焊条、焊丝及母材的熔化

1、焊条、焊丝及母材的熔化熔化极电弧焊的焊丝（条）具有两个作用：一是作为电极与工件之间产生电弧；再是它本身被加热熔化而作为填充金属过渡到熔池中去。焊丝（条）熔化和熔滴过渡是熔化极电弧焊接过程中的重要物理现象，其过渡方式及特性将直接影响焊接质量和生产效率。第一节 焊丝的加热及熔化 一、焊丝的熔化热源一、焊丝的熔化热源 焊接过程中，对焊丝伸出部分的加热和熔化的热能来源，主要是电弧热和电阻热。1.电弧热电弧热 焊丝的熔化主要靠阴极区（正接）或阳极（反接）所产生的热能，使焊丝端部温度骤然升高到其熔点TR以上。弧柱区的热能对焊丝熔化所起的作用是有限的。根据两极产热公式, 如果弧柱温度为6000K时UTUW

2、所以PK PA。 焊丝为阴极时熔化速度快，而为阳极时熔化速度慢。 碱性焊条电弧焊或含有CaF2焊剂的埋弧焊有类似的结果。2.电阻热伸出长度又名干伸长度，该段的电阻热对焊丝有预热作用。 因此，用于加热和熔化焊丝的总热量主要由两部分组成，即电弧热和电阻热。二、焊丝与焊条的熔化参数二、焊丝与焊条的熔化参数表明焊丝与焊条金属熔化和过渡情况的参数，常用的有：(1).熔化速度熔化速度 熔化电极在单位时间内熔化的长度或重量。常用单位是m/h或mm/min， 及/h。熔化速度常用vm表示。(2).熔化系数熔化系数 单位电流、单位时间内焊丝（或焊芯）的熔化量（g/Ah）。 (3).熔敷系数熔敷系数 单位电流、单

3、位时间内，焊丝（或焊芯）熔敷在焊件上的金属量（g/Ah），它标志着焊接过程的生产率。(4).熔敷速度熔敷速度 单位时间内熔敷在焊件上的金属量（kg/h）。 (5).熔敷效率熔敷效率 熔敷金属量与熔化的填充金属（通常指焊丝、焊芯）量的百分比。 (6).飞溅率飞溅率 焊丝（或焊芯）熔敷过程中，因飞溅损失的金属重量与熔化的焊丝（或焊芯）金属重量的百分比。 (7).损失系数损失系数 焊丝（或焊芯）在熔敷过程中的损失量与焊丝（或焊芯）熔化重量的百分比三、影响焊丝熔化速度的因素影响焊丝熔化速度的因素焊丝的熔化速度与焊接条件有密切关系。如电极极性、电极材料和表面物质、焊接电流、电压、气体介质、电阻热等诸多因

4、素都影响焊丝的熔化速度。现仅就主要影响因素简述如 下：1.电流的影响电流的影响 电弧热和电阻热皆与焊接电流的平方成正比, 当焊接电流增大时，焊丝熔化加快； 2.焊丝直径焊丝直径 在相同的工艺条件下，焊丝直径越细，则熔化速度越大。 3.焊丝伸出长度焊丝伸出长度 焊丝熔化速度随着伸出长度的增加而增加。 4.焊丝成分焊丝成分 熔化极氩弧焊表明，焊丝的熔化系数按照Al、Cu、不锈钢、碳钢这样的排列顺序依次减小； 焊接电流和焊丝伸出长度对焊丝熔化速度的影响（不锈钢焊丝1.2mm直流反接）.5.电压的影响 （1）电弧电压增加，即电弧长度增长，在导电嘴到焊件表面距离不变的条件下，表明焊丝伸出长度缩短了，使焊

5、丝的预热程度减弱，焊丝的熔化速度则随之降低。（2）弧长增长时，电弧在辐射、对流等方面的热能损失也增大，从而减小了用于熔化焊丝与母材的热量，使焊丝的熔化速度减小。 （3）弧长的增长，会增大焊丝金属熔滴的氧化和飞溅等损失，也使得它的值减小。电弧较长时，向空间散热多，融化系数较小。电弧变短后，电弧热量向空间散失能量变少，熔化系数提高。6.气体介质和电极极性的影响气体介质和电极极性的影响 不同的气体介质只在直流正极性时，对焊丝的熔化速度及熔化系数有影响；而在直流负极性时基本上没有影响。这是阴极压降变化的缘故，不同的气体介质影响到阴极压降值，进而影响到作为阴极焊丝的熔化速度。 熔化极电弧焊的焊丝多属冷阴

