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1、第一单元 电弧焊基础知识,通过本单元的学习，要使学生深入了解作为焊接能源的电弧物理基础；掌握焊接电弧的主要工艺特性；明确作为填充材料的焊丝熔化与熔滴过渡以及作为工件的母材熔化与焊缝成形的基本规律等。,学习目标,电弧是所有电弧焊方法的能源。电弧焊之所以能在焊接方法中占据主要地位，一个重要的原因就是电弧能有效而简便地把弧焊电源输送的电能转换成焊接过程所需要的热能和机械能。电弧的特点：低电压、大电流、温度高、亮度大电弧的作用：产力和产热,综合知识模块一 焊接电弧,能力知识点1 焊接电弧的物理基础,1电弧及其电场强度分布 电弧是一种气体放电现象，它是带电粒子通过两电极之间气体空间的一种导电过程,如图1
2、-1所示。两电极之间的气体导电，必须具备两个基本条件：两电极之间有带电粒子；两电极之间有电场。,图1-1,无论是什么物质，能否呈现导电性，都取决于其在电场的作用下，是否拥有可自由移动的带电粒子。,2电弧中带电粒子的产生,气体和金属导电的区别,金属导电伏安特性 气体导电伏安特性,电弧两极间带电粒子产生的来源有：中性气体粒子的电离、金属电极发射电子、负离子形成等。其中气体电离和阴极发射电子是电弧中产生带电粒子的两个基本物理过程。,（1）气体的电离,1)气体电离。在外加能量作用下，使中性的气体分子或原子分离成电子和正离子的过程称为气体电离。气体电离的实质，是中性气体粒子(分子或原子)吸收足够的外部能
3、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。使中性气体粒子电离所需的最小外加能量称为电离能。电离能通常以电子伏（eV）为单位，1电子伏就是指1个电子通过电位差为1V的两点间所需做的功，其数值为1.6 10-19J。电弧气氛中常见气体粒子的电离电压见表1-1。,表1-1 常见气体粒子的电离电压,当电弧空间同时存在电离电压不同的几种气体时，在外加能量的作用下，电离电压较低的气体粒子将先被电离。如果这种气体供应充足，则电弧空间的带电粒子将主要由这种气体的电离来提供，所需要的外加能量也主要取决于这种较低的电离电压，因而为提供电弧导电所要求的外加能量也较低。焊接时，为提高电弧
4、的稳定性，往往加入一些电离电压较低、易电离的元素作为稳弧剂，也就是基于此种原因。,2)电离种类。根据外加能量来源的不同，气体电离种类可分为以下几种：热电离电弧中带电粒子数的多少对电弧的稳定起着重要作用。单位体积内电离的粒子数与气体电离前粒子总数的比值称为电离度，用表示，即 x=已电离的中性粒子密度/电离前的中性粒子密度随着温度的升高，气体压力的减小及电离电压的降低，电离度随之增加，电弧中带电粒子数增加，电弧的稳定性增强。,图1-2,热电离度x与温度T之间的关系如图1-2所示。,场致电离 当带电粒子的动能增加到一定数值时，则可能与中性粒子发生非弹性碰撞而使之产生电离，这种电离称为场致电离。在电弧
5、的阴极压降区和阳极压降区，电场强度可达105107V/cm，远高于弧柱区，因而会产生显著的场致电离现象。光电离 中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电离过程称为光电离。,（2）阴极电子发射 在电弧焊中，电弧气氛中的带电粒子一方面由电离产生，另一方面则由阴极电子发射获得。两者都是电弧产生和维持不可缺少的必要条件。由于从阴极发射的电子，在电场的加速下碰撞电弧导电空间的中性气体粒子而使之电离，这样就使阴极电子发射充当了维持电弧导电的“原电子之源”。因此，阴极电子发射在电弧导电过程中起着特别重要的作用。,1)电子发射与逸出功 阴极表面的自由电子受到一定的外加能量作用时，从阴极表面逸出的过程称为电子发射
