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2 焊丝熔化及熔滴过渡


第一章 电弧焊基础知识

§2 焊丝熔化及熔滴过渡
Welding wire Melting and droplet transfer
材料成型及控制工程 2007

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主要内容
一、焊丝熔化的热量来源 二、焊丝熔化速度及熔化系数 三、熔滴上的作用力 四、主要熔滴过渡形式及其特点 四、

主要熔滴过渡形式及其特点 五、熔滴过渡的控制

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一、焊丝熔化的热量来源
焊丝的作用有两个: 焊丝的作用有两个: 电极导电 填充金属 作为填充金属,其熔化和过渡的特性将会对 焊缝的质量产生较大的影响。

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一、焊丝熔化的热量来源
焊丝熔化的热量来源分两种情况: 焊丝熔化的热量来源分两种情况: 熔化极电弧焊: 熔化极电弧焊: 阴极区产生的电弧热 阳极区产生的电弧热 焊丝伸出长度上的电阻热 弧柱区的热量作用比较小 非熔化极电弧焊: 非熔化极电弧焊:弧柱区产热熔化焊丝
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(1)电弧热
阴极区:P 阴极区:PK=IUK-IUw-IUT IUw阳极区:P 阳极区:PA=IUA+IUw+IUT UK阴极压降 电流密度较大时:近似为0 UA阳极压降 Uw逸出电压 Uw逸出电压 电弧温度6000K时:小于1V UT弧柱温度等效电压

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(1)电弧热
阴极区:P 阴极区:PK=IUK-IUw=I(UK-Uw) 阳极区:P 阳极区:PA=IUw 焊丝接负时:焊丝加热与熔化取决于(U 焊丝接负时:焊丝加热与熔化取决于(Uk-Uw)。 很多因素影响阴极电子发射,即影响的U 很多因素影响阴极电子发射,即影响的Uk大小。 如 电流、温度、材料等。 焊丝接正时:主要取决于材料逸出功和电流的大 小。当电流一定时,由于逸出功为常数,此时, 焊丝熔化系数为定值。
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(1)电弧热
阴极区:P 阴极区:PK=I(UK-Uw) 阳极区:P 阳极区:PA=IUw 熔化极气体保护焊时,Uk>>Uw 熔化极气体保护焊时,Uk>>Uw ,Pk>Pw 所以,同种材料,在相同的电流的作用下, 焊丝作为阴极的产热将比焊丝作为阳极时 产热多。因为散热条件相近,所以焊丝接 负时比焊丝接正时熔化快。
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(2)电阻热: (2)电阻热: 电阻热
PR=I2RS Rs=ρLs/S

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(3) (3)总热量
接负:Pm=P 接负:Pm=PK+PR= I(UK-Uw)+ I2Rs I( 接正:Pm=P 接正:Pm=PA+PR= I(Uw + IRs)+ I2Rs 合并: Pm= I(Um+ IRs) I( IRs) 焊丝接正时 Um=U Um=UW 焊丝接负时 Um=U Um=UK- UW
所以影响产热的因素包括: 电流、 影响电子发射的因素( UK、 UW )、 影响电阻热的因素(Rs) 影响电阻热的因素(Rs)
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影响产热的因素
焊丝材料 有无氧化膜 焊丝熔点 焊丝直径 焊丝伸出长度 焊丝电阻率

一般10- 一般 -30mm 对导电性能良好的Cu、 , 对导电性能良好的 、Al,电阻热可 忽略, 忽略, 对于不锈钢等不容忽略
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二、焊丝熔化速度及熔化系数
焊丝的熔化速度: 焊丝的熔化速度:单位时间内,熔化的焊 丝的长度。m/h 丝的长度。m/h 焊丝的熔化系数: 焊丝的熔化系数:单位时间内通过单位电 流时焊丝的熔化量。g/(A.h) 流时焊丝的熔化量。g/(A.h) 等熔化曲线:送丝速度与熔化速度相等条 等熔化曲线: 件下,获得的电流电压的关系。 电弧的固有调节作用: 电弧的固有调节作用:弧长因外界干扰发 生变化时,能自动回复到原来长度的特性。

