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MIG焊熔滴过渡与电弧形态的观察与分析
李科;齐志龙;吴志生;刘翠荣
【期刊名称】《焊接》
【年(卷),期】2016(0)1
【摘要】利用高速摄影系统摄取MIG焊中熔滴与电弧的清晰图像,提出了测量熔滴尺寸、过渡频率、弧长和弧锥角的方法,并对测量结果进行分析.结果表明,随着焊接电流的变化,出现了四种熔滴过渡方式和三种典型的电弧形态.随着焊接电流的增大,熔滴尺寸减小,过渡频率、弧长和弧锥角均增大.究其原因,电流和电压的增大提高了电弧能量,加快了焊丝末端的熔化速度;同时,增大的电流增强了电弧力,促进了熔滴的脱离.
【总页数】4页(P19-22)
【作者】李科;齐志龙;吴志生;刘翠荣
【作者单位】太原科技大学材料科学与工程学院,030024;太原科技大学材料科学与工程学院,030024;太原科技大学材料科学与工程学院,030024;太原科技大学材料科学与工程学院,030024
【正文语种】中文
【中图分类】TG403
【相关文献】
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4.窄间隙约
束下熔化极气体保护焊的电弧形态和熔滴过渡分析5.双旁路耦合电弧铝合金MIG 焊熔滴过渡形态研究
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电弧焊的熔滴过渡§6—5电弧焊的熔滴过渡熔滴是电弧焊时，在焊条（或焊丝）端部形成的和向熔池过渡的液态金属滴。
熔滴通过电弧空间向熔池转移的过程称为熔滴过渡。
熔滴过渡对焊接过程的稳定性，焊缝形成，飞溅及焊接接头的质量有很大的影响，因此了解这个问题对于掌握熔化极焊接工艺是很重要的。
金属熔滴向熔池过程的形式，大致可分为三种即：滴状过渡、短路过渡、喷射过渡为什么熔滴过渡会有上述这些不同的形式呢？这是由于作用于液体金属熔滴上的外力不同的缘故。
在焊接时，采取一定的工艺措施。
就可以改变熔滴上的作用力，也就使熔滴按人们所需要的过渡形式自焊条向熔池过渡。
一熔滴过度的作用力1熔滴的重力任何物体都会因为本身的重力而具有下垂的倾向。
平焊时，金属熔滴的重力起促进熔滴过渡作用。
但是在立焊及仰焊时，熔滴的重力阻碍了熔滴向熔池过渡，成为阻碍力。
2表面张力液体金属象其它液体一样具有表面张力，即液体在没有外力作用时，其表面积会尽量减小，缩成圆形，对液体金属来说，表面张力使熔化金属成为球形。
焊条金属熔化后，其液体金属并不会马上掉下来，而是在表面张力的作用下形成球滴状悬挂在焊条末端。
随着焊条不断熔化，熔滴体积不断增大，直到作用在熔滴上的作用力超过熔滴与焊芯界面间的张力时，熔滴才脱离焊芯过渡到熔池中去。
因此表面张力对平焊时的熔滴过渡并不利。
但表面张力在仰焊等其它位置的焊接时，却有利于熔滴过渡，其一是熔池金属在表面张力作用下，倒悬在焊缝上而不易滴落；其二当焊条末端熔滴与熔池金属接触时，会由于熔池表面张力的作用，而将熔滴拉入熔池。
表面张力越大焊芯末端的熔滴越大。
表面张力的大小与多种因素有关，如焊条直径越大焊条末端熔滴的表面张力也越大；液体金属温度越高，其表面张力越小，在保护气体中加入氧化性气体（Ar—O2 Ar—CO2）可以显著降低液金属的表面张力，有利于形成细颗粒熔滴向熔池过渡。
3电磁力向相同，则这两根导体彼此相吸，使这两根导体相吸的力叫做电磁力，方向是从外向内，图1所示。
电弧焊接中的熔滴运动与形成规律研究电弧焊接是一种常见的金属焊接方法，通过电弧的热量将金属材料熔化并连接在一起。
在焊接过程中，熔滴的运动和形成规律对焊接质量起着重要的影响。
本文将探讨电弧焊接中熔滴的运动和形成规律的研究。