6、。电子从阴极表面逸出需要能量，1个电子从金属表面逸出所需要的最低外加能量称为逸出功（Aw），单位是电子伏。因电子电量为常数e，故通常用逸出电压（Uw)来表示，Uw=Aw/e，单位为V。逸出功的大小受电极材料种类及表面状态的影响。,由1-2表可见，当金属表面存在氧化物时逸出功都会减小。,表1-2 几种金属材料的逸出功,2）阴极斑点 阴极表面通常可以观察到微小、烁亮的区域，这个区域称为阴极斑点。当采用钨或碳作阴极材料时（通常称为热阴极），其斑点固定不动；而当采用钢、铜、铝等材料作阴极时（通常称为冷阴极），其斑点在阴极表面作不规则的游动，甚至可观察到几个斑点同时存在。由于金属氧化物的逸出功比纯金属低
7、，因而氧化物处容易发射电子。氧化物处发射电子的同时自身被破坏，因而阴极斑点有清除氧化物的作用。,3）电子发射的类型。热发射。阴极表面因受到热的作用而使其内部的自由电子热运动速度加大，动能增加，一部分电子动能达到或超出逸出功时产生的电子发射现象称为热发射。场致发射。当毗邻阴极表面的空间存在一定强度的正电场时，阴极内部的电子将受到电场力的作用。当此力达到一定程度时电子便会逸出阴极表面，这种电子发射现象称为场致发射。光发射。当阴极表面受到光辐射作用时，阴极内的自由电子能量达到一定程度而逸出阴极表面的现象称为光发射。光发射在阴极电子发射中居次要地位。粒子碰撞发射。电弧中高速运动的粒子（主要是正离子）碰
8、撞阴极时，把能量传递给阴极表面的电子，使电子能量增加而逸出阴极表面的现象称为粒子碰撞发射。,3带电粒子的消失带电粒子在电弧空间的消失主要有复合及形成负离子等过程。（1）复合 电弧空间的正负带电粒子（正离子、负离子、电子）在一定条件下相遇而结合成中性粒子的过程称为复合。（2）负离子的形成与影响 在一定条件下，有些中性原子或分子能吸附电子而形成负离子。中性粒子吸附电子而形成负离子时，其内能不是增加而是减少，以热或辐射光的形式释放出来。,能力知识点2 焊接电弧的导电特性,焊接电弧的导电特性是指参与电荷的运动并形成电流的带电粒子在电弧中产生、运动和消失的过程。,1弧柱区的导电特性,弧柱的温度很高，大约
9、在500050000K之间。当弧柱温度很高时，可使其中的大部分中性粒子电离成电子和正离子。弧柱呈电中性。弧柱中的电流主要由电子流构成。弧柱单位长度上的电压降（即电位梯度）称为弧柱电场强度E。电场强度E的大小与电弧的气体介质有关；E的大小将随弧柱的热损失情况而自行调整。,最小电压原理,弧柱在稳定燃烧时，有一种使自身能量消耗最小的特性。即当电流和电弧周围条件（如气体介质种类、温度、压力等）一定时，能量消耗最小时的电场强度最低，即在固定弧长上的电压降最小，这就是最小电压原理。电弧截面面积大于或小于其自动确定的截面，都会引起电场强度增大，使消耗的能量增多，违反最小电压原理。因为电弧截面增大时，电弧与周
