4熔化极焊接电弧现象

图4.20 射滴过渡形成机理示意图
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图4.21 熔滴过渡频率（体积） 与电流的关系图
（b）临界电流的影响因素
射流过渡临界电流大小的影响因素：焊丝成分，焊丝直径， 焊丝伸出长度，气体介质，电源极性
焊丝成分
焊丝成分不同将引起电阻 率、熔点及金属蒸发能力 的变化。一般电阻率高或 熔点低的材料容易形成射 流过渡，临界电流值都比 较低。
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②焊接电压
图4.4 铝焊丝熔化速度与焊接电流及 电弧电压（电弧长度）的关系
图4.5 钢焊丝熔化速度与焊接电流及 电弧电压（电弧长度）的关系
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图4.6 弧长变化与焊丝端部弧根长度的关系
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③电极直径
图4.7 铝焊丝熔化速度与焊接电流及电极直径的关系
（1）重力
平焊时，促进熔滴过渡；立焊和仰 焊时，阻碍熔滴过渡 Fg = mg =（4/3）πr3ρg （4-6）
（2）表面张力
Fσ =2πRσ （4-7）
图4.12 熔滴受重力 和表面张力示意图
采用适当的氧化性气氛、提高熔滴温度或者减小焊丝（或焊 条）直径，都会降低表面张力，细化熔滴尺寸，促进平焊时 的熔滴过渡。
1、定义
在电弧作用下，焊丝（或焊条）末端加热熔化形成熔滴， 并在各种力的作用下脱离焊丝，经过电弧空间进入熔池的
过程，称为熔滴过渡。
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2、熔滴上的作用力
熔滴上的作用力主要有：重力、表面张力、电弧力、熔滴 爆破力、摩擦力以及电弧空间的气体吹力等。
图4.11 熔滴上的作用力
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（2）电阻热
焊丝伸出长度的电阻： Rs =ρLs/S
电阻热： PR =I2Rs
式中， Ls 为焊丝的伸出长度； Rs 为焊丝Ls 段的电阻值；ρ为焊丝的 电阻率；S为焊丝的横截面积。
图4.1 焊丝伸出长度的电阻热 示意图
一般Ls = 10～30mm，对于导电良好的铝、铜等合金，PR 与PK 或 PA 相比很小，可忽略不计。而对钢和钛等电阻率高的材料，当伸 出长度较长时， PR 的作用较大，不可忽略，其电阻热对熔化极 电弧焊的熔滴过渡以及焊接飞溅有重要影响。
在短路状态下焊丝的回抽运动帮助焊丝与熔滴分离
CMT焊接的三个基本特点:
☻首次将焊丝回抽运动与熔滴过渡过程控 制相结合; ☻低热输入量：金属过渡时电流几乎为零 ; ☻无飞溅过渡焊接
（a）传统短路过渡过程
（b）CMT过渡过程
图4.17 CMT过渡时的电流电压波形
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（2）滴状过渡(drop transfer) ①粗滴过渡
（4-1）
在通常的电弧焊情况下，弧柱的平均温度为 6000 K左右，VT<1 V；当焊接电流密度较大时，VA接近于零，以上两式可简化为
源自文库
（4-2）
熔化极气体保护焊时，焊丝为冷阴极材料，UK》Uw, 所以 PK>PA。 在条件相同的情况下，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。
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③亚射流过渡
介于短路过渡与射滴过渡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，焊接过程稳定，焊缝成形美观， 电弧自调节作用强。
图4.26 弧长与熔滴过渡的关系
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图4.27 熔深与电弧电压的关系
图4.28 亚射流过渡时的电流与最 佳送丝速度范围
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④旋转射流过渡
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。
图4.29 旋转射流过渡示意图
在窄间隙的条件下，由于有较多的金属蒸气包围，尽管产生了旋 转射流过渡，但焊接过程很稳定，焊丝熔化很快，生产率高。
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为了保证短路过渡过程稳定进行，不但要求电弧有合适的 静特性，同时要求电弧有合适的动特性： 对不同直径的焊丝和焊接参数，要有合适的短路电流上升 速度，保证熔滴柔顺过渡，起到减少飞溅的目的； 要有适当的短路峰值电流 Imax，一般 Imax为平均电流Ia的 2～3 倍 短路结束之后，空载电压恢复速度快，以便电弧及时复燃， 避免断弧现象。
