1、气体保护焊电弧特性(二)1.27 TIG 焊时都使用钍钨极或铈钨极等,而很少使用纯钨极,为什么?钨极氩弧焊(TIG)是以钨棒作为电弧一个极的气体保护焊方法。钨极作为不熔化电极,要求它的熔点高,高温挥发性小和强度高。钨的熔点为 3690K、沸点为 5900K 是理想的电极材料。早期采用纯钨棒w(W)99.9%,由于其耐用性和工艺性不良,而逐渐被钍钨棒(W-Th)和铈钨棒(W-Ce)以及含有其他稀土类氧化物如镧钨棒和钇钨棒等(W-La、W-Y 等)的钨极所代替。钨棒牌号及化学成分见表 5。表 5 钨棒化学成分分类化学成分(质量分数,%)钨棒牌号W ThO2 CeO SiO2 FeO3+Al2O3
2、Mo CaOW 99.92 0.03 0.03 0.01 0.01WTh7 余量 0.70.99 0.06 0.02 0.01 0.01WTh15 余量 1.52.0 0.06 0.02 0.01 0.01WTh30 余量 3.03.5 0.06 0.02 0.01 0.01WCe20 余量 2.0 0.06 0.02 0.01 0.01广泛使用的 W-Th 和 W-Ce 等都比纯 W 的载流能力、引弧性能以及使用寿命好。其主要原因是它们的逸出功比纯 W 低,如表 6 所示。表 6 钨极其合金钨极的逸出功电极 W W-Th W-Ce W-Zr W-Cs W-Ba逸出功/V 4.54 2.63
3、2.70 3.14 1.36 1.56纯 W 的逸出功为 4.315.16V,W-Th 为 2.63V,W-Ce 为 2.70V,若加入 Cs和 Ba 等碱金属和碱土金属的钨电极的逸出功更低,只有 1.361.56V。由于逸出功低将带来如下特点:(1)耐用性高 即钨极端部在焊接过程中不易损耗。试验表明,市钨、镧钨、钨棒的端部形状稳定性高于纯钨和钍钨棒。这是因为 W-La、W-Ce、W-Y电极的逸出功低于纯 W 和 W-Th 电极。在相同使用条件下它们的电极温度都低于纯 W 和 W-Th 电极。使得烧损率下降,修复钨极次数减少。(2)W-Th 极比纯 W 极的许用电流大 表 7 所示,相同直径时
4、 W-Th 比纯W 的许用电流高得多。而 W-Ce 又比 W-Th 的许用电流高 5%8%。表 7 不同成分钨极的最大许用电流的比较(直流正接)钨极直径/mm 1.0 1.6 2.4 3.2 4.0 5.0 6.4W 30 80 130 180 240 300 400最大许用电流/AW-Th 80 140 230 310 400 550 800(3)工艺性好 纯钨棒的逸出功高,它的工艺性不如 W-Th 极。W-Th 极的电子发射能力强,引弧可靠,交流稳弧性好,空载电压低。但是,钍钨极中钍是放射性元素,虽只含有微量的钍,若不注意防护对工人也是有害的。为此而用铈、镧等代替钍。实验证明,铈钨极的工艺
5、性比钍钨极好,在相同的情况下,可使电弧更加集中,能量密度大,提高许用电流容量,延长寿命。直流时阴极压降降低 10%,比钍钨极更易引弧,电弧稳定性更好。总之,虽然纯钨可以用作钨电极,但是由于其耐用性,工艺性及许用电流容量等均不如钍钨极和各种稀土钨极,所以实际应用中很少使用纯钨极。1.28 何谓熔滴和熔滴过渡?熔滴是指在电弧焊时,从焊丝端头形成的,并向熔池过渡的滴状液态金属。熔滴过渡是电弧焊时,焊丝端头形成的熔滴通过电弧空间向熔池转移的过程。熔滴过渡形式有很多种:按短路与否,分为短路过渡和自由过渡;按熔滴的尺寸大小,分为大滴过渡和射流过渡等。1.29 气体保护焊时熔滴过渡有哪几种形式?为了便于使用
6、统一的术语和概念去交流和探讨问题,国际焊接学会(W)对电弧焊熔滴过渡的分类曾发表过许多见解,最后于 1976 年发表了W.DOC.-F-173-76 文件。这里仅将与气体保护焊有关的熔滴过渡的分类及特征示于表 8。这里主要按熔滴过渡的行为进行分类,例如焊丝与熔池接触与否,而分为自由过渡和接触过渡,在自由过渡中按熔滴受力的主要特点,分为大滴过渡(以重力为主)、喷射过渡(以电弧力为主)帮爆炸过渡(以气体爆炸力为主)。在接触过渡中按焊丝通电与否,分为短路过渡和搭桥过渡。1.30 为什么要研究 GMAW 法熔滴过渡问题?通常 GMAW 法是用气体作为保护介质,而没有熔渣参与焊接过程。于是焊丝金属熔化,
