现代焊接技术-第二章焊丝的熔化和熔滴的过渡课件.ppt
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- 现代 焊接 技术 第二 焊丝 熔化 过渡 课件
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1、 电弧焊时,焊丝(或焊条)的末端在电弧的高电弧焊时,焊丝(或焊条)的末端在电弧的高温作用下加热熔化,熔化的液体金属达到一定程度温作用下加热熔化,熔化的液体金属达到一定程度便以一定的方式脱离焊丝末端,过渡到熔池中去。便以一定的方式脱离焊丝末端,过渡到熔池中去。这个过程称为熔滴过渡。焊接过程中,焊丝的加热、这个过程称为熔滴过渡。焊接过程中,焊丝的加热、熔化及熔滴过渡会直接影响到焊缝质量和焊接生产熔化及熔滴过渡会直接影响到焊缝质量和焊接生产率。本章将讲述焊丝的加热与熔化、熔滴上的作用率。本章将讲述焊丝的加热与熔化、熔滴上的作用力、熔滴过渡的主要形式以及熔滴过渡过程中产生力、熔滴过渡的主要形式以及熔滴
2、过渡过程中产生的飞溅。的飞溅。第二章第二章 焊丝的熔化和熔滴焊丝的熔化和熔滴的过渡的过渡2.1 2.1 焊丝的加热与熔化焊丝的加热与熔化熔化极电弧焊时,焊丝具有两方面的作用熔化极电弧焊时,焊丝具有两方面的作用:一方面作为电弧的一极导电并传输能量;一方面作为电弧的一极导电并传输能量;另一方面作为填充材料向熔池提供熔化金属并和熔另一方面作为填充材料向熔池提供熔化金属并和熔化的母材一起冷却结晶而形成焊缝。化的母材一起冷却结晶而形成焊缝。a)a)焊丝的加热熔化主要靠单位时间内阴极区焊丝的加热熔化主要靠单位时间内阴极区(直流正直流正接时接时)或阳极区或阳极区(直流反接时直流反接时)所产生的所产生的电弧热
3、电弧热及焊及焊丝自身的丝自身的电阻热电阻热,弧柱的辐射热则是次要的。,弧柱的辐射热则是次要的。b)b)非熔化极电弧焊(如钨极氩弧焊或等离子弧焊)非熔化极电弧焊(如钨极氩弧焊或等离子弧焊)填充焊丝时,主要靠填充焊丝时,主要靠弧柱的辐射热弧柱的辐射热来熔化焊丝。来熔化焊丝。2.1.12.1.1焊丝的熔化热源焊丝的熔化热源1.1.电弧热电弧热单位时间内阴极区和阳极区的产热量如果分别用电功率单位时间内阴极区和阳极区的产热量如果分别用电功率P PK K和和P PA A表示,计算公式如下:表示,计算公式如下:(2-12-1)P PA AI I(U UA AU UWWU UT T)(2-22-2)在通常电弧
4、焊的情况下,弧柱的平均温度为在通常电弧焊的情况下,弧柱的平均温度为6000K6000K左右,左右,U UT T1VUUW W,P,PK KPPA A P PK KI I(U UK KU UWWU UT T)从焊丝与导电嘴的接触点到从焊丝与导电嘴的接触点到电弧端头的一段焊丝上电弧端头的一段焊丝上(即焊丝即焊丝的的伸出长度伸出长度,用,用L Ls s表示表示)有焊接有焊接电流流过时,将产生电阻热。电流流过时,将产生电阻热。焊丝伸出长度的电阻为焊丝伸出长度的电阻为 RsRsLsLs/S/S (2-5)(2-5)则电阻热为则电阻热为 P PR R I I2 2RsRs (2-6)(2-6)式中,式中,
5、RsRs是焊丝是焊丝LsLs段的电阻值,段的电阻值,是焊丝的电阻率,是焊丝的电阻率,LsLs是焊丝是焊丝的伸出长度,的伸出长度,S S是焊丝的横截面是焊丝的横截面积。积。2 2电阻热电阻热图图2-1 2-1 焊丝伸出长度的电阻热示意图焊丝伸出长度的电阻热示意图 熔化极电弧焊时,综合电弧热和电阻热,用熔化极电弧焊时,综合电弧热和电阻热,用于加热和熔化焊丝的总能量于加热和熔化焊丝的总能量PmPm可表示可表示 PmPmI I(UmUm十十IRsIRs)(2-72-7)U Um m是电弧热的等效电压,是电弧热的等效电压,a)a)一般一般LsLs=10=1030mm30mm。对于导电性能良好的铝和铜。对
