山大焊接物理冶金课件1-接头的形成幻灯片

1、 1、焊接电弧简介 1.1 1.1 电弧基本概念电弧基本概念 1.2 1.2 电弧的产热电弧的产热 1.3 1.3 电弧的温度分布电弧的温度分布 1.4 1.4 电弧的能量密度电弧的能量密度 焊条电弧示意图 1.1 1.1 电弧的基本概念电弧的基本概念 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 定义：定义：电弧是一种特殊的气体放电现象，它是带电粒电弧是一种特殊的气体放电现象，它是带电粒 子通过两电极之间气体空间的一种导电过程子通过两电极之间气体空间的一种导电过程( (电极与电极与 工件之间气体介质中长时间的放电现象工件之间气体介质中长时间的放电现象) )。 作用：作用：实现了将

2、电能转化为机械能、热能和光能。实现了将电能转化为机械能、热能和光能。 电弧导电机制电弧导电机制: 与金属中自由电子定与金属中自由电子定 向移动导电机制不同的是向移动导电机制不同的是, 电弧中电子、正离子、负电弧中电子、正离子、负 离子都参与导电离子都参与导电, 是复杂是复杂 的导电过程。的导电过程。 1.1 1.1 电弧的基本概念电弧的基本概念 电弧示意图 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 1.1 1.1 电弧的基本概念电弧的基本概念 分区：分区：沿电弧方向电场强沿电弧方向电场强 度分布不均匀度分布不均匀, ,分为三个分为三个 区域区域: : 阴极区、阳极区和阴极区、阳

3、极区和 弧柱区。弧柱区。 (1)(1)阴极、阳极区尺寸很阴极、阳极区尺寸很 小，约为小，约为1010-2 -2-10 -10-6 -6 cm cm (2)(2)电场分布的不均匀性电场分布的不均匀性 表明电弧电阻的非线性。表明电弧电阻的非线性。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 1.2 1.2 电弧的产热电弧的产热 1 1、弧柱产热、弧柱产热( (约占总热量的约占总热量的21%21%) ) 产热机制：产热机制： 带电粒子（电子和正离子）在电场的作用下，带电粒子（电子和正离子）在电场的作用下， 将电能转化成为热能：将电能转化成为热能： 电子的运动速度比正离子运动速度大得多，

4、因电子的运动速度比正离子运动速度大得多，因 而从电源吸取电能转化为热能的作用几乎完全由电而从电源吸取电能转化为热能的作用几乎完全由电 子来承担，进而将电能转化为热能。子来承担，进而将电能转化为热能。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 1.2 1.2 电弧的产热电弧的产热 1 1、弧柱产热、弧柱产热( (约占总热量的约占总热量的21%21%) ) 特征：特征： (1) (1) 单位弧长弧柱的电能单位弧长弧柱的电能EIEI大小决定了弧柱大小决定了弧柱 产热量的大小。产热量的大小。 (2)(2)电弧处于稳定状态时，弧柱的产热与弧柱电弧处于稳定状态时，弧柱的产热与弧柱 的热损失

5、（对流的热损失（对流80%,80%,传导和热辐射：传导和热辐射：20%20%）处）处 于动态平衡状态。于动态平衡状态。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 1.2 1.2 电弧的产热电弧的产热 2 2、阴极区的产热、阴极区的产热( (约占总热量的约占总热量的36%36%) ) 机制：机制： 阴极区靠近电极或者工件，其产热直接影响焊阴极区靠近电极或者工件，其产热直接影响焊 接过程中电极或者工件所受到的热的作用。接过程中电极或者工件所受到的热的作用。 阴极区有两种粒子：电子和正离子阴极区有两种粒子：电子和正离子, , 这两种粒这两种粒 子不断的产生、运动和消失子不断的产生、运

6、动和消失, , 同时伴随着能量转换同时伴随着能量转换 与传递。但电子流占整个电流的与传递。但电子流占整个电流的99%99%以上以上, , 所以所以 电子流对于阴极产热影响很大。电子流对于阴极产热影响很大。 Pk=IUk-IUw-IUT Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 1.2 1.2 电弧的产热电弧的产热 3 3、阳极区的产热( (约占总热量的约占总热量的43%43%) ) Pa=IUa+IUw+IUT 热量主要用于对阳极的加热和阳极的热量热量主要用于对阳极的加热和阳极的热量 损失。损失。 阳极区和阴极区的热量主要用于加阳极区和阴极区的热量主要用于加 热填充材料或者焊件

7、，是焊接过程可以热填充材料或者焊件，是焊接过程可以 直接利用的能量。直接利用的能量。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 1.3 1.3 电弧的温度分布电弧的温度分布 电弧温度、电流密度和能量密度轴向分布示意图 能量密度电流密度温度 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 1.3 1.3 电弧的温度分布电弧的温度分布 TIG电弧温度径向分布示意图(SUS304不锈钢) Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 MIG电弧温度分布(SUS304不锈钢) 1.3 1.3 电弧的温度分布电弧的温度分布 t: 20 ms, Max. temper

8、ature: 20860 KVariation with time Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 t: 20 ms, Max. temperature: 19600 K 1.3 1.3 电弧的温度分布电弧的温度分布 MAG电弧温度分布(SUS304不锈钢) Variation with time Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 三、能量密度三、能量密度 采用某热源加热工件时采用某热源加热工件时, , 单位面积上的有效热单位面积上的有效热 功率功率, , 单位为：单位为：W/cmW/cm2 2。 1.4 1.4 电弧的能量密度电弧的能量密度

