第一章焊接电弧基本知识课件.ppt

1、第一第一 章章 焊接电弧的基本知识焊接电弧的基本知识 教学目标教学目标: : 理解与掌握电弧焊有关的基理解与掌握电弧焊有关的基础理论，包括础理论，包括焊接电弧、焊丝熔化与焊接电弧、焊丝熔化与过渡及焊接接头的组织和力学性能。过渡及焊接接头的组织和力学性能。 概述概述一、焊接的特征一、焊接的特征 1.1.焊接已成为最流行的连接技术焊接已成为最流行的连接技术在当今工业社会，没有哪一种连接技术像焊接那样广泛、普遍地在当今工业社会，没有哪一种连接技术像焊接那样广泛、普遍地应用在各个领域。应用在各个领域。 2 .2 .焊接已成为关键的制造技术焊接已成为关键的制造技术焊接作为组装工艺之一，通常被安排在制造流

2、程的后期或最终焊接作为组装工艺之一，通常被安排在制造流程的后期或最终阶段，因此对产品具有决定性的作用。在许多行业中，焊接被阶段，因此对产品具有决定性的作用。在许多行业中，焊接被视为一种关键的制造技术。视为一种关键的制造技术。3.3.焊接已成为现代工业不可分离的组成部分焊接已成为现代工业不可分离的组成部分在工业化最发达的美国，焊接被视为在工业化最发达的美国，焊接被视为“美国制造业的命脉，美国制造业的命脉，而且是美国未来竞争力的关键所在而且是美国未来竞争力的关键所在”。其主要根源就是基于这。其主要根源就是基于这样一个事实：许多工业产品的制造已无法离开火箭技术的使用。样一个事实：许多工业产品的制造已

3、无法离开火箭技术的使用。第一节第一节 焊接电弧的产生和组成焊接电弧的产生和组成 电弧是所有电弧焊方法的电弧是所有电弧焊方法的能源能源，能有效而简便地把弧，能有效而简便地把弧焊电源的焊电源的电能电能转换成焊接过程所需要的转换成焊接过程所需要的热能和机械能热能和机械能。 一、焊接电弧的产生一、焊接电弧的产生 焊接电弧是焊接电弧是由焊接电源提供的、具有一定电压的两极间或由焊接电源提供的、具有一定电压的两极间或电极与焊件间，气体介质产生强烈而持久的放电现象。电极与焊件间，气体介质产生强烈而持久的放电现象。 短路短路-空载空载-燃弧燃弧 钢焊条焊接钢材时的焊接电弧钢焊条焊接钢材时的焊接电弧 钢焊条焊接钢

4、材时的焊接电弧钢焊条焊接钢材时的焊接电弧1 1、阴极区：长度极短、压降、阴极区：长度极短、压降UK较大、较大、E E（电场强度）极高（电场强度）极高2 2、阳极区：长度也极短、压降、阳极区：长度也极短、压降UA 较大、较大、E E极高极高3 3、弧柱区长度基本上等于电弧长度，压降、弧柱区长度基本上等于电弧长度，压降Uc较小，较小， E E较小。较小。 UA UCUK阳极区阳极区阴极区阴极区弧柱弧柱-+10-5 10-6cm10-2 10-4cm 弧柱区产生的热量即温度一般为弧柱区产生的热量即温度一般为5000-50000K5000-50000K范围内。范围内。 故，弧柱故，弧柱气体将产生以电离

5、为主的导电现象。气体将产生以电离为主的导电现象。UA UCUK阳极区阳极区阴极区阴极区弧柱弧柱-+10-5 10-6cm10-2 10-4cm 阴极区的作用是向弧柱区提供所需要的电子流，接受弧柱区送来阴极区的作用是向弧柱区提供所需要的电子流，接受弧柱区送来的正离子流。的正离子流。1 1、热发射型阴极区导电：当阴极采用、热发射型阴极区导电：当阴极采用W W、C C高熔点材料，电流较大高熔点材料，电流较大时，因阴极区可达到很高的温度，弧柱所需要的电子流主要靠阴极时，因阴极区可达到很高的温度，弧柱所需要的电子流主要靠阴极区的热发射来提供。区的热发射来提供。2 2、电场发射型阴极区导电：、电场发射型阴