6、于导电性能良好的铝和铜等金属焊丝,等金属焊丝,P PR R与与P PK K或或P PA A相比是很小的,可忽略不相比是很小的,可忽略不计。对于不锈钢、钢和钛等材料,电阻率较高,计。对于不锈钢、钢和钛等材料,电阻率较高,特别在细丝大电流时,焊丝伸出长度越大,特别在细丝大电流时,焊丝伸出长度越大,P PR R越越大,这时大,这时P PR R与与P PK K或或P PA A相比才有重要的作用相比才有重要的作用b)b)焊丝为阳极时,焊丝为阳极时,U Um mU UW W;焊丝为阴极时,;焊丝为阴极时,U Um mU UK KU UW W。这就是单位时间内由电弧热和电阻热提供的用于加这就是单位时间内由电
7、弧热和电阻热提供的用于加热和熔化焊丝的主要能量。热和熔化焊丝的主要能量。2.1.22.1.2影响焊丝熔化速度的因素影响焊丝熔化速度的因素熔化速度熔化速度VmVm:单位时间内焊丝的熔化量。:单位时间内焊丝的熔化量。单位:单位:g/s cm/sg/s cm/s熔化系数熔化系数 m m:单位时间内,由单位电流所熔化的:单位时间内,由单位电流所熔化的焊丝量(长度,重量)焊丝量(长度,重量)单位:单位:g/A.S Cm/A.Sg/A.S Cm/A.S m m=V Vm/Im/I焊丝的熔化速度主要取决于式焊丝的熔化速度主要取决于式(2-7)(2-7)所表示的单位所表示的单位时间内用于加热和熔化焊丝的总能量
8、时间内用于加热和熔化焊丝的总能量P Pm m。电弧热与电流成正比,电阻热与电流平方成正比。电弧热与电流成正比,电阻热与电流平方成正比。电流增大,熔化焊丝的电阻热和电弧热增加,焊电流增大,熔化焊丝的电阻热和电弧热增加,焊丝熔化速度加快。丝熔化速度加快。图图2-2 2-2 铝焊丝熔化速度与电流的关系铝焊丝熔化速度与电流的关系1 1焊接电流的影响焊接电流的影响铝焊丝,可近似为铝焊丝,可近似为:PmPmIUmIUm焊丝直径越小,焊丝的熔化系焊丝直径越小,焊丝的熔化系数越大,斜率越大。数越大,斜率越大。图图2-3 2-3 不锈钢焊丝熔化速度与电流的关系不锈钢焊丝熔化速度与电流的关系2 2电弧电压的影响电
9、弧电压的影响 等速送丝熔化极气体保炉焊时,焊丝熔化速度与等速送丝熔化极气体保炉焊时,焊丝熔化速度与电弧电压和电流的关系电弧电压和电流的关系.图图2-4 2-4 熔化极气体保护焊时电弧的固有调节作用熔化极气体保护焊时电弧的固有调节作用 a)a)铝焊丝(铝焊丝(1.61.6 b)b)钢焊(钢焊(2.42.4)图图2-4a2-4a中的曲线是在稳定的焊接条件下的铝焊丝的电中的曲线是在稳定的焊接条件下的铝焊丝的电弧自身调节系统静特性曲线(即等熔化曲线弧自身调节系统静特性曲线(即等熔化曲线):):a)a)当电弧较长时当电弧较长时(电弧电压较高电弧电压较高),曲线垂直于横轴,曲线垂直于横轴,即电弧电压对焊丝
10、熔化速度影响很小。此时送丝速度即电弧电压对焊丝熔化速度影响很小。此时送丝速度与熔化速度平衡,熔化速度主要决定于电流的大小与熔化速度平衡,熔化速度主要决定于电流的大小(AB(AB段段)。b)b)当电弧弧长为当电弧弧长为8mm8mm到到2mm2mm区间区间(BC(BC段段)时,曲线向左倾时,曲线向左倾斜,这说明随着电弧电压降低斜,这说明随着电弧电压降低(弧长缩短弧长缩短),熔化一定,熔化一定数量焊丝所要的电流减小,亦即等量的焊接电流所熔数量焊丝所要的电流减小,亦即等量的焊接电流所熔化的焊丝增加。也就是说,电弧较短时熔化系数增加化的焊丝增加。也就是说,电弧较短时熔化系数增加了。之所以如此,是因为弧长
