第三章焊絲的熔化及熔滴過渡

第三章焊材的熔化與熔滴過渡3.1焊條的熔化與熔滴過渡3.2焊絲的熔化與熔滴過渡

學習要求：熟練掌握焊絲熔化速度、熔化系數(shù)、熔敷速度、熔敷效率、熔敷系數(shù)、熔滴過渡及飛濺等基本概念。掌握熔滴上受到的各種力及其對過渡的影響；了解熔滴過渡的基本分類，各類熔滴過渡的基本特征；掌握各種焊接方法的熔滴過渡特點。了解固有自調(diào)節(jié)作用。

3.1焊條的熔化與熔滴過渡焊芯直接受到電弧熱的作用，焊芯的加熱熔化和金屬向熔池的過渡，明顯地超前于藥皮，而藥皮的熔化，其內(nèi)層又超前于外層，這樣經(jīng)過一段很短的電弧過程后，焊條端部形成套筒。3.1.1焊條的加熱及熔化

（1）焊芯的加熱①電阻熱在正常的工藝參數(shù)下，電阻預熱作用不太大，當電流密度過大，電阻熱明顯增加（與電流密度平方成正比），引起不良后果（藥皮發(fā)紅開裂，使某些成分過早分解、過早脫落，造成電弧燃燒不穩(wěn)定，喪失保護和冶金反應能力，使焊縫成形變壞，甚至產(chǎn)生氣孔等焊接缺陷）。在相同電流密度下，與電阻大小成正比。②電弧熱熱功率（20%——27%）熔化藥皮與焊絲（過熱與蒸發(fā)）傳導到焊芯深處(焊芯和藥皮T↑)

沿焊芯軸線方向測量的藥皮表面溫度結(jié)果表明，電弧加熱所形成的溫度場范圍很窄，一般集中在焊條端部10mm以內(nèi)，說明焊條的熔化主要依靠電弧熱。沿焊條長度藥皮表面溫度的分布如下圖所示。③化學反應熱在一般情況下化學反應熱甚小，僅占1%～3%，可忽略不計。圖3-1焊接時沿焊條長度藥皮表面溫度的分布不銹鋼焊條，Ф5mm,I為190A燃燒時間：1-10s2-40s(2)焊條藥皮的熔化和過渡

焊條藥皮的作用：保護電弧穩(wěn)定燃燒，形成熔渣，穩(wěn)弧，使熔滴金屬易過渡、在電弧區(qū)和熔池周圍造成一種氣氛、保護焊接區(qū)域、獲得良好的焊縫成形與性能等。種類：穩(wěn)弧劑、造渣劑、脫氧劑、造氣劑、合金劑、增塑劑、黏結(jié)劑。

藥皮的導熱性比焊芯小得多，表面有散熱作用，造成沿焊條端部橫斷面的溫度分布很不均勻，等溫線由焊芯內(nèi)過渡到藥皮內(nèi)發(fā)生突然的轉(zhuǎn)折，如右圖所示。由于焊條端藥皮的熔化不均勻，因而形成了所謂套筒，藥皮的熔點越高，厚度越大，套筒越長。T1——焊芯熔化溫度D1，D2——藥皮內(nèi)、外徑T2——藥皮熔化溫度藥皮熔化所形成的熔渣，有兩種過渡形式：一是包覆在金屬熔滴的外面或被夾在熔滴內(nèi)，同金屬熔滴一起過渡到熔池；二是熔渣直接從焊條端部流入熔池或以滴狀直接落入熔池。熔渣溫度：平均溫度不超過1600℃。3.1.2焊條的熔滴過渡焊條的熔滴過渡形式可分為：粗熔滴過渡、渣壁過渡、噴射過渡和爆炸過渡四種類型。過渡形式取決于藥皮成分與厚度、焊接參數(shù)、電流種類和極性等。

