山大焊接物理冶金接头的形成PPT课件

主要内容主要内容一、焊接接头形成二、气相与液态金属的相互作用三、液态金属与熔渣的相互作用四、液态金属的净化第1页/共106页接头的形成接头的形成1、焊接电弧简介2、焊条焊丝的加热3、熔滴过渡4、熔池的运动状态第2页/共106页1 1、焊接电弧简介、焊接电弧简介1.1 电弧基本概念1.2 电弧的产热1.3 电弧的温度分布1.4 电弧的能量密度第3页/共106页 焊条电弧示意图1.1 电弧的基本概念Part II 焊接化学冶金第4页/共106页定义：定义：电弧是一种特殊的气体放电现象，它是带电电弧是一种特殊的气体放电现象，它是带电粒子通过两电极之间气体空间的一种导电过程粒子通过两电极之间气体空间的一种导电过程( (电电极与工件之间气体介质中长时间的放电现象极与工件之间气体介质中长时间的放电现象) )。作用：作用：实现了将电能转化为机械能、热能和光能。实现了将电能转化为机械能、热能和光能。电弧导电机制电弧导电机制: 与金属中自由电子定与金属中自由电子定向移动导电机制不同的是向移动导电机制不同的是, 电弧中电子、正离子、负电弧中电子、正离子、负离子都参与导电离子都参与导电, 是复杂是复杂的导电过程。的导电过程。1.1 电弧的基本概念电弧示意图Part II 焊接化学冶金第5页/共106页 1.1 电弧的基本概念分区：沿电弧方向电场强度分布不均匀,分为三个区域: 阴极区、阳极区和弧柱区。(1)阴极、阳极区尺寸很小，约为10-2-10-6 cm(2)电场分布的不均匀性表明电弧电阻的非线性。Part II 焊接化学冶金第6页/共106页1.2 电弧的产热1、弧柱产热(约占总热量的21%)产热机制： 带电粒子（电子和正离子）在电场的作用下，将电能转化成为热能： 电子的运动速度比正离子运动速度大得多，因而从电源吸取电能转化为热能的作用几乎完全由电子来承担，进而将电能转化为热能。Part II 焊接化学冶金第7页/共106页1.2 电弧的产热1、弧柱产热(约占总热量的21%)特征： (1) 单位弧长弧柱的电能EI大小决定了弧柱产热量的大小。 (2)电弧处于稳定状态时，弧柱的产热与弧柱的热损失（对流80%,传导和热辐射：20%）处于动态平衡状态。Part II 焊接化学冶金第8页/共106页1.2 电弧的产热2、阴极区的产热(约占总热量的36%)机制： 阴极区靠近电极或者工件，其产热直接影响焊接过程中电极或者工件所受到的热的作用。 阴极区有两种粒子：电子和正离子, 这两种粒子不断的产生、运动和消失, 同时伴随着能量转换与传递。但电子流占整个电流的99%以上, 所以电子流对于阴极产热影响很大。Pk=IUk-IUw-IUTPart II 焊接化学冶金第9页/共106页1.2 电弧的产热3、阳极区的产热(约占总热量的43%)Pa=IUa+IUw+IUT 热量主要用于对阳极的加热和阳极的热量损失。 阳极区和阴极区的热量主要用于加热填充材料或者焊件，是焊接过程可以直接利用的能量。Part II 焊接化学冶金第10页/共106页1.3 电弧的温度分布电弧温度、电流密度和能量密度轴向分布示意图能量密度电流密度温度Part II 焊接化学冶金第11页/共106页1.3 电弧的温度分布TIG电弧温度径向分布示意图(SUS304不锈钢)Part II 焊接化学冶金第12页/共106页MIG电弧温度分布(SUS304不锈钢)1.3 电弧的温度分布t: 20 ms, Max. temperature: 20860 KVariation with timePart II 焊接化学冶金第13页/共106页t: 20 ms, Max. temperature: 19600 K1.3 电弧的温度分布MAG电弧温度分布(SUS304不锈钢)Variation with timePart II 焊接化学冶金第14页/共106页三、能量密度三、能量密度 采用某热源加热工件时采用某热源加热工件时, , 单位面积上的有效单位面积上的有效热功率热功率, , 单位为：单位为：W/cmW/cm2 2。1.4 电弧的能量密度同一工艺在不同的位置上的能量密度也不同;能量密度大的时候, 可有效利用热源熔化金属,并减小热影响区, 获得窄而深的焊缝,有利于提高焊接生产率。Part II 焊接化学冶金第15页/共106页2 2、焊丝焊丝( (条条) )的加热与熔化的加热与熔化2.1 焊丝的加热2.2 焊条的加热2.3 焊丝的熔化2.4 焊条的熔化第16页/共106页2.2 2.2 焊丝的加热焊丝的加热u熔化极电弧焊：焊丝的熔化主要依靠阴熔化极电弧焊：焊丝的熔化主要依靠阴极区极区(正接正接)或者阳极区或者阳极区(反接反接)产生的热量产生的热量以及焊丝伸出长度上的电阻热。弧柱区以及焊丝伸出长度上的电阻热。弧柱区产生的热量对于焊丝的加热熔化作用比产生的热量对于焊丝的加热熔化作用比较小。较小。u非熔化极电弧焊：弧柱区产热熔化焊丝。非熔化极电弧焊：弧柱区产热熔化焊丝。u熔化系数：单位时间内通过单位电流时熔化系数：单位时间内通过单位电流时焊丝的熔化量焊丝的熔化量g/(A.h)Part II 焊接化学冶金第17页/共106页2.2 2.2 焊丝的加热焊丝的加热一、电弧热一、电弧热u阴极区：阴极区：P Pk k= =IUIUk k- -IUIUww- -IUIUT T I I( (UUk k- -UUww) )UUk k阴极压降阴极压降; ; UUww逸出电压逸出电压; ;UUT T弧柱温度等效电压弧柱温度等效电压( (电弧温度电弧温度6000K6000K时时: : 小于小于1V)1V)。焊丝接负时：焊丝接负时： 焊丝的加热与熔化取决于焊丝的加热与熔化取决于( (UUk k- -UUww) )。