焊条熔化及熔池形成

焊条熔化及熔池形成第1页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院1）电弧热焊接电弧传给焊条的热量占焊接电弧总功率的20%-27%一部分：熔化药皮和焊芯，使焊条端部的液态金属过热和蒸发。一部分：传到未熔化的焊芯深处，使焊芯和药皮升温。一、焊条金属的加热

（电弧热电阻热化学反应热）第2页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院2）电阻热

电阻热与焊接电流密度，焊芯的电阻和焊接时间有关。正常焊接——加热药皮电流密度，焊条伸出长度——开裂

第3页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院焊条电阻热过大的不良影响：1、飞溅增加；2、药皮开裂或脱落，电弧燃烧不稳定；3、药皮丧失冶金作用；4、焊条发红变软，操作困难；5、焊缝成形变坏，甚至产生气孔等缺陷。不锈钢焊条焊接时，这种现象更为突出。严格限制焊芯和药皮的加热温度，一般焊接终了时，焊芯的温度不应超过600~650℃。第4页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院

3)化学反应热药皮部分化学物质化学反应时产生的热量。约占总热量的1%-3%，可以忽略不计。第5页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院二、焊条金属的熔化速度

◆平均熔化速度（vm）：单位时间内熔化的焊芯质量或长度。vm=m/t=αpI单位：g/h◆平均熔敷速度（vH）：单位时间内真正进入焊缝的那部分金属质量。vH=mH/t=аHI◆熔化系数p：单位时间内，由单位电流单位时间内所熔化的焊丝量（长度，重量）

P=m/It单位：g/(A.H)◆熔敷系数（αH）是真正反映焊接生产率的指标！аH=mH/单位：g/(A.H)思考：提高焊条熔化速度的措施？⑤第6页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院电流：电流↑→熔化速度↑电压：——详看下一页较长弧长范围内，电压变化→不影响焊丝的熔化在较短弧长范围内，电压↓→熔化系数↑（自调节作用在更短弧长范围内，电压↓→熔化系数↓电流极性：焊丝为阴极时，熔化速度大，气体介质：反接时介质的影响不大，正接时介质的影响比较复杂，无明显规律伸出长度：Ls↑→熔化速度↑焊丝直径：d↑→熔化速度↓影响焊丝熔化速度的因素第7页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院电弧电压影响焊丝熔化速度电弧电压：AB段：下降的压降主要在弧柱上，不影响熔化。熔化速度主要取决于电流。BC段：电压降低，电流减小。原因：电弧短，热量损失少；熔滴加热温度低，带走能量少，从而溶化系数高。C以下：短路时间增加，能量输入少，从而溶化系数减小。固有自调节作用：BC段，电弧本身有恢复原来弧长的能力。熔化特性曲线IUBAC第8页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院熔滴上的作用力：

1.重力2.表面张力3.电磁力4.摩擦力

三、焊条金属的过渡特性熔化极电弧焊（焊条电弧焊、CO2焊、MIG、MAG、埋弧焊）熔滴是指电弧焊时，在焊条（或焊丝）端部形成的向熔池过渡的液态金属滴。熔滴通过电弧空间向熔池的转移过程即熔滴过渡。第9页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院重力

重力对熔滴过渡的影响依焊接位置的不同而不同。平焊时，熔滴上的重力促使熔滴过渡；而在立焊及仰焊位置则阻碍熔滴过渡。

FG＝mg＝(4／3)πRD³ρg

第10页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院表面张力Fσ

此处的表面张力Fσ是指焊丝端头上保持熔滴的作用力。

Fσ＝2πRσ式中：R——焊丝半径；σ——表面张力系数。

表面张力是促进熔滴过渡还是阻止过渡应针对不同的焊接方法、不同的熔滴过渡形式来分析，如短路过渡后期，表面张力是促进熔滴过渡的，特别是对于现在的STT电源，实现无飞溅过渡更是如此。