电弧焊接过程中，焊丝被电弧加热并熔化，形成熔滴。
熔滴在电弧的作用下，由焊丝上脱离并向焊缝方向运动。
熔滴的运动和形成规律直接决定了焊缝的形状和质量。
首先，熔滴的运动主要受到电弧力和重力的影响。
电弧力是由电弧的热气流产生的，它会将熔滴推向焊缝。
而重力则会使熔滴下落。
因此，在水平焊接时，熔滴会沿着焊缝方向运动；而在垂直焊接时，熔滴会向下落。
其次，熔滴的形成规律与焊接电流和电弧长度有关。
焊接电流的大小会影响焊丝的熔化速度和熔滴的形成。
当焊接电流较大时，焊丝熔化速度加快，熔滴形成较大；而当焊接电流较小时，焊丝熔化速度减慢，熔滴形成较小。
此外，电弧长度的变化也会影响熔滴的形成规律。
电弧长度较长时，焊丝熔化速度较慢，熔滴形成较小；而电弧长度较短时，焊丝熔化速度较快，熔滴形成较大。
另外，熔滴的形成还与焊接速度和焊丝直径有关。
焊接速度的变化会影响焊丝的熔化速度和熔滴的形成。
当焊接速度较快时，焊丝熔化速度加快，熔滴形成较大；而当焊接速度较慢时，焊丝熔化速度减慢，熔滴形成较小。
焊丝直径的变化也会影响熔滴的形成规律。
焊丝直径较大时，焊丝熔化速度较快，熔滴形成较大；而焊丝直径较小时，焊丝熔化速度较慢，熔滴形成较小。
此外，熔滴的形成还受到焊接工艺参数的影响。
焊接工艺参数包括焊接电流、电压、焊接速度等。
这些参数的变化会直接影响焊丝的熔化速度和熔滴的形成。
因此，在电弧焊接过程中，合理调节焊接工艺参数对于控制熔滴的形成规律至关重要。
综上所述，电弧焊接中熔滴的运动和形成规律是一个复杂的过程，受到多种因素的综合影响。
电弧力、重力、焊接电流、电弧长度、焊接速度和焊丝直径等因素都会对熔滴的形成和运动产生影响。
研究熔滴的运动和形成规律，可以帮助优化焊接工艺参数，提高焊接质量和效率。
实验8熔化极气体保护电弧焊熔滴过渡都 东 王 力 张 骅1.实验目的通过实验对熔化极气体保护电弧焊接过程熔滴过渡现象有更直观的认识,对几种典型熔滴过渡的形成条件及其对焊缝成形和焊接飞溅的影响有更深入的了解㊂2.概述熔化极气体保护电弧焊接方法中,惰性气体保护焊(M I G 焊)和二氧化碳气体保护焊(C O 2焊)占有重要地位㊂在熔化极电弧焊接过程中,焊丝端部金属受热熔化形成熔滴,并在多种力联合作用下向熔池过渡㊂熔滴过渡(M e t a l T r a n s f e r )对焊接过程稳定性㊁焊缝成形㊁焊接飞溅等有显著影响㊂在不同的弧焊工艺条件下,熔滴过渡呈现不同的形式:自由过渡 熔滴经电弧空间飞行至熔池,焊丝端部熔滴与熔池不发生直接接触;接触过渡焊丝端部熔滴与熔池表面发生接触进而过渡;渣壁过渡 熔滴沿熔渣壳空腔内壁流下而过渡到熔池㊂(1)熔化极氩弧焊接过程熔滴过渡熔化极氩弧焊接过程熔滴过渡的典型方式有滴状过渡和喷射过渡,二者皆属于图8-1 滴状过渡和喷射过渡自由过渡类型㊂当电弧弧长较大且焊接电流较小时,呈现大滴状过渡,如图8-1(a )所示㊂随着焊接电流的增加,熔滴变小,如图8-1(b)所示㊂当电流增加到临界电流值,焊丝端部电弧阳极斑点从熔滴底部瞬时扩展到缩颈根部,滴状过渡转变为喷射过渡,其时电弧呈钟罩形,焊丝端部为铅笔尖状,细小的熔滴从焊丝尖端以很高的速度向熔池过渡,如图8-1(c )所示㊂喷射过渡时电弧材料加工系列实验(第2版)形态轮廓清晰,燃弧稳定,熔深较大,几乎无飞溅,是一种理想的熔滴过渡形式㊂对于不同材料和不同直径的焊丝,其实现喷射过渡的最小电流临界电流值也不同㊂图8-2所示为滴状过渡向喷射过渡转变的实例,其工艺条件:99%A r +1%O 2保护气体,直径1.6m m 低碳钢焊丝,弧长6m m ,直流反接,喷射过渡临界电流值约为260A ㊂图8-2 熔滴体积㊁过渡频率与焊接电流的关系在熔化极氩弧焊接过程中也可实现低电压㊁小电流的熔滴短路过渡,以满足全位置焊接的需要㊂与C O 