10、围介质的接触面增大，电弧向周围介质散失的热量增加，要求电弧产生更多的能量与之相平衡，即要求增加。,2阴极区的导电特性,（1）热发射型 正离子冲击阴极表面而将能量传递给阴极，并且正离子在阴极表面复合电子，释放出的电离能也使阴极加热；电流流过阴极时产生的电阻热使阴极加热。通过上述能量补充，可使阴极维持较高的温度，保证持续的热发射。,（2）电场发射型 场致电离产生的电子与阴极发射出来的电子合在一起构成弧柱所需的电子流，场致电离产生的正离子与弧柱来的正离子，在电场作用下一起奔向阴极，使得阴极区保持正离子过剩，出现正电性，维持场致发射。另外，当这些正离子到达阴极时，将其动能转换为热能，对阴极的加热作用增
11、强，使阴极的热发射作用增大，呈现热一场致发射，为弧柱提供足够的电子流。这种形式的导电中，为了提高阴极区的电场强度，按照最小电压原理，阴极区将自动收缩截面，以提高正离子流即正电荷的密度，维持阴极的电子发射能力。在小电流钨极氩弧焊和熔化极电弧焊时，这种场致发射型导电起主要作用。,3阳极区的导电特性,（1）阳极斑点 在阳极表面也可看到微小、烁亮的区域，这个区域称为阳极斑点。（2）阳极区导电形式 阳极不能发射正离子，弧柱所需要的正离子流是由阳极区的电离提供的。由于条件不同，阳极区的导电形式有两种：1）阳极区的场致电离。2）阳极区的热电离。,能力知识点3 焊接电弧的工艺特性,电弧焊以电弧为能源，主要利用
12、其热能及机械能。焊接电弧与热能及机械能有关的工艺特性，主要包括：电弧的热能特性电弧的力学特性电弧的稳定性,1电弧的热能特性,（）电弧热的形成机构 电弧可以看作是一个把电能转换成热能的柔性导体。）弧柱的产热。从电源吸取电能转换为热能的作用几乎完全由电子来承担，在弧柱中外加电能大部分将转换为热能。）阴极区的产热 Pk=IUk-IUw-IUT）阳极区的产热特性 Pa=IUa+IUw+IUT,（2）电弧的温度分布 电弧各部分的温度分布受电弧产热特性的影响，电弧组成的三个区域产热特性不同，温度分布也有较大区别。电弧温度的分布特点可从轴向和径向两个方面比较：,图1-3,1）轴向温度分布。阴极区和阳极区的温
13、度较低，弧柱温度较高，如图1-3所示。,阴极、阳极的温度则根据焊接方法的不同有所差别，见表1-3。,表1-3 常用焊接方法阴极与阳极的温度比较,2）径向。电弧径向温度分布的特点是：弧柱轴线温度最高，沿径向由中心至周围温度逐渐降低，如图1-4所示。,图1-4,（3）焊接电弧的热效率及能量密度 电弧焊的热能由电能转换而来，因此电弧的功率可由下式表示 AA式中：Q电弧的电功率；A电弧电压，ACa用于加热、熔化填充材料及工件的电弧热功率称为有效热功率，表示为,上式中，有效热功率系数（热效率系数），它受焊接方法、焊接工艺参数、周围条件等因素的影响。表-常用焊接方法的热效率系数,2电弧的力学特性,在焊接过
14、程中，电弧的机械能是以电弧力的形式表现出来的，电弧力不仅直接影响工件的熔深及熔滴过渡，而且也影响到熔池的搅拌、焊缝成形及金属飞溅等，因此，对电弧力的利用和控制将直接影响焊缝质量。电弧力主要包括：电磁收缩力等离子流力斑点力,（）电弧力及其作用 1）电磁收缩力。这个力是由电磁场产生的，因而称为电磁力。它的大小与导线中流过的电流大小成正比，与两导线间的距离成反比。如图1-5所示。,当电流流过导体时，电流可看成是由许多相距很近的平行同向电流线组成，这些电流线之间将产生相互吸引力。可变形导体（液态或气态），将使导体产生收缩，这种现象称为电磁收缩效应，产生电磁收缩效应的力称为电磁收缩力。,图1-5,形成由
