焊接直流正接與反接的研究

1、直流正接和直流反接的研究一、焊接電弧的導電機構1、陰極區(qū)的導電機構陰極區(qū)的總電流是由電子流和正離子流共同組成的。其中電子流主要由來陰極發(fā)射，正離子來自弧柱區(qū)和陰極區(qū)自身氣體的電離。電子流占總電流的比率取決于電極材料的種類、電流大小、氣體介質等工作條件。一般情況下，陰極區(qū)電子流占總電流的比率為60%80%但是電弧種類不同時，該比率相差很大，有時可超過97.5%,有時可以認為小到接近于零。陰極區(qū)的導電機構有以下兩類：熱發(fā)射型當采用W、C等熱陰極材料作為陰極，而且流過大電流時，能發(fā)生熱發(fā)射導電。在這種情況下，陰極區(qū)可以達到很高的溫度，因此可以產生很強烈的電子熱發(fā)射。如果電流足夠大，陰極通過熱發(fā)射就能

2、夠提供弧柱區(qū)所需要的電子流比率。陰極表面以為的區(qū)域將于弧柱區(qū)沒有區(qū)別，其電流組成于弧柱區(qū)的相同（電子流比率約占99.9%）,其空間電荷總和為零，對外呈中性。陰極表面導電區(qū)的電流密度也與弧柱區(qū)的相近（約為103A/cm2）,此導電機構在陰極表面不形成陰極斑點，陰極區(qū)的電壓降很小，甚至為零。在大電流鴇極氮弧焊時這種導電機構占主要地位。場致發(fā)射型當采用Cu、FeAl等冷陰極材料作為陰極，或采用W、C等熱陰極型材料作為陰極但電流比較小的時，將主要發(fā)生場致發(fā)射型導電。冷陰極型電極受材料沸點的限制，其表面的溫度不能開得很高，因此陰極表面不可能產生強烈的電子熱發(fā)射。由于最初電子供應不足，使得靠近陰極的區(qū)域正

3、負電荷處于非平衡狀態(tài)，正離子過剩并造成堆積，形成正的空間電荷，因而在陰極表面的前面形成局部較高的電場。只要陰極不能發(fā)出足夠的電子數量，正離子將繼續(xù)堆積，電場強度將繼續(xù)增加。當電場強度足夠大時，就會使陰極表面的電子沖破束縛發(fā)射出來，即產生場致發(fā)射。而且從陰極發(fā)射出來的電子在此較強的電場強度作用下被強烈加速，向弧柱區(qū)方向運動。當其動能大于氣體的電離能Wi時，有一部分電子就能在陰極區(qū)的終端（接近弧柱區(qū)的部位）與中性粒子發(fā)生激烈碰撞并使其發(fā)生電離。電離出來的電子與陰極直接發(fā)射的電子一起向弧柱區(qū)方向運動，使電子流的比率最終達到弧柱區(qū)電子流的比率，電離出來的正離子與從弧柱區(qū)來的正離子一起向陰極運動，使正離

4、子流占陰極區(qū)總電流的比率大大增加。在場致發(fā)射型導電時，陰極表面的有陰極斑點。當用W、C等材料做陰極且電流較小時，陰極斑點時固定不動的，電流密度較低，即使是交流電弧也很穩(wěn)定。當用Cu、FeAl等材料作為陰極時，陰極斑點時游動的，電弧自動選擇有利于場致發(fā)射的點作為陰極斑點。陰極斑點可能是一個，也可能是多個，電流密度較高，在交流情況下電弧穩(wěn)定。2、陽極區(qū)的導電機構電弧燃燒時，陽極區(qū)的主要接受來自弧柱的占總電流的99.9%的電子流，同時，還要向弧柱區(qū)發(fā)送約占總電流0.1%的正離子流。每一個電子到達陽極時，將向陽極釋放出相當于電子逸出功的能量。但是，陽極向弧柱區(qū)提供正離子流相對復雜一些，因為陽極不能發(fā)射

5、正離子，正離子只能由陽極區(qū)供給。根據電弧電流密度的大小，陽極區(qū)可以通過兩種不同的方式提供正離子。場致電離當電流密度較小時，在陽極區(qū)難以發(fā)生熱電離過程，陽極前面的正離子不足，正離子數少于電子數，因此陽極前方能夠形成負的空間電荷和空間電場，因此能產生一定的陽極壓降Uao在陽極壓降的作用下，來自弧柱區(qū)的電子被加速，其動能大大提高。此時，電子不僅擁有弧柱區(qū)給予的動能，而且增加了陽極區(qū)給予的動能。當陽極壓降Ua增加到一定程度時，其中有一部分電子與中性粒子發(fā)生碰撞后產生場致電離。生成的電子與弧柱來的電子共同組成陽極電流進入陽極，生成的正離子流達到總電流的的0.1%時，陽極壓降Ua不再繼續(xù)升高，而保持穩(wěn)定。

