第三章焊丝的熔化及熔滴过渡

第三章焊材的熔化与熔滴过渡3.1焊条的熔化与熔滴过渡3.2焊丝的熔化与熔滴过渡

学习要求：熟练掌握焊丝熔化速度、熔化系数、熔敷速度、熔敷效率、熔敷系数、熔滴过渡及飞溅等基本概念。掌握熔滴上受到的各种力及其对过渡的影响；了解熔滴过渡的基本分类，各类熔滴过渡的基本特征；掌握各种焊接方法的熔滴过渡特点。了解固有自调节作用。

3.1焊条的熔化与熔滴过渡焊芯直接受到电弧热的作用，焊芯的加热熔化和金属向熔池的过渡，明显地超前于药皮，而药皮的熔化，其内层又超前于外层，这样经过一段很短的电弧过程后，焊条端部形成套筒。3.1.1焊条的加热及熔化

（1）焊芯的加热①电阻热在正常的工艺参数下，电阻预热作用不太大，当电流密度过大，电阻热明显增加（与电流密度平方成正比），引起不良后果（药皮发红开裂，使某些成分过早分解、过早脱落，造成电弧燃烧不稳定，丧失保护和冶金反应能力，使焊缝成形变坏，甚至产生气孔等焊接缺陷）。在相同电流密度下，与电阻大小成正比。②电弧热热功率（20%——27%）熔化药皮与焊丝（过热与蒸发）传导到焊芯深处(焊芯和药皮T↑)

沿焊芯轴线方向测量的药皮表面温度结果表明，电弧加热所形成的温度场范围很窄，一般集中在焊条端部10mm以内，说明焊条的熔化主要依靠电弧热。沿焊条长度药皮表面温度的分布如下图所示。③化学反应热在一般情况下化学反应热甚小，仅占1%～3%，可忽略不计。图3-1焊接时沿焊条长度药皮表面温度的分布不锈钢焊条，Ф5mm,I为190A燃烧时间：1-10s2-40s(2)焊条药皮的熔化和过渡

焊条药皮的作用：保护电弧稳定燃烧，形成熔渣，稳弧，使熔滴金属易过渡、在电弧区和熔池周围造成一种气氛、保护焊接区域、获得良好的焊缝成形与性能等。种类：稳弧剂、造渣剂、脱氧剂、造气剂、合金剂、增塑剂、黏结剂。

药皮的导热性比焊芯小得多，表面有散热作用，造成沿焊条端部横断面的温度分布很不均匀，等温线由焊芯内过渡到药皮内发生突然的转折，如右图所示。由于焊条端药皮的熔化不均匀，因而形成了所谓套筒，药皮的熔点越高，厚度越大，套筒越长。T1——焊芯熔化温度D1，D2——药皮内、外径T2——药皮熔化温度药皮熔化所形成的熔渣，有两种过渡形式：一是包覆在金属熔滴的外面或被夹在熔滴内，同金属熔滴一起过渡到熔池；二是熔渣直接从焊条端部流入熔池或以滴状直接落入熔池。熔渣温度：平均温度不超过1600℃。3.1.2焊条的熔滴过渡焊条的熔滴过渡形式可分为：粗熔滴过渡、渣壁过渡、喷射过渡和爆炸过渡四种类型。过渡形式取决于药皮成分与厚度、焊接参数、电流种类和极性等。

熔滴尺寸大，自由熔滴可以长大到超过焊芯直径；熔滴过渡时与熔池短路，并出现爆炸飞溅；过渡频率低，一般f=1.5～5s-1。（1）粗熔滴过渡的熔滴行为（短路过渡）特点:Dropletbehaviorofglobulartransfer在正常弧长时，熔滴与熔池发生桥接短路，桥接短路有时会发生爆炸飞溅。粗熔滴过渡的短路行为ShortcircuitbehaviorofglobulartransferTakingplacetheexplosivespatter

whenshortcircuit

熔滴尺寸小，一般不超过焊芯直径，在焊条端面处，可以同时存在多个熔滴；过渡频率较粗熔滴过渡时高，一般为5～9s-1。（2）渣壁过渡的特征

渣壁过渡是焊条端部的熔体沿药皮套筒壁面溜向熔池的一种过渡形式，熔滴过渡时不发生短路。Characteristicsofflux-wallguidedtransfer