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影响焊丝熔化速度的因素

图1-24 铝焊丝熔化速度与电流、焊丝 直径的关系

图1-25 不锈钢焊丝熔化速度与电流、 伸出长度的关系 12

影响焊丝熔化速度的因素

图1-26 电压 电压对焊丝熔化速度的影响

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影响焊丝熔化速度的因素

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影响焊丝熔化速度的因素
电流:电流↑→熔化速度↑ 熔化速度↑ 电流:电流↑→熔化速度 电压: 电压: 较长弧长范围内,电压变化→不影响焊丝的熔化 较长弧长范围内,电压变化→ 在较短弧长范围内,电压↓→熔化系数↑(自调节作用 熔化系数↑ 在较短弧长范围内,电压↓→熔化系数 在更短弧长范围内,电压↓→熔化系数 熔化系数↓ 在更短弧长范围内,电压↓→熔化系数↓ 电流极性:焊丝为阴极时,熔化速度大, 电流极性:焊丝为阴极时,熔化速度大, 气体介质:反接时介质的影响不大,正接时介质的影响比 气体介质:反接时介质的影响不大, 较复杂, 较复杂,无明显规律 伸出长度:Ls↑→熔化速度↑ 熔化速度↑ 伸出长度:Ls↑→熔化速度 焊丝直径:d↑→熔化速度↓ 熔化速度↓ 焊丝直径:d↑→熔化速度
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三、熔滴上的作用力
1. 重力及表面张力 2. 电弧力 3. 爆破力

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1. 重力及表面张力
焊丝直径较大而电流较小时重力及表面张力起主要作用

Fδ=2Rπσ

细焊丝
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重力及表面张力

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2. 电弧力
电弧对熔滴和熔池的机械作用力包括: 电磁收缩力 等离子流力 斑点力 电弧力只有在焊接电流较大的时候,才对 电弧力只有在焊接电流较大的时候,才对 熔滴过渡起主要作用;电流小时,重力表 面张力其主要作用。

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电磁收缩力
电磁力对熔滴过渡的影响取决于电弧形态

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等离子流力
等离子流力:电流较大时,高速等离子流 力对熔滴产生很大的推力,使之沿轴线方 向运动。

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斑点力
斑点力组成: 斑点力组成:
正离子或电子对熔滴的轰击力、 正离子或电子对熔滴的轰击力、 电极材料蒸发时产生的反作用力、 电极材料蒸发时产生的反作用力、 弧根很小时指向熔滴的电磁收缩力。 弧根很小时指向熔滴的电磁收缩力。
斑点面积比较小的时 候,斑点压力常常阻 碍熔滴过渡; 碍熔滴过渡;斑点面 积比较大的时候, 积比较大的时候,笼 罩整个熔滴, 罩整个熔滴,斑点压 力促进熔滴过渡。 力促进熔滴过渡。
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3. 爆破力
当熔滴内部因冶金反 应而生成气体或者含 有易蒸发金属时, 有易蒸发金属时,在 电弧高温的作用下, 电弧高温的作用下, 使气体体积膨胀而产 生的内压力, 生的内压力,致使熔 滴爆破, 滴爆破,这一内压力 称为爆破力, 称为爆破力,它促进 熔滴过渡, 熔滴过渡,但产生飞 溅。
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四、主要熔滴过渡形式及其特点
1.熔滴过渡分类: 熔滴过渡分类: 2.颗粒过渡 3.喷射过渡: 喷射过渡: 4.爆炸过渡 5. 接触过渡 6. 渣壁过渡: 渣壁过渡:

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1.熔滴过渡分类: 熔滴过渡分类:
接触过渡

自由过 渡

渣壁过 渡

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1.熔滴过渡分类: 熔滴过渡分类:
? ?大颗粒过渡 ? ? ?颗粒过渡 ?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 ?渣壁过渡 (3)渣壁过渡 ? ?套筒过渡

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2.颗粒过渡
电弧电压高,电流小,粗滴过渡、细滴过渡、排斥过渡。

粗滴过渡(大颗粒过渡) : 粗滴过渡(大颗粒过渡)
高弧压,小电流 重力克服表面张力作用 电弧稳定性和焊缝质量都 比较差。 高电压小电流MIG焊。

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2.颗粒过渡
排斥过渡: 排斥过渡:
弧根小 电流较大,斑点压力大 高电压较大电流CO2气体保护焊 直流正接时,斑点压力很大, CO2、MIG都有明显的大颗粒排斥 过渡
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2.颗粒过渡
细滴过渡: 细滴过渡:
高弧压,更大电流 电流比较大,电磁收缩力增 大,表面张力减小 熔滴存在的时间短,熔滴细 化,过渡频率增加 电弧稳定性比较高,飞溅少, 焊缝质量高 CO2细丝较大电流
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3.喷射过渡
富氩或氩气保护焊,可分为: 富氩或氩气保护焊,可分为: 射滴过渡 射流过渡 旋转射流过渡 亚射流过渡

射滴过渡: 射滴过渡:
熔滴直径达到与焊丝直径相近 电弧力使之强制脱离焊丝 时,电弧力使之强制脱离焊丝 端头,并快速通过电弧空间, 端头,并快速通过电弧空间, 向熔池过渡的形式。 向熔池过渡的形式。

