任務(wù)一焊接方法與設(shè)備的基礎(chǔ)知識.doc

1、任務(wù)一焊接方法與設(shè)備的基礎(chǔ)知識教學(xué)目標： 了解電弧物理基礎(chǔ)和工藝特性；了解焊絲熔化特性與熔滴過渡形式；掌握母材熔化與焊縫成形的基本規(guī)律。教學(xué)活動設(shè)計： 利用多媒體課件輔助教學(xué)；教學(xué)重點： 電弧的熱特性、機械特性；熔滴過渡的形式；焊縫成形的基本規(guī)律。教學(xué)難點： 熔滴過渡形式的掌握學(xué)習(xí)單元一焊接電弧一、焊接電弧的物理本質(zhì)（一）電弧及其電場強度分布1 電弧的定義： 電弧是一種氣體放電現(xiàn)象， 它是帶電粒子通過兩電極之間氣體空間的一種導(dǎo)電過程。2 氣體導(dǎo)電必須具備的兩個條件：兩電極之間有帶電粒子；兩電極之間有電場。3 氣體放電隨電流的強弱而有不同的形式，如暗放電、輝光放電、電弧放電等。4 電弧放電的主要

2、特點是電流最大、電壓最低、溫度最高、發(fā)光最強。5 電弧的結(jié)構(gòu)：由圖可見，沿電弧長度方向的電場強度分布并不均勻。按電場強度分布的特征可將電弧分為三個區(qū)域：陰極附近的區(qū)域為陰極區(qū)，其電壓 Uk稱為陰極電壓降；中間部分為弧柱區(qū)，其電壓 Uc稱為弧柱電壓降；陽極附近的區(qū)域為陽極區(qū)，其電壓Ua稱為陽極電壓降。陽極區(qū)和陰極區(qū)占整個電弧長度的尺寸皆很小，約為-2-610 10cm，故可近似認為弧柱長度即為電弧長度。小資料：電弧作為導(dǎo)體不同于金屬導(dǎo)體，金屬導(dǎo)電是通過金屬內(nèi)部自由電子的定向移動形成電流，而電弧導(dǎo)電時，電弧氣氛中的電子、正離子、負離子都參與導(dǎo)電，同時，電弧的各區(qū)域電場強度分布不均勻，說明各區(qū)域的電

3、阻是不同的，即電弧電阻是非線性的。（二）電弧中帶電粒子的產(chǎn)生電弧兩極間帶電粒子產(chǎn)生的來源有：中性氣體粒子的電離、金屬電極發(fā)射電子、負離子形成等。其中 氣體電離和陰極發(fā)射電子是電弧中產(chǎn)生帶電粒子的兩個基本物理過程。1 氣體的電離(1) 電離：在外加能量作用下，使中性的氣體分子或原子分離成電子和正離子的過程稱為氣體電離。(2) 第一電離能： 中性氣體粒子失去第一個電子所需的最小外加能量，電離能通常以電子伏（ eV ）為單位。 1電子伏就是指 1個電子通過電位差為 1V 的兩點間所需做的功；失去第二個電子所需的能量稱為第二電離能，依此類推。電弧焊中的氣體粒子電離現(xiàn)象主要是一次電離。(3) 電離難易程

4、度：當其他條件（如氣體的解離性能、熱物理性能等）一定時，氣體電離電壓的大小反映了帶電粒子產(chǎn)生的難易程度。電離電壓低，表示帶電粒子容易產(chǎn)生，有利于電弧導(dǎo)電；相反，電離電壓高表示帶電粒子難以產(chǎn)生，電弧導(dǎo)電困難。(4) 電離種類 根據(jù)外加能量來源的不同，氣體電離種類可分為以下幾種：l ）熱電離氣體粒子受熱的作用而產(chǎn)生電離的過程稱為熱電離。它實質(zhì)上是由于氣體粒子的熱運動形成頻繁而激烈的碰撞產(chǎn)生的一種電離過程。電離度： 電弧中帶電粒子數(shù)的多少對電弧的穩(wěn)定起著重要作用。單位體積內(nèi)電離的粒子數(shù)與氣體電離前粒子總數(shù)的比值稱為電離度，用表示，即 x = 已電離的中性粒子密度/ 電離前的中性粒子密度電離度的影響因

5、素： 熱電離的電離度與溫度、氣體壓力及氣體的電離電壓有關(guān)。隨著溫度的升高，氣體壓力的減小及電離電壓的降低，電離度隨之增加，電弧中帶電粒子數(shù)增加，電弧的穩(wěn)定性增強。2 ）場致電離在兩電極間的電場作用下，氣體中的帶電粒子被加速，電能將轉(zhuǎn)換為帶電粒子的動能。當帶電粒子的動能增加到一定數(shù)值時，則可能與中性粒子發(fā)生非彈性碰撞而使之產(chǎn)生電離，這種電離稱為場致電離。3 ）光電離中性氣體粒子受到光輻射的作用而產(chǎn)生的電離過程稱為光電離。焊接電弧的光輻射只可能對K、Na 、Ca 、A1等金屬蒸氣直接引起光電離，而對焊接電弧氣氛中的其他氣體則不能直接引起光電離。因此，光電離只是電弧中產(chǎn)生帶電粒子的一種次要途徑。2