2-6（3）熔滴的爆炸过渡

爆炸过渡是熔滴在形成、长大或过渡过程中，由于激烈的冶金反应，在熔滴内部产生CO气体，使熔滴急剧膨胀发生爆裂而形成的过渡形式。在爆炸过渡的同时，发生强烈爆炸飞溅，严重恶化了焊接工艺性，熔滴爆炸过渡的频率大约为30～50s-1

。Explosivetransferofdroplet

2-7（4）喷射过渡的熔滴行为Dropletbehaviorofspraytransfer

焊条端部熔体呈细碎的颗粒由套筒内喷射出来，并以喷射状态快速通过电弧空间向熔池过渡。熔滴细碎程度比爆炸过渡时要大得多。过渡频率

f﹥100s-1

(5)其他过渡形态

在熔滴形成过程中，由于某种力的作用（不是因爆炸），从停留在焊条端部的大熔滴中，分离出较小熔滴，这个小熔滴又远离套筒，不能形成渣壁过渡，“自由地”飘落于熔池，而形成“自由过渡”。图3-14焊条电弧焊熔滴“自由过渡”E309Nb-26不锈钢焊条，直流反接，I=140A

焊条种类Categoryofelectrodes

粗熔滴过渡Globulartransfer

渣壁过渡Flux-wallguidedtransfer

爆炸过渡explosivetransfer喷射过渡spraytransferE4303E4301(J422J423)

▲▲▲▲E5010▲▲▲E308-16(A102)▲E308-16(A101)▲E308-15(A107)▲EDP-A2-03(D132)▲EZC(Z208)▲E5015(J507)▲2-11常用焊条的熔滴过渡形式3.1.3焊条电弧焊的飞溅

（1）焊条电弧焊时飞溅的几种类型

①气体逸出引起的飞溅；②熔滴短路引起的飞溅现象；③熔滴爆炸引起的飞溅；④电弧力引起的飞溅。

由熔滴中气体的逸出引起的飞溅

粗熔滴过渡时在熔滴表面产生柱状隆起引起的逸出飞溅

熔池表面气体逸出引起的飞溅SpatteriscausesbytheescapeofgasfromdropletSpatteriscausesbyescapeofgasfrommoltenpool2-29

Spatteriscausedbytheshortcircuit熔滴与熔池短路时，短路桥通过强大的短路电流，瞬间被加热气化引起爆破形成电爆炸飞溅。粗熔滴过渡形成的电爆炸飞溅Spatter

iscausedbytheshortcircuit

熔滴爆炸引起的飞溅喷射过渡形成的喷洒飞溅

渣壁过渡形成的飘离飞溅Slowdroppingspatteriscausedbyflux-wellguidedtransfer

SpatteriscausedbydropletexplosiveSpatteriscausedbydropletexplosive电弧力引起的飞溅当熔滴偏离套筒时电弧斑点压力将熔滴推离套筒，造成飞溅。熔滴越粗大，飞溅的几率也越大。

Spatteriscausedbyarcforce

ArcforceThemovieofcoveredelectrodedroplettransferprocesstakingwithhighspeedphotographyPetazent-16TypeHighSpeedMovieCamera(1000f/s)2-31Spatteriscausedbyarcforce电弧力引起的飞溅熔滴过渡形态Metaltransferforms电爆炸飞溅Spatterowingtoshortcircuit爆炸飞溅Spatterowingtoexplosive喷洒飞溅Spatterowingtospray飘离飞溅Slowdroppingspatter电弧力飞溅Spatterowingtoarcforce气体逸出飞溅Spatterowingtothegasdiverts粗熔滴过渡Droptransfer▲▲▲▲渣壁过渡Flux-wallguidedtransfer▲爆炸过渡Explosivetransfer▲▲▲▲喷射过渡Spraytransfer▲焊条熔滴过渡形态对飞溅的影响粗熔滴过渡﹑爆炸过渡造成强烈飞溅，喷射过渡产生强烈的喷洒飞溅，渣壁过渡形成飘离飞溅，强度最小。Effectofthemetaltransferformsonthespatterofcoveredelectrodes3.2焊丝的熔化与熔滴过渡3.2.1焊丝的加热与熔化（1）电弧热阴极产热：PK=I(UK-Uw-UT)阳极产热：PA=I(UA+Uw+UT)