熔滴尺寸大，自由熔滴可以長大到超過焊芯直徑；熔滴過渡時與熔池短路，并出現(xiàn)爆炸飛濺；過渡頻率低，一般f=1.5～5s-1。（1）粗熔滴過渡的熔滴行為（短路過渡）特點:Dropletbehaviorofglobulartransfer在正?；￠L時，熔滴與熔池發(fā)生橋接短路，橋接短路有時會發(fā)生爆炸飛濺。粗熔滴過渡的短路行為ShortcircuitbehaviorofglobulartransferTakingplacetheexplosivespatter

whenshortcircuit

熔滴尺寸小，一般不超過焊芯直徑，在焊條端面處，可以同時存在多個熔滴；過渡頻率較粗熔滴過渡時高，一般為5～9s-1。（2）渣壁過渡的特征

渣壁過渡是焊條端部的熔體沿藥皮套筒壁面溜向熔池的一種過渡形式，熔滴過渡時不發(fā)生短路。Characteristicsofflux-wallguidedtransfer

2-6（3）熔滴的爆炸過渡

爆炸過渡是熔滴在形成、長大或過渡過程中，由于激烈的冶金反應，在熔滴內(nèi)部產(chǎn)生CO氣體，使熔滴急劇膨脹發(fā)生爆裂而形成的過渡形式。在爆炸過渡的同時，發(fā)生強烈爆炸飛濺，嚴重惡化了焊接工藝性，熔滴爆炸過渡的頻率大約為30～50s-1

。Explosivetransferofdroplet

2-7（4）噴射過渡的熔滴行為Dropletbehaviorofspraytransfer

焊條端部熔體呈細碎的顆粒由套筒內(nèi)噴射出來，并以噴射狀態(tài)快速通過電弧空間向熔池過渡。熔滴細碎程度比爆炸過渡時要大得多。過渡頻率

f﹥100s-1

(5)其他過渡形態(tài)

在熔滴形成過程中，由于某種力的作用（不是因爆炸），從停留在焊條端部的大熔滴中，分離出較小熔滴，這個小熔滴又遠離套筒，不能形成渣壁過渡，“自由地”飄落于熔池，而形成“自由過渡”。圖3-14焊條電弧焊熔滴“自由過渡”E309Nb-26不銹鋼焊條，直流反接，I=140A

焊條種類Categoryofelectrodes

粗熔滴過渡Globulartransfer

渣壁過渡Flux-wallguidedtransfer

爆炸過渡explosivetransfer噴射過渡spraytransferE4303E4301(J422J423)

▲▲▲▲E5010▲▲▲E308-16(A102)▲E308-16(A101)▲E308-15(A107)▲EDP-A2-03(D132)▲EZC(Z208)▲E5015(J507)▲2-11常用焊條的熔滴過渡形式3.1.3焊條電弧焊的飛濺

（1）焊條電弧焊時飛濺的幾種類型

①氣體逸出引起的飛濺；②熔滴短路引起的飛濺現(xiàn)象；③熔滴爆炸引起的飛濺；④電弧力引起的飛濺。

由熔滴中氣體的逸出引起的飛濺

粗熔滴過渡時在熔滴表面產(chǎn)生柱狀隆起引起的逸出飛濺

熔池表面氣體逸出引起的飛濺SpatteriscausesbytheescapeofgasfromdropletSpatteriscausesbyescapeofgasfrommoltenpool2-29

Spatteriscausedbytheshortcircuit熔滴與熔池短路時，短路橋通過強大的短路電流，瞬間被加熱氣化引起爆破形成電爆炸飛濺。粗熔滴過渡形成的電爆炸飛濺Spatter

iscausedbytheshortcircuit

熔滴爆炸引起的飛濺噴射過渡形成的噴灑飛濺

渣壁過渡形成的飄離飛濺Slowdroppingspatteriscausedbyflux-wellguidedtransfer

SpatteriscausedbydropletexplosiveSpatteriscausedbydropletexplosive電弧力引起的飛濺當熔滴偏離套筒時電弧斑點壓力將熔滴推離套筒，造成飛濺。熔滴越粗大，飛濺的幾率也越大。

