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1、电弧物理与现代弧焊方法,南京理工大学 材料科学与工程系 王 克 鸿,1.9 电极斑点,1.9.1 阴极斑点阴极导电的三种状态：阴极整体导电；阴极收束导电；阴极斑点导电；阴极斑点-电弧放电时，负电极表面上集中发射电子 的光亮极小区域。,1.9.2 阳极斑点,阳极导电的状态：表面局部有金属熔化和蒸发产生电离、阳极收束产生电离、阳极前面的局部区域电离；阳极斑点-电弧放电时，正电极表面上接收发 射电子的光亮微小区域。,2.焊丝熔化和熔滴过渡,2.1焊丝的熔化焊丝的作用-一是作为电极；二是作为填充金属。焊接过程中，焊丝不断地被电弧加热、熔化，形成熔池并向熔池过渡，和熔化的母材金属相互融合，冷凝后形成焊缝
2、。2.1.1 焊丝的加热和熔化 焊丝的熔化速度与焊接条件有着密切的关系。焊接条件发生变化，经常能引起焊丝熔化速度的变化。同样的焊丝，当其去面状态不同，对焊丝的熔化速度也有着不同的影响。当采用DCEP(焊丝接正极)时，熔化速度变化不大，但当采用DCEN(焊丝按负极)时，对焊丝熔化速度有极大的影响。,2.焊丝熔化和熔滴过渡,焊丝的熔化速度不仅取决于焊接电流，而且还与焊接电流的极性、保护介质的成分、熔滴过渡形式、焊丝材料及焊丝表面状态等有关。焊丝(电极)的加热与熔化主要决定于靠近电极的阴极区(EN)或阳极区(EP)所产生的热量。阴极区和阳极区的产热可用下式计算：,PA=Ia UwPc=Ia（Uc-U
3、w）,2.焊丝熔化和熔滴过渡,2.焊丝熔化和熔滴过渡,2.焊丝熔化和熔滴过渡,焊丝伸出长度部分的电阻热的影响也很大；所谓焊丝伸出长度是指从焊丝与导电嘴的接触点到电弧端头的这段焊丝的长度；细丝气体保护焊焊接时，焊丝伸出长度部分通过较大的电流，并产生较大的电阻热，其值可用下式计算：,2.焊丝熔化和熔滴过渡,2.焊丝熔化和熔滴过渡,2.焊丝熔化和熔滴过渡,熔化焊丝的热量来源Pm，主要是电弧的近电极区产热及焊丝伸出长度部分产生的电阻热；该热量用来加热与熔化焊丝，在稳定的焊接过程中，当弧长保持一定时，单位时间内提供给焊丝的热量应该等于脱离焊丝的熔滴金属所带走的热量Qm，可用下式表示：Qm=vm（CTf+
4、H）Vm-熔化速度（单位时间内熔化焊丝的量）（g/min）C-比热容；Tf-熔滴金属脱离焊丝时的平均温度；H-熔化金属的潜热；Pm=Qm J；J-热功当量4.2J/calIa（Um+IaRs）=vm（CTf+H）vm=（Um+IaRs）/（CTf+H）J Ia,2.焊丝熔化和熔滴过渡,vm=(Um+IaRs)/(CTf+H)J Ia设am=(Um+IaRs)/(CTf+H)J-熔化系数，单位时间内通过单位电流时熔化焊丝金属的量；熔化系数与焊接材料、焊接电流极性及焊接参数有关。从大(粗)滴过渡转变为射流过渡时，熔滴的含热量及熔化系数都发生变化，熔滴的温度随着熔滴的细化而提高，而熔化系数却降低;值
5、得拄意的是当熔滴过渡形式一定时，熔化系数也不变;对于直径1.6mm的铝焊丝，当焊丝伸出长度为1015mm的情况下，大滴过渡时熔滴的温度较低，而在射流过渡时熔滴的温度较高，其最高温度可达2260 0C(其沸点为24500C)。这就是图3-5中熔化速度阶跃变化的原因;,钢焊丝却较为复杂，从大滴过渡到射流过渡转变时，经过一个驼峰，随着焊接电流的增加，熔滴的温度也增加，而在射流过渡时，随着焊接电流的增加，熔滴温度却减小，这时熔滴的最高温度为21300C，而最低温度为15700C(钢的沸点为28480C，熔点为15300C)，可见熔滴愠度的变化是很大的；其主要原因是钢焊丝的电阻率大和熔滴在焊丝端头停留的
