1、熔焊方法及设备（第 2 版）复习思考题答案绪论焊接定义：“焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到结合的一种加工方法。”实际焊件，不采用一定措施的情况下，要做到原子间连接是非常困难的，原因主要有两点：（1）连接面表面粗糙度较大。（2）连接表面有氧化膜、油污和水分等。熔焊方法的物理本质可以概括为 ：在不施加外力的情况下，利用外加热源使母材被连接处（以及填充材料）发生熔化，使液液之间、液固之间的原子或分子紧密接触和充分地扩散， 使原子间距达到rA，并通过冷却凝固将这种冶金结合保持下来的焊接方法。第1章焊接电弧1. 解释下列名词：焊接电弧、热电离、场致电离、光电离、热发射、
2、场致发 射、光发射、粒子碰撞发射、热阴极型电极、冷阴极型电极。答：焊接电弧：由焊接电源供给能量，在具有一定电压的两电极之间或电极与母材之间的气体介质中产生的强烈而持久的自持放电现象。热电离：气体粒子受热的作用而产生的电离称为热电离。其实质是气体粒子由于受热而产生高速运动和相互之间激烈碰撞而产生的一种电离。场致电离：当气体中有电场作用时，气体中的带电粒子被加速，电能被转换为带电粒子的动能，当其动能增加到一定程度时，能与中性粒子产生非弹性碰撞，使之电离，这种电离称为场致电离。光电离：中性粒子接受光辐射的作用而产生的电离现象称为光电离。热发射：金属表面承受热作用而产生电子发射的现象称为热发射。场致发
3、射：当阴极表面空间有强电场存在时，金属电极内的电子在电场静电库仑力的作用下，从电极表面飞出的现象称为场致发射。光发射：当金属电极表面接受光辐射时，电极表面的自由电子能量增加，当电子的能量达到一定值时能飞出电极的表面，这种现象称为光发射。粒子碰撞发射： 高速运动的粒子（电子或正离子）碰撞金属电极表面时，将能量传给电极表面的电子，使电子能量增加并飞出电极表面，这种现象称为粒子碰撞发射。热阴极型电极：当使用钨（沸点为 5950K）、碳（沸点为 4200K）等材料作阴极时，其熔点和沸点很高，阴极可以被加热到很高的温度（可达3500K 以上），电弧的阴极区的电子可以主要依靠阴极热发射来提供，这种电弧通常
4、称为“热阴极电弧”，电极被称为“热阴极型电极”。冷阴极型电极：当使用钢（沸点为 3008K）、铜（沸点为 2868K）、铝（沸点为 2770K）等材料作阴极时，其熔点和沸点较低，阴极温度不可能很高，热发射不能提供足够的电子， 必须依靠其它方式来补充导电所需要的电子，这种电弧通常称为“冷阴极电弧”，电极被称为“冷阴极型电极”。2. 试述电弧中带电粒子的产生方式。答：电弧中的带电粒子指的是电子、正离子和负离子。赖以引燃电弧和维持电弧燃烧 的带电粒子是电子和正离子。这两种带电粒子主要是依靠电弧中气体介质的电离和电极的电子发射两个物理过程产生的。通过电离可以同时产生正离子和电子；通过发射只能产生电子。
5、电弧中的电离方式有：热电离；场致电离；光电离。电弧中的发射方式有：热发射；场致发射；光发射；粒子碰撞发射。负离子的产生过程是，在电子分布密度差的推动下，电子从电弧中心部位扩散到电弧周边区域，并多次与温度较低的中性粒子碰撞，每一次碰撞都失去一部分动能，当其速度降低到一定值时，就附着于中性粒子形成了负离子。3. 焊接电弧由哪几部分组成？试述各区域的导电机构。答：焊接电弧是由弧柱区、阴极区和阳极区三部分构成的。(1) 弧柱区的导电机构弧柱区充满了电子、正离子、气体原子、气体分子,以及负离子。由于负离子的数量比较少,弧柱区的带电粒子主要是电子和正离子。在每个瞬间，每个单位体积内的正、负带电粒子数量是相
6、等的，因此从整体上看，弧柱是呈电中性的,这也使得电子流和正离子流通过弧柱区时，不受空间电荷电场的排斥作用，阻力小,因而使弧柱区电弧放电具有小电压降、大电流的特点（电压降仅为几伏，电流可达上千安）。但是由于正离子的质量远远大于电子的质量，在相同电场的作用下正离子的运动速度要比电子慢得多,这就导致弧柱区中的电子流远远大于正离子流。研究表明,在各种情况下弧柱区中的电子流均约占总电流的 99.9%， 正离子流约占 0.1%。从宏观上看,弧柱区的电子流是来自阴极区,正离子流是来自阳极区，在外加电场的作用下,分别沿着相反的方向运动。但从微观上来看,弧柱中的带电粒子受电场的作用不断地被加速,并产生激烈的碰撞