Spatteriscausedbyarcforce

ArcforceThemovieofcoveredelectrodedroplettransferprocesstakingwithhighspeedphotographyPetazent-16TypeHighSpeedMovieCamera(1000f/s)2-31Spatteriscausedbyarcforce電弧力引起的飛濺熔滴過渡形態(tài)Metaltransferforms電爆炸飛濺Spatterowingtoshortcircuit爆炸飛濺Spatterowingtoexplosive噴灑飛濺Spatterowingtospray飄離飛濺Slowdroppingspatter電弧力飛濺Spatterowingtoarcforce氣體逸出飛濺Spatterowingtothegasdiverts粗熔滴過渡Droptransfer▲▲▲▲渣壁過渡Flux-wallguidedtransfer▲爆炸過渡Explosivetransfer▲▲▲▲噴射過渡Spraytransfer▲焊條熔滴過渡形態(tài)對飛濺的影響粗熔滴過渡﹑爆炸過渡造成強烈飛濺，噴射過渡產(chǎn)生強烈的噴灑飛濺，渣壁過渡形成飄離飛濺，強度最小。Effectofthemetaltransferformsonthespatterofcoveredelectrodes3.2焊絲的熔化與熔滴過渡3.2.1焊絲的加熱與熔化（1）電弧熱陰極產(chǎn)熱：PK=I(UK-Uw-UT)陽極產(chǎn)熱：PA=I(UA+Uw+UT)

通?；≈臏囟瓤蛇_6000K以上，此時UT小于1V；當電流密度較大時，UA近似為零，所以上兩式可簡化為：PK=I(UK-Uw)PA=IUW熔化極氣體保護焊時，焊絲均為冷陰極材料，UK＞＞UW

，所以PK＞PA

。焊絲為陰極時的產(chǎn)熱量比焊絲為陽極時的產(chǎn)熱量多，焊絲接負時熔化更快。（2）電阻熱

焊絲伸出部分有電流流過時所產(chǎn)生的電阻熱對焊絲有預熱作用，因而也影響焊絲的熔化速度。焊絲伸出長度的電阻熱示意圖焊絲伸出長度的電阻：Rs=ρLs/S則電阻熱：PR=I2Rs式中，Ls

—焊絲的伸出長度；Rs

—焊絲Ls段的電阻值；ρ－焊絲的電阻率；S—焊絲的橫截面積。熔化極電弧焊時，加熱和熔化焊絲主要由電弧熱和電阻熱兩部分組成，總的熱功率為：

Pm=I(Um+IRs)

其中Um是電弧熱的等效電壓，焊絲為陽極時,Um＝Uw；焊絲為陰極時，Um=UK-UW

3.2.2焊絲的熔滴過渡

在電弧作用下，焊絲末端加熱熔化形成熔滴，并在各種力的作用下脫離焊絲進入熔池，稱之為熔滴過渡。三種過渡類型：

自由過渡是指熔滴脫離焊絲末端前不與熔池接觸，它經(jīng)電弧空間自由飛行進入熔池的一種過渡形式。

接觸過渡是通過焊絲末端的熔滴與熔池表面接觸成過橋而過渡的。

渣壁過渡是渣保護時的一種過渡形式，埋弧焊時在一定條件下熔滴沿熔渣的空腔壁形成過渡。(1)短路過渡(ShortCircuitingTransfer)

電流較小，電弧電壓較低時，熔滴未長成大滴就與熔池接觸而形成液態(tài)金屬短路，使電弧熄滅，在表面張力、重力及電磁收縮力的作用下，熔滴金屬過渡到熔池中去。熔滴脫落之后電弧又復燃，如此交替進行，這樣的過渡形式稱為短路過渡。

