1、电弧物理电弧物理 主讲教师：黄健康主讲教师：黄健康 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。这个过程称为这个过程称为熔滴过渡熔滴过渡。焊接过程中，焊丝的加热、。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
2、及熔滴过渡过程中产生力、熔滴过渡的主要形式以及熔滴过渡过程中产生的飞溅。的飞溅。 第四章第四章 焊丝的熔化和熔滴焊丝的熔化和熔滴的过渡的过渡4.1 4.1 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，即一方面作为电弧的一极导电并传输能量；另一即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化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。的母材一起冷却结晶而形成焊缝。焊丝的加热熔焊丝的加热熔化主要靠单位时间内阴极区化主要靠单位时间内阴极区( (直流正接时直流正接时) )或
3、阳极或阳极区区( (直流反接时直流反接时) )所产生的热量及焊丝自身的电阻所产生的热量及焊丝自身的电阻热，弧柱的辐射热则是次要的。热，弧柱的辐射热则是次要的。 非熔化极电弧焊（如钨极氩弧焊或等离子弧非熔化极电弧焊（如钨极氩弧焊或等离子弧焊）填充焊丝时，主要靠弧柱热来熔化焊丝。焊）填充焊丝时，主要靠弧柱热来熔化焊丝。4.1.14.1.1焊丝的熔化热源焊丝的熔化热源 根据第二章中的可知，单位时间内阴极区和根据第二章中的可知，单位时间内阴极区和阳极区的产热量如果分别用电功率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，表示，计算公式如下：计算公式如下： P PK KI I（U UK
4、 KU UW WU UT T） （4-14-1） P PA AI I（U UA AU UW WU UT T） （4-24-2） 在通常电弧焊的情况下，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 T1V=XX-电弧的电位梯度L1-MK距离L4-NK距离V颈-MN间的电压跳弧后熔滴过渡转变为射流过渡跳弧是熔滴过渡转变的必由之路，跳弧前后，熔滴受力特点发生了本质变化。射流过渡的形成跳弧后：P电+P等+P气 P表图图4-22 4-22 熔滴过渡频率（体积）与电流的关系熔滴过渡频率（体积）与电流的关系钢焊丝钢焊丝1.6mm 1.6mm 气体气体Ar+O
5、2 1% Ar+O2 1% 弧长弧长6mm 6mm 直流反接直流反接射流过渡临界电流的大小与下列因素有关射流过渡临界电流的大小与下列因素有关： （1 1）焊丝成分焊丝成分 焊焊丝成分不同将引起丝成分不同将引起电阻率、熔点及金电阻率、熔点及金属蒸发能力的变化。属蒸发能力的变化。图图4-234-23为各种不同为各种不同成分焊丝的临界电成分焊丝的临界电流。流。 图图4-234-23不同材质焊丝的临界电流不同材质焊丝的临界电流 （2 2）焊丝直径焊丝直径 即使是同种材料的焊丝，直径不即使是同种材料的焊丝，直径不同，其临界电流值也不同。由图同，其临界电流值也不同。由图4-234-23和图和图4-244-
6、24可可见，随焊丝直径的增大，临界电流成比例地增加。见，随焊丝直径的增大，临界电流成比例地增加。这是因为焊丝直径大，则电流密度小，熔化焊丝这是因为焊丝直径大，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所需要的热量增加，因而形成射流过渡的临界电流值也随之增大。流值也随之增大。 （3 3）焊丝伸出长度焊丝伸出长度 焊丝伸出长度长，电阻热焊丝伸出长度长，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，电阻率越渡，使临界电流值降低。这种现象，电阻率越大的材料越明显，见图大的材料越明显，见图4-244-24。 图
