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1、第一 章 焊接电弧的基本知识,教学目标: 理解与掌握电弧焊有关的基础理论，包括焊接电弧、焊丝熔化与过渡及焊接接头的组织和力学性能。,概述,一、焊接的特征 1.焊接已成为最流行的连接技术在当今工业社会，没有哪一种连接技术像焊接那样广泛、普遍地应用在各个领域。,国家大剧院钢结构,金茂大厦,罐压力容器,2 .焊接已成为关键的制造技术焊接作为组装工艺之一，通常被安排在制造流程的后期或最终阶段，因此对产品具有决定性的作用。在许多行业中，焊接被视为一种关键的制造技术。,上海卢浦大桥,“中华和平号”17.5万吨散货轮,千吨级热壁加氢反应器,世界最大的三峡水轮机转轮,3.焊接已成为现代工业不可分离的组成部分在
2、工业化最发达的美国，焊接被视为“美国制造业的命脉，而且是美国未来竞争力的关键所在”。其主要根源就是基于这样一个事实：许多工业产品的制造已无法离开火箭技术的使用。,三峡永久船闸,西气东输工程管道的焊接,神舟飞船返回仓全焊接的铝合金结构,第一节 焊接电弧的产生和组成,电弧是所有电弧焊方法的能源，能有效而简便地把弧焊电源的电能转换成焊接过程所需要的热能和机械能。 一、焊接电弧的产生 焊接电弧是由焊接电源提供的、具有一定电压的两极间或电极与焊件间，气体介质产生强烈而持久的放电现象。 短路-空载-燃弧,图11 焊接回路示意图,电弧：一种气体放电现象，它是带电粒子通过两电极之间气体空间的一种导电过程。,（
3、一）气体原子的电离和电子发射,电弧是由两个电极和两个电极之间的气体放电空间构成的。电离：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原子核的束缚而成为自由电子和正离子的过程。,钢焊条焊接钢材时的焊接电弧,1、气体原子的激发与电离电弧中气体粒子的电离因外加能量的种类不同分为 :热电离 : 气体离子受热作用而产生的电离称为热电离。光电离: 中性粒子接受光辐射的作用而产生电离现象称为光电离。撞击电离 :高能中性粒子的碰撞方式发生的电离称为撞击电离 。2、电子发射 电极表面受到外加能量的作用，使其内部的电子冲破电极表面的束缚而飞到电弧空间的现象称为电子发射。 电子发射分为热
4、发射 、光电发射、重粒子撞击发射和强电场作用下的自发射。,气体的电离能第一电离能：中性气体粒子失去第一个电子所需的最小外加能量；第二电离能：失去第二个电子所需的能量； 电离能单位：通常以电子伏特（ev）。 电离电压：电子伏特为单位的能量转换为数值上相等的电离电压表示（因电子电量为常数）。电子伏特(electron volt)，简称为电子伏，缩写为 eV ，是能量的单位。代表一个电子（所带电量为-1.610(-19)库仑）经过1伏特的电场加速后所获得的动能。,当其他条件（如气体的解离性能、热物理性能等）一定时，电离电压低，表示带电粒子容易产生，有利于电弧导电；相反，电离电压高表示带电粒子难以产生
5、，电弧导电困难。,3.负离子的产生焊接电弧的带电粒子中除了电子和正离子外，还可能产生负离子。它是在一定条件下，某些中性原子或分子吸附一个电子而行程的。综上，焊接电弧是气体放电的一种形式。焊接电弧的形成和维持是在电场、热、光和质点动能的作用下，气体原子不断地被激发、电离以及电子发射的结果。,电弧产生过程,电弧产生过程： 短路：焊条、焊件接触形成短路，产生电阻热，使得金属融化、蒸发，变成蒸汽。同时，阴极表面电子获得能量，形成热发射。 空载：短路拉开后，而电压较高，有很大的电场强度，电子脱离原子核的束缚而从阴极表面曳出（ye），形成电场发射。 燃弧：因为热发射、电场发射、光发射，粒子碰撞发射越来越多