很多因素影响阴极电子发射，即影响的。很多因素影响阴极电子发射，即影响的UUk k大小。大小。Part II 焊接化学冶金第18页/共106页2.2 2.2 焊丝的加热焊丝的加热一、电弧热一、电弧热u阳极区：阳极区：P Pa a=IU=IUa a+IU+IUww+IU+IUT TIUIUwwUUa a阳极压降阳极压降( (电流密度较大时：近似为电流密度较大时：近似为0);0);UUww逸出电压逸出电压; U; UT T弧柱温度等效电压弧柱温度等效电压( (电弧温度电弧温度6000K6000K时：小于时：小于1V )1V )。焊丝接正时：主要取决于材料的电子逸出电压和电流的大小。当电流一定时，由于电焊丝接正时：主要取决于材料的电子逸出电压和电流的大小。当电流一定时，由于电子逸出电压为常数，此时焊丝熔化系数为定值子逸出电压为常数，此时焊丝熔化系数为定值Part II 焊接化学冶金第19页/共106页2.2 2.2 焊丝的加热焊丝的加热 熔化极气体保护焊时，焊丝材料为冷阴极材料，UkUw ，则PkPw。所以，同种材料，在相同的电流的作用下，焊丝作为阴极的产热将比焊丝作为阳极时产热多。因为散热条件相近，所以焊丝接负(正接)时比焊丝接正(反接)时熔化快。Part II 焊接化学冶金第20页/共106页2.2 2.2 焊丝的加热焊丝的加热二、电阻热 在自动和半自动焊时，从焊丝与导电嘴接触点到焊丝端头的一段焊丝（即焊丝伸出长度，称为干伸长，用Ls表示）有焊接电流通过，所产生的电阻热对焊丝有预热作用，从而影响焊丝的熔化速度。特别是焊丝比较细和焊丝的电阻系数比较大时（如不锈钢），这种影响更加明显。 Part II 焊接化学冶金第21页/共106页2.2 2.2 焊丝的加热焊丝的加热 Rs=Ls /S PR=I2Rs电阻热与干伸长的电阻以及通过的电流有关;材料不同，则电阻率不同，相应的电阻就会不同；因此在相同干伸长，相同电流条件下，电阻热也不同。焊丝伸出长度上的温度分布示意图Part II 焊接化学冶金第22页/共106页2.2 2.2 焊丝的加热焊丝的加热u熔化极气体保护焊时，通常焊丝伸出长度熔化极气体保护焊时，通常焊丝伸出长度L Ls s1030mm1030mm，对于导电良好的铝和，对于导电良好的铝和铜等金属，铜等金属，P PR R与与P Pa a或或P Pk k相比很小，可以忽略不计；而对于钢和钛等材料，电阻率相比很小，可以忽略不计；而对于钢和钛等材料，电阻率高，高， P PR R与与P Pa a或或P Pk k相比很大。相比很大。u用于加热和熔化焊丝的总热量用于加热和熔化焊丝的总热量P Pmm是单位时间内电弧热和电阻热提供的能量。是单位时间内电弧热和电阻热提供的能量。Part II 焊接化学冶金第23页/共106页2.3 2.3 焊条的加热焊条的加热 手工电弧焊时，加热和熔化焊条的能量有：电阻热、电弧热以及药皮中的某些化学反应，但后者一般仅占13%，可以忽略不计。 焊条的加热主要靠电弧热，电弧用于加热和熔化焊条的功率Qe为：QeeUI。式中: e、U、I分别为焊条加热有效系数、电压和电流。 焊条加热有效系数取决于焊接规范、电流极性、药皮成分和焊芯金属的过渡形态。焊丝: e0.310.35; 焊条:e0.20.27。 Qe中有一部分能量用于熔化药皮、焊芯端部液态金属过热以及传导到焊芯里使其与药皮温度升高。 Part II 焊接化学冶金第24页/共106页2.3 2.3 焊条的加热焊条的加热SMAW: 焊接电流通过焊芯时产生电阻热, 将使药皮温度升高。焊芯和药皮的加热温度取决于电流密度、焊芯电阻、焊芯的熔化速度、药皮厚度及其成分等。l电流密度越大，焊芯达到温升越高。调节焊接电流密度是控制焊芯加热温度的有效办法。l焊芯的电阻越大，其温升越高。l焊条熔化越快，加热时间越短，其温升越低。Part II 焊接化学冶金第25页/共106页2.3 2.3 焊条的加热焊条的加热l药皮的成分和厚度影响焊芯表面的散热条件。药皮厚度增加，药皮表面的温度直线下降，但增加了焊芯与药皮之间的温差，增加了药皮开裂的倾向。 研究表明，调整药皮的成分，使焊条金属由短路过渡变成细颗粒过渡，可提高焊条的熔化速度，降低焊接终了时药皮的温度。 焊条的药皮一直是焊条研究的热点，到目前为止焊条药皮已有上万个配方。Part II 焊接化学冶金第26页/共106页2.3 2.3 焊条的加热焊条的加热严格控制焊芯或药皮的加热温度, 焊接结束时, 焊芯的温度不应超过600650C。采用正常焊接规范, 药皮表面温升不大,但采用大电流密度施焊时, 药皮温度升高, 将产生不良后果：l焊芯在电弧作用下熔化过分激烈, 飞溅增加;l药皮开裂，或早脱落使电弧不稳定燃烧;l药皮组分之间过早发生发应，丧失其冶金性能;l焊缝成形变坏，甚至产生缺陷。不锈钢焊条比较短：不锈钢电阻大。Part II 焊接化学冶金第27页/共106页2.4 2.4 焊丝的熔化焊丝的熔化u焊丝的熔化速度：单位时间内，熔焊丝的熔化速度：单位时间内，熔化焊丝的长度。化焊丝的长度。u焊丝的熔化特性：焊丝的熔化速度焊丝的熔化特性：焊丝的熔化速度与焊接条件密切相关，与材料、焊接与焊接条件密切相关，与材料、焊接极性、电流密度、电弧电压、保护气极性、电流密度、电弧电压、保护气成分、干伸长等有关。成分、干伸长等有关。Part II 焊接化学冶金第28页/共106页2.4 2.4 焊丝的熔化焊丝的熔化u材料不同：电阻率、熔化系数不同材料不同：电阻率、熔化系数不同u伸出长度：电阻不同伸出长度：电阻不同u焊丝直径：电阻不同、导热能力不同焊丝直径：电阻不同、导热能力不同铝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Part II 焊接化学冶金第29页/共106页2.5 2.5 焊条的熔化焊条的熔化 焊条的熔化速度是焊接生产效率重要的参数, 试验表明, 焊条金属的熔化速度是变化的: 由于电流对焊芯的预热作用, 焊芯的熔化速度将越来越快, 终了时要比开始时大30。