若熔滴上含有少量活化物质(如O2、S等)或熔滴温度升高，都会减小表面张力系数，有利于形成细颗粒熔滴过渡。FaFσθRDθRFG第11页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院电弧力

电弧中的电磁压缩力、等离子流力、斑点压力对熔滴过渡都有不同的影响。需要指出的是，电流较小时住往是重力和表面张力起主要作用；电流较大时，电弧力对熔滴过渡起主要作用。

第12页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院焊接时，把熔滴看成由许多平行截面流导体组成，这样在熔滴上就受到由四周向中心的电磁力电磁压缩力在任何位置上都促使熔滴向熔池过渡。1.电磁压缩力熔滴中的电磁收缩力第13页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院电磁压缩力使电弧气流上、下形成压力差，使上部的等离子体迅速向下流动产生压力

电弧等离子流力随着等离子流从焊丝末端侧面切人，并冲向熔池而产生，它有助于熔滴脱离焊丝，并使其加速通过电弧空间进入熔池。等离子流力与焊丝直径和焊接电流有密切关系，采用的焊丝直径越细，电流越大，产生的等离子流力和流速越大，因而对熔滴推力也就越大。在大电流焊接时，等离子流力会显著地影响熔滴过渡特性。2.等离子体流力第14页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院

3.斑点压力电弧中带电质点在电场作用下向两极移动，撞击在两极的斑点上产生的机械压力

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。a)在一定条件下，斑点压力将阻碍金属熔滴的过渡。b)通常阳极受到的斑点压力比阴极受到的斑点压力要小，因而焊丝为阳极时熔滴过渡的阻碍力较小。这也是许多熔化极电弧焊采用直流反接的主要原因之一。第15页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院4爆破力

若熔滴内部含有易挥发金属或由于冶金反应而生成气体，则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。在CO2短路过渡焊接时，电磁力及表面张力的作用导致熔滴形成缩颈，电流密度增加，急剧加热使液态小桥爆破形成熔滴过渡，同时也造成了较大飞溅。第16页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院5电弧气体吹力焊条电弧焊时，焊条药皮的熔化滞后于焊芯的熔化，在焊条的端头形成套筒。药皮中造气剂分解产生的CO、CO2、H2及O2等在高温作用下急剧膨胀，从套筒中冲出，推动熔滴冲向熔池。无论何种位置焊接，这种力都有利于熔滴过渡。焊条药皮套筒示意第17页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院熔滴过渡和飞溅

电弧焊时，在电弧热作用下焊丝或焊条端部受热熔化形成熔滴，由于受到各种大小不同的作用力，具体形状和位置不断变化，从而熔滴以不同的形式脱离焊丝或焊条，过渡到熔池中去。重力：平焊，促进过渡。立焊、仰焊，阻碍过渡表面张力：平焊，阻碍过渡。立焊、仰焊，促进过渡电磁力：促进过渡等离子流力：促进熔滴过渡的力斑点压力：撞击力、蒸发反作用力、电磁力。阻碍过渡爆破力：促进过渡。综上所述：1）除重力、表面张力、爆破力外，其余力都与电弧形态有关。2）熔滴上的作用力对熔滴过渡的影响应从焊缝空间位置、熔滴过渡形式、电弧形态、工艺条件等综合考虑。第18页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院熔滴的比表面积和作用时间：比表面积（S）：熔滴表面积（A）与其质量（ρV）之比，即S=A/ρV。设熔滴是半径为R的球体，则S=3/ρR。熔滴越细其熔滴比表面积越大，凡是能使熔滴变细的因素，都能加强冶金反应。熔滴相互作用时间近似等于熔滴存在时间（0.01~1.0s），是很短暂的。第19页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院熔滴过渡的形式：国际焊接学会（IIW）对熔滴过渡形式分类：第20页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院

接触过渡自由过渡渣壁过渡熔滴过渡的形式：第21页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院焊接金属熔滴及其过渡特性焊条端部熔化形成的滴状液态金属称为熔滴

