電弧焊基礎(chǔ)第一章焊接電弧基礎(chǔ)

1、電弧焊基礎(chǔ)第一章焊接電弧基礎(chǔ)第一節(jié) 焊接電弧機理及電弧特性一、氣體放電現(xiàn)象與焊接電?。ㄒ唬怏w的導(dǎo)電現(xiàn)象氣體的導(dǎo)電條件： 1、外加電場； 2、帶電質(zhì)點。氣體的導(dǎo)電特點： 1、U-I呈復(fù)雜的非線性關(guān)系； 2、除電子導(dǎo)電外，離子也參與導(dǎo)電。電弧和氣體放電示意圖 弧柱直流放電形式及電流與電壓的關(guān)系電弧放電氣體放電的伏安特性氣體的導(dǎo)電種類： 1、非自持放電 2、自持放電：暗放電、輝光放電和電弧放 電。（二）焊接電?。菏亲猿址烹娭须妷鹤畹汀㈦?流最大、溫度最高、發(fā)光最 強的一種氣體放電現(xiàn)象。一、氣體放電現(xiàn)象與焊接電弧二、電弧中帶電粒子的形成和消失過程電弧導(dǎo)電過程：電離 電子發(fā)射 電弧中帶電粒子消失過程：

2、正負(fù)帶電粒子復(fù)合。解離、激勵、擴散、負(fù)離子的產(chǎn)生等過程。（一）、氣體的電離1、 概念：2、電離能（電離電壓）： H=13.5V Ar=15.7V K=4.3V Fe=7.8V CO2=13.7V Al=5.96V3、電離的種類： 熱電離 電場電離 光電離 表1-1 原子電離電壓 原子的電離電壓，惰性氣體的Ui高，堿性金屬的Ui低熱電離概念：熱電離的電離度：電弧中弧柱溫度最高,一般在500030000K范圍是弧柱電離的主要形式電場電離概念：作用： 電場強度：弧柱為陰極區(qū)陽極區(qū)弧柱中電場電離是次要的105107V/cm10V/cm電場電離是重要的光電離概念：產(chǎn)生條件：heUi 影響：光電離是次要的

3、（二）、電極金屬的電子發(fā)射 1、概念：金屬表面吸收外加能量使電子從表 面溢出的現(xiàn)象。 2、逸出功： eU 3、電子發(fā)射的種類： 熱發(fā)射 電場發(fā)射 光發(fā)射 碰撞發(fā)射 熱發(fā)射概念：熱發(fā)射電子流密度：熱陰極電?。烘u或碳作陰極。冷陰極電弧 ：銅、鐵（鋼）、鋁、鎂、鎳 等材料作陰極。熱發(fā)射是主要的熱發(fā)射不能提供足夠的電子 電場發(fā)射概念：電場發(fā)射電子流密度： 光發(fā)射概念：產(chǎn)生光發(fā)射的條件 ： heU光發(fā)射是次要的。 碰撞發(fā)射概念：產(chǎn)生碰撞發(fā)射的條件 ： Wh+Wi=2W 電子發(fā)射時因從金屬表面帶走熱量所以對金屬表面有冷卻作用。其中，熱發(fā)射時帶走的熱量最多，電場發(fā)射次之。（三）、負(fù)離子的產(chǎn)生概念：中性原子或

4、分子能吸附電子而形成 負(fù)離子。產(chǎn)生區(qū)域及影響： 電弧的周邊形成； 有消電離作用。（四）、熱解離 概念：電弧中的多原子氣體由于熱的作用將 分解為原子，這種現(xiàn)象稱為熱解離。 例如：CO2焊，影響：熱解離是吸熱反應(yīng)對電弧產(chǎn)生重要 影響。三、電弧的導(dǎo)電機構(gòu)（一）、電弧的構(gòu)造和電弧電壓陰極區(qū)、陽極區(qū)、弧柱區(qū)Anode, Cathode, Arc column/arc plasma陰極壓降、陽極壓降、弧柱壓降Cathode Voltage Drop, Anode Voltage Drop, Positive Column Voltage DropUa= Uc+ Up+ UA （二）電弧的導(dǎo)電機構(gòu) 1、陰極

