焊丝的加热熔化及熔滴过渡土木.ppt

第二章 焊丝的加热熔化及熔滴过渡,在熔化极电弧焊过程中，焊丝金属在焊缝中占相当大的份额（约3080%），所以焊丝熔化的快、慢、多、少以及熔滴过渡状态对电弧的稳定性、焊接质量及焊接生产率起重要作用；第一节 焊丝的加热与熔化1、焊丝的加热与熔化特性：焊丝的熔化热由两部分组成：电弧热（阴极区和阳极区的热）：占主要地位（占95100%）；电阻热：,1.1 电弧热：,直流正接：焊丝接电源负极作为阴极；工件接电源正极作为阳极；直流反接：焊丝阳极；工件阴极；直流正接：阴极热量用于加热、熔化焊丝：PK=I（UK-UT-UW）=Ium；其中Um为焊丝熔化的等效电压；直流反接：阳极热量用于加热、熔化焊丝：PA=I（UA+UT+UW）=Ium；当弧柱温度为6000K时，则UT1V；当电流密度较大，则UA0；以上两式可以简化为：PK=I（UK-UW）；PA=IUW；,结论：当反接时，PA=IUW，热量主要取决于I和UW，当它们一定时，则焊丝的加热与熔化情况是固定的；当正接时，PK=I（UK-UW），而UK受很多因素的影响而变化，所以此时焊丝的加热与熔化情况是变化的；在熔化极气保焊中，冷阴极居多，所以UK远远大于UW，所以PK远远大于PA，即阴极的热大于阳极的热，在散热条件相同的情况下，直流正接比直流反接焊丝熔化的快；,当较大时（如：钢、钛），并且细丝、大电流时，电阻热不可忽略；,1.2 电阻热：如下图所示：所以，,综上所述：用于加热、熔化焊丝的总热量为：Pm=Ium+I2RS,2、焊丝熔化参数：,2.1 熔化系数m：单位电流、单位时间内焊（焊丝）熔化量；,单位：g/A.h；一般常用焊条的m为813；,2.2 熔敷系数f：单位电流、单位时间内，焊丝（焊芯）熔敷在焊缝上的金属量。它标志着焊接过程的生产率；,单位：g/A.h；一般常用焊条的f为712；与熔化系数的关系：f m；2.3 飞溅率：焊丝（焊芯）在熔敷过程中，因飞溅损失的金属重量与熔化的焊丝（焊芯）金属重量的百分比：,2.4 熔敷效率：熔敷金属量与熔化的填充金属量的百分比；熔敷效率=,在焊条中加入30%以上的铁粉，铁粉在焊接时熔化并过渡到焊缝中去，增加了熔敷金属量，所以熔敷效率增大；普通焊条的熔敷效率为90%左右，加入铁粉后可达130%左右；,第二节 熔滴的受力分析及过渡形式,1、熔滴上的作用力：在电弧热的作用下，焊丝或焊条端头的熔化金属形成熔滴，在各种力的作用下向母材过渡；,1.1 表面张力：在焊条端头上保持熔滴的主要作用力，用F表示；如图2-7所示；,F=2R；其中：R：焊丝半径；：表面张力系数，它与材料的成分、温度、气体介质等因素有关；当金属表面有活性物质时（O、S等），则当T则；1.2 重力：方向：始终向下；用Fg表示；如图所示平焊位置时，重力促进熔滴过渡；立、仰、横焊时，重力阻碍熔滴过渡；,当焊丝较粗，电流较小时，则以上两个力在熔滴过渡过程中起主要作用；假设：熔滴为球形，则：Fg=mg=4/3r3g：其中：r：熔滴半径；：熔滴密度；m：熔滴质量；g：重力加速度；当平焊时，Fg F时，熔滴就开始脱离焊丝；所以熔滴脱离之际r为多少？Fg=F 2R=4/3r3g；所以：,则，/r；熔滴越细；,1.3电磁力：当电流增大时，电磁力是影响熔滴过渡的主要的力；,轴向力:如图2-9所示；分部位加以分析：在焊丝与熔滴连接的缩颈处：（所形成的轴向力F推1表示）如图所示2力；F推1=,其中，dD为熔滴直径；dS为焊丝直径；F推1方向：始终由小截面指向大截面，在此处为向下，它是促进熔滴过渡的力；,在熔滴与弧柱之间：（所形成的轴向力F推2表示）；如图2-9所示；F推2=,其中，dG为弧根面积的直径；当dGdD时，F推2的方向由弧根指向熔滴，方向向上，则阻碍熔滴过渡；如图中力4所示；当dG dD时，F推2的方向由熔滴指向弧根，方向向下，则促进熔滴过渡；,1.3.2 径向力Fr:在焊丝端头剪断熔滴，促进熔滴过渡；如图2-9中Fcj力；,1.4 