1、第一章 电弧焊基础知识高等教育出版社焊接方法与设备第一章 电弧焊基础知识高等教育出版社焊接方法与设备u第一节焊接电弧u第二节焊丝熔化与熔滴过渡u第三节母材熔化与焊缝成形第一节焊接电弧高等教育出版社焊接方法与设备一、焊接电弧的物理基础1电弧及其电场强度分布非自持放电区间；自持放电区间辉光放电电弧放电电弧：一种气体放电现象，是带电粒子通过两电极之间气体空间的一种 导电过程不遵守欧姆定律一、焊接电弧的物理基础2带电粒子的产生(1)气体的电离1)电离与激励电离：一定条件下中性气体分子或原子分离为正离子和电子的现象 气体电离的实质是中性气体粒子（分子或原子）吸收足够的外部能量，使得分子或原子中的电子脱离
2、原子核的束缚而成为自由电子和正离子的过程。p 电离能通常以eV（电子伏）为单位。1eV就是使个电子通过电位差为1V两点间所需作的功，其数值为1.610-19。一、焊接电弧的物理基础2带电粒子的产生(1)气体的电离1)电离与激励激励：使中性粒子中的电子从较低能级转移到较高能级但未完全脱离原子或分子，称为激励。使中性粒子激励所需的最低外加能量称为激励能，若以（伏）为单位则称为激励电压。激励状态是一种不稳定状态，继续接受能量可电离，或以辐射方式或与其他粒子碰撞将能量传递出去而恢复到稳定状态。一、焊接电弧的物理基础2带电粒子的产生(1)气体的电离2)电离的种类 热电离：气体粒子受热的作用而产生电离的过
3、程，实质上是由于气体粒子的热运动形成频繁而激烈的碰撞产生的一种电离过程。场致电离：带电粒子从电场中获得能量，通过碰撞而产生电离的过程称为电场作用下的电离。光电离：中性粒子接受光辐射作用产生的电离。每种气体都有一个产生光电离的临界波长，小于它才能产生光电离。一、焊接电弧的物理基础2带电粒子的产生(2)阴极电子发射 在电弧焊中，电弧气氛中的带电粒子一方面由气体粒子的电离产生，另一方面则由金属电极的电子发射获得。两者都是电弧产生和维持不可缺少的必要条件。电子从阴极表面逸出需要能量，使一个电子从金属表面飞出所需的最低能量称为逸出功(W),单位是eV。因电子电量为常数,故逸出功常用逸出电压U来表示，UW
4、/e，单位为。逸出功的大小与材料种类、金属表面状态及表面氧化物情况有关。一、焊接电弧的物理基础3带电粒子的消失(1)负离子的产生 电弧中除产生电子和正离子外，还会产生另一种带电粒子负离子。即在一定条件下，有些中性原子或分子会吸附一个电子形成负离子。(2)带电粒子的扩散与复合 在电弧导电过程中，带电粒子的增加是有一定限度的。这是因为在带电粒子产生的同时存在着带电粒子消失的过程，两者处于动平衡状态。电弧空间的正负带电粒子（正离子、负离子、电子）在一定条件下相遇而结合成中性粒子的过程称为复合。二、电弧的导电机构1电弧的区域组成 按电场强度的特点可将电弧分为三个区域：阴极区、弧柱区和阳极区。电弧电压U
5、 即电弧两端（两电极）之间的电压降，等于阴极压降U、弧柱压降U 和阳极压降U 之和。即U U U U2弧柱区的导电机构 弧柱的温度很高，随气体介质、电流大小和电弧受压缩的程度的不同，其温度范围是500050000K。在这样高的温度下，弧柱中气体的电离主要是热电离。二、电弧的导电机构3阴极区的导电机构 阴极区是指靠近阴极的很小一个区域。在电弧中，阴极区的作用是向弧柱提供所需的电子流，接受由弧柱区送来的正离子流。由于阴极材料种类的不同，阴极区的导电特性也不同。4阳极区的导电机构 阳极区与阴极区类似，其作用是接受电子流和提供正离子流。二、电弧的导电机构5阴极斑点与阳极斑点(1)阴极斑点 电弧放电时，