6、极区导电：当阴极采用当阴极采用W、C，但电流较小时，但电流较小时，或阴极采用或阴极采用 Al,Cu,Fe材料时温度不能升的很高，故使阴极区产生材料时温度不能升的很高，故使阴极区产生电场发射。电场发射。3、等离子型阴极区导电：是在阴极区产生等离子的导电特性。、等离子型阴极区导电：是在阴极区产生等离子的导电特性。 三）阳三）阳UA -+ 钢焊条焊接钢材时的焊接电弧钢焊条焊接钢材时的焊接电弧 钢焊条焊接钢材时的焊接电弧钢焊条焊接钢材时的焊接电弧 钢焊条焊接钢材时的焊接电弧钢焊条焊接钢材时的焊接电弧 加速获得的动能， 钢焊条焊接钢材时的焊接电弧钢焊条焊接钢材时的焊接电弧 电弧力电弧力指电弧对熔滴和熔池

7、的机械作用力，指电弧对熔滴和熔池的机械作用力，包括 电磁收缩力电磁收缩力、等离子流力等离子流力、斑点力斑点力等。电弧力影响着熔深及熔滴的过渡，而且影响到熔池的搅拌、焊缝成形及金属的飞溅等1）电磁收缩力电磁收缩力电磁力：电流流经距离不远的两根平行导线时，电流同向相吸，异向相斥。他的大小与流过的电流大小成正比，与两根导线之间的距离成反比。当电流流过气体当中时，整个电流可以分成许多电流线，那么这些电流线之间也产生吸引力，使导体断面产生收缩。 电磁力分成径向分力和轴向分力。 轴向分力又称为电磁静压力：电弧轴向推力在电弧横截面上分布不均匀，弧柱轴线处最大，向外逐渐减小，在焊件上表现为对熔池形成的压力。

8、轴向分力的作用：1、束缚弧柱直径 2、促使碗状熔池的形成，P15图 1-8（a）3、起电磁搅拌作用（细化晶粒，排出气体及熔渣） 确定导体周围磁力线的方向：右手法-拇指为I,四指为E . 磁场中力方向F的确定：四指为I ，拇指为F。 流态导体中电磁收缩力的影响流态导体中电磁收缩力的影响柱形导体中的电磁收缩力柱形导体中的电磁收缩力（2）等离子流力：等离子流力：在轴向力的作用下靠近焊丝（条）在轴向力的作用下靠近焊丝（条）端部的端部的高温气高温气体体 持续持续地地冲向焊件，对熔池形成附加压冲向焊件，对熔池形成附加压力力，也称为电磁动压力。也称为电磁动压力。电弧中等离子气流具有很高的速度和加速度，可达数

9、百电弧中等离子气流具有很高的速度和加速度，可达数百米米/秒。秒。电弧中心线上等离子流力最大。电弧中心线上等离子流力最大。电流越大，中心线上的动电流越大，中心线上的动压压力幅值越大，分布区域越小力幅值越大，分布区域越小。 阴极斑点力大于阳极斑点力 原因：正离子的质量远大于电子的 质量阴极斑点电流密度大，蒸汽反 作用力也大1 1）熔滴重力）熔滴重力表面张力表面张力表面张力重力爆破力爆破力 （2）焊丝直径的影响 焊接电流一定时，焊丝越细，电流密度越大，造成电弧锥形越明显。斑点力作用，熔滴尺寸不同（4）气体介质的影响导热性强或多原子气体消耗的热量多，引起电弧收缩，电弧力增强。气体流量及电弧空间压力增强