通常弧柱的温度可达6000K以上，此时UT小于1V；当电流密度较大时，UA近似为零，所以上两式可简化为：PK=I(UK-Uw)PA=IUW熔化极气体保护焊时，焊丝均为冷阴极材料，UK＞＞UW

，所以PK＞PA

。焊丝为阴极时的产热量比焊丝为阳极时的产热量多，焊丝接负时熔化更快。（2）电阻热

焊丝伸出部分有电流流过时所产生的电阻热对焊丝有预热作用，因而也影响焊丝的熔化速度。焊丝伸出长度的电阻热示意图焊丝伸出长度的电阻：Rs=ρLs/S则电阻热：PR=I2Rs式中，Ls

—焊丝的伸出长度；Rs

—焊丝Ls段的电阻值；ρ－焊丝的电阻率；S—焊丝的横截面积。熔化极电弧焊时，加热和熔化焊丝主要由电弧热和电阻热两部分组成，总的热功率为：

Pm=I(Um+IRs)

其中Um是电弧热的等效电压，焊丝为阳极时,Um＝Uw；焊丝为阴极时，Um=UK-UW

3.2.2焊丝的熔滴过渡

在电弧作用下，焊丝末端加热熔化形成熔滴，并在各种力的作用下脱离焊丝进入熔池，称之为熔滴过渡。三种过渡类型：

自由过渡是指熔滴脱离焊丝末端前不与熔池接触，它经电弧空间自由飞行进入熔池的一种过渡形式。

接触过渡是通过焊丝末端的熔滴与熔池表面接触成过桥而过渡的。

渣壁过渡是渣保护时的一种过渡形式，埋弧焊时在一定条件下熔滴沿熔渣的空腔壁形成过渡。(1)短路过渡(ShortCircuitingTransfer)

电流较小，电弧电压较低时，熔滴未长成大滴就与熔池接触而形成液态金属短路，使电弧熄灭，在表面张力、重力及电磁收缩力的作用下，熔滴金属过渡到熔池中去。熔滴脱落之后电弧又复燃，如此交替进行，这样的过渡形式称为短路过渡。

左图为短路过渡过程的电弧电压和电流动态波形图，t1-燃弧时间t2-短路时间t3-拉断熔滴后的电压恢复时间T-短路周期，T=t1+t2+t3Imax-最大电流，也称短路峰值电流Imin-最小电流Ia-平均焊接电流Ua-平均电弧电压。①短路过渡过程②短路过渡的特点a.燃弧、短路交替进行。

b.所使用的焊接电流（平均值）较小，但短路时的峰值电流可达平均电流的几倍。

c.采用细丝（或细焊条），焊接电流密度大，焊接速度快，故对焊件热输入低，而且电弧短，加热集中。③短路过渡的稳定性短路过渡的周期T是由燃弧时间t1和熄弧时间t2所组成。燃弧时间取决于电弧电压和焊接电流或焊丝送进速度。如果电弧电压过低或送丝速度过快，熔滴尚未脱离焊丝时焊丝未熔化部分就可能插入熔池，造成固体短路，产生大段爆断，使飞溅增大。

瞬时短路固态短路缩颈爆断短路过渡的形式短路时间主要取决于短路时的电流增长速度di/dt。di/dt过小，短路时电流不能及时增到相应数值，则熔滴不能及时过渡，熄弧时间就拉长，电弧空间温度下降许多，将造成电弧复燃困难。短路过渡过程中，熔滴与熔池接触时将形成缩颈。随着短路电流增大，缩颈变细，缩颈内的电流密度大大增加，使缩颈金属迅速加热，最后导致缩颈金属汽化爆炸，产生大量细颗粒飞溅，此时的电流称为短路峰值电流。在短路初的瞬间，接触面积小，电磁力指向焊丝，若短路电流的上升速度过快，形成大的电磁排斥力，使刚与熔池接触的熔滴往往来不及在熔池表面铺展便被排斥出熔池而形成飞溅。此时产生的飞溅被称为瞬时短路飞溅。短路电流上升速度及短路峰值电流，一般是通过串联在焊接回路中的电感来调节。