6、，电离越来越强。极间的中性质点变成带电的电子和正离子，分别向两极运动进行中和，从而产生电弧，称引弧。,（二）焊接电弧的引燃,1、接触引弧 在弧焊电源接通后，电极（焊条或焊丝）与工件直接短路接触，随后拉开3-4MM，把电弧引燃起来，这是一种最常用的引弧方式。 焊条电弧焊和熔化极气体保护焊都采用此方式。 2、非接触引弧 在电极与工件之间存在一定间隙，施以高电压击穿间隙，使电弧引燃。等离子弧焊、钨极氩弧焊中的弧是非接触引弧。,二电弧的构造及其导电特性,三部分：阴极区、阳极区、弧柱区,图1-2 钢焊条焊接钢材时的焊接电弧,1、阴极区：长度极短、压降UK较大、E（电场强度）极高2、阳极区：长度也极短、压
7、降UA 较大、E极高3、弧柱区长度基本上等于电弧长度，压降Uc较小， E较小。,UA,UC,UK,阳极区,阴极区,弧柱,-,+,10-510-6cm,10-210-4cm,电弧构造,弧柱区产生的热量即温度一般为5000-50000K范围内。 故，弧柱气体将产生以电离为主的导电现象。,UA,UC,UK,阳极区,阴极区,弧柱,-,+,10-510-6cm,10-210-4cm,一）弧柱区的导电特性,阴极区的作用是向弧柱区提供所需要的电子流，接受弧柱区送来的正离子流。1、热发射型阴极区导电：当阴极采用W、C高熔点材料，电流较大时，因阴极区可达到很高的温度，弧柱所需要的电子流主要靠阴极区的热发射来提供
8、。2、电场发射型阴极区导电：当阴极采用W、C，但电流较小时，或阴极采用 Al,Cu,Fe材料时温度不能升的很高，故使阴极区产生电场发射。3、等离子型阴极区导电：是在阴极区产生等离子的导电特性。 三）阳极区的导电特性 阳极区的作用是接受由弧柱区流过来的电子流并向弧柱区提供所需要的正离子流。,二）阴极区的导电特性,UA,-,+,第二节 焊接电弧中的能量平衡及电弧力,一、焊接电弧中的能量平衡 E-电场强度,一）弧柱区的能量平衡单位时间内弧柱区所产生的能量，主要是通过弧柱电场被加速的正离子和自由电子所获得的动能，并借助于它们之间的碰撞以及中和作用转变成的热能。弧柱区的热量不能直接作用于加热焊条和焊丝或
9、母材，只有很少一部分通过辐射传给焊条和工件。,图1-2 钢焊条焊接钢材时的焊接电弧,一、焊接电弧中的能量平衡,单位时间内阴极区实际获得的能量，在数值是等于阴极电流（电子流和离子流之和）和阴极区压降乘积IUK 单位时间内阴极区消耗的的能量数值上等于 IUW+IUT 。 IUW -发射电子所需的逸出功， IUT -电子从阴极区带进区的能量。 UT -与弧柱温度相应的等效电压。,，,图1-2 钢焊条焊接钢材时的焊接电弧,一、焊接电弧中的能量平衡,因此，单位时间内阴极区的产热量也可以用电功率PK表示。 PK等于单位时间内获得的能量与消耗的能量之差，PK= IUK IUW- IUT 阴极区产热量在焊接过
10、 程中直接用于焊丝或焊 条的和工件的加热。,，,图1-2 钢焊条焊接钢材时的焊接电弧,（三）阳极区的能量平衡单位时间内阳极区的总能量为： PA= IUA IUW- IUTIUA -阳极区压降UA 加速获得的动能，IUW -电子从阴极带出的逸出功，IUT -从弧柱带来的热能。阳极区产生的能量可以直接用来加热焊丝和工件 。,图1-2 钢焊条焊接钢材时的焊接电弧,第二节 焊接电弧中的能量平衡及电弧力,二、焊接电弧的主要作用力,电弧力指电弧对熔滴和熔池的机械作用力，包括 电磁收缩力、等离子流力、斑点力等。电弧力影响着熔深及熔滴的过渡，而且影响到熔池的搅拌、焊缝成形及金属的飞溅等,促使熔滴过渡的力有两种
11、：一是电磁收缩力形成的轴向推力 ，二是等离子流力；阻碍熔滴过渡的作用力：斑点力。必须指出的是，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。,1）电磁收缩力电磁力：电流流经距离不远的两根平行导线时，电流同向相吸，异向相斥。他的大小与流过的电流大小成正比，与两根导线之间的距离成反比。当电流流过气体当中时，整个电流可以分成许多电流线，那么这些电流线之间也产生吸引力，使导体断面产生收缩。 电磁力分成径向分力和轴向分力。,轴向分力又称为电磁静压力：电弧轴向推力在电弧横截面上分布不均匀，弧柱轴线处最大，向外逐渐减小，在焊件上表现为对熔池形成的压力。轴向