5、區(qū)和陰極斑點 陰極區(qū) 概念：指陰極外緊靠陰極表面的導(dǎo)電區(qū)，其 長度約為10-210-6cm。 任務(wù)：向弧柱區(qū)提供所需要的電子流。 陰極區(qū)導(dǎo)電機構(gòu)的類型： a、熱發(fā)射型：陰極為C、W，大電流. 正離子流=總電流的0.1% 。b、電場發(fā)射型產(chǎn)生條件：陰極為C、W，小電流； 或陰極為Fe、Al等。特點：正離子流要總電流的0.1%；陰極表面存在陰極斑點。陰極壓降的形成過程陰極陽極弧柱陰極壓降的形成過程陰極陽極弧柱陰極壓降的形成過程陰極陽極弧柱陰極壓降的形成過程陰極陽極弧柱陰極壓降的形成過程陰極陽極弧柱陰極壓降的形成過程陰極陽極弧柱陰極壓降的形成過程陰極陽極弧柱陰極壓降的形成過程陰極陽極弧柱陰極壓降的形

6、成過程陰極陽極弧柱陰極壓降的形成過程陰極陽極弧柱陰極壓降的形成過程陰極陽極弧柱陰極壓降的形成過程陰極陽極弧柱陰極壓降的形成過程陰極陽極弧柱陰極壓降的形成過程陰極陽極弧柱陰極壓降的形成過程陰極陽極弧柱陰極壓降的形成過程陰極陽極弧柱陰極壓降的形成過程陰極陽極弧柱陰極壓降的形成過程陰極陽極弧柱陰極壓降的形成過程陰極陽極弧柱陰極斑點概念：指陰極表面局部出現(xiàn)的發(fā)光強、電 流密度很高（可達5105107A/cm2） 的現(xiàn)象。產(chǎn)生條件：Al、Cu、Fe等作陰極時， 或W、C等作陰極時，小電流時。 特點：陰極斑點由許多小斑點組成；存在較大的斑點壓力；自動尋找氧化膜。陰極斑點鋁合金電子發(fā)射能力低，本身導(dǎo)熱性能好

7、，對電弧能量的消耗大，不利于熔池的形成由于表面氧化膜的存在，氧化物與純金屬相比，電子逸出功低，更具備電子發(fā)射的能力，電弧導(dǎo)電點更多集中在有氧化膜的地方，從而形成陰極斑點在焊絲作為陰極時也有表現(xiàn)（鋼焊絲或鋁焊絲等）。正離子撞擊破碎氧化膜 從陰發(fā)射的電子對陰極由冷卻作用(逸出功)電子汽化帶走熱量反極性: 電子冷卻陰極也就是冷卻了工件陽極受熱將會熔化焊絲(在焊接過程中送進)有利于填充坡口熔滴過渡頻率可以達到100滴/秒焊條電弧焊采用此極性接法(工件為陽極)GTAW 是焊接鋁合金最常用的方法術(shù)語歐洲: TIG = tungsten inert gas, MIG = metal inert gas美國:

8、 GTAW 和 GMAW2、弧柱區(qū)特點：弧柱溫度較高，約為500030000K；弧柱中電子流占99.9%，正離子流占0.1%； 弧柱周圍有擴散和復(fù)合而消失的帶電粒子將由弧柱自身的熱電離來補償；整體上看弧柱空間保持電中性。以熱電離為主Pc=ELI，產(chǎn)熱=散熱 當(dāng)采用He,H2作為氣體介質(zhì)，質(zhì)量輕，速度快，散熱大，產(chǎn)熱相應(yīng)增大，E增加。多原子氣體做為介質(zhì)時也有同樣現(xiàn)象，Ar為單原子氣體，重量大，散熱小，E較小。2、弧柱區(qū)最小電壓原理當(dāng)散熱增加，產(chǎn)熱需要增加，而弧柱本身又要維持其電壓最小的特性，因此要收縮其截面，增加產(chǎn)熱，維持熱平衡電弧形態(tài)小電流時，弧柱截面較大大電流時，由于有電磁收縮效應(yīng)，弧柱變成

