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1、22熔滴过渡及作用力熔滴过渡及作用力 在电弧的热作用下在电弧的热作用下,焊丝与焊条端头的熔化金属形成熔滴，并在焊丝与焊条端头的熔化金属形成熔滴，并在各种力的作用下向母材过渡各种力的作用下向母材过渡,称之为熔滴过渡。称之为熔滴过渡。一一 熔滴上的作用力熔滴上的作用力 金属熔滴受以下几个力的作用：表面张力、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、等离子流力和重力、电磁收缩力、斑点压力、等离子流力和其他力。其他力。（一）表面张力（一）表面张力 表面张力是在焊条端头上保持熔滴的主要表面张力是在焊条端头上保持熔滴的主要作用力。如图作用力。如图210。 若焊丝半径为若焊丝半径为R
2、，这时焊丝与熔滴间的表面张力为：，这时焊丝与熔滴间的表面张力为： F =2R式中：式中： 为表面张力系数。为表面张力系数。 1） 与材料成分有关。与材料成分有关。 2）温度有关，温度升高，）温度有关，温度升高， 减小。减小。 3）当熔滴表面有表面活性物质时，）当熔滴表面有表面活性物质时， 降低。降低。（二）重力（二）重力 当焊丝直径较大而焊接电流较小时，在平焊位置的情况下使熔当焊丝直径较大而焊接电流较小时，在平焊位置的情况下使熔滴脱离焊丝的力主要是重力，大小为：滴脱离焊丝的力主要是重力，大小为： Fg=mg=4/3（r3g） 如果如果Fg F ，熔滴脱离焊丝。假如熔滴为球形且拉断熔滴后在，熔滴
3、脱离焊丝。假如熔滴为球形且拉断熔滴后在焊丝上不保留液体金属，那么：焊丝上不保留液体金属，那么： 2R=4/3（r3g）则则 R相同的情况下，相同的情况下， 、不同，熔滴脱离前的形态也不同，不同，熔滴脱离前的形态也不同， / 越大时，过渡熔滴越细。越大时，过渡熔滴越细。（三）电磁力 电流通过熔滴时，导体的截面是变化的，将产生电磁力的轴向分力，其方向总是从小截面指向大截面。电磁力对熔滴过渡的影响，可以按不同 部位加以分析。 1 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，是促进过渡的。如图212。 2 形成斑点时：显然：dG dD促进过渡 dG dD阻碍过渡 一般dG大小与气体介
4、质，焊接电流有关。 如Ar与CO2相比，Ar弧弧根大，电流增大， dG增大（四） 等离子流力 由于电弧截面不等，电磁力不一样造成压力差，使电弧产生轴向推力，造成从焊丝端部向工件的气体流动，形成等离子流力。 电流较大时，等离子流力对熔滴产生很大的推力，使之沿焊丝轴向方向运动。这种推力的大小与焊丝直径和电流大小密切相关。（五） 其他力1）斑点压力 电极上形成斑点时，此处是产热集中的地方。这样斑点处将承受电子(反接时)或正离子(正接时)的撞击力，通常情况下斑点压力阻碍熔滴过渡(斑点面积小于熔滴直径时)；MIG焊喷射过渡的情况下,而斑点面积很大且布满整个熔滴时，斑点压力常常促进熔滴过渡。2）爆破力 当
5、熔滴内部含有易挥发金属或由于冶金反应而生成气体时，都会在电弧高温作用下气体积聚膨胀而造成较大的内力，从而使熔滴爆炸而过渡。短路过渡焊接时，由于电流密度较大,使缩颈处熔断爆破形成熔滴过渡,同时有飞溅产生。二 作用力分析1 有助于过渡的力 等离子流力2 工艺条件不同，力的作用不同。 斑点压力：除MIG焊射流过渡情况外，总是阻碍熔滴过渡。 重力：平焊时，促进过渡，立焊、仰焊时阻碍过渡。 表面张力：长弧焊时，表面张力总是阻碍熔滴过渡。当熔滴与熔池金属短路并形成液体过桥时，由于熔池界面很大，这时表面张力有助于把液体金属拉近熔池。 电磁力： dG dD促进过渡，dG dD阻碍过渡。三 熔滴过渡形式及其特点