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3.喷射过渡
形成条件:钢焊丝脉冲MIG焊、铝焊丝MIG焊,( 主 形成条件:钢焊丝脉冲 焊 铝焊丝 焊
要)电流必须达到一定的临界值,过渡形式才会从滴 电流必须达到一定的临界值, 状过渡变为射滴过渡 。

射滴过渡特点: 射滴过渡特点:
斑点力和重力促进熔滴过渡 表面张力阻碍熔滴过渡 飞溅小, 飞溅小,成型好 电流有临界值,且电流区间窄, 电流有临界值,且电流区间窄,难调 电弧成钟罩型

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3.喷射过渡
形成条件:钢焊丝 形成条件:钢焊丝MIG 焊中, 焊中,电流必须达到一 定的临界值。 定的临界值。 射流过渡过程: 射流过渡过程:

射流过渡:熔滴呈细小颗粒, 射流过渡:熔滴呈细小颗粒,
沿焊丝的铅笔尖状的端头以喷 射状态快速通过电弧空间向熔 池过渡的形式。 池过渡的形式。

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3.喷射过渡
跳弧: 跳弧:电弧从熔滴的根部扩张到颈缩的根部 过渡机理: 过渡机理:

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3.喷射过渡
射流过渡: 射流过渡:
射流过渡特点: 射流过渡特点: --跳弧 跳弧 --等离子流力 等离子流力 --铅笔尖 铅笔尖 --熔滴仅为焊丝直径的 熔滴仅为焊丝直径的30%~60% 熔滴仅为焊丝直径的 ~ --熔滴过渡频率 个/s以上 熔滴过渡频率200个 以上 熔滴过渡频率 --电弧平稳,飞溅小 --电弧平稳 电弧平稳, --电流有临界值 电流有临界值 --锥形电弧 锥形电弧 --指状熔深 指状熔深 --钢焊丝富氩 钢焊丝富氩MIG 钢焊丝富氩
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3.喷射过渡
旋转射流过渡: 旋转射流过渡:特
大电流MIG焊,焊丝伸 焊 大电流 出长度较大, 出长度较大,焊接电流 远大于射流临界电流, 远大于射流临界电流, 液态金属长度增加, 液态金属长度增加,射 流过渡的细滴高速喷出 产生较大的反作用力, 产生较大的反作用力, 一旦偏离轴线将产生旋 转射流过渡,电弧不稳、 转射流过渡,电弧不稳、 成型不良、飞溅严重。 成型不良、飞溅严重。

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3.喷射过渡
亚射流过渡:大电流MIG焊铝合金时,弧压较低, MIG焊铝合金时 亚射流过渡:大电流MIG焊铝合金时,弧压较低,电弧
呈半潜状态,熔滴尺寸约等于焊丝直径的射滴过渡, 呈半潜状态,熔滴尺寸约等于焊丝直径的射滴过渡,伴随 着瞬时短路,熔滴过渡频率达100 200个/s。 100~ 着瞬时短路,熔滴过渡频率达100~200个/s。介于短路与 射滴之间的过渡形式,其实应该称亚射滴过渡。 射滴之间的过渡形式,其实应该称亚射滴过渡。 形成条件:铝合金铝焊丝、 形成条件:铝合金铝焊丝、短弧焊 亚射流过渡过程:弧长 亚射流过渡过程: 比较短,熔滴形成、长大, 比较短,熔滴形成、长大, 在形成射滴过渡之际熔滴 与熔池短路, 与熔池短路,在电磁收缩 力的作用下细颈破断, 力的作用下细颈破断,完 成过渡,电弧重新引燃。 成过渡,电弧重新引燃。

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3.喷射过渡
亚射流过渡: 亚射流过渡: 亚射流过渡特点: 亚射流过渡特点: --弧长比较短,潜弧,熔深大 --弧长比较短 潜弧, 弧长比较短, --有短路现象,但短路时间短 --有短路现象 有短路现象, --与短路过渡比:先颈缩后短路,短路时间短,短路电流小 --与短路过渡比 先颈缩后短路,短路时间短, 与短路过渡比: --与射滴过渡的区别:有短路现象存在。 --与射滴过渡的区别 有短路现象存在。 与射滴过渡的区别: --电弧稳定,飞溅小 --电弧稳定 电弧稳定,

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4.爆炸过渡
CO2焊时,熔滴在形成长大过程中,发生 激烈的冶金反应,生成大量的CO气体, 激烈的冶金反应,生成大量的CO气体, 使熔滴急剧膨胀爆炸。 飞溅大,金属过渡少。