6、陰極電子發(fā)射(1) 電子發(fā)射： 陰極中的自由電子受到一定的外加能量作用時，從陰極表面逸出的過程稱為電子發(fā)射。逸出功：電子從陰極表面逸出需要能量， 1個電子從金屬表面逸出所需要的最低外加能量稱為逸出功（ Aw），單位是電子伏。因電子電量為常數(shù) e，故通常用逸出電壓（ Uw)來表示，Uw = A w / e ，單位為 V。逸出功的大小受電極材料種類及表面狀態(tài)的影響。當金屬表面存在氧化物時逸出功都會減小。（ 2）陰極斑點 陰極表面通?？梢杂^察到發(fā)出爍亮的區(qū)域，這個區(qū)域稱為陰極斑點。它是發(fā)射電子最集中的區(qū)域，即電流最集中流過的區(qū)域。“陰極破碎”作用：當采用鋼、銅、鋁等材料作陰極時（通常稱為冷陰極），其

7、斑點在陰極表面作不規(guī)則的游動，甚至可觀察到幾個斑點同時存在。由于金屬氧化物的逸出功比純金屬低，因而氧化物處容易發(fā)射電子。氧化物發(fā)射電子的同時自身被破壞，因而陰極斑點有清除氧化物的作用。陰極表面某處氧化物被清除后另一處氧化物就成為集中發(fā)射電子的所在。于是，斑點游動力圖尋找在一定條件下最容易發(fā)射電子的氧化物。如果電弧在惰性氣體中燃燒，陰極上某處氧化物被清除后不再生成新的氧化物，陰極斑點移向有氧化物的地方，接著又將該處氧化物清除。這樣就會在陰極表面的一定區(qū)域內(nèi)將氧化物清除干凈，顯露出金屬本色。這種現(xiàn)象稱為“陰極清理”作用或“陰極破碎”作用。(3 ）電子發(fā)射的類型根據(jù)外加能量形式的不同，電子發(fā)射可分為

8、以下四種類型：1 ）熱發(fā)射陰極表面因受到熱的作用而使其內(nèi)部的自由電子熱運動速度加大，動能增加，一部分電子動能達到或超出逸出功時產(chǎn)生的電子發(fā)射現(xiàn)象稱為熱發(fā)射。熱發(fā)射的強弱受材料沸點的影響。 當采用高沸點的鎢或碳作陰極時 （其沸點分別為 5950K和 4200K ），電極可被加熱到很高的溫度（一般可達 3500K 以上），此時，通過熱發(fā)射可為電弧提供足夠的電子。2 ）場致發(fā)射 當陰極表面空間存在一定強度的正電場時，陰極內(nèi)部的電子將受到電場力的作用。當此力達到一定程度時電子便會逸出陰極表面，這種電子發(fā)射現(xiàn)象稱為場致發(fā)射。當采用鋼、銅、鋁等低沸點材料作陰極時（其沸點分別為3013K 、 2868K 和

9、2770K ），陰極加熱溫度受材料沸點限制不可能很高，熱發(fā)射能力較弱，此時向電弧提供電子的主要方式是場致發(fā)射電子。實際上，電弧焊時純粹的場致發(fā)射是不存在的，只不過是在采用冷陰極時以場致發(fā)射為主，熱發(fā)射為輔而已。3 ）光發(fā)射當陰極表面受到光輻射作用時，陰極內(nèi)的自由電子能量達到一定程度而逸出陰極表面的現(xiàn)象稱為光發(fā)射。光發(fā)射在陰極電子發(fā)射中居次要地位。4 ）粒子碰撞發(fā)射電弧中高速運動的粒子（主要是正離子）碰撞陰極時，把能量傳遞給陰極表面的電子，使電子能量增加而逸出陰極表面的現(xiàn)象稱為粒子碰撞發(fā)射。焊接電弧中，陰極區(qū)有大量的正離子聚積，正離子在陰極區(qū)電場作用下被加速，獲得較大動能，撞擊陰極表面可能形成碰