因此, 焊条的熔化速度分为平均熔化速度和瞬时熔化速度。式中: gM、 p 、I分别为焊条金属平均熔化速度、焊条的熔化系数和焊接电流。 p的意义为单位时间内单位电流熔化的焊条金属的质量g/hA。IgpMPart II 焊接化学冶金第30页/共106页2.5 2.5 焊条的熔化焊条的熔化 熔化的焊条金属并不是全部进入焊缝，而是有一部分通过飞溅等方式损失掉，引入“平均熔敷速度”的概念，用“单位时间内熔覆到焊缝金属中去的那部分金属的质量”表示。式中: gD、 H 、I分别为焊条金属平均熔化速度、焊条的熔敷系数和焊接电流。 电流密度较大时， P和H 都不是常数。IgHDPart II 焊接化学冶金第31页/共106页2.5 2.5 焊条的熔化焊条的熔化MDMDMggggg1焊条的损失系数： 如果药皮中含有金属添加剂，设其单位时间内进入焊缝的速度为 gC, 则焊条的损失系数为：CMDCMDCMgggggggg1药皮中金属添加剂可以减少焊芯金属的损失。Part II 焊接化学冶金第32页/共106页2.5 2.5 焊条的熔化焊条的熔化 焊条的瞬时熔化速度取决于两方面的因素：一是电弧在焊芯或焊丝端部析出的热能，另一个就是通过熔滴传递到焊芯或焊丝内的能量。前者越大，瞬时熔化速度越快；反之，越慢。后者越大，瞬时熔化速度越慢，反之，越快。Part II 焊接化学冶金第33页/共106页2.5 2.5 焊条的熔化焊条的熔化提高焊条熔化速度的主要途径：1. 增加电弧在焊条端部析出的热功率；2. 获得高频细滴过渡传到焊芯上的能量减少；3.使电弧活性斑点位于固态焊丝与熔滴的界面处有效加热；4. 在药皮中加入铁粉或其他金属添加剂；5.适当增加电阻热的作用预热。Part II 焊接化学冶金第34页/共106页3 3、熔滴过渡熔滴过渡3.1 熔滴过渡的定义、意义3.2 熔滴上的作用力3.3 熔滴过渡的主要形式3.4 熔滴的特征参数第35页/共106页3.1 3.1 熔滴定义、研究意义熔滴定义、研究意义熔滴过渡的定义： 电弧焊时，焊丝的末端在电弧的高温作用下加热熔化，形成的熔滴通过电弧空间向熔池转移的过程，称为熔滴过渡。 焊丝形成的熔滴作为填充金属与熔化的母材共同形成焊缝。因此，熔滴的过渡过程将对焊接过程和焊缝质量产生直接的影响。Part II 焊接化学冶金第36页/共106页3.1 3.1 熔滴定义、研究意义熔滴定义、研究意义熔滴过渡的研究意义熔滴过渡直接影响焊接过程的稳定性、飞溅程度、焊缝成形的优劣和焊接缺陷产生的可能性;(工艺性能)熔滴的形态、长大时间、比表面积和温度对金属与熔渣和气体的相互作用过程具有强烈影响;(物理冶金性能)在一定条件下改变熔滴过渡的特性可以调节焊接热输入，从而可以控制焊缝金属的结晶过程，改变HAZ的尺寸和性能;(冶金过程)调整熔滴过渡可以提高焊丝的熔化速度。(生产效率)Part II 焊接化学冶金第37页/共106页3.2 3.2 熔滴上的作用力熔滴上的作用力Part II 焊接化学冶金焊条端部熔滴上各种力示意图1-粘滞力2-气体膨胀力和吹力3-惯性力4-材料蒸发斥力5-等离子体吸力7-静电力8-表面张力9-电磁收缩力10-重力第38页/共106页3.2 3.2 熔滴上的作用力熔滴上的作用力u表面张力表面张力 在焊条端头上主要保持熔滴的作用力。在焊条端头上主要保持熔滴的作用力。熔滴上的重力和表面张力RF2表面张力系数与材料成分、温度、气体介质等因素有关熔滴半径Part II 焊接化学冶金第39页/共106页3.2 3.2 熔滴上的作用力熔滴上的作用力u 平焊时，表面张力阻碍熔滴过渡，平焊时，表面张力阻碍熔滴过渡，因此只要能使因此只要能使F减小的措施，都有利减小的措施，都有利于平焊时的熔滴过渡。于平焊时的熔滴过渡。熔滴上的重力和表面张力u 使用小直径焊丝可以达到减小表面张力的目的Part II 焊接化学冶金第40页/共106页3.2 3.2 熔滴上的作用力熔滴上的作用力u在液滴上有少量的表面活性物质时，可在液滴上有少量的表面活性物质时，可以降低表面张力系数。在液态钢中，最以降低表面张力系数。在液态钢中，最大的表面活化物质是大的表面活化物质是O和和S，纯铁被氧饱，纯铁被氧饱和后，表面张力系数由和后，表面张力系数由1220 10-3N/m变为变为1030 10-3N/m。影响这些杂质含。影响这些杂质含量的各种因素（金属的脱氧程度、渣的量的各种因素（金属的脱氧程度、渣的成分等）都会影响熔滴的过渡。成分等）都会影响熔滴的过渡。u增加熔滴温度会降低金属的表面张力系增加熔滴温度会降低金属的表面张力系数，从而减小熔滴尺寸。数，从而减小熔滴尺寸。Part II 焊接化学冶金第41页/共106页3.2 3.2 熔滴上的作用力熔滴上的作用力u重力重力 当焊丝直径较大而电流较小时当焊丝直径较大而电流较小时, 在在平焊位置的情况下平焊位置的情况下, 使熔滴脱离焊使熔滴脱离焊丝的力主要是重力。重力大于表面丝的力主要是重力。重力大于表面张力时张力时, 熔滴就要脱离焊丝。熔滴就要脱离焊丝。熔滴上的重力和表面张力334RgmgFg: 熔滴密度; R: 焊丝半径立焊和仰焊时, 重力阻碍熔滴过渡。Part II 焊接化学冶金第42页/共106页3.2 3.2 熔滴上的作用力熔滴上的作用力电弧力电弧力u电磁力u等离子流力u斑点压力u熔滴爆破力u电弧的气体吹力Part II 焊接化学冶金第43页/共106页3.2 3.2 熔滴上的作用力熔滴上的作用力1.焊丝, 2、4.