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1、焊接方法与设备第一章第一章焊接电弧焊接电弧第一节第一节焊接电弧焊接电弧其次节其次节焊丝的熔化与熔滴过渡焊丝的熔化与熔滴过渡第三节第三节母材熔化与焊缝成形母材熔化与焊缝成形1-11-1电弧物理基础电弧物理基础一）一）电弧的基本概念电弧的基本概念1、电弧：电弧是一种气体放电、电弧：电弧是一种气体放电现象，通过放电将电能转变现象，通过放电将电能转变为热能与机械能。为热能与机械能。2、气体导电产生的条件：、气体导电产生的条件：两电极之间有带电粒子；两电极之间有电场。两电极之间有带电粒子；两电极之间有电场。3、气体导电与金属导电的区分：、气体导电与金属导电的区分：气体放电的形式有暗放电、气体放电的形式有
2、暗放电、辉光放电、辉光放电、电弧放电等三种。电弧放电等三种。UaIa电弧放电辉光放电暗放电暗放电UI导体导电+-电弧4、电弧的组成电弧的组成阴极区阴极区U Uk k 阳极区阳极区U Ua a 弧柱区弧柱区U Uc c 二）二）带电粒子的产生过程带电粒子的产生过程产生方式：产生方式：电离：电离：气体中性原子或分子（气体中性原子或分子（A）分别为一价正离子）分别为一价正离子（A+）和电子（）和电子（e）的过程。）的过程。金属电极放射电子：金属表面逸出电子的现象金属电极放射电子：金属表面逸出电子的现象（一）电离与激励（一）电离与激励1、电离：在确定条件下中性原子分别成、电离：在确定条件下中性原子分别
3、成A+及及e的现象。的现象。AA+e-Wi 电离能：原子或分子电离所须要的能量电离能：原子或分子电离所须要的能量单位为单位为ev或或J 电子伏：一个电子被电子伏：一个电子被1V的电压所加速得到的能量。的电压所加速得到的能量。电离电压：电离能电离电压：电离能/电子带电量。电子带电量。一次电离：一次电离：AA+e二次电离：二次电离：A+A+en次电离：次电离：A（n-1）+An+eA+Ae2、激励：气体原子得到的确定的能量，虽然小于Wi，但可使电子从低能级跃迁到高能级。这种现象叫激励。激励能：所需的最小外加能量叫激励能We。激励能电压：激励能We/e。总结：电弧气氛中往往是电离与激励同时存在的，确
4、定的气体粒子其电离电压和激励电压都是固定数值。3、电离的分类：1）热电离：气体粒子受热的作用而产生电离实质：中性粒子通过与电子碰撞，接收电子能量而电离。2）场致电离：A+、e在电场作用下被加速、与A碰撞使其电离的过程。主要是e的作用：电子获得的能量是A+的4倍。3）光电离：A干脆捕获光量子并吸取其能量而电离。波长越小越易促进光电离，电弧波长包括红外线、紫外线、可见光、可使AI、K、Na原子光电离。但不能使Ar、He、Fe等电离。（二）阴极电子放射（二）阴极电子放射1 1、基本概念、基本概念1 1）电子放射：电子从金属表面逸出的现象。电子放射：电子从金属表面逸出的现象。对电弧导电起作用的主要是阴
5、极的放射。对电弧导电起作用的主要是阴极的放射。2 2）逸出功（逸出功（WwWw）：电子放射所需的最小能量。）：电子放射所需的最小能量。物理意义：物理意义：WwWw越小，引弧越简洁，电弧稳弧性越好。越小，引弧越简洁，电弧稳弧性越好。3 3）阴极斑点）阴极斑点4 4）主要影响因素：）主要影响因素：材料，材料，K K、NaNa之之WwWw较低。较低。表面状态：有氧化物时，逸出功降低表面状态：有氧化物时，逸出功降低 加入杂质，例如，钍、铈及镧等可降低加入杂质，例如，钍、铈及镧等可降低WwWw。-2、分类1）热放射：在热量的作用下产生的放射产生条件：阴极温度足够高特点：对阴极有冷却作用，这一点对TIG焊