7、。由于碰撞，其运动方向被打乱。还有一些带电粒子受到密度差的驱动,不断向弧柱周边扩散。这些都使弧柱中的粒子处于一种紊乱状态,平均动能大大提高，因此弧柱的温度很高,可以达到 5000-50000K，能发生强烈的热电离过程，而且成为主要的电离形式。其复合过程也进行得非常激烈。复合过程主要在弧柱的周边进行。复合虽然使正、负带电粒子的数量减少，但是在弧柱中心部位激烈地进行着热电离过程，又可产生大量的电子和正离子。当电弧稳定燃烧时,这两个过程处于一种动态平衡状态。此外,弧柱区的能量也在激烈地转换，由电源提供的电能不断地转化成热能、辐射能、机械能等，当电弧稳定燃烧时,能量转换也处于一种动态平衡状态。(2)
8、阴极区的导电机构阴极区的任务是向弧柱区提供所需要的电子流，同时接受来自弧柱区方向的正离子流。阴极区提供的电子流所占的比率与电极材料的种类、电流大小、气体介质等因素有关，当这些因素不同时，能产生不同的导电机构。主要有以下三种类型:1） 热发射型 当采用W, C 等热阴极材料作为阴极,而且流过大电流时,能发生热发射型导电。在这种情况下,阴极表面及其前面的区域可以达到很高的温度,因此阴极表面可以产生很强烈的电子热发射。如果电流足够大，阴极通过热发射就能够提供弧柱区所需要的电子比率.阴极表面前方的区域将与弧柱区基本没有区别.其电流组成与弧柱区基本相同(电子流比率约占 99.9%，离子流约占 0.1%)
9、，其空间电荷中电子与正离子基本平衡，对外呈中性。阴极表面导电区域的电流密度也与弧柱区相近(约为 103A/cm2),此导电机构在阴极表面不形成阴极斑点，阴极区的电压降很小，甚至为零。2） 场致发射型当采用Cu、 Fe、 Al 等冷阴极型材料作为阴极时,受材料沸点的限制， 电流不能太大，阴极表面的温度不能升得很高。因此阴极表面不可能产生强烈稳定的电子热发射。由于最初电子供应不足,使得靠近阴极的区域正负电荷处于非平衡状态，来自弧柱区的正离子数大于电子数，造成堆积,形成正的空间电荷,因而在阴极表面前面形成具有较高电场强度的阴极区。只要阴极不能发出足够的电子数量,正离子将继续堆积,电场强度将继续增加。
10、当电场强度足够大时,就会使阴极表面的电子冲破束缚发射出来,即产生场致发射。不仅如此，从阴极发射出来的电子在比较强的电场强度作用下，在向弧柱区方向运动的过程中还被强烈地加速。当其动能大于气体的电离能 Wi 时,有一部分电子就能在阴极区的终端（接近弧柱区的部位）与中性粒子发生激烈碰撞并使其发生电离。电离出来的电子与从阴极直接发射的电子一起向弧柱区方向运动,使电子流的比率最终达到弧柱区电子流的比率,电离出来的正离子与从弧柱区来的正离子一起向阴极运动,使正离子流占阴极区总电流的比率大大增加。3） 等离子型这是使用冷阴极材料小电流熔化焊时有可能产生的一种导电机构。在这种情况下，在阴极前方能产生一个很亮的
11、球形高温区，温度可达 10000K，因此此处能产生强烈的热电离，生成大量的电子和正离子。其中，电子向弧柱运动，供给弧柱所需要的电子， 正离子向阴极运动，构成正离子流，此时，即使阴极发射的电子很少，甚至不发射电子，依靠正离子也能形成阴极区电流。(2) 阳极区的导电机构电弧燃烧时,阳极区的任务是接受来自弧柱区的占总电流 99.9%的电子流，同时，还要向弧柱区发送约占总电流 0.1%的正离子流。因为阳极不能发射正离子,正离子只能由阳极区供给。根据电弧电流密度的大小，阳极区可以通过以下两种不同的方式提供正离子：1）热电离 当电弧电流密度较大时,阳极表面及其前面的区域温度都很高,阳极的温度可以达到阳极材
12、料的沸点,因此能发生蒸发,使阳极区充满大量的蒸汽。金属蒸气中原子的电离能一般都比较低,因此在高温的作用下容易发生电离。电离生成的电子与来自弧柱区的电子一起奔向阳极,而生成的正离子即可不断地向弧柱区输送。如果焊接电流足够大,阳极区的温度将很高,阳极区能通过热电离完全满足弧柱区对正离子流的需要。此时,阳极区的电压降UA可以降到很低,甚至接近于零。2）场致电离当电弧电流密度较小时，来自弧柱的电子不断向阳极飞来，并进入阳极，但是由于阳极不发射正离子，加之阳极前方难以发生热电离过程，使得阳极前方的正离子不足，正离子数少于电子数，因此在阳极前面形成具有负电性的电荷空间，就会产生阳极电压降。只要弧柱所需要的
