焊接工程學(第一章)

1、四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛焊接工程學 Welding Engineering四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛前 言四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛前言四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science

2、and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛前言 焊接是 通 過 加是 通 過 加熱或加壓（或兩者并熱或加壓（或兩者并用），用或不用填充用），用或不用填充材料，使兩個分離的材料，使兩個分離的固 態(tài) 物 體 產 生 原 子固 態(tài) 物 體 產 生 原 子（分子）間結合而成（分子）間結合而成為一體的連接方法為一體的連接方法。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛前言焊接是一門古老而又新興的加工技術 早在公元3000年前，我國就有焊接的使用實例：在秦始皇陵中出土的銅車馬上就發(fā)

3、現有煅焊和釬焊的焊縫。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛前言 明代的科學著作天工開物上關于煅焊的記載：“凡鐵性逐節(jié)粘合，涂以黃泥于接口之上，入火揮槌，泥滓成枵而去，取其神氣為媒合，膠合之后，非灼紅斧斬永不可斷也”。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛前言 21世紀，焊接技術是機械制造工業(yè)中的關鍵技術之一，是現代先進制造技術的一個重要組成部分。每年需進行焊接加工使用的鋼

4、材占鋼材總量的45%左右；在航空航天、核能利用、電子信息、海洋鉆探、現代電力、高層建筑等方面，都利用了現代焊接技術的先進成果。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛前言 奧運“鳥巢”奧運“鳥巢”鋼結構是由無數根鋼管連接而成，其最大跨度為343米，高度達68米，相當于20層樓高，整個重量達4.2萬噸，是世界上跨度最大的多面體鋼架結構建筑。 四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛

5、剛前言 奧運“鳥巢”最重要的建造工序就是焊接，其鋼結構的焊接工序共有80余項施工工藝標準，選用的是110毫米厚的Q460高強度鋼材，其焊縫總長達30多萬米，其中現場焊接焊縫長達6萬多米，僅進行可焊性實驗就用了5個月。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛前言四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛前言四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing S

6、cience and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛前言四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛前言四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛前言水下焊接水下焊接四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛前言焊焊接接機機器器人人四川大學制造科學與工程學

7、院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛課程主要內容電弧焊基礎知識常見的焊接方法金屬焊接性基礎及常用工程材料的焊接焊接結構的力學性能及斷裂、疲勞理論四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛課程總成績的確定期末考試：期末考試：80%80%實驗報告：實驗報告：20%20%四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工

8、程學楊楊 剛剛第一章電弧焊基礎知識四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第一節(jié) 焊接電弧 四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第一節(jié) 焊接電弧電弧示意圖電弧示意圖 電弧是一種氣體放電現象，即當兩電極之間存在電位差時，電荷通過兩極之間的氣體空間的一種導電現象。1. 焊接電弧的導電特點四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science a

9、nd Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第一節(jié) 焊接電弧 正常狀態(tài)下，氣體由中性分子或原子組成，不含帶電離子，在外電場作用下，不產生定向運動。為使正常狀態(tài)下的氣體導電，必須首先產生帶電離子，氣體中的帶電離子在外電場的作用下，產生定向運動，導致氣體導電。氣體導電時，電流與電壓的關系不遵循歐姆定律。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第一節(jié) 焊接電弧氣體放電的伏氣體放電的伏安特性安特性 電弧放電區(qū)電弧放電區(qū)是氣體放電中電是氣體放電中電壓最低、電流最壓最低、電流最大、溫

10、度最高、大、溫度最高、發(fā)光最強的一個發(fā)光最強的一個放電區(qū)域。放電區(qū)域。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第一節(jié) 焊接電弧 電弧是由兩個電極和它們之間電弧是由兩個電極和它們之間的氣體放電空間構成的氣體放電空間構成, ,電弧的帶電電弧的帶電粒子主要由氣體的電離和電極發(fā)射粒子主要由氣體的電離和電極發(fā)射電子產生。電子產生。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第一節(jié) 焊接電弧1

11、.1 氣體的電離 電離：在一定的條件下，中性氣體分子或原子分離成為電子和正離子的現象。 為了將氣體電離，就必須施加足夠的能量，使氣體分子或原子中的電子脫離原子核的束縛而成為自由電子，同時使原子成為正離子。使中性氣體粒子失去第一個電子所需要的最低外加能量稱為第一電離能，生成的正離子稱為一價正離子，這種電離稱為一次電離。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第一節(jié) 焊接電弧 使中性氣體粒子失去第二個電子需要更大的電離能，稱為第二電離能。生成的正離子稱為二價正離子，這種電離稱為二次電離。等