6、时间所决定的；根据这一实验结果和气体成分对熔漓过渡形式的影响规律，也就比较容易认识图3-4中的曲线关系了。,2.焊丝熔化和熔滴过渡,2.焊丝熔化和熔滴过渡,2.2 熔滴过渡分类-电弧焊时，从焊丝端头形成的，并向熔池 过 渡的滴状液态金属。自由过渡：粗滴过渡、喷射过渡、爆炸过渡；粗滴过渡：下垂滴状过渡、排斥滴状过渡 喷射过渡：射滴、射流和旋转射流接触过渡：短路过渡、搭桥过渡；渣壁过渡：渣壁过渡、沿药皮壁过渡,2.3熔滴过渡,短路过渡 当焊接电流较小，电弧电压较低时，此时弧长很短，熔滴直径比弧长大，焊接过程中焊丝端部的熔滴周期性地与熔池短路接触，由于强烈过热和磁收缩的作用使其爆断，直接向熔池过渡的
7、形式叫短路过渡。,短路过渡,短路过渡过程与飞溅,电爆-飞溅理论：短路过程中，液态金属桥被电磁力压缩形成缩颈随缩颈的变细，电磁力加大，最终液态缩颈发生爆炸过渡，由此产生飞溅。-认为飞溅大小与爆断前100-150us电流的大小和积累的能量有关。,波形控制焊机-控制飞溅的大小,在爆断前100-150us降低电流，爆断后迅速拉升电流，类似于叠加了一个负脉冲。,改善焊缝成型,增加燃弧能量-在燃弧期间，增加一个正电压脉冲，增加燃弧能量，可增加熔池热量，加强流动性,改善成型。,2.3.2 喷射过渡,当焊丝直径一定，弧长较长，电弧电压较高时，焊接电流若达到或超过某值后，电弧形态与熔滴过渡特点将发生明显的变化。
8、电弧变得十分稳定，焊丝端头的熔滴小于焊丝直径,在电磁力的作用下,这一种小熔滴沿焊丝的轴线方向、以喷射方式快速穿过电弧空间，这一种熔滴向熔池过渡的形式叫喷射过渡。,射滴过渡,此时焊接电流刚超过临界电流,电弧呈束状或吊钟状,熔滴呈圆球状，直径大致等于或稍小于焊丝直径，以较高的速度沿焊丝轴线飞入熔池。过渡频率在几十至几百滴每秒间变化。电弧稳定，飞溅不大，焊缝成形良好，焊缝底部的熔合线呈弧形。,电弧弧根的形态,电弧弧根形态与保护气体、电流大小、极性等的关系。,射流过渡：,当焊接电流超过临界电流较大时，熔滴变得特别细，过渡频率超过200滴s，此时电弧呈倒钟形，可清楚地看到电弧分成三层，电弧十分稳定，焊接
9、时无飞溅，这种过渡形式叫射流过渡。,跳弧原理与过程,跳弧前:U=Ul1+Uab跳弧后:U=Ul2 l2 l1;Ul2 Ul1跳弧条件:Ul1+Uab Ul2+UT Uab(Ul2-Ul1)+UT E Uab/(l2-l1)Ut,a,b,L1,L2,a.调弧前 b.调弧后,应用,对铝、铜-不易跳弧；Uab小对不锈钢-容易跳弧；Uab大对氩气-容易跳弧；E小对CO2-不易跳弧；E大,射流过渡图,旋转射流过渡,当保护气体成分和焊丝直径不变时，若电弧较长，焊丝干伸长较大，且焊接电流进一步增大并超过某一定值时，熔滴呈旋转喷射过渡。开始发生旋转喷射过渡的电流叫第二临界电流。,旋转射流过渡图,2.4电弧的力,2.4.1 电磁力 F=K(I1I2)/L Pr=KI2(R2 r2)/(3.14R4)轴向压力的合力:F=KI2/2 实际锥形电弧:轴向推力 FP=KL2Ln(Rb/Ra),F1,F2,L1,L2,2.4.1 等离子流力,高温气体流动时,将从上方吸入电弧周围的气体介质,形成有一定速度的连续气流进入电弧区,在电弧区这些气体被加热和电离,在电弧轴向推力的作用下冲向熔池对熔池产生附加压力,2.4.2 斑点压力,电子流或离子流对阳极斑点和阴极斑点的冲击力;金属蒸汽的反作用力;电极上电磁收缩力爆破力;,爆破力,如短路过渡的电磁爆断。,2.4 熔池行为,熔池和焊缝的几何参数,B,H,C,L1,