6、具有重要意义。可提高W极的载流实力。2）电场放射：金属表面的电子在电场力的作用下逸出的现象。特点：对阴极的冷却作用较小。3）光放射：光幅射作用下产生的放射。实际电弧中产生光放射的可能性很小。4）粒子碰撞放射：高速运动的A+碰撞到阴极上导致的放射。库仑力（三）带电粒子的消逝（三）带电粒子的消逝扩散与复合扩散与复合扩散：电弧中心处扩散：电弧中心处A+A+、e e较多，较多，e e易向周边运动。当易向周边运动。当周边电子浓度达到确定值后，在周边电子浓度达到确定值后，在e e吸引下，吸引下，A+A+也向周边也向周边运动。从而在周边复合运动。从而在周边复合A+eA+WiA+eA+WiA+A2A+WiA+
7、A2A+Wi三）三）电弧各区域的导电机构电弧各区域的导电机构所谓导电机构就是指带电粒子产生、运动和消逝的过程。所谓导电机构就是指带电粒子产生、运动和消逝的过程。（一）区域组成（一）区域组成由阴极区、阳极区、弧柱三部分组成。由阴极区、阳极区、弧柱三部分组成。1 1、阴极区：长度极短、电压较大、阴极区：长度极短、电压较大、E E（电场强度）极高（电场强度）极高2 2、阳极区：长度也极短、电压较大、阳极区：长度也极短、电压较大、E E极高极高3 3、弧柱区长度基本上等于电弧长度，、弧柱区长度基本上等于电弧长度，E E较小较小UAUCUK阳极区阴极区弧柱-+10-5 10-6cm10-2 10-4cm
8、（二）弧柱区的导电机构（二）弧柱区的导电机构1、带电粒子的产生1）电离：热电离热电离光电离电场作用的电离2）阴极区注入的电子3）阳极区注入的正离子2、带电离子的运动A+冲向阴极正离子流IA+e冲向阳极电子流IeI=IA+Ie其中：IA+=0.1%IIe=99.9%I3、特点：1）电中性；2）E小、Ua小IA+IeI最小电压原理最小电压原理电场强度电场强度E电功率电功率电流确定、四周条件确定时，稳定燃烧的电弧各电流确定、四周条件确定时，稳定燃烧的电弧各导电区的半径（温度）应使电弧电场强度最小，即导电区的半径（温度）应使电弧电场强度最小，即电弧电压最小。电弧电压最小。该原理的含义：该原理的含义：电
9、弧半径稳定值电弧半径稳定值r*由由E的最小值的最小值E*确定确定ErR*E*（三）阴极区的导电机构（三）阴极区的导电机构1、阴极区在导电过程中的作用、阴极区在导电过程中的作用1)产生弧柱区导电所须要电子流产生弧柱区导电所须要电子流Ie=0.999I2)接收弧柱区来的正离子流接收弧柱区来的正离子流IA+=0.001I2、热放射型、热放射型1）产生条件：）产生条件：W、C阴极，且电流很大阴极，且电流很大2）带电粒子的产生方式：热放射）带电粒子的产生方式：热放射热阴极：弧柱导电所须要的电子可完全由热发生热阴极：弧柱导电所须要的电子可完全由热发生来产生的阴极。来产生的阴极。冷阴极：热放射实力不足的阴极
10、。冷阴极：热放射实力不足的阴极。热阴极材料：熔点高的材料热阴极材料：熔点高的材料冷阴极材料：熔点低的材料。冷阴极材料：熔点低的材料。3）热量补充：）热量补充：1.正离子冲击正离子冲击2.电阻热电阻热3、电场放射型导电机构1)条件：（a）W、C阴极、且I较小（b）AI、Fe、Cu作阴极2)带电离子产生方式（1）场放射（2）场电离（3）热放射（4）碰撞放射（四）阳极区的导电机构（四）阳极区的导电机构1 1、阳极区在导电过程中的作用、阳极区在导电过程中的作用1)1)接收弧柱区来的电子流接收弧柱区来的电子流 Ie=0.999I Ie=0.999I2)2)产生弧柱区所须要的正离子流产生弧柱区所须要的正离