9、同一工艺在不同的位同一工艺在不同的位 置上的能量密度也不置上的能量密度也不 同同; ; 能量密度大的时候能量密度大的时候, , 可可 有效利用热源熔化金有效利用热源熔化金 属属, ,并减小热影响区并减小热影响区, , 获获 得窄而深的焊缝得窄而深的焊缝, ,有利有利 于提高焊接生产率。于提高焊接生产率。Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 2、焊丝(条)的加热与熔化 2.1 2.1 焊丝的加热焊丝的加热 2.2 2.2 焊条的加热焊条的加热 2.3 2.3 焊丝的熔化焊丝的熔化 2.4 2.4 焊条的熔化焊条的熔化 2.2 2.2 焊丝的加热焊丝的加热 u熔化极电弧焊：焊丝

10、的熔化主要依靠阴极熔化极电弧焊：焊丝的熔化主要依靠阴极 区区(正接正接)或者阳极区或者阳极区(反接反接)产生的热量以产生的热量以 及焊丝伸出长度上的电阻热。弧柱区产生及焊丝伸出长度上的电阻热。弧柱区产生 的热量对于焊丝的加热熔化作用比较小。的热量对于焊丝的加热熔化作用比较小。 u非熔化极电弧焊：弧柱区产热熔化焊丝。非熔化极电弧焊：弧柱区产热熔化焊丝。 u熔化系数：单位时间内通过单位电流时焊熔化系数：单位时间内通过单位电流时焊 丝的熔化量丝的熔化量g/(A.h) Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 2.2 2.2 焊丝的加热焊丝的加热 一、电弧热一、电弧热 u阴极区：阴极区

11、：P Pk k= =IUIUk k- -IUIUw w- -IU IUT T I I( (UUk k- -UUw w) ) UUk k阴极压降阴极压降; ; UUw w逸出电压 逸出电压; ;UUT T弧柱温度等效电弧柱温度等效电 压压( (电弧温度电弧温度6000K6000K时时: : 小于小于1V)1V)。 焊丝接负时：焊丝接负时： 焊丝的加热与熔化取决于焊丝的加热与熔化取决于( (UUk k- -UUw w) )。很多因 。很多因 素影响阴极电子发射，即影响的素影响阴极电子发射，即影响的UUk k大小。大小。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 2.2 2.2 焊丝

12、的加热焊丝的加热 一、电弧热一、电弧热 u阳极区：阳极区：P Pa a=IU=IUa a+IU+IUw w+IU +IUT TIUIUw w UUa a阳极压降阳极压降( (电流密度较大时：近似为电流密度较大时：近似为0);0); UUw w逸出电压 逸出电压; U; UT T弧柱温度等效电压弧柱温度等效电压( (电弧温度电弧温度 6000K6000K时：小于时：小于1V )1V )。 焊丝接正时：主要取决于材料的电子逸出电压焊丝接正时：主要取决于材料的电子逸出电压 和电流的大小。当电流一定时，由于电子逸和电流的大小。当电流一定时，由于电子逸 出电压为常数，此时焊丝熔化系数为定值出电压为常数，

13、此时焊丝熔化系数为定值 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 2.2 2.2 焊丝的加热焊丝的加热 熔化极气体保护焊时，焊丝材料为熔化极气体保护焊时，焊丝材料为 冷阴极材料，冷阴极材料，UUk kUUw w ，则 ，则P Pk k P Pw w。所 。所 以，同种材料，在相同的电流的作用下，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，所以焊时产热多。因为散热条件相近，所以焊 丝接负丝接负( (正接正接) )时比焊丝接正时比焊丝接正( (反接反接) )时熔化时熔化 快。快。 Part

14、II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 2.2 2.2 焊丝的加热焊丝的加热 二、电阻热二、电阻热 在自动和半自动焊时，从焊丝与导电嘴接在自动和半自动焊时，从焊丝与导电嘴接 触点到焊丝端头的一段焊丝（即焊丝伸出长度，触点到焊丝端头的一段焊丝（即焊丝伸出长度， 称为干伸长，用称为干伸长，用L Ls s表示）有焊接电流通过，所表示）有焊接电流通过，所 产生的电阻热对焊丝有预热作用，从而影响焊产生的电阻热对焊丝有预热作用，从而影响焊 丝的熔化速度。特别是焊丝比较细和焊丝的电丝的熔化速度。特别是焊丝比较细和焊丝的电 阻系数比较大时（如不锈钢），这种影响更加阻系数比较大时（如不锈钢），这种影响更

15、加 明显。明显。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 2.2 2.2 焊丝的加热焊丝的加热 Rs=Ls /S PR=I2Rs 电阻热与干伸长的电阻以及通过的电流有关电阻热与干伸长的电阻以及通过的电流有关; 材料不同，则电阻率不同，相应的电阻就会不材料不同，则电阻率不同，相应的电阻就会不 同；因此在相同干伸长，相同电流条件下，电同；因此在相同干伸长，相同电流条件下，电 阻热也不同。阻热也不同。 焊丝伸出长度上的温度分布示意图焊丝伸出长度上的温度分布示意图 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 2.2 2.2 焊丝的加热焊丝的加热 u熔化极气体保护焊时，通

16、常焊丝伸出长度熔化极气体保护焊时，通常焊丝伸出长度L Ls s 1030mm1030mm，对于导电良好的铝和铜等金，对于导电良好的铝和铜等金 属，属，P PR R与与P Pa a或或P Pk k相比很小，可以忽略不计；相比很小，可以忽略不计； 而对于钢和钛等材料，电阻率高，而对于钢和钛等材料，电阻率高， P PR R与与P Pa a 或或P Pk k相比很大。相比很大。 u用于加热和熔化焊丝的总热量用于加热和熔化焊丝的总热量P Pm m是单位时 是单位时 间内电弧热和电阻热提供的能量。间内电弧热和电阻热提供的能量。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 2.3 2.3 焊条