6、（一）分类：1 自由过渡：颗粒过渡 、喷射过渡。2 接触过渡：短路过渡、搭桥过渡。3 渣壁过渡（二）短路过渡 1 特点 电流小，弧长短，弧压低，焊丝较细，过渡频率较高，成型较好，主要用于薄板及全位置焊接过程。2 短路过渡过程 这种过渡过程,可分为熔滴长大短路、细颈形成、金属液桥破断、电弧复燃四个阶段。其具体过程如图228所示。具体分析其过程如下：1）燃弧阶段 电焊燃烧、焊丝熔化、熔滴长大， 图中1）3）。2）弧隙短路 随着熔滴长大，电弧向未熔化的焊丝传递热量减少，使焊丝熔化速度下降，焊丝等速送进，熔滴与熔池短路，如图4）。3）细颈形成 短路后，电流迅速增大。在电磁力及表面张力的作用下，熔滴与焊
7、丝间形成缩颈，此时，过渡力主要是表面张力及电磁收缩力，如图5）、6）。4） 电弧复燃阶段 当短路电流增加到一定数值时，小桥迅速拉开，电弧又从新引燃，如图7） 上述过程的一个周期为： T=t1+t2+t3 t1+t2 则频率有： 1 f=1/T= t1+t23 短路过程的稳定性 为保证短路过渡过程稳定进行，不但要求电源有合适的静特性，而且要求有合适的动特性，主要包括以下三个方面。 对不同的焊丝直径和规范，要保证合适的短路电流上升速度，保证短路小桥柔顺断开，以减小飞溅。 要有合适的短路电流峰值Im ，一般Im=（2 3）Ia。 短路结束后，要求空载电压恢复速度要快，保证及时引燃，避免熄弧。 稳定性
8、评价：通常用短路频率f作为评价稳定性的重要标志，f越高，熔滴越小，过程越稳定，成型也越好。4 影响短路过渡的稳定性因素1）电弧电压及电流 弧压过高时，熔滴长得很大，会产生大颗粒飞溅，f显著降低。弧压过小时，可能熔滴未脱离焊丝时，焊丝未熔化部分就插入熔池，造成焊丝固体短路，产生大的爆断，甚至出现断弧，使焊接过程无法顺利进行。 焊接电流，即送丝速度，过快固体插入熔池，过小熔滴长大厉害，飞溅大。如图232所示。2）电感 L L增大，最高短路频率下降。L过大，短路小桥的缩颈难以形成，小桥不易断开，甚至造成焊丝固体短路，使焊接过程无法进行；L过小短路电流上升速度及Im过大，引起大量飞溅过程不稳定。（三）
9、滴状过渡1 特点小电流，高弧压，弧长较长，熔滴容易长大，而且电流较小，弧根小于熔滴直径，斑点压力阻碍过渡，熔滴长大，电磁力不易形成缩颈， Fg F ，熔滴脱离焊丝，造成大颗粒过渡。 电弧连续燃烧，大滴状过渡，甚至形成大滴状排斥过渡。2应用情况 无论CO2 、Ar熔弧焊正接时，由于斑点压力较大，都有明显大颗粒排斥过渡现象，焊接过程不稳定，焊缝成型粗糙，故很少用。 CO2 电弧焊时，加大电流，斑点面积增大，电磁力增加，形成细颗粒过渡，频率也增大，飞溅小，成型较好，生产中广泛应用。（四）喷射过渡1 射流过渡形成的条件与特点1）形成条件 钢焊丝TIG焊,电流较小时，电弧与熔滴状态；如图2-19a所示，
10、熔滴在重力作用下呈大滴状过渡。随着电流的增加，电磁力等离子流力增,轴向电磁力由原来的阻碍过渡变为促进过渡这时熔滴长大将受到限制,在熔滴和焊丝之间形成缩颈,此处在高电流密度下,产生大量金属蒸气 ,细颈表面具备产生阳极斑点的有利条件,此时,按最小电压原理,如果 : 就可能发生跳弧现象,发生跳弧现象的最小电流称为临界电流。当达到一定电流后,立即发生电弧形态及过渡形式的变化,如图221。 当电流由255A增大到265A时，熔滴数由15滴/秒变到240滴/秒，熔滴尺寸由原来的 4mm突然降到 1mm，则265A为达到射流过渡的临界电流。2 ）特点： （1）射流过渡电弧形态的轮廓清晰，燃烧稳定，焊接电流、