7、熔滴形成和熔滴过渡等都发生在气体介质中。为保证焊接过程稳定,首先应保证熔滴过渡稳定。这就要求正确选择焊丝直径,焊丝材料,保护气体种类和焊接参数等,以获得合适的熔滴过渡形式和焊缝成形。这样一来,研究熔滴过渡的主要目的是为了解决以下 3 个问题:1)了解和掌握熔滴过渡的规律,以便根据工作的情况,正确选择焊丝、保护气体和工艺参数,保证焊接过程稳定,包括电弧燃烧稳定,飞溅小和熔滴过渡均匀等。2)建立熔滴过渡与焊缝成形和焊接质量的关系。因为熔滴过渡影响焊缝成形,如熔深形状(圆弧状或指状熔深等)及焊缝缺陷,如咬边、驼峰焊道等。3)建立熔滴过渡与焊接冶金的关系。1.31 试述电弧形态及其与熔滴过渡的关系?电
8、弧形成是指电弧在燃烧过程中的形貌,它随焊接条件的不同而变化。通常 GMAW 焊时,电弧分两层,外层为暗区,而内层为烁亮区。在烁亮区中充满了金属蒸气,它的边界形状轮廓分明,该烁亮区的形貌称为电弧形态。常见的电弧形态与熔滴过渡的对应关系如图 34 所示。电弧形态大致可分为束状电弧、钟罩状电弧和锥状电弧等 3 种。束状电弧对应的熔滴形式有大滴过渡和短路过渡等。钟罩状电弧为射滴过渡,而锥状电弧为射流过渡。通常利用目视观察时,根据电弧形态就可以判断熔滴过渡形式。1.32 何谓跳弧?试说明产生跳弧现象的机理与影响因素。跳弧现象是在熔化极脉冲氩弧焊时发生的。当脉冲电流幅值较大或脉冲时间较长时,在电弧烁亮区沿
9、熔滴表面逐渐扩大,如图 35a 所示,当烁亮区上爬到熔滴的根部如图 35b 所示,此时缩颈更细了。然后经过极短的时间(大约 2.55ms),电弧从熔滴根部上跳到缩颈上,如图 35c 所示,这一现象称为跳弧现象。跳弧之后,焊丝端头都在电弧笼罩之下,熔滴变为倒蘑菇状,并被迅速推离焊丝,细颈也变得又细又长如图 35d 所示。产生跳弧现象的机理如图 36 所示。从上述的电弧形态分析可见,跳弧前后产生新的阳极斑点,二为出现新的电弧通道。跳弧前电弧烁亮区已笼罩整个熔滴表面,并在焊丝与熔滴之间形成缩颈,于是全部电流通过较细的缩颈,电流密度高,迅速产生很大的电阻热,使得在缩颈的表面产生金属蒸气,为建立阳极斑点
10、创造了条件。另一个方面,电弧与该斑点相连的通道(弧柱)所消耗的能量应该等于或小于原有通道,也就是在满足公式(14)。UN E (14) lN式中 U N缩颈液体金属上的电压降;lN 缩颈长度;E 弧柱的电场强度。如图 36 所示,跳弧前的导电通道为 BMK,而跳弧后为 CNK。显然,电弧通过 CNK 所消耗的能量小于 BMK。总之,影响跳弧的主要因素有:1)焊丝金属的蒸发能力及金属蒸气的电离势的大小;2)焊丝缩颈金属液柱的电阻率;3)电弧的电场强度(主要与保护气体有关)。1.33 什么是射滴过渡?它有哪些特点?射滴过渡是指熔滴直径达到与焊丝直径相近时,电弧力使之强制脱离焊丝端头,并快速通过电弧
11、空间,向熔池过渡的形式。射滴过渡仅产生在从大滴过渡向射流过渡转变的过渡区间内,如图 37 所示。由于电流较大,电弧沿熔滴扩展,包围着熔滴的大部或全部表面,电弧呈钟罩形。电弧形态改变了,则作用在熔滴上的力也发生了变化。这时作用在熔滴上的力的特点是,通过熔滴的电流将产生促使熔滴过渡的轴向推力即电磁收缩力Fe 和由于钟罩形电弧形态将产生等离子流力 Fp。同时由于弧根面积较大,斑点压力的方向改变了,由大滴过渡时的阻力变为射滴过渡时的压缩力,该压缩力也将转化为促使熔滴过渡的轴向推力 Fs。这时阻碍熔滴过渡的力只有表面张力Fc,如图 38 所示。可见促使熔滴过渡的力远远大于表面张力和重力,所以射滴过渡时可
12、实现空间位置焊接。如果电流更大,则变为射流过渡形式。在连续电流条件下,稳定的射滴过渡电流区间较窄,见图 37 中 I2I 1,其大小与保护气体介质有关,如 Ar+(1%2%)O 2混合气体时,电流区间仅为 5A 左右,而 Ar+20%CO2混合气体时,电流区间为几十安。射滴过渡的主要特点为:1)熔滴温度比大滴过渡和射流过渡时低。2)因为熔滴温度低,所以焊丝的熔化系数较高。3)焊接烟尘小。4)焊接飞溅少。5)焊缝成形好。可以看出,射滴过渡是一种非常理想的熔滴过渡形式,应该加以利用。但是射滴过渡的电流区间过窄,电流大小又难以调节,所以连续电流的射滴过渡形式难以应用。不过,由此而引出了脉冲射滴过渡方