电磁轴向分力, 3.电流线, 5.电弧电磁力分布电磁力 电流通过熔滴时, 导体(熔化焊条件下, 焊丝-熔滴-电极斑点-弧柱之间)的截面是变化的, 将产生电磁力的轴向分力, 其方向总是从小截面指向大截面, 此时电磁力可以分为径向和轴向两个分力。Part II 焊接化学冶金第44页/共106页3.2 3.2 熔滴上的作用力熔滴上的作用力 电磁力对熔滴过渡的影响取决于电弧形态，如果弧根面积笼罩整个熔电磁力对熔滴过渡的影响取决于电弧形态，如果弧根面积笼罩整个熔滴，此处的电磁力促进熔滴过渡；如果弧根面积小于熔滴直径，此处电磁力滴，此处的电磁力促进熔滴过渡；如果弧根面积小于熔滴直径，此处电磁力形成斑点压力的一部分阻碍熔滴过渡。形成斑点压力的一部分阻碍熔滴过渡。Part II 焊接化学冶金第45页/共106页3.2 3.2 熔滴上的作用力熔滴上的作用力u等离子流力 在电弧中由于电弧推力引起高温气流的运动形成的力。电流较大时，高速等离子气流将对熔滴产生很大的推力，使之沿焊丝轴线方向运动，亦即等离子流力总有是有利于熔滴过渡。Part II 焊接化学冶金第46页/共106页3.2 3.2 熔滴上的作用力熔滴上的作用力u斑点压力 电极形成斑点时，受到电子(反接)或正离子(正接)的撞击力、金属蒸发反冲作用力以及电磁收缩力等力的作用而形成斑点压力。斑点面积比较小的时候，斑点压力常常阻碍熔滴过渡；斑点面积比较大的时候，笼罩整个熔滴，斑点压力促进熔滴过渡。Part II 焊接化学冶金第47页/共106页3.2 3.2 熔滴上的作用力熔滴上的作用力u熔滴爆破力 当熔滴内部因冶金反应而生成气体或者含有易蒸发金属时, 在电弧高温的作用下, 使气体体积膨胀而产生的内压力, 致使熔滴爆炸而过渡, 这一内压力称为熔滴爆破力；当短路过渡焊接时，在电磁力及表面张力的作用下形成缩颈，在其中通过大电流时使液桥爆破形成熔滴过渡，在液桥爆破的过程中将产生很大的爆破力。熔滴爆破力促进熔滴过渡，但产生飞溅。Part II 焊接化学冶金第48页/共106页3.2 3.2 熔滴上的作用力熔滴上的作用力u电弧的气体吹力 在SMAW中，焊条药皮中的造气剂、碳元素氧化而形成的从电弧根部吹向工件的力。此力有利于熔滴过渡。Part II 焊接化学冶金第49页/共106页3.2 3.2 熔滴上的作用力熔滴上的作用力 电弧力只有在焊接电流较大的时候，才对熔滴过渡起主要作用，此时，高速等离子流力对熔滴产生很大的推力，使之沿轴线方向运动；电流小时，重力和表面张力起主要作用。Part II 焊接化学冶金第50页/共106页3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式按照熔滴过渡形式可分为3类: 自由过渡接触过渡渣壁过渡Part II 焊接化学冶金第51页/共106页3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式自由过渡： 熔滴经电弧空间自由飞行，焊丝的端头和熔池不发生直接接触。主要发生在GMAW中。主要有以下几种类型：细颗粒过渡滴状过渡喷射过渡爆炸过渡自由过渡大滴过渡大滴滴落过渡大滴排斥过渡射滴过渡射流过渡旋转射流过渡铝MIG焊及脉冲焊钢MIG焊特大电流MIG焊焊丝含有挥发成分的CO2焊高电压小电流MIG焊高电压小电流MIG焊及正极性大电流CO2焊Part II 焊接化学冶金第52页/共106页3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式接触过渡： 焊丝端部的熔滴与熔池的表面通过接触而过渡。 主要有短路过渡和搭桥过渡两种类型。(1)短路过渡: 在GMAW中，焊丝短路并重复引燃电弧，这种接触过渡成为短路过渡。(2)搭桥过渡: 在GTAW中，焊丝作为填充金属，与工件之间不引燃电弧。Part II 焊接化学冶金第53页/共106页3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式渣壁过渡 与渣保护有关，发生在埋弧焊时，熔滴从熔渣的空腔壁上流下。两种类型:沿熔渣壳过渡：发生在SAW。沿套筒过渡：发生在SMAW。Part II 焊接化学冶金第54页/共106页3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式粒状过渡喷射过渡爆破过渡短路过渡搭桥过渡渣壁过渡套筒过渡Part II 焊接化学冶金第55页/共106页3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式1、滴状（颗粒）过渡电弧电压高，根据电流大小、极性和保护气体种类不同，又可分为粗滴过渡和细滴过渡。(1) 粗滴过渡成因：电流比较小和电压比较高时，弧长较长，使熔滴不易与熔池短路。因电流比较小，弧根面积的直径小于熔滴直径，熔滴与焊丝之间的电磁力不易使熔滴形成缩颈，同时斑点压力又阻碍熔滴过渡。随着焊丝熔化，颗粒长大，最后重力克服表面张力作用，而形成大的颗粒过渡。Part II 焊接化学冶金第56页/共106页3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式后果：电弧稳定性和焊缝质量都比较差。形成粗滴过渡的情况：u氩气介质中，由于电弧电场强度低，弧根比较扩展，并且在熔滴下部弧根的分布是对称于熔滴的，因而形成粗滴过渡uCO2气体保护焊时，由于气体分解吸热对电弧的冷却作用，使电弧的电场强度提高，电弧收缩，弧根面积减小，增加了斑点压力而阻碍熔滴过渡，并形成大颗粒排斥过渡。u直流正接，由于斑点压力很大，无论氩气还是二氧化碳保护，都有明显的大颗粒排斥过渡。