11、缩短时,电弧热量向周了。之所以如此,是因为弧长缩短时,电弧热量向周围空间散失减少,提高了电弧的热效率,使焊丝的熔围空间散失减少,提高了电弧的热效率,使焊丝的熔化系数增加所致。化系数增加所致。c)BCBC段的这种熔化特性在电弧焊中具有重要意义。段的这种熔化特性在电弧焊中具有重要意义。例如,电流及送丝速度不变时,在弧长较短的范例如,电流及送丝速度不变时,在弧长较短的范围内,当弧长因受外界干扰发生变化时,使弧长围内,当弧长因受外界干扰发生变化时,使弧长缩短或增长,则因此时的熔化系数要增大或减小,缩短或增长,则因此时的熔化系数要增大或减小,导致熔化速度增大或减小,使弧长得以恢复。这导致熔化速度增大或减
12、小,使弧长得以恢复。这种弧长受外界干扰发生变化时电弧本身具有自动种弧长受外界干扰发生变化时电弧本身具有自动恢复到原来弧长的能力,称为恢复到原来弧长的能力,称为“电弧的固有调节电弧的固有调节作用作用(Intrinsic Self Regulation(Intrinsic Self Regulation Characters)”Characters)”。铝焊丝电弧的固有调节作用很强,。铝焊丝电弧的固有调节作用很强,钢焊丝则较弱钢焊丝则较弱(见图见图2-4b)2-4b),故铝焊丝采用这段弧,故铝焊丝采用这段弧长长(亚射流过渡亚射流过渡)进行焊接时进行焊接时,可以使用恒流电源实可以使用恒流电源实行等速
13、送丝熔化极气体保护焊。行等速送丝熔化极气体保护焊。3 3焊丝直径的影响焊丝直径的影响 电流一定时,焊丝直径越细电阻热越大,同时电电流一定时,焊丝直径越细电阻热越大,同时电流密度也越大从而使焊丝熔化速度增大,见图流密度也越大从而使焊丝熔化速度增大,见图2-22-2。图图2-2 2-2 铝焊丝熔化速度与电流的关系铝焊丝熔化速度与电流的关系4 4焊丝伸出长度的影响焊丝伸出长度的影响 其它条件一定时,焊丝伸出长度越长,电阻热越其它条件一定时,焊丝伸出长度越长,电阻热越大,通过焊丝传导的热损失减少,所以焊丝熔化大,通过焊丝传导的热损失减少,所以焊丝熔化速度越快,见图速度越快,见图2-32-3。图图2-3
14、 2-3 不锈钢焊丝熔化速度与电流的关系不锈钢焊丝熔化速度与电流的关系 对熔化速度的影响对熔化速度的影响:不锈钢电阻率较大,不锈钢电阻率较大,会加快焊丝的熔化速度,尤其是伸出长会加快焊丝的熔化速度,尤其是伸出长度较长时影响更为明显。度较长时影响更为明显。对对焊丝熔化系数的影响焊丝熔化系数的影响:铝合金铝合金因电阻率小,焊丝熔化速度与电因电阻率小,焊丝熔化速度与电流成线性关系。但是焊丝越细,熔化速流成线性关系。但是焊丝越细,熔化速度与电流关系曲线斜率越大,说明熔化度与电流关系曲线斜率越大,说明熔化系数随焊丝直径变小而增大,与电流无系数随焊丝直径变小而增大,与电流无关关 。不锈钢不锈钢电阻率较大,
15、产生的电阻热较大,电阻率较大,产生的电阻热较大,因而焊丝熔化速度与电流不成线性关系,因而焊丝熔化速度与电流不成线性关系,随着电流增大,曲线斜率增大,说明熔随着电流增大,曲线斜率增大,说明熔化系数随电流增加而增大,并且随焊丝化系数随电流增加而增大,并且随焊丝伸出长度增加而增加。伸出长度增加而增加。5 5焊丝材料的影响焊丝材料的影响图图2-3 2-3 不锈钢焊丝熔化速度与电流的关系不锈钢焊丝熔化速度与电流的关系图图2-2 2-2 铝焊丝熔化速度与电流的关系铝焊丝熔化速度与电流的关系焊丝接阳极时焊丝接阳极时:V Vm=KIUwm=KIUw与气体介质无关与气体介质无关焊丝接阴极时焊丝接阴极时:V Vm