10、，也会引起电弧收缩。三、焊接时的极性及其选择方法三、焊接时的极性及其选择方法 使用直流电源焊接时有正接、反接法两种：使用直流电源焊接时有正接、反接法两种： 正接法：正接法：焊件接电焊机的正极（阳极），焊条接负极（阴焊件接电焊机的正极（阳极），焊条接负极（阴 极）极）, ,因此钨极氩弧焊，等离子弧焊时电极获得较少的热量，因此钨极氩弧焊，等离子弧焊时电极获得较少的热量，而焊件获得的热量较高，能获得较大熔深，适用于焊接厚板。而焊件获得的热量较高，能获得较大熔深，适用于焊接厚板。 反接法：反接法：焊件接负极，焊条接正极，适合于焊接薄板，焊件接负极，焊条接正极，适合于焊接薄板， 以防以防烧穿。烧穿。 交

11、流焊机、无正反接特点，温度均为交流焊机、无正反接特点，温度均为2500K2500K。 三、焊接时的极性及其选择方法三、焊接时的极性及其选择方法 电弧 和气它通电导体一样，在其周围产生磁场。这种磁场能够引起电磁收缩力，促进熔滴的过渡、保证熔池深度，而且使电弧保持一定的挺度。 在热收缩和磁收缩等效应的作用下，电弧沿电极轴向挺直的程度。一、电弧自身磁场作用一、电弧自身磁场作用 电弧是一种气态导体，正、负电荷以一定的方向运动而形成电流。故当有磁场存在时将会对电流产生作用力。 左手法则左手法则：当磁力线方向确定后就可以确定作：当磁力线方向确定后就可以确定作用力的方向，四指方向为用力的方向，四指方向为I

12、I方向方向, ,磁力线指向手磁力线指向手掌，那么拇指方向为掌，那么拇指方向为F F方向。方向。这个力就保持电弧的挺度。这个力就保持电弧的挺度。那么用那么用右手法则右手法则来可确定电场磁力线的方来可确定电场磁力线的方向：向：当电流方向给定时，可确定磁力线的当电流方向给定时，可确定磁力线的方向，拇指方向为方向，拇指方向为I,I,四指方向为磁力线方四指方向为磁力线方向。向。n在导线附近产生磁场的同时，在焊件附近也产生磁场，在导线附近产生磁场的同时，在焊件附近也产生磁场，这使焊条右边的电场磁力线密度增加，结果使电弧向右这使焊条右边的电场磁力线密度增加，结果使电弧向右偏斜。偏斜。 右图是可用焊条倾斜来减

13、小磁偏吹。右图是可用焊条倾斜来减小磁偏吹。二、焊接电弧的二、焊接电弧的静特性静特性 在电极材料，气体介质和电弧长度一定时，电弧两在电极材料，气体介质和电弧长度一定时，电弧两端的电压与焊接电流之间的关系称为端的电压与焊接电流之间的关系称为电弧静特性电弧静特性，或称伏安，或称伏安特性特性(P(P6 6) )。电弧静特性曲线呈。电弧静特性曲线呈U U形。如图形。如图1 13 3曲线曲线2 2所示。所示。 在一般情况下，电弧电压在一般情况下，电弧电压U Uh h与弧长与弧长L L成正比变化，成正比变化，如图如图1 14 4示，即电弧越长电压越高示，即电弧越长电压越高。 图图1 13 3 普通电阻静特性

14、与电弧静特性曲线普通电阻静特性与电弧静特性曲线 1 1普通电阻静特性；普通电阻静特性； 2 2电弧静特性电弧静特性。b b c c 交直流交直流电焊机电焊机的比較的比較 交流交流电焊机电焊机 直直流流正极正极性性 直流反直流反极极性性 熔池有三种保护：渣保护、气保护和渣熔池有三种保护：渣保护、气保护和渣- -气保护气保护 埋弧焊用的焊剂和手弧焊用的药皮是由埋弧焊用的焊剂和手弧焊用的药皮是由SiO2，MnO、MgO及及CaF等组成的等组成的硅酸盐硅酸盐。形成熔融的液态形成熔融的液态焊剂薄膜焊剂薄膜，使熔池与空气隔绝，大大减少焊缝中，使熔池与空气隔绝，大大减少焊缝中的含气量，提高焊缝韧性。的含气量