17、的加热焊条的加热 手工电弧焊时，加热和熔化焊条的能量有：电阻热、手工电弧焊时，加热和熔化焊条的能量有：电阻热、 电弧热以及药皮中的某些化学反应，但后者一般仅占电弧热以及药皮中的某些化学反应，但后者一般仅占 13%13%，可以忽略不计。，可以忽略不计。 焊条的加热主要靠电弧热，电弧用于加热和熔化焊焊条的加热主要靠电弧热，电弧用于加热和熔化焊 条的功率条的功率QQe e为：为：QQe e e eUIUI。式中式中: : e e、UU、I I分别为焊分别为焊 条加热有效系数、电压和电流。条加热有效系数、电压和电流。 焊条加热有效系数取决于焊接规范、电流极性、药焊条加热有效系数取决于焊接规范、电流极性

18、、药 皮成分和焊芯金属的过渡形态。焊丝皮成分和焊芯金属的过渡形态。焊丝: : e e0.310.35; 0.310.35; 焊条焊条:e e0.20.270.20.27。 QQe e中有一部分能量用于熔化药皮、焊芯端部液态金中有一部分能量用于熔化药皮、焊芯端部液态金 属过热以及传导到焊芯里使其与药皮温度升高。属过热以及传导到焊芯里使其与药皮温度升高。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 2.3 2.3 焊条的加热焊条的加热 SMAW: SMAW: 焊接电流通过焊芯时产生电阻热焊接电流通过焊芯时产生电阻热, , 将使将使 药皮温度升高。焊芯和药皮的加热温度取决于药皮温度升高

19、。焊芯和药皮的加热温度取决于 电流密度、焊芯电阻、焊芯的熔化速度、药皮电流密度、焊芯电阻、焊芯的熔化速度、药皮 厚度及其成分等。厚度及其成分等。 l电流密度越大，焊芯达到温升越高。调节焊接电流密度越大，焊芯达到温升越高。调节焊接 电流密度是控制焊芯加热温度的有效办法。电流密度是控制焊芯加热温度的有效办法。 l焊芯的电阻越大，其温升越高。焊芯的电阻越大，其温升越高。 l焊条熔化越快，加热时间越短，其温升越低。焊条熔化越快，加热时间越短，其温升越低。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 2.3 2.3 焊条的加热焊条的加热 l药皮的成分和厚度影响焊芯表面的散热条件。药皮的成分

20、和厚度影响焊芯表面的散热条件。 药皮厚度增加，药皮表面的温度直线下降，但药皮厚度增加，药皮表面的温度直线下降，但 增加了焊芯与药皮之间的温差，增加了药皮开增加了焊芯与药皮之间的温差，增加了药皮开 裂的倾向。裂的倾向。 研究表明，调整药皮的成分，使焊条金属研究表明，调整药皮的成分，使焊条金属 由短路过渡变成细颗粒过渡，可提高焊条的熔由短路过渡变成细颗粒过渡，可提高焊条的熔 化速度，降低焊接终了时药皮的温度。化速度，降低焊接终了时药皮的温度。 焊条的药皮一直是焊条研究的热点，到目焊条的药皮一直是焊条研究的热点，到目 前为止焊条药皮已有上万个配方。前为止焊条药皮已有上万个配方。 Part II Pa

21、rt II 焊接化学冶金焊接化学冶金 2.3 2.3 焊条的加热焊条的加热 严格控制焊芯或药皮的加热温度严格控制焊芯或药皮的加热温度, , 焊接结束时焊接结束时, , 焊芯的温度不应超过焊芯的温度不应超过600650600650 C C。采用正常焊。采用正常焊 接规范接规范, , 药皮表面温升不大药皮表面温升不大, ,但采用大电流密度施但采用大电流密度施 焊时焊时, , 药皮温度升高药皮温度升高, , 将产生不良后果：将产生不良后果： l焊芯在电弧作用下熔化过分激烈焊芯在电弧作用下熔化过分激烈, , 飞溅增加飞溅增加; ; l药皮开裂，或早脱落使电弧不稳定燃烧药皮开裂，或早脱落使电弧不稳定燃烧

22、; ; l药皮组分之间过早发生发应，丧失其冶金性能药皮组分之间过早发生发应，丧失其冶金性能; ; l焊缝成形变坏，甚至产生缺陷。焊缝成形变坏，甚至产生缺陷。 不锈钢焊条比较短：不锈钢电阻大。不锈钢焊条比较短：不锈钢电阻大。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 2.4 2.4 焊丝的熔化焊丝的熔化 u焊丝的熔化速度：单位时间内，熔化焊丝的熔化速度：单位时间内，熔化 焊丝的长度。焊丝的长度。 u焊丝的熔化特性：焊丝的熔化速度与焊丝的熔化特性：焊丝的熔化速度与 焊接条件密切相关，与材料、焊接极焊接条件密切相关，与材料、焊接极 性、电流密度、电弧电压、保护气成性、电流密度、电弧电

23、压、保护气成 分、干伸长等有关。分、干伸长等有关。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 2.4 2.4 焊丝的熔化焊丝的熔化 u材料不同：电阻率、熔化系数不同材料不同：电阻率、熔化系数不同 u伸出长度：电阻不同伸出长度：电阻不同 u焊丝直径：电阻不同、导热能力不同焊丝直径：电阻不同、导热能力不同 铝焊丝熔化速度与电流的关系铝焊丝熔化速度与电流的关系 不锈钢焊丝熔化速度与电流的关系不锈钢焊丝熔化速度与电流的关系 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 2.5 2.5 焊条的熔化焊条的熔化 焊条的熔化速度是焊接生产效率重要的参数焊条的熔化速度是焊接生产效率重