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熔化极电弧焊时，加热和熔化焊丝所需热量主要由电弧热 和电阻热两部分组成，总的热功率为： Pm= I(V m+ IRs)
（4-3）
式中，Um是电弧热的等效电压，焊丝为阳极时，Vm= Vw； 焊丝为阴极时，V m = VK－VW。
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2、电极熔化速度及其影响因素 （1）定义
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图4.24 焊丝直径、伸出长度与临界电流的关系
气体介质
不同气体介质对电弧电场强度的影响不同
图4.25 气体介质成分对临界电流的影响
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电源极性
直流反接时，焊丝为阳极，熔滴上的斑点压力较小，熔滴 易脱落，临界电流值较小，易实现射流过渡； 直流正接时，焊丝为阴极，熔滴上的斑点压力较大，阻碍 熔滴过渡，临界电流值较大，电弧不稳定，不易实现射流 过渡。
单位时间内向熔池过渡的熔滴金属所含热量为： （4-4） 稳定焊接时：
（4-5）
其 中 ： vm——熔化速度，即单位时间内熔化金属的重量； αm——熔化系数，即单位时间内通过单位电流时熔
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化金属的重量；
（2）影响因素 ①焊接电流
图4.2 铝焊丝熔化速度与电流的关系 图4.3 不锈钢焊丝熔化速度与电流的关系
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（3）电弧力
Fm = J×B Fmz = I2 ·log dG dD
（2-8）
（2-9）
①电磁收缩力
图4.13 作用在液柱或熔滴上的电磁收缩力
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②等离子流力
电弧等离子流力有助于熔滴过渡。等离子流力与电极直径和 焊接电流有关。采用的电极直径越细，电流越大，产生的等 离子流力和流速越大，对熔滴过渡的促进作用越大。
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。
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表4.1 熔滴过渡形式及其形状示意图
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（1）短路过渡
①短路过渡过程
图2.13 短路过渡过程的电流和电压波形图
t1——燃弧时间； t2——短路时间； t3——电压恢复时间； T——短路周期； Imax——短 2015/11/28 路峰值电流； Imin——短路最小电流； Ia——平均电弧电流； Ua——平均电弧电压
图4.19 细颗粒过渡与射滴过渡示意图
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（a）（b）细颗粒过渡；（c）射滴过渡
（3）喷射过渡（spray transfer）
①射流过渡
（a）形成机理
是喷射过渡中最有代表性且用途广泛的一种过渡形式。获得 射流过渡的条件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，还必须使焊接电流大于某一临界值。
（4）渣壁过渡（flux wall guided transfer）
（a）焊条电弧焊
（b）埋弧焊
图4.30 渣壁过渡示意图
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埋弧焊的熔滴过渡与焊接速度、极性、电弧电压和 焊接电流有关。
②短路过渡的特点
A．易于调节工件热输入，控制熔深。 b．有利于薄板焊接或全位置焊接。 C．可减小焊接接头热影响区和焊件变形。
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③短路过渡的稳定性
短路频率大小常常用来作为短路过渡过程稳定性的标志。 短路过渡频率越高，过渡过程就越稳定，飞溅也越小，并 可提高生产效率。
短路过渡的周期T是由燃弧时间t1和熄弧时间t2所组成的。 燃弧时间取决于电弧电压、焊接电流和焊丝送进速度。 短路时间主要取决于短路时的电流增长速度 di/dt和短路 峰值电流Imax，一般是通过串联在焊接回路中的电感来调节 的。
第四章 熔化极电弧现象
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一、电极熔化
1、熔化热源
熔化极电弧焊时，焊丝（或焊条）的加热熔化主要靠电弧 极性区所产生的电弧热以及焊丝（或焊条）自身的电阻热， 另外还有弧柱的热辐射以及化学反应热，但后两者的作用 相对较小，为次要热源。
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（1）电弧热
电弧极性区产生的热量被电极吸收，阴极区（直流正接时）和 阳极区（直流反接时）单位时间内的产热量分别为：