12、等。 普通電弧中當焊接電流較小時，僅存在一次電離；在大電流焊接電弧中，電弧溫度很高，可能出現二次或三次電離，但仍以一次電離為主。 電離能的單位為電子伏(eV)，1電子伏就是1個電子通過1V電位差的空間所需要的能量。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第一節(jié) 焊接電弧 通常情況下，分子狀態(tài)時的電離電壓比原子狀態(tài)時的電離電壓值要高。 氣體電離電壓的高低可以說明電子脫離原子或分子時所需要外加能量的大小，即在某種氣氛中產生帶電粒子的難易程度。相同的外加能量條件下，氣體的電離電壓越低，氣體產

13、生帶電粒子就越容易。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第一節(jié) 焊接電弧 當電弧空間同時存在電離電壓不同的幾種氣體時，在外加能量的作用下，電離電壓較低的氣體粒子將首先被電離。如果這種低電離電壓氣體供應充分，則電弧空間的帶電粒子將主要依靠這種氣體的電離過程來提供，所需的外加能量也主要由這種氣體的電離電壓來決定。通常把這種決定電弧氣氛的電離電壓稱為實效電離電壓。 四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接

14、工程學焊接工程學楊楊 剛剛第一節(jié) 焊接電弧 如：鐵的電離電壓為7.9V，比二氧化碳或氬的電離電壓(13.7V、15.7V)低得多。因此，在鋼材的氣體保護焊時，如果焊接電流足夠大，電弧空間將充滿鐵的蒸氣，帶電粒子將主要由鐵蒸氣的電離過程來提供，電弧氣氛的電離電壓也將主要由鐵蒸氣的電離電壓來決定。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第一節(jié) 焊接電弧 當中性氣體粒子受外來能量作用，但能量不足以使電子完全脫離氣體原子或分子，而可能使電子從較低的能級轉移到較高的能級時，中性粒子內部的穩(wěn)定狀態(tài)

15、將被破壞，但對外仍呈電中性，這種狀態(tài)稱為激勵。使中性粒子激勵所需的最低外加能量稱為最低激勵能。激勵能小于電離能，也用電壓值來表示，稱為激勵電壓。 粒子的激勵狀態(tài)是一種非穩(wěn)定狀態(tài)，它存在的時間十分短暫，一般為10-210-8S。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第一節(jié) 焊接電弧 在粒子的激勵過程中，當較高能級的激勵粒子不斷接受外來能量，達到或超過電離能時則會使其電離，否則將自己的能量以輻射能的形式釋放出來，而恢復到原來的穩(wěn)定狀態(tài)。 低能級的激勵粒子也可能通過碰撞將能量傳遞給其他粒子

16、而恢復到穩(wěn)定狀態(tài)。 粒子的激勵過程是與電離過程和電弧特性密切相關的物理現象。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第一節(jié) 焊接電弧能量的能量的傳輸途傳輸途徑徑碰撞傳遞碰撞傳遞光輻射光輻射傳遞傳遞四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第一節(jié) 焊接電弧 碰撞傳遞是借助于氣體粒子相互碰撞時進行能量轉移和傳遞的方式。彈性碰撞將引起粒子溫度變化，但不能產生電離過程；非彈性碰撞不但能使

17、被碰撞的粒子的內部結構發(fā)生變化，還會使中性氣體粒子電離并為電弧提供帶電粒子。 電弧空間氣體中被碰撞粒子質量越小，撞擊粒子的質量越大，被撞粒子獲得的能量就越大。由于電子的質量大大小于氣體原子、分子或粒子的質量，當具有足夠動能的電子與中性粒子碰撞時，其動能幾乎可以全部傳遞給中性粒子，轉換為內能，使其電離。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第一節(jié) 焊接電弧 中性氣體粒子也可以通過光輻射傳遞能量的方法直接接受外界所施加的能量，使其內能增加，造成內部結構改變而電離。 在實際的電弧過程中，通

18、過氣體粒子間的碰撞將能量傳遞給中性粒子并使之電離，是電弧本身產生帶電粒子以維持其導電的主要途徑。而通過光輻射傳遞能量來產生帶電粒子則是次要途徑。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第一節(jié) 焊接電弧 電弧中氣體粒子的電離因外加能量的種類不同而分為三種：由于氣體粒子的熱運動發(fā)生碰撞而產生的熱電離；帶電粒子在電場的作用下與中性粒子產生非彈性碰撞而產生的場電離；中性粒子由于光輻射的作用而產生的光電離。 隨著溫度的升高、電場強度的增大、光輻射的加強，氣體的電離度越高。 電弧的溫度一般為500

19、030000K，電場強度為10V/cm左右。在弧柱區(qū)，由于熱電離產生帶電粒子是主要途徑，場電離是次要途徑，光電離作用最弱。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第一節(jié) 焊接電弧1.2 電子發(fā)射 電子發(fā)射是電極表面的電子在外加能量的作用下沖破表面的束縛而飛到電弧空間的現象。從陰極發(fā)射出的電子將參與電弧的導電過程，并向弧柱提供所需要的電子流。 電子從金屬表面飛出所需要的最低外加能量稱為逸出功。逸出功（Ww）與逸出電壓（Uw）、電子電量（e(V)）的關系為：Ww=Uwe(V) 根據外加能量