13、正离子得不到补充，阳极区的电子数与正离子数的差值就继续增大， 阳极电压降继续增大。与此同时，阳极区内的电子在电场强度的作用下被加速，动能大大提高。当阳极电压降达到一定程度时，电子获得足够的动能，就会与阳极区中的中性粒子碰撞， 并产生场致电离。生成的电子与从弧柱来的电子一起进入阳极，正离子向弧柱区飞去。当这种电离生成足以满足弧柱要求的 0.1%正离子时，阳极电压降不再升高而保持稳定，阳极表面的电流完全由电子流组成。4. 何谓最小电压原理？答：最小电压原理的含义是: 在电流和周围条件一定的情况下,稳定燃烧的电弧将自动选择一适当的断面,以保证电弧的电场强度具有最小的数值,即在固定弧长上的电压最小。这
14、意味着电弧总是保持最小的能量消耗。5. 什么是焊接电弧静特性？各种弧焊方法的电弧静特性有什么特点？答：焊接电弧的静特性是指在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧时，焊接电流与电弧电压变化的关系，也称伏-安特性。焊接电弧的静特性曲线受气体介质的成分和压力、电极材料、电弧的约束等因素的影响很大，不同的弧焊方法，其曲线的形状存在较大的差异。其中，钨极氩弧焊的电弧静特性曲线一般都能明显地表现出下降特性、平特性和上升特性三个阶段；铝合金熔化极惰性气体保护焊的电弧静特性曲线在小电流区几乎看不到下降特性，在可用电流以上区域都呈现上升特性；埋弧焊电弧静特性曲线则呈下降趋势。6. 什么是焊接电弧动
15、特性？它反映了焊接电弧的何种特性？答：焊接电弧动特性是指对于一定弧长的电弧，当电弧电流发生连续快速变化时，电弧电压与电流瞬时值之间的关系。它反映了焊接电弧的导电性对电流变化的响应能力。7. 试述焊接电弧的产热机构以及焊接电弧的温度分布。答：焊接电弧的产热机构：焊接电弧的热能来自于焊接电源。单位时间焊接电源向焊接电弧提供的总能量P 等于阴极区得到的电能IUK、弧柱区得到的电能IUC和阳极区得到的电能IUA之和,其中绝大部分转变为热能。（1） 阴极区的产热阴极区单位时间获得的能量有:1） 在阴极电压降U 的作用下，电子逸出阴极后,穿过阴极区时被加速,在单位时间里获K得的能量fIU ；K2） 在阴极
16、电压降U 的作用下，正离子流穿过阴极时被加速，在单位时间里获得的能量K(1-f)IU；K3） 正离子在阴极表面与电子复合释放出原来电离时所吸收的能量 （1-f）IUi（注 Ui为电离电压）。阴 极 区 在 单 位 时 间 失 去 的 能 量 有 ： 1）阴极表面发射电子流在单位时间消耗的逸出功fIUw（注 Uw 为逸出电压）；2） 正离子在阴极表面拉出电子与之复合，单位时间消耗的逸出功（1-f）IUw；3） 在阴极区的终端(邻近弧柱区)，中性粒子电离成电子和正离子时单位时间消耗的电离能（1-f）IUi；4） 从阴极区的终端进入了弧柱区的电子流应具有与弧柱区温度相对应的热能，这部分热能由阴极区提
17、供，其功率为IU （注：U 为弧柱区温度的等效电压）。TT由以上分析即可得到阴极区单位时间得到的能量P 为:KP = I (U-U -U )(1-11)KKWT上述分析忽略了阴极表面产生的化学反应热(如氧化反应)，来自弧柱区的传导热、辐射热等。在焊接过程中,阴极区所得到的热能主要用于加热、熔化用作阴极的母材或焊丝,并有一部分通过对流、辐射、传导等散失在周围的气体中（2） 阳极区的产热在单位时间里阳极获得的能量有:1） 在阳极电压降U 的作用下，电子流穿过阳极区时被加速，在单位时间里获得的能量AIU ；A2） 电子流被拉进阳极时,单位时间释放出的逸出功IUw；3） 电子流从弧柱带来的与弧柱温度相