左圖為短路過渡過程的電弧電壓和電流動態(tài)波形圖，t1-燃弧時間t2-短路時間t3-拉斷熔滴后的電壓恢復時間T-短路周期，T=t1+t2+t3Imax-最大電流，也稱短路峰值電流Imin-最小電流Ia-平均焊接電流Ua-平均電弧電壓。①短路過渡過程②短路過渡的特點a.燃弧、短路交替進行。

b.所使用的焊接電流（平均值）較小，但短路時的峰值電流可達平均電流的幾倍。

c.采用細絲（或細焊條），焊接電流密度大，焊接速度快，故對焊件熱輸入低，而且電弧短，加熱集中。③短路過渡的穩(wěn)定性短路過渡的周期T是由燃弧時間t1和熄弧時間t2所組成。燃弧時間取決于電弧電壓和焊接電流或焊絲送進速度。如果電弧電壓過低或送絲速度過快，熔滴尚未脫離焊絲時焊絲未熔化部分就可能插入熔池，造成固體短路，產(chǎn)生大段爆斷，使飛濺增大。

瞬時短路固態(tài)短路縮頸爆斷短路過渡的形式短路時間主要取決于短路時的電流增長速度di/dt。di/dt過小，短路時電流不能及時增到相應數(shù)值，則熔滴不能及時過渡，熄弧時間就拉長，電弧空間溫度下降許多，將造成電弧復燃困難。短路過渡過程中，熔滴與熔池接觸時將形成縮頸。隨著短路電流增大，縮頸變細，縮頸內(nèi)的電流密度大大增加，使縮頸金屬迅速加熱，最后導致縮頸金屬汽化爆炸，產(chǎn)生大量細顆粒飛濺，此時的電流稱為短路峰值電流。在短路初的瞬間，接觸面積小，電磁力指向焊絲，若短路電流的上升速度過快，形成大的電磁排斥力，使剛與熔池接觸的熔滴往往來不及在熔池表面鋪展便被排斥出熔池而形成飛濺。此時產(chǎn)生的飛濺被稱為瞬時短路飛濺。短路電流上升速度及短路峰值電流，一般是通過串聯(lián)在焊接回路中的電感來調(diào)節(jié)。

短路過渡的一組高速攝影照片

在非熔化極填絲電弧焊或氣焊中，焊絲一般不通電，所以不稱為短路過渡，而稱為接觸過渡。

④新型短路過渡形式STT(surfacetensiontransfer表面張力過渡)技術(shù)。CMT（coldmeteltransfer）就是冷金屬過渡，是一種新開發(fā)的的熔化極氣體保護焊短路過渡形式。是通過短路時焊絲的回抽來脫落熔滴，熱輸入非常低，焊接過程穩(wěn)定，無飛濺。

(2)滴狀過渡(DropTransfer)①粗滴過渡電流較小而電弧電壓較高時，因弧長較長，熔滴與熔池不發(fā)生短路，焊絲末端便形成較大的熔滴。當熔滴長大到一定程度后，重力克服表面張力使熔滴脫落。焊縫成形粗糙，飛濺較大，很用。②細滴過渡電流比較大時，電磁收縮力較大，熔滴表面張力減小，熔滴細化，這些都促使熔滴過渡，使熔滴過渡頻率增加。這種過渡形式稱為細滴過渡。飛濺較少，電弧穩(wěn)定，焊縫成形較好，在生產(chǎn)中被廣泛應用。對于CO2氣體保護電弧焊及酸性焊條電弧焊，熔滴呈非軸向過渡。鋁合金熔化極氬弧焊或較大電流活性氣體保護焊鋼件時，熔滴呈軸向過渡（熔滴沿焊絲軸向落入熔池）。前者稱為細顆粒過渡；而后者稱為射滴過渡，飛濺較前者小。圖3-32細顆粒過渡與射滴過渡a),b)細顆粒過渡c)射滴過渡(3)噴射過渡(SprayTransfer)