6、负电极表面上集中发射电子的光亮极小区域 形成条件：1.具有可能发射电子的条件(主要是场致发射和热发射)2.其次是电弧通过该点时弧柱能量消耗较低(2)阳极斑点 电弧放电时，正电极表面上集中接收电子的光亮微小称为阳极斑点。形成条件：1.该点有金属蒸发 2.电弧通过该点时，弧柱的能量消耗较低三、焊接电弧的最小能量消耗特性（最小电压原理）电弧稳定燃烧时，产热为P=UaIELI(U为电弧电压,E为电弧的电场强度，L为电弧长度),与热消耗相平衡。当L、I 为定值时，E 的大小即代表了产热量，因此能量消耗最小时电场强度最低。由于电弧的电场强度可用单位长度电弧上的电弧电压的大小来表示(EUL)，即在固定弧长上
7、电压最小，故称为最小电压原理。最小电压原理：电弧具有保持最小能量消耗的特性，而当电弧电流一定时，电弧要保持最小电压降。电弧只能确定一个能够使E 值最小的断面！四、焊接电弧的静特性1焊接电弧静特性曲线及其意义 焊接电弧是焊接回路中的负载，它起着把电能转变为热能的作用，在这一点上它与普通的电阻有相似之处。电阻静特性电弧静特性电弧静特性图四、焊接电弧的静特性2不同焊接方法的电弧静特性曲线 对于各种不同的焊接方法，它们的电弧静特性曲线是有所不同的，而且在其正常使用范围内，并不包括电弧静特性曲线的所有部分。五、焊接电弧的热特性1焊接电弧的产热特性(1)弧柱区的产热特性 弧柱气氛中的带电粒子有电子、正离子
8、和负离子。弧柱中的导电任务绝大部分由电子来承担，所以弧柱中的热量也主要由电子的动能转换而来。普通的电弧焊，其弧柱部分的热量只有很少一部分传给填充材料和工件，大部分则通过对流、辐射等形式损失掉了。五、焊接电弧的热特性1焊接电弧的产热特性(2)阴极区的产热特性 阴极区与弧柱区相比，长度短，且直接靠近电极或工件（由接线方法决定），所以阴极区产生的热量对电极或工件的影响更直接。阴极区的产热为:式中：P 为阴极区的产热总能量；U 为阴极区压降；U 为逸出电压；U 为弧柱温度的等效电压。五、焊接电弧的热特性1焊接电弧的产热特性(3)阳极区的产热特性 阳极区的电流由电子流和正离子流两部分组成，因正离子流所占
9、比例很小，可忽略不计，所以只考虑电子流的能量转换效应。到达阳极的电子能量由三部分组成。一部分是电子经阳极压降U 加速获得的动能IU 另一部分是电子从阴极带出的逸出功IU 第三部分是从弧柱带来的与弧柱温度相应的热能IU故阳极区的总能量（电功率）为:式中：P 为阳极区总能量；U 为阳极区压降。五、焊接电弧的热特性2焊接电弧的热效率及能量密度(1)热效率 焊接时电弧将电能转换成热能，利用这种热能来加热和熔化焊条或工件。电弧热量的总功率:P IU式中：U为电弧电压，U=U+U+U。(2)能量密度 采用热源加热工件时，单位面积上的有效热功率称为能量密度，一般以/cm2 来表示。能量密度大时，能有效利用热