13、法(将在后面详述)。1.34 什么是射流过渡?它有哪些特点?射流过渡指的是熔滴呈细小颗粒,沿焊丝的铅笔尖状的端头以喷射状态快速通过电弧空间向熔池过渡的形式。射流过渡的主要特点如下:1)射流过渡的电弧形态如图 39a 所示。通过目视观察,可以看到电弧分为两部分,外层为暗区呈钟罩形,内层为烁亮区呈锥形。焊丝端头呈铅笔尖状。2)焊丝端头的受力情况如图 39b 所示。焊丝端头在电弧的包围之中,焊丝金属在电弧的直接加热之下,产生大量金属蒸气,于是对焊丝端头产生较大的斑点压力。同时,因电弧形态呈锥状,由于电弧压力引起了很大的等离子流。焊丝端头在该等离子流的作用下,呈现铅笔尖状。可见,射流过渡时熔滴主要受斑
14、点压力与等离子流力的作用。其他力(如排斥力、重力及表面张力等)皆很小可忽略。3)射流过渡时熔滴过渡情况如图 40 所示。当电流大于 265A 以后,熔滴尺寸突然变得很小,熔滴尺寸仅为焊丝直径的 30%60%。而熔滴过渡频率却高达200 个/s 以上。铅笔尖状的焊丝端头在等离子流与斑点压力作用下,形成细的液柱,其径长比 l/d35,则在其表面张力作用下可发生液柱失稳,于是形成与液柱直径相近的细滴。这些细滴沿焊丝轴线方向一个一个地向熔滴过渡。4)射流过渡的熔池形状呈指状熔深,如图 41 所示。这时熔池在强烈的等离子流作用下(其速度高达几百米/秒),同时熔滴脱离焊丝时的加速度也很大(高达几十吉到几百
15、吉米/秒)。由于等离子流和熔滴都是沿焊丝轴线方向冲向熔池,于是在熔池中心形成了犹如指状的熔深。5)射流过渡焊接时,焊接过程比较平稳,无短路现象,飞溅极少,电弧声平稳、安静。1.35 试述射流过渡形成的机理及其临界电流。随着电流的增加,由射滴过渡转变为射流过渡是突然发生的。射滴过渡是钟罩状电弧形态,而射流过渡是锥状电弧形态。由于电弧形态的变化,引起了熔滴过渡形式的改变。在 1.32 问中介绍了跳弧就是钟罩状电弧形态突然转变为锥状电弧形态的现象,同时伴随射流过渡的产生。所以射流过渡的形成可以用跳弧现象加以说明。如图 42 所示,图 ab 跳弧后,缩颈被迅速拉长,如图 42c 所示,并将大滴推出,使
16、焊丝端头形成铅笔尖状,电弧形态为锥状,从而转变为射流过渡形式如图 42d 所示。由滴状过渡向射流过渡转变的突变电流称为射流过渡临界电流(以下简称临界电流)。该电流也是产生跳弧现象的电流。所以关于临界电流的规律,都可以通过跳弧现象加以解释。下面分别讨论几种情况:1、焊丝直径的影响随着焊丝直径的增加,临界电流也增加,如表 9 所示。这是因为焊丝直径越大,则在焊丝端头将形成更大的熔滴,为实现跳弧不仅弧根面积要扩大,而且弧柱也要扩张,这就要求更大的能量,也就是需要提高临界电流。表 9 不同焊丝直径时的射流过渡临界电流焊丝直径/mm 0.8 1 1.2 1.6临界电流/A 190 220 230 265
17、2、焊丝成分的影响焊丝成分的影响主要反映在对缩颈电阻率及金属蒸发能力的影响两个方面。首先,比较钢与铝的射流过渡的可能性。由于铝的电阻率较低,难以跳弧,所以铝很难实现射流过渡。其次,钢焊丝成分不同时,则对金属蒸发能力的影响也不同,所以表面出对射流过渡临界电流有很大影响。从表 10 可见,在纯 Ar 保护下,三种焊丝的射流过渡临界电流接近。但是在(Ar+2%O 2)混合气体保护下,H08Mn 焊丝最易跳弧,因此临界电流值最低。这是因为 Mn 的蒸发倾向最强,同时由于氧化作用,而使之减少电弧中 Mn 蒸气的分压,所以进一步增强了 Mn 的蒸发。而 H08Mn2SiA 焊丝中虽然含 Mn 量更高,可是