Part II 焊接化学冶金第57页/共106页3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式(2)细滴(颗粒)过渡成因：电流比较大，相应的电磁收缩力增大，表面张力减小，熔滴存在的时间短，熔滴细化，过渡频率增加，电弧稳定性比较高，飞溅少，焊缝质量高。焊缝成形：飞溅少、电弧稳定、焊缝成形较好，应用广泛。u气体介质或焊接材料不同时，细滴过渡的特点不同。CO2和酸性焊条电弧焊，熔滴非轴向过渡；铝合金熔化极氩弧焊或大电流活性气体保护焊焊则轴向过渡。Part II 焊接化学冶金第58页/共106页3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式2、喷射过渡 易于出现于氩气或者富氩气体保护的焊接方法中，根据不同的工艺条件，可分为射滴过渡、亚射流、射流、旋转射流过渡。(1) 射滴过渡成因：过渡时熔滴直径接近于焊丝直径，脱离焊丝沿焊丝轴向过渡。特点：轴向过渡、焊钢时为一次一滴，焊铝及其它合金时常为每次12滴、电弧呈钟罩形。适用范围：钢焊丝脉冲焊、铝合金GMAW。Part II 焊接化学冶金第59页/共106页3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式(2) 射流过渡成因：易于出现于氩气或者富氩气体保护气氛中。特点：轴向过渡、焊钢时为一次一滴，焊铝及其它合金时常为每次12滴、电弧呈钟罩形。过渡时，细小的熔滴从焊丝端部连续不断的高速冲向熔池，过渡频率快，飞溅少，电弧稳定，热量集中，对焊件的穿透能力强，易形成指状熔深，适合焊接较厚的板材（3mm），不适合薄板。Part II 焊接化学冶金第60页/共106页3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式(2) 射流过渡电流较小时形成熔滴(a), 电流增大, 阳极斑点逐渐扩大到熔滴根部(b), 熔滴与焊丝间形成缩颈, 缩颈处电流密度增大并过热形成大量金属蒸气，电弧的阳极斑点将瞬时从熔滴根部扩展到缩颈根部(c)，当第一滴脱落以后，电弧呈锥状(d), 形成强的等离子流，在其力的作用下形成射流过渡。 电流小射流过渡形成机理示意图射流过渡Part II 焊接化学冶金第61页/共106页3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式3、短路过渡 短路过渡属于接触过渡。 电弧引燃后随着电弧的燃烧，焊丝或者焊条端部形 成熔滴并逐渐长大。当电流较小，电弧电压比较低，弧长比较短，熔滴未长成大滴就与熔池接触形成液态金属短路，电弧随之熄灭，金属熔滴过渡到熔池中去。熔滴脱落后，电弧重新引燃，如此交替。Part II 焊接化学冶金第62页/共106页3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式3、短路过渡u出现场合：碱性焊条的焊条电弧焊 细丝气体保护电弧焊（1.6mm） u短路过渡特点：短路过渡由燃弧(熔滴长大)和熄弧(短路)两个交替的阶段组成，电弧的燃烧是不连续的（实质：熔化速度与送丝速度不一致）。平均电流小，峰值电流大，适合薄板及全位置焊接。小直径焊条或焊丝,电流密度大,产热集中,焊接速度快。弧长短, 焊件加热区小, 质量高。Part II 焊接化学冶金第63页/共106页3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式3、短路过渡u 短路过渡的要求：对不同直径不同材料的焊丝, 必须要在最优的工艺范围内, 否则熔池形成固体焊丝短路、爆断和大量飞溅。要求电源有合适的静特性和动特性：a. 不同直径的焊丝和规范，短路电流上升速度要合适，保证液桥柔顺断开，减少飞溅。b. 短路电流峰值要合适，一般为平均电流的23倍，太大则液桥爆断增大飞溅，太小不利于引弧。c. 短路结束后，空载电压恢复要快，以便即使引弧。Part II 焊接化学冶金第64页/共106页3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式3、短路过渡u 短路过渡的稳定性的标志过渡频率 短路过渡时，过渡熔滴越小，短路过渡频率越高，焊缝波纹越细。在稳定的情况下，要求尽可能高的短路频率。u 短路过渡的缺点飞溅 飞溅、熔深相对较浅是短路过渡的缺点。Part II 焊接化学冶金第65页/共106页3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式3、短路过渡CMT( Cold Metal Transfer)冷金属过渡: 2002年开发出一种无飞溅焊接技术。整个焊接过程实现“热-冷-热”交替转换, 每秒钟可达70次。焊接热输入量大幅降低, 可实现0.3mm 以上薄板的无飞溅、高质量焊接。Part II 焊接化学冶金第66页/共106页3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式3、短路过渡CMT( Cold Metal Transfer)过程：首先脉冲电流引燃电弧，熔滴形成，焊丝进给；焊丝不断送给，当熔滴进入熔池时电流最低；此时焊丝回抽使熔滴脱落,短路电流保持较小值；最后焊丝回复到进给状态，熔滴过渡依此循环往复。Part II 焊接化学冶金第67页/共106页3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式3、短路过渡其他控制方式(1) 适应焊接物理过程(Adapting Welding Physical Process，简称AWP)的控制法。 