18、对应的热能IU 。T因此,单位时间阳极区所得到的能量P 为：AP =I(U+U +U )(1-12)AAWT在这里也是忽略了阳极表面的化学反应热，来自弧柱区的传导热、辐射热等。在焊接过程中,阳极区所得到的热能主要用于加热、熔化用作阳极的母材或焊丝,并有一部分通过对流、辐射、传导等散失在周围的气体中。(3) 弧柱区的产热弧柱区单位时间获得的能量主要有:（1） 在弧柱压降 Uc 的作用下,电子流被加速,在单位时间里获得的能量 99.9%IUc,以及正离子流被加速，在单位时间里获得的能量0.1% IUc。两者之和为 IUc；（2） 从阴极区进入弧柱区的电子流(占 99.9%)单位时间带来的热能 99
19、.9% IU；T（3） 弧柱区周边发生的正、负粒子复合所释放出的电离能Wi。弧柱区单位时间失去的能量主要有:（1） 离开弧柱区进入阳极区的电子流(占 99.9%)单位时间带走的热能 99.9% IU ；T（2） 弧柱中心部位发生的中性粒子电离消耗的电离能,其值与周边正、负粒子复合时释 放的电离能Wi 基本相等。由上述分析,可以得到弧柱区单位时间里得到的能量为:Pc =IUc 。一般电弧焊接过程中，弧柱的热量只有很少一部分通过辐射传给焊丝和焊件。当采用等离子弧焊接、切割或钨极氩弧焊时，则可以利用弧柱的部分热量来加热焊丝和焊件。焊接电弧的温度分布:（1）焊接电弧轴向温度分布两电极区的温度较低,弧柱
20、区的温度较高。这是因为电极受到电极材料的熔点和沸点的限制,温度不能太高,而弧柱区中的气体和金属蒸气不受这一限制,而且气体介质的导热性能不如金属电极好,热量相对来说散失的少,故有较高的温度。（2）焊接电弧径向温度分布在焊接电弧的横断面内,温度沿径向的分布是不均匀的,中心轴温度最高,离开中心轴的温度逐渐降低。这主要是由于外围散热快造成的。焊接电流越大,电弧中心的温度越高。8. 焊接电弧能产生哪些电弧力？说明它们的产生原因以及影响焊接电弧力 的因素。答：焊接电弧能产生电磁收缩力、等离子流力、斑点压力等电弧力。各种电弧力产生的原因：（1） 电磁收缩力由电磁学理论可知,如果两个平行导体通以同方向电流,将
21、产生吸引力；如果电流方向相反，则产生排斥力。在两个电流方向相同的导体之间产生的吸引力通常称为电磁收缩力。焊接电弧可以看成是由许多并行的电流线组成的导体，因此这些电流线之间也将产生相互吸引力，即也会产生电磁收缩力,它使导体断面产生收缩趋势。由于焊接电弧不是圆柱体， 而是一个圆锥状的气体导体，与焊丝相接的端面直径小，与焊件相接的端面直径大，这使得电磁收缩力不仅表现在在电弧内存在有径向压力，还表现在在电弧内存在有由焊丝端指向焊件的推力。（2） 等离子流力由于焊接电弧呈圆锥状,使得靠近电极处的电磁收缩力大,靠近焊件处的电磁收缩力小,因而形成沿弧柱轴线的推力F推。在 F的作用下,较小截面处的高温气体粒子
22、向焊件方向流推动,同时在电极上方不断补充新的气体进入电弧区,并被加热和强烈电离,从而形成连续不断的等离子气流，并冲向焊件表面,产生压力作用。这种由电弧推力引起的等离子气流高速运动所形成的力就是等离子流力。（3） 斑点压力斑点压力包括以下几种力:1） 正离子和电子对电极的撞击力 电弧焊时,阴极受到正离子的撞击,阳极受到电子的撞击,因而产生撞击力。2） 电磁收缩力 当电极上形成熔滴并出现斑点时,熔滴中的电流线都在斑点处集中, 由于电磁力合成的方向都是由小断面指向大断面,故在斑点处产生向上的电磁力,它阻碍熔滴过渡。3） 电极材料蒸发产生的反作用力 斑点上的电流密度很高,使这个部位的温度很高, 因而产
23、生强烈的蒸发,使金属蒸气以一定的速度从斑点处发射出来,同时给斑点施加一个反作用力。4） 爆破力 熔滴短路过渡时，燃弧与短路交替进行。短路时，电流很大，短路金属液柱中电流密度很大，一方面在金属液柱内能产生很大的电磁收缩力，再加上熔池表面张力的作用，使颈缩变细；而电阻热使金属液柱小桥温度急剧升高，能使液柱汽化爆断。此爆破力可以使液体金属形成飞溅。即使液柱不发生爆断而被拉断，在重新燃弧时，由于电弧空间的气体突然受高温加热而膨胀，局部压力骤然升高，对熔池和焊丝端部液态金属也会形成较大的冲击力，严重时也会造成飞溅。5） 细熔滴冲击力 当熔化极氩弧焊熔滴采用射流过渡时，焊丝端部熔化后形成细小熔滴并沿焊丝轴