6、极型材料，所以焊丝为阴极时熔化速度快，而为阳极时熔化速度慢。第二节第二节 熔滴的形成及过渡熔滴的形成及过渡在电弧热作用下，焊丝与焊条端头的熔化金属形成熔滴，受到各种力的作用向母材过渡，称为熔滴过渡。一、熔滴上的作用力熔滴上的作用力焊丝端头的金属熔滴受以下几个力的作用：表面张力、重力、电磁收缩力、斑点压力、等离子流力和其它力。其中有的力促使熔滴形成和过渡，有的力却起阻碍作用，这些力的共同作用决定了熔滴的大小和过渡状态。1.重力 焊丝末端的金属加热熔化后形成的熔滴，要受到自身重力（Fg=mg）的作用 重力对熔滴的作用取决于焊缝在空间的位置。 平焊时，重力是促使熔滴和焊丝末端相脱离的力； 仰焊、立焊

7、时，重力则成为阻碍熔滴和焊丝末端相脱离的力。 熔化极气体保护焊时生成的熔滴尺寸很小，故熔滴的重力也很小。只有在熔滴尺寸相当大，才不可忽视童力对熔滴过渡的影响。2.表面张力表面张力 表面张力是在焊丝端头上保持熔滴的主要作用力.若焊丝半径为R，这时焊丝和熔滴间的表面张力为： =2式中 表面张力系数。 数值与材料成分、温度、气体介质因素有关。在熔滴上具有少量的表面活化物质时，可以大大地降低表面张力系数。增加熔滴的温度，会降低金属的表面张力系数，从而减少熔滴的尺寸。 在长弧焊时，表面张力总是阻碍熔滴同焊丝末端相脱离，因而它总是成为反过渡力。弧长较短时，在熔滴尚未长得很大或脱落前，熔滴表面就已和熔池相接

8、触，并形成液体金属过桥。在这种情况下，由于液桥在熔池上接触周界的长度远比焊丝那一边为大，故界面张力也大，这样使表面张力有助于把液桥拉进熔池，让液桥在焊丝末端附近断裂，因此，这时的表面张力有利于金属过渡。FR 3.电磁力电磁力 电流通过熔滴时，导电的截面是变化的，电磁力产生轴向分力，其方向总是从小截面指向大截面。 如下图所示。这时，电磁力可分解为径向和轴向的两个分力。电流在熔滴中的流动路线可以看做圆弧形，这时电磁力对熔滴过渡的影响，可以按不同部位加以分析。 在焊丝与熔滴连接的缩颈处，这时的电磁力是由小断面指向大断面，它是促进熔滴过渡的。 在熔滴与弧柱间形成斑点，它的面积大小决定于电流线在熔滴中的

9、流动形式。 若 时，形成的合力向上,构成斑点压力的一部分,会阻碍熔滴过渡。若 时，形成的合力向下会促进熔滴过渡。 电磁力对熔滴过渡的影响决定于电弧形态。若弧根面积笼罩整个熔滴，此处的电磁力促进熔滴过渡；若弧根面积小于熔滴直径，此处的电磁力形成斑点压力的一部分会阻碍熔滴过渡。CO2气体保护焊时大滴状排斥过渡就属于这种情况。GdDdGdDd4.等离子流力等离子流力 电流较大时，高速等离子流将对熔滴产生很大的推力。使之沿焊丝轴线方向运动。这种推力的大小与焊丝直径和电流大小有密切的关系。 5.斑点压力斑点压力 电极上形成斑点时，由于斑点是导电的主要通道，、所以此处既是产热集中的地方，同时又是承受电子（

10、反接时）或正离子（正接时）撞击力的地方，此撞击力即为斑点压力。斑点压力是阻碍熔滴过渡的力。6.金属蒸气的反作用力金属蒸气的反作用力 电极斑点处温度高，使金属强烈蒸发，金属蒸气的反作用力阻碍熔滴过渡。 7.气体的吹送力气体的吹送力 焊条药皮中的造气物质（如本粉、纤维素以及大理石等）在电弧热的作用下，高温时反应生成气体，主要有CO、CO2和水蒸气等，此外还有少量的金属蒸气。这些气体因受热而急剧膨胀，沿焊条末端套筒的方向形成强烈的气流喷向工件，即谓气体吹送力，将熔滴迅速送入熔池。电流密度越大，电弧空间温度越高，气体膨胀越强烈，因此气体吹力也就越大。但这时伴随着产生飞溅损失也可能更为严重，因此，焊接电

