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1、1,焊丝熔化及熔滴过渡 Welding wire Melting and droplet transfer,材料成型及控制工程 2011,电弧焊基础知识,2,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 五、熔滴过渡的控制,3,一、焊丝熔化的热量来源,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。,4,一、焊丝熔化的热量来源,焊丝熔化的热量来源分两种情况： 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
2、焊：弧柱区产热熔化焊丝,5,（1）电弧热,阴极区：PK=IUK-IUw-IUT 阳极区：PA=IUA+IUw+IUT UK阴极压降 UA阳极压降 Uw逸出电压 UT弧柱温度等效电压,电流密度较大时：近似为0,电弧温度6000K时：小于1V,6,（1）电弧热,阴极区：PK=IUK-IUw=I(UK-Uw) 阳极区：PA=IUw 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。,7,（1）电弧热,阴极区：PK=I(UK-Uw)
3、 阳极区：PA=IUw 熔化极气体保护焊时，UkUw ，PkPw 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。,8,(2)电阻热：,PR=I2RS Rs=Ls/S,9,(3）总热量,接负：Pm=PK+PR= I（UK-Uw）+ I2Rs 接正：Pm=PA+PR= I(Uw + IRs)+ I2Rs 合并： Pm= I（Um+ IRs） 焊丝接正时 Um=UW 焊丝接负时 Um=UK- UW,电流、 影响电子发射的因素（ UK、 UW ）、 影响电阻热的因素（Rs）,所以影响产热的因素包括：,10,影响产热
4、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1030mm,对导电性能良好的Cu、Al，电阻热可忽略， 对于不锈钢等不容忽略,11,二、焊丝熔化速度及熔化系数,焊丝的熔化速度：单位时间内，熔化的焊丝的长度。m/h 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) 等熔化曲线：送丝速度与熔化速度相等条件下，获得的电流电压的关系。 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。,12,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,13,
5、影响焊丝熔化速度的因素,图126 电压对焊丝熔化速度的影响,14,影响焊丝熔化速度的因素,15,影响焊丝熔化速度的因素,电流：电流熔化速度 电压： 较长弧长范围内，电压变化不影响焊丝的熔化 在较短弧长范围内，电压熔化系数（自调节作用 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， 气体介质：反接时介质的影响不大，正接时介质的影响比较复杂，无明显规律 伸出长度：Ls熔化速度 焊丝直径：d熔化速度,16,三、熔滴上的作用力,1. 重力及表面张力 2. 电弧力 3. 爆破力,17,1. 重力及表面张力,F=2R 细焊丝,焊丝直径较大而电流较小时重力及表面张力起主要作用,18,重
6、力及表面张力,19,2. 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，才对熔滴过渡起主要作用；电流小时，重力表面张力其主要作用。,20,电磁收缩力,电磁力对熔滴过渡的影响取决于电弧形态,21,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。,22,斑点力,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、 弧根很小时指向熔滴的电磁收缩力。,斑点力组成：,斑点面积比较小的时候，斑点压力常常阻碍熔滴过渡；斑点面积比较大的时候，笼罩整个熔滴，斑点压力促进熔滴过渡。,23,3. 爆破力
7、,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，在电弧高温的作用下，使气体体积膨胀而产生的内压力，致使熔滴爆破，这一内压力称为爆破力，它促进熔滴过渡，但产生飞溅。,24,四、主要熔滴过渡形式及其特点,1熔滴过渡分类： 2颗粒过渡 3喷射过渡： 4爆炸过渡 5. 接触过渡 6. 渣壁过渡：,熔滴过渡录像,25,1熔滴过渡分类：,接触过渡,自由过渡,渣壁过渡,26,E5003熔滴直径变化 (b) E5015熔滴直径变化 (c) E5015焊条短路过渡 不同焊条焊接时的熔滴过渡过程高速摄影,27,1熔滴过渡分类：,28,2颗粒过渡,粗滴过渡（大颗粒过渡） ：,电弧电压高，电流小，粗滴过渡、细滴
8、过渡、排斥过渡。,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。,29,2颗粒过渡,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,30,2颗粒过渡,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,31,3喷射过渡,射滴过渡：,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,熔滴直径达到与焊丝直径相近时，电弧
9、力使之强制脱离焊丝端头，并快速通过电弧空间，向熔池过渡的形式。,32,3喷射过渡,射滴过渡：熔滴直径达到与焊丝直径相近时，电弧力使之强制脱离焊丝端头，并快速通过电弧空间，向熔池过渡的形式。 形成条件：钢焊丝脉冲MIG焊、铝焊丝MIG焊，电流必须达到一定的临界值，过渡形式才会从滴状过渡变为射滴过渡 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，成型好 电流有临界值，且电流区间窄，难调 电弧成钟罩型,33,3喷射过渡,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。,形成条件：钢焊丝MIG焊中，电流必须达到一定的临界值。 射流过
10、渡过程：,34,3喷射过渡,跳弧：电弧从熔滴的根部扩张到颈缩的根部 过渡机理：,35,3喷射过渡,射流过渡： 射流过渡特点： -跳弧 -等离子流力 -铅笔尖 -熔滴仅为焊丝直径的30%60% -熔滴过渡频率200个/s以上 -电弧平稳,飞溅小 -电流有临界值 -锥形电弧 -指状熔深 -钢焊丝富氩MIG,36,3喷射过渡,旋转射流过渡：特大电流MIG焊，焊丝伸出长度较大，焊接电流远大于射流临界电流，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，一旦偏离轴线将产生旋转射流过渡，电弧不稳、成型不良、飞溅严重。,37,3喷射过渡,亚射流过渡：大电流MIG焊铝合金时，弧压较低，电弧呈半潜状
11、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100200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。 形成条件：铝合金铝焊丝、短弧焊,亚射流过渡过程：弧长比较短，熔滴形成、长大，在形成射滴过渡之际熔滴与熔池短路，在电磁收缩力的作用下细颈破断，完成过渡，电弧重新引燃。,38,3喷射过渡,亚射流过渡： 亚射流过渡特点： -弧长比较短，潜弧，熔深大 -有短路现象，但短路时间短 -与短路过渡比：先颈缩后短路,短路时间短,短路电流小 -与射滴过渡的区别：有短路现象存在。 -电弧稳定,飞溅小,39,4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
12、成大量的CO气体，使熔滴急剧膨胀爆炸。 飞溅大，金属过渡少。,40,5. 接触过渡,短路过渡:电流较小，电弧电压较低，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，电弧熄灭，金属熔滴过渡到熔池中去。随后，电弧重新引燃，如此交替，这种过渡称为短路过渡。,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：短路过渡 搭桥过渡,41,5. 接触过渡,短路过渡: 形成条件：1.6mm，细丝CO2焊 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。,42,5. 接触过渡,实质：熔化速度与送丝速度不一致 短路过渡特点： -细丝，短弧 -燃弧熄弧交替进行，
13、1.6-50Hz， 0.8-130Hz -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，焊接速度快 -弧长短，焊件加热区小，质量高 -过程稳定 -飞溅大,短路过渡:,43,5. 接触过渡,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,44,5. 接触过渡,短路过渡与搭桥过渡的比较： 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， 电磁收缩力小于表面张力,45,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。 形成条件：埋弧焊和焊条电弧焊。录像,4
14、6,五、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,47,五、熔滴过渡的控制,脉冲电流控制法 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：,48,1. 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 。,49,1. 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
15、小，指向性强，可用于全位置焊接。,50,1. 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。,51,2.波形控制法,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, 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, 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, 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。,52,2.波形控制法,53,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,