12、分力的作用：1、束缚弧柱直径 2、促使碗状熔池的形成，P15图 1-8（a）3、起电磁搅拌作用（细化晶粒，排出气体及熔渣）,确定导体周围磁力线的方向：右手法-拇指为I,四指为E . 磁场中力方向F的确定：四指为I ，拇指为F。,流态导体中电磁收缩力的影响,柱形导体中的电磁收缩力,（2）等离子流力：在轴向力的作用下靠近焊丝（条）端部的高温气体 持续地冲向焊件，对熔池形成附加压力，也称为电磁动压力。电弧中等离子气流具有很高的速度和加速度，可达数百米/秒。电弧中心线上等离子流力最大。电流越大，中心线上的动压力幅值越大，分布区域越小。,（ 3）斑点力：电弧放电时在电极表面上集中发射电子的光亮极小区域称
13、为斑点。电极上形成斑点时，由于斑点受到带电粒子的撞击，或金属蒸汽的反作用而对斑点产生的压力，称为斑点力，或斑点压力。,阴极斑点力大于阳极斑点力原因：正离子的质量远大于电子的质量阴极斑点电流密度大，蒸汽反作用力也大,斑点力阻碍熔滴过渡利用阳极斑点压力小的特点，直流焊接时，采用直流反接，有利于熔滴过渡，减小飞溅,、熔滴上的其他作用力,熔滴：电弧焊时，在电弧热作用下焊丝或焊条端部受热熔化形成。 熔滴上的作用力：影响熔滴过渡 及焊缝成形的主要因素。熔滴通过电弧空间向熔池转移的过程叫 熔滴过渡。 根据熔滴上的作用力来源不同，可将其分为： 重力、表面张力、电弧力、熔滴爆破力和电弧气体的吹力。,重力对熔滴过
14、渡的影响依焊接位置的不同而不同。 平焊：熔滴上的重力促使熔滴过渡； 立焊及仰焊：熔滴上的重力阻碍熔滴过渡。 重力：Fg= mg = (4/3)r3g r 是熔滴半径； 是熔滴密度； g 是重力加速度。,1）熔滴重力,2）表面张力表面张力是指焊丝端部保持熔滴的作用力，是分子力的一种表现，发生在液体和气体接触的边界部分，它使液体表面试图获得最小的光滑面积。用F表示，大小为 F式中，：焊丝半径； ：表面张力系数。的数值与材料成分、温度、气体介质等因素有关。,表面张力,表1-6 纯金属的表面张力系数,平焊时，表面张力F阻碍熔滴过渡。由式F可知，使用小直径及表面张力系数小的焊丝有利于平焊时的熔滴过渡。,
15、若熔滴上含少量活化物质（如O2、S等）或熔滴温度升高，都会减小表面张力系数，有利于形成细颗粒熔滴过渡。,表面张力,表面张力,重力,爆破力,3）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，称为熔滴爆破力 。它在促使熔滴过渡的同时也产生飞溅。 CO2焊接飞溅的主要原因,3、影响电弧力的主要因素：焊接电流和电压焊丝直径电极极性气体介质钨极端部几何形状,（1）电流和电弧长度的的影响,（2）焊丝直径的影响 焊接电流一定时，焊丝越细，电流密度越大，造成电弧锥形越明显。,（3）极性的影响,斑点力作用，熔滴尺寸不同,（4）气体介质的影响导
16、热性强或多原子气体消耗的热量多，引起电弧收缩，电弧力增强。气体流量及电弧空间压力增强，也会引起电弧收缩。,三、焊接时的极性及其选择方法 使用直流电源焊接时有正接、反接法两种： 正接法：焊件接电焊机的正极（阳极），焊条接负极（阴 极）,因此钨极氩弧焊，等离子弧焊时电极获得较少的热量，而焊件获得的热量较高，能获得较大熔深，适用于焊接厚板。 反接法：焊件接负极，焊条接正极，适合于焊接薄板， 以防烧穿。 交流焊机、无正反接特点，温度均为2500K。,图1-6 直流电焊机的不同的接法 a) 正接 b) 反接,第二节 焊接电弧中的能量平衡及电弧力,三、焊接时的极性及其选择方法,第三节 磁场对电弧的作用,电