11、流应选取适当。焊条电弧焊时，气体吹送力是保证熔滴过渡的重要力量之一，不论在哪一种空间位置进行焊接，它都促使熔滴过渡到熔池中去。熔化极气体保护焊时，由喷嘴喷出的保护气流也同样具有吹送熔滴的作用，当采用大电流时则形成等离子流力。8.爆破力爆破力 当熔滴内部含有易挥发金属或由于冶金反应而生成气体时，都会使熔滴内部在电弧高温作用下，气体积聚和膨胀而造成较大的内力，从而使熔滴爆炸而过渡。 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，在其中流过较大电流，使小桥爆破形成熔滴过渡，同时会造成飞溅。综上所述，熔化极电弧焊时，影响熔滴过渡的力有8种之多；但从作用上看大体可归纳为三类：第一类是纯粹的过渡力

12、第一类是纯粹的过渡力，即无论在什么情况下，这类力总是促使熔滴和焊丝末端相脱离，形成熔滴过渡。属于这一类的有等等离子流力、气体吹送力离子流力、气体吹送力。第二类是纯粹的反过渡力第二类是纯粹的反过渡力。即无论在什么情况下，这类力总是阻碍熔滴同焊丝末端相脱离，阻滞熔滴过渡。当反过渡力很大时，易使焊丝末端形成粗大的熔滴并产生偏摆、使电弧和焊接过程不稳定。属于这一类的力有斑点压力和熔滴表面斑点压力和熔滴表面金属蒸发及析出气体的反作用力。金属蒸发及析出气体的反作用力。第三类力依赖焊接条件而变化第三类力依赖焊接条件而变化，可能是过渡力，也可能成为反过渡力。属于这一类的有重力、表面张力和电磁力。爆破力在短路过

13、渡时起过渡力的作用，但却造成飞溅。总之，熔化极电弧焊时作用于熔滴的力及对熔滴过渡的影响，应从焊缝在空间的位置、熔滴过渡形式，以及采用的焊接条件与工艺参数等方面进行具体分析，其中要特别重视焊接条件及工艺参数焊接条件及工艺参数对熔滴过渡的影响，例如：对熔滴过渡的影响，例如：（1）焊丝和保护气体成分的影响焊丝和保护气体成分的影响 焊丝或保护气体的成分不同时，一方面会影响到焊丝末端熔滴的表面张力，另一方面可能影响到斑点压力和熔滴表面金属蒸发及析出气体的反作用力。如果成分改变以后，有助于减小表面张力或斑点压力等，就会使过渡熔滴的尺寸变细，从而有利于电弧及焊接过程的稳定性。（2）焊丝直径的影响焊丝直径的影

14、响 焊丝直径粗，则表面张力大，将使金属熔滴不易和焊丝末端相脱离，这样会形成粗大熔滴，并使过渡频率降低。（3）电源极性的影响电源极性的影响 对熔化极气体保护焊，当正极性时，虽然焊丝熔化速度快， 但作用于焊丝末端熔滴上的斑点压力比负极性时大，故采用正极性的过渡熔滴尺寸较大，过波频率也低，对焊接过程是不利的；而采用直流负极性时，则可获得良好的焊接效果。（4）焊接电流的影响焊接电流的影响 在长弧焊时，作用于熔滴上的电磁力和等离子流力都是焊接电流的函数，故焊接电流的增大，会引起电磁力和等离子流力增大，使过渡熔滴的尺寸变细和过渡频率增加。 因此，在焊接生产中，为了获得并控制所要求的熔滴过渡形式，有可能通过

15、改变并控制焊接条件及工艺参数予以实现，了解这些情况对指导生产有重要的意义。 四、熔滴过渡主要形式及其特点四、熔滴过渡主要形式及其特点 电弧焊方法种类繁多，焊接工艺条件和焊接工艺参数灵活多变，因此熔滴过渡现象十分复杂，当规范条件变化时，各种过渡形态可以相互转化，所以必须按熔滴过渡的形式及电弧形态，对熔滴过渡加以分类，分别讨论各种熔滴过渡形式的特点。 熔滴过渡形式大体上可分为三种类型三种类型，即自由过渡、接触过渡和渣壁过渡自由过渡、接触过渡和渣壁过渡。 自由过渡自由过渡 是指熔滴经电弧空间自由飞向熔池，焊丝端头和熔池之间不发生直接接触。接触过渡接触过渡 是焊丝端部的熔滴与熔池表面通过接触而过渡。在