熔滴特性至关重要焊接过程稳定性焊接冶金焊缝成形重点研究第22页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院熔滴过渡的主要形式及其特点分为三种：自由过渡、接触过渡（短路过渡）和渣壁过渡（附壁过渡）。1自由过渡

自由过渡是指熔滴经电弧空间自由飞行，焊丝端头和熔池之间不发生直接接触的过渡方式。滴状过渡：特点：熔滴直径大于焊丝直径。大颗粒过渡：条件：电流较小，电弧电压高时，小电流MIG焊。过渡频率低，主要是重力与表面张力的平衡。细颗粒过渡：条件：较大电流时，大电流CO2焊。频率高，电弧稳定，焊缝质量高,重力、电磁力促进过渡。注：CO2中等电流焊时：短路过渡加大滴状排斥过渡，飞溅大。第23页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院喷射过渡：在MIG焊(熔化极惰性气体保护焊)时会出现这种形式的过渡，又分为：射滴过渡、亚射流过渡、射流过渡、旋转射流过渡。1)射滴过渡:熔滴直径接近焊丝直径，熔滴加速度大于重力加速度，尺寸规则呈球形，沿轴向过度。

形成原因：熔滴被弧根笼罩，电弧呈种罩形，从而电磁收缩力形成较强的推力。

出现场合：铝及其合金的氩弧焊及钢的脉冲氩弧焊。２）射流过渡：电流密度大，熔滴直径小于焊丝直径，熔滴加速度比重力加速度大几十倍。形成原因：电流密度大，焊丝熔化端部形成尖锥状，出现金属蒸发，电弧跳弧，形成很强的等离子流力。第24页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院射滴过渡第25页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院3）亚射流过渡（亚射滴过渡）介于短路过渡与射滴过渡之间的熔滴过渡形式。形成：因其电弧较短，在电弧热作用下，形成的熔滴长大，在即将以射滴过渡时与熔池短路，在电磁收缩力的作用下断裂形成过渡。特点：短路前就已经形成细颈；短路时间短，电流上升不大；飞溅小，焊缝成形美观；电弧自调节能力极强（弧长2～8mm)；主要用于铝及其合金的焊接。第26页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院２接触过渡（短路过渡）１）定义：当电流较小，电弧电压较低时，弧长较短，熔滴未长成大滴就与熔池接触形成液态金属短路，电弧熄灭，随之金属熔滴在表面张力及电磁收缩力的作用下过渡到熔池中去，熔滴脱落之后电弧重新引燃，如此交替进行。２）短路过渡的过程：以P20图2-2进行分析。３）稳定性及其影响因素

稳定性是指焊接持续稳定、飞溅大小、成形等方面a.电流上升率；b.短路最大电流IMax

c.空载电压恢复速度；d.短路频率：越大越稳定。第27页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院４）影响短路频率的因素：电弧电压：有一个最佳值；b.送丝速度：有一个最佳值。c.电感：增加，频率降低，但可增加燃弧时间，调节热输入。５）特点a.短路过渡是燃弧、熄弧交替进行的。b.短路过渡时，焊接过程中的平均电流较小，而短路电流峰值又相当大，这种电流形式既可避免薄板的焊穿，又可保证熔滴过渡的顺利进行，有利于薄板焊接或全位置焊接。短路过渡时，一般使用小直径的焊丝或焊条，电流密度较大，电弧产热集中，焊丝或焊条熔化速度快，因而焊接速度快。同时，短路过渡的电弧弧长较短，焊件加热区较小，可减小焊接接头热影响区宽度和焊接变形量，提高焊接接头质量小电流、低电压、细焊丝，二氧化碳细丝焊。第28页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院３渣壁过渡（附壁过渡）定义：渣壁过渡是熔滴沿着熔渣的壁面流入熔池的一种过渡形式。出现的焊接方法：埋弧焊和焊条电弧焊。

