金屬焊接2 電弧焊基礎(chǔ)知識課件

1、電弧焊基礎(chǔ)知識主講陶春宏電弧焊基礎(chǔ)知識 教學目標： 1. 了解電弧熱、電弧力及電弧穩(wěn)定性；2. 掌握焊絲的熔化與熔滴過渡規(guī)律；3. 會分析和控制母材的熔化與焊縫成型 。 電弧焊基礎(chǔ)知識電弧是所有電弧焊方法的能源。電弧把弧焊電源輸送的電能轉(zhuǎn)換成熱能和機械能。為了弄清楚電弧是怎樣實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和這種能源的利用，這就需要深入了解焊接電弧的物理本質(zhì)和各種特性。 1.焊接電弧電弧：一種氣體放電現(xiàn)象，它是帶電粒子通過兩電極之間氣體空間的一種導電過程。兩電極之的氣體導電，必須具備兩個條件： 兩電極之間有帶電粒子； 兩電極之間有電場。 電弧中帶電粒子的產(chǎn)生的條件： 氣體的電離和陰極電子發(fā)射。1.1 焊接電弧的物

2、理基礎(chǔ) 第一電離能：中性氣體粒子失去第一個電子所需的最小外加能量； 第二電離能：失去第二個電子所需的能量； 電離能單位：通常以電子伏特（ev）。 電離電壓：電子伏特為單位的能量轉(zhuǎn)換為數(shù)值上相等的電離電壓表示（因電子電量為常數(shù)）。1.1.1氣體的電離 當其他條件（如氣體的解離性能、熱物理性能等）一定時，電離電壓低，表示帶電粒子容易產(chǎn)生，有利于電弧導電；相反，電離電壓高表示帶電粒子難以產(chǎn)生，電弧導電困難。氣體粒子電離電壓/v氣體粒子電離電壓/vH13.5K4.3O13.5Na5.1N14.5Ca 6.1F17.4W8.0He24.5Al5.96Ar15.7Cu7.68CO213.7Fe7.9H2O

3、12.6Cr7.71.1.1氣體的電離 場致發(fā)射：當陰極表面空間存在一定強度的正電場時，陰極內(nèi)部的電子將受到電場力的作用。當此力達到一定程度時電子便會逸出陰極表面，這種電子發(fā)射現(xiàn)象稱為場致發(fā)射。 冷陰極：當采用鋼、銅、鋁等低沸點材料作陰極時（其沸點分別為3013K、2868K和2770K），陰極加熱溫度受材料沸點限制不可能很高，此時以場致發(fā)射為主，熱發(fā)射為輔而已。1.1.2 陰極電子發(fā)射 光發(fā)射：當陰極表面受到光輻射作用時，陰極內(nèi)的自由電子能量達到一定程度而逸出陰極表面的現(xiàn)象稱為光發(fā)射。光發(fā)射在陰極電子發(fā)射中居次要地位。 粒子碰撞發(fā)射：電弧中高速運動的粒子（主要是正離子）碰撞陰極時，把能量傳遞

4、給陰極表面的電子，使電子能量增加而逸出陰極表面的現(xiàn)象稱為粒子碰撞發(fā)射。1.1.2 陰極電子發(fā)射 逸出功：1個電子從金屬表面逸出所需要的最低外加能量，單位是電子伏。因電子電量為常數(shù)。，故通常用逸出電壓來表示，單位為V。 逸出功的大?。菏茈姌O材料種類及表面狀態(tài)的影響。當金屬表面存在氧化物時逸出功都會減小。 金屬種類WFeAlCuKCaMgAv/ev純金屬4.544.484.254.362.022.123.73表面有氧化物(W-Th)2.633.923.93.850.461.83.311.1.2 陰極電子發(fā)射陰極斑點：陰極表面經(jīng)常可以看到發(fā)出閃爍的區(qū)域，這個區(qū)域稱為陰極斑點。特點：電子發(fā)射最集中的區(qū)

5、域 電流最集中流過的區(qū)域應用：在焊有色金屬及其合金時常用到電弧的陰極清理作用，就是源于陰極斑點的特性。 1.1.2 陰極電子發(fā)射1.1.3 負離子形成 負離子的形成:主要是由中性氣體粒子（原子或分子）吸附一個電子形成的，負離子所帶電量與電子相同，但是質(zhì)量大，不能有效參與電弧導電過程，造成電弧不穩(wěn)。 不希望電弧中存在大量的負離子。 F、Cl、O2、OH、NO等離子親和能比較大，易于形成負離子。1.2 焊接電弧的溫度分布 鋼焊條焊接工件時，陽極區(qū)溫度約為2600K，陰極區(qū)溫度約為2400K，電弧中心區(qū)溫度最高，可達60008000K。 由于電弧截面的特點所以電流密度及能量密度在弧柱區(qū)較低 。電磁收