6、熱電離當電流密度較大時，陽極表面及其前面的溫度都很高，陽極的溫度可以達到陽極材料的沸點，因此能發(fā)生蒸發(fā)，使得陽極區(qū)充滿大量的蒸氣。金屬蒸氣中原子的電離能一般都比較低，因此在高溫的作用下容易發(fā)生電離。電離生成的電子與來自弧柱區(qū)的電子一起奔向陽極，而生成的正離子即可不斷地向弧柱區(qū)輸送。如果焊接電流足夠大，陽極區(qū)的溫度將很高，陽極區(qū)能通過熱電離完全滿足弧柱區(qū)對正離子的需要。此時，陽極區(qū)的壓降可以降到很低，甚至接近于零。電弧與陽極接觸處不產生收縮，也不形成陽極斑點。例如，大電流熔化極焊接和大電流鴇極氮弧焊時，經測定陽極區(qū)的壓降接近與零。陽極壓降除了與焊接電流有關外，還與電極材料的導熱性有關，在相同的條

7、件下，陽極材料的導熱性能越強，陽極壓降越大。許多研究表明，一般電弧焊時，陰極和陽極產生的熱量相近，但由于陰極發(fā)射電子消耗的能量較多，故其溫度比陽極低一些。陰極溫度為22003500K,而陽極溫度為24004200（二、焊接電弧力焊接電弧燃燒時，不僅能產生熱，而且能產生機械作用力，包括電磁收縮力、等離子流力、斑點壓力等，這些力統(tǒng)稱為焊接電弧力。焊接電弧力對熔滴過渡、熔深尺寸、焊縫成形、飛濺大小、以及焊縫的外觀缺陷（如咬肉、焊瘤、燒穿等）均產生很大的影響。1、電磁收縮力實際的焊接電弧不是圓柱體，而是斷面直徑變化的圓錐狀的氣體導體，這是因為電極直徑限制了導電區(qū)的擴展，而焊件上電弧可以擴展得比較寬的緣

8、故。直徑不同將引起壓力差，從而產生由電弧指向焊件的推力。推力稱為電弧靜壓力，數值與焊接電流、電弧形態(tài)有關。由于電弧中電流密度分布是不均勻的，弧柱中心區(qū)域的電流密度高于周邊區(qū)域，因此電弧靜壓力的分布是由中心向周邊降低。2、等離子流力（電弧動壓力）等離子流力與等離子氣流的速度、焊接電流值、電極狀態(tài)、電弧形態(tài)、電弧長度等均有密切關系。電弧中等離子流的速度很大，可以達到每秒數百米，其中電弧中心線上的速度最大，因此電弧中心線上動壓力大于周邊的動壓力；焊接電流越大，中心線上的動壓力越大，而分布的區(qū)間越小。當鴇極量弧焊的鴇極錐角較小、電流較大時，或熔化極量弧焊采用射流過渡工藝時，等離子流力很顯著，容易形成指

9、狀熔深焊縫。3、斑點壓力當電極表面形成斑點時，由于斑點的導電和導熱特點，在斑點上將產生斑點壓力。斑點壓力包括以下幾種力：正離子和電子對電極的撞擊力電弧焊時，陰極受到正離子的撞擊，陰極受到正離子的撞擊，陽極受到電子的撞擊，因正離子的質量遠遠大于電子的質量，而陰極壓降又大于陽極壓降，因此撞擊力在陰極上較大，而在陽極上較小。電磁收縮力當電極上形成熔滴并出現斑點時，焊絲、熔滴及電弧中得電流線如圖所示。電弧空間和熔滴中的電流線都在斑點處集中，由于電磁收縮力合成的方向都是由小斷面指向大斷面，故在斑點處產生向上的電磁力，阻礙熔滴過渡。一般情況下，陰極斑點尺寸小于陽極斑點尺寸，故陰極斑點受到的力要大于陽極斑點