18、由于还含有较多的 Si,Si 与 O 的亲和力更强,它的氧化阻碍 Mn 的蒸发,所以这种焊丝的临界电流较高。表 10 不同成分焊丝的射流过渡临界电流(=1.2mm) (单位:A)H08Mn2Si H08A H08MnAr 240 210 230Ar+2%O2 230 190 1703、焊丝伸出长度的影响试验发现焊丝伸出长度越长,焊丝的电阻热增加,对焊丝的预热作用加强,使得跳弧容易,所以临界电流越低,如图 43 所示4、保护气体成分的影响保护气体成分对跳弧现象的影响主要表现在对电弧弧柱电场强度的影响。以(Ar+O 2)和(Ar+CO 2)两种混合气体来说明其规律。从图 44 可见,上述两种混合气
19、体,对于 H08Mn2SiA 焊丝,随着氧化性的提高,临界电流均提高。但当 (O 2)在 10%以内时,却使临界电流降低。其原因是混合气体成分对临界电流的影响有相反的两种作用,一是随着 O2的增加,在高温时发生吸热反应,从而提高弧柱电场强度,则提高了临界电流;相反,随着 O2的增加,能促进元素蒸发,有利于降低弧柱电场强度,则跳弧容易,从而降低临界电流。在 (O 2)为 2%时为极点。当气体中 (O 2)10%时,后者起主要作用;当 (O 2)10%时,前者起主要作用。焊 丝 牌号保 护 气 体1.36 什么是亚射流过渡,它有哪些特点?亚射流过渡是指大电流 MIG 焊铝合金时,当电弧电压较低时,
20、电弧呈半潜状态,可出现熔滴尺寸大约等于焊丝直径的射滴过渡,同时伴随着瞬时短路,熔滴过渡频率达 100200 个/s,这种过渡称为亚射流过渡。亚射流过渡有如下特点:1)亚射流过渡的焊接参数特点可由焊丝的等熔化速度曲线来说明,如图 45 所示。在这张伏-安特性曲线吵,根据焊接参数不同,可分为 4 个熔滴过渡区间,它们是大滴过渡区、射滴过渡区、亚射流过渡区和短路过渡区。其中亚射流过渡区间在可见弧长从 2mm 到 8mm 的范围内,而电流区间较宽,从 100350A 均可随着焊接电流的增大,电弧电压范围向增大方向移动。2)焊接电弧形态及熔滴过渡特点。焊接铝合金时采用直流反接法,工作为阴极,由于 Al2
21、O3的逸出功较低,所以阴极斑点总是寻找氧化膜。由于熔池中的氧化膜消失后,电弧向熔池周围有氧化膜处转移,所以焊接电弧呈蝶状电弧形态,如图 46。熔滴尺寸等于或略大于焊丝直径。熔滴大部分在熔池的凹坑内,而熔滴的全部在电弧的包围之中。这是一种带有潜弧特点的射滴过渡。由于熔滴的端头距熔池底部很近,常常因为熔滴与熔池的波动而引起瞬时短路,于是发出轻轻的叭叭声。尽管如此,焊接过程中电弧仍比较稳定。3)焊丝的熔化特性。由图 45 可见,在等熔化速度曲线中,当弧长较大时(8mm),焊丝的熔化速度只与电流有关,而与电弧电压无关。当弧长 C 时,为 C 区,是一脉多滴,呈脉冲射流过渡特点。当 Inptp 更高时,
22、为 D 区,是旋转射流过渡。在 1.33 问中谈到射滴过渡是一种高效、稳定的熔滴过渡形式,但难以在连续电流下实现。这里利用熔化极脉冲焊法,很容易获得一脉一滴的过渡形式,也就是容易获得脉冲射滴过渡形式。脉冲射滴过渡时的熔滴过渡过程如图 48 所示。脉冲阶段随着脉冲时间的延长,在焊丝端头的熔滴金属积累逐渐增多,最后形成熔滴状,其大小接近焊丝直径。而电弧形态从束状变为钟罩形,甚至锥形。最后熔滴在脉冲电流波形的后沿(正弦波脉冲)或基值电流初期(方波或锯齿波脉冲)过渡。这时熔滴过渡的特点是熔滴尺寸接近焊丝直径,呈球滴状,基本无飞溅。熔滴温度较低,烟雾少和焊丝的熔化系数较高。熔滴脱落时,受到较大的惯性力,
23、所以熔滴过渡的轴向性强,能实现全位置焊。显然,几脉一滴是大滴过渡,不稳定,一般不采用。一脉多滴为射流过渡特点,除有少量飞溅外,焊缝用指状熔深,所以通常尽可能不采用。旋转射流过渡有较大飞溅,过程不稳定,通常不采用。总之,熔化极脉冲焊的熔滴过渡的最佳过渡形式应是一脉一滴。所以目前广泛用这种过渡形式。并且世界各国也都纷纷研制能实现一脉一滴的专用焊接设备。脉冲频率(即熔滴过渡频率)为 30300Hz 左右,焊接电流调节范围从几十安连续调节到几百安。从而解决了 MIG 焊射流过渡不能焊接薄板和不能进行全位置焊的缺点。为 MIG 焊的应用开辟了更为广泛的领域。1.39 试述 CO2焊时的熔滴过渡形式与焊接