噴射過渡包括四種過渡形式：

射滴過渡是介于滴狀過渡與連續(xù)射流過渡之間的一種熔滴過渡形式。

亞射流過渡是介于短路與射滴之間的一種過渡形式，主要用于鋁、鎂及其合金的熔化極氣體保護焊。

射流過渡是采用純氬或富氬保護氣氛，直流反接，除保持高弧壓(長弧)外，必須使焊接電流大于某一臨界值。

旋轉(zhuǎn)射流過渡是在焊絲伸出長度較大，焊接電流比通常產(chǎn)生射流過渡的臨界電流高出很多時(稱為第二臨界電流)出現(xiàn)的一種熔滴過渡形式。射流過渡是噴射過渡中最有代表性且用途廣泛的一種過渡形式。在較強的等離子流力作用下，細小的熔滴便從液柱尖端一個接一個的以高速沖向熔池（其加速度可達重力加速度的幾十倍），這種過渡形式稱為射流過渡。產(chǎn)生跳弧現(xiàn)象的最小電流Ic，稱為射流過渡臨界電流。電流一旦達到臨界電流，熔滴尺寸減小，過渡頻率大大增加。圖3-33射流過渡形成機理示意圖射流過渡形成機理示意圖鋼焊絲φ1.6mm氣體Ar+O21%弧長6mm直流反接熔滴過渡頻率（體積）與電流的關(guān)系射流過渡的高速視頻射流過渡臨界電流的大小與下列因素有關(guān)：①焊絲成分②焊絲直徑③焊絲伸出長度④氣體介質(zhì)⑤電源極性不同焊絲的臨界電流焊絲直徑、伸出長度與臨界電流的關(guān)系如果焊絲伸出長度過長，而且焊接電流比臨界電流大很多，由于電磁收縮力的作用，使焊絲端部液柱的長度增加，射流過渡的細滴高速噴出，對焊絲端部液柱會產(chǎn)生反作用力。一旦某種偶然因素使反作用力而偏離軸線，則液柱端部偏斜，使液柱旋轉(zhuǎn)，熔滴從液柱端部向四周高速甩出，形成所謂旋轉(zhuǎn)射流過渡。射流過渡形成機理示意圖氣體介質(zhì)成分對臨界電流的影響

a.焊接過程穩(wěn)定，飛濺極少，焊縫成形質(zhì)量好；b.電弧穩(wěn)定，對保護氣流的擾動作用小，故保護效果好；c.射流過渡電弧功率大，熱流集中，對焊件的熔透能力強，而且過渡的熔滴沿電弧軸線高速流向熔池，使焊縫中心部位熔深明顯增大而呈指狀熔深，所以射流過渡主要用于平焊位置焊接厚度大干3mm的工件，不宜焊薄件。

射流過渡在工藝上的主要優(yōu)點：(4)渣壁過渡

埋弧焊的熔滴過渡與焊速、極性、電弧電壓和焊接電流有關(guān)。直流反接時，如電弧電壓較低，則熔渣形成的空腔較小，焊絲端頭形成的熔滴較細小，沿渣壁以小滴狀過渡，過渡頻率較高，每秒可達幾十滴。直流正接時，焊絲端頭的熔滴較大，且在陰極斑點壓力的作用下不停地擺動，形成較大的空腔，呈粗滴狀過渡。過渡頻率較低，每秒僅10滴左右。焊接電流對熔滴過渡頻率有很大影響。熔滴過渡頻率隨電流的增加而增加。這種現(xiàn)象，直流反接時更為明顯。渣壁過渡a)焊條電弧焊b)埋弧焊埋弧焊時電流對過渡頻率的影響3.2.3焊絲熔滴過渡的飛濺