短路过渡的一组高速摄影照片

在非熔化极填丝电弧焊或气焊中，焊丝一般不通电，所以不称为短路过渡，而称为接触过渡。

④新型短路过渡形式STT(surfacetensiontransfer表面张力过渡)技术。CMT（coldmeteltransfer）就是冷金属过渡，是一种新开发的的熔化极气体保护焊短路过渡形式。是通过短路时焊丝的回抽来脱落熔滴，热输入非常低，焊接过程稳定，无飞溅。

(2)滴状过渡(DropTransfer)①粗滴过渡电流较小而电弧电压较高时，因弧长较长，熔滴与熔池不发生短路，焊丝末端便形成较大的熔滴。当熔滴长大到一定程度后，重力克服表面张力使熔滴脱落。焊缝成形粗糙，飞溅较大，很用。②细滴过渡电流比较大时，电磁收缩力较大，熔滴表面张力减小，熔滴细化，这些都促使熔滴过渡，使熔滴过渡频率增加。这种过渡形式称为细滴过渡。飞溅较少，电弧稳定，焊缝成形较好，在生产中被广泛应用。对于CO2气体保护电弧焊及酸性焊条电弧焊，熔滴呈非轴向过渡。铝合金熔化极氩弧焊或较大电流活性气体保护焊钢件时，熔滴呈轴向过渡（熔滴沿焊丝轴向落入熔池）。前者称为细颗粒过渡；而后者称为射滴过渡，飞溅较前者小。图3-32细颗粒过渡与射滴过渡a),b)细颗粒过渡c)射滴过渡(3)喷射过渡(SprayTransfer)

喷射过渡包括四种过渡形式：

射滴过渡是介于滴状过渡与连续射流过渡之间的一种熔滴过渡形式。

亚射流过渡是介于短路与射滴之间的一种过渡形式，主要用于铝、镁及其合金的熔化极气体保护焊。

射流过渡是采用纯氩或富氩保护气氛，直流反接，除保持高弧压(长弧)外，必须使焊接电流大于某一临界值。

旋转射流过渡是在焊丝伸出长度较大，焊接电流比通常产生射流过渡的临界电流高出很多时(称为第二临界电流)出现的一种熔滴过渡形式。射流过渡是喷射过渡中最有代表性且用途广泛的一种过渡形式。在较强的等离子流力作用下，细小的熔滴便从液柱尖端一个接一个的以高速冲向熔池（其加速度可达重力加速度的几十倍），这种过渡形式称为射流过渡。产生跳弧现象的最小电流Ic，称为射流过渡临界电流。电流一旦达到临界电流，熔滴尺寸减小，过渡频率大大增加。图3-33射流过渡形成机理示意图射流过渡形成机理示意图钢焊丝φ1.6mm气体Ar+O21%弧长6mm直流反接熔滴过渡频率（体积）与电流的关系射流过渡的高速视频射流过渡临界电流的大小与下列因素有关：①焊丝成分②焊丝直径③焊丝伸出长度④气体介质⑤电源极性不同焊丝的临界电流焊丝直径、伸出长度与临界电流的关系如果焊丝伸出长度过长，而且焊接电流比临界电流大很多，由于电磁收缩力的作用，使焊丝端部液柱的长度增加，射流过渡的细滴高速喷出，对焊丝端部液柱会产生反作用力。一旦某种偶然因素使反作用力而偏离轴线，则液柱端部偏斜，使液柱旋转，熔滴从液柱端部向四周高速甩出，形成所谓旋转射流过渡。射流过渡形成机理示意图气体介质成分对临界电流的影响

a.焊接过程稳定，飞溅极少，焊缝成形质量好；b.电弧稳定，对保护气流的扰动作用小，故保护效果好；c.射流过渡电弧功率大，热流集中，对焊件的熔透能力强，而且过渡的熔滴沿电弧轴线高速流向熔池，使焊缝中心部位熔深明显增大而呈指状熔深，所以射流过渡主要用于平焊位置焊接厚度大干3mm的工件，不宜焊薄件。

