电弧物理与现代弧焊方法--熔滴过渡.ppt

电弧物理与现代弧焊方法 南京理工大学 材料科学与工程系 王 克 鸿 1.9 电极斑点 1.9.1 阴极斑点 阴极导电的三种状态： 阴极整体导电； 阴极收束导电； 阴极斑点导电； 阴极斑点-电弧放电时，负电极表面上集中发射电子 的光亮极小区域。 1.9.2 阳极斑点 阳极导电的状态： 表面局部有金属熔化和蒸发产生电离、阳 极收束产生电离、阳极前面的局部区域电离； 阳极斑点-电弧放电时，正电极表面上接收发 射电子的光亮微小区域。 2. 焊丝熔化和熔滴过渡 2.1焊丝的熔化 n焊丝的作用-一是作为电极；二是作为填充金属。 n焊接过程中，焊丝不断地被电弧加热、熔化，形成熔池 并向熔池过渡，和熔化的母材金属相互融合，冷凝后形 成焊缝。 2.1.1 焊丝的加热和熔化 n 焊丝的熔化速度与焊接条件有着密切的关系。焊接条件 发生变化，经常能引起焊丝熔化速度的变化。同样的焊 丝，当其去面状态不同，对焊丝的熔化速度也有着不同 的影响。 n当采用DCEP(焊丝接正极)时，熔化速度变化不大，但当 采用DCEN(焊丝按负极)时，对焊丝熔化速度有极大的影 响。 2. 焊丝熔化和熔滴过渡 n焊丝的熔化速度不仅取决于焊接电流，而 且还与焊接电流的极性、保护介质的成分 、熔滴过渡形式、焊丝材料及焊丝表面状 态等有关。 n焊丝(电极)的加热与熔化主要决定于靠近电 极的阴极区(EN)或阳极区(EP)所产生的热量 。阴极区和阳极区的产热可用下式计算： PA = Ia Uw Pc = Ia （Uc - Uw） 2. 焊丝熔化和熔滴过渡 2. 焊丝熔化和熔滴过渡 2. 焊丝熔化和熔滴过渡 n焊丝伸出长度部分的电阻热 的影响也很大； n所谓焊丝伸出长度是指从焊 丝与导电嘴的接触点到电弧 端头的这段焊丝的长度； n细丝气体保护焊焊接时，焊 丝伸出长度部分通过较大的 电流，并产生较大的电阻热 ，其值可用下式计算： 2. 焊丝熔化和熔滴过渡 2. 焊丝熔化和熔滴过渡 2. 焊丝熔化和熔滴过渡 n熔化焊丝的热量来源Pm，主要是电弧的近电极区产热及焊 丝伸出长度部分产生的电阻热； n该热量用来加热与熔化焊丝，在稳定的焊接过程中，当弧 长保持一定时，单位时间内提供给焊丝的热量应该等于脱 离焊丝的熔滴金属所带走的热量Qm，可用下式表示： nQm = vm （CTf +H ） nVm-熔化速度（单位时间内熔化焊丝的量）（g/min） nC-比热容；Tf-熔滴金属脱离焊丝时 的平均温度； nH-熔化金属的潜热； nPm = Qm J； J-热功当量4.2J/cal nIa（Um + IaRs） = vm （CTf +H ） vm = （ Um + IaRs ）/ （CTf +H ）J Ia 2. 焊丝熔化和熔滴过渡 vm = (Um + IaRs)/(CTf +H )J Ia 设am =(Um + IaRs)/(CTf +H )J n-熔化系数，单位时间内通过单位电流时熔化焊丝金属的 量；熔化系数与焊接材料、焊接电流极性及焊接参数有关。 n从大(粗)滴过渡转变为射流过渡时，熔滴的含热量及熔化系数都 发生变化，熔滴的温度随着熔滴的细化而提高，而熔化系数却 降低;值得拄意的是当熔滴过渡形式一定时，熔化系数也不变; n对于直径1.6mm的铝焊丝，当焊丝伸出长度为1015mm的情 况下，大滴过渡时熔滴的温度较低，而在射流过渡时熔滴的温 度较高，其最高温度可达2260 0C (其沸点为24500C)。