24、线射向熔池，每个熔滴的质量只有几十毫克。在等离子流的作用下，这些熔滴加速度很高，可达重力加速度的 50 倍以上，到达熔池时其速度可达每秒几百米数量级， 因此能对熔池产生冲击力。影响焊接电弧力的因素：（1） 焊接电流和电弧电压当增大焊接电流时,电弧力显著增加，这主要与电磁收缩力和等离子流力显著增加有关。当电弧电压升高时,意味着电弧长度增加,由于电弧范围的扩展,使电弧力降低。（2） 焊丝直径当焊接电流相同时, 焊丝直径越小,电流密度越大,因此电弧电磁力越大。同时,造成电弧锥形越明显,等离子流力越大,使总的电弧力增大。（3） 电极的极性电极的极性对不同焊接方法的电弧力的影响不同。对于熔化极气体保护焊
25、来说,当采用直流正接时,焊丝接负,电弧中正离子对熔滴的冲击比较大,同时斑点处还有较大的电磁收缩力及金属蒸气的反作用力，其结果是有较大的斑点压力作用在熔滴上,不利于熔滴过渡,这造成熔滴容易长大,不能形成很强的电磁收缩力和等离子流力,因此电弧力较直流反接时小。对于钨极氩弧焊,由于通常情况下阴极区收缩的程度比阳极区大,因此当采取正接时将形成锥度较大的锥形电弧,产生的轴向推力大,电弧压力也大。（4） 气体介质导热性强的气体，尤其分子是由多原子组成的气体，消耗的热能多,易引起电弧的收缩, 因而导致电弧力的增加。当电弧空间气体压力增加或气体流量增加时，也会引起电弧收缩, 导致电弧力增加。（5） 钨极端部的
26、几何形状钨极端部的几何形状与电弧作用在熔池上的力有密切关系。当焊接电流相同时，钨极端部的角度越小，电弧压力越大。（6） 电流的脉动当电流以某一规律变化时,电弧力也相应地发生变化。低频脉冲焊时,电弧力随电流的变化而变化。对于工频交流钨极氩弧焊,其电弧压力低于直流正接时的压力,而高于直流反接时的压力。当脉冲频率增加时,电弧力的变化逐渐滞后于电流的变化。当频率高于几千赫兹时,由于高频电磁效应增强,在平均电流值相同的情况下，随着电流脉冲频率的增加，电弧力增大。9. 试述影响焊接电弧稳定性的因素。答：(1)焊接电源焊接电源的空载电压越高，越有利于场致发射和场致电离,因此电弧的稳定性越高。此外，焊接电源的
27、外特性还必须与焊接电弧的静特性相匹配,而且还应具有合适的动特性,只有这样，才能使焊接电弧稳定地燃烧。(2) 焊接电流和电弧电压焊接电流大时的电弧温度比焊接电流小时高,因而电弧中的热电离比焊接电流小时强烈, 能够产生更多的带电粒子,因此电弧更为稳定。电弧电压增大意味着电弧的长度增大,当电弧过长时,电弧会发生剧烈摆动,使电弧的稳定性下降。(3) 电流的种类和极性在直流、交流和脉冲直流三种电弧中。如果没有磁偏吹，一般来说，以直流电弧为最稳定,脉冲直流电弧次之,交流电弧稳定性最差。直流电弧的极性对于熔化极电弧焊来说,由于受熔滴过渡稳定性的影响,通常是直流反接时好于直流正接。对于钨极氩弧焊来说,由于钨属
28、于热阴极材料，当使用直流正接时，阴极发射能力强，有利于电子发射。同时还可以流过较大的电流,而电流越大，越有利于电子热发射和热电离,因此直流正接时的电弧稳定性好于直流反接时的稳定性。（4） 焊条药皮和焊剂当焊条药皮或焊剂中含有较多电离能低的元素(如 K、Na、Ca 等)或它们的化合物时,由于容易电离,使电弧气氛中的带电粒子增多.因此可以提高电弧的稳定性。但是当药皮或焊剂中含有较多电离能比较高的氟化物(如 CaF2)、氯化物(如 KCl、NaCl)时,由于能降低电弧气氛的电离程度,因而降低电弧的稳定性。（5） 磁偏吹当采用直流电焊接时能产生严重的磁偏吹，而采用交流电焊接时要弱得多。当电弧周围的磁场
29、是均匀的、磁力线分布相对电弧轴线是对称的时候，电弧能轴向对称， 但当电弧周围的磁场分布不均匀,使电弧一侧的电磁力大于另一侧时，电弧就要偏向一侧。（6） 操作人员的熟练程度操作人员的熟练程度对于手工焊接尤为重要。操作不熟练，将不能保证焊接电弧始终保持稳定地燃烧，严重影响焊接质量。（7） 其它因素焊件上如果有铁锈、水分以及油污等时,由于分解时需要吸热,能减少电弧的热能,因此会降低电弧的稳定性。在露天,特别是在野外大风中焊接时,由于空气的流速快,也会对焊接电弧的稳定性产生有害影响。第 2 章焊丝的熔化和熔滴过渡熔滴过渡：在电弧热的作用下，焊丝末端加热熔化形成熔滴，并在各种力的作用下脱离焊丝进入熔池，