11、子流IA+=0.001IIA+=0.001I2 2、热电离、热电离1 1）产生条件：）产生条件：I I较大较大2 2）带电离子产生方式：热电离）带电离子产生方式：热电离 3 3、电场作用下的电离、电场作用下的电离1 1）产生条件：）产生条件：I I较小较小2 2）带电粒子的产生方式：热电离、场电离）带电粒子的产生方式：热电离、场电离 -+-+-UA阳极区弧柱区阳极压降的形成+2、阳极斑点1）阳极斑点的定义2）点充当阳极斑点的条件a）通过该点导通电流时，耗能最小b）易蒸发，产生金属蒸气1-21-2焊接电弧的产热及温度分布焊接电弧的产热及温度分布一）、焊接电弧的产热机构一）、焊接电弧的产热机构（一
12、）弧柱的产热机构（一）弧柱的产热机构电能电能热能（几乎由电子担当）热能（几乎由电子担当）1、本质：本质：A+、e在电场作用下被加速、使其动能增在电场作用下被加速、使其动能增大的过程。其宏观表现即为温度上升大的过程。其宏观表现即为温度上升产热产热2、产热量、产热量主要用于散热损失主要用于散热损失对流、幅射、传导对流、幅射、传导。（二）阴极区的产热1本质：产生电子、接受正离子的过程中有能量变更，这些能量的平衡结果就是产热，由三部分组成：1）电子逸出阴极时消耗能量：-IUw2）电子进入弧柱前被电场（Ek）加速得到一部分能量：+IaUk3）电子进入弧柱时带走的能量：-IUT（温度等效电压）2、产热公式
13、Pk=I（Uk-Uw-UT）3、作用：用于加热阴极和散热损失（三）阳极区的产热机构1、本质：接受电子、产生A+过程中伴随的能量转换，由三部分组成：1）e被UA加速所得到的能量：+eUA2）电子带来的逸出功：+IUw3）电子带来的相当于弧柱温度那部分能量+IUw2、产热公式PA=I（UA+Uw+UT）3、作用用于加热阳极和散热损失二）、电弧的温度分布二）、电弧的温度分布（一）弧柱温度分布1、轴向阴极区和阳极区温度较低，弧柱区温度较高。温度电流密度能量密度2、径向中心轴旁边温度高，周边低三）、焊接电弧的热效率及能量密度三）、焊接电弧的热效率及能量密度（一）电弧总产热（一）电弧总产热Pa=PC+PA
14、+PK=I（UC+UK+UA）=Ia Ua（二）有效功率、热效率系数（二）有效功率、热效率系数1有效功率：用于加热工件和焊丝的功率有效功率：用于加热工件和焊丝的功率QE2热效率系数：热效率系数：=QE/Pa3影响的因素：影响的因素：1）焊接方法：）焊接方法：TIG焊低、焊低、MIG（熔化极惰性（熔化极惰性气体爱护焊）、气体爱护焊）、SAW（埋弧焊）高（埋弧焊）高2）焊接规范：）焊接规范：3）外部条件）外部条件（三）能量密度（三）能量密度1单位有效加热面积上的热功率，单位为单位有效加热面积上的热功率，单位为w/cm22功率密度越高功率密度越高，焊接变形及，焊接变形及HAZ越小。越小。气焊气焊电弧
15、焊电弧焊激光激光电子束电子束1-10102-104106-107106-108一）、电弧力1、电磁收缩力通过电弧（熔滴）的电流线之间的相互吸引力，对电弧或熔滴起着压缩作用，该力被称为电磁收缩力。流态导体中电磁收缩力的影响柱形导体中的电磁收缩力ALF推焊丝锥形电弧母材锥形电弧锥形电弧1.电弧轴向推力在焊件上表现为电磁静压力2.电磁收缩力的作用2、等离子流力F推引起的高温气体流（等离子流）所形成的力叫等离子流力作用：1）促进熔滴过渡2）导致指状熔深分布：轴线处大，周边小等离子流力等离子流力的分布FPFF斑Fmg斑点力3、斑点力1.斑点力定义：压力2.由以下三部分组成,阴极斑点力大于阳极斑点力的主要
16、缘由1）带电粒子撞击力阴：A+撞击大阳：e撞击：小2）蒸发反力阴：T高，电流密度大，力大阳：T低力小3.斑点力的应用二）、影响因素1、电弧电流及电压电流增大，电弧力增大；电压增大，电弧力减小。2、W极或焊丝直径 直径越小，力越大3、极性：TIG焊时，DCSP大；而MIG焊正好相反。4、气体介质导热好，易解离的气体，电弧力，特殊是斑点力较大。三）、焊接电弧的稳定性1.焊接电弧稳定性的定义2.影响焊接电弧稳定性的因素焊接电源焊条药皮或或焊剂焊接电流磁偏吹磁偏吹1、偏吹：电弧因四周磁力线不对称而偏向一侧的现象.偏向：磁力线疏的一侧2、引起磁偏吹的缘由1）导线接法不合适2）铁磁性物质3）沟通电弧的磁偏