24、要的参数, , 试试 验表明验表明, , 焊条金属的熔化速度是变化的焊条金属的熔化速度是变化的: : 由于电流对由于电流对 焊芯的预热作用焊芯的预热作用, , 焊芯的熔化速度将越来越快焊芯的熔化速度将越来越快, , 终了终了 时要比开始时大时要比开始时大3030。因此。因此, , 焊条的熔化速度分为焊条的熔化速度分为 平均熔化速度和瞬时熔化速度。平均熔化速度和瞬时熔化速度。 式中式中: gM、 p 、I分别为焊条金属平均熔化速度、焊分别为焊条金属平均熔化速度、焊 条的熔化系数和焊接电流。条的熔化系数和焊接电流。 p的意义为单位时间内的意义为单位时间内 单位电流熔化的焊条金属的质量单位电流熔化的

25、焊条金属的质量g/hA。 Ig pM Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 2.5 2.5 焊条的熔化焊条的熔化 熔化的焊条金属并不是全部进入焊缝，而是有熔化的焊条金属并不是全部进入焊缝，而是有 一部分通过飞溅等方式损失掉，引入一部分通过飞溅等方式损失掉，引入“平均熔敷速平均熔敷速 度度”的概念，用的概念，用“单位时间内熔覆到焊缝金属中去单位时间内熔覆到焊缝金属中去 的那部分金属的质量的那部分金属的质量”表示。表示。 式中式中: gD、 H 、I分别为焊条金属平均熔化速度、焊分别为焊条金属平均熔化速度、焊 条的熔敷系数和焊接电流。条的熔敷系数和焊接电流。 电流密度较大时，电

26、流密度较大时， P和和H 都不是常数。都不是常数。 Ig HD Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 2.5 2.5 焊条的熔化焊条的熔化 M D M DM g g g gg 1 焊条的损失系数：焊条的损失系数： 如果药皮中含有金属添加剂，设其单位时间内如果药皮中含有金属添加剂，设其单位时间内 进入焊缝的速度为进入焊缝的速度为 gC, 则焊条的损失系数为：则焊条的损失系数为： CM D CM DCM gg g gg ggg 1 药皮中金属添加剂可以减少焊芯金属的损失。药皮中金属添加剂可以减少焊芯金属的损失。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 2.5

27、2.5 焊条的熔化焊条的熔化 焊条的瞬时熔化速度取决于两方面焊条的瞬时熔化速度取决于两方面 的因素：一是电弧在焊芯或焊丝端部析的因素：一是电弧在焊芯或焊丝端部析 出的热能，另一个就是通过熔滴传递到出的热能，另一个就是通过熔滴传递到 焊芯或焊丝内的能量。前者越大，瞬时焊芯或焊丝内的能量。前者越大，瞬时 熔化速度越快；反之，越慢。后者越大，熔化速度越快；反之，越慢。后者越大， 瞬时熔化速度越慢，反之，越快。瞬时熔化速度越慢，反之，越快。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 2.5 2.5 焊条的熔化焊条的熔化 提高焊条熔化速度的主要途径：提高焊条熔化速度的主要途径： 1. 增

28、加电弧在焊条端部析出的热功率；增加电弧在焊条端部析出的热功率； 2. 获得高频细滴过渡获得高频细滴过渡传到焊芯上的能量减少；传到焊芯上的能量减少； 3.使电弧活性斑点位于固态焊丝与熔滴的界面使电弧活性斑点位于固态焊丝与熔滴的界面 处处有效加热有效加热； 4. 在药皮中加入铁粉或其他金属添加剂；在药皮中加入铁粉或其他金属添加剂； 5.适当增加电阻热的作用适当增加电阻热的作用预热预热。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 3、熔滴过渡 3.1 3.1 熔滴过渡的定义、意义熔滴过渡的定义、意义 3.2 3.2 熔滴上的作用力熔滴上的作用力 3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴

29、过渡的主要形式 3.4 3.4 熔滴的特征参数熔滴的特征参数 3.1 3.1 熔滴定义、研究意义熔滴定义、研究意义 熔滴过渡的定义：熔滴过渡的定义： 电弧焊时，焊丝的末端在电弧的高温作用电弧焊时，焊丝的末端在电弧的高温作用 下加热熔化，形成的熔滴通过电弧空间向熔池下加热熔化，形成的熔滴通过电弧空间向熔池 转移的过程，称为熔滴过渡。转移的过程，称为熔滴过渡。 焊丝形成的熔滴作为填充金属与熔化的母焊丝形成的熔滴作为填充金属与熔化的母 材共同形成焊缝。因此，熔滴的过渡过程将对材共同形成焊缝。因此，熔滴的过渡过程将对 焊接过程和焊缝质量产生直接的影响。焊接过程和焊缝质量产生直接的影响。 Part II

30、 Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 3.1 3.1 熔滴定义、研究意义熔滴定义、研究意义 熔滴过渡的研究意义熔滴过渡的研究意义 熔滴过渡直接影响焊接过程的稳定性、飞溅程度、焊熔滴过渡直接影响焊接过程的稳定性、飞溅程度、焊 缝成形的优劣和焊接缺陷产生的可能性缝成形的优劣和焊接缺陷产生的可能性;( ;(工艺性能工艺性能) ) 熔滴的形态、长大时间、比表面积和温度对金属与熔熔滴的形态、长大时间、比表面积和温度对金属与熔 渣和气体的相互作用过程具有强烈影响渣和气体的相互作用过程具有强烈影响;( ;(物理冶金性能物理冶金性能) ) 在一定条件下改变熔滴过渡的特性可以调节焊接热输在一定条件下改变熔