20、的不同，電子發(fā)射可分為熱發(fā)射、電場發(fā)射、光發(fā)射和粒子碰撞發(fā)射。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第一節(jié) 焊接電弧熱發(fā)射熱發(fā)射電場發(fā)射電場發(fā)射光發(fā)射光發(fā)射碰撞發(fā)射碰撞發(fā)射金屬表面由于受熱將使其內部的自由電子的熱運動加劇，當自由電子的動能大于逸出功時，飛出金屬表面參加電弧的導電現象。當金屬表面存在一定強度的正電場時，金屬內部的電子會受到電場力的作用，當電場力足夠大時電子飛出金屬表面的現象。當金屬表面受光能照射時，內部自由電子沖破表面束縛而產生電子發(fā)射的現象。當正離子撞擊陰極表面時，其

21、動能將傳遞給陰極內部的電子，從而使其逸出金屬表面的發(fā)射過程。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第一節(jié) 焊接電弧 在實際焊接電弧中，當使用沸點高的材料（如W或C）作電極時，其陰極區(qū)的帶電粒子主要靠熱發(fā)射來提供，通常稱為熱陰極電弧。 使用沸點很低的材料（如鋼、Cu、Al、Mg）作電極時，由于其沸點低，電極加熱溫度受沸點限制不可能很高，熱發(fā)射不能提供足夠的帶電粒子，此時電場發(fā)射起主要作用，這種電弧稱為冷陰極電弧。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing

22、Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第一節(jié) 焊接電弧1.3 負離子的產生 在一定條件下，某些中性原子或分子吸附一個電子就會形成負離子。負離子是焊接電弧中除電子和正離子之外的另一種帶電離子。 中性粒子吸附電子形成負離子時，其內部能量不是增加而是減少。減少的這部分能量稱為中性粒子的電子親和能，通常以熱能或光輻射的形式釋放出。 元素的電子親和力越大，越容易形成負離子。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第一節(jié) 焊接電弧2. 焊接電弧的構成及其導電特

23、性電弧各區(qū)的電壓分布電弧各區(qū)的電壓分布 焊接電弧由三個不同電場強度的區(qū)域組成：陽極區(qū)、陰極區(qū)和弧柱區(qū)。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第一節(jié) 焊接電弧 弧柱區(qū)電壓降Uc較小而長度較大，即電場強度較低； 陽極壓降UA和陰極壓降UK沿長度方向尺寸較小而電壓降較大，即電場強度較高。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第一節(jié) 焊接電弧2.1 弧柱區(qū)的導電特性 由于弧柱氣體的

24、導電是以熱電離為主，熱電離產生的帶電粒子在外加電場的作用下，正離子向陰極方向運動，電子向陽極方向運動而形成電流。這種受電場作用而形成的電子流和正離子流將由陽極區(qū)和陰極區(qū)產生相應的正離子流和電子流予以補充，以保證弧柱帶電粒子的動態(tài)平衡。 弧柱整體呈電中性。電弧放電具有大電流（可達上千安培）、低電壓（可為幾伏）的特點。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第一節(jié) 焊接電弧2.2 陰極區(qū)的導電特性 陰極區(qū)的作用是向弧柱區(qū)提供所需要的電子流，并接受由弧柱區(qū)送來的正離子流。 根據陰極材料種類、

25、電流大小以及電弧氣體介質不同，陰極區(qū)的導電機構可分為三種類型： 四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第一節(jié) 焊接電?。?）熱發(fā)射型陰極區(qū)導電機構 當陰極采用W、C等高熔點材料，電流較大時，此時陰極區(qū)可達到很高的溫度，弧柱所需要的電子流主要由陰極的熱發(fā)射來提供，此種類型的陰極區(qū)即為熱發(fā)射陰極區(qū)。 熱發(fā)射型陰極區(qū)導電機構是大電流鎢極氬弧焊的主要導電機構。 四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊

26、接工程學楊楊 剛剛第一節(jié) 焊接電弧 (2)電場發(fā)射型陰極區(qū)導電機構 當陰極材料為W、C但電流較小，或者陰極材料采用熔點較低的Fe、Al、Cu時，陰極表面的溫度受電流或材料沸點的限制，不能產生較強的熱發(fā)射以供給所需的電子流。由于電子供應不足，使得鄰近陰極區(qū)的弧柱處正負電荷的平衡首先受到破壞，造成過剩的正離子堆積，形成正電場。熱發(fā)射越弱，則正電場越強。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第一節(jié) 焊接電弧 在正電場的作用下，陰極產生電場發(fā)射，同時加速電子運動，在陰極區(qū)產生碰撞電離，共同向