17、吹较小缘由：（1）涡流，涡流磁场低消原磁场（2）电弧偏吹运动为机械运动，而沟通电弧的不均恒磁场以50Hz的频率变更。+-+-电流+F左F右磁偏吹+-+-电流+F左F右接线位置引起的磁偏吹+-+-+-+-电流+F左F右磁性物质引起的磁偏吹-+1-21-2焊丝的加热及熔化焊丝的加热及熔化一）、加热热源：一）、加热热源：（一）电弧热（一）电弧热极区产热极区产热 焊丝接阴极时：焊丝接阴极时：Pk=I（Uk-Uw-UT）I（Uk-Uw）UT很小，或许只有很小，或许只有1V左右。左右。焊丝接阳极时：焊丝接阳极时：PA=I（UA+Uw+UT）IUwUA很小，可忽视。很小，可忽视。其次节其次节 焊丝的加热及熔
18、滴过渡焊丝的加热及熔滴过渡LHLs电源送丝轮导电嘴la（二）干伸长度上的电阻热干伸长度：焊丝伸出导电嘴之外的长度LsPR=I2RS=Ls/S影响因素：1）钢焊丝的PR大，因此干身长度的电阻热之影响较大；铝、铜PR小2）Ls越大，dS越小，则PR越大（三）总热源P=Pa+PR=I（Um+IRs）式中：焊丝接阴极时，Um=（Uk-Uw）焊丝接阳极时，Um=Uw二）、影响熔化速度、熔化系数的因素（一）基本概念熔化速度m：单位时间内焊丝的熔化量。单位：g/scm/s熔化系数m：单位时间内，由单位电流所熔化的焊丝量（长度，重量）单位：g/A.SCm/A.Sm=m/I1.电流流过导体的热量除了与（电流流过
19、导体的热量除了与（）外还）外还与电流强度平方成正比与电流强度平方成正比A导体电阻及通电时间成正比导体电阻及通电时间成正比B电容强度电容强度成反比成反比C电感强度成正比电感强度成正比D电感强度成反比电感强度成反比2.（）是描述磁场在空间分布的物理量）是描述磁场在空间分布的物理量A磁阻磁阻B磁通磁通C磁场磁场D磁势磁势3.空气电离后由（空气电离后由（）组成）组成A电子和正离子电子和正离子B原子原子C分子分子D中性粒中性粒子子4.在焊接电弧中阴极放射的电子向（在焊接电弧中阴极放射的电子向（）区）区移动移动A阴极阴极B阳极阳极C焊件焊件D焊条端头焊条端头5.焊接时，阴极表面温度很高，阴极中的焊接时，阴
20、极表面温度很高，阴极中的电子运动速度很快，当电子的动能大于阴电子运动速度很快，当电子的动能大于阴极内部正电荷的吸引力时，电子即冲出阴极内部正电荷的吸引力时，电子即冲出阴极表面，产生（极表面，产生（）A热电离热电离B热放射热放射C光电离光电离D电场放射电场放射6.手弧焊时与电流在焊条上产生的电阻热手弧焊时与电流在焊条上产生的电阻热无关的是（无关的是（）A焊条长度焊条长度B焊条金属的电阻率焊条金属的电阻率C电流强电流强度度D药皮类型药皮类型1A2B3A4B5B6.D（四）爆破力熔滴爆破时，爆破力指向四面八方，即促进过渡，又导致飞溅爆破力一、焊缝形成过程加热熔化化学冶金凝固固态相变形成焊缝1.熔池的
21、基本概念由母材上熔化的金属（焊丝、工件）组成的、具有确定几何形态的液态金属叫熔池。引弧后。经过一过渡期后，熔池稳定，形态不再发生变更。熔池的形态为一半椭球形。2.影响熔池的形态及体积的因素对于确定的焊件：电弧的热作用熔池体积电弧对熔池作用力熔池形态1.3母材熔化与焊缝成形母材熔化与焊缝成形电弧静压力及动压力：电弧静压力及动压力：Fp、Fc均指向熔池，使之洼凹陷，热源下移，有利于增大H。MIG焊时的Fp易于导致指状熔深。细熔滴的冲击力：细熔滴的冲击力：使熔凹陷，增大S，易于导致指状熔深熔池金属的重力：熔池金属的重力：其大小正比于熔池体积。FP及FC电弧力细熔滴的冲击力表面张力表面张力在在F 的作