10、源，提高焊接速度，减小焊接热影响区，改善质量。五、焊接电弧的热特性3电弧的温度分布(1)轴向 阴极区和阳极区的温度较低，弧柱温度较高(2)径向 电弧径向温度分布的特点是：弧柱轴线上温度最高，沿径向由中心至周围温度逐渐降低六、焊接电弧的力学特性1电弧力的类型及作用(1)电磁收缩力 由电工学可知，当电流流过相距不远的两根平行导线时，如果电流方向相同则产生相互吸引力，方向相反则产生排斥力。这个力是由电磁场产生的，因而称为电磁力。它的大小与导线中流过的电流大小成正比，与两导线间的距离成反比。六、焊接电弧的力学特性1电弧力的类型及作用(1)等离子流力 熔池附加压力是由高温气流（等离子流）的高速运动引起的
11、，所以称为等离子流力，也称为电弧的电磁动压力。六、焊接电弧的力学特性1电弧力的类型及作用(3)斑点压力 电弧焊时，电极斑点受到带电粒子的撞击或金属蒸发的反作用而对斑点产生的压力，称为斑点压力或斑点力。(4)细熔滴的冲击力 射流过渡时形成等离子流力，熔滴以极大的加速度连续沿轴向射向熔池，易形成指状熔深。(5)短路爆破力 电弧从燃烧状态过渡到短路状态，电弧电流迅速上升，熔滴温度急剧升高，使液柱汽化爆断，产生较大的冲击力，导致飞溅的产生，应设法减小这种力。六、焊接电弧的力学特性2影响电弧力的因素）气体介质）电流和电弧电压）焊丝直径）电极（焊条、焊丝）的极性）钨极端部的几何形状七、焊接电弧的稳定性1电
12、弧稳定性的概念定义：电弧焊过程中，当电弧电压和焊接电流为某一定值时，电弧可在长时间内连续且稳定燃烧的性能称为电弧的稳定性。2影响电弧稳定性的因素（）焊接电源（）焊条药皮或焊剂（）焊接电流（）磁偏吹（）其他影响因素七、焊接电弧的稳定性3提高电弧稳定性的措施 根据不同的焊接方法，选择合适的弧焊电源，使电源外特性曲线与电弧静特性曲线相匹配；根据不同的焊条类型选择不同的电源种类（如碱性焊条稳定性差，应选择直流电源）。焊前对焊件坡口表面及附近区域进行机械或化学清理；选择合适的操作场所，使外界对电弧稳定性的影响降低。第二节焊丝熔化与熔滴过渡高等教育出版社焊接方法与设备一、焊丝的加热和熔化特性1电弧热 由上
13、节讨论可知，阴极区和阳极区两个区域的产热功率可表达为：电弧焊时，当弧柱温度为6000K左右时，U小于1V；当电流密度较大时，U 近似为零，以上两式可简化为:由此可以看出，两电极区的产热功率都与焊接电流成正比。一、焊丝的加热和熔化特性1电阻热 除电弧热外，从焊丝与导电嘴的接触点到焊丝端头的一段焊丝（即焊丝伸出长度L）有焊接电流流过，产生的电阻热对焊丝有预热作用。产生的电阻热的大小为：其中 R=L/A式中：R 为焊丝伸出长度L段的电阻值；为焊丝的电阻率；L 为焊丝的伸出长度；A 为焊丝的横截面积。二、影响焊丝熔化速度的因素 1焊接电流 2焊丝直径和焊丝伸出长度 焊丝直径越小，熔化越快。焊丝伸出长度
14、越长，熔化越快。3焊丝材料 焊丝的电阻率越大，熔化越快。熔化系数越大，熔化越快。4电弧电压 其他条件一定，当弧长较长时，电弧电压对熔化速度影响不大。5气体介质及焊丝极性 采用正接时（焊丝接负极）气体介质对焊丝熔化速度有影响。另外通常焊丝 为阴极时的熔化比作为阳极时要快。三、熔滴上的作用力1重力 重力对熔滴过渡的影响随焊接位置的不同而不同。平焊时，熔滴上的重力促使熔滴过渡，而在立焊及仰焊位置则阻碍熔滴过渡。重力大小可表示为：式中：r 为熔滴半径；为熔滴密度；g 为重力加速度。2.表面张力 表面张力是指焊丝端头上保持熔滴的作用力，用F 表示，大小为：式中：R 为焊丝半径；为表面张力系数。三、熔滴上