15、小直径端（电极端）指向大直径端（工件端）的电弧轴向推力（见图1-6中的Ft）。而且电流越大，形成的推力越大。电弧轴向推力在工件上表现为对熔池形成的压力，称为电磁静压力。,图1-6,焊接电弧一般为锥形导体，如图1-6所示。电极端直径小，工件端直径大。由于不同直径处电磁收缩力的大小不同，直径小的一端收缩压力大，直径大的一端收缩压力小，因此将在电弧中产生压力差，,电磁收缩力的作用,由电弧自身磁场引起的电磁收缩力，在焊接过程中具有重要的工艺性能。它不仅使熔池下凹，同时也对熔池产生搅拌作用，有利于细化晶粒，排出气体及夹渣，使焊缝的质量得到改善。另外，电磁收缩力形成的轴向推力可在熔化极电弧焊中促使熔滴过渡
16、，并可束缚弧柱的扩展，使弧柱能量更集中，电弧更具挺直性。,电弧的电磁静压力形成如图1-7a所示的碗状熔深焊缝形状；电弧的电磁动压力则形成如图1-7b所示的指状熔深焊缝形状。,图1-7,等离子流力可增大电弧的挺直性，在熔化极电弧焊时促进熔滴轴向过渡，增大熔深并对熔池形成搅拌作用。,2）等离子流力 在轴向推力作用下，将把靠近电极处的高温气体推向工件方向流动。高温气体流动时要求从电极上方补充新的气体，形成有一定速度的连续气流进入电弧区。新加入的气体被加热和部分电离后，受轴向推力作用继续冲向工件，对熔池形成附加的压力。熔池这部分附加压力是由高温气流（等离子气流）的高速运动引起的，所以称为等离子流力，也
17、称为电弧的电磁动压力。,图1-8,3）斑点力。电极上斑点处受到带电粒子的撞击或金属蒸发的反作用而对斑点产生的压力，称为斑点压力或斑点力。熔化极气体保护焊采用直流反接，可以减小熔滴过渡的阻碍作用，减少飞溅。,图1-9,阴极斑点力比阳极斑点力大。不论是阴极斑点力还是阳极斑点力，其方向总是与熔滴过渡方向相反，如图1-9所示。但由于阴极斑点力大于阳极斑点力，所以熔化极气体保护焊可通过采用直流反接减小对熔滴过渡的阻碍作用，减少飞溅。,（2）电弧力的主要影响因素1）焊接电流和电弧电压 2）焊丝直径 3）电极（焊条、焊丝）的极性 4）气体介质,3焊接电弧的稳定性,焊接电弧的稳定性是指电弧保持稳定燃烧（不产生
18、断弧、飘移和偏吹等）的程度。电弧不稳定的原因除操作人员技术熟练程度外，还与下列因素有关。（1）焊接电源（2）焊条药皮或焊剂（3）焊接电流 焊接电流越大，电弧燃烧越稳定。,（4）磁偏吹 电弧在其自身磁场作用下具有一定的挺直性，使电弧尽量保持在焊丝（条）的轴线方向上，如图1-13所示。但在实际焊接中，由于多种因素的影响，电弧周围磁力线均匀分布的状况被破坏，使电弧偏离焊丝（条）轴线方向，这种现象称为磁偏吹，如图1-14所示。一旦产生磁偏吹，电弧轴线就难以对准焊缝中心，导致焊缝成形不规则，影响焊接质量。,图1-13,图1-14,引起磁偏吹的根本原因是电弧周围磁场分布不均匀，致使电弧两侧产生的电磁力不同
19、。焊接时引起磁力线分布不均匀的原因主要有：,图1-15,1）导线接线位置。如图1-15所示。,2）电弧附近的铁磁物体。图1-16所示。,图1-16,（5）其他影响电弧不稳定因素 如果电弧太长，电弧就会发生剧烈摆动，从而破坏了焊接电弧的稳定性，而且飞溅也增大。焊接处如有油漆、油脂、水分和锈层等存在时，也会影响电弧燃烧的稳定性。强风、气流等因素也会造成电弧偏吹，同样会使电弧燃烧不稳定。,综合知识模块二 焊丝的熔化与熔滴过渡,电弧焊时，焊丝的末端在电弧的高温作用下加热熔化（图1-17），形成的熔滴通过电弧空间向熔池转移的过程称为熔滴过渡。焊丝形成的熔滴作为填充金属与熔化的母材共同形成焊缝。因此，焊丝