22、用下，液金从的作用下，液金从 小的地方向小的地方向 大原地方流。大原地方流。驱动力：体系表面自由能的削减。驱动力：体系表面自由能的削减。影响换热及润湿角，从而影响焊缝的形态及表面轮廓。影响换热及润湿角，从而影响焊缝的形态及表面轮廓。1）如：则表面液态金属由中心向四周流，熔池浅而宽。2）如：表面液金从四周向中心流，使熔池深而窄。熔池表面熔池表面及内部3.熔池形态对焊缝结晶过程的影响熔池形态对焊缝结晶过程的影响结晶方向：垂直于熔池的池壁。结晶方向：垂直于熔池的池壁。n成形系数过小易产生裂纹、气孔和夹渣等缺陷。n熔池尾部越细，焊缝产生杂质偏析和裂纹的倾向越大。二、焊缝形态参数及其与焊缝质量的关系二、
23、焊缝形态参数及其与焊缝质量的关系基本参数有：基本参数有：h、c、S1、熔深、熔深S：Sweld=Spool，2、熔宽、熔宽c：cweld=cpool3、余高、余高h：一般规定：一般规定：h=0 3mm或或c/h4 8AHAmAmAHcShAmSchAHAmScAHAm5、熔合比：母材金属在焊缝中的含量调整熔合比可调整焊缝化学成分，改善性能。一般通过开坡口来实现。4、=c/h被称为余高系数；=c/S被称为焊缝成形系数意义：1）影响气孔敏感性2）影响结晶方向3）影响中心偏析大时较有利，一般应大于1.25三、焊接工艺参数对焊缝成形的影响三、焊接工艺参数对焊缝成形的影响（一）焊接电流（一）焊接电流Ia
24、Ia增大，增大，S增大，增大，h增大，增大，c基本不变基本不变1、IaFa热源下移热源下移SS=kmIS2、Ia增大，电弧分布半径增大，电弧分布半径不不增大但潜入工件深增大但潜入工件深度大，限度大，限制制r有效增大，有效增大，c基本不变。基本不变。3、Ia，焊丝熔化量增加，焊丝熔化量增加，c不变，不变，h（二）电弧电压（二）电弧电压Uaq增加不多，增加不多，增大，因此，增大，因此，c增大，增大，S、h减小。减小。通常，通常，Ia选定后，选定后，Ua也基本上定下来了。总是依据也基本上定下来了。总是依据板厚选板厚选Ia，再由，再由Ia选定选定Ua。（三）焊接速度将q/w定义为线能量，即单位长度的焊
25、缝上输入的热量。w增大时，q/w减小，S、c、h等均减小为了促进生产率，应提高w，但为了保证焊透，应同时提高Ia，即接受大电流高速焊。（四）电流的种类及极性TIG：PAPK直流正接时S最大PAPK直流反接时S大（五）电极形态、尺寸、伸出长度MIG焊：MIG、CO2、SAW等：TIG焊：dw减小S、hLs增加h、S（六）电极倾角前倾：电弧下液态金属厚，电弧潜入深度小，所以Sch后倾：相反（七）工件倾角下坡焊：重力阻挡液金后排，电弧潜入深度减小，Shc易于导致满溢，未焊透等。上坡焊：Shc（八）坡口、间隙用于增大S，调整熔合比，改善结晶条件。主要有：气孔、裂纹、夹渣、未焊透、未熔合、烧穿、咬边、焊
26、瘤一）、焊缝外形尺寸不符合二）、咬边沿焊趾的母材部位烧熔成凹陷或沟槽的现象叫咬边。缘由：1）大电流高速焊2）Ua过大三三、焊接成形缺陷的产生及防止、焊接成形缺陷的产生及防止三）未焊透、未熔合熔焊时，接头根部未完全焊透的现象。最易发生在短路过渡CO2焊中。熔焊时，焊道与焊道间或焊道与母材间未完全熔化结合的部分叫未熔合。缘由：1、Ia太小2、w太大3、坡口尺寸不合适四）、焊瘤熔焊时熔化金属流淌到焊缝以外未熔合的母材上形成金属瘤的现象叫焊瘤。缘由：1、坡口尺寸小2、Ua过小3、焊丝伸出长度太大五）、烧穿、塌陷熔焊时熔化金属自焊缝背面流出，形成穿孔的现象叫烧穿。焊缝表面塌陷，背面凸起的现象。缘由：1、Ia过大2、焊接速度过小3、坡口尺寸过大