2焊短路过渡相比,其电弧稳定,飞溅较小,焊缝成形良好㊂(2)熔化极C O 2焊接过程熔滴过渡在细丝小电流低电压C O 2焊接过程中,短路过渡是典型的熔滴过渡方式,属于接触过渡类型㊂短路过渡C O 2焊接的规范参数见表8-1和图8-3㊂在焊接过程中,不断重复燃弧㊁短路㊁液桥收缩和熔滴过渡㊁电弧复燃几个阶段,如图8-4所示㊂表8-1 低碳钢C O 2焊短路过渡规范参数序号焊丝直径/m m 电弧电压/V 焊接电流/A 10.818100~11021.219120~13531.620140~180图8-3 短路过渡C O 2焊适用的焊接电流和电压范围06实验8 熔化极气体保护电弧焊熔滴过渡图8-4 短路过渡过程与焊接电流电压波形t 1 燃弧时间;t 2 短路时间;t 3 拉断熔滴后电压恢复时间;T 短路过渡周期;I m a x 短路峰值电流;I a 焊接电流平均值;U a 焊接电压平均值当电弧电压较高时,焊丝端部熔化后不能接触到熔池形成短路,熔滴长大,电弧力的作用使熔滴产生大滴排斥过渡㊂3.实验系统(1)熔化极气体保护电弧焊设备熔化极气体保护电弧焊接实验系统由弧焊电源㊁送丝机构㊁供气装置㊁焊枪㊁放置被焊工件的移动工作台等几部分组成,如图8-5所示㊂选用全数字熔化极气体保护电弧焊机(可焊材料:碳钢㊁不锈钢;适用焊丝直径:1.2/1.4/1.6m m ;弧焊电源输出特性:恒压;输出电压范围:17~41V ;额定输出电流:500A )㊂图8-5 熔化极气体保护电弧焊基本装置示意图(2)弧焊过程熔滴过渡观测系统光学观测系统结构如图8-6和图8-7所示㊂实验者可从成像屏直接实时观察熔16材料加工系列实验(第2版)滴过渡现象,也可从计算机屏幕离线逐帧观察高速摄录的图像㊂图8-6 熔化极电弧焊接过程熔滴过渡观测系统光路原理示意图1 半导体激光器(波长650n m );2 变倍扩束镜;3 焊枪和焊丝;4 移动平台和被焊工件;5 平凸透镜;6 光阑;7 干涉滤光片;8 成像屏;9 高速摄像机(256ˑ256像素,955f p s )图8-7 熔化极电弧焊接过程熔滴过渡观测系统实验装置外观图对焊接过程电流和电压波形的观察和记录可借助数字存储示波器(600MH z)㊂4.实验内容(1)了解熔化极气体保护电弧焊接设备的构成以及熔滴过渡观测系统工作原理㊂(2)观察和摄录熔化极惰性气体保护电弧焊和二氧化碳气体保护电弧焊过程熔滴过渡情况㊂(3)实际比较不同形式熔滴过渡的形成条件以及熔滴过渡对焊缝成形和焊接飞溅的影响㊂5.实验步骤(1)根据本实验思考题,查阅相关参考文献,预习实验内容,制订实验计划㊂(2)认真阅读本实验安全操作注意事项并切实执行㊂(3)熟悉实验设备和观测系统,了解技术原理和操作规程㊂26实验8 熔化极气体保护电弧焊熔滴过渡(4)按照制订的计划进行熔化极氩弧焊接实验,通过焊接系统调整规范参数并记录表观显示值,通过光学系统实际观察和高速摄录滴状过渡和喷射过渡的动态过程以及跳变现象,通过数字示波器观察和存储焊接电流和电弧电压波形㊂(5)按照制订的计划进行熔化极C O 2弧焊实验,通过焊接系统调整规范参数并记录表观显示值,通过光学系统实际观察和高速摄录熔滴短路过渡的动态过程,通过数字示波器观察和存储焊接电流和焊接电压波形㊂(6)在实验中注意观察比较不同焊接过程产生的飞溅状况,焊后注意了解认识熔滴过渡对焊缝成形的影响规律㊂6.安全操作注意事项(1)实验前应预先了解实验仪器设备结构和安全操作要领㊂(2)实验中必须谨慎操作,注意避免触电等事故的发生㊂(3)燃弧焊接时必须佩戴焊接面罩并穿好工作服装,以免弧光刺伤眼睛和灼伤皮肤㊂(4)实验中不要用眼睛直视激光束,以免造成暂时性或永久性损伤㊂(5)实验中不要用手触摸或持物触及光学观测系统,以免造成光路失准或光学元件的污染和损坏㊂7.