15、的作用力3电弧力 电弧力只有在焊接电流较大时才对熔滴过渡起主要作用，焊接电流较小时起主要作用的往往是重力和表面张力。4熔滴爆破力 当熔滴内部因冶金反应而生成气体或含有易蒸发金属时，在电弧高温作用下将使气体积聚、膨胀而产生较大的内压力，致使熔滴爆破，这一内压力称为熔滴爆破力。它使熔滴过渡的同时产生飞溅。5电弧的气体吹力 这种力出现在焊条电弧焊中。不论是何种位置的焊接，电弧气体吹力总是促进熔滴过渡。四、熔滴过渡的主要形式及特点短路过渡滴状过渡渣壁过渡喷射过渡四、熔滴过渡的主要形式及特点1短路过渡 电流较小、电弧电压较低（弧长较短）时，熔滴未长成大滴就与熔池接触而形成液态金属短路，使电弧熄灭，随之金
16、属熔滴过渡到熔池中去。熔滴脱落之后电弧又复燃，如此交替进行，这种过渡形式称为短路过渡。主要焊接特点：有利于薄板焊接或全位置焊接 可减小热影响区和焊接变形四、熔滴过渡的主要形式及特点2滴状过渡(1)粗滴过渡 当重力足以克服熔滴的表面张力时，熔滴便脱离焊丝端部进入熔池（小电流时电弧力忽略）。粗滴过渡时熔滴存在时间长，尺寸大，飞溅也大，电弧的稳定性及焊缝质量都较差，在生产实际中基本不采用。(2)细滴过渡 细滴过渡电流较大，相应的电磁收缩力也较大，表面张力较小，熔滴存在时间较短，熔滴细化，过渡频率较高。电弧稳定性较高，飞溅较少，焊缝质量较好，广泛应用于生产实际中。四、熔滴过渡的主要形式及特点3喷射过渡
17、 喷射过渡容易出现在以氩气或富氩气体作保护气体的焊接方法中，过渡频率高，飞溅少，电弧稳定，热量集中，对焊件的穿透力强，可得到焊缝中心部位熔深明显增大的指状焊缝。不适宜焊接薄板。4渣壁过渡 只出现在埋弧焊和焊条电弧焊中。埋弧焊时,熔滴沿熔渣壁过渡，焊条电弧焊时熔滴沿药皮套筒壁过渡。第三节母材熔化与焊缝成形高等教育出版社焊接方法与设备一、焊缝形成过程 熔池：电弧焊时，在电弧热的作用下填充金属（焊丝或焊条）熔化的同时，母材也发生局部熔化。在母材上由熔化的填充金属与局部熔化的母材共同组成一个具有一定几何形状的液态金属区，称之为熔池。熔池金属：电弧不断移动，电弧正下方的母材不断被熔化，与填充金属共同构成
18、熔池金属。焊缝：熔池随电弧的移动不断前移，熔池尾部因远离电弧热源，输入热量少于散失热量，温度下降，先后结晶形成焊缝，直至焊接过程结束。一、焊缝形成过程电弧；熔池金属；已凝固的焊缝金属 S焊缝有效厚度；c熔池宽度；L熔池长度；h余高二、焊缝形状与焊缝质量的关系 焊缝的形状即是指焊件熔化区横截面的形状，它可用焊缝有效厚度S、焊缝宽度c 和余高h三个参数来描述。生产中常用焊接成形系数c/S 和余高系数c/h 来表征焊缝成形的特点。A 填充金属熔化面积；A 母材熔化面积二、焊缝形状与焊缝质量的关系常用范围：埋弧焊时一般要求焊缝成形系数1.25，而堆焊时，在保证堆焊成分的前提下可使焊缝成形系数10。理想
19、情况下，h 应为0，对接接头一般允许h=03 或=48mm。重要结构要求h=0（角焊缝应磨成凹形）。实际焊接中可通过改变坡口形式和焊接参数来改变熔合比，调整焊缝的化学成分和组织。三、焊接工艺参数对焊缝成形的影响焊接电流、电弧电压、焊接速度、线能量等焊丝直径、电流种类与极性、电极和焊件倾角、保护气等坡口形状、间隙、焊件厚度等三、焊接工艺参数对焊缝成形的影响1焊接参数的影响焊接参数对焊缝厚度S、焊缝宽度c 和余高h 的影响如图所示三、焊接工艺参数对焊缝成形的影响2工艺因数的影响(1)电流种类和极性 熔化极气体保护焊和埋弧焊采用直流反接时，焊缝厚度、焊缝宽度都比直流正接大。交流焊接时，焊缝厚度、焊缝