20、的加热熔化及熔滴过渡将对焊接过程和焊缝质量产生直接的影响。,图1-17,在细丝熔化极气体保护电弧焊、使用含有CaF2焊剂的埋弧焊或使用碱性焊条电弧焊等情况下，当采用同样大小的焊接电流焊接同一种材料时，焊丝作为阴极时的产热功率比作为阳极时的产热功率多，在散热条件相同时，焊丝作阴极比作阳极时熔化速度快。,能力知识点1 焊丝的加热和熔化特性,1焊丝的热源 电弧焊时，用于加热、熔化焊丝的热源是电弧热和电阻热。（1）电弧热 熔化极电弧焊时，焊丝的熔化主要靠阴极区（正接）或阳极区（反接）所产生的热量及焊丝伸出长度上的电阻热，弧柱区产生的热量对焊丝的加热熔化作用较小。非熔化极电弧焊（如钨极氩弧焊或等离子弧焊
21、）的填充焊丝主要靠弧柱区产生的热量熔化。（2）电阻热 焊丝的熔化速度除了受电弧热影响之外，同时还受到电阻热的影响。焊丝伸出部分有电流流过时所产生的电阻热对焊丝有预热作用。,2焊丝的熔化特性,焊丝的熔化特性就是指焊丝的熔化速度vm和焊接电流之间的关系，它主要与焊丝材料及焊丝直径、伸出长度有关。焊丝的电阻率和熔化系数越大，焊丝熔化速度越快；反之，熔化速度越慢。如图1-18所示,图1-18,能力知识点2 熔滴上的作用力,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等。,1重力平焊时，熔滴上的重力促使熔滴过渡；而在立焊及仰焊位置则阻碍熔滴过渡，如图1-20所
22、示。,图1-20,2表面张力 表面张力是指焊丝端部保持熔滴的作用力，用F表示，大小为F式中，是焊丝半径；是表面张力系数。的数值与材料成分、温度、气体介质等因素有关。,3电弧力,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。,4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，致使熔滴爆破，这一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。,5电弧的气体吹力,焊条电弧焊时，焊条药皮的熔化滞后于焊芯的熔化，这样在焊条的端头形成套筒，如图1-21所示。不论是何种位置的焊接，电弧气体吹力总是促进熔滴过渡。
23、,图1-21,能力知识点3 熔滴过渡的主要形式及特点,熔滴形式有自由过渡、接触过渡和渣壁过渡三种。如图1-22所示。,图1-22 熔滴过渡形式及电弧形状特征a)自由过渡 b)接触过渡 c)渣壁过渡,1自由过渡,自由过渡是指熔滴经电弧空间自由飞行，焊丝端头和熔池之间不发生直接接触的过渡方式。常用的自由过渡是滴状过渡和喷射过渡。如果过渡的熔滴直径比焊丝直径大时，称为滴状过渡（见图1-24中1所示）；过渡的熔滴直径比焊丝直径小时，则称为喷射过渡（见图1-24中2所示）。,2接触过渡,接触过渡是指焊丝（或焊条）端部的熔滴与熔池表面通过接触而过渡的方式。常用的接触过渡是短路过渡。根据接触之前熔滴的大小不
24、同，该过渡方式又可分为两种形态：小滴时电磁收缩力的作用大于表面张力，通常形成短路过渡（见图1-22中4所示）；大滴时表面张力作用大于电磁收缩力，靠熔滴和熔池表面接触后所产生的表面张力使之过渡，称为搭桥过渡（见图1-22中5所示）。,渣壁过渡是熔滴沿着熔渣的壁面流入熔池的一种过渡形式。这种过渡方式只出现在埋弧焊和焊条电弧焊中。埋弧焊时熔滴沿熔渣壁过渡（见图1-24中6所示）；焊条电弧焊时熔滴沿药皮套筒壁过渡（见图1-24中7所示）。,3渣壁过渡,在热（电弧热）的作用下焊丝与母材（或母材与母材）被熔化，在工件上形成一个具有一定形状和尺寸的液态熔池。随着电弧的移动，熔池前端的母材金属不断被熔化进入熔