10、撞發(fā)射。在一定條件下，這種電子發(fā)射形式也是焊接電弧陰極區(qū)提供導(dǎo)電所需要帶電粒子的主要途徑之一。實際焊接過程中，上述幾種電子發(fā)射形式常常是同時存在，相互促進，相互補充。只是在不同的條件下它們起的作用各不相同。（三）帶電粒子的消失電弧導(dǎo)電過程中，在產(chǎn)生帶電粒子的同時，伴隨著帶電粒子的消失過程。在電弧穩(wěn)定燃燒時，二者是處于動平衡狀態(tài)的。帶電粒子在電弧空間的消失主要有擴散、復(fù)合兩種形式和電子結(jié)合成負離子等過程。二、焊接電弧的導(dǎo)電特性焊接電弧的導(dǎo)電特性是指參與電荷的運動并形成電流的帶電粒子在電弧中產(chǎn)生、運動和消失的過程。在焊接電弧的弧柱區(qū)、陰極區(qū)和陽極區(qū)三個組成區(qū)域中，它們的導(dǎo)電特性是各不相同的。（一）

11、弧柱區(qū)的導(dǎo)電特性弧柱的溫度很高，且隨電弧氣體介質(zhì)、電流大小的不同而異，大約在5000 50000K 之間。電弧穩(wěn)定燃燒時，弧柱與周圍氣體介質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)。當弧柱溫度很高時，可使其中的大部分中性粒子電離成電子和正離子。由于正離子和電子的空間密度相同，兩者的總電荷量相等，所以宏觀上看弧柱呈電中性。電弧等離子體：弧柱是包含大量電子、正離子等帶電粒子和中性粒子等聚合在一起的氣體狀態(tài)。這種狀態(tài)又稱為電弧等離子體。電弧等離子體雖然對外呈現(xiàn)電中性，但由于其內(nèi)部有大量電子和正離子等帶電粒子，所以具有良好的導(dǎo)電性能。弧柱單位長度上的電壓降（即電位梯度）稱為弧柱電場強度E。E的大小表征弧柱的導(dǎo)電性能，弧柱的導(dǎo)電

12、性能好，則所要求的E值小。顯然，當弧柱中通過大電流時，電離度提高，E 值將減少。電場強度 E和電流的乘積 E，相當于電源供給每單位弧長的電功率，它將與弧柱的熱損失相平衡。由此可見：電場強度E的大小與電弧的氣體介質(zhì)有關(guān)；E的大小將隨弧柱的熱損失情況而自行調(diào)整。最小電壓原理：弧柱在穩(wěn)定燃燒時，有一種使自身能量消耗最小的特性。即當電流和電弧周圍條件（如氣體介質(zhì)種類、溫度、壓力等）一定時，穩(wěn)定燃燒的電弧將自動選擇一個確定的導(dǎo)電截面，使電弧的能量消耗最小。當電弧長度也為定值時，電場強度的大小即代表了電弧產(chǎn)熱量的大小，因此，能量消耗最小時的電場強度最低，即在固定弧長上的電壓降最小，這就是最小電壓原理。應(yīng)用

13、實例：電流和電弧周圍條件一定時，如果電弧截面面積大于或小于其自動確定的截面，都會引起電場強度增大，使消耗的能量增多，違反最小電壓原理。解釋：因為電弧截面增大時，電弧與周圍介質(zhì)的接觸面增大，電弧向周圍介質(zhì)散失的熱量增加，要求電弧產(chǎn)生更多的能量與之相平衡，即要求增加。而焊接電流I是一定的，只能是電弧電場強度增加；反之，若電弧截面減小，則在一定的情況下，電流密度必然增加，導(dǎo)致增大。所以說，電弧將自動確定一個截面，在這一截面下，使最小，即消耗的能量最小。（二）陽極區(qū)的導(dǎo)電特性陽極區(qū)是指靠近陽極的很小一個區(qū)域，在電弧中，它的主要作用是接受弧柱中送來的電子流，同時向弧柱提供所需要的正離子流。1 陽極斑點在

14、陽極表面也可看到爍亮的區(qū)域，這個區(qū)域稱為陽極斑點。弧柱中送來的電子流，集中在此處進入陽極，再經(jīng)電源返回陰極。陽極斑點的電流密度比陰極斑點的小，它的形態(tài)與電極材料及電流大小有關(guān)。由于金屬蒸氣的電離電壓比周圍氣體介質(zhì)的低，因而電離易在金屬蒸氣處發(fā)生。如果陽極表面某一區(qū)域產(chǎn)生均勻的金屬熔化和蒸發(fā)，或這些區(qū)域的蒸發(fā)比其他區(qū)域更強烈，則這個區(qū)域便成為陽極導(dǎo)電區(qū)。三、焊接電弧的工藝特性電弧焊以電弧為能源，主要利用其熱能及機械能。焊接電弧與熱能及機械能有關(guān)的工藝特性，主要包括電弧的熱能特性、電弧的力學(xué)特性、電弧的穩(wěn)定性等。（一）電弧的溫度分布電弧各部分的溫度分布受電弧產(chǎn)熱特性的影響，電弧組成的三個區(qū)域產(chǎn)熱特