24、参数的关系。CO2焊时,电弧是在 CO2气体保护下燃烧的,在电弧的高温作用下,CO 2气体将发生如下分解:CO 2 CO+O2-E (16 )这是吸热反应,CO 2 气体分解时对电弧产生强烈的冷却作用,则引起弧柱与弧根收缩,则电弧对熔滴产生排斥作用。这一作用就决定了 CO2 焊时熔滴过渡特点。焊接参数不同,对熔滴过渡也产生不同的影响,如图 49 所示。电流较小时,电弧电压大小对熔滴过渡的影响十分明显。当电压较高时,熔滴呈大滴过渡特点,十分不稳定,飞溅和成形不良,不宜应用。如果将电压减小,熔滴过渡变为短路过渡,焊接过程立即变得非常稳定,伴随着均匀的短路声,焊缝成形也得到改善,适于薄板焊接。随着电
25、流的增大,如 1.6mm 焊丝,电流在 300A 左右的情况下,当电压较高时,因电流较大,熔滴受到较大的排斥作用,呈大滴状排斥过渡。焊接过程不稳定,飞溅很大,难以应用。如果将电弧电压降低,变为短路过渡,这时将以瞬时短路过渡为主,飞溅仍很大,严重时可达到 20%以上,也不宜应用。但是采用特殊措施,焊接飞溅可以明显降低,达 4%8%。适合于应用在中等厚度的板材。电流更大时,如 1.6mm 焊丝,电流大于 430A 以上的情况下。当电压较高时,熔滴仍为大滴状排斥过渡。但是当降低电压时,电弧将下潜到熔池中,也就是焊丝端头的熔滴潜入到熔池凹坑中,由于电弧气氛中又充满了金属蒸气,从而改变了电弧形态和熔滴受
26、力特点,使熔滴过渡又呈现潜弧射滴过渡,甚至潜弧射流过渡的特点。焊接过渡稳定、飞溅较小,焊缝成形较均匀,适于焊接厚板。在全电流范围内,当电压很低时,将发生固体短路,引起焊丝成段爆断,飞溅很大,不能成形,而难以应用。1.40 什么是短路过渡,它有什么特点?短路过渡是指焊丝端部的熔滴与熔池短路接触,由于强烈过热和磁收缩的作用使熔滴爆断,直接向熔池过渡的形式。短路过渡过程示于图 50。电弧燃烧后,由电弧析出热量,熔化焊丝,并在焊丝端头积聚少量熔滴金属(图 50e)。由于焊丝迅速熔化而形成电弧空间,其长度决定于电弧电压。随后,熔滴体积逐渐增加,而弧长略微缩短(图 50f)。随着熔滴不断长大,电弧向熔化的
27、焊丝方向传入的热量减少,则焊丝熔化速度也降低(图 50g)。由于焊丝仍以一定速度送进,所以势必导致熔滴逐渐接近熔池,弧长缩短。同时熔滴与熔池都在不断地起伏运动着,这就增加了熔滴与熔池相接触的机会。每当接触时,就使电弧空间短路(图 50h、a),于是电弧熄灭,电弧电压急剧下降,接近于零,而短路电流开始增大,在焊丝与熔池间形成液体金属柱(图 50b)。这种状态的液柱不能自行破断。随着短路电流按指数曲线规律不断增大,它所引起的电磁收缩力强烈地压缩液柱,同时在表面张力作用下,使得液柱金属向熔池流动,而形成缩颈(图 50d),该缩颈称为“小桥”。这个小桥连接着焊丝与熔池,同时通过较大的短路电流,而使小桥
28、由于过热气化而迅速爆炸。这时电弧电压很快恢复到空载电压以上,电弧又重新引燃。随后不断重复上述过程。短路过渡的工艺特点如下:1)短路过渡过程中燃弧与短路始终交替更换着。短路结束时,总伴随着轻轻的爆破声和少量的金属飞溅。燃弧时弧长较短,而短路时在焊丝与熔池间总是由液态金属连接着。2)短路过渡过程十分稳定。其原因是焊丝直径小,相对电流密度高,因此电弧燃烧稳定。另一方面,电弧电压低,以短路形式过渡,短路频率较高,0.8mm 的细焊丝为 130Hz 左右,而 1.6mm 较粗的焊丝为 50Hz 左右。所以每短路一次过渡的金属量很少,有利于过渡过程稳定。3)由于使用的焊丝直径小,电流密度高,所以电弧的能量
29、集中,加热面积小,熔池也小,热影响区窄,所以工作变形小,特别适合于焊接薄板。4)适应于全位置焊。5)短路过渡时负载变化较大,所以对电源动特性有很高的要求,以便获得飞溅小和成形好的稳定焊接过程。1.41 试述 CO2 焊的飞溅问题。在 CO2 焊接过程中,熔化的金属颗粒和熔渣常常发生向周围飞散的现象。这种飞散的金属颗粒和熔渣通常称为飞溅。CO2 焊时的飞溅形式如图 51 所示。从中可以看到大致有三种,一为由短路引起的飞溅;二为由气体析出引起的飞溅;三为由自由过渡时引起的飞溅。在熔滴短路的后期形成金属小桥,由于电爆炸引起的飞溅,也称正常短路飞溅。这种飞溅在小电流时很细小,飞溅量也少,如图 51a。