9、緊縮的形狀。碳極電弧的臨界值為80A.小電流電流密度：10-300A/cm2，溫度低于7000K；而大電流可達103-104 A/cm2，溫度超過10000K3、陽極區(qū)和陽極斑點陽極區(qū)概念：指陽極外緊靠陽極表面的導(dǎo)電區(qū),其 長度約為10-210-6cm。任務(wù)：接受電子流； 提供正離子流。正離子的來源：陽極區(qū)電場作用下的電離；陽極區(qū)的熱電離。陽極壓降的形成過程陰極陽極弧柱陽極壓降的形成過程陰極陽極弧柱陽極壓降的形成過程陰極陽極弧柱陽極壓降的形成過程陰極陽極弧柱陽極壓降的形成過程陰極陽極弧柱陽極壓降的形成過程陰極陽極弧柱陽極壓降的形成過程陰極陽極弧柱陽極壓降的形成過程陰極陽極弧柱陽極壓降的形成過程

10、陰極陽極弧柱陽極壓降的形成過程陰極陽極弧柱陽極壓降的形成過程陰極陽極弧柱陽極壓降的形成過程陰極陽極弧柱陽極壓降的形成過程陰極陽極弧柱陽極斑點概念：指陽極表面局部出現(xiàn)的發(fā)光強、電流密 度很高的現(xiàn)象。產(chǎn)生條件：Al、Cu、Fe等作陽極，大電流時。小電流時，電流流入陽極表面大致等于弧柱截面，不會產(chǎn)生陽極斑點；增大電流，金屬原子的電離電壓低，一旦陽極產(chǎn)生金屬蒸汽，很容易在附近形成弧柱，電弧集中于此。同時陽極表面集中于一點，形成陽極斑點，電流密度比弧柱區(qū)高得多。陽極斑點 特點：陽極斑點由許多小斑點組成；有自動尋找純金屬表面而避開氧化膜的傾向 ；也存在斑點壓力（但較陰極斑點壓力?。＃ㄈ╇娀〉撵o特性1、

11、概念：一定長度的電弧在穩(wěn)定燃燒時，電弧 電壓和電弧電流之間的關(guān)系稱為電弧的 靜特性。2、靜特性曲線：（三）焊接電弧的靜特性Q: 解釋這三種特性的原因（三）焊接電弧的靜特性GTA焊接電弧靜特性曲線GMA焊接電弧靜特性曲線SAW焊接電弧靜特性曲線3、焊接電弧的靜特性的影響因素電弧長度保護氣成分保護氣體壓力電極條件母材情況電弧長度的影響保護氣成分對電弧電壓的影響（四）焊接電弧的動特性焊接電弧的動特性： 是指焊接電弧電流的瞬時值與電壓瞬時值之間的關(guān)系。 一般電流上升時的電壓高于電流下降時的電弧電壓（這是由于電弧熱慣性造成的），電源頻率越高熱慣性效果越明顯，電弧中溫度變化越小。 （四）焊接電弧的動特性直

12、流電弧的動特性交流電弧的動特性交流電弧的電壓、電流波形四、電弧的熱源特性 （一）電弧的總功率及能量密度 1、電弧總熱功率： Pa=IUa=I（Uc+ Up+ UA） 2、電弧的有效功率： P=Pa=IUa 3、能量密度：指單位有效面積上的熱功率稱為能量密度 以W/cm2來表示 。 電弧焊方法 電弧焊方法 手工電弧焊埋弧焊 CO2電弧焊 0.650.850.800.90 0.750.90 熔化極氬弧焊鎢極氬弧焊 0.700.800.650.70 焊接方法氣焊電弧焊等離子弧焊電子束焊激光焊能量密度（ W/cm2 ）110102104105106106107106107各種焊接方法的能量密度（二）陰

13、極和陽極產(chǎn)熱 1、陰極區(qū)的產(chǎn)熱： Pc=I（Uc-U-Up） 陰極陽極弧柱陰極區(qū)陽極區(qū)2、陽極區(qū)的產(chǎn)熱： PA=I（UA+U+Up）陰極陽極弧柱陰極區(qū)陽極區(qū)（二）陰極和陽極產(chǎn)熱 在電弧焊時，若弧柱溫度為6000K時，Up小于1 V，當(dāng)電流較大時UA近似為零。陰極區(qū)產(chǎn)熱：Pc=I（Uc-U）陽極區(qū)產(chǎn)熱：PA=IU （二）陰極和陽極產(chǎn)熱即：陰極區(qū)和陽極區(qū)的產(chǎn)熱主要決定于Uc和U。 熔化極電弧焊時： UcU Pc PA。 熔化極電弧焊時為了保證熔深， 一般均采用直流反接（即工件接電源負(fù)極）。（二）陰極和陽極產(chǎn)熱（三）電弧的溫度和溫度分布 1、弧柱溫度測定2、弧柱的溫度分布?xì)鍤獗Ｗo電弧溫度分布3、影響