这就是 图3-5中熔化速度阶跃变化的原因; 钢焊丝却较为复杂，从大滴过渡到射流过渡转变时，经过一个驼 峰，随着焊接电流的增加，熔滴的温度也增加，而在射流过渡时， 随着焊接电流的增加，熔滴温度却减小，这时熔滴的最高温度为 21300C，而最低温度为15700C (钢的沸点为28480C，熔点为 15300C)，可见熔滴愠度的变化是很大的； 其主要原因是钢焊丝的电阻率大和熔滴在焊丝端头停留的时间所 决定的；根据这一实验结果和气体成分对熔漓过渡形式的影响规律 ，也就比较容易认识图3-4中的曲线关系了。 2. 焊丝熔化和熔滴过渡 2. 焊丝熔化和熔滴过渡 2.2 熔滴过渡分类 -电弧焊时，从焊丝端头形成的，并向熔池 过 渡的滴状液态金属。 自由过渡：粗滴过渡、喷射过渡、爆炸过渡； 粗滴过渡：下垂滴状过渡、排斥滴状过渡 喷射过渡：射滴、射流和旋转射流 接触过渡：短路过渡、搭桥过渡； 渣壁过渡：渣壁过渡、沿药皮壁过渡 2.3熔滴过渡 2.3.1短路过渡 当焊接电流较小，电弧电压较低时，此时弧 长很短，熔滴直径比弧长大，焊接过程中焊丝 端部的熔滴周期性地与熔池短路接触，由于强 烈过热和磁收缩的作用使其爆断，直接向熔池 过渡的形式叫短路过渡。 短路过渡 短路过渡过程与飞溅 电爆-飞溅理论： 短路过程中，液态金属桥被电磁力压缩形成缩颈 随缩颈的变细，电磁力加大，最终液态缩颈发生 爆炸过渡，由此产生飞溅。 -认为飞溅大小与爆断前100-150us电流的大小 和积累的能量有关。 波形控制焊机-控制飞溅的大小 n在爆断前100-150us降低电流，爆断后迅速 拉升电流，类似于叠加了一个负脉冲。 改善焊缝成型 n增加燃弧能量 -在燃弧期间，增加一个正电压脉冲，增加 燃弧能量，可增加熔池热量，加强流动性, 改善成型。 2.3.2 喷射过渡 当焊丝直径一定，弧长较长，电弧电压较高 时，焊接电流若达到或超过某值后，电弧形态 与熔滴过渡特点将发生明显的变化。电弧变得 十分稳定，焊丝端头的熔滴小于焊丝直径,在电 磁力的作用下,这一种小熔滴沿焊丝的轴线方向 、 以喷射方式快速穿过电弧空间，这一种熔滴向 熔池过渡的形式叫喷射过渡。 射滴过渡 n此时焊接电流刚超过临界电流, 电弧呈束状或吊钟状 ,熔滴呈圆 球状，直径大致等于或稍小于 焊丝直径，以较高的速度沿焊 丝轴线飞入熔池。过渡频率在 几十至几百滴每秒间变化。电 弧稳定，飞溅不大，焊缝成形 良好，焊缝底部的熔合线呈弧 形。 电弧弧根的形态 n电弧弧根形态与保护气体、电流大小、极 性等的关系。 射流过渡： 当焊接电流超过临界电流较大时，熔滴变 得特别细，过渡频率超过200滴s，此时电 弧呈倒钟形，可清楚地看到电弧分成三层， 电弧十分稳定，焊接时无飞溅，这种过渡形 式叫射流过渡。 跳弧原理与过程 跳弧前:U = Ul1 +Uab 跳弧后:U = Ul2 l2 l1 ; Ul2 Ul1 跳弧条件: Ul1 +Uab Ul2 + UT Uab (Ul2 - Ul1) + UT E Uab / (l2-l1) Ut a b L1 L2 a.调弧前 b.调弧后 应用 对铝、铜-不易跳弧；Uab小 对不锈钢-容易跳弧；Uab大 对氩气-容易跳弧；E小 对CO2-不易跳弧； E大 射流过渡图 旋转射流过渡 当保护气体成分和焊丝直径不变时，若电弧 较长，焊丝干伸长较大，且焊接电流进一步增 大并超过某一定值时，熔滴呈旋转喷射过渡。 开始发生旋转喷射过渡的电流叫第二临界电流 。 旋转射流过渡图 2.4电弧的力 2.4.1 电磁力 F = K(I1I2)/L Pr = KI2(R2 r2)/(3.14R4) 轴向压力的合力: F = KI2/2 实际锥形电弧: 轴向推力 FP = KL2Ln(Rb/Ra) F1 F2 L1 L2 2.4.1 等离子流力 高温气体流动时,将从上方吸入电弧周围的气 体介质,