7、图4-244-24焊丝直径、伸出长度与临界电流的关系焊丝直径、伸出长度与临界电流的关系 （4 4）气体介质气体介质 不同气体介质对电弧电场强度的不同气体介质对电弧电场强度的影响不同。在影响不同。在ArAr气保护下弧柱电场强度较低、电气保护下弧柱电场强度较低、电弧弧根容易扩展，易形成射流过渡，临界电流值弧弧根容易扩展，易形成射流过渡，临界电流值较低。当较低。当ArAr气中加入气中加入CO2CO2时，随加入时，随加入CO2CO2的比例增的比例增加临界电流值增大。若加临界电流值增大。若CO2CO2的比例超过的比例超过3030，则不，则不能形成射流过渡，见图能形成射流过渡，见图4-254-25。当。当
8、ArAr中加入中加入O2O2时，时，如果如果O2O2的比例小于的比例小于5 5，因为，因为O2O2使熔滴表面张力降使熔滴表面张力降低，减小过渡阻力，故可降低临界电流值。但若低，减小过渡阻力，故可降低临界电流值。但若O2O2加入量增大，因为加入量增大，因为O2O2的解离吸热使弧柱电场强的解离吸热使弧柱电场强度提高，电弧收缩不易扩展，使临界电流反而提度提高，电弧收缩不易扩展，使临界电流反而提高，见图高，见图4-264-26。图图4-25 4-25 旋转射流过渡示意图旋转射流过渡示意图图图4-26 4-26 气体介质成分对临界电流的影响气体介质成分对临界电流的影响 （5 5）电源极性电源极性 直流反
9、接时，焊丝为阳极，熔滴直流反接时，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，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。如流值较大，电弧不稳定，不易实现射流过渡。如果采用活化焊丝（在焊丝表面涂敷一层低逸出功果采用活化焊丝（在焊丝表面涂敷一层低逸出功的活化剂，例如的活化剂，例如Cs2CO3Cs2CO3）可减弱熔滴上的斑点压）可减弱熔滴上的斑点压力，有利于形成射流过渡。力，有
10、利于形成射流过渡。4.3.4 4.3.4 渣壁过渡渣壁过渡 渣壁过渡是焊条电弧焊和埋弧焊中出现的一渣壁过渡是焊条电弧焊和埋弧焊中出现的一种熔滴过渡形式。熔滴沿渣壁流下，落入熔池，种熔滴过渡形式。熔滴沿渣壁流下，落入熔池，见图见图4-274-27。图图4-27 4-27 渣壁过渡渣壁过渡a) a) 焊条电弧焊焊条电弧焊 b) b) 埋弧焊埋弧焊 使用焊条焊接时，可能出现的过渡形式有四使用焊条焊接时，可能出现的过渡形式有四种：渣壁过渡、粗滴过渡、细滴过渡和短路过渡。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的成分与厚度、焊接工艺参过渡形式取决于药皮的成分与厚度、焊接工艺参数、电
11、流种类和极性等。数、电流种类和极性等。 埋弧焊时，电弧在熔渣形成的空腔内燃烧，埋弧焊时，电弧在熔渣形成的空腔内燃烧，熔滴主要是通过渣壁流入熔池的，只有少量熔滴熔滴主要是通过渣壁流入熔池的，只有少量熔滴是通过空腔内的电弧空间落入熔池。埋弧焊的熔是通过空腔内的电弧空间落入熔池。埋弧焊的熔滴过渡与焊接速度、极性、电弧电压和焊接电流滴过渡与焊接速度、极性、电弧电压和焊接电流有关。有关。 图图4-28 4-28 埋弧焊时电流对过渡频率的影响埋弧焊时电流对过渡频率的影响 4.4 4.4 熔滴过渡的飞溅熔滴过渡的飞溅 4.4.14.4.1熔敷效率、熔敷系数和损失率熔敷效率、熔敷系数和损失率 熔敷效率熔敷效率
