chapter3 焊丝的加热、熔化及熔滴过渡

Chapter3焊丝的加热、熔化及熔滴过渡,3-1焊丝的加热与熔化3-2熔滴过渡形式及其作用力,3-1焊丝的加热与熔化一、焊丝的加热与熔化特性产热有三部分：阳极区、弧柱区、阴极区主要讨论阳极区、阴极区的热量对焊丝的熔化作用。,阴极区PK=I(UK-Uw-UT)阳极区PA=I(UA+Uw+UT)都与电流成正比。当弧柱的温度为6000K时，UT小于1V。当电流密度较大时UA近似为零。则以上公式可简化：PK=I(UK-Uw)PA=IUw即产热主要取决于Uk和Uw,讨论1、熔化极电弧焊焊丝为阴极Pk与PA大小关系？2、TIG焊Pk与PA大小关系？,焊丝还受到电阻热的作用。尤其是细焊丝及电阻系数大的材料，其电阻热的作用较大。因此，用于加热和熔化焊丝的总热量：Pm=I(Um+IRs),二、影响焊丝熔化速度的因素焊丝的熔化速度是随着焊丝的牌号、电流的种类（交流、直流和极性）而异的，受焊接规范参数及焊丝表面状态的影响很大。熔化系数（meltingcoefficient）m：单位电流、单位时间内焊丝的熔化量。（g/Ah）又称比熔化量。,1、电流和电压对熔化速度的影响熔化速度随着焊接电流成正比例变化。,右图是铝焊丝的熔化速度与焊接电流之间的关系。不管焊丝直径多少，熔化速度随着焊接电流成正比例变化。直线的斜率就是熔化系数（比熔化量）。,电弧电压对熔化速度的影响作用不大。当电流一定时，即使弧长（电弧电压）改变，焊条熔化速度几乎不会发生变化。特别是电弧电压较高时，电弧电压对焊丝熔化速度影响不大。在弧压较低的范围内，弧压变小，焊丝的熔化速度会增加。,铝焊丝熔化速度与焊接电流及电弧电压（电弧长度）的关系,2、气体介质对焊丝熔化速度的影响影响作用比较复杂。不同气体介质直接影响阴极压降的大小和焊接电弧产热的多少。,120,160,200,240,1,1.5,2,kg/h,A,焊接电流,熔化速度,He,Ar,2328V,1520V,右图，分别是He气、Ar气，焊丝直径1.6mm，铝焊丝。,熔化极气体保护焊时，Ar与CO2不同气体混合比的混合气体对焊丝熔化速度的影响如何？,焊丝极性及混合气体比对熔化速度的影响,1）焊丝接正，熔化速度与气氛关系不大。2）焊丝接负，熔化速度大于接正的情况，且随气氛的变化大。为什么？,原因一：阴极区产热Pk=I(Uk-Uw)阳极区产热PA=IUw即阴极区产热主要取决于Uk和Uw阳极区产热主要取决于Uw,1）UkUw,2）Uk与气体成分有很大关系,气体混合成份影响熔滴的过渡形式，过渡形式又影响着熔滴的加热及焊丝的熔化。,原因二：,3、电阻热的影响,考虑焊丝电阻热和端面电弧热共同作用时的温度分布曲线示意图。横坐标：离导电嘴端面的距离。ABC是电阻热决定的温升曲线（50S以前），电弧端面的温升只有CS=580CDEF是由电弧端面热传导决定的温升曲线。曲线AGF是由ABC和DEF合成的，表示焊丝的实际温度分布。已知电弧端面的总的温度HS=1535C则：FS=1535-580=955C,对于电阻系数较大的金属焊丝，电阻热对焊丝熔化速度的影响非常明显，一般焊丝伸出长度增大，导致电阻热增加，预热温度升高，使得焊丝的熔化速度增大。,电流/A,干伸长度/mm,熔化速度（m/min）,不锈钢焊丝熔化速度与电流的关系,干伸长度对不锈钢焊丝熔化速度的影响,熔化速度（m/min）,3-2熔滴过渡形式及其作用力,一、熔滴上的作用力焊丝端部熔化金属所受到的作用力有：1、表面张力；2、重力；3、电磁收缩力；4、斑点压力；5、等离子流力；6、爆破力。,（一）表面张力表面张力是使熔滴保持在焊丝端部的主要作用力。在电流非常小的情况下（即电磁收缩力，等离子流力很小），作用于焊丝端部熔滴的力主要是重力和表面张力。如果忽略其它力的影响作用，熔滴的受力状态，表面张力与重力平衡。,表面张力F=2R表面张力系数。,纯金属的表面张力系数,例：直径1.6mm钢焊丝，已知=1200*10-3N/m求熔滴重量？