在電弧熱作用下，焊絲端頭的熔化金屬形成熔滴，受到各種力的作用向母材過渡，稱為熔滴過渡。

(1)熔滴上的作用力①重力對熔滴過渡的影響取決于焊接空間位置。式中，是熔滴密度；r是熔滴半徑；g是重力加速度；m是熔滴質(zhì)量。

熔滴上的重力和表面張力示意圖②表面張力式中，為表面張力系數(shù)，其數(shù)值與材料、溫度、氣體介質(zhì)等因素有關(guān)。金屬MgZnAlCuFeTiMoWσ×103(N·m-1)65077090011501220151022502680純金屬的表面張力系數(shù)只有重力和其它作用力的合力超過時，熔滴才能脫離焊絲過渡到熔池中去。一般情況下是阻礙熔滴過渡的力。在仰焊或其它位置（立焊、橫焊）焊接時，卻有利于熔滴過渡。因為一是熔滴與熔池接觸時，表面張力有將熔滴拉入熔池的作用；二是使熔池或熔滴不易流淌。

③電弧力a.電磁收縮力：作用于熔滴上的電磁收縮力具有由小導電截面指向大導電截面的特點。b.等離子流力：電弧等離子流力隨著等離子氣流從焊絲末端側(cè)面切入，并沖向熔池，促進熔滴過渡。c.斑點壓力：斑點壓力包括正離子和電子對熔滴的撞擊力、電極材料蒸發(fā)時產(chǎn)生的反作用力以及弧根面積很小時產(chǎn)生的指向熔滴的電磁收縮力。④爆破力當熔滴內(nèi)部產(chǎn)生金屬蒸汽或因冶金反應生成氣體時，在電弧高溫作用下氣體積聚和膨脹，若內(nèi)部壓力較大，則使熔滴爆破，其中大部分液體金屬向熔池過渡，少量金屬形成飛濺。在長弧焊時，表面張力阻礙熔滴從焊絲末端脫離，而成為反過渡力。但短弧焊時，當熔滴與熔池金屬短路并形成液態(tài)金屬過橋時，由于與熔池接觸界面很大，使向下的表面張力遠大于焊絲端向上的表面張力，結(jié)果使金屬液橋被拉近熔池而有利于熔滴過渡。電磁收縮力也有相同的情況。當熔滴短路時，電流呈發(fā)散形，此時電磁收縮力的軸向分力Fcx則有助于熔滴過渡。圖3-42形成液態(tài)橋時表面張力的作用圖3-43形成液態(tài)橋時電磁力的作用1-焊絲2—液態(tài)金屬過橋3-母材1-焊絲2-液態(tài)金屬過橋3-電流4-母材形成液態(tài)橋時表面張力的作用形成液態(tài)橋時電磁力的作用(2)焊絲熔滴過渡的損失及飛濺①熔敷效率、熔敷系數(shù)和損失率：過渡到焊縫中的金屬質(zhì)量與使用的焊絲(條)金屬質(zhì)量之比，定義為熔敷效率。熔敷系數(shù)ay是指單位時間、單位電流所熔敷到焊縫的焊絲金屬質(zhì)量。用am表示熔化系數(shù)(單位時間、單位電流熔化焊絲金屬的質(zhì)量)，則焊絲金屬的蒸發(fā)、氧化和飛濺的損失率為:②熔滴過渡的飛濺率飛濺損失通常用飛濺率ψ來表示，其定義為飛濺損失的金屬與熔化的焊絲(條)金屬的質(zhì)量百分比。測量焊接飛濺率有兩種辦法：一是焊接后收集飛濺顆粒，要做到封閉區(qū)內(nèi)部焊接前后狀態(tài)一致(特別是各部件的表面狀態(tài))；二是通過測量焊絲損失率，一定程度上表示焊接飛濺率ψ大小。a.短路過渡飛濺的特點

熔滴與熔池接觸形成液態(tài)縮頸。隨電流增大，縮頸變細，縮頸內(nèi)電流密度顯著增加，使縮頸液態(tài)金屬迅速加熱，導致縮頸金屬汽化爆炸，產(chǎn)生大量細顆粒飛濺。飛濺多少與電流值有關(guān)，稱為短路峰值電流。該電流值越大，爆炸能量