1）最简单的办法在回路串入电感: 降低短路电流上升速度及短路电流峰值，从而降低飞溅率。 2）电流切换法: 当检测到液桥缩颈达到临界尺寸后，立即将电流迅速切换到低值，使液桥在小电流下爆断，降低飞溅率。Part II 焊接化学冶金第68页/共106页3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式3、短路过渡其他控制方式 3）机械脉动送丝法: 按一定频率和步距向熔池送丝，强制焊丝与熔池之间的短路,因此短路频率基本上与脉动送丝频率相等。 4）电流波形控制法: 通过控制输出电流波形，使金属液桥在低的电流下爆断，之后迅速提高燃弧电流帮助电弧重新引燃。焊接电源特性及电流输出是决定电弧焊短路过渡稳定性及飞溅的重要因素。Part II 焊接化学冶金第69页/共106页3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式 5）表面张力过渡法-STT(Surface Tension Transfer): 表面张力过渡技术是由美国林肯(Lincoln)电气公司开发。熔滴在电磁收缩力和表面张力的作用下实现从焊丝端头到熔池的过渡。(2) 通过保护气体和焊接材料改善电弧形态来改善熔滴的过渡,比如在CO2气体中加入一定的氩气、采用药芯焊丝等。Part II 焊接化学冶金第70页/共106页3.3 3.3 熔滴过渡的主要形式熔滴过渡的主要形式4、搭桥过渡 非熔化极电弧焊。在表面张力、重力及电弧力的作用下，熔滴进入熔池。 搭桥过渡示意图Part II 焊接化学冶金第71页/共106页3.4 3.4 熔滴的特征参数熔滴的特征参数熔滴过渡的特征参数mtr过渡熔滴的质量;m0焊条端部残留熔化金属的质量;f过渡频率(次/s)；过渡周期(s, =1/f );me过渡周期临近终了时熔滴的质量 (me=m0+mtr)熔滴的比表面积Part II 焊接化学冶金第72页/共106页熔滴的比表面积3.4 3.4 熔滴的特征参数熔滴的特征参数ggVFS ggVFS或式中: Fg: 熔滴的表面积; Vg: 熔滴的体积; :熔滴密度。 熔滴比表面积取决于它的形状和尺寸。熔滴越细小，其比表面积越大，一般S103104cm2/kg。凡是能使熔滴变细的因素，如增大电流密度、药皮中加入活性物质，都可以增大熔滴的比表面积。Part II 焊接化学冶金第73页/共106页熔滴的温度与热焓 熔滴的温度是研究熔滴阶段各种物理化学反应时不可缺少的重要参数。 迄今为止，还不能从理论上精确计算熔滴温度。 实际测量表明, 对手工电弧焊焊接低碳钢而言, 熔滴的平均温度为2100一2700K。 试验表明，熔滴的平均温度随焊接电流的增加而升高，随焊丝直径的增加而降低。 目前主要测量方法有: 测热法、热电偶法、光学高温计法。3.4 3.4 熔滴的特征参数熔滴的特征参数Part II 焊接化学冶金第74页/共106页熔滴的温度 熔滴脱落的平均温度与焊接电流、电压电流极性、药皮厚度和成分等因素有关。u电流增大，温度升高；u焊丝直径增大，温度降低；u电压增大，温度升高；u正极性焊接熔滴的温度比反极性低。3.4 3.4 熔滴的特征参数熔滴的特征参数Part II 焊接化学冶金第75页/共106页4 4、熔池的形成熔池的形成4.1 熔池的形状与尺寸4.2 熔池的质量和存在时间4.3 熔池的温度 4.4 熔池中流体的运动状态 Part II 焊接化学冶金第76页/共106页熔池的定义 在电弧作用下，母材上由熔化的填充金属与局部熔化的母材组成的具有一定几何形状的液体金属叫熔池。如不填充金属，则熔池仅由局部熔化的母材组成。熔池的形成u熔池的形成需要一定时间，这段时间叫过渡时期。u经过过渡时期以后，就进入准稳定时期，这时熔池的形状、尺寸和质量不再变化，只取决于母材的种类和焊接工艺条件，并随热源作同步运动。4.1 4.1 熔池的形状与尺寸熔池的形状与尺寸Part II 焊接化学冶金第77页/共106页熔池的形状与尺寸 在电弧焊的条件下，准稳定时期熔池的形状类似于不标准的半椭球体。 熔池的宽度和深度沿X轴连续变化。在一般情况下, 随着电流的增加，而最大深度Hmax增大, 随着电弧电压的增加, Bmax增大。4.1 4.1 熔池的形状与尺寸熔池的形状与尺寸Part II 焊接化学冶金XYZLmaxHmaxB尾部头部第78页/共106页熔池的形状与尺寸熔池的长度L可由下式估算： LP2UI式中: P2为比例系数。试验证明，P2取决于焊接方法和焊接电流。4.1 4.1 熔池的形状与尺寸熔池的形状与尺寸焊接方法SMAWMIGSAWSAWTIG焊接电流(A)1003002003001503705503000600P2(mm/kW)3.35.53.84.83.54.82.43.22.85Part II 焊接化学冶金第79页/共106页熔池的形状和大小主要由电弧的热作用及其对熔池的作用力决定;在电弧压力作用下熔池表面出现凹坑;熔滴过渡机械冲击力对熔池的表面形状也有影响;空间位置不同，重力、表面张力对熔池的作用不同;工艺方法、焊接参数也影响熔池的尺寸;4.1 4.1 熔池的形状与尺寸熔池的形状与尺寸Part II 焊接化学冶金第80页/共106页熔池的质量(1)手弧焊时熔池的置量通常在0.6-16g范围之内，多数情况下小于5g 。(2)埋弧焊低碳钢时，即使焊接电流很大，熔池的质量也不超过100g。熔池存在的时间 熔池在液态时存在的最大时间取决于熔池的长度L和焊速v: tmax=L/v。4.2 4.2 熔池的质量与存在的时间熔池的质量与存在的时间Part II 焊接化学冶金第81页/共106页l实际测量表明，在熔池内的温度分布是不均匀的。