16、熔化极气体保护焊时，焊丝短路并重复地引燃电弧，这种接触过渡亦称为短路过渡短路过渡。TIG焊时，焊丝作为填充金属，它与工件间不引燃电弧，也称为搭桥过渡搭桥过渡。 渣壁过渡渣壁过渡 与渣保护有关，常发生在埋弧焊时，熔滴是从熔渣的空腔壁上流下的。以及焊条电弧焊时熔滴沿套筒过渡 1.滴状过渡 通常出现在弧长较长（即长弧焊）时，熔滴不易与熔池接触，当熔滴长大到一定程度，便脱离焊丝末端通过电弧空间落入熔池 (1)粗滴过渡 电流密度较小和电弧电压较高时，弧长较长，使熔滴不易与熔池短路。因电流较小，弧根直径小于熔滴直径，熔滴与焊丝之间的电磁力不易使熔滴形成缩颈，斑点压力又阻碍熔滴过渡,随着焊丝的熔化，熔滴长大

17、，最后重力克服表面张力的作用，而造成大滴状熔滴过渡。 (2)细滴过渡 随着焊接电流的增加，斑点面积也增加，电磁力增加，熔滴过渡频率也增加，使熔滴细化，熔滴尺寸一般大于或等于焊丝直径。当电流再增加时，它的电弧形态与熔滴过渡形式没有突然变化，这种过渡形式称为细颗粒过渡。 因飞溅较少，电弧稳定，焊缝成形较好，在生产中广泛应用。 (3)滴状过渡的飞溅特点 2.喷射过渡 在纯氩或富氩保护气体中进行直流负极性熔化极电弧焊时，若采用的电弧电压较高（即弧长较长），大电流时, 会出现喷射过渡形式。 根据不同的焊接条件，这类过渡形式可分为射滴、亚射流、射流、旋转射流等过渡形式。 （1）射滴过渡 过渡时，熔滴直径接

18、近于焊丝直径，脱离焊丝沿焊丝轴向过渡，加速度大于重力加速度。此时焊丝端部的熔滴大部分或全部被弧根所笼罩。钢焊丝脉冲焊及铝合金熔化极氩弧焊经常是这种过渡形式。 还有一个特点，就是焊钢时总是一滴一滴的过渡，而焊铝及其合金时常常是每次过渡l2滴，这是一种稳定过渡形式。 （2）射流过渡 当电流增大到某一临界值时，熔滴的形成过程和过渡形式便发生根本性的突变，熔滴不再是较大的滴状，而是微细的颗粒，沿电弧轴向以很高的速度和过渡频率向熔池喷射，如同一束射流通过电弧空间射人熔池，这种过渡状态通常称为“射流过渡”。(1).特征轴向熔滴细小电弧呈钟罩状射流过渡的高速摄像视频(2) 现象小电流时熔滴体积大过度频率小1

19、75A 5滴/秒随电流增大过度频率增大200A 15滴/秒当电流增大255-265A 240滴/秒 ，体积减小当焊接电流大于临界电流时，过度频率突然加大，每个熔滴的体积大大减小 (3)产生的机理 当电流达到或超过临界电流时，阳极弧根由焊丝端部扩展到侧面，此时，自阳极传给焊丝的热流可近似地分成两部分，一部分通过熔化金属传给焊丝，另一部分则通过焊丝的固态侧表面传给焊丝，因而大大加速了焊丝熔化和熔滴形成的过程。被熔化的焊丝金属在固一液界面的表面张力和电弧力（其中等离子流力很重要）的作用下，形成液态尖锥。熔滴脱离液态锥尖时，阳极斑点频繁地向缩颈根部转移，称这一现象为跳弧现象锥顶的液态金属呈拉长、变细、

20、脱离的势态，在电磁力的挤压和等离子流力的推动下，形成颗粒很小的熔滴并以很高的频率连续射向熔池。临界电流：临界电流：产生跳弧现象的最小电流称为射流过渡临界电流。影响射流过渡的临界电流的因素影响射流过渡的临界电流的因素（1）焊丝成分焊丝成分 电阻率高或熔点低的材料临界电流低电阻率高或熔点低的材料临界电流低（2）焊丝直径焊丝直径 在焊丝化学成分确定时，随着焊丝直径的增大，临界电流值就增大。（3）焊丝伸出长度焊丝伸出长度 焊丝伸出长度增加可降低射流过渡临界电流值。（4）气体介质气体介质（5）电流极性电流极性 直流负极性临界电流值较低 各种焊丝的临界电流焊丝直径、伸出长度与临界电流的关系（低碳钢，Ar+