实验报告要求(1)总结熔化极氩弧焊接实验数据,并分析指出焊接规范参数对熔滴由滴状过渡方式向喷射过渡方式跳变的影响㊂(2)总结熔化极C O 2弧焊实验数据,并分析指出焊接规范参数对熔滴短路过渡频率及焊接过程稳定性的影响㊂(3)观察比较不同熔滴过渡方式对焊缝成形和焊接飞溅的影响㊂(4)对实验中熔滴过渡观测系统的光路设计原理进行分析,并指出主要光学元件参数的选择依据㊂(5)实验改进建议和实验体会感受㊂8.思考题(1)熔化极氩弧焊接工艺方法的特点和适用范围㊂(2)熔化极C O 2焊接工艺方法的特点和适用范围㊂(3)几种典型熔滴过渡形成机理和工艺条件㊂(4)熔化极电弧焊弧长自动控制和焊接规范参数调节原理㊂参考文献[1] 都东.材料加工工艺,第4章:金属连接成形.北京:清华大学出版社,2004[2] 安藤弘平.焊接电弧现象.北京:机械工业出版社,198536材料加工系列实验(第2版)[3] 中国焊接学会.焊接手册,第3版第1卷.北京:机械工业出版社,2008[4] 唐山松下产业机器有限公司.Y D -350/500G R 使用说明书.2006[5] T e k t r o n i x 公司.T H S 730示波器用户手册,070-9748-01[6] 马献德.D A L S A -C A -D 6-E P I X 高速摄像系统操作手册.2008[7] 张骅.熔化极气体保护电弧焊熔滴过渡高速摄像图集.200846。
[收藏]•自由过渡滴状过渡：这其中又可以分为大滴状过渡和细颗粒过渡两种形式。
大滴状过渡当电弧电流较小和电弧电压较高时，弧长较长，熔滴不易与熔池接触，也就是说这时很难发生短路过渡。
由于电流较小，弧根面积较小，焊丝和熔滴之间的电磁推力以及熔滴和弧根之间的电磁推力很难使熔滴形成缩颈，而斑点压力对熔滴过渡起阻碍作用，因此这时只有依靠重力来抵消表面张力使得熔滴过渡到熔池。
以上为大滴状过渡的描述，具体到各种焊接方法：（1）熔化极气体保护焊DCSP时，无论是用的氩气还是二氧化碳气体，由于阴极斑点压力较大，都会出现大滴状过渡。
（2）二氧化碳气体保护焊时（电流较小时），由于二氧化碳气体高温解离吸热以及很高的导热系数，对电弧有很强的冷却作用。
因而电弧收缩，弧根面积难于扩展，斑点压力较大而有碍熔滴过渡最终形成大滴状过渡。
（DCRP）（3）高电压小电流的MIG和MAG中也是会出现这种过渡形式。
细颗粒过渡这种过渡形式主要出现在二氧化碳气体保护焊中。
随着焊接电流的增加，斑点面积增加，电磁推力增加，斑点压力逐渐有利于熔滴过渡。
这时熔滴过渡的频率增加，熔滴直径相对较小。
这种过渡形式就是细颗粒过渡。
（这时的熔滴直径仍然大于焊丝直径）这种过渡形式在二氧化碳气体保护焊中应用非常广泛，主要针对于中厚板。
注：二氧化碳气体保护焊中存在大滴状过渡，短路过渡以及细颗粒过渡。
但是大滴状过渡很少用。
喷射过渡这种过渡形式又可以分为射滴过渡、射流过渡以及亚射流过渡。
喷射过渡主要出现在氩气或者是富氩气体保护焊中。
射滴过渡这种过渡形式主要出现在钢和铝的MIG焊中。
由于电流较大，弧根面积可以笼罩整个熔滴，熔滴直径接近于焊丝直径。
这时电磁推力和斑点压力都有利于熔滴过渡，阻碍熔滴过渡的只有表面张力。
值得说明的是，这种过渡形式的电流区间是比较窄的，在焊接过程中并没有可以采用这种形式。
射流过渡射流过渡主要出现在钢的大电流的MIG焊中。
其实钢的氩气保护焊或者富氩保护焊中出现的过渡形式有：大滴状过渡、射滴过渡（甚至有学者认为钢的M IG焊中不存在这种形式）、射流过渡。
射流过渡、熔滴过渡、脉冲过渡和短路过渡。
射流过渡、熔滴过渡、脉冲过渡和短路过渡是电弧焊接过程中常见的四种过渡状态。
这些过渡状态对焊接质量和焊接速度都有着重要的影响。
在本文中，我们将详细介绍这四种过渡状态的特点、影响和应对措施。