25、池中，熔池后部则不断冷却结晶形成焊缝，如图1-26所示。,综合知识模块三 母材熔化与焊缝成形,图1-26,能力知识点1 焊缝形成过程,焊缝的形状如图1-28所示。用焊缝有效厚度(熔深)H（图中用S表示）、焊缝宽度(熔宽)B（图中用C表示）和余高三个参数来描述。,能力知识点2 焊缝形状与焊缝质量的关系,图1-28,生产中常用焊缝成形系数=BH和余高系数B来表征焊缝成形的特点。,通常将对焊接质量影响较大的焊接工艺参数（焊接电流、电弧电压、焊接速度、热输入等）称为焊接参数。其他工艺参数（焊丝直径、电流种类与极性、电极和工件倾角、保护气等）称为工艺因数。此外，工件的结构因数（坡口形状、间隙、工件厚度等
26、）也会对焊缝成形造成一定的影响。,能力知识点3 焊接工艺参数对焊缝成形的影响,焊接参数决定焊缝输入的能量，是影响焊缝成形的主要工艺参数。焊接参数对焊缝有效厚度H、焊缝宽度B和余高的影响如图1-29所示。（）焊接电流 如图1-29a所示。（）电弧电压 如图1-29b所示。（）焊接速度 如图1-29c所示。,1焊接参数的影响,图1-29 焊接参数对焊缝有效厚度、焊缝宽度和余高的影响）焊接电流的影响b）电弧电压的影响c）焊接速度的影响,（1）电流种类和极性（2）焊丝直径和伸出长度（3）电极倾角 如图1-30a、b所示。,2工艺因素的影响,图1-30 电极倾角对焊缝成形的影响 a)后倾 b)前倾 c)
27、前倾时倾角影响,（4）工件倾角 如图1-31所示。,图1-31 工件倾角对焊缝成形的影响a）上坡焊 b）下坡焊,（1）工件材料和厚度（2）坡口和间隙 如图1-32所示。焊接时常采用开坡口来控制余高和熔合比。,3结构因数,图1-32 工件的坡口和间隙对焊缝成形的影响,工件所开坡口角度不当、装配间隙不均匀、焊接参数选择不合适及操作人员技术不熟练等。为防止上述缺陷，应正确选择坡口角度、装配间隙及焊接参数，熟练掌握操作技术，严格按设计规定进行施工。,（1）焊缝外形尺寸不符合要求 如图1-33所示。,4焊缝成形缺陷的产生及防止,图1-33 焊缝外形尺寸不符合要求,（2）咬边 如图1-34所示。咬边是电弧
28、将焊缝边缘熔化后，没有得到填充金属的补充而留下的缺口。咬边一方面使接头承载截面减小，强度降低；另一方面造成咬边处应力集中，接头承载后易引起裂纹。正确选择焊接参数，熟练掌握焊接操作技术是防止咬边的有效措施。,图1-34 咬边,（3）未焊透和未熔合 如图1-35所示。焊接电流过小、焊速过高、坡口尺寸不合适及焊丝偏离焊缝中心，或受磁偏吹影响等。工件清理不良，杂质阻碍母材边缘与根部之间以及焊层之间的熔合，也易引起未焊透和未熔合。,图1-35 未焊透和未熔合,正确选择焊接参数、坡口 形式及装配间隙，并确保焊丝对准焊缝中心。注意坡口两侧及焊道层间的清理，使熔敷金属与母材金属之间充分熔合。,（4）焊瘤 如图1-36所示。焊瘤主要是由于填充金属量过多引起的。当坡口尺寸过小、焊接速度过慢、电弧电压过低、焊丝偏离焊缝中心及焊丝伸出长度过长等都可能产生焊瘤。尽量使焊缝处于水平位置，使填充金属量适当，焊接速度不宜过低、焊丝伸出长度不宜太长、注意坡口及弧长的选择等。,图1-36焊瘤,焊接电流过大、焊接速度过小或坡口间隙过大等。在气体保护电弧焊时，气体流量过大也可能导致焊穿。焊接电流与焊接速度适当配合，严格控制工件的装配间隙，气体保护焊时，还应注意气体流量不宜过大，以免形成切割效应。,图1-37 焊穿及塌陷 a）焊穿 b）塌陷,（5）焊穿及塌陷 如图1-37所示。,END,