27、弧柱提供所要的電子流。這種形式的導電機構稱為冷陰極導電機構。 電場發(fā)射型陰極區(qū)導電機構是熔化極電弧焊常見的導電機構。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第一節(jié) 焊接電弧 通常情況下，熱發(fā)射和電場發(fā)射兩通常情況下，熱發(fā)射和電場發(fā)射兩種陰極導電機構并存，并且根據電極材料、種陰極導電機構并存，并且根據電極材料、電流大小和氣體介質不同而自動調節(jié)。電流大小和氣體介質不同而自動調節(jié)。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Enginee

28、ring焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第一節(jié) 焊接電弧 （3）等離子型陰極區(qū)導電機構 當陰極熱發(fā)射不足以提供所需要的電子時，在陰極前就會造成正電荷的堆積，并產生陰極壓降UK。當UK不能引起強烈的電子發(fā)射，也不足以使中性粒子產生碰撞電離時，此時正離子到達陰極與陰極發(fā)射的電子中和成為中性粒子，并攜帶中和時所放出的部分能量回彈到陰極區(qū)前聚集成為一個高溫區(qū)。該高溫區(qū)使中性粒子被再次加熱電離，生成的電子流向弧柱提供弧柱所需要的電子流，生成的正離子流向陰極形成正離子流。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程

29、學楊楊 剛剛第一節(jié) 焊接電弧2.3 陽極區(qū)的導電特性 陽極區(qū)的作用是接受由弧柱流過的電子流和向弧柱提供所需要的正離子流。 由于陽極不能直接發(fā)射正離子，所以正離子只能由陽極區(qū)提供。 根據電弧電流密度的大小，陽極區(qū)可由兩種方式提供正離子：四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第一節(jié) 焊接電弧 當電流密度較大時，陽極溫度很高，陽極材料發(fā)生蒸發(fā)，靠近陽極前面的空間有很高的溫度。當電流密度增加到一定程度時，聚集于此的金屬蒸氣將發(fā)生熱電離，生成的正離子流向弧柱，電子則流向陽極。如果電流足夠大，弧

30、柱所需要的正離子可全部由熱電離提供。 四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第一節(jié) 焊接電弧 當電流較小時，陽極區(qū)熱電離不足，陽極前面電子數將大于正離子數，形成負的空間電場，產生陽極區(qū)壓降UA。當UA達到一定程度時，會使弧柱來的電子加速運動，碰撞中性粒子而產生碰撞電離，向弧柱提供所需要的正離子。當這種電離可以滿足弧柱所需的正離子數目時， UA不再繼續(xù)升高而保持穩(wěn)定。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering

31、焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第二節(jié) 焊接電弧的能量平衡及電弧力四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第二節(jié) 焊接電弧的能量平衡及電弧力1. 焊接電弧中的能量平衡 當電弧的弧柱區(qū)、陰極區(qū)和陽極區(qū)的能量交換達到平衡當電弧的弧柱區(qū)、陰極區(qū)和陽極區(qū)的能量交換達到平衡時，電弧便處于穩(wěn)定的燃燒狀態(tài)。時，電弧便處于穩(wěn)定的燃燒狀態(tài)。1.1 弧柱區(qū)的能量平衡 單位時間內弧柱區(qū)所產生的能量，主要為通過弧柱電場而單位時間內弧柱區(qū)所產生的能量，主要為通過弧柱電場而被加速的正離子和自由電子所獲得的動能，并通

32、過碰撞及中和被加速的正離子和自由電子所獲得的動能，并通過碰撞及中和作用轉變成熱能，其產熱和熱損失保持平衡。在熱損失的對流、作用轉變成熱能，其產熱和熱損失保持平衡。在熱損失的對流、傳導和輻射中，對流約占傳導和輻射中，對流約占80以上，傳導與輻射占以上，傳導與輻射占10左右。左右。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛 一般而言，在電弧焊接過程中，弧柱的一般而言，在電弧焊接過程中，弧柱的熱量不能直接作用于加熱焊條熱量不能直接作用于加熱焊條( (絲絲) )或母材，僅或母材，僅有少部分通過輻

33、射傳給焊條和工件。只有在等有少部分通過輻射傳給焊條和工件。只有在等離子弧焊接鎢極氬弧焊時，才會主要利用弧柱離子弧焊接鎢極氬弧焊時，才會主要利用弧柱的熱量來加熱工件。的熱量來加熱工件。第二節(jié) 焊接電弧的能量平衡及電弧力四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛1.2 陰極區(qū)的能量平衡 陰極區(qū)是由電子與正離子兩種帶電粒子構成。在陰極區(qū)是由電子與正離子兩種帶電粒子構成。在能量的交換過程中，陰極區(qū)獲得的能量，由被陰極壓能量的交換過程中，陰極區(qū)獲得的能量，由被陰極壓降降U UK K加速的正離子加速