15、，提高焊缝韧性。 延长延长熔池存在时间熔池存在时间，加强了冶金反应，有利于气孔、夹渣的，加强了冶金反应，有利于气孔、夹渣的析出。析出。三、三、 在熔化极自动焊和半自动化焊中，焊丝的的熔化以及过渡到熔池的特性是影响焊缝质量和焊接生产率的重要因素之一。U UA A 阳极区压降；阳极区压降； U UK K 阴极区压降，阴极区压降，U UW W 逸出电压逸出电压 ； U UT T 与弧柱温度相应的等效电压与弧柱温度相应的等效电压R s Ls 段的电阻值段的电阻值U UA A 阳极区压降；阳极区压降； U UK K 阴极区压降，阴极区压降，U UW W 逸出电压逸出电压 ； U UT T 与弧柱温度相应

16、的等效电压与弧柱温度相应的等效电压 四、四、五、五、形式形式图图 1-71-7熔滴过渡形式及电弧形状特征熔滴过渡形式及电弧形状特征1) 1) 滴状过渡滴状过渡 2 2、3) 3) 射状过渡射状过渡 4 4、5) 5) 短路过渡短路过渡熔滴过渡的形式熔滴过渡的形式 ( (二二) )焊缝的组织和性能焊缝的组织和性能 焊缝组织是由熔池金属结晶得到的柱状的铸造组织焊缝组织是由熔池金属结晶得到的柱状的铸造组织。焊接熔池的结晶首先。焊接熔池的结晶首先从熔合区中处于半熔化状态的晶粒表面开始，晶粒沿着与散热最快的从熔合区中处于半熔化状态的晶粒表面开始，晶粒沿着与散热最快的 方向的相方向的相反方向长大，因受到相

17、邻的正在长大的晶粒的阻碍，向两侧生长受到限制，因此，反方向长大，因受到相邻的正在长大的晶粒的阻碍，向两侧生长受到限制，因此，焊缝中的晶体是方向指向熔池中心的焊缝中的晶体是方向指向熔池中心的柱状晶体柱状晶体， 焊缝中的铸态组织，晶粒粗大，焊缝中的铸态组织，晶粒粗大，组织不致密，但是，由于焊接熔池小，组织不致密，但是，由于焊接熔池小， 冷却快，焊条药皮、焊剂或焊丝在焊接冷却快，焊条药皮、焊剂或焊丝在焊接过程中的冶金处理作用，过程中的冶金处理作用，使得焊缝的金属的化学成分优于母材，硫、磷含量较低，使得焊缝的金属的化学成分优于母材，硫、磷含量较低，所以容易保证焊缝金属的性能不低于母材，特别是强度容易达

18、到。所以容易保证焊缝金属的性能不低于母材，特别是强度容易达到。（三）熔合区的特征（三）熔合区的特征 熔合区，又称半熔化区，是焊缝熔合区，又称半熔化区，是焊缝与母材的交界区与母材的交界区 加热温度：加热温度：1490149015301530（固、液相线之间）（固、液相线之间） 组织组织：（：（未熔化但因过热而长大的）未熔化但因过热而长大的）粗晶组织和（部分新粗晶组织和（部分新 结晶的）铸态组织。结晶的）铸态组织。 特点特点：该区很窄，组织不均匀，：该区很窄，组织不均匀，强度下降，塑性很差，是强度下降，塑性很差，是 产生裂纹及局部脆断的发源地产生裂纹及局部脆断的发源地。 在焊缝中心由于区域偏析会聚集较多的杂质，在焊缝中心由于区域偏析会聚集较多的杂质，抗热裂纹性能差。抗热裂纹性能差。焊缝形状系数，焊缝余高系数焊缝形状系数，焊缝余高系数 ，熔合比，熔合比 a 太大时应力集中严重，故太大时应力集中严重，故 a 小于小于3mm 为合适为合适 。b)