31、滴过渡的特性可以调节焊接热输 入，从而可以控制焊缝金属的结晶过程，改变入，从而可以控制焊缝金属的结晶过程，改变HAZHAZ的尺的尺 寸和性能寸和性能;( ;(冶金过程冶金过程) ) 调整熔滴过渡可以提高焊丝的熔化速度。调整熔滴过渡可以提高焊丝的熔化速度。( (生产效率生产效率) ) Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 3.2 3.2 熔滴上的作用力熔滴上的作用力 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 焊条端部熔滴上各种力示意图焊条端部熔滴上各种力示意图 1-1-粘滞力粘滞力 2-2-气体膨胀力和吹力气体膨胀力和吹力 3-3-惯性力惯性力 4-4-材料蒸

32、发斥力材料蒸发斥力 5-5-等离子体吸力等离子体吸力 7-7-静电力静电力 8-8-表面张力表面张力 9-9-电磁收缩力电磁收缩力 10-10-重力重力 3.2 3.2 熔滴上的作用力熔滴上的作用力 u表面张力表面张力 在焊条端头上主要保持在焊条端头上主要保持 熔滴的作用力。熔滴的作用力。 熔滴上的重力和表面张力熔滴上的重力和表面张力 RF2 表面张力系数表面张力系数 与材料成分、温度、与材料成分、温度、 气体介质等因素有关气体介质等因素有关 熔滴半径熔滴半径 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 3.2 3.2 熔滴上的作用力熔滴上的作用力 u 平焊时，表面张力阻碍熔滴过

33、渡，因平焊时，表面张力阻碍熔滴过渡，因 此只要能使此只要能使F减小的措施，都有利于平减小的措施，都有利于平 焊时的熔滴过渡。焊时的熔滴过渡。 熔滴上的重力和表面张力熔滴上的重力和表面张力 u 使用小直径焊使用小直径焊 丝可以达到减小表丝可以达到减小表 面张力的目的面张力的目的 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 3.2 3.2 熔滴上的作用力熔滴上的作用力 u在液滴上有少量的表面活性物质时，可以在液滴上有少量的表面活性物质时，可以 降低表面张力系数。在液态钢中，最大的降低表面张力系数。在液态钢中，最大的 表面活化物质是表面活化物质是O和和S，纯铁被氧饱和后，纯铁被氧饱和后

34、， 表面张力系数由表面张力系数由1220 10-3N/m变为变为 1030 10-3N/m。影响这些杂质含量的各。影响这些杂质含量的各 种因素（金属的脱氧程度、渣的成分等）种因素（金属的脱氧程度、渣的成分等） 都会影响熔滴的过渡。都会影响熔滴的过渡。 u增加熔滴温度会降低金属的表面张力系数，增加熔滴温度会降低金属的表面张力系数， 从而减小熔滴尺寸。从而减小熔滴尺寸。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 3.2 3.2 熔滴上的作用力熔滴上的作用力 u重力重力 当焊丝直径较大而电流较小时当焊丝直径较大而电流较小时, 在平在平 焊位置的情况下焊位置的情况下, 使熔滴脱离焊丝的

35、使熔滴脱离焊丝的 力主要是重力。重力大于表面张力力主要是重力。重力大于表面张力 时时, 熔滴就要脱离焊丝。熔滴就要脱离焊丝。 熔滴上的重力和表面张力熔滴上的重力和表面张力 3 3 4 RgmgFg : 熔滴密度熔滴密度; R: 焊丝半径焊丝半径 立焊和仰焊时立焊和仰焊时, 重力阻碍熔滴过渡。重力阻碍熔滴过渡。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 3.2 3.2 熔滴上的作用力熔滴上的作用力 电弧力电弧力 u电磁力电磁力 u等离子流力等离子流力 u斑点压力斑点压力 u熔滴爆破力熔滴爆破力 u电弧的气体吹力电弧的气体吹力 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶

36、金 3.2 3.2 熔滴上的作用力熔滴上的作用力 1.焊丝焊丝, 2、4.电磁轴向分力电磁轴向分力, 3.电流线电流线, 5.电弧电弧 电磁力分布电磁力分布 电磁力电磁力 电流通过熔滴时电流通过熔滴时, , 导导 体体( (熔化焊条件下熔化焊条件下, , 焊丝焊丝- -熔熔 滴滴- -电极斑点电极斑点- -弧柱之间弧柱之间) )的的 截面是变化的截面是变化的, , 将产生电将产生电 磁力的轴向分力磁力的轴向分力, , 其方向其方向 总是从小截面指向大截面总是从小截面指向大截面, , 此时电磁力可以分为径向此时电磁力可以分为径向 和轴向两个分力。和轴向两个分力。 Part II Part II

37、焊接化学冶金焊接化学冶金 3.2 3.2 熔滴上的作用力熔滴上的作用力 电磁力对熔滴过渡的影响取决于电弧电磁力对熔滴过渡的影响取决于电弧 形态，如果弧根面积笼罩整个熔滴，此处形态，如果弧根面积笼罩整个熔滴，此处 的电磁力促进熔滴过渡；如果弧根面积小的电磁力促进熔滴过渡；如果弧根面积小 于熔滴直径，此处电磁力形成斑点压力的于熔滴直径，此处电磁力形成斑点压力的 一部分阻碍熔滴过渡。一部分阻碍熔滴过渡。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 3.2 3.2 熔滴上的作用力熔滴上的作用力 u等离子流力等离子流力 在电弧中由于电弧推力引起高温气流的运动在电弧中由于电弧推力引起高温气流