11、电压几乎呈两根平行线。 （2）飞溅小，焊缝成型光滑、美观。 （ 3）电弧功率大、热量集中，对焊件的熔透能力强焊缝程蘑菇状。 3）影响射流过渡稳定性的因素 （1）焊接电流， I临1 I I临2 。 （2）电弧电压 。 （3）电源特性。 （4）气体成分的影响。 （5）焊丝外伸长度。 2 其他几种过渡形式1）射滴过渡 这种过渡方式通常在钢焊丝脉冲焊及铝合金熔化极氩弧焊时出现，这时，产生FC和F斑 促进熔滴过渡，同时F阻碍熔滴过渡，如图217所示。2）亚射流过渡 这种过渡形式的特点是,弧长较短，在电弧热作用下形成熔滴并长大，形成缩颈并在即将以射滴形式脱离焊丝端部之际与熔池短路，在电磁收缩力的作用下细颈
12、破断，并重燃电弧完成过渡。3）渣壁过渡 渣壁过渡是指在涂料焊条手弧焊和埋弧焊等借助涂料和焊剂进行保护时的熔滴过渡情况之一。过渡示意图如234。四 熔滴过渡的飞溅与蒸发1飞溅 飞溅问题主要针对短路过渡和颗粒过渡，射流过渡飞溅很小。2产生飞溅的原因1）由冶金反应在液体金属内产生气体，在高温的作用下气体要膨胀，而液体金属又限制其膨胀，则发生爆炸，产生飞溅。2）规范选择不合适，发生熔滴严重长大或固体焊丝插入熔池产生大的爆断。3）电源动特性调节不当，大电流峰值过大，引起飞溅。4）斑点压力过大，产生大块排斥过渡。5）气体介质，CO 2 、A r。五 熔滴过渡的控制（一）脉冲电流控制法1 特点1）电弧连续稳
13、定燃烧，基值电流维弧，峰值电流过渡，小平均电流下实现喷射过渡。2）避免了喷射过渡的缺点，同一台设备可焊厚板、薄板，可进行全位置焊接。3）可调节参数多。4）可控制波形以满足不同工艺要求。2 过渡过程 原理是：控制焊接电流以一定的频率和波形变化，从而控制焊丝的熔化及熔滴过渡。它的典型电流波形及熔滴过渡过程如图241所示。无论脉冲电流波形形状如何，其脉冲电流峰值一定要大于该条件下的喷射过渡临界电流值。 这样脉冲焊接过渡方式可分为三种： 脉冲电流较大或脉冲持续时间较长时，过渡波形如图242。 脉冲持续时间或脉冲幅值比第一种形式小时，熔滴过渡形式如图243。脉冲电流峰值较小，持续时间很短时，熔滴过渡形式
14、如图244。（二）喷射短路交替控制法 这种方法通过电源电压与送丝速度的低频同步变化，来获得喷射短路过渡的交替过程。 特点：热输入较小，适合全位置焊，但有两个送丝速度，要求送丝机构惯性小，需要两个电源，设备复杂。（三）机构控制法1 脉冲送丝控制法 这种方法是通过特殊的送丝机构，使送丝速度能周期性变化，以实现对熔滴过渡进行控制，它利用脉冲送丝的惯性来强制过渡的，如图246。2 机械振动控制法 这种方法是焊接电源参数和送丝速度都保持不变，只是机头以一定频率振动，使电弧弧长也按振动频率由零变化到某一长度，然后由某一长度变为零，从而控制熔池和焊丝的熔化量。 这种方法主要用于磨损零件的修复堆焊。如汽车、拖拉机上的轴等，一般用水或CO2作保护气。习题：1.熔化极焊极时，有几种过渡形式 CO2和Ar弧焊各采用什么过渡形式，其特点如何？2. CO2焊，熔化极氩弧焊时，各采用什么极性？为什么？3.短路过渡的过程如何？其稳定性的影响因素有哪些?4.为什么有时Ar 要加5%的O2 ，有什么好处？