14、溫度分布的因素電弧電流：最高溫度，但存在極限。電極斑點：斑點處的溫度明顯升高。電弧長度：弧長變化不會影響電弧的最高溫度，但 影響電弧的溫度分布。陽極材料：陽極材料和狀態(tài)將影響陽極表面附近的 溫度值。保護氣體成分；不同保護氣體的電弧最高溫度基本 相同，但電弧形態(tài)不同。五、電弧的力學(xué)特性（一）電磁收縮力（電弧靜壓力） 假設(shè)焊接電弧為圓柱體，電流線在電弧中的分布是均勻的，則電弧中任意半徑r處的壓力為：Rr電弧中心軸上（r0）的徑向壓力為：軸向壓力的合力為：F同時作用于焊條和工件上。 實際上焊接電弧是斷面直徑變化的圓錐狀的體導(dǎo)體，因此，可產(chǎn)生由焊條指向工件的推力F推：F推指向工件的推力（二）等離子流力

15、1、概念：電弧中由電弧推力引起高溫氣體的 運動所形成的力稱為等離子流力 （也稱電磁動壓力）。2、影響因素：電流（ I ）弧長（ L ）3、對熔池形狀的影響會形成指狀熔深。焊縫熔深示意圖a）一般焊縫；b）較強等離子流形成的焊縫 （三）細(xì)熔滴的沖擊力 （四）斑點力 斑點力：帶電粒子對電極的沖擊力電磁收縮力電極材料蒸發(fā)的反作用力 陰極斑點力要遠大于陽極斑點力。 熔化極電弧焊時，為使熔滴過渡順利進行，并減少金屬飛濺，一般均采用直流反接焊接（即工件接電源負(fù)極）。 (五)爆破力1、熔滴呈短路過渡時2、電弧重新點燃時 這是CO2氣體保護焊短路過渡焊接時的常見現(xiàn)象。 （六）電弧力的影響因素氣體介質(zhì)H2-Ar混

16、合氣電弧的電弧力He-Ar混合氣電弧的電弧力（六）電弧力的影響因素電流和弧長（電壓）MIG電弧的電弧力與電流的關(guān)系電弧力與弧長的關(guān)系（六）電弧力的影響因素電極直徑： 電弧力（電流密度、電磁力、等 離子流力均增大）。電極極性TIG的電弧力與電極極性的關(guān)系MIG電弧力與焊絲極性的關(guān)系（六）電弧力的影響因素鎢極端部幾何形狀（電極形狀、電極端部角度等）電弧力與電極端部角度的關(guān)系六、電弧的挺直性與磁偏吹1、電弧的挺直性(Arc Stiffness)電弧作為柔性導(dǎo)體具有抵抗外界干擾、力求保持焊接電流沿電極軸線方向流動的性能。六、電弧的挺直性與磁偏吹2、磁偏吹電弧處于工件端部時產(chǎn)生的磁偏吹 導(dǎo)線接線位置引起

17、的磁偏吹 電弧附近的鐵磁性物質(zhì)引起的磁偏吹 六、電弧的挺直性與磁偏吹2、磁偏吹3、減少磁偏吹的措施采用較短弧長焊接采用；對工件采取分布式接地的方法，如兩側(cè)接地或多點接地；操作中調(diào)整焊槍或焊條角度避免鐵磁性物質(zhì)的影響；使用脈沖焊或高頻電弧焊；使用交流焊接等。4、磁控電弧采用較短弧長焊接采用；對工件采取分布式接地的方法，如兩側(cè)接地或多點接地；操作中調(diào)整焊槍或焊條角度避免鐵磁性物質(zhì)的影響；使用脈沖焊或高頻電弧焊；使用交流焊接等。六、電弧的挺直性與磁偏吹控制=電弧穩(wěn)定器利用=磁控旋轉(zhuǎn)電弧MA-10 ARC STABILIZER 第二節(jié) 電弧焊中的保護氣體一、作用電弧空間提供氣體介質(zhì)起到保護作用，包括保