16、=KI(Uk-Uwm=KI(Uk-Uw)UkUk与气体介质有关,与气体介质有关,因此气体介质影响熔化速度,例如在因此气体介质影响熔化速度,例如在ArAr中加中加COCO2 2可使可使V Vm m增大增大冷阴极电弧,冷阴极电弧,UkUw,PkPUkUw,PkPA A,正接时的熔化速度大于反接。正接时的熔化速度大于反接。6 6气体介质及焊丝极性的影响气体介质及焊丝极性的影响图图2-5 Ar2-5 Ar与与CO2CO2混合比对混合比对焊丝熔化速度的影响焊丝熔化速度的影响图图2-6 2-6 铝焊丝氩弧焊铝焊丝氩弧焊不同极性时的焊丝熔化速度不同极性时的焊丝熔化速度2.2 2.2 熔滴上的作用力熔滴上的作
17、用力 重力重力FgFg对熔滴的影响取决于焊对熔滴的影响取决于焊缝的空间位置。平焊时,重力是缝的空间位置。平焊时,重力是促使熔滴脱离焊丝末端的作用力;促使熔滴脱离焊丝末端的作用力;立焊和仰焊时,重力则为阻碍熔立焊和仰焊时,重力则为阻碍熔滴从焊丝末端脱离的作用力。重滴从焊丝末端脱离的作用力。重力为力为 FgFgmg=4rmg=4r3 3g/3 (2-8)g/3 (2-8)式中,式中,是熔滴密度,是熔滴密度,r r是熔滴是熔滴半径,半径,g g是重力加速度。是重力加速度。2.2.1 2.2.1 重力重力Fmg重力2.2.2 2.2.2 表面张力表面张力F F可以分解为可以分解为径向分力径向分力F F
18、rr以及以及轴向分力轴向分力F F,径向分力使熔滴在焊丝末端径向分力使熔滴在焊丝末端产生缩颈产生缩颈,轴向分力则使熔滴保持在焊丝末端阻碍熔滴过渡轴向分力则使熔滴保持在焊丝末端阻碍熔滴过渡。F F=2=2R R (2-9)(2-9)焊丝半径为焊丝半径为R R,熔滴半径为熔滴半径为r r 是表面张力系数是表面张力系数 式式中,中,是表面张力系数,其数值与材料、温度、气体是表面张力系数,其数值与材料、温度、气体介质等因素有关。介质等因素有关。减小焊丝直径,氧化性气氛,提高熔滴减小焊丝直径,氧化性气氛,提高熔滴温度,减小表面张力。温度,减小表面张力。金属MgZnAlCuFeTiMoW103(Nm-1)
19、6507709001150 1220 1510 2250 2680 表表2-1 2-1 纯金属的表面张力系数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只有重力和其它作用力的合力超过F F时,时,熔滴才能脱离焊丝过渡到熔池中去熔滴才能脱离焊丝过渡到熔池中去:a)a)一般情况下一般情况下F F是阻碍熔滴过渡的力。是阻碍熔滴过渡的力。b)b)仰焊或其它位置(立焊、横焊)焊接时,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。用;二
20、是使熔池或熔滴不易流淌。2.2.3 2.2.3 电弧力电弧力 电弧中的电弧中的电磁收缩力电磁收缩力、等离子流力等离子流力、斑点压斑点压力力对熔滴过渡都有不同的影响。需要指出的是,对熔滴过渡都有不同的影响。需要指出的是,电流较小时电流较小时住往是住往是重力重力和和表面张力表面张力起主要作用;起主要作用;电流较大时电流较大时,电弧力电弧力对熔滴过渡起主要作用。对熔滴过渡起主要作用。焊丝与熔滴连接的缩颈处焊丝与熔滴连接的缩颈处:电磁力由大断面指向小断面,电磁力由大断面指向小断面,促进熔滴过度。促进熔滴过度。在熔滴端部与弧柱间:在熔滴端部与弧柱间:弧根直径小于熔滴直径,此处弧根直径小于熔滴直径,此处电