30、在电流较大时,常常发生瞬时短路,即在短路前期形成液体金属小桥,往往引起较大的电爆炸飞溅,如图 51b。在大电流时,回路电感较小,一旦短路易造成熔滴与熔池的强烈的飞溅,如图 51c。在大电流、粗焊丝和低电压条件下,往往为潜弧焊,一旦发生短路,往往将熔池中的钢液冲出而形成飞溅,如图 51d。由于引弧或送丝过快将造成焊丝与熔池固体短路,这时焊丝可能发生成段爆断,引起飞溅,如图 51e。焊接时由冶金因素引起,在熔池和熔滴中充满 CO2(或 CO)气体,由于内压力过大而引起气体逸出或爆破,常常伴随着飞溅,如图 51f、g和 l。在自由过渡中,由于 CO2 电弧的收缩作用,电弧集中作用在熔滴的底部而引起熔
31、滴偏离焊丝轴线,使得熔滴脱落时以旋转形式飞离或在熔滴与焊丝间的细颈通以较大电流而爆炸,从而出现图 51h、k 中的飞溅形式。1.42 试说明 CO2 焊飞溅产生的原因与减小措施。飞溅是 CO2 焊接时的主要工艺问题之一。根据 1.41 问可以看出,产生飞溅主要有两个途径,一为短路小桥电爆炸而引起的飞溅;另一为冶金因素而引起的飞溅。前苏联学者宾丘克试验发现,在短路小桥中通过大电流时,短路小桥将发生过热爆炸,而产生飞溅。其能量是在焊炸前的 100150s 时间内积聚起来的。这种电爆炸飞溅,在正常短路时(短路时间2ms),短路小桥发生在焊丝与熔滴之间(如图 51a 所示),小桥破坏时大量液体被推向熔
32、池,只有少量的细小的熔滴成为飞溅。通常短路电流峰值小时飞溅较小;相反,该值大时飞溅较大。而瞬时短路时(短路时间2ms),短路小桥发生在熔滴与熔池之间(如图 51b 所示),小桥过热爆炸时,该爆炸力将熔滴金属抛向四方,常常产生较大颗粒的飞溅,这种飞溅易粘附在工件表面上,而难以清除,甚至破坏工件表面的光洁度。显然,这种电爆炸飞溅的减少途径,首先应避免瞬时短路,即在短路前期,减小电流(如抑制短路电流的上升速度)。其次减小正常短路的峰值电流。常常是降低短路电流上升速度,还有在短路后期迅速降低短路电流,而依靠金属表面张力拉断小桥,这时将实现无飞溅过渡。另一种由气体逸出甚至爆破而引起的飞溅往往与焊接冶金过
33、程的特点有关。减少措施为采用脱氧焊丝,应含有足够的硅、锰元素,要求高时还可使用含有铝和钛的焊丝。它们可抑制 CO 气体的生成。另外,应注意焊丝与工作表面的清理、注意除锈和除油污。1.43 为什么用 Ar 或富 Ar 气体作为保护气体时,能够产生喷射过渡,而用 CO2气体保护焊时,常常出现排斥过渡?从前几问已知熔滴过渡与电弧形态有关,当电弧形态改变时,熔滴过渡形式也将发生相应的变化。基于这些理论,就可以认识本问所提出的问题。用 Ar 或富 Ar 气体作保护气体时,这时电弧电场强度较低,有利于电弧扩张,以产生跳弧现象,使得电弧成为锥状、焊丝端头成为铅笔尖状,而形成射流过渡特点。在 Ar+CO2混合
34、气体保护中,当 CO2含量较少时,尽管电场强度增加,跳弧电流也增大,但仍可保持射流过渡状态。由 CO2或 CO2含量较高的混合气体保护时,由于 CO2的分解,电弧被冷却,使得电弧电场强度 E 提高,则电弧难以扩张,也就是电弧被压缩,电弧集中地作用在熔池的底部的局部表面上,对熔滴产生排斥作用。这里以不同比例的 Ar+CO2混合气体作为保护气体时,对射流过渡临界电流的影响关系示于图 52。可见,Ar+030%CO 2的混合气体,均能出现射流过渡,只不过随 CO2含量的增加,射流过渡临界电流增大。但是,当 CO2含量超过 30%以上时,一般不能产生射流过渡,而为排斥型射滴过渡。1.44 熔化极气体保
35、护焊时,如何选择保护气体?气体保护焊时,保护气体的主要作用是保护熔滴和熔池不受大气的污染。同时还要考虑到其他一些因素:1)焊接电弧及熔滴过渡特性。2)焊缝熔深、熔宽和余高。3)焊接速度。4)焊接成本。氩(Ar)、氦(He)和 Ar+He 混合气体都是惰性气体,主要用于非铁金属。保护气中加入氦气可使焊缝表面光滑,焊缝根部宽。焊铝时最好选用 75%He+25%Ar。而用于焊接铁金属,均不能获得满意的结果。焊接铁金属常常采用 Ar+He 混合气体与氧化性气体(O 2或 CO2)的多元气体。根据母材的性质、板厚、对质量的要求、电弧稳定性和冶金因素等进行选择,如表 11 和表 12 所示。表 11 喷射