30、这个过程称为熔滴过渡。1. 熔化极电弧焊中，熔化焊丝的热源有哪些？答：焊丝的加热熔化主要靠阴极区(直流正接时)或阳极区(直流反接时)所产生的热量以及电流流经焊丝时产生的电阻热，弧柱的辐射热则是次要的。2. 影响焊丝熔化速度的因素有哪些？是如何影响的？答：影响焊丝熔化速度的因素很多，主要有焊接电流、电弧电压、焊丝直径、焊丝伸出长度、焊丝材料、焊丝极性、气体介质等。有焊接电流、电弧电压、焊丝直径、焊丝伸出长度、保护介质、焊丝材料的物理性能和表面状态以及电源特性等。(1) 焊接电流电弧热与电流成正比，电阻热与电流平方成正比。电流增大时，熔化焊丝的电阻热和电弧热增加，焊丝熔化速度加快。(2) 电弧电压
31、当电弧较长时（电弧电压较高），电弧电压对焊丝熔化速度影响很小。随着电弧电压降低（弧长缩短），熔化一定数量焊丝所需要的电流减小，相同的焊接电流所熔化的焊丝增加。(3) 焊丝直径电流一定时，焊丝直径越细电阻热越大，同时电流密度也越大从而使焊丝熔化速度增大。(4) 焊丝伸出长度其它条件一定时，焊丝伸出长度越长，电阻热越大，通过焊丝传导的热损失减少，所以焊丝熔化速度越快。(5)焊丝材料焊丝材料不同，电阻率也不同，所产生的电阻热不同，因而对熔化速度的影响也不同。不锈钢电阻率较大，会加快焊丝的熔化速度，尤其是伸出长度较长时影响更为明显。(6)焊丝极性焊丝为阴极（直流正接）时的熔化速度总是大于焊丝为阳极（直
32、流反接）时的熔化速度。（7）气体介质：当焊丝为阴极时，气体介质不同对阴极压降和电弧产热有直接影响，因而将直接影响焊丝熔化速度；当焊丝为阳极时，气体介质对阳极产热影响不大，因此对焊丝熔化速度影响很小。3. 熔滴在形成与过渡中受到哪些力的作用？答：熔滴上的作用力是影响熔滴过渡乃至焊缝成形的主要因素。熔滴上的作用力有：重力、表面张力、电弧力、熔滴爆破力以及电弧气体吹力等。电弧气体吹力：无论任何位置焊接，这种力都有利于焊接。电弧力：电磁收缩力： 等离子流力：等离子流力有助于熔滴脱离焊丝，并加速通过电弧空间进入熔池。等离子流力与焊丝直径和焊接电流密切相关。焊丝直径越细，电流越大，产生的等离子流力和流速越
33、大，对熔滴的推力也越大。大电流焊接时等离子流力会显著影响熔滴过渡特性。斑点压力：斑点压力包括正离子和电子对熔滴的撞击力、电极材料蒸发产生的反作用力及弧根面积很小时产生的指向熔滴的电磁收缩力。一定条件下，斑点压力都是阻碍熔滴过渡的。 阳极斑点压力小于阴极斑点压力，因此焊丝为阳极时熔滴过渡阻力较小。这是 很多熔化极电弧焊采用直流反接的主要原因之一。三种基本过渡形式的定义：自由过渡是指熔滴脱离焊丝末端前不与熔池接触，经电弧空间自由飞行进入熔池的一种过渡形式。接触过渡是通过焊丝末端的熔滴与熔池表面接触形成过桥而过渡的一种过渡形式。渣壁过渡是渣保护时的一种过渡形式。4 熔滴过渡有哪些常见的过渡形式？各有
34、什么特点？答：熔滴过渡常见的过渡形式有: 短路过渡、滴状过渡、喷射过渡（1） 短路过渡的特点 l）短路过渡是燃弧、短路交替进行。燃弧时电弧对焊件加热，短路时电弧熄灭，熔池温度降低。因此，调节燃弧时间或熄弧时间即可调节对焊件的热输入，控制母材熔深。2） 短路过渡时所使用的焊接电流（平均值）较小，但短路时的峰值电流可达平均电流的几倍，既可避免薄件的焊穿又能保证熔滴顺利过渡，有利于薄板焊接或全位置焊接。3） 短路过渡一般采用细丝（或细焊条），焊接电流密度大，焊接速度快，故对焊件热输入低，而且电弧短，加热集中，可减小焊接接头热影响区宽度和焊件变形。（2） 滴状过渡的特点 l）焊接电流较小而电弧电压较高
35、时会出现粗滴过渡（大颗粒过渡）形式。这种过渡形式由于熔滴大，形成的时间长，影响电弧的稳定性，焊缝成形粗糙，飞溅较大，没有应用价值。2）保持粗滴过渡（大颗粒过渡）形式的高电压不变，逐渐增加焊接电流，熔滴尺寸会显著减小，此时的熔滴过渡形式可称为细滴过渡（细颗粒过渡）。细滴过渡焊接生产率高， 飞溅较少，电弧稳定，焊缝成形较好，被广泛应用。（3） 喷射过渡的特点氩气或富氩气体保护焊接时在一定工艺条件下，会出现喷射过渡。通常分为射滴、亚射流、射流和旋转射流四种过渡形式。射滴过渡是介于滴状过渡与连续射流过渡之间的一种熔滴过渡形式。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，呈钟罩形。熔滴尺寸