12、（deposition efficiencydeposition efficiency）：）：过渡过渡到焊缝中的金属质量与使用的焊丝（条）金属质到焊缝中的金属质量与使用的焊丝（条）金属质量之比。量之比。 为了评价焊接过程中焊丝金属的损失程度，为了评价焊接过程中焊丝金属的损失程度，还常用到熔敷系数和损失率的概念。还常用到熔敷系数和损失率的概念。熔敷系数是熔敷系数是指单位时间、单位电流所熔敷到焊缝中的焊丝金指单位时间、单位电流所熔敷到焊缝中的焊丝金属质量。属质量。若用表示熔化系数（单位时间、单位电若用表示熔化系数（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、流熔化焊丝金属的质量），则
13、焊丝金属的蒸发、氧化和飞溅的损失率氧化和飞溅的损失率为为 (4-10)(4-10)%100mymaaa4.4.2 4.4.2 熔滴过渡的飞溅熔滴过渡的飞溅 飞溅率飞溅率:定义为飞溅损失的金属与熔化的定义为飞溅损失的金属与熔化的焊丝（条）金属的重量百分比焊丝（条）金属的重量百分比。 测量焊接飞溅率的办法测量焊接飞溅率的办法: : 一种是焊接后收集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内部焊接前后状态的一致( (特别是各部件的表面状
14、特别是各部件的表面状态态) )。第二种办法是通过测量焊丝损失率。第二种办法是通过测量焊丝损失率来一来一定程度上表示焊接飞溅率定程度上表示焊接飞溅率大小。大小。1.1.短路过渡飞溅的特点短路过渡飞溅的特点 短路过渡过程飞溅大小是衡量电弧稳定性短路过渡过程飞溅大小是衡量电弧稳定性的最直观的标志。的最直观的标志。在短路过渡过程中，熔滴与在短路过渡过程中，熔滴与熔池接触时将形成缩颈。随着短路电流增大，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，最后导致缩颈颈金属迅速加热，最后导致缩颈金属汽化爆炸，金属汽化爆炸，
15、产生大量细颗粒飞溅产生大量细颗粒飞溅。飞溅的多少与爆炸能量。飞溅的多少与爆炸能量有关，即与此时的短路电流值有关。此时的电有关，即与此时的短路电流值有关。此时的电流称为短路峰值电流。该电流值越大，爆炸能流称为短路峰值电流。该电流值越大，爆炸能量越大，飞溅越严重。所以减少飞溅的重要途量越大，飞溅越严重。所以减少飞溅的重要途径是改善电源的动特性，使之限制短路峰值电径是改善电源的动特性，使之限制短路峰值电流。流。 另外，缩颈位置对飞溅的影响很大。如果缩另外，缩颈位置对飞溅的影响很大。如果缩颈出现在熔滴与熔池之间，则缩颈爆炸力阻碍熔颈出现在熔滴与熔池之间，则缩颈爆炸力阻碍熔滴向熔池过渡，此时形成大量飞溅
16、。如果缩颈位滴向熔池过渡，此时形成大量飞溅。如果缩颈位置出现在焊丝与熔滴之间，则缩颈爆炸力将促使置出现在焊丝与熔滴之间，则缩颈爆炸力将促使熔滴向熔池过渡，飞溅较少。为此必须控制短路熔滴向熔池过渡，飞溅较少。为此必须控制短路电流上升速度电流上升速度di/dtdi/dt，使熔滴与熔池接触瞬间不能，使熔滴与熔池接触瞬间不能形成缩颜。在表面张力和重力作用下，熔滴向熔形成缩颜。在表面张力和重力作用下，熔滴向熔池过渡，最后在焊丝与熔滴之间形成缩颈，减少池过渡，最后在焊丝与熔滴之间形成缩颈，减少金属飞溅。金属飞溅。4.4.滴状过渡的飞溅特点滴状过渡的飞溅特点 CO2CO2电弧焊或电弧焊或CO2CO2含量大于