6、縮力相互吸引力，大小與流過的電流大小成正比，與兩根導線之間的距離成反比，導體斷面有收縮的傾向。 1.3 電弧力電磁靜壓力 電磁收縮力呈現(xiàn)上大下小的狀態(tài)，軸向?qū)a(chǎn)生壓力差，從而產(chǎn)生一個由電極指向工件的推力，這就是電磁靜壓力 。 力大 1.3 電弧力 斑點力：斑點受到帶電粒子的撞擊，或金屬蒸汽的反作用而對斑點產(chǎn)生的壓力，稱為斑點力，或斑點壓力。 陰極斑點力大于陽極斑點力 1.3 電弧力 電弧偏離焊條軸線的現(xiàn)象叫電弧偏吹。電弧偏吹使溫度分布不均勻，容易產(chǎn)生咬邊、未熔合、夾渣等缺陷，故必須研究引起偏吹的原因及預防措施。 藥皮偏心 接地線位置不當1.4 電弧偏吹 焊條藥皮偏心 氣流的影響 接地線位置不適

7、當 磁場的影響1.4.1 產(chǎn)生電弧偏吹的原因 磁偏吹：電弧在外加磁場的作用下偏離焊絲或焊條的軸線方向的現(xiàn)象稱為磁偏吹。 磁偏吹可以造成電弧熄滅、熔滴過渡不規(guī)則、焊縫成形不良、引起未焊透、夾渣等缺陷。 導線接線位置引起的磁偏吹1.4.1 產(chǎn)生電弧偏吹的原因平行電弧間的磁偏吹1.4.1 產(chǎn)生電弧偏吹的原因1.4.2 磁偏吹防止措施可能時采用交流電源代替直流電源盡量采用短弧進行焊接對于長和大的工件采用兩端接地的方法如果工件有剩磁，焊接前應消除避免周圍鐵磁性物質(zhì)的影響用厚藥皮焊條代替薄藥皮焊條2.1.1 電 弧 熱 陰極區(qū)和陽極區(qū)兩個區(qū)域的產(chǎn)熱功率可表達為 UU UU 可以看出，兩電極區(qū)的產(chǎn)熱功率都與

8、焊接電流成正比。 在熔化極氣體保護電弧焊、使用堿性焊條電弧焊等情況下，當采用同樣大小的焊接電流焊接同一種材料時，焊絲作為陰極時的產(chǎn)熱功率比作為陽極時的產(chǎn)熱功率多，焊絲作陰極比作陽極時熔化速度快。 2.1.2 電 阻 熱 熔化極電弧焊時，焊絲只在通過導電嘴時才和焊接電源接通。因此，討論焊絲的加熱和熔化，實際上是分析焊絲伸出部分的受熱情況。焊絲伸出長度上的溫度分布示意圖熱 源電弧熱主要作用電阻熱預熱作用 電阻熱取決于焊絲材料及焊絲伸出長度。 焊接鋁、銅（良導體）等材料時，焊絲的與電弧熱相比很小，故可忽略不計。 焊接不銹鋼（電阻率高）等材料時，焊絲的作用較大，不可忽略。 不銹鋼焊條與低碳鋼焊條相比，

9、其長度應略短，對嗎？2.1.2 電 阻 熱2.1.3 焊絲的熔化特性焊絲的熔化速度：在單位時間內(nèi)熔化的焊絲長度。焊絲的熔化特性：焊絲的熔化速度vm和焊接電流之間的關(guān)系，它主要與焊絲材料及直徑有關(guān)。 焊絲材料的影響：焊絲材料不同，其物理性能（包括電阻率、熔化系數(shù)）不同，在其他條件相同的情況下，焊絲的電阻率和熔化系數(shù)越大，焊絲熔化速度越快；反之，熔化速度越慢。2.1.3 焊絲的熔化特性焊絲直徑的影響：同種材料不同直徑的焊絲熔化特性曲線不同，如圖1所示。 焊絲伸出長度的影響：對于一定成分和直徑的焊絲，其熔化速度也要隨焊接電流與焊絲伸出長度的變化而改變，如圖2所示。2.1.3 焊絲的熔化特性圖1不同直

10、徑的鋁焊絲在熔化極氬弧焊時的熔化特性曲線圖2不同伸出長度的不銹鋼焊絲在熔化極電弧焊時的熔化特性曲線2.1.3 焊絲的熔化特性2.1.4 熔滴上的作用力熔滴：電弧焊時，在電弧熱作用下焊絲或焊條端部受熱熔化形成。熔滴上的作用力：影響熔滴過渡及焊縫成型的主要因素。根據(jù)熔滴上的作用力來源不同，可將其分為：重力、表面張力、電弧力、熔滴爆破力和電弧氣體的吹力。 重力對熔滴過渡的影響依焊接位置的不同而不同。 平焊：熔滴上的重力促使熔滴過渡； 立焊及仰焊：熔滴上的重力阻礙熔滴過渡。 重力：Fg= mg = (4/3)r3g r 是熔滴半徑； 是熔滴密度； g 是重力加速度。重 力2.1.4 熔滴上的作用力表