36、较小，与焊丝直径相近。熔滴脱离焊丝后沿着焊丝轴向过渡，加速度大于重力加速度。其特点是熔滴过渡平稳，飞溅少，烟尘小，焊缝成型好；由于熔滴温度比粗滴过渡和射流过渡时低，焊丝熔化系数高。在钢焊丝脉冲氩弧焊和铝合金MIG 焊时经常使用。亚射流过渡是介于射滴过渡与短路过渡之间的一种过渡形式。 主要存在于铝、镁及其合金熔化极气体保护焊时。其特征是弧长比较短；过渡过程中既存在熔滴尺寸大约等于焊丝直径的射滴过渡，又伴随着瞬时短路过程。焊接过程稳定，基本没有飞溅，焊缝成形好。旋转射流过渡是当焊丝伸出长度较大，焊接电流比通常的射流过渡临界电流高出很多时（称为第二临界电流）出现的一种过渡形式。此时，熔滴是从金属液柱
37、的端头向四周被甩出， 因而造成电弧不稳，飞溅大，焊缝成形不良。射流过渡是喷射过渡中最富有代表性且用途广泛的一种过渡形式。获得射流过渡的条件是采用纯氩或富氩保护气氛，直流反接，保持高弧压（长弧），还必须使焊接电流大于某一临界值。在电弧力作用下焊丝端头的液态金属呈铅笔尖状液柱，细小的熔滴从液柱尖端一个接一个的以高速冲向熔池（其加速度可达重力加速度的几十倍），射流过渡在工艺上的主要优点是：(1) 焊接过程稳定，飞溅极少，焊缝成形质量好；(2) 由于电弧稳定，对保护气流的扰动作用小，故保护效果好；(3) 射流过渡电弧功率大，热流集中，对焊件的熔透能力强。而且过渡的熔滴沿电弧轴线高速流向熔池，使焊缝中心
38、部位熔深明显增大而呈指状熔深。5. 解释：熔敷效率、熔敷系数、损失率和飞溅率。答：熔敷效率：过渡到焊缝中的金属质量与使用的焊丝（条）金属质量之比定义为熔敷效率。熔敷系数：熔敷系数a 是指单位时间、单位电流所熔敷到焊缝中的焊丝金属质量。y损失率：损失率定义为；a - amay 100%m式中，为损失率； a为熔化系数； am为熔敷系数。y可用于评价焊接过程中焊丝金属的损失程度。飞溅率：飞溅损失的金属与熔化的焊丝（条）金属的重量百分比即为飞溅率。6. 试述短路过渡、滴状过渡和射流过渡可能产生的飞溅形式及其原因。答：（1）短路过渡飞溅短路过渡过程飞溅大小是衡量电弧稳定性的最直观的标志。 在短路过渡过
39、程中，熔滴与熔池接触时将形成缩颈。随着短路电流增大，缩颈变细，缩颈内的电流密度大大增加，使缩颈金属迅速加热，最后导致缩颈金属汽化爆炸，产生大量细颗粒飞溅。飞溅的多少与爆炸能量有关，即与此时的短路电流值有关。此时的电流称为短路峰值电流。该电流值越大，爆炸能量越大，飞溅越严重。所以减少飞溅的重要途径是改善电源的动特性，使之限制短路 峰值电流。另外，缩颈位置对飞溅的影响很大。 如果缩颈出现在熔滴与熔池之间，则缩颈爆炸力阻碍熔滴向熔池过渡，此时形成大量飞溅。如果缩颈位置出现在焊丝与熔滴之间，则缩颈爆炸力将促使熔滴向熔池过渡，飞溅较少。为此必须控制短路电流上升速度di/dt，使熔滴与熔池接触瞬间不能形成
40、缩颜，而在焊丝与熔滴之间形成缩颈，在表面张力和重力作用下，熔滴向熔池过渡，就可减少金属飞溅。（2） 滴状过渡飞溅CO 电弧焊或CO 含量大于 30的混合气体保护焊粗滴过渡时，因 CO 气体高温分解吸热222时对电弧有冷却作用，使电弧电场强度提高，电弧收缩，集中于熔滴顶部，弧根面积小于熔滴直径，此时形成的电磁收缩力阻碍熔滴过渡，易形成粗滴飞溅。细滴过渡时，飞溅较少，主要产生于熔滴与焊丝之间的缩颈处。因为该处电流密度较大， 使金属过热而爆断，形成颗粒细小的飞溅。但是，如果焊丝或工件清理不良或焊丝含 C 量较大，在熔化金属内部生成 CO 气体，当这些气体从熔化金属中析出时，将造成小滴金属飞溅。（3）
41、 射流过渡飞溅在进行富氩气体保护电弧焊接时，熔滴沿焊丝轴线方向以细滴状过渡。对于钢焊丝的射流过渡，焊丝端头呈“铅笔尖”状，被圆锥形电弧所笼罩。在细颈断面处，焊接电流不但由液态金属细颈流过，同时还通过电弧流过。由于电弧的分流作用，不存在液体小桥过热问题， 促使细颈破断和熔滴过渡的主要原因是受等离子流力而机械拉断，所以飞溅极少。在正常射流过渡情况下，飞溅率在1以下。在焊接参数不合理的情况下，如电流过高或焊丝伸出长度过大时，焊丝端头熔化部分变长，而它又被电弧包围着，焊丝端部液体表面能够产生金属蒸气，当受到某一扰动后，液柱发生弯曲，在金属蒸气的反作用推动下旋转，形成旋转射流过渡，此时熔滴可能会横向抛出