17、含量大于3030的混合气体保的混合气体保护焊粗滴过渡时，因护焊粗滴过渡时，因CO2CO2气体高温分解吸热时对电气体高温分解吸热时对电弧有冷却作用，使电弧电场强度提高，电弧收缩，弧有冷却作用，使电弧电场强度提高，电弧收缩，集中于熔滴顶部，弧根面积小于熔滴直径，此时集中于熔滴顶部，弧根面积小于熔滴直径，此时形成的电磁收缩力阻碍熔滴过渡，易形成粗滴飞形成的电磁收缩力阻碍熔滴过渡，易形成粗滴飞溅溅，见图，见图2-29a2-29a。另外，熔滴在焊丝端头停留时间另外，熔滴在焊丝端头停留时间较长，严重过热，此时在熔滴内部发生强烈的冶较长，严重过热，此时在熔滴内部发生强烈的冶金反应，析出气体使熔滴爆炸而形成大
18、量金属飞金反应，析出气体使熔滴爆炸而形成大量金属飞溅溅（见图（见图2-29b2-29b），焊缝成形很差，故不宜采用。），焊缝成形很差，故不宜采用。 细滴过渡时，飞溅较少，主要产生于熔滴与细滴过渡时，飞溅较少，主要产生于熔滴与焊丝之间的缩颈处。因为该处电流密度较大，使焊丝之间的缩颈处。因为该处电流密度较大，使金属过热而爆断，形成颗粒细小的飞溅，见图金属过热而爆断，形成颗粒细小的飞溅，见图4-4-29c29c。但是，如果焊丝或工件清理不良或焊丝含。但是，如果焊丝或工件清理不良或焊丝含C C量较大，在熔化金属内部生成量较大，在熔化金属内部生成COCO气体，当这些气气体，当这些气体从熔化金属中析出时，
19、将造成小滴金属飞溅，体从熔化金属中析出时，将造成小滴金属飞溅，见图见图4-29d4-29d。 酸性焊条焊接一般为细滴过渡。当电流较酸性焊条焊接一般为细滴过渡。当电流较大，渣与金属生成的气体较多时，由于气体膨胀，大，渣与金属生成的气体较多时，由于气体膨胀，将造成渣和液体金属爆炸，形成大量金属飞溅，将造成渣和液体金属爆炸，形成大量金属飞溅，见图见图4-29e4-29e。 图图4-29 4-29 滴状过渡的金属飞溅特点滴状过渡的金属飞溅特点a) a) 粗滴过渡时的飞溅粗滴过渡时的飞溅 b) b) 熔滴爆炸形成的飞溅熔滴爆炸形成的飞溅 c) c) 缩颈爆炸形成的飞溅缩颈爆炸形成的飞溅 d) d) 气体
20、析出引起的飞溅气体析出引起的飞溅 e) e) 渣和液体金属爆炸形成的飞溅渣和液体金属爆炸形成的飞溅3.3.射流过渡飞溅的特点射流过渡飞溅的特点 在进行富氩气体保护电弧焊接时，熔滴沿焊丝轴线方在进行富氩气体保护电弧焊接时，熔滴沿焊丝轴线方向以细滴状过渡。对于钢焊丝的射流过渡，焊丝端头呈向以细滴状过渡。对于钢焊丝的射流过渡，焊丝端头呈“铅笔尖铅笔尖”状，被圆锥形电弧所笼罩状，被圆锥形电弧所笼罩, ,如图如图2-25a2-25a所示。在所示。在细颈断面细颈断面I-II-I处，焊接电流不但由液态金属细颈流过，同处，焊接电流不但由液态金属细颈流过，同时还通过电弧流过。由于电弧的分流作用，减弱了细颈处时还
21、通过电弧流过。由于电弧的分流作用，减弱了细颈处的电磁收缩力与爆破力，不存在小桥过热问题，促使细颈的电磁收缩力与爆破力，不存在小桥过热问题，促使细颈破断和熔滴过渡的主要原因是受等离子流力而机械拉断，破断和熔滴过渡的主要原因是受等离子流力而机械拉断，所以飞溅极少。在正常射流过渡情况下，飞溅率在所以飞溅极少。在正常射流过渡情况下，飞溅率在1 1以以下。在焊接参数不合理的情况下，如电流过高或焊丝伸出下。在焊接参数不合理的情况下，如电流过高或焊丝伸出长度过大时，焊丝端头熔化部分变长，而它又被电弧包围长度过大时，焊丝端头熔化部分变长，而它又被电弧包围着，焊丝端部液体表面能够产生金属蒸气，当受到某一扰着，焊
22、丝端部液体表面能够产生金属蒸气，当受到某一扰动后，液柱发生弯曲，在金属蒸气的反作用推动下旋转，动后，液柱发生弯曲，在金属蒸气的反作用推动下旋转，形成旋转射流过渡，此时熔滴可能会横向抛出成为飞溅，形成旋转射流过渡，此时熔滴可能会横向抛出成为飞溅，如图如图2-25b2-25b所示。所示。不同的焊接规范区间对应不同的熔滴过渡形式旋转射流过渡射流过渡短路过渡脉冲焊接gdemFFFFF 对于对于GMAW焊熔滴过渡理论主要有静力平衡理论焊熔滴过渡理论主要有静力平衡理论(SFBT) 、电磁收缩不稳定理论、电磁收缩不稳定理论(MPIT)、“质量质量- 弹簧弹簧”理论、能量最小原理理论、流体动力学理论等，也一直