11、面 張 力表面張力是指焊絲端部保持熔滴的作用力，用F表示，大小為 F式中，：焊絲半徑；：表面張力系數(shù)。的數(shù)值與材料成分、溫度、氣體介質(zhì)等因素有關(guān)。表1-6列舉了一些純金屬的表面張力系數(shù)。2.1.4 熔滴上的作用力表1-6 純金屬的表面張力系數(shù)金屬種類MgZnA1CuFeTiMoW/（10-3Nm-1）65077090011501220151022502680表面張力系數(shù)大的材料一次成型焊縫的厚度大，對嗎？2.1.4 熔滴上的作用力平焊時，表面張力F阻礙熔滴過渡。由式F可知，使用小直徑及表面張力系數(shù)小的焊絲有利于平焊時的熔滴過渡。若熔滴上含少量活化物質(zhì)（如O2、S等）或熔滴溫度升高，都會減小表面

12、張力系數(shù)，有利于形成細顆粒熔滴過渡。 其他位置焊接時，表面張力對熔滴過渡有利。2.1.4 熔滴上的作用力電 弧 力 促使熔滴過渡的力：電磁收縮力形成的軸 向推力以及等離子流力； 阻礙熔滴過渡的作用力：斑點力。 電弧力指電弧對熔滴和熔池的機械作用力，包括 電磁收縮力、等離子流力、斑點力等。 必須指出的是，電弧力只有在焊接電流較大時才對熔滴過渡起主要作用，焊接電流較小時起主要作用的往往是重力和表面張力。2.1.4 熔滴上的作用力熔滴爆破力 熔滴爆破力：當熔滴內(nèi)部因冶金反應而生成氣體或含有易蒸發(fā)金屬時，在電弧高溫作用下將使氣體積聚、膨脹而產(chǎn)生較大的內(nèi)壓力，致使熔滴爆破的內(nèi)壓力。 它在促使熔滴過渡的同

13、時也產(chǎn)生飛濺。CO2焊接飛濺的主要原因2.1.4 熔滴上的作用力電弧的氣體吹力焊條電弧焊時，焊條藥皮的熔化滯后于焊芯的熔化，這樣在焊條的端頭形成套筒，此時藥皮中造氣劑產(chǎn)生的氣體及焊芯中碳元素氧化的CO氣體在高溫作用下急劇膨脹，從套筒中噴出作用于熔滴。不論是何種位置的焊接，電弧氣體吹力總是促進熔滴過渡。2.1.4 熔滴上的作用力2.1.5 熔滴過渡的主要形式及特點 熔滴過渡過程不但影響電弧的穩(wěn)定性，而且對焊縫成形和冶金過程也有很大的影響。熔滴過渡過程十分復雜，主要過渡形式有：自由過渡接觸過渡渣壁過渡圖 熔滴過渡形式及電弧形狀特征a) 自由過渡 b) 接觸過渡 c) 渣壁過渡 自由過渡是指熔滴經(jīng)電

14、弧空間自由飛行，焊絲 端頭和熔池之間不發(fā)生直接接觸的過渡方式。 常用的自由過渡是滴狀過渡和噴射過渡。 滴狀過渡：過渡的熔滴直徑比焊絲直徑大。 噴射過渡：過渡的熔滴直徑比焊絲直徑小。 爆破過渡：電弧氣氛中含有CO2氣體時，有時會發(fā)生爆炸現(xiàn)象，使部分熔滴金屬爆炸成為飛濺，而只有部分金屬得以過渡。2.1.5 熔滴過渡的主要形式及特點 粗滴過渡：當電流較小而電弧電壓較高時，弧長較長，熔滴尺寸逐漸長大，不與熔池短路接觸。當重力足以克服熔滴的表面張力時，熔滴便脫離焊絲端部進入熔池（小電流時電弧力忽略）。 特點：熔滴存在時間長，尺寸大，飛濺也大，電弧的穩(wěn)定性及焊縫質(zhì)量都較差。滴 狀 過 渡2.1.5 熔滴過