36、过渡时保护气体的选择母 材 保护气体 优 点Ar 025mm 厚,电弧与熔滴过渡稳定,飞溅小35%Ar+65%He 2575mm 厚,比纯的 Ar 热输入高铝25%Ar+75%He 75mm 厚,热输入更高,气孔少镁 Ar 极好的清理作用Ar+(3%5%)O 2 电弧稳定,熔池流动性好,焊缝成形好,不咬边,可以比纯 Ar 保护时的焊速更高Ar+(15%20%)CO 2Ar+15%CO25%O 2 电弧稳定,焊缝成形好,可以提高焊速碳钢CO2 价格低廉,焊接速度高低合金钢 Ar+2%O2 消除咬边,焊缝韧性良好Ar+1%O2 改善电弧稳定,改善熔池的流动性,熔池易控制,咬边小不锈钢Ar+2%O2
37、 较好的电弧稳定性和熔池的流动性、不易咬边、可以比1%O2时的焊速更高Ar 良好的润湿性,增加熔池金属的流动性(对于厚度小于3mm 的不锈钢)铜、镍及其合金 Ar+He (50%70%)He 的混合气体的热输入较高,宜焊接厚工件钛 Ar 良好的电弧稳定性,焊接污染小,应用惰性气体保护焊缝背面,以防止空气污染表 12 短路过渡时保护气体的选择母 材 保护气体(体积分数) 优 点Ar+(20%25%)CO 2 3mm 工件,最小的飞溅,焊缝外观整洁,在立焊和仰焊时能很好的控制熔池碳钢CO2 较大的熔深,较高的焊速、有飞溅不锈钢 90%He+7.5%Ar+2.5%CO2 对腐蚀电阻无影响,热影响区小
38、,不咬边,变形小(60%70%)He+(25%35%)Ar+(4%5%)CO 2氧化性弱,良好的韧性,电弧稳定,润湿性好,焊缝成形好,飞溅少低合金钢75%Ar+(20%25%)CO 2 满意的韧性,良好的稳弧性、润湿性,焊缝成形好,飞溅少Ar 适于薄工件铝、铜、镁、镍及其合金 Ar+He 适于厚工件1.45 熔化极气体保护焊焊接钢时常用什么气体?它们有什么特点?如何选择?熔化极气体保护焊低碳钢和低合金钢常用的气体有:Ar+CO 2、Ar+O 2、Ar+CO2+O2、CO 2+O2和 CO2等几种。这些气体都有不同程度的氧化性,对焊接冶金有影响。还要考虑到它们对电弧、熔滴过渡、焊缝成形和焊接速度
39、等的影响。国际焊接学会关于熔化极气体保护焊保护气体分类的推荐表如表 13 所示。此表是依其氧化性进行分类。表 13 熔化极气体保护焊的保护气体分类表分 类 成分(体积分数,%)氧化性的 惰性的主分类 细分类保护气组元数CO2 O2 Ar He还原性的 H保护气体的类型熔敷金属中氧的质量分数焊丝中 w(O)=2%I1234112210025758595100余量余量惰性惰性惰性还原性0.020.020.020.02M112322325251313余量余量余量0.05焊钢不宜使用惰性气体(类),因为这时电弧不稳,有飞溅。如在其中加入氧化性气体,可成功地进行焊接,甚至使用纯 CO2。但是,由于氧化性
40、增强,也可能引起气孔,所以常常应采用脱氧焊丝。惰性气体中加入氧化性气体(O 2或 CO2),根据其含量的不同,有不同的氧化能力,可用氧化势系数来表征:氧化势系数=(O 2)+(CO 2) (17)根据表 1-13 的分类,相应的氧化势系数示于表 14。氧化性气体都可以用于焊接碳钢。但是,对于高强度合金钢,只能使用轻氧化性的混合气体。这种气体除了能保证较好的工艺性外,还能保证焊缝的冲击韧度。对于不锈钢也应选择轻氧化性气体,改善润湿性、良好的焊缝成形和较高的腐蚀电阻。而用 Ar+CO2混合气体能焊接不锈钢,它却能增加焊缝金属的含碳量和减少腐蚀电阻。特别是在多层焊时,应采用 90%He+7.5%Ar
41、+2.5%CO2。该混合气体中含有少量的CO2,对腐蚀电阻影响不大。表 14 保护气体的氧化势系数分 类 氧化势系数范围I 59M3 916C 16焊接碳钢时可以应用表 13 中所示的各种氧化性气体。在 Ar 或 Ar+He 混合气体中加入 O2或 CO2,有利于改善电弧稳定性和熔滴过渡。为此目的在惰性气体中仅加入 0.5%就足够了。然而,一般都加入 (O 2)=1%5%的 O2和 (CO2)=10%的 CO2。加入量的多少取决于接头的几何形状、焊接位置、基本金属成分和焊接技术等。纯 Ar 电弧不稳定,向 Ar 中加入少量氧化性气体时,电弧稳定,能实现射流过渡。但 (CO 2)不得超过 30%