10、受到的力。電極材料蒸發(fā)產生的反作用力斑點上的電流密度很高，使這個部位的溫度很高，因為產生強烈的蒸發(fā)，使金屬蒸氣已一定的速度從斑點處發(fā)射出來，同時給斑點施加一個作用力。通常陰極斑點的電流密度比陽極斑點大，因此，導致陰極斑點受到的反作用力大于陽極斑點。3、 焊接電弧力影響因素1 .焊接電流和電弧電壓當增大焊接電流時，電弧力明顯增加，這主要與電磁收縮力和等離子流力的顯著增加有關。當電弧電壓升高時，意味著電弧長度增加，由于電弧范圍的擴展，使電弧力降低。2 .焊絲直徑當電流相同時，焊絲直徑越小，電流密度越大，因此電弧電磁力越大。同時，造成電弧錐形越明顯，等離子流力越大，使總電弧力增大。3 .電極的極性電

11、極極性對不同焊接方法的電弧力的影響不同。對于熔化極氣體保護焊，當采用直流正接時，焊絲接負，電弧中正離子對熔滴的沖擊力比較大，有較大的斑點壓力作用在熔滴上，不利于熔滴過渡，且熔滴容易長大，不能形成很強的電磁力和等離子流力，因此電弧力較小。對于鴇極氮弧焊，由于通常情況下陰極區(qū)收縮的程度比陽極區(qū)大，加之，直流正接時和直流反接時鴇極的幾何形狀相差較大，反接的鴇極錐度相比較陰極大很多，因此當采取正接時將形成錐度較大的錐形電弧，產生的軸向推力大，電弧壓力也大。2.0圖1-14、 各種焊接方法的具體分析綜上所述，下面分別對SMAWAGMAW、SAW和GTAW四種焊方法來分析直流正接和反接焊接電弧的穩(wěn)定性以及

12、焊縫熔深。1、SMAW:焊條電弧焊，直流正接時，工件接正極，焊條接負極，焊條屬于冷陰極材料，所以陰極導電機構，以場致發(fā)射型為主；焊件接正極，焊接的電流密度較小，所以陽極的導電機構主要是場致電離型。由于焊條電弧焊，焊接電流密度較小，焊接電弧力較小，因此對焊縫的成型的影響很小。直流反接的時候，分析結果和直流正接一致，因此焊條電弧焊，熔深的大小和陰極陽極表面的溫度關系最大，一般情況，陽極和陰極的產熱相同，但是由于陰極要發(fā)射大量的電子，因此陽極的產熱往往大于陰極，所以焊條電弧焊直流正極的時候，熔深較大。陰極斑點壓力大于陽極斑點。當用CuFeAl等材料作為陰極時，陰極斑點時游動的，電弧自動選擇有利于場致

13、發(fā)射的點作為陰極斑點，所以陰極斑點不斷尋找氧化膜，因此直流正接的電弧沒有直流反接穩(wěn)定，而且飛濺比較直流反接大很多。2、GMAW:熔化極氣體保護焊，直流正極時，工件接正極，焊絲接負極，焊絲屬于冷陰極材料，所以陰極導電機構，以場致發(fā)射型為主；焊件接正極，焊接的電流密度較大，所以陽極的導電機構主要是熱電離型。對于熔化極氣體保護焊，當采用直流正接時，焊絲接負，電弧中正離子對熔滴的沖擊力比較大，有較大的斑點壓力作用在熔滴上，不利于熔滴過渡，且熔滴容易長大，不能形成很強的電磁力和等離子流力，因此電弧力較小。當直流反接時，工件接負極，焊絲接正極，陰極導電機構，以場致發(fā)射為主，陽極導電機構，以熱電離為主。直流

14、反接時，與直流正接恰恰相反，電弧力比較大，如圖1-1所示。因為熔化極氣體保護焊，焊絲較細，電流較大，雖然陰陽極溫度有所差別，但是此時的電弧力非常顯著，所以此時的焊縫成形與焊接的電弧力關系最大，所以相同焊接參數下，熔化極氣體保護焊直流反接時的熔深最大。由于陰極斑點的游動性，直流正接的電弧沒有反接時穩(wěn)定。SAW同GMAWo3、GTAW非熔化極氣體保護焊，直流正極時，工件接正極，焊絲接負極，鴇吸屬于熱陰極材料，所以陰極導電機構，以熱發(fā)射型為主；焊件接正極，焊接的電流密度較大，所以陽極的導電機構主要是熱電離型。對于鋁極氮弧焊，由于通常情況下陰極區(qū)收縮的程度比陽極區(qū)大，因此當采取正接時將形成錐度較大的錐形電弧，產生的軸向推力大，電弧壓力也大。如圖1-1所示。直流反接時，工件接負極，鐺極接正極，陰極導電機構，以熱發(fā)射為主，陽極導電機構，以熱電離為主。直流反接時，與直流正接恰恰相反，電弧力比較小，如圖所示。對于鋁極筑弧焊來說，熱發(fā)射型導電機構在陰極表面不形成陰極斑點，陰極區(qū)的電壓降很