23、理论、能量最小原理理论、流体动力学理论等，也一直是焊接界研究的重点。是焊接界研究的重点。A.静力平衡理论静力平衡理论(SFBT) 熔滴所受到的重力、表面张力、电磁力、等离子流力熔滴所受到的重力、表面张力、电磁力、等离子流力, 当作用在熔滴上的静态分当作用在熔滴上的静态分离力大于静态保持力时离力大于静态保持力时, 熔滴从焊丝端部脱离，即：熔滴从焊丝端部脱离，即：当各作用力的合力指向向下时，熔滴脱落当各作用力的合力指向向下时，熔滴脱落静力平衡理论静力平衡理论(SFBT)在小电流下比较准确在小电流下比较准确熔滴过渡分类熔滴过渡分类B.电磁收缩不稳定理论电磁收缩不稳定理论(MPIT) 不稳定理论认为当
24、熔滴尺寸大于一临界值时将脱落，即：不稳定理论认为当熔滴尺寸大于一临界值时将脱落，即：ddcrr210222()()1.25 (1)dededcIrrrrrn rd为熔滴半径，re为焊丝半径，n为常数，表面张力系数电磁收缩不稳定理论电磁收缩不稳定理论(MPIT)适合大电流适合大电流熔滴过渡分类熔滴过渡分类C. “质量质量- 弹簧弹簧”理论理论该理论认为该理论认为, 熔滴长大过程可用阻尼系数恒定、质量及弹簧系数均变化的线性二熔滴长大过程可用阻尼系数恒定、质量及弹簧系数均变化的线性二阶阶“质量质量- 弹簧弹簧”系统来表示。系统来表示。202eeed xdxmkxcFdtdtdmQdtxe熔滴弹性位移
25、，m为熔滴质量，t时间，c为阻尼系数k为弹性系数，Q为常量，F0为外部作用力“质量质量- 弹簧弹簧”理论在各电流下与试验结果都比较符合，但参数不易确定理论在各电流下与试验结果都比较符合，但参数不易确定熔滴过渡分类熔滴过渡分类4.5 熔滴过渡的控制熔滴过渡的控制4.5.1 射滴过渡控制方法射滴过渡控制方法 焊接生产始终以追求最大效率为目标。高效化焊接法除了高速焊外，还有高熔敷率焊。MAG焊常常被认为是效率高的焊接方法。但是人们并不满足于一般的送丝速度(1618m/min)。随着送丝速度的提高，熔滴过渡将由射流过渡转变为不稳定的旋转射流过渡，解决旋转射流过渡的稳定问题是实现大电流MAG焊的关键。4
26、.5.2 旋转射流过渡控制方法旋转射流过渡控制方法T.I.M.E焊l它使用四元保护气体，即TIME气体（26.5%He、8%CO2、0.5%O2，其余为Ar）;l较大的焊丝干伸长;l送 丝 速 度 可 达 到 2 8 5 0 m / m i n ， 用 1.2mm 焊丝的最大熔敷率达430g/min。无控制的旋转过渡T.I.M.E焊高速摄像磁控大电流MAG焊4.5A8A12A0.5A励磁电流不同时，对焊缝成型的影响磁场控制的角焊缝成形磁控大电流MAG焊4.5.3 短路过渡过程控制短路过渡过程控制1.1 短路过渡过程短路过渡过程1.1.1问题的提出问题的提出产生的问题：产生的问题：1）很大飞溅）
27、很大飞溅2）焊缝成型差）焊缝成型差解决问题：解决问题：1）工艺）工艺2）设备）设备1.1.2 解决问题的思路解决问题的思路降低降低1，3阶段时的焊接电流。阶段时的焊接电流。1.1.3 关键问题关键问题电弧传感信息的检测：电弧传感信息的检测： 如何检测熔滴短路瞬时的弧压变化？如何检测熔滴短路瞬时的弧压变化？ 如何检测缩颈状态？如何检测缩颈状态？ dU/dtdU/dt电源的快速响应电源的快速响应几种典型的短路熔滴过渡控制方法几种典型的短路熔滴过渡控制方法多外特性控制方法多外特性控制方法1. 基本原理基本原理4. 基本控制过程分析基本控制过程分析1.4.2 表面张力控制法（表面张力控制法（STT法）法）