42、,常常以 Ar+(15%20%)CO 2为最好,这时电弧最稳定,电弧电流和电压稳定,焊接飞溅较小,改善润湿性和焊缝表面光洁,成形好。通常射流过渡临界电流随 CO2含量的增加而增大,同时焊缝的指状熔深特点也随 CO2含量增加而减弱。对于短路过渡所用的保护气体与射流过渡不同,一般 (CO 2)=20%50%,甚至 (CO 2)=100%。这时仍以 Ar+O2混合气体中,一般 (O 2)不超过 8%,大都为 (O 2) 1m/min 时,经常产生咬边甚至驼峰焊道,这些缺陷是不允许。所谓咬边就是沿着焊缝的焊趾部位产生的沟槽或凹陷。所谓驼峰就是沿着焊缝长度方向上周期性地和均匀地形成金属瘤。实现高速焊就是
43、要克服咬边和驼峰缺陷。研究表明,克服咬边的条件是减小熔宽和增大金属熔敷量。所以相应地降低电弧电压和提高焊接电流。而防止驼峰焊道的条件是使熔池长度 l 与熔池宽度 B 之比尽量小,一般 L/B 5.7,所以应降低焊接电流和焊接速度。从此,可以看到焊接电流大小是一个矛盾因素。一方面为降低咬边倾向,从大电流而增加金属熔敷量。另一方面,为克服驼峰焊道,应采用短路过渡法。这时通过调整短路期与燃弧期的能量分配,可以改变焊丝的熔敷率和熔池的尺寸。熔池尺寸主要由燃弧期决定,而短路期贡献不大。焊丝熔敷率不仅与燃弧期有关,而且还与短路期焊丝伸出长度的电阻热有关。这样一来,大焊接电流可以增大金属熔敷量,而该电流中的
44、燃弧电流却较小,只能产生较小的熔池。前者有利于克服咬边,而后者却有利于防止驼峰。另外,短路过渡时电弧电压较低,则熔宽较小,有利于减小咬边倾向。又由于短路时熔池冷却,而防止熔池过长和失稳,有利于防止驼峰。总之,大电流下的短路过渡有利于短路过渡 CO2焊薄板的高速焊。1.49 气体保护焊的脉冲频率是根据什么原则确定的,其频率范围如何?脉冲氩弧焊是利用基值电流保持主电弧的电离通道,并周期性地加一同极性高峰值脉冲电流产生脉冲电弧,以熔化金属并控制熔滴过渡的氩弧焊。可以看到,脉冲氩弧焊可以是钨极脉冲氩弧焊,还可以是熔化极脉冲氩弧焊。按照使用频率的范围可以分为三类,即低频、中频和高频。通常焊接中薄板,大都
45、使用低频电流脉冲钨极氩弧焊,脉冲频率为 0.510Hz 左右,应保证一个脉冲形成一个熔池。在前一个熔池未完全凝固时,后一个脉冲又开始了,当形成规定尺寸的熔池或熔透焊道时,结束脉冲并转入基值电流。这样周而复始的将一个一个熔池连接起来,形成一条连续的焊缝。该法易调节热输入,所以焊接变形小,容易控制熔池,可以实现单面焊双面成形和全位置焊,焊接高强度钢和热强化铝合金时可以得到较高的接头性能。熔化极脉冲氩弧焊的脉冲频率为 30300Hz 左右的中频脉冲。它是以控制熔滴过渡为目标的,实现一个脉冲过渡一个熔滴。其主要特点是焊接飞溅极少,几乎无飞溅。熔滴的温度低,则焊丝的熔化系数高和焊接烟雾少。由于熔滴过渡受
46、到较大的电磁力作用,所以可以实现全位置焊。因为脉冲频率正比于焊接电流,所以通过调节脉冲频率,就可以调节焊接电流。它不受临界电流的限制,焊接电流可以从几十安连续调节到 500A 左右,因此该法不但可以焊接厚工件,而且还可以焊接薄工件。为焊接超薄件(如 0.10.3mm 的不锈钢或镍基合金),可以采用高频钨极脉冲氩弧焊。这时脉冲频率为 10k100kHz。脉冲频率提高,将影响电弧压力,如图 53 所示。随着脉冲频率的提高,电弧压力增加。当达到 10kHz 以上时,电弧压力趋于平衡。所以高频钨极氩弧焊的频率范围确定在 10kHz 以上。脉冲频率提高,由于电磁收缩力作用,电弧收缩而增大电弧压力,从而提高电弧挺度。通常焊接超薄件,只能使用小电流,这样一来焊接电弧的挺度差和斑点的粘着作用,常常形成间断焊道。而使用高频脉冲电流时,由于电弧挺度大,容易满足小电流薄件及高速焊的要求。