射流过渡在工艺上的主要优点：(4)渣壁过渡

埋弧焊的熔滴过渡与焊速、极性、电弧电压和焊接电流有关。直流反接时，如电弧电压较低，则熔渣形成的空腔较小，焊丝端头形成的熔滴较细小，沿渣壁以小滴状过渡，过渡频率较高，每秒可达几十滴。直流正接时，焊丝端头的熔滴较大，且在阴极斑点压力的作用下不停地摆动，形成较大的空腔，呈粗滴状过渡。过渡频率较低，每秒仅10滴左右。焊接电流对熔滴过渡频率有很大影响。熔滴过渡频率随电流的增加而增加。这种现象，直流反接时更为明显。渣壁过渡a)焊条电弧焊b)埋弧焊埋弧焊时电流对过渡频率的影响3.2.3焊丝熔滴过渡的飞溅

在电弧热作用下，焊丝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。

(1)熔滴上的作用力①重力对熔滴过渡的影响取决于焊接空间位置。式中，是熔滴密度；r是熔滴半径；g是重力加速度；m是熔滴质量。

熔滴上的重力和表面张力示意图②表面张力式中，为表面张力系数，其数值与材料、温度、气体介质等因素有关。金属MgZnAlCuFeTiMoWσ×103(N·m-1)65077090011501220151022502680纯金属的表面张力系数只有重力和其它作用力的合力超过时，熔滴才能脱离焊丝过渡到熔池中去。一般情况下是阻碍熔滴过渡的力。在仰焊或其它位置（立焊、横焊）焊接时，却有利于熔滴过渡。因为一是熔滴与熔池接触时，表面张力有将熔滴拉入熔池的作用；二是使熔池或熔滴不易流淌。

③电弧力a.电磁收缩力：作用于熔滴上的电磁收缩力具有由小导电截面指向大导电截面的特点。b.等离子流力：电弧等离子流力随着等离子气流从焊丝末端侧面切入，并冲向熔池，促进熔滴过渡。c.斑点压力：斑点压力包括正离子和电子对熔滴的撞击力、电极材料蒸发时产生的反作用力以及弧根面积很小时产生的指向熔滴的电磁收缩力。④爆破力当熔滴内部产生金属蒸汽或因冶金反应生成气体时，在电弧高温作用下气体积聚和膨胀，若内部压力较大，则使熔滴爆破，其中大部分液体金属向熔池过渡，少量金属形成飞溅。在长弧焊时，表面张力阻碍熔滴从焊丝末端脱离，而成为反过渡力。但短弧焊时，当熔滴与熔池金属短路并形成液态金属过桥时，由于与熔池接触界面很大，使向下的表面张力远大于焊丝端向上的表面张力，结果使金属液桥被拉近熔池而有利于熔滴过渡。电磁收缩力也有相同的情况。当熔滴短路时，电流呈发散形，此时电磁收缩力的轴向分力Fcx则有助于熔滴过渡。图3-42形成液态桥时表面张力的作用图3-43形成液态桥时电磁力的作用1-焊丝2—液态金属过桥3-母材1-焊丝2-液态金属过桥3-电流4-母材形成液态桥时表面张力的作用形成液态桥时电磁力的作用(2)焊丝熔滴过渡的损失及飞溅①熔敷效率、熔敷系数和损失率：过渡到焊缝中的金属质量与使用的焊丝(条)金属质量之比，定义为熔敷效率。熔敷系数ay是指单位时间、单位电流所熔敷到焊缝的焊丝金属质量。用am表示熔化系数(单位时间、单位电流熔化焊丝金属的质量)，则焊丝金属的蒸发、氧化和飞溅的损失率为:②熔滴过渡的飞溅率飞溅损失通常用飞溅率ψ来表示，其定义为飞溅损失的金属与熔化的焊丝(条)金属的质量百分比。测量焊接飞溅率有两种办法：一是焊接后收集飞溅颗粒，要做到封闭区内部焊接前后状态一致(特别是各部件的表面状态)；二是通过测量焊丝损失率，一定程度上表示焊接飞溅率ψ大小。a.短路过渡飞溅的特点

熔滴与熔池接触形成液态缩颈。随电流增大，缩颈变细，缩颈内电流密度显著增加，使缩颈液态金属迅速加热，导致缩颈金属汽化爆炸，产生大量细颗粒飞溅。飞溅多少与电流值有关，称为短路峰值电流。该电流值越大，爆炸能量