等离子流力：强烈的促使熔滴脱离焊丝端头，并对已脱离焊丝处于电弧空间的熔滴进行加速；电流、焊丝直径等离子流力；等离子流力不受焊接位置的影响，永远促进熔滴过渡；,1.5斑点压力：离子的撞击力；金属蒸汽的反作用力；这两个力的方向是指向斑点的，所以阻碍熔滴过渡；电磁收缩力：当斑点面积较小，小于熔滴直径，那么它的方向指向熔滴，所以阻碍熔滴过渡；当斑点面积较大时，大于熔滴直径，那么它的方向指向斑点，故促进熔滴过渡；综合考虑以上三个力：斑点压力总的来说是阻碍熔滴过渡；,1.6 气体吹送力:气体总是由焊丝冲向工件,所以此力是促进熔滴过渡的;,1.7爆破力:主要造成飞溅,破坏熔滴过渡的轴向性,它是无方向的,是有害的力;,思考题：1.平焊位置，熔滴直径大于焊丝直径，弧根直径大于焊丝直径，分析熔滴过渡所收到的力？（画图说明）,2、熔滴过渡的主要形式及其特点：,熔滴过渡：熔焊时，在焊条（焊丝）端头形成熔滴通过电弧空间向熔池转移的过程；按照熔滴过渡的形态可将其分为：自由过渡、接触过渡、渣壁过渡；2.1自由过渡：熔滴经电弧空间自由飞行，焊丝端头与熔池之间不发生直接的接触；自由过渡又可分为：滴状（颗粒状）过渡、喷射过渡、爆炸过渡；,2.1.1 滴状过渡:熔滴直径焊丝直径，熔滴体积大，数量少；根据熔滴的大小，又可分为大滴过渡和细颗粒过渡；大滴过渡：特点：熔滴直径焊丝直径，熔滴体积大，数量少；条件：高电压、小电流A）大滴滴落过渡：如在Ar气介质中，由于E较小，所以弧根扩展，在熔滴下部分布是对称的，从而形成大滴滴落过渡；如图所示；,大滴滴过渡过程示意图,B）大滴排斥过渡：如在CO2介质中，由于CO2高温分解吸热，造成电弧收缩，从而使斑点压力增加，阻碍熔滴过渡，同时在此力的作用下，不但颗粒大，而且往往上扰，形成大滴排斥过渡，同时造成飞溅和电弧不稳；,大滴排斥过渡,细颗粒过渡：条件：高电压、当电流增大时（CO2焊）；特点：熔滴较细（熔滴尺寸一般也大于熔滴的直径，过渡频率较高，电弧较稳定，飞溅少；如图所示；,细颗粒过渡,2.1.2 喷射过渡：特点：熔滴直径小于焊丝直径，体积小，数量多；它又包括喷滴型、射流型、旋转射流型；射流过渡：射流过渡形成条件与过程：条件：在Ar或富Ar的保护气氛中，直流反接，电流大于临界电流值；从过程中来解释条件：如图P54图218；当电流较小时，为大颗粒过渡，斑点在熔滴底部，如图a所示；,当电流增大，则斑点的尺寸增大，可以扩展到熔滴的上部，即a点，此时熔滴被拉成细颈，如图b所示，在细颈处具备了形成阳极斑点的条件，即b点，根据最小电压原理，电弧就跳到b点，形成c图；,跳弧现象：电弧的阳极斑点瞬时从熔滴的上部跳到缩颈根部的现象；,临界电流：发生跳弧现象的最小电流值，用I临表示；当第一个较大的熔滴脱落后，电弧呈现图d状态，即在焊丝端部呈“笔尖”形，在各种电弧力的作用下，尖端细小的熔滴不断的 快速进入熔池，从而形成射流过渡；,为什么在Ar或富Ar的保护气氛中，直流反接，电流大于临界电流值这三个条件下才会发生射流过渡？1.在Ar或富Ar的保护气氛中是由于此种保护气氛的电场强度低，电弧容易扩展，容易产生跳弧现象。2.直流反接：焊丝接电源正极，在焊丝端部产生阳极斑点，斑点压力小，容易产生跳弧现象。3.电流大于临界电流值：必要条件，电流大于临界电流值时，才产生跳弧现象。,C)射流过渡的特点：焊丝端部呈“笔尖”形，熔滴细小，过渡频率可达500次/秒，沿轴向过渡；如图所示：,射流过渡,射滴型：熔滴的直径接近焊丝直径，沿轴向过渡，加速度大于重力加速度。