15、性不同，溫度分布也有較大區(qū)別。電弧溫度的分布特點可從軸向和徑向兩個方面比較：軸向 陰極區(qū)和陽極區(qū)的溫度較低，弧柱溫度較高。造成這一結(jié)果的原因是：電極受材料沸點的限制，加熱溫度一般不能超過其沸點；而弧柱中的氣體或金屬蒸氣不受這一限制，且氣體介質(zhì)的導(dǎo)熱特性也不如金屬電極的導(dǎo)熱性好，熱量不易散失，故有較高的溫度。陰極、陽極的溫度則根據(jù)焊接方法的不同有所差。（二）電弧的力學(xué)特性電弧力不僅直接影響焊件的熔深及熔滴過渡，而且也影響到熔池的攪拌、焊縫成形及金屬飛濺等，因此，對電弧力的利用和控制將直接影響焊縫質(zhì)量。電弧力主要包括電磁收縮力、等離子流力、斑點力等。1 電弧力及其作用（ 1）電磁收縮力 當電流流過

16、導(dǎo)體時，電流可看成是由許多相距很近的平行同向電流線組成，這些電流線之間將產(chǎn)生相互吸引力。如果是可變形導(dǎo)體（液態(tài)或氣態(tài)），將使導(dǎo)體產(chǎn)生收縮，這種現(xiàn)象稱為電磁收縮效應(yīng)，產(chǎn)生電磁收縮效應(yīng)的力稱為電磁收縮力。這個電磁收縮力往往是形成其他電弧力的力源。焊接電弧是能夠通過很大電流的氣態(tài)導(dǎo)體，電磁效應(yīng)在電弧中產(chǎn)生的收縮力表現(xiàn)為電弧內(nèi)的徑向壓力。通常電弧可看成是一圓錐形的氣態(tài)導(dǎo)體。電極端直徑小，焊件端直徑大。由于不同直徑處電磁收縮力的大小不同，直徑小的一端收縮壓力大， 直徑大的一端收縮壓力小，因此將在電弧中產(chǎn)生壓力差，形成由小直徑端（電極端）指向大直徑端（工件端）的電弧軸向推力。而且電流越大，形成的推力越大。

17、電弧軸向推力在電弧橫截面上分布不均勻，弧柱軸線處最大，向外逐漸減小，在焊件上此力表現(xiàn)為對熔池形成的壓力，稱為電磁靜壓力。這種分布形式的力作用在熔池上，則形成碗狀熔深焊縫形狀。（ 2）等離子流力 高溫氣體流動時要求從電極上方補充新的氣體， 形成有一定速度的連續(xù)氣流進入電弧區(qū)。新加入的氣體被加熱和部分電離后，受軸向推力作用繼續(xù)沖向焊件，對熔池形成附加的壓力，如圖1-8 所示。熔池這部分附加壓力是由高溫氣流（等離子氣流）的高速運動引起的，所以稱為等離子流力，也稱為電弧的電磁動壓力。等離子流力可增大電弧的挺直性，在熔化極電弧焊時促進熔滴軸向過渡，增大熔深并對熔池形成攪拌作用。（ 3）斑點力 電極上形成

18、斑點時，由于斑點處受到帶電粒子的撞擊或金屬蒸發(fā)的反作用而對斑點產(chǎn)生的壓力，稱為斑點壓力或斑點力。陰極斑點力比陽極斑點力大，主要原因是：陰極斑點承受正離子的撞擊，陽極斑點承受電子的撞擊，而正離子的質(zhì)量遠大于電子的質(zhì)量，且陰極壓降一般大于陽極壓降，所以陰極斑點承受的撞擊遠大于陽極斑點；陰極斑點的電流密度比陽極斑點的電流密度大，金屬蒸發(fā)產(chǎn)生的反作用力也比陽極斑點大。由于陰極斑點力大于陽極斑點力，所以在直流電弧焊時可通過采用反接法來減小這種影響。熔化極氣體保護焊采用直流反接，可以減小熔滴過渡的阻礙作用，減少飛濺，鎢極氬弧焊采用直流反接，由于陰極斑點位于焊件上，正離子的撞擊使電弧具有陰極清理作用。（三）

19、焊接電弧的穩(wěn)定性焊接電弧的穩(wěn)定性是指電弧保持穩(wěn)定燃燒（不產(chǎn)生斷弧、飄移和偏吹等）的程度。電弧焊過程中，當電弧電壓和焊接電流為某一定值時，電弧放電可在長時間內(nèi)連續(xù)進行且穩(wěn)定燃燒的性能稱為電弧的穩(wěn)定性。電弧的穩(wěn)定燃燒是保證焊接質(zhì)量的一個重要因素，因此維持電弧的穩(wěn)定性是非常重要的。電弧不穩(wěn)定的原因除操作人員技術(shù)熟練程度外，還與下列因素有關(guān)。1 焊接電流焊接電流大，電弧的溫度就增高，則電弧氣氛中的電離程度和熱發(fā)射作用就增強，電弧燃燒也就越穩(wěn)定。通過實驗測定，電弧穩(wěn)定性的結(jié)果表明：隨著焊接電流的增大，電弧的引燃電壓就降低；同時，隨著焊接電流的增大，自然斷弧的最大弧長也增大。所以焊接電流越大，電弧燃燒越穩(wěn)

