料 焊丝( 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。 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 焊丝直径及伸出长度:d↑→am↓;长度↑→am↑; 径及伸出长度 (4)焊丝直径及伸出长度 熔滴过渡形式的影响:颗粒状过渡的熔化系数>射流过渡 (5)熔滴过渡形式的影响 原因:射流过渡时,熔滴很小,容易过热而温度上升较高,单位 原因 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。

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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。 Fg= (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 5(尤其是立 尤其是立、 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 -3 σ- 表面张力系数(10 N/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: 说明:Ⅰ T 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 Dd/dw 在某一比值(1.14)为促进过渡.. . 电磁收缩 收缩力 (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 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

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二、熔滴过渡的主要形式及特点 熔滴过渡的分类及其形状(P28 表 1-4) (一)熔滴过渡的分类及其形状 自由过渡: 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: 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: 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

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2、射流过渡的分类 射滴过渡: (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: 适用范围:钢焊丝脉冲焊和铝合金焊丝熔化极气体保护焊 亚射流过渡: (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: 适用范围:铝、镁及其合金焊丝熔化极气体保护焊 射流过渡纯氩或富氩的保护气体,直流反极性,高弧压,焊接 (3)射流过渡 电流达到某一临界值 (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↓ (3)混合气体 Ar+(<5%)O2 O2 使熔滴的表面张力↓――过渡阻力↓ ――临界电流↓ Ar+(>5%)O2 或 Ar+CO2 O2 CO2 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。 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 短路过渡成过程与电压 渡成过程与电压、 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 短路过渡对电源特性的要求 di/dt,使短路小桥柔顺而平稳断开。 (1)适当的电流上升速度 di/dt,使短路小桥柔顺而平稳断开。 Imax―― ――保证 ( 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 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。 Imax 过小,不利于电弧引燃。 短路液桥断开过渡后 电源空载电压恢复要快 断开过渡后, (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。 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. 铝:P 小电阻热小,焊丝端头温度梯度小,易过渡.

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(二)电弧气氛(影响较大) 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%CO2 Ik 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↓ (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. 熔滴过渡的飞溅: 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. 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. (二) 减少飞溅的措施 控制电弧气氛 电弧气氛: 、O 1、控制电弧气氛: 尽量↓保护气的活性气体量 CO2、 2 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↑; (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 熔滴过渡形式的控制 五、熔滴过渡形式的控制 电控制熔滴过程: (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. 脉冲范围不同熔滴过渡不同: ① 一个脉冲过渡多滴;

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② 一个脉冲过渡一滴; ③ 多个脉冲一个熔滴 射流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 ㎜ 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.

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