在熔池的前部，输入的热量大于散失的热量，所以随热源的移动，母材不断熔化。l处于电弧下面的熔池表面(熔池中部)温度最高。熔池后部的温度逐渐下降，因为此处输入的热量小于散失的热量，所以不断发生金属的凝固。l熔池的平均温度主要取决于母材的性质和散热的条件。对低碳钢来讲,熔池的平均温度约为1770士100。4.3 4.3 熔池的温度熔池的温度Part II 焊接化学冶金第82页/共106页 熔池中的液体金属在各种力的作用下，将发生强烈的运动。正是这种运动使得熔池中的热量和质量的传输过程得以进行。溶池中液态金属的强烈运动，使熔化的母材和焊条金属够很好的混合，形成成分均匀的焊缝金属。熔池中的运动有利于气体和非金属夹杂物的外逸，加速冶金反应，消除焊接缺陷(如气孔)，提高焊接质量。在液态金属与母材交界处，液态金属的运动受到限制，因此在该处常出现化学成分的不均匀性。4.4 4.4 熔池中的流态运动状态熔池中的流态运动状态TIG焊钛合金时熔池中的金属流向Part II 焊接化学冶金第83页/共106页4.4 熔池中的流态运动状态Part II 焊接化学冶金激光焊熔池流动模拟结果第84页/共106页4.4 熔池中的流态运动状态Part II 焊接化学冶金激光焊熔池流动监测结果第85页/共106页一、保护的必要性 为了提高熔化焊焊缝金属的质量，就必须尽量减少焊接过程中焊缝金属中有害杂质的含量和有益的合金元素的烧损，从而保证焊缝金属得到合适的化学成分。因此。焊接化学冶金的首要任务就是对焊接区域熔化的金属加强保护，以免受到空气的有害作用。 焊接化学冶金是在保护环境下进行的！4.5 4.5 焊接过程中熔池金属的保护焊接过程中熔池金属的保护Part II 焊接化学冶金第86页/共106页二、保护的方式4.5 4.5 焊接过程中熔池金属的保护焊接过程中熔池金属的保护Part II 焊接化学冶金u机械隔离保护方式：把熔化金属和空气隔开。熔渣: 埋弧焊(SAM)、电渣焊(ESW)气体: GTAW，GMAW，CO2、PAW熔渣气体: 手工焊(SMAW)，自保护药芯焊（FCAW）真空: 电子束焊（EBW） 在焊材中加入脱氧、脱氮剂，通过某些冶金反应，使得焊缝中的有害杂质进入熔渣u自保护方式（冶金化处理）第87页/共106页 与普通的化学冶金过程不同的是，焊接化学冶金过程是分区域（或阶段）连续进行的，且各区的反应条件有较大的差异。 不同的焊接工艺方法有不同的反应区域：4.6 4.6 焊接化学冶金反应区焊接化学冶金反应区Part II 焊接化学冶金药皮反应区熔滴反应区熔池反应区SMAWGMAWGTAW、EW、LW一、焊接化学冶金过程的特点第88页/共106页一、焊接化学冶金过程的特点一、焊接化学冶金过程的特点4.6 焊接化学冶金反应区Part II 焊接化学冶金第89页/共106页u温度温度: : 100100药皮熔点（钢焊条为药皮熔点（钢焊条为12001200）u反应反应: : 脱水及固态药皮物质的分解和分解产脱水及固态药皮物质的分解和分解产物间的反应，反应产物为气体和熔渣。物间的反应，反应产物为气体和熔渣。(1) (1) 脱水反应脱水反应 吸附水的蒸发吸附水的蒸发(T(T100)100) 结晶水和化合水开始分解结晶水和化合水开始分解(T(T300400)300400)(2) (2) 有机物的分解反应（有机物的分解反应（T T200 250200 250） 木粉、纤维素、淀粉等有机物分解和燃烧。木粉、纤维素、淀粉等有机物分解和燃烧。二、药皮反应区：4.6 焊接化学冶金反应区Part II 焊接化学冶金第90页/共106页(3) (3) 矿物质的分解反应矿物质的分解反应碳酸盐碳酸盐: : 大理石大理石CaCOCaCO3 3, , 菱苦土菱苦土MgCOMgCO3 3; ;高价氧化物高价氧化物: : 赤铁矿赤铁矿FeFe2 2OO3 3, , 锰矿锰矿MnOMnO2 2。矿物质分解反应形成矿物质分解反应形成COCO2 2和和OO2 2等气体。等气体。 u结果结果: : (1) (1) 对熔化金属形成保护作用对熔化金属形成保护作用; ; (2) (2) 先期脱氧先期脱氧二、药皮反应区：4.6 焊接化学冶金反应区Part II 焊接化学冶金铁合金的氧化先期脱氧 药皮加热分解产生的自由氧等，使药皮中的铁合金（锰铁，硅铁等）发生一定的氧化，从而降低了气相对金属的氧化。这一过程也称为“先期脱氧”。第91页/共106页u从熔滴的形成、长大到过渡至熔池中都属于从熔滴的形成、长大到过渡至熔池中都属于熔滴反应区。熔滴反应区。u特点是：特点是： 熔滴温度高熔滴温度高: : 18002400 18002400 熔滴的比表面积大熔滴的比表面积大: : 100010000cm100010000cm2 2/kg/kg，比炼钢时大比炼钢时大10001000倍倍 各相之间反应时间短各相之间反应时间短: : 0.010.1s0.010.1s 熔滴与熔渣反生强烈的混合熔滴与熔渣反生强烈的混合u熔滴反应区为冶金反应最激烈的部位。熔滴反应区为冶金反应最激烈的部位。三、熔滴反应区：4.6 焊接化学冶金反应区Part II 焊接化学冶金第92页/共106页u主要物化反应有：主要物化反应有： 气体的高度分解气体的高度分解 氢气和氮气的激烈溶解氢气和氮气的激烈溶解 激烈的增氧反应激烈的增氧反应l气氛中二氧化碳、水蒸气和氧气的直接氧化气氛中二氧化碳、水蒸气和氧气的直接氧化l熔渣中熔渣中(FeO)(FeO)向熔滴中的分配向熔滴中的分配( (扩散扩散) )氧化氧化l熔渣中熔渣中(MnO)(MnO)、(SiO(SiO2 2) )的置换氧化合金化过的置换氧化合金化过程程l药皮、焊剂、焊芯中的合金剂元素能使熔滴药皮、焊剂、焊芯中的合金剂元素能使熔滴强烈地合金化。