17、弧 和气它通电导体一样，在其周围产生磁场。这种磁场能够引起电磁收缩力，促进熔滴的过渡、保证熔池深度，而且使电弧保持一定的挺度。 在热收缩和磁收缩等效应的作用下，电弧沿电极轴向挺直的程度。,一、电弧自身磁场作用,电弧是一种气态导体，正、负电荷以一定的方向运动而形成电流。故当有磁场存在时将会对电流产生作用力。,第三节 磁场对电弧的作用,左手法则：当磁力线方向确定后就可以确定作用力的方向，四指方向为I方向,磁力线指向手掌，那么拇指方向为F方向。这个力就保持电弧的挺度。,那么用右手法则来可确定电场磁力线的方向：当电流方向给定时，可确定磁力线的方向，拇指方向为I,四指方向为磁力线方向。,二、电弧的磁偏吹
18、磁偏吹：电弧在外加磁场的作用下偏离焊丝或焊条的轴线方向的现象称为磁偏吹。 磁偏吹可以造成电弧熄灭、熔滴过渡不规则、焊缝成形不良、引起未焊透、夹渣等缺陷。 一）导线位置引起的磁偏吹,在导线附近产生磁场的同时，在焊件附近也产生磁场，这使焊条右边的电场磁力线密度增加，结果使电弧向右偏斜。 右图是可用焊条倾斜来减小磁偏吹。,二） 电弧附近铁磁体引起的磁偏吹 当电弧一侧钢板等良好的导磁体时，电弧将偏离轴线偏向钢板。原因是在电弧右侧放置钢板时，因其磁阻较小，结果较多的磁力线集中在钢板上，使电弧偏向钢板一侧。,三、外加磁场对电弧的作用为了一定的工艺目的认为地加上某种磁场，实现对电弧的控制。如以下几种：,磁偏
19、吹防止措施尽量采用短弧进行焊接对于长和大的工件采用两端接地的方法如果工件有剩磁，焊接前应消除避免周围铁磁性物质的影响,第四节 焊接电弧的分类和特性,按电流种类：交流电弧、直流电弧、脉冲电弧按电弧状态：自由电弧、压缩电弧按电极材料：熔化极电弧、非熔化极电弧,一、焊接电弧的分类,二、焊接电弧的静特性 在电极材料，气体介质和电弧长度一定时，电弧两端的电压与焊接电流之间的关系称为电弧静特性，或称伏安特性(P6)。电弧静特性曲线呈U形。如图13曲线2所示。 在一般情况下，电弧电压Uh与弧长L成正比变化，如图14示，即电弧越长电压越高。,图13 普通电阻静特性与电弧静特性曲线 1普通电阻静特性； 2电弧静
20、特性。,图14 不同电弧长度的电弧静特性曲,b,c,定义：电弧产生稳定燃烧（不产生断弧、飘移和偏吹等）的程度影响焊接稳定性的因素：影响因素：操作技术、焊接电源特性、焊接材料特性、焊接工艺特性及磁偏吹等 1、弧焊电源：电源种类、极性 直流好于交流；空载电压高的稳定；根据焊条性质，焊件厚度选用不同方法。 2、焊接药皮：K、Na好，氟差；焊条偏心，局部剥落。 3、焊接处不清洁：铁锈、水分、油污、吸热。（弧焊电源的空载电压是指在无负载状态运行时,即焊接回路开路时,弧焊电源的输出端电压，以U0表示。）,三、焊接电弧的稳定性,交直流电焊机的比較,母材熔透深度比較,交流电焊机,直流正极性,直流反极性,第五节
21、 焊缝的形成过程和焊接热影响区,一、焊条金属的熔化和过渡电弧在焊条与被焊工件之间燃烧，电弧热使工件（基本金属）和焊条同时熔化成为熔池，焊条金属熔滴借重力和电弧气体吹力的作用逐渐过渡到熔池当中。电弧热还使焊条的药皮熔化或燃烧。药皮燃烧后与液体金属起物理化学作用，所形成的熔渣和气体可防止空气中氧、氮的侵入，起保护熔化金属的作用。,焊缝形成过程示意图,熔池有三种保护：渣保护、气保护和渣-气保护 埋弧焊用的焊剂和手弧焊用的药皮是由SiO2，MnO、MgO及CaF等组成的硅酸盐。形成熔融的液态焊剂薄膜，使熔池与空气隔绝，大大减少焊缝中的含气量，提高焊缝韧性。延长熔池存在时间，加强了冶金反应，有利于气孔、
22、夹渣的析出。,二、熔池的保护,三、 焊丝加热与熔化的能量,在熔化极自动焊和半自动化焊中，焊丝的的熔化以及过渡到熔池的特性是影响焊缝质量和焊接生产率的重要因素之一。,UA 阳极区压降； UK 阴极区压降，UW 逸出电压 ； UT 与弧柱温度相应的等效电压,R s Ls 段的电阻值,UA 阳极区压降； UK 阴极区压降，UW 逸出电压 ； UT 与弧柱温度相应的等效电压,四、焊丝的熔化速度和熔化系数,五、熔滴过渡形式,根据外观形态、熔滴尺寸和过渡频率不同、熔滴过渡分为三大类：自由过渡：熔滴脱离焊丝末端前不与熔池接触脱离焊丝后经电弧空间自由飞行进入熔池的过渡形式。接触过渡：通过焊丝末端的熔滴与熔池表