如图所示：,旋转射流：当电弧的电流很大，或焊丝伸长过长，会使熔滴液柱旋转，引起飞溅，成型不良；如图所示：,射滴型,旋转射流型,2.2、接触过渡：熔滴与熔池接触后，才脱离焊丝端部的过渡形式：,短路过渡：形成条件：低电压（弧长小）因为电压小，所以弧长短，熔滴未来的及与焊丝脱离就与熔池短路接触，由于强烈的过热和磁收缩作用使熔滴破断，直接向熔池过渡的形式；如图所示；,短路过渡,A)短路过渡的过程：如图2-11所示：,短路液柱在Fr和F作用下，很快形成短路小桥，然后拉断它，之后再引燃电弧；所以短路过渡的过程为：熔滴的形成和长大短路小桥破断再引燃；周而复始，频率可达50100次秒；,C)短路过渡过程中的热与力：伴随着“燃弧熄弧”的交替进行，电弧热也有一定的变化规律：短路阶段（熄弧）仅有电阻热（熔池温度下降，相当于冷却）；燃弧阶段（燃弧）主要是电弧热（熔池温度上升，相当于加热）；所以：短路过渡是“加热冷却”交替进行，周而复始；为此，短路过渡适于薄板和全位置焊接；,D)短路过渡的电流与电压的波形图：如图2-29所示：,为引燃的瞬间，所对应的I=Imax;为电弧燃烧，析出热量，形成熔滴，I;熔滴长大，电流进一步减小；随着熔滴的长大，电流减小，从而使V熔；所以有V熔V送，造成短路，此时I=Imin,电压急剧下降；I短形成短路液柱；随着I短电弧力形成短路小桥；当I短=Imax，小桥断开，电压升至空载电压，电弧又引燃；,t1燃弧时间 t2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平均焊接电压,搭桥过渡：当TIG焊时，W极作为电极，焊丝作为填充材料，所以焊丝与工件之间不引燃电弧，我们将此时的接触过渡叫做搭桥过渡；如图所示；,搭桥过渡,2.3、渣壁过渡：埋弧焊或手工电弧焊，熔化金属沿着熔渣的内壁或沿焊条药皮的内壁的过渡形式；沿熔渣壳过渡：,沿药皮的内壁过渡：,沿熔渣壳过渡,沿药皮的内壁过渡,表2-2 熔滴过渡分类及其形态特征,表2-2（承上）,3、熔滴过渡的飞溅及其影响因素：,3.1短路过渡飞溅的特点：如图2-37所示；A)短路小桥爆断引起的飞溅：由Imax决定；当I较小时，减小Imax，可以减小飞溅率，如图a所示；当I中等时，小桥的位置对飞溅的影响很大；缩颈出现在焊丝与熔滴之间：飞溅小，增大L可以保证此种情况，如图b所示；缩颈出现在熔滴与熔池之间：飞溅大，L小会出现此种情况；如图c所示；,B)固体短路爆断而引起的飞溅：送丝速度较大、电压较小、电感过大时容易产生；如图d所示；C)熔池金属受猛烈冲击而形成的飞溅：如图e所示；D)大电流焊接时短路，飞溅较大，如图所示；,细丝小电流时 中等电流大电感时 中等电流小电感时 固态短路时 潜弧焊短路时 f)大电流焊接短路,3.2颗粒状过渡飞溅的特点：如图2-39所示；A)当用CO2、CO2+O2、CO2Ar（CO2 的含量应大于30%），小电流高电压时，会出现熔滴上挠现象，如图a所示；B)当电流再增加时，形成细颗粒过渡，此时飞溅小，但在焊丝与熔滴之间，有时也会产生瞬时缩颈，缩颈因过热而爆断，形成细小的飞溅；如图b所示；C)在细颗粒过渡时，当焊丝的含碳量较大或焊丝、工件清理不良时，在熔化的金属内部会形成大量的气体（CO2、CO），聚集到一定程度而爆炸形成细小的飞溅；如图c所示；在大颗粒过渡时，熔滴内气体膨胀而引起爆炸，从而造成较大的飞溅；如图d所示；,a)斑点力使熔滴上挠造成的飞溅 b)细颈处通过大电流时 c)气体析出时d)熔滴内气体膨胀时 e)熔滴在电弧空间形成串联电弧时,3.3射流过渡飞溅的特点：在正常情况下，飞溅率非常小，仅为1%左右；在非正常情况下，发生旋转射流时，飞溅极大；如图所示；,4、熔滴过渡的控制：对于薄板、全位置焊接，一般采用熔化极氩弧焊的喷射过渡，怎样在较小的焊接电流下（对于薄板不至于焊穿，对于全位置不至于流淌）可达到喷射过渡呢？采用熔化极脉冲氩弧焊；如图2-43所示；焊接电流以一定的频率变化，可控制焊丝的熔化和熔滴过渡，在较小的电流下实现稳定的射流过渡，只要ImaxI临，而I平 I临即可；,思考题：什么情况下PKPA?什么情况下PKPA？分析其原因？什么是熔化系数？其影响因素是什么？相同的焊接规范下粗丝和细丝哪个熔化速度快？哪个熔化系数大？哪个熔滴细？分析手工电弧焊在仰焊位置时，焊丝直径小于熔滴直径，弧根直径小于熔滴直径，熔滴过渡所受到的力（即促进熔滴过渡和阻碍熔滴过渡的力）？常见的熔滴过渡形式有哪几种，举例说明哪种工艺常用哪几种形式的熔滴过渡？,