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接触过渡:焊丝(或焊条) 接触过渡:焊丝(或焊条)端部的熔滴与熔池表面通过接触而 过渡的方式。可分为: 过渡的方式。可分为:短路过渡 搭桥过渡 短路过渡:电流较小, 短路过渡 电流较小,电弧 电流较小 电压较低,弧长比较短, 电压较低,弧长比较短, 熔滴未长成大滴就与熔池 接触形成液态金属短路, 接触形成液态金属短路, 电弧熄灭, 电弧熄灭,金属熔滴过渡 到熔池中去。随后, 到熔池中去。随后,电弧 重新引燃,如此交替, 重新引燃,如此交替,这 种过渡称为短路过渡。 种过渡称为短路过渡。

5. 接触过渡

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5. 接触过渡
短路过渡: 短路过渡
形成条件:φ≤1.6mm,细丝CO 形成条件:φ≤1.6mm,细丝CO2焊 1.6mm 短路过渡过程:由燃弧和熄弧两个交替的阶段组成, 短路过渡过程:由燃弧和熄弧两个交替的阶段组成,电 弧的燃烧是不连续的。 弧的燃烧是不连续的。

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5. 接触过渡
短路过渡: 短路过渡
实质: 实质:熔化速度与送丝速度不一致 短路过渡特点: 短路过渡特点: --细丝 细丝, --细丝,短弧 --燃弧熄弧交替进行 燃弧熄弧交替进行, 1.6-50Hz, 0.8--燃弧熄弧交替进行,Φ1.6-50Hz, Φ0.8-130Hz --平均电流小 峰值电流大, 平均电流小, --平均电流小,峰值电流大,适合薄板及全位置焊接 --小直径焊丝 电流密度大,产热集中, 小直径焊丝, --小直径焊丝,电流密度大,产热集中,焊接速度快 --弧长短 焊件加热区小, 弧长短, --弧长短,焊件加热区小,质量高 --过程稳定 --过程稳定 --飞溅大 --飞溅大

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5. 接触过渡
搭桥过渡:非熔化极电弧焊。在表面张力、 搭桥过渡:非熔化极电弧焊。在表面张力、 重力及电弧力的作用下,熔滴进入熔池。 形成条件:非熔化极填丝焊、气焊填丝 形成条件:非熔化极填丝焊、气焊填丝

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5. 接触过渡
短路过渡与搭桥过渡的比较: 短路过渡与搭桥过渡的比较:
短路过渡:焊丝导电,小滴, 短路过渡:焊丝导电,小滴, 电磁收缩力大于表面张力 搭桥过渡:焊丝不导电,大滴, 搭桥过渡:焊丝不导电,大滴, 电磁收缩力小于表面张力

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6. 渣壁过渡:
渣壁过渡: 渣壁过渡:熔滴沿着熔渣壁面流入熔池的一种过 渡形式。 渡形式。 形成条件:埋弧焊和焊条电弧焊。 形成条件:埋弧焊和焊条电弧焊。

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五、熔滴过渡的控制
熔滴过渡控制技术的目的:改善过渡品质、 提高焊接质量。 常用的熔滴过渡控制技术包括:
脉冲电流控制法 脉动送丝控制法 射流-短路过渡控制法 波形控制法 脉动送丝-电流波形控制结合
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五、熔滴过渡的控制
1. 脉冲电流控制法 使用范围:熔化极氩弧焊 使用范围:熔化极氩弧焊 控制方法:通过对焊接电流以一定的频率 控制方法:通过对焊接电流以一定的频率 进行变化,实现对焊丝熔化及熔滴过渡的 控制。这样可以使得平均电流保持在较小 的水平,实现对薄板的焊接。 一般有三种方式:

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1. 脉冲电流控制法
熔滴较大接近焊丝尺寸,在基值电流区间过渡, 沿轴向过渡,可用于仰焊、全位置焊接 。

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1. 脉冲电流控制法
一个脉冲周期过渡多个熔滴:脉冲电流大,熔滴 细小,指向性强,可用于全位置焊接。

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1. 脉冲电流控制法
多个脉冲周期过渡一个熔滴:峰值电流小,熔滴 直径大于等于焊丝直径。

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2.波形控制法 2.波形控制法
使用范围:CO 使用范围:CO2气体焊 控制方法:CO2整个焊接过程分为燃弧时期和短路时期,
波形控制的基本原理是在短路开始的初期阶段和短路即将 结束的末期阶段, 分别降低电流, 结束的末期阶段, 分别降低电流, 保证熔滴在短路初期阶段 以小的电流值与熔池良好地接触扩展, 以小的电流值与熔池良好地接触扩展, 在短路末期保证液 桥在颈缩处以相对小的电流值柔顺断开, 桥在颈缩处以相对小的电流值柔顺断开, 从而达到减小短 路初期的瞬时飞溅和在颈缩处过度能量积聚引起的电爆炸 飞溅的目的。

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2.波形控制法 2.波形控制法

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请查阅文献资料: 对不同熔滴过渡形式进行比较, 包括形成条件、熔滴过渡过程的 不同特点、应用等内容

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