34、的正離子動能動能、正離子到達陰極表面取出、正離子到達陰極表面取出等量的電子并與之中和而放出的等量的電子并與之中和而放出的電離能電離能、由陰極發(fā)射、由陰極發(fā)射的電子經陰極壓降加速后在陰極區(qū)和弧柱區(qū)交界面上的電子經陰極壓降加速后在陰極區(qū)和弧柱區(qū)交界面上釋放的釋放的動能動能等組成，即等組成，即IUIUK K。 第二節(jié) 焊接電弧的能量平衡及電弧力四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛 單位時間內陰極區(qū)消耗的能量由陰極發(fā)單位時間內陰極區(qū)消耗的能量由陰極發(fā)射電子所需要的能量（射電子所需要的能量（

35、IUIUWW）、產生熱電離）、產生熱電離所需要的能量以及陰極發(fā)射的電子和電離產所需要的能量以及陰極發(fā)射的電子和電離產生的電子進入弧柱區(qū)所帶走的熱量（生的電子進入弧柱區(qū)所帶走的熱量（IUIUT T）組）組成，即成，即I(UI(UWW+U+UT T) )。第二節(jié) 焊接電弧的能量平衡及電弧力四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛 單位時間內陰極區(qū)產熱量單位時間內陰極區(qū)產熱量P PK K為獲得的能量與為獲得的能量與消耗的能量消耗的能量之差。即：之差。即： PK = I（UK-UW-UT )

36、陰極區(qū)的產熱量陰極區(qū)的產熱量PK 在焊接過程中可直接用來在焊接過程中可直接用來加熱焊絲加熱焊絲(條條)或工件?；蚬ぜ?。第二節(jié) 焊接電弧的能量平衡及電弧力四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第二節(jié) 焊接電弧的能量平衡及電弧力1.3 陽極區(qū)的能量平衡 單位時間內陽極接受電子時獲得三部分能量：單位時間內陽極接受電子時獲得三部分能量：經陽極壓降經陽極壓降UA加速獲得的動能加速獲得的動能IUA、電子從陰極帶、電子從陰極帶出的逸出功出的逸出功IUW、從弧柱帶來的與弧柱溫度相應的、從弧柱帶來的與

37、弧柱溫度相應的熱能熱能IUT。 單位時間內陽極區(qū)的總能量單位時間內陽極區(qū)的總能量PA表示為：表示為： PA = I（UA+UW+UT ) 在焊接過程中，陽極區(qū)的產熱量可用來直接加在焊接過程中，陽極區(qū)的產熱量可用來直接加熱焊絲熱焊絲(條條)或工件?；蚬ぜＫ拇ù髮W制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第二節(jié) 焊接電弧的能量平衡及電弧力2. 電弧的能量密度和溫度分布 單位面積上的熱功率稱為能量密度。單位面積上的熱功率稱為能量密度。氣焊火焰的能量密度為氣焊火焰的能量密度為110W/cm2，而，而電

38、弧的能量密度則可達到電弧的能量密度則可達到102104W/cm2 。 四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第二節(jié) 焊接電弧的能量平衡及電弧力 電弧各區(qū)的溫度、電流密電弧各區(qū)的溫度、電流密度、能量密度的軸向分布度、能量密度的軸向分布 陰極區(qū)和陽極區(qū)的陰極區(qū)和陽極區(qū)的能量密度高于弧柱區(qū)的能量密度高于弧柱區(qū)的能量密度。溫度的軸向能量密度。溫度的軸向分布不與能量密度分布分布不與能量密度分布相對應。弧柱溫度較高，相對應。弧柱溫度較高，兩電極溫度較低。兩電極溫度較低。四川大學制造科學與工程學院

39、School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第二節(jié) 焊接電弧的能量平衡及電弧力3. 電弧的主要作用3.1 磁收縮力 兩根相鄰導線通同向電流會產生相互引力從而產生收縮。兩根相鄰導線通同向電流會產生相互引力從而產生收縮。 實際的焊接電弧在電磁收縮力的作用下，徑向壓力將使實際的焊接電弧在電磁收縮力的作用下，徑向壓力將使電弧產生收縮，其形狀是一個斷面直徑變化的圓錐體?？拷鸽娀‘a生收縮，其形狀是一個斷面直徑變化的圓錐體?？拷附z絲(條條)的斷面直徑較小，連接工件的導電斷面直徑較大，軸向的斷面直徑較小，連接工件的導電斷面直徑