38、的运动 形成的力。电流较大时，高速等离子气流将对熔形成的力。电流较大时，高速等离子气流将对熔 滴产生很大的推力，使之沿焊丝轴线方向运动，滴产生很大的推力，使之沿焊丝轴线方向运动， 亦即等离子流力总有是有利于熔滴过渡。亦即等离子流力总有是有利于熔滴过渡。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 3.2 3.2 熔滴上的作用力熔滴上的作用力 u斑点压力斑点压力 电极形成斑点时，受到电子电极形成斑点时，受到电子( (反接反接) )或正离子或正离子 ( (正接正接) )的撞击力、金属蒸发反冲作用力以及电磁收的撞击力、金属蒸发反冲作用力以及电磁收 缩力等力的作用而形成斑点压力。斑点面积

39、比较缩力等力的作用而形成斑点压力。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，斑点压力促进积比较大的时候，笼罩整个熔滴，斑点压力促进 熔滴过渡。熔滴过渡。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 3.2 3.2 熔滴上的作用力熔滴上的作用力 u熔滴爆破力熔滴爆破力 当熔滴内部因冶金反应而生成气体或者含有易当熔滴内部因冶金反应而生成气体或者含有易 蒸发金属时蒸发金属时, , 在电弧高温的作用下在电弧高温的作用下, , 使气体体积膨使气体体积膨 胀而产生的内压力胀而产生的内压力, , 致使熔滴爆

40、炸而过渡致使熔滴爆炸而过渡, , 这一内这一内 压力称为熔滴爆破力；当短路过渡焊接时，在电压力称为熔滴爆破力；当短路过渡焊接时，在电 磁力及表面张力的作用下形成缩颈，在其中通过磁力及表面张力的作用下形成缩颈，在其中通过 大电流时使液桥爆破形成熔滴过渡，在液桥爆破大电流时使液桥爆破形成熔滴过渡，在液桥爆破 的过程中将产生很大的爆破力。熔滴爆破力促进的过程中将产生很大的爆破力。熔滴爆破力促进 熔滴过渡，但产生飞溅。熔滴过渡，但产生飞溅。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 3.2 3.2 熔滴上的作用力熔滴上的作用力 u电弧的气体吹力电弧的气体吹力 在在SMAWSMAW中，焊

41、条药皮中的造气剂、碳元素氧中，焊条药皮中的造气剂、碳元素氧 化而形成的从电弧根部吹向工件的力。此力有利化而形成的从电弧根部吹向工件的力。此力有利 于熔滴过渡。于熔滴过渡。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 3.2 3.2 熔滴上的作用力熔滴上的作用力 电弧力只有在焊接电流较大的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，时候，才对熔滴过渡起主要作用， 此时，高速等离子流力对熔滴产生此时，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；很大的推力，使之沿轴线方向运动； 电流小时，重力和表面张力起主要电流小时，重力和表面张力起主要 作用。作用。 Pa

42、rt II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式 按照熔滴过渡形式可分为按照熔滴过渡形式可分为3 3类类: : 自由过渡自由过渡 接触过渡接触过渡 渣壁过渡渣壁过渡 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式 自由过渡自由过渡： 熔滴经电弧空间自由飞行，焊丝的端头和熔熔滴经电弧空间自由飞行，焊丝的端头和熔 池不发生直接接触。主要发生在池不发生直接接触。主要发生在GMAWGMAW中。主要中。主要 有以下几种类型：有以下几种类型： 细颗粒过渡细颗粒过渡 滴状过渡滴状过渡 喷

43、射过渡喷射过渡 爆炸过渡爆炸过渡 自由过渡自由过渡 大滴过渡大滴过渡 大滴滴落过渡大滴滴落过渡 大滴排斥过渡大滴排斥过渡 射滴过渡射滴过渡 射流过渡射流过渡 旋转射流过渡旋转射流过渡 铝铝MIG焊及脉冲焊焊及脉冲焊 钢钢MIG焊焊 特大电流特大电流MIG焊焊 焊丝含有挥发焊丝含有挥发 成分的成分的CO2焊焊 高电压小电流高电压小电流MIG焊焊 高电压小高电压小 电流电流MIG焊焊 及正极性及正极性 大电流大电流 CO2焊焊 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式 接触过渡：接触过渡： 焊丝端部的熔滴与熔池的表面通过接触而过

44、渡。焊丝端部的熔滴与熔池的表面通过接触而过渡。 主要有短路过渡和搭桥过渡两种类型。主要有短路过渡和搭桥过渡两种类型。 (1)(1)短路过渡短路过渡: : 在在GMAWGMAW中，焊丝短路并重复引燃电弧，这种接中，焊丝短路并重复引燃电弧，这种接 触过渡成为短路过渡。触过渡成为短路过渡。 (2)(2)搭桥过渡搭桥过渡: : 在在GTAWGTAW中，焊丝作为填充金属，与工件之间不中，焊丝作为填充金属，与工件之间不 引燃电弧。引燃电弧。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式 渣壁过渡渣壁过渡 与渣保护有关，发生在埋弧焊时，熔滴从

45、与渣保护有关，发生在埋弧焊时，熔滴从 熔渣的空腔壁上流下。两种类型熔渣的空腔壁上流下。两种类型: : 沿熔渣壳过渡：沿熔渣壳过渡：发生在发生在SAWSAW。 沿套筒过渡：沿套筒过渡：发生在发生在SMAWSMAW。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式 粒状过渡 喷射 过渡 爆破过渡 短 路 过 渡 搭桥 过渡 渣壁 过渡 套筒 过渡 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式 1 1、滴状（颗粒）过渡、滴状（颗粒）过渡 电弧电压高，根据电流大小、极性和保