23、面接触成桥的过渡形式。渣壁过渡：是用埋弧焊接、渣保护时熔滴沿熔渣的空腔壁形成的过渡形式。,由于焊接方法和工艺条件的不同、上述三类过渡形式又分为以下三种：,颗粒过渡特点：焊接电流较小而电弧电压较高时形成；因焊缝成形不好，通常不宜采用。 射流过渡特点：在氩或富氩保护气体中，当电流增大到某临界值时，熔滴呈细小颗粒，并以喷射状态快速通过电弧空间向熔池过渡 ；喷射过渡时其飞溅小，过程稳定，熔深大，焊缝成形美观。 短路过渡特点：小电流焊接而低电弧电压（即短弧焊时）时形成；短路过渡时电弧稳定，飞溅小，焊缝成形良好。广泛用于薄板焊接和全位置焊接。,图 1-7熔滴过渡形式及电弧形状特征1) 滴状过渡 2、3)
24、射状过渡 4、5) 短路过渡,熔滴过渡的形式,六、焊接接头的金相组织 （一）焊接接头的组成 焊接工件上温度的变化 各点处：常温较高温度常温 固态 液态 固态 在焊接过程中，母材因受热的影响(但未熔化)而发生金 相组织和力学性能变化的区域称为热影响区。在熔池和热影响区之间有个液固两相区，叫熔合区，也叫半熔化区。因此，焊接接头由焊缝、熔合区和热影响区组成。,(二)焊缝的组织和性能 焊缝组织是由熔池金属结晶得到的柱状的铸造组织。焊接熔池的结晶首先从熔合区中处于半熔化状态的晶粒表面开始，晶粒沿着与散热最快的 方向的相反方向长大，因受到相邻的正在长大的晶粒的阻碍，向两侧生长受到限制，因此，焊缝中的晶体是
25、方向指向熔池中心的柱状晶体， 焊缝中的铸态组织，晶粒粗大，组织不致密，但是，由于焊接熔池小， 冷却快，焊条药皮、焊剂或焊丝在焊接过程中的冶金处理作用，使得焊缝的金属的化学成分优于母材，硫、磷含量较低，所以容易保证焊缝金属的性能不低于母材，特别是强度容易达到。,（三）熔合区的特征 熔合区，又称半熔化区，是焊缝与母材的交界区 加热温度：14901530（固、液相线之间） 组织：（未熔化但因过热而长大的）粗晶组织和（部分新 结晶的）铸态组织。 特点：该区很窄，组织不均匀，强度下降，塑性很差，是 产生裂纹及局部脆断的发源地。,（四）低碳钢接头的热影响区 热影响区：受焊接热循环的影响，焊缝附近的母材因焊
26、接热作用发 生组织或性能变化的区域。 低碳钢的热影响区分为过热区、正火区和部 分相变区。,图1-9 接头的组织示意图,（1）过热区：紧靠熔合区 加热温度：11001490（1100固相线） 组织：粗大的过热组织。 特点：宽度为13mm，塑性和韧性下降。焊 接刚度大的结构时，该区易产生裂纹。 （2）正火区 ：紧靠着过热区 加热温度：8501100（AC3至1100） 组织：均匀细小的铁素体和珠光体组织近似 于正火组织） 特点：宽度约1.24.0mm，力学性能优于母材。（3）部分相变区 加热温度：AC1AC3之间 组织：F+P（未相变的F粗、 P中相变的F变细小 ） 特点：部分组织发生相变，晶粒不
27、均匀，力学 性能稍差,综上所述，熔合区和过热区是焊接接头中的薄弱部分，对焊接质量有严重 影响，应尽可能的减小之。,第六节 母材的熔化及焊缝的成形,焊缝形成过程示意图,在焊缝中心由于区域偏析会聚集较多的杂质，抗热裂纹性能差。,焊缝形状系数，焊缝余高系数 ，熔合比,a 太大时应力集中严重，故 a 小于3mm,为合适 。,b),a)-前倾b)-后倾c)-前倾焊接时倾角对焊缝的影响,电极（焊丝或焊条）前倾时，电弧力后排熔池金属的作用力减弱，熔深减小；同时电弧对熔池前方工件的预热作用加强，熔宽增大。焊丝倾角越大这种作用越明显。 后倾的情况与前述相反。,四、焊缝成形缺陷,四、焊缝成形缺陷,四、焊缝成形缺陷,