20、定。2 磁偏吹電弧在其自身磁場作用下具有一定的挺直性，使電弧盡量保持在焊絲（條）的軸線方向上，即使當焊絲（條）與焊件有一定傾角時，電弧仍將保持指向焊絲（條）軸線方向，而不垂直于焊件表面，如圖1-13 所示。但在實際焊接中，由于多種因素的影響，電弧周圍磁力線均勻分布的狀況被破壞，使電弧偏離焊絲（條）軸線方向，這種現(xiàn)象稱為磁偏吹，如圖1-14所示。一旦產(chǎn)生磁偏吹，電弧軸線就難以對準焊縫中心，導(dǎo)致焊縫成形不規(guī)則，影響焊接質(zhì)量。引起磁偏吹的根本原因主要有：1 ）導(dǎo)線接線位置。導(dǎo)線接在焊件的一側(cè)，焊接時電弧左側(cè)的磁力線由兩部分疊加組成：一部分是電流通過電弧產(chǎn)生；另一部分由電流通過焊件產(chǎn)生。而電弧右側(cè)磁力

21、線僅由電流通過電弧本身產(chǎn)生，所以電弧兩側(cè)受力不平衡，偏向右側(cè)。2 ）電弧附近的鐵磁物體。 當電弧附近放置鐵磁物體 （如鋼板）時，因鐵磁物體磁導(dǎo)率大，磁力線大多通過鐵磁物體形成回路，使鐵磁物體一側(cè)磁力線變稀，造成電弧兩側(cè)磁力線分布不均勻，產(chǎn)生磁偏吹，電弧偏向鐵磁物體一側(cè)。在實際生產(chǎn)中，為減弱磁場偏吹的影響可優(yōu)先選用交流電源；采用直流電源時，則在焊件兩端同時接地線，以消除導(dǎo)線接線位置不對稱所帶來的磁偏吹，并盡可能在周圍沒有鐵磁物質(zhì)的地方焊接。同時，壓短電弧，使焊絲向電弧偏吹方向傾斜，也是減弱磁偏吹影響的有效措施。5 其他影響因素電弧長度對電弧的穩(wěn)定性也有較大的影響，如果電弧太長，電弧就會發(fā)生劇烈擺

22、動，從而破壞了焊接電弧的穩(wěn)定性，而且飛濺也增大。焊接處如有油漆、油脂、水分和銹層等存在時，也會影響電弧燃燒的穩(wěn)定性。此外，強風(fēng)、氣流等因素也會造成電弧偏吹，同樣會使電弧燃燒不穩(wěn)定。因此焊前做好焊件坡口表面及附近區(qū)域的清理工作十分重要。焊接中除選擇并保持合適的電弧長度外，還應(yīng)選擇合適的操作場所，使外界對電弧穩(wěn)定性的影響盡可能降低。學(xué)習(xí)單元二焊絲的熔化與熔滴過渡電弧焊時，焊絲的末端在電弧的高溫作用下加熱熔化，形成的熔滴通過電弧空間向熔池轉(zhuǎn)移的過程稱為熔滴過渡。 焊絲形成的熔滴作為填充金屬與熔化的母材共同形成焊縫。因此，焊絲的加熱熔化及熔滴過渡將對焊接過程和焊縫質(zhì)量產(chǎn)生直接的影響。一、焊絲的加熱和熔

23、化特性（一）焊絲的熱源電弧焊時，用于加熱、熔化焊絲的熱源是電弧熱和電阻熱。熔化極電弧焊時，焊絲的熔化主要靠陰極區(qū)（正接）或陽極區(qū)（反接）所產(chǎn)生的熱量及焊絲伸出長度上的電阻熱，弧柱區(qū)產(chǎn)生的熱量對焊絲的加熱熔化作用較小。非熔化極電弧焊（如鎢極氬弧焊或等離子弧焊）的填充焊絲主要靠弧柱區(qū)產(chǎn)生的熱量熔化。1 電弧熱由此可以看出，兩電極區(qū)的產(chǎn)熱功率都與焊接電流成正比。當焊接電流一定時，陰極區(qū)的產(chǎn)熱功率取決于 與 U的差值；陽極區(qū)的產(chǎn)熱量取決于 U。在細絲熔化極氣體保護電弧焊、使用含有 CaF 2焊劑的埋弧焊或使用堿性焊條電弧焊等情況下，當采用同樣大小的焊接電流焊接同一種材料時，焊絲作為陰極時的產(chǎn)熱功率比作