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 (如前所述因电流较小，电弧力不起主要作用) 。 这种过渡方式由于熔滴大，形成的时间长，影响电弧的稳定性，焊 缝成形粗糙，飞溅较大，很少采用。
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④新型短路过渡形式
STT(surface tension transfer，表面张力过渡)技术
STT过渡过程
传统短路过渡过程
图4.15 STT技术的熔滴过渡过程
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CMT（Cold Metal Transfer，冷金属过渡）技术
图4.16 2015/11/28
（5）摩擦力
在进行焊条电弧焊和埋弧焊时，当熔滴与焊条套筒或者渣壳 壁接触并过渡时，摩擦力将阻碍熔滴过渡。
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3、熔滴过渡的形式和特点
根据外观形态、熔滴尺寸以及过渡频率等特征，熔滴过渡通常 可分为三种基本类型，即自由过渡、接触过渡和渣壁过渡。 自由过渡是指熔滴脱离焊丝末端前不与熔池接触，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。
③斑点压力
斑点压力包括正离子或电子对熔滴的撞击力、电极材料蒸发 的反作用力以及弧柱面积很小时产生的指向熔滴的电磁收缩 力。一定条件下，斑点压力将阻碍熔滴过渡。
通常阳极斑点压力比阴极斑点压力小，所以对熔滴的阻碍作 用也较小。
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（4）熔滴爆破力
当熔滴含有易挥发金属蒸气或者冶金反应生成的气体时，气 体在电弧高温作用下体积急剧膨胀，产生爆炸。 当液柱直径急剧收缩，电流密度显著增加，使得液柱急剧过 热而产生爆炸。 熔滴爆破力会在一定程度上促进熔滴或液柱过渡，但也会形 成飞溅。
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（c）射流过渡在工艺上的主要优点
焊接过程稳定，飞溅极少，焊缝成形质量好； 由于电弧稳定，对保护气流的扰动作用小，故保护效果好； 射流过渡电弧功率大，热流集中，对焊件的熔透能力强， 主要用于平焊位置焊接厚度大于3mm的工件，而不宜焊薄件。
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②射滴过渡
介于滴状过渡与连续射流过渡之间的一种熔滴过渡形式，其 工艺条件与连续射流过渡相似，主要适用于钢焊丝脉冲焊及 铝合金焊丝熔化极气体保护焊。
图4.42 不同焊丝的临界电流
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焊丝直径
因为焊丝直径大，则电流密度小， 熔化焊丝所需要的热量增加，因而 形成射流过渡的临界电流值增大。
焊丝伸出长度
焊丝伸出长度长，电阻热的预热作用增 强，焊丝熔化快，易实现射流过渡，使 临界电流值降低。这种现象，对电阻率 越大的材料越明显
图4.23 不同焊丝的临界电流
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⑥气体介质和电极极性
气体介质不同，阴极压降不同，会直接影响电弧产热（对阳极 产热影响不大），从而影响电极熔化速度。
图4.9 焊丝极性和保护气体混合比对焊丝熔化速度的影响
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⑦熔滴过渡形态
图4.10 熔滴过渡形态和焊丝熔化速度的关系
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二、熔滴过渡
图4.18 粗滴过渡过程示意图
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， 这些都将促进熔滴过渡，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。
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用于钢件时，熔 滴呈轴向过渡 (熔滴沿焊轴向落入熔池)。
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④焊丝伸出长度
图4.8 干伸长对不锈钢焊丝熔化速度的影响
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⑤电极材料
（4-5）
电极材料不同，电极熔化速度不同。相对于铝合金，不锈钢的 电阻率较大，产生的电阻热多，会加速电极的熔化，尤其在电 极伸出长度较大时影响更明显。 电极材料不同，焊丝熔化系数也不同。铝合金因电阻率较小， 焊丝熔化速度与电流成线性关系，但焊丝越细，熔化系数越大。 不锈钢电阻率较大，熔化系数随着焊接电流和电极伸出长度增 加而增大。