埋弧焊时，电弧在熔渣形成的空腔(气泡)内燃烧，熔滴主要通过渣壁流入熔池，只有极少数熔滴通过空腔内的电弧空间进入熔池。埋弧焊的熔滴过渡频率及熔滴尺寸与极性、电弧电压和焊接电流有关。直流反接时：熔滴较细，沿渣壁以小滴状过渡，频率较高；直流正接时：熔滴较大，在斑点力的作用下摆动，呈粗滴状过渡，频率较低。

焊条电弧焊时，熔滴过渡形式可能有四种：渣壁过渡、粗滴过渡、细滴过渡和短路过渡，过渡形式取决于药皮成分和厚度、焊接参数、电流种类和极性等。当采用厚药皮焊条焊接时，焊芯比药皮熔化快，使焊条端头形成有一定角度的药皮套筒，控制熔滴沿套筒壁落入熔池，形成渣壁过渡。

碱性焊条：大滴状或短路过渡。（弧长较短时，短路过渡；弧长较长时，大滴状过渡）酸性焊条：细颗粒过渡（部分沿套筒内壁过渡，部分直接过渡）第29页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院附壁过渡第30页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院关于熔滴过渡技术的最新发展

传统上，熔滴过渡在一个电流周期，形式内比较单一，缺乏灵活性，焊缝成形的好坏在很大程度上仍然依赖于焊工的操作技术水平和心理状态。

近年来，随着逆变技术特别是数字技术在焊接设备上的应用逐渐推广，已经可以对熔滴过渡进行快速、精确的实时控制，情况发生了很大的变化，在熔化极气体保护焊中出现了如表面张力过渡（STT）、冷金属过渡（CMT）和双脉冲（doublepulse、superpulse）过渡等新的熔滴过渡技术。第31页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院

下面为冷金属过渡过程及其所焊的铝合金薄板对接焊缝。第32页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院熔敷系数和飞溅1熔敷效率和熔敷系数1）熔敷效率：过渡到焊缝中的金属重量与使用焊丝重量之比。MIG焊、埋弧焊大于90%CO2焊、手工电弧焊约为80%。２）熔敷系数αy：单位时间、单位焊接电流内所熔敷到焊缝上的焊丝金属重量。熔化系数αm：单位时间、单位焊接电流内所熔敷到焊缝上的焊丝金属重量。损失系数：焊接电流增加,熔敷系数αy、熔化系数αm增加，损失系数减小。第33页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院2熔滴过渡的飞溅及其影响因素焊接中飞溅的产生a.伴随气体析出而引起的飞溅．气体爆炸引起的飞溅电弧斑点力引起的飞溅短路过渡再引燃引起的飞溅２）影响因素飞溅的因素焊接方法和规范过渡形式电源动特性气体介质极性焊丝、焊件表面的清洁度第34页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院熔滴过渡的控制脉冲电流控制法射流短路交替控制法脉冲送丝法第35页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院熔滴过渡的飞溅飞溅率ψ:定义为飞溅损失的金属与熔化的焊丝（条）金属的重量百分比。

测量焊接飞溅率的办法:

一种是焊接后收集飞溅颗粒的办法，但要保证完全收集也是很困难的，需要对焊接区进行封闭，并且要做到封闭区内部焊接前后状态的一致(特别是各部件的表面状态)。第二种办法是通过测量焊丝损失率来一定程度上表示焊接飞溅率大小。第36页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院药皮的熔化与过渡一以薄膜的形式包在金属熔滴的外面或被夹在熔滴内二熔渣直接从焊条端部以滴状落入到熔池药皮熔化后熔渣的过渡形式药皮温度不均匀药皮厚度—影响—药皮套筒药皮熔点—影响—药皮套筒药皮套筒的长度对焊接工艺，熔滴过度和化学冶金反应影响第37页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院第二节焊接熔池的形成熔焊时，母材上由熔焊的焊条金属与局部熔化的母材所组成的具有一定几何形状的的液体金属叫熔池。如焊接时不填充金属，则熔池仅由局部熔化的母材组成。第38页，共45页，2023年，2月20日，星期日浙江机电学院熔池的形状类似于不标准的半椭球，其轮廓为温度等于母材熔点的等温面。