40、較大，軸向壓力將因直徑不同而產生壓力差，從而產生由焊絲壓力將因直徑不同而產生壓力差，從而產生由焊絲(條條)指向工指向工件的向下推力，即電弧的電磁靜壓力。件的向下推力，即電弧的電磁靜壓力。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第二節(jié) 焊接電弧的能量平衡及電弧力 焊接電弧的電磁力作用焊接電弧的電磁力作用 電磁靜壓力對熔池形狀的影響電磁靜壓力對熔池形狀的影響四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接

41、工程學楊楊 剛剛第二節(jié) 焊接電弧的能量平衡及電弧力3.2 等離子流力 電磁收縮力引起的軸向推力使靠近焊條電磁收縮力引起的軸向推力使靠近焊條(絲絲)端部的高溫端部的高溫氣體向工件方向流動，將引起焊絲氣體向工件方向流動，將引起焊絲(條條)上方的氣體以一定的上方的氣體以一定的速度連續(xù)進入電弧區(qū)。這些新進入電弧的氣體被加熱電離后速度連續(xù)進入電弧區(qū)。這些新進入電弧的氣體被加熱電離后受軸向推力的作用不斷沖向工件，對熔池形成附加壓力。這受軸向推力的作用不斷沖向工件，對熔池形成附加壓力。這種高溫電離氣體種高溫電離氣體(等量的電子和正離子等量的電子和正離子)高速流動時所形成的高速流動時所形成的力稱為等離子流力，

42、又稱電磁動壓力，流速可達每秒數百米。力稱為等離子流力，又稱電磁動壓力，流速可達每秒數百米。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第二節(jié) 焊接電弧的能量平衡及電弧力電磁動壓力對熔池形狀的影響電磁動壓力對熔池形狀的影響電弧中等離子流形成示意圖電弧中等離子流形成示意圖四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第二節(jié) 焊接電弧的能量平衡及電弧力3.3 斑點力 斑點是陰極發(fā)射電子或陽極導

43、入斑點是陰極發(fā)射電子或陽極導入電子的導電點，斑點力又稱極點力或電子的導電點，斑點力又稱極點力或極點壓力，是電弧施加在電極上的作極點壓力，是電弧施加在電極上的作用力，即陽極受到電子的撞擊，陰極用力，即陽極受到電子的撞擊，陰極受到正離子的撞擊。受到正離子的撞擊。 四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第二節(jié) 焊接電弧的能量平衡及電弧力斑點壓力示意圖斑點壓力示意圖 由于電磁收縮力垂直由于電磁收縮力垂直于電流流線，因此在斑點于電流流線，因此在斑點處將產生向上的電磁收縮處將產生向上的電磁收縮力

44、，阻礙熔滴的過渡。力，阻礙熔滴的過渡。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第二節(jié) 焊接電弧的能量平衡及電弧力3.4 電弧的極性及其選擇 電弧的兩極與焊接電源的聯(lián)接方式即為電弧的極性。電弧的兩極與焊接電源的聯(lián)接方式即為電弧的極性。 交流電弧焊接時電源極性交替變化，電弧的兩極可與電交流電弧焊接時電源極性交替變化，電弧的兩極可與電源兩接線柱任意聯(lián)接；源兩接線柱任意聯(lián)接； 直流電弧焊接時，電源兩極固定，電弧兩極有兩種方式直流電弧焊接時，電源兩極固定，電弧兩極有兩種方式與電源兩極相連接：若焊

45、件與焊機的正極相連，焊條或焊絲與電源兩極相連接：若焊件與焊機的正極相連，焊條或焊絲與負極相連，稱為正接法或正極性；反之為反接法或反極性。與負極相連，稱為正接法或正極性；反之為反接法或反極性。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第二節(jié) 焊接電弧的能量平衡及電弧力直流電弧焊的極性接法直流電弧焊的極性接法四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第三節(jié) 磁場對電弧的作用四川大學制造

46、科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第三節(jié) 磁場對電弧的作用電弧周圍的磁場電弧周圍的磁場 電弧是一種氣態(tài)導體，正電弧是一種氣態(tài)導體，正負電荷向一定的方向運動就會負電荷向一定的方向運動就會形成電流。電流周圍的磁場會形成電流。電流周圍的磁場會對電流產生一定的作用力。對電流產生一定的作用力。電弧周圍的磁場電弧周圍的磁場自身磁場自身磁場外加磁場外加磁場四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第

47、三節(jié) 磁場對電弧的作用1. 電弧的挺度 電弧的挺度是電弧抵抗外界電弧的挺度是電弧抵抗外界機械干擾，力求保持沿焊絲機械干擾，力求保持沿焊絲( (條條) )軸向運動的性能。當電流通過電軸向運動的性能。當電流通過電弧空間時，帶電粒子的流動有盡弧空間時，帶電粒子的流動有盡量朝電弧中心方向集中的傾向。量朝電弧中心方向集中的傾向。 電電弧弧自自身身磁磁場場的的作作用用四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第三節(jié) 磁場對電弧的作用電弧的挺度表現電弧的挺度表現 當電弧受風等某種機械作用當電弧受風等某