如假设熔滴为球状，求熔滴直径？(已知密度=7.6g/cm3),解：Fg=Fmg=2R,在熔滴上具有少量的表面活化物质时，可以大大降低表面张力系数。纯铁被氧饱和后表面张力系数为1030*10-3N/m,液态金属表面张力随温度的变化,(二)重力重力如果重力Fg表面张力F，熔滴将过渡到熔池中去。,如果采用同样直径的焊丝，即R一定，由于表面张力系数和密度不同，其熔滴形态也不同。,越大，则过渡的熔滴越细。,（三）电磁力电磁力是具有方向和大小的矢量，设作用在单位体积上的力Fm(N/m3)，则有公式：Fm=J*BJ电流密度（A/m2）B磁力线密度（Wb/m2）电磁力的方向总是从小截面指向大截面。,熔滴短路,扩展电弧,收缩电弧,电磁力的计算公式,a熔滴半径，b焊丝半径，asin阳极半径,1）阳极区直径大于焊丝直径，Fm为正，则电磁力促进熔滴脱落。2）阳极区直径小于焊丝直径，Fm为负，则电磁力阻碍熔滴脱落。,（四）等离子流力等离子流力与电流的大小有关，电流较大时，高速等离子流将对熔滴产生很大的推力，使熔滴沿焊丝轴线方向运动。促进熔滴过渡到熔池中去。如果减小电流，等离子流速降低，为了克服表面张力，熔滴尺寸将增大，而随着熔滴尺寸的增大，电流分布范围也将相应变大（电流密度减小），因此等离子流流速进一步降低。因此，当电流减小时，发生脱落所必须的熔滴尺寸急剧增加。所以，一般认为存在一个临界电流。,（四）爆破力,缩颈,2、短路过渡形成的缩颈，缩颈处电流密度大，能量高，使小桥爆破。,1、冶金反应形成气体爆破。如CO2焊，气体膨胀使熔滴爆破。,*熔池金属受到的力,等离子流力,表面张力,电磁收缩力,金属浮力,二、熔滴过渡主要形式及其特点（一）熔滴过渡的分类（metaltransfer）主要分为三种类型（按照InternationalInstituteofWelding分类）：自由过渡熔滴经电弧空间自由飞行，焊丝端部和熔池之间不发生直接接触。接触过渡焊丝端部的熔滴与熔池表面通过接触而过渡。渣壁过渡手工电弧焊或埋弧焊时，焊条或焊丝端部的熔滴金属，沿药皮套筒壁面或熔渣壁面流向熔池的一种过渡形式。,（二）自由过渡(freetransfer),滴状过渡,喷射过渡,大滴过渡,细颗粒过渡,射滴过渡,射流过渡,亚射流过渡,旋转射流过渡,爆炸过渡,排斥过渡,(spraytransfer),(explosivetransfer),(droptransfer),电流较小，电弧电压较高时。弧长较长，使熔滴不易与熔池短路。且电流较小，熔滴与焊丝之间的电磁力不易使熔滴形成缩颈，等离子流力也不大，另外斑点直径小于熔滴直径，使得斑点压力阻碍熔滴过渡，只用靠重力克服表面张力的作用。,小电流，高弧压，CO2焊,焊接电流增加，电磁力增加，使熔滴细化，熔滴过渡频率也增加。熔滴尺寸大于焊丝直径，电弧形态与大滴过渡相似。实际应用中，1.6mm焊丝，400A就是这种过渡形式。,熔滴直径接近焊丝直径，熔滴脱落时加速度大于重力加速度。电弧呈钟罩形。从滴状过渡到射滴过渡，需要一定的电流，即临界电流。,电流进一步加大，电弧阳极斑点笼罩的面积逐渐扩大，电弧形态呈“铅笔尖”状。熔滴一个接一个向熔池过渡。,铝合金MIG焊，介于短路与射滴之间的一种过渡形式。弧长较短，熔滴与焊丝之间形成缩颈，并与熔池短路。,焊丝伸出长度大，电流比射流临界电流大很多，电磁收缩力大，使得液态金属增加，射流过渡的细滴高速喷出，起反作用力使金属液柱旋转。这种过渡方式不稳定，焊缝成形不良，飞溅严重。,产生跳弧的最小电流称为射流过渡的临界电流。例如，图中所示的工艺条件下，当电流由255A增加到265A时，熔滴过渡频率从15突增到240，熔滴直径由4mm降到1mm。当电流超过265A时，熔滴过渡频率增加不多，故265A可作为上述焊接条件下射流过渡的临界电流值。,高电压，小电流，MIG焊,高电压，小电流，CO2焊,（三）接触过渡(contacttransfer)熔滴通过与熔池表面接触后形成的过渡形式。,搭桥过渡（非熔化极填丝）,短路过渡（shor