强烈地合金化。 低沸点元素的蒸发低沸点元素的蒸发三、熔滴反应区：4.6 焊接化学冶金反应区Part II 焊接化学冶金第93页/共106页u熔滴和熔渣同熔化的母材混合形成熔池熔滴和熔渣同熔化的母材混合形成熔池u熔池反应的物理条件熔池反应的物理条件 (1)(1)温度较熔滴低：温度较熔滴低： 1600-1900 1600-1900 (2) (2)比表面积较小：比表面积较小： 1300 cm1300 cm2 2/kg/kg (3) (3)反应时间稍长：反应时间稍长： 3-8S3-8S（SMAWSMAW） 四、熔池反应区：4.6 焊接化学冶金反应区Part II 焊接化学冶金第94页/共106页(4)熔池反应的物理条件特点：a）温度分布极不均匀，熔池前部和后部反应可同时向相反方向进行如前部发生金属熔化、气体吸收，有利于吸热反应进行；后部发生金属凝固、气体逸出，有利放热反应进行。b）熔池金属有规律地对流和搅拌运动有助于加快反应速度，为气体和非金属夹杂物的逸出提供有利条件。四、熔池反应区：4.6 焊接化学冶金反应区Part II 焊接化学冶金第95页/共106页熔池反应的化学条件a）熔池中反应物的浓度与平衡浓度之差比熔滴阶段小在其他条件相同的情况下熔池中的反应速度比熔滴要小。b）当药皮重量系数Kb较大时，参与和熔池金属作用的熔渣数量比参与和熔滴金属作用的数量多。药皮重量系数单位长度上药皮与焊芯的质量比。临界药皮重量系数？四、熔池反应区：4.6 焊接化学冶金反应区Part II 焊接化学冶金第96页/共106页熔池反应的化学条件c）熔池反应区的反应物质是不断更新的新熔化的母材、焊芯和药皮不断进入熔池前部，凝固的金属和熔渣不断从熔池后部退出反应区。在焊接工艺参数稳定的条件下，物质的更替可以达到准稳态，从而得到成分均匀的焊缝金属。 与熔滴反应区相比, 熔池内反应速度比熔滴阶段要慢, 且在整个反应过程中的贡献也较小。四、熔池反应区：4.6 焊接化学冶金反应区Part II 焊接化学冶金 焊接化学冶金过程是分区域连续进行的，在熔滴阶段进行的反应多数在熔池阶段将继续进行，但也有的停止反应甚至改变反应方向。各阶段冶金反应的综合结果，决定了焊缝金属的化学成分。第97页/共106页五、焊接工艺条件对焊接化学冶金的影响4.6 焊接化学冶金反应区Part II 焊接化学冶金 焊接化学冶金过程与焊接工艺条件是紧密相关的，改变焊接工艺条件必然引起冶金反应条件的变化，因而影响到焊接冶金反应过程。u影响因素1、反应物质的数量方面熔合比2、反应过程的时间方面熔滴过渡第98页/共106页bbdAAA熔合比概念示意图Ab-熔化母材的面积Ad-熔敷金属的面积4.6 焊接化学冶金反应区Part II 焊接化学冶金1、熔合比的影响 焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例称为熔合比：五、焊接工艺条件对焊接化学冶金的影响第99页/共106页u熔合比取决于：熔合比取决于： 焊接方法焊接方法 规范规范 接头形式接头形式 板厚板厚 坡口形式坡口形式 母材、焊材类型母材、焊材类型 焊条（丝）的倾角等焊条（丝）的倾角等铝合金焊接坡口形式对熔合比的影响4.6 焊接化学冶金反应区Part II 焊接化学冶金五、焊接工艺条件对焊接化学冶金的影响第100页/共106页 假设焊接时合金元素没有任何损失，则焊缝中某合金元素的浓度C0与熔合比的关系为：C0 Cb+(1- )CeCb 该元素在母材中的质量百分浓度(%),Ce该元素在焊条中的质量百分浓度(%)。 4.6 焊接化学冶金反应区Part II 焊接化学冶金 若考虑焊条中的合金元素有损失，而母材中的合金元素无损失，则焊缝金属中合金元素的实际浓度Cw为:Cw= Cb+(1- )CdCd熔敷金属(焊接得到的没有母材成分的金属)中该元素的实际质量百分比(%)。五、焊接工艺条件对焊接化学冶金的影响第101页/共106页 若已知Cd, Cb, 就可求出焊缝化学成分。结论：改变熔合比，就可以改变焊缝金属的化学成分。4.6 焊接化学冶金反应区Part II 焊接化学冶金熔合比概念的应用(1) 堆焊时, 尽可能小, 以减少BM成分对堆焊层的影响。(2) 当母材杂质较多时, 应小些好, 可减少焊缝金属中杂质。(3) 异种钢焊接时, 根据熔合比来选择焊接材料。五、焊接工艺条件对焊接化学冶金的影响第102页/共106页4.6 焊接化学冶金反应区Ni Fe Cr9%Ni母材焊丝 焊缝总含量 Part II 焊接化学冶金作业题：一含Ni9%的钢板，采用成分为80%Ni-20%Cr的焊丝进行焊接，若熔合比为40%，试问，焊缝中合金元素的大致含量是多少？五、焊接工艺条件对焊接化学冶金的影响第103页/共106页4.6 焊接化学冶金反应区Part II 焊接化学冶金2、熔滴过渡的影响 熔滴存在的时间决定了熔滴阶段反应时间，熔滴存在时间随着电流的增加而减小，随着电弧电压的增加而延长。 冶金反应进行的程度随着焊接电流的增加而降低，随着电弧电压的增加而提高。五、焊接工艺条件对焊接化学冶金的影响第104页/共106页六、焊接化学冶金系统的不平衡性4.6 焊接化学冶金反应区Part II 焊接化学冶金 焊接化学冶金是一个复杂的高温多相反应系统, 不同的焊接工艺方法, 组成系统的相也不同。 焊接区的不等温条件决定了整个系统的不平衡性, 但不排除在系统的个别部分可能出现个别反应的短暂平衡状态。试验结果也表明, 焊缝金属的最终成分与熔池凝固温度下的平衡成分相差甚远。 焊接冶金系统的不平衡性说明对焊接化学冶金问题不能直接应用热力学平衡的计算公式定量分析, 但可以作为定性分析。第105页/共106页感谢您的观看！第106页/共106页