48、種機械作用欲使電弧偏離焊絲軸向時，自身欲使電弧偏離焊絲軸向時，自身磁場則有抵抗這種干擾的能力，磁場則有抵抗這種干擾的能力，使電弧盡量保持在焊絲軸線方向使電弧盡量保持在焊絲軸線方向上，即電弧具有剛直性，故當焊上，即電弧具有剛直性，故當焊絲絲( (條條) )與工件有一定傾角時，電與工件有一定傾角時，電弧仍將保持軸線方向。電流越大，弧仍將保持軸線方向。電流越大，電弧的挺度越大。電弧的挺度越大。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第三節(jié) 磁場對電弧的作用2. 電弧的磁偏吹 在實際的焊接過程

49、中，由于種種原因，使焊在實際的焊接過程中，由于種種原因，使焊絲絲( (條條) )軸線周圍的磁力線分布不均勻，造成電弧軸線周圍的磁力線分布不均勻，造成電弧偏離焊絲偏離焊絲( (條條) )軸線方向，這種現象稱為磁偏吹。軸線方向，這種現象稱為磁偏吹。 電弧磁偏吹使焊接電弧失去剛直性，造成電弧飄擺不穩(wěn)定，電弧磁偏吹使焊接電弧失去剛直性，造成電弧飄擺不穩(wěn)定，甚至使電弧熄滅；容易使熔滴過渡不規(guī)則，引起未焊透、夾渣缺甚至使電弧熄滅；容易使熔滴過渡不規(guī)則，引起未焊透、夾渣缺陷；易破壞電弧周圍保護氣氛，混入有害氣體，影響焊縫質量。陷；易破壞電弧周圍保護氣氛，混入有害氣體，影響焊縫質量。磁偏吹磁偏吹四川大學制造科

50、學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第三節(jié) 磁場對電弧的作用2.1 導線位置引起的磁偏吹導線連接產生的磁偏吹導線連接產生的磁偏吹 電弧左側的磁力線密電弧左側的磁力線密度較大，使兩側磁力線度較大，使兩側磁力線分布失去對稱性，產生分布失去對稱性，產生了從磁力線密度較大的了從磁力線密度較大的一方指向磁力線密度較一方指向磁力線密度較小一方的橫向推力，造小一方的橫向推力，造成電弧偏離焊絲成電弧偏離焊絲( (條條) )軸線。軸線。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Sc

51、ience and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第三節(jié) 磁場對電弧的作用2.2 電弧附近鐵磁體引起的磁偏吹鐵磁物質導致的磁偏吹鐵磁物質導致的磁偏吹 當電弧一側有鋼板等良導磁體當電弧一側有鋼板等良導磁體時，較多的磁力線將集中到鋼板上，時，較多的磁力線將集中到鋼板上，使該側空間的磁力線密度顯著降低，使該側空間的磁力線密度顯著降低，破壞了空間磁力線分布的均勻性，破壞了空間磁力線分布的均勻性，使電弧將偏離軸線而趨向鋼板。使電弧將偏離軸線而趨向鋼板。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊

52、接工程學楊楊 剛剛第三節(jié) 磁場對電弧的作用 為了實現對電弧的良好控制，減少磁偏吹帶來的不利為了實現對電弧的良好控制，減少磁偏吹帶來的不利影響，在實際操作中可以人為地在電弧周圍加上某種磁場。影響，在實際操作中可以人為地在電弧周圍加上某種磁場。 三種施加磁三種施加磁場的方式場的方式 外加橫向磁場外加橫向磁場 外加縱向同軸磁場外加縱向同軸磁場 外加尖角形磁場外加尖角形磁場四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第四節(jié) 焊絲的熔化及熔滴過渡四川大學制造科學與工程學院School of Manu

53、facturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第四節(jié) 焊絲的融化及熔滴過渡1. 焊絲的加熱與熔化的能量 焊絲加熱熔化的能量主要由單位時間內陰極焊絲加熱熔化的能量主要由單位時間內陰極區(qū)（正接）或陽極區(qū)（反接）所產生的熱量組成。區(qū)（正接）或陽極區(qū)（反接）所產生的熱量組成。 單位時間內陽極區(qū)的產熱量：單位時間內陽極區(qū)的產熱量： P PA A = I= I（U UA A+U+UWW+U+UT T ) ) 單位時間內陰極區(qū)的產熱量：單位時間內陰極區(qū)的產熱量： P PK K = I= I（U UK KUUWWUUT T ) )四川大學制造科學與工程學院Sc