15、渡的主要形式及特點 細滴過渡：電流較大，相應的電磁收縮力增大，表面張力減小，熔滴存在時間縮短，熔滴細化，過渡頻率增加。特點：電弧穩(wěn)定性較高，飛濺較少，焊縫質(zhì)量提高，廣泛應用于生產(chǎn)中。氣體介質(zhì)或焊接材料不同時，細滴過渡特點又有不同。CO2氣體保護電弧焊，熔滴呈非軸向過渡；鋁合金熔化極氬弧焊或較大電流活性氣體保護焊焊鋼件時，熔滴呈軸向過渡。2.1.5 熔滴過渡的主要形式及特點 噴射過渡：較大電流焊接時，在各種電弧力作用下，焊絲末端的液態(tài)金屬被削成鉛筆尖狀。鉛筆尖狀的液態(tài)金屬以細小顆粒連續(xù)不斷地沖向熔池。因這種噴射過渡熔滴細小，過渡頻率及速度都較高，通常也稱為射流過渡。 特點：噴射過渡時，細小的熔滴

16、從焊絲端部連續(xù)不斷地以高速度沖向熔池（加速度可達重力加速度的幾十倍），過渡頻率快，飛濺少，電弧穩(wěn)定，熱量集中，對焊件的穿透力強，可得到焊縫中心部位熔深明顯增大的指狀焊縫。 2.1.5 熔滴過渡的主要形式及特點 應用：噴射過渡容易出現(xiàn)在以氬氣或富氬氣體作保護氣體的焊接方法，如熔化極氬弧焊、活性氣體保護焊中。 噴射過渡適合焊接厚度較大（3mm）的焊件，不適宜焊接薄板。2.1.5 熔滴過渡的主要形式及特點接 觸 過 渡 接觸過渡是指焊絲（或焊條）端部的熔滴與熔池表面通過接觸而過渡的方式。根據(jù)接觸之前熔滴的大小不同，該過渡方式又可分為兩種形態(tài)： 小滴時電磁收縮力的作用大于表面張力，通常形成短路過渡 大

17、滴時表面張力作用大于電磁收縮力，熔滴和熔池表面接觸后所產(chǎn)生的表面張力使之過渡，稱為搭橋過渡2.1.5 熔滴過渡的主要形式及特點短路過渡 在電弧熱作用下，焊絲（或焊條）端部熔化形成熔滴并逐步長大。當電流較小，電弧電壓較低時，弧長較短，熔滴未長成大滴就與熔池接觸形成液態(tài)金屬短路，電弧熄滅，隨之金屬熔滴過渡到熔池中去。熔滴脫落之后電弧重新引燃，如此交替進行，這種過渡形式稱為短路過渡。2.1.5 熔滴過渡的主要形式及特點應用：在熔化極電弧焊中，使用堿性焊條的電弧焊及細絲（直徑1.6mm）氣體保護電弧焊，熔滴過渡形式主要為短路過渡。適于進行薄板、全位置焊接。2.1.5 熔滴過渡的主要形式及特點圖 短路過

18、渡過程示意圖 T-短路周期 t1-燃弧時間 t2-短路時間 t3-電壓恢復時間 Imin-最小電流 Imax-短路電流峰值電流 Ua-平均電壓 Ia-平均電流2.1.5 熔滴過渡的主要形式及特點電弧引燃后，焊絲受熱的作用端頭開始熔化并形成熔滴；隨著焊絲的熔化，熔滴繼續(xù)長大，此時電弧向焊絲傳遞的熱量減少，焊絲的熔化速度減慢，而焊絲仍以一定的速度送進，送絲速度比熔化速度快，使熔滴接觸熔池造成短路；短路瞬時電弧熄滅，電弧電壓急劇下降；隨著短路電流的迅速上升，在電磁收縮力和其他電弧力的共同作用下，熔滴與焊絲之間形成縮頸，并逐漸變細；當短路電流上升到一定數(shù)值時，縮頸爆斷，熔滴過渡到熔池中，電弧電壓迅速恢復到空載電壓，電弧重新引燃；此后重復上述過程。2.1.5 熔滴過渡的主要形式及特點搭橋過渡：出現(xiàn)在非熔化極填絲電弧焊或氣焊中。搭橋過渡時，焊絲在電弧熱作用下熔化形成熔滴與熔池接觸，在表面張力、重力和電弧力作用下，熔滴進入熔池。短路過渡焊絲是否通電？2.1.5 熔滴過渡的主要形式及特點渣壁過渡：熔滴沿著熔渣的壁面流入熔池的一種過渡形式。埋弧焊時熔滴沿熔渣壁過渡；焊條電弧焊時熔滴沿藥皮套筒壁過渡。埋弧焊時，電弧在熔渣形成的空腔內(nèi)燃燒，熔滴主要通過渣壁流入熔池，只有少量熔滴通過空腔內(nèi)的電弧空間進入熔池。埋弧焊的熔滴過渡頻率及熔滴尺寸與極性、電弧電壓和焊接電