24、為陽極時的產(chǎn)熱功率多，在散熱條件相同時，焊絲作陰極比作陽極時熔化速度快。2 電阻熱焊絲的熔化速度除了受電弧熱影響之外，同時還受到電阻熱的影響。熔化極電弧焊時，焊絲只在通過導(dǎo)電嘴時才和焊接電源接通。因此，討論焊絲的加熱和熔化，實際上是分析焊絲伸出部分的受熱情況， 因為焊絲伸出部分有電流流過時所產(chǎn)生的電阻熱對焊絲有預(yù)熱作用。熔化焊絲的電阻熱取決于焊絲材料及焊絲伸出長度。一般情況下，對于鋁、銅等良導(dǎo)體，與 或相比很小，可忽略不計。而對電阻率高的不銹鋼等常用的鋼焊絲材料作用較大，不可忽略。二、熔滴上的作用力電弧焊時，在電弧熱作用下焊絲或焊條端部受熱熔化形成熔滴。熔滴上的作用力是影響熔滴過渡及焊縫成型的

25、主要因素。根據(jù)熔滴上的作用力來源不同，可將其分為重力、表面張力、電弧力、熔滴爆破力和電弧氣體的吹力。重力重力對熔滴過渡的影響依焊接位置的不同而不同。平焊時，熔滴上的重力促使熔滴過渡；而在立焊及仰焊位置則阻礙熔滴過渡，如圖1-20 所示。重力 Fg可表示為：Fg= mg = (4/3) r3g式中， r 是熔滴半徑； 是熔滴密度； g 是重力加速度。表面張力表面張力是指焊絲端部保持熔滴的作用力，用F表示，大小為F式中，是焊絲半徑；是表面張力系數(shù)。的數(shù)值與材料成分、溫度、氣體介質(zhì)等因素有關(guān)。表1-6 列舉了一些純金屬的表面張力系數(shù)。表1-1 純金屬的表面張力系數(shù)金屬種類MgZnA1CuFeTiMo

26、W /（10 -3Nm-1）6507709001150 1220 1510 2250 2680平焊時，表面張力 F阻礙熔滴過渡（見圖 1-22) ，因此，只要是能使F減小的措施都將有利于平焊時的熔滴過渡。 由式 F可知，使用小直徑及表面張力系數(shù)小的能達到這一目的。除平焊之外的其他位置焊接時，表面張力對熔滴過渡有利。若熔滴上含少量活化物質(zhì)（如 O 2、S等）或熔滴溫度升高，都會減小表面張力系數(shù)，有利于形成細顆粒熔滴過渡。3 電弧力電弧力指電弧對熔滴和熔池的機械作用力，包括電磁收縮力、等離子流力、斑點力等。電弧力對熔滴過渡的作用不盡相同，需根據(jù)不同情況具體分析（已在第一節(jié)中作過分析）。電磁收縮力形

27、成的軸向推力以及等離子流力可在熔化極電弧焊中促使熔滴過渡；斑點力總是阻礙熔滴過渡的作用力。有一點必須指出，電弧力只有在焊接電流較大時才對熔滴過渡起主要作用，焊接電流較小時起主要作用的往往是重力和表面張力。4 熔滴爆破力當熔滴內(nèi)部因冶金反應(yīng)而生成氣體或含有易蒸發(fā)金屬時，在電弧高溫作用下將使氣體積聚、膨脹而產(chǎn)生較大的內(nèi)壓力，致使熔滴爆破，這一內(nèi)壓力稱為熔滴爆破力。它在促使熔滴過渡的同時也產(chǎn)生飛濺。5 電弧的氣體吹力這種力出現(xiàn)在焊條電弧焊中。焊條電弧焊時，焊條藥皮的熔化滯后于焊芯的熔化，這樣在焊條的端頭形成套筒。 此時藥皮中造氣劑產(chǎn)生的氣體及焊芯中碳元素氧化的CO 氣體在高溫作用下急劇膨脹，從套筒中

28、噴出作用于熔滴。不論是何種位置的焊接，電弧氣體吹力總是促進熔滴過渡。三、熔滴過渡的主要形式及特點熔滴過渡過程不但影響電弧的穩(wěn)定性，而且對焊縫成形和冶金過程也有很大的影響，熔滴過渡過程十分復(fù)雜，主要過渡形式有自由過渡、接觸過渡和渣壁過渡三種。各種過渡所對應(yīng)的熔滴及電弧形狀如圖1-22 所示。（一）自由過渡自由過渡是指熔滴經(jīng)電弧空間自由飛行，焊絲端頭和熔池之間不發(fā)生直接接觸的過渡方式。如果過渡的熔滴直徑比焊絲直徑大時，稱為滴狀過渡。過渡的熔滴直徑比焊絲直徑小時，則稱為噴射過渡；在電弧氣氛或保護氣體中含有CO 2氣體時，有時會發(fā)生爆炸現(xiàn)象，使部分熔滴金屬爆炸成為飛濺，而只有部分金屬得以過渡，這種形式