54、hool of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第四節(jié) 焊絲的融化及熔滴過渡 通常情況下，弧柱的平均溫度為通常情況下，弧柱的平均溫度為6000K左右，左右，UT1，陽極區(qū)壓降，陽極區(qū)壓降UA一般很小，故可簡化為：一般很小，故可簡化為： PA = IUW PK = I（UKUW ) 在細絲熔化極電弧焊及埋弧焊等情況下，在細絲熔化極電弧焊及埋弧焊等情況下， UK UW，故，故PKPA 。即在使用同一材料和同一電流的。即在使用同一材料和同一電流的情況下，焊絲為陰極（正極性）時的產熱量比焊絲情況下，焊絲為陰極（正極性）時的產熱量比

55、焊絲為陽極（反極性）時大。為陽極（反極性）時大。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第四節(jié) 焊絲的融化及熔滴過渡焊絲伸出長度的電阻熱示意圖焊絲伸出長度的電阻熱示意圖 焊絲與導電嘴的焊絲與導電嘴的接觸點到電弧端頭的接觸點到電弧端頭的一段焊絲上（即焊絲一段焊絲上（即焊絲的伸出長度的伸出長度Ls）有電）有電流流過，將產生電阻流流過，將產生電阻熱，其電功率為：熱，其電功率為：PR=I2Rs 綜合電弧熱和電綜合電弧熱和電阻熱，用于加熱和熔阻熱，用于加熱和熔化焊絲的總能量為：化焊絲的總能量為：

56、Pm=I ( Um+ IRs )四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第四節(jié) 焊絲的融化及熔滴過渡2. 焊絲的熔化速度及熔化系數 焊絲的熔化速度焊絲的熔化速度Vm通常用單位時間內焊絲通常用單位時間內焊絲的熔化長度的熔化長度(m/h或或m/min)或熔化重量或熔化重量(kg/h)表示；表示；熔化系數或比熔化速度熔化系數或比熔化速度m是指每安培焊接電流是指每安培焊接電流在單位時間內所熔化的焊絲重量（在單位時間內所熔化的焊絲重量（g/A-1h-1）。）。四川大學制造科學與工程學院Schoo

57、l of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第四節(jié) 焊絲的融化及熔滴過渡鋁焊絲熔化速度與電流的關系鋁焊絲熔化速度與電流的關系 焊接電流對熔化焊接電流對熔化速度的影響：速度的影響： 由于由于PmIUm，故焊，故焊接電流與熔化速度幾乎接電流與熔化速度幾乎呈直線關系。呈直線關系。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第四節(jié) 焊絲的融化及熔滴過渡 電流極性對焊絲熔化速度的影響：電流極性對焊絲熔化速度的影響： 當冷陰極材料為

58、鋼焊絲時，由于當冷陰極材料為鋼焊絲時，由于Uk Uw，故故PkPA。因此，焊絲為陰極（正接）時的熔化。因此，焊絲為陰極（正接）時的熔化速度大于焊絲為陽極（反接）時的熔化速度。速度大于焊絲為陽極（反接）時的熔化速度。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第四節(jié) 焊絲的融化及熔滴過渡3. 熔滴過渡 在電弧熱的作用下，焊絲末端加熱熔化形成熔滴，在電弧熱的作用下，焊絲末端加熱熔化形成熔滴，并在各種力的作用下脫離焊絲進入熔池的現象，稱并在各種力的作用下脫離焊絲進入熔池的現象，稱為為熔滴過渡熔滴

59、過渡。 焊絲末端的金屬熔滴通常受到自身重力、表面焊絲末端的金屬熔滴通常受到自身重力、表面張力、電磁收縮力、斑點壓力、等離子流力等作用。張力、電磁收縮力、斑點壓力、等離子流力等作用。 四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第四節(jié) 焊絲的融化及熔滴過渡熔滴過渡的形式自由過渡自由過渡接觸過渡接觸過渡渣壁過渡渣壁過渡熔滴脫離焊絲末端前不與熔池接觸，熔滴脫離焊絲末端前不與熔池接觸，脫離焊絲后自由飛行進入熔池；脫離焊絲后自由飛行進入熔池；通過焊絲末端的熔滴與熔池表面接通過焊絲末端的熔滴與熔池表面

60、接觸成橋而進行過渡；觸成橋而進行過渡； 在一定條件下，熔滴沿熔渣的空腔在一定條件下，熔滴沿熔渣的空腔壁進行過渡。壁進行過渡。四川大學制造科學與工程學院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學焊接工程學楊楊 剛剛第四節(jié) 焊絲的融化及熔滴過渡飛濺飛濺 焊接過程中，大部分焊絲熔化后進焊接過程中，大部分焊絲熔化后進入溶池冷卻成為焊縫，而小部分落到溶入溶池冷卻成為焊縫，而小部分落到溶池之外的現象。池之外的現象。 常用飛濺損失的金屬與熔化焊絲（條）常用飛濺損失的金屬與熔化焊絲（條）金屬質量的百分比表示飛濺程度，即金屬質量的百分比表示飛濺程度，