46、护气体种类不同，电弧电压高，根据电流大小、极性和保护气体种类不同， 又可分为粗滴过渡和细滴过渡。又可分为粗滴过渡和细滴过渡。 (1) (1) 粗滴过渡粗滴过渡 成因：成因：电流比较小和电压比较高时，弧长较长，使熔滴电流比较小和电压比较高时，弧长较长，使熔滴 不易与熔池短路。因电流比较小，弧根面积的直径小于不易与熔池短路。因电流比较小，弧根面积的直径小于 熔滴直径，熔滴与焊丝之间的电磁力不易使熔滴形成缩熔滴直径，熔滴与焊丝之间的电磁力不易使熔滴形成缩 颈，同时斑点压力又阻碍熔滴过渡。随着焊丝熔化，颗颈，同时斑点压力又阻碍熔滴过渡。随着焊丝熔化，颗 粒长大，最后重力克服表面张力作用，而形成大的颗粒

47、粒长大，最后重力克服表面张力作用，而形成大的颗粒 过渡。过渡。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式 后果：后果：电弧稳定性和焊缝质量都比较差。电弧稳定性和焊缝质量都比较差。 形成粗滴过渡的情况：形成粗滴过渡的情况： u氩气介质中，由于电弧电场强度低，弧根比较扩展，氩气介质中，由于电弧电场强度低，弧根比较扩展， 并且在熔滴下部弧根的分布是对称于熔滴的，因而形成并且在熔滴下部弧根的分布是对称于熔滴的，因而形成 粗滴过渡粗滴过渡 uCOCO2 2气体保护焊时，由于气体分解吸热对电弧的冷却气体保护焊时，由于气体分解吸热对电弧的

48、冷却 作用，使电弧的电场强度提高，电弧收缩，弧根面积减作用，使电弧的电场强度提高，电弧收缩，弧根面积减 小，增加了斑点压力而阻碍熔滴过渡，并形成大颗粒排小，增加了斑点压力而阻碍熔滴过渡，并形成大颗粒排 斥过渡。斥过渡。 u直流正接，由于斑点压力很大，无论氩气还是二氧化直流正接，由于斑点压力很大，无论氩气还是二氧化 碳保护，都有明显的大颗粒排斥过渡。碳保护，都有明显的大颗粒排斥过渡。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式 (2)(2)细滴细滴( (颗粒颗粒) )过渡过渡 成因：成因：电流比较大，相应的电磁收缩力增大，表面张

49、电流比较大，相应的电磁收缩力增大，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。加，电弧稳定性比较高，飞溅少，焊缝质量高。 焊缝成形：焊缝成形：飞溅少、电弧稳定、焊缝成形较好，应用飞溅少、电弧稳定、焊缝成形较好，应用 广泛。广泛。 u气体介质或焊接材料不同时，细滴过渡的特点不同。气体介质或焊接材料不同时，细滴过渡的特点不同。 COCO2 2和酸性焊条电弧焊，熔滴非轴向过渡；铝合金熔和酸性焊条电弧焊，熔滴非轴向过渡；铝合金熔 化极氩弧焊或大电流活性气体保护焊焊则轴向过渡。化极氩弧焊或大电流活性气体保

50、护焊焊则轴向过渡。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式 2 2、喷射过渡、喷射过渡 易于出现于氩气或者富氩气体保护的焊接方法中，易于出现于氩气或者富氩气体保护的焊接方法中， 根据不同的工艺条件，可分为射滴过渡、亚射流、射流、根据不同的工艺条件，可分为射滴过渡、亚射流、射流、 旋转射流过渡。旋转射流过渡。 (1) (1) 射滴过渡射滴过渡 成因：成因：过渡时熔滴直径接近于焊丝直径，脱离焊丝沿焊过渡时熔滴直径接近于焊丝直径，脱离焊丝沿焊 丝轴向过渡。丝轴向过渡。 特点：特点：轴向过渡、焊钢时为一次一滴，焊铝及其它合金轴向过

51、渡、焊钢时为一次一滴，焊铝及其它合金 时常为每次时常为每次1 12 2滴、电弧呈钟罩形。滴、电弧呈钟罩形。 适用范围：适用范围：钢焊丝脉冲焊、铝合金钢焊丝脉冲焊、铝合金GMAWGMAW。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式 (2) (2) 射流过渡射流过渡 成因：成因：易于出现于氩气或者富氩气体保护气氛中。易于出现于氩气或者富氩气体保护气氛中。 特点：特点：轴向过渡、焊钢时为一次一滴，焊铝及其它轴向过渡、焊钢时为一次一滴，焊铝及其它 合金时常为每次合金时常为每次1 12 2滴、电弧呈钟罩形。过渡时，滴、电弧呈钟罩形。过

52、渡时， 细小的熔滴从焊丝端部连续不断的高速冲向熔池，细小的熔滴从焊丝端部连续不断的高速冲向熔池， 过渡频率快，飞溅少，电弧稳定，热量集中，对焊过渡频率快，飞溅少，电弧稳定，热量集中，对焊 件的穿透能力强，易形成指状熔深，适合焊接较厚件的穿透能力强，易形成指状熔深，适合焊接较厚 的板材（的板材（3mm3mm），不适合薄板。），不适合薄板。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式 (2) (2) 射流过渡射流过渡 电流较小时形成熔滴电流较小时形成熔滴(a), (a), 电流增大电流增大, , 阳极斑点逐渐扩大到熔阳极斑点逐渐扩