18、護電弧、保護電極、保護被焊件（焊接區(qū)整體），避免上述部分受到大氣的侵蝕。二、保護氣種類與純度1、保護氣體的種類對于GTAW方法，使用最普遍的是氬氣，特殊要求下選擇使用氦氣、氬氣和氦氣的混合氣、在氬氣中加入少量的氫氣這幾種組合對于GMAW方法，使用的主要氣體是氬氣、CO2氣、氧氣，有單一氬氣、單一CO2氣、氬氣+CO2氣、氬氣+CO2氣+氧氣、CO2氣+氧氣幾種選擇，保護氣體及混合氣體的選擇主要根據(jù)焊接金屬的材質(zhì)和焊接厚度確定2、純度：Ar：99.9% CO2: 99.5%三、保護氣的分解及在金屬中的溶解1、解離（分解）多原子氣體（有兩個以上原子組成的氣體分子）在熱的作用下將分解為單原子氣體。解

19、離能和解離度分子氣體解離度與溫度的關(guān)系解離式解離能/eVH2H+HN2N+NO2O+OH2OOH+HCOC+OCO2CO+O4.49.15.14.710.05.5電弧中常見分子氣體的解離能2、保護氣在金屬中的溶解氫在各種金屬中的溶解度與溫度的關(guān)系 一般，當(dāng)氣體與液體共存時，通過界面，氣體的一部分要溶解到液體中去。溶解的途徑有兩種:與氣相中相同狀態(tài)與氣相中不同狀態(tài) 在焊縫液態(tài)金屬中溶解的H、N、CO等是形成氣孔和冷裂紋的重要原因。四、混合氣體的選擇及作用四、混合氣體的選擇及作用四、混合氣體的選擇及作用1、Ar+He性質(zhì)： Ar、He是惰性氣體。 Ar中加入He 提高電弧功率和溫度。應(yīng)用： a）焊

20、Al及其合金：改善熔深，減小氣孔， 提高生產(chǎn)率。 TIG焊：Ar+He（6070%） MIG焊：Ar+He（ 10%） 1、Ar+Heb）焊Cu及其合金：改善焊縫金屬潤濕性， 提高質(zhì)量。 Ar+He（5070%）C）焊Ni及其合金：改善焊縫金屬潤濕性及熔深。 Ar+He（1520%）2、 Ar+H2性質(zhì)：提高電弧功率和溫度。應(yīng)用：用于焊接Ni及其合金，減少CO氣孔。 Ar+H2 （ 10%）3、 Ar+O2性質(zhì)：改善焊縫金屬潤濕性； 消除陰極斑點漂移現(xiàn)象； 改善“指狀”熔深。應(yīng)用：a）焊接不銹鋼： Ar+O2 （ 15% ）；b）焊接低碳鋼和低合金鋼：改善熔深，提高生產(chǎn)率，減少結(jié)晶裂紋。 Ar

21、+O2 （ 20% ）4、 Ar+CO2性質(zhì)：與Ar+O2 相同。應(yīng)用：a）焊接不銹鋼： Ar+CO2 （ 5%）b）焊接低碳鋼和低合金鋼：細(xì)化熔滴，改善熔深， 減少飛濺。 Ar+CO2 （ 25%）五、保護氣體的流態(tài)與保護效果 1、保護氣體的流態(tài) 焊接保護是否可靠，對焊接質(zhì)量有重要影響。從焊槍噴嘴流出的氣體流態(tài)是層流或近似層流。氣體隨離開噴嘴距離的增加，層流減少，紊流增大。 保護氣體在噴嘴中出來的流態(tài)是否是層流可用雷諾數(shù)Re確定： 式中：S噴嘴內(nèi)孔截面積； L噴嘴長度； Vg氣體的平均流速； 氣體的動粘性系數(shù)。 一般： Re2300 為層流1、保護氣體的流態(tài)2、氣體保護效果的影響因素氣體流量噴嘴至工件的距離焊接速度和側(cè)向風(fēng)接頭形式電弧功率 對氧化性強、合金成分含量大的金屬，如鈦及鈦合金、高溫合金、不銹鋼等，需要進行電弧尾部保護