第1單元焊接電弧的性能

第一單元

電弧焊基礎(