29、稱為爆破過渡。常用的自由過渡是滴狀過渡和噴射過渡。1 滴狀過渡滴狀過渡時電弧電壓較高，根據(jù)電流大小、極性和保護氣體的種類不同，滴狀過渡又分為粗滴過渡和細滴過渡。（ 1）粗滴過渡 當電流較小而電弧電壓較高時，弧長較長，熔滴不與熔池短路接觸，熔滴尺寸逐漸長大。當重力足以克服熔滴的表面張力時，熔滴便脫離焊絲端部進入熔池（小電流時電弧力忽略）。粗滴過渡時熔滴存在時間長，尺寸大，飛濺也大，電弧的穩(wěn)定性及焊縫質(zhì)量都較差。（ 2）細滴過渡 與粗滴過渡相比，細滴過渡電流較大，相應(yīng)的電磁收縮力增大，表面張力減小，熔滴存在時間縮短，熔滴細化，過渡頻率增加。電弧穩(wěn)定性較高，飛濺較少，焊縫質(zhì)量提高，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)中。

30、氣體介質(zhì)不同或焊接材料不同時，細滴過渡特點又有不同。在 CO 2氣體保護電弧焊和酸性焊條電弧焊中，熔滴呈非軸向過渡；而在鋁合金熔化極氬弧焊或較大電流活性氣體保護焊焊鋼件時，熔滴呈軸向過渡。相比之下，前者比后者飛濺大。2 噴射過渡噴射過渡容易出現(xiàn)在以氬氣或富氬氣體作保護氣體的焊接方法，如熔化極氬弧焊、活性氣體保護焊中。噴射過渡時，細小的熔滴從焊絲端部連續(xù)不斷地以高速度沖向熔池（加速度可達重力加速度的幾十倍），過渡頻率快，飛濺少，電弧穩(wěn)定，熱量集中，對焊件的穿透力強，可得到焊縫中心部位熔深明顯增大的指狀焊縫。噴射過渡適合焊接厚度較大（3mm ）的焊件，不適宜焊接薄板。（二）接觸過渡接觸過渡是指焊絲

31、（或焊條）端部的熔滴與熔池表面通過接觸而過渡的方式。根據(jù)接觸之前熔滴的大小不同，該過渡方式又可分為兩種形態(tài)：小滴時電磁收縮力的作用大于表面張力，通常形成短路過渡；大滴時表面張力作用大于電磁收縮力，靠熔滴和熔池表面接觸后所產(chǎn)生的表面張力使之過渡，稱為搭橋過渡。1 ，短路過渡電弧引燃后，隨著電弧的燃燒，焊絲（或焊條）端部熔化形成熔滴并逐步長大。當電流較小，電弧電壓較低時，弧長較短，熔滴未長成大滴就與熔池接觸形成液態(tài)金屬短路，電弧熄滅，隨之金屬熔滴過渡到熔池中去。熔滴脫落之后電弧重新引燃，如此交替進行，這種過渡形式稱為短路過渡。 在熔化極電弧焊中， 使用堿性焊條的焊條電弧焊及細絲 （直徑1.6mrn

32、 ）氣體保護電弧焊，熔滴過渡形式主要為短路過渡。短路過渡的特點1 ）短路過渡是燃弧、熄弧交替進行的。燃弧時電弧對焊件加熱，熄弧時熔滴形成縮頸過渡到熔池。通過對短路過渡電弧的燃燒及熄滅時間進行調(diào)節(jié)，就可調(diào)節(jié)對焊件的熱輸入量，控制焊縫形狀（主要是焊縫厚度）。2 ）短路過渡時，平均焊接電流較小，而短路電流峰值又相當大，這種電流形式既可避免薄板的焊穿，又可保證熔滴過渡的順利進行，有利于薄板焊接或全位置焊接。3 ）短路過渡時，一般使用小直徑的焊絲或焊條，電流密度較大，電弧產(chǎn)熱集中，焊絲或焊條熔化速度快，因而焊接速度快。同時，短路過渡的電弧弧長較短，焊件加熱區(qū)較小，可減小焊接接頭熱影響區(qū)寬度和焊接變形量，