21、O21%，直流反接，弧长6mm）氩气中加CO2对临界电流的影响。（低碳钢焊丝1.2mm，焊丝伸出长度15mm）不同直径的不锈钢焊丝获得稳定射流过渡的电压与电流匹配旋转射流过渡的高速摄像视频 3.短路过渡短路过渡 在较小电流、低电压以及细焊丝较小电流、低电压以及细焊丝时，熔滴未长成大滴就与熔池短路，在表面张力及电磁收缩力的作用下，熔滴向母材过渡的这种过程称短路过渡。这种过渡形式电弧稳定，飞溅较小，熔滴过渡频率高，焊缝成形较好，广泛用于薄板焊接和全位置焊接。 (1)短路过渡过程短路过渡过程细丝细丝（0.81.6mm）气体保护焊时，常采用短路过渡形式。这种过渡过程的电弧燃烧是不连续的，焊丝受到电弧的

22、加热作用后形成熔熵并长大，而后与熔池短路熄弧，在表面张力及电磁收缩力的作用下形成缩颈小桥并破断，再引燃电弧，完成短路过渡过程，如图所示。短路过渡的高速摄像视频图中1为电弧引燃的瞬间，然后电弧燃烧析出热量熔化焊丝，并在焊丝端部形成熔滴（图中2），随着焊丝的熔化和熔滴长大（图中3），电弧向未熔化的焊丝传递热量减少，使焊丝熔化速度下降，而焊丝以一定速度送进，使熔滴接近熔池并造成短路（图中4）。这时电弧熄灭，电压急骤下降，短路电流逐渐增大，形成短路液柱（图中5）。随着短路电流的增加，液柱部分的电磁收缩作用，使熔滴与焊丝之间形成缩颈（称短路小桥，图中6）。当短路电流增加到一定数值时，小桥迅速断开，电弧电

23、压很快恢复到空载电压，电弧又重新引燃（图中7），电流下降，然后又开始重复上述过程。(2）短路过渡的主要焊接特点短路过渡的主要焊接特点1)燃弧燃弧-短路交替进行短路交替进行2）由于采用较低的电压和较小的电流较低的电压和较小的电流，所以电弧功率小，对焊件的热输入低热输入低、熔池冷凝速度快。这种熔滴过渡方式适合于适合于焊接薄板焊接薄板，并易于实现全位置焊接全位置焊接。3）由于采用细焊丝，电流密度大细焊丝，电流密度大。例如：直径为1.2mm的钢焊丝，当焊接电流为160A时，电流密度可达141A/mm2，是通常埋弧焊电流密度的2倍多，是焊条电弧焊的810倍，因此，对焊件加热集中，焊接速度快，可减小焊接接

24、头的热影响区和焊接变形。短路过渡是CO2焊的一种典型过渡方式，焊条电弧焊也常常采用。(3）短路过渡的稳定性短路过渡的稳定性为保持短路过渡焊接过程稳定进行，不但要求焊接电源有合适的静特性，同时要求电源有合适的动特性，它主要包括以下三个方面。1）对不同直径的焊丝和规范参数，要保持合适的短路电流增长速短路电流增长速度度，保证短路“小桥”柔顺的断开，达到减少飞溅的目的。2）要有适当的短路电流峰值适当的短路电流峰值Im，短路焊接时Im一般为Ia的23倍。Im值过大会引起缩颈小桥激烈的爆断造成飞溅，过小则对引弧不利，甚至影响焊接过程的稳定性。3）短路完了之后，空载电压恢复速度要快空载电压恢复速度要快，以便

25、及时引燃电弧，避免熄弧现象。一般硅整流焊接电源电压恢复速度很快，都能满足短路过渡焊接对电压恢复速度的要求。 短路电流上升速度及短路电流峰值，主要通过焊接回路的（电感）感抗来调节感抗来调节。一般焊机都在直流回路中串联电感来调节电源的动特性，电感大时短路电电感大时短路电流上升速度慢，电感小时短路电流上升速度快。流上升速度慢，电感小时短路电流上升速度快。 短路过渡时，过渡熔滴越小、短路频率越高，则焊过渡熔滴越小、短路频率越高，则焊缝波纹越细密，焊接过程也越稳定。缝波纹越细密，焊接过程也越稳定。在稳定的短路过渡的情况下，要求尽量高的短路频率。短路频率大小常常作为短路过渡过程稳定性的重要标志。 （3）影响短路过渡频率的主要因素 1）电弧电压短路过渡时，电弧长度或电弧电压大小对焊接过程有明显的影响，如图227所示。为获得最高短路频率，有一个最佳的电弧电压数值。例如，对于0.8、1.0、1.2、1.6mm直径焊丝，该值大约为20V左右。这时短路周期比较均匀，焊接时发出轻轻的“啪啪”声。如果电弧电压高于最佳值较多时（如30V以上），这时熔滴过渡频率降低，