53、大到熔 滴根部滴根部(b), (b), 熔滴与焊丝间形成缩颈熔滴与焊丝间形成缩颈, , 缩颈处电流密度增大并缩颈处电流密度增大并 过热形成大量金属蒸气，电弧的阳极斑点将瞬时从熔滴根部过热形成大量金属蒸气，电弧的阳极斑点将瞬时从熔滴根部 扩展到缩颈根部扩展到缩颈根部(c)(c)，当第一滴脱落以后，电弧呈锥状，当第一滴脱落以后，电弧呈锥状(d), (d), 形形 成强的等离子流，在其力的作用下形成射流过渡。成强的等离子流，在其力的作用下形成射流过渡。 电流小 射流过渡形成机理示意图射流过渡形成机理示意图射流过渡射流过渡 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 3.3 3.3 熔滴

54、过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式 3 3、短路过渡、短路过渡 短路过渡属于接触过渡。短路过渡属于接触过渡。 电弧引燃后随着电弧的燃烧，焊丝或者焊条端部形电弧引燃后随着电弧的燃烧，焊丝或者焊条端部形 成熔滴并逐渐长大。当电流较成熔滴并逐渐长大。当电流较 小，电弧电压比较低，弧长比小，电弧电压比较低，弧长比 较短，熔滴未长成大滴就与熔较短，熔滴未长成大滴就与熔 池接触形成液态金属短路，电池接触形成液态金属短路，电 弧随之熄灭，金属熔滴过渡到弧随之熄灭，金属熔滴过渡到 熔池中去。熔滴脱落后，电弧熔池中去。熔滴脱落后，电弧 重新引燃，如此交替。重新引燃，如此交替。 Part II Part II 焊接

55、化学冶金焊接化学冶金 3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式 3 3、短路过渡、短路过渡 u出现场合：出现场合：碱性焊条的焊条电弧焊碱性焊条的焊条电弧焊 细丝气体保护电弧焊（细丝气体保护电弧焊（1.6mm1.6mm） u短路过渡特点短路过渡特点： 短路过渡由燃弧短路过渡由燃弧( (熔滴长大熔滴长大) )和熄弧和熄弧( (短路短路) )两个交替的阶两个交替的阶 段组成，电弧的燃烧是不连续的（段组成，电弧的燃烧是不连续的（实质：熔化速度与送实质：熔化速度与送 丝速度不一致丝速度不一致）。）。 平均电流小，峰值电流大，适合薄板及全位置焊接。平均电流小，峰值电流大，适合薄板及全位置焊接。

56、 小直径焊条或焊丝小直径焊条或焊丝, ,电流密度大电流密度大, ,产热集中产热集中, ,焊接速度快。焊接速度快。 弧长短弧长短, , 焊件加热区小焊件加热区小, , 质量高。质量高。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式 3 3、短路过渡、短路过渡 u 短路过渡的要求短路过渡的要求： 对不同直径不同材料的焊丝对不同直径不同材料的焊丝, , 必须要在最优的工艺范围必须要在最优的工艺范围 内内, , 否则熔池形成固体焊丝短路、爆断和大量飞溅。否则熔池形成固体焊丝短路、爆断和大量飞溅。 要求电源有合适的静特性和动特性：要求电源

57、有合适的静特性和动特性： 不同直径的焊丝和规范，短路电流上升速度要合适，不同直径的焊丝和规范，短路电流上升速度要合适， 保证液桥柔顺断开，减少飞溅。保证液桥柔顺断开，减少飞溅。 短路电流峰值要合适，一般为平均电流的短路电流峰值要合适，一般为平均电流的2 23 3倍，倍， 太大则液桥爆断增大飞溅，太小不利于引弧。太大则液桥爆断增大飞溅，太小不利于引弧。 短路结束后，空载电压恢复要快，以便即使引弧。短路结束后，空载电压恢复要快，以便即使引弧。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式 3 3、短路过渡、短路过渡 u 短路过渡的稳

58、定性的标志短路过渡的稳定性的标志过渡频率过渡频率 短路过渡时，过渡熔滴越小，短路过渡频率短路过渡时，过渡熔滴越小，短路过渡频率 越高，焊缝波纹越细。在稳定的情况下，要求尽越高，焊缝波纹越细。在稳定的情况下，要求尽 可能高的短路频率。可能高的短路频率。 u 短路过渡的缺点短路过渡的缺点飞溅飞溅 飞溅、熔深相对较浅是短路过渡的缺点。飞溅、熔深相对较浅是短路过渡的缺点。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式 3 3、短路过渡、短路过渡CMT( CMT( Cold Metal Transfer)Cold Metal Transf

59、er) 冷金属过渡冷金属过渡: : 2002 2002年开发出一种无飞溅焊接技术。整个焊年开发出一种无飞溅焊接技术。整个焊 接过程实现接过程实现“热热- -冷冷- -热热”交替转换交替转换, , 每秒钟可达每秒钟可达7070 次。焊接热输入量大幅降低次。焊接热输入量大幅降低, , 可实现可实现0.3mm 0.3mm 以上薄以上薄 板的无飞溅、高质量焊接。板的无飞溅、高质量焊接。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式 3 3、短路过渡、短路过渡CMT( CMT( Cold Metal Transfer)Cold Metal

60、 Transfer) 过程：过程：首先脉冲电流引燃电弧，熔滴形成，焊丝进首先脉冲电流引燃电弧，熔滴形成，焊丝进 给；焊丝不断送给，当熔滴进入熔池时电流最低；给；焊丝不断送给，当熔滴进入熔池时电流最低； 此时焊丝回抽使熔滴脱落此时焊丝回抽使熔滴脱落, ,短路电流保持较小值；最短路电流保持较小值；最 后焊丝回复到进给状态，熔滴过渡依此循环往复。后焊丝回复到进给状态，熔滴过渡依此循环往复。 Part II Part II 焊接化学冶金焊接化学冶金 3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式 3 3、短路过渡、短路过渡其他控制方式其他控制方式 (1) (1) 适应焊接物理过程适应焊接物理过程