42、成为飞溅。第2章母材的熔化和焊缝成形熔化极电弧焊的热效率高于非熔化极电弧焊。埋弧焊热效率最高。1. 解释焊缝成形系数、焊缝熔合比的概念。答: 焊缝成形系数：焊缝的熔宽 B 与熔深 H 的比值（即B/H），称为焊缝成形系数。焊缝熔合比：单道焊时，在焊缝横截面上熔化的母材所占的面积与焊缝的总面积之比， 称为焊缝熔合比。2. 分析焊缝成形系数的大小对焊接质量的影响规律，说明常用的电弧焊方 法的焊缝成形系数的取值范围。答：在能够保证焊缝充分熔透的情况下，较小的焊缝成形系数，可以缩小焊缝宽度方向的无效加热范围，进而可以提高热效率及减小热影响区。但过小的焊缝成形系数，使焊缝截面过窄、熔池中的气体不易逸出，
43、在焊缝中容易产生气孔，同时结晶条件也恶化，熔池中的柱状晶容易对着生长，也会加大焊缝中产生夹杂及热裂纹的倾向。对于常用的电弧焊方法，焊缝成形系数一般取1.32。3. 分析电弧集中系数k 、工件表面电弧轴线上的比热流值q 这两个参数的m大小对焊缝成形的影响规律，说明电弧弧长、电弧电流等参数对比热流分布的 影响情况。答：在电弧有效热功率、电弧力等其它条件一定的条件下，对于电弧焊单道焊来说，电弧集中系数 k 增加，焊缝的熔深增加，焊缝的熔宽减小；反之，则焊缝的熔深减小，焊缝的熔宽增加。在电弧有效热功率、电弧力等其它条件一定的情况下，焊件表面电弧轴线上的比热流值 qm 增加， 焊缝的熔深增加，焊缝的熔深
44、减小；反之，则焊缝的熔深减小，焊缝的熔宽增加。（1） 电弧弧长对比热流分布的影响： 直流正接时，弧长对比热流分布的影响如图 1 所示：当电弧长度 l 增加时，电弧电压增加，电弧功率PT 及阳极功率 PA 均增大。阳极功率 PA 增加意味着电弧输入焊件的功率增加，但是，由于弧长增加导致散热增加，电弧的热效率减小，故能反映电弧热输入大小的阳极功率 PA 比电弧功率 PT 增加得小。同时焊件表面的加热斑点面积扩大，ra 增大，即电弧m集中系数 k 减小，所以比热流 q 减小，q(r)的分布渐趋平缓。图 1 弧长与比热流分布 q(r)之间的关系a) PT 和 PA 与弧长 l 的关系b)不同弧长 l
45、时的 q(r)（2） 电弧电流对比热流的影响：PPq电弧电流 I 对直流正接焊接时比热流分布的影响规律如图2 所示：电弧电流增加时，电弧功率及阳极功率均增加。由于电弧有效热功率 P 增加，有所增大；同时弧柱也扩TAmam张，分布半径 r 增大，虽然 q 有所增大，但电弧集中系数 k 有所减小。图 2 电弧电流与比热流分布 q(r)之间的关系a) PT 和 PA 与电流的关系b)不同电流时的 q(r)（3） 钨极端部角度和端部直径对比热流的影响：q在其它条件一定的情况下，随着钨极端部角度减小，焊件表面电弧轴线上的比热流值增加。在其它条件一定的情况下，随着钨极端部直径 d 减小，焊件表面电弧轴线上
46、的比mq热流值增加。m4. 分析熔池受到的力及其对焊缝成形的影响规律。答：焊接时，熔池所受到的力及其对焊缝成形的影响规律是：（1） 熔池金属的重力水平位置焊接时，熔池金属的重力有利于熔池的稳定性，有利于焊缝成形。空间位置焊接时，熔池金属的重力可能破坏熔池的稳定性，使焊缝成形变坏。(2) 表面张力如果熔池表面处材料的成分是均匀一致的，在电弧轴线下的熔池表面的温度最高，熔池四周的温度较低。那么表面张力梯度ddr0，熔池四周的表面张力大，电弧轴线下熔池中心处的表面张力最低，熔池表面的金属会从中心流向四周，因而形成的熔池宽而浅。当熔池金属中含有易于在表面偏析的元素时，在熔池表面较热的地方通过蒸发减小表面偏析而使表面张力增大，在这种情况下表面张力梯度ddr0，因而熔池表面的金属从四周流向中心，形成的熔池窄而深。（3) 焊接电弧力焊接电弧力包括斑点压力、电弧静压力、等离子流力等。在熔池中心处，较大的斑点压力促使液体金属向下流动，由于熔池中心的高温金属能把热量带向熔池底部，因而会使熔深加大。电弧静压力作用于熔池液体表面，使熔池形成下凹的形态。当等离子流力（电弧动压力）比较明显时，也对焊缝成形产生较大影响。例如，在富氩气体保护熔化极电弧焊射流过渡时，等离子流力与熔滴的冲击力