21、磁力合力向上,阻碍熔滴电磁力合力向上,阻碍熔滴过渡;过渡;若弧根面积笼罩整个熔滴,此若弧根面积笼罩整个熔滴,此处电磁力合力向下,促进熔处电磁力合力向下,促进熔滴过渡。滴过渡。图图2-8 2-8 作用在熔滴上的电磁力作用在熔滴上的电磁力1.1.电磁收缩力电磁收缩力 作用在熔滴上的电作用在熔滴上的电磁力通常可分解为径向磁力通常可分解为径向和轴向两个分力。和轴向两个分力。熔滴中的电磁收缩力 电弧等离子流力随着等离子流从电弧等离子流力随着等离子流从焊丝末端侧面切入,并冲向熔池焊丝末端侧面切入,并冲向熔池而产生,它有助于熔滴脱离焊丝,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并使其加速通
22、过电弧空间进入熔池。等离子流力与焊丝直径和焊池。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时,等离子流力会显著地影响熔滴过渡特性。滴过渡特性。2.2.等离子体流力等离子体流力 3.3.斑点压力斑点压力 斑点压力包括斑点压力包括:正离子和电子对熔滴的撞击力正离子和电子对熔滴的撞击力、电极材料蒸发时产生的电极材料蒸发时产生的反作用力反作用力以及弧根面积很以及弧根面积很
23、小时产生的指向熔滴的小时产生的指向熔滴的电磁收缩力电磁收缩力。a)a)在一定条件下,斑点压力将阻碍金属熔滴的过渡。在一定条件下,斑点压力将阻碍金属熔滴的过渡。b)b)通常阳极受到的斑点压力比阴极受到的斑点压力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。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这也是许多熔化极电弧焊采用直流反接的主要原因之一。因之一。2.2.42.2.4爆破力爆破力 若熔滴内部含有易挥发若熔滴内部含有易挥发金属或由于冶金反应而生成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,则在电弧高
24、温作用下气体积聚和膨胀而造成较大气体积聚和膨胀而造成较大的内力,从而使熔滴爆炸。的内力,从而使熔滴爆炸。在在COCO2 2短路过渡焊接时,电磁短路过渡焊接时,电磁力及表面张力的作用导致熔力及表面张力的作用导致熔滴形成缩颈,电流密度增加,滴形成缩颈,电流密度增加,急剧加热使液态小桥爆破形急剧加热使液态小桥爆破形成熔滴过渡,同时也造成了成熔滴过渡,同时也造成了较大飞溅较大飞溅。2.2.5 2.2.5 电弧气体吹力电弧气体吹力焊条电弧焊时,焊条药皮的熔化滞后焊条电弧焊时,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套筒。药皮中造气剂分解产
25、生的COCO、COCO2 2、H H2 2及及O O2 2等在高温作用下急剧膨等在高温作用下急剧膨胀,从套筒中冲出,推动熔滴冲向胀,从套筒中冲出,推动熔滴冲向熔池。熔池。无论何种位置焊接,这种力都有无论何种位置焊接,这种力都有利于熔滴过渡利于熔滴过渡。图图2-9 2-9 焊条药皮套筒示意焊条药皮套筒示意2.32.3 熔滴过渡主要形式及其特点熔滴过渡主要形式及其特点 熔滴过渡通常可分为三种基本类型熔滴过渡通常可分为三种基本类型:自由过渡自由过渡(Free Flight):(Free Flight):是指熔滴脱离焊丝是指熔滴脱离焊丝末端前不与熔池接触,它经电弧空间自由末端前不与熔池接触,它经电弧空
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