20、宽度介于直流正接与直流反接之间。在钨极氩弧焊或焊条电弧焊中，直流反接焊缝厚度小，直流正接焊缝厚度大，交流焊接介于上述两者之间。三、焊接工艺参数对焊缝成形的影响2工艺因数的影响(2)焊丝直径和伸出长度、钨极端部形状 当焊接电流、电弧电压及焊接速度给定时，焊丝直径越小，电流密度越大，对焊件加热越集中，同时电磁收缩力增大，焊丝熔化量增多，使得焊缝厚度、余高均增大。焊丝伸出长度增加，电阻增大，电阻热增加，焊丝熔化速度提高，余高增加，焊缝厚度略有减小。焊丝电阻率越高，直径越小，伸出长度越长，这种影响越大。钨极氩弧焊时，钨极端部几何尺寸越小，电弧越集中，电弧力越大，焊缝厚度越大。三、焊接工艺参数对焊缝成形
21、的影响2工艺因数的影响(3)电极倾角 电弧焊时，根据电极倾斜方向和焊接方向的关系，分为电极前倾和电极后倾两种 电极前倾时，焊缝宽度增加，焊缝厚度、余高均减小。前倾角越小，这种现象越突出。电极后倾时，情况相反。焊条电弧焊和半自动气体保护焊时，通常采用电极后倾法，倾角6580三、焊接工艺参数对焊缝成形的影响2工艺因数的影响(4)焊件倾角 下坡焊时，重力作用，电弧对熔池底部金属的加热作用减弱，焊缝厚度减小，余高和焊缝宽度增大。上坡焊时，加热作用增强，因而焊缝厚度和余高均增大，焊缝宽度减小三、焊接工艺参数对焊缝成形的影响3结构因素(1)坡口和间隙 薄板时不需留间隙也不需开坡口。板厚较大时，为了焊透焊件
22、需留一定间隙或开坡口，此时余高和熔合比随坡口或间隙尺寸的增大而减小。因此，焊接时常采用开坡口来控制余高和熔合比。(2)焊件材料和厚度 不同的焊件材料，其热物理性能不同。相同条件下导热性好的材料熔化单位体积金属所需热量多，在热输入量一定时，它的焊缝厚度和焊缝宽度就小。四、焊缝成形缺陷及产生原因1焊缝外形尺寸不符合要求 外形尺寸不合格主要有焊缝表面高低不平、焊缝波纹粗劣、纵向宽度不均匀、余高过大或过小等。2咬边 焊趾处被熔化的母材因填充金属不足而产生缺口的现象称为咬边（也称咬肉）。四、焊缝成形缺陷及产生原因3未焊透 熔焊时，焊接接头根部未熔透，或在焊道与母材之间、焊道与焊道之间未能完全熔化结合的部
23、分，称为未焊透。四、焊缝成形缺陷及产生原因5焊穿及塌陷 焊缝上形成穿孔的现象，称为焊穿；熔化的金属从焊缝背面漏出，使焊缝正面下凹，背面凸起的现象，称为塌陷。6弧坑 焊缝收尾处下陷的现象称为弧坑。形成弧坑的原因，主要是熄弧时电流过大或熄弧过快而造成填充金属不足所致。4焊瘤 熔焊时，熔化的金属流到焊缝以外未熔化的母材上而形成金属瘤的现象称为焊瘤，也称满溢测试题什么是焊接电弧的静特性？焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极气体 保护焊时电弧各工作在哪个特性区？电弧中有哪几种主要作用力？说明各种力对熔滴过渡的影响。试分析熔滴过渡的主要形式及特点。试分析焊接参数对焊缝成形的影响。试分析常见焊缝成形缺陷的产生原因及防止措施。谢谢！