一、射流过渡射流过渡是电弧焊接过程中最常见的过渡状态之一。
在这种状态下，电弧的能量主要用于将金属表面加热并蒸发，形成一个高温、高速的气流。
这个气流可以将金属表面的氧化物和杂质吹走，从而清洁焊接区域，提高焊缝的质量。
射流过渡的特点是电弧稳定，焊接速度较快，但焊接质量较差。
这是因为在射流过渡状态下，电弧的能量主要用于加热和蒸发金属表面，而不是用于熔化金属。
因此，焊接区域的温度较低，焊缝的质量也较差。
应对措施：为了提高焊接质量，可以采取以下措施：1.增加电流密度，提高焊接区域的温度，促进金属的熔化。
2.增加焊接速度，减少射流过渡状态的时间，降低气流对焊缝的影响。
3.使用气体保护，减少氧化物和杂质的生成，提高焊缝的质量。
二、熔滴过渡熔滴过渡是电弧焊接过程中另一种常见的过渡状态。
在这种状态下，电弧的能量主要用于熔化金属，形成熔滴。
这些熔滴会从电极上脱落，落在焊缝上，形成焊缝。
熔滴过渡的特点是电弧不稳定，焊接速度较慢，但焊接质量较好。
这是因为在熔滴过渡状态下，电弧的能量主要用于熔化金属，形成熔滴。
这些熔滴可以充分熔化金属，形成均匀的焊缝。
应对措施：为了提高焊接速度，可以采取以下措施：1.减小电流密度，降低焊接区域的温度，减少熔滴的形成。
2.增加焊接速度，减少熔滴过渡状态的时间，提高焊接效率。
3.使用适当的电极直径和电极形状，使电弧稳定，减少熔滴的飞溅。
三、脉冲过渡脉冲过渡是一种特殊的焊接过渡状态。
在这种状态下，电弧的能量以脉冲形式释放，每个脉冲的时间很短，但能量很大。
这种方式可以使焊接区域的温度快速升高，熔化金属，形成焊缝。
脉冲过渡的特点是焊接速度快，焊接质量好，但需要特殊的焊接设备和技术。
对不同熔滴过度形式比较，包括形成条件，熔滴过度过程的不同特点，应用等内容。
一、熔滴过渡的分类：①自由过渡（Free Flight），是指熔滴脱离焊丝末端前不与熔池接触，脱离焊丝后经电弧空间自由飞行进入熔池的一种过渡形式。
包括：颗粒过渡（包括大颗粒过渡、排斥过渡和细滴过渡）、喷射过渡（包括射滴过渡、亚射流过渡、射流过渡和旋转射流过渡）和爆炸过渡。
②接触过渡（Bridging Transfer），是通过焊丝末端的熔滴与熔池表面接触成桥而过渡的。
包括：短路过渡和搭桥过渡。
③渣壁过渡（Slag Guiding Transfer），包括：沿渣壳过渡和沿药皮筒过渡。
二、形成条件、特点和应用①大颗粒过渡：高弧压、小电流，重力克服表面张力作用，电弧稳定性和焊接质量比较差，可用于高电压、小电流MIG焊。
②排斥过渡：弧根小，电流较大，斑点压力大，高电压较大电流CO2气体保护焊，直流正接时，斑点压力很大，CO2、MIG都有明显的大颗粒排斥过渡③细滴过度：高弧压，更大电流，电流比较大，电磁收缩力增大，表面张力作用减小，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；CO2细丝较大电流。
④射滴过度：熔滴直径达到与焊丝直径相近时，电弧力使之脱离焊丝端头，并快速通过电弧空间，向熔池过渡的形式。
形成条件：钢焊丝脉冲MIG焊、铝焊丝MIG焊，电流必须达到一定的临界值，过渡形式才会从滴状过渡变为射滴过渡。
射滴过渡特点：斑点力和重力促进熔滴过渡；表面张力阻碍熔滴过渡；飞溅小，成型好；电流有临界值，且电流区间窄；电弧成钟罩型。
⑤射流过度：熔滴呈细小颗粒，沿焊丝的铅笔尖状的端部以喷射状态快速通过电弧空间向熔池过渡的形式。
获得射流过渡的条件是采用纯氩或富氩保护气氛，直流反极性接法，除了保持高弧压（长弧）外，还必须使焊接电流大于某临界值。
电弧从熔滴的根部扩张到颈缩的根部射流过渡特点：跳弧；铅笔尖状；锥形电弧；等离子流力；指状熔深；电弧平稳,飞溅小；电流有临界值。