33、提高焊接接頭質(zhì)量。2 搭橋過渡上面討論的是熔化極電弧焊熔滴過渡情況。實際焊接中，與短路過渡相似的還有一種搭橋過渡，這種過渡出現(xiàn)在非熔化極填絲電弧焊或氣焊中。因焊絲一般不通電，因此不稱為短路過渡。搭橋過渡時，焊絲在電弧熱作用下熔化形成熔滴與熔池接觸，在表面張力、重力和電弧力作用下，熔滴進入熔池。（三）渣壁過渡渣壁過渡是熔滴沿著熔渣的壁面流入熔池的一種過渡形式。這種過渡方式只出現(xiàn)在埋弧焊和焊條電弧焊中。埋弧焊時熔滴沿熔渣壁過渡；焊條電弧焊時熔滴沿藥皮套筒壁過渡。埋弧焊時，電弧在熔渣形成的空腔內(nèi)燃燒，熔滴主要通過渣壁流入熔池，只有少量熔滴通過空腔內(nèi)的電弧空間進入熔池。埋弧焊的熔滴過渡頻率及熔滴尺寸與

34、極性、電弧電壓和焊接電流有關(guān)。直流反接時，若電弧電壓較低，則氣泡較小，形成的熔滴較細小，沿渣壁以小滴狀過渡，頻率較高，每秒可以達幾十滴；直流正接時，以粗滴狀過渡，頻率較小，每秒僅10 滴左右。熔滴過渡頻率隨電流的增加而增大，這一特點在直流反接時表現(xiàn)得尤為明顯。焊條電弧焊時，熔滴過渡形式可能有四種：渣壁過渡、粗滴過渡、細滴過渡和短路過渡，過渡形式取決于藥皮成分和厚度、焊接參數(shù)、電流種類和極性等。當采用厚藥皮焊條焊接時，焊芯比藥皮熔化快，使焊條端頭形成有一定角度的藥皮套筒，控制熔滴沿套筒壁落入熔池，形成渣壁過渡。學(xué)習(xí)單元三母材熔化與焊縫成形電弧焊過程中，熔化焊絲與母材的焊接熱源不斷地移動，使得不同

35、位置的焊縫所受的熱循環(huán)作用不同，焊縫成形特點和規(guī)律也不同。本節(jié)主要介紹對接接頭單道焊縫的成形規(guī)律與影響因素、缺陷的形成原因及其改善措施。一、焊縫形成過程在電弧熱的作用下焊絲與母材被熔化，在焊件上形成一個具有一定形狀和尺寸的液態(tài)熔池。隨著電弧的移動熔池前端的焊件不斷被熔化進入熔池中，熔池后部則不斷冷卻結(jié)晶形成焊縫。熔池的形狀不僅決定了焊縫的形狀，而且對焊縫的組織、力學(xué)性能和焊接質(zhì)量有重要的影響。接頭的形式和空間位置不同，則重力和表面張力對熔池的作用也不同；焊接工藝方法和焊接參數(shù)不同，則熔池的體積和熔池的長度等都不同。平焊位置時熔池處于最穩(wěn)定的位置，容易得到成形良好的焊縫。在生產(chǎn)中常采用焊接翻轉(zhuǎn)機

36、或焊接變位機等裝置來回轉(zhuǎn)或傾斜焊件，使接頭處于水平或船形位置進行焊接。在空間位置焊接時，由于重力的作用有使熔池金屬下淌的趨勢，因此要限制熔池的尺寸或采取特殊措施控制焊縫的成形。例如采用強迫成形裝置來控制焊縫的成形，在氣電立焊和電渣焊時皆采用這種措施。二、焊縫形狀與焊縫質(zhì)量的關(guān)系焊縫的形狀即是指焊件熔化區(qū)橫截面的形狀，它可用焊縫有效厚度 s、焊縫寬度和余高三個參數(shù)來描述。圖1-30 所示為對接和角接接頭的焊縫形狀以及各參數(shù)的意義。合理的焊縫形狀要求 s、和之間有適當?shù)谋壤?，生產(chǎn)中常用焊接成形系數(shù)=和余高系數(shù)來表征焊縫成形的特點。焊縫厚度是焊縫質(zhì)量優(yōu)劣的主要指標，焊縫寬度和余高則應(yīng)與焊縫厚度有合理的比例。焊縫成形系數(shù)小，表示焊縫深而窄， 既可縮小焊縫寬度方向的無效加熱范圍，又可提高熱效率和減小熱影響區(qū)，因而從熱利用的角度來看是十分有利的。若想得到焊縫成形系數(shù)小的焊縫就必須有熱量集中的熱源，獲得較高的能量密度。但若過小，焊縫截面過窄，則不利于氣體從熔池中逸出，容易在焊縫中產(chǎn)生氣孔，且使結(jié)晶條件惡化，增大產(chǎn)生夾渣和裂紋的傾向。因此，實際焊接時，在保證焊透（或達到足夠焊縫厚度）的前提下焊縫成形系數(shù)大小應(yīng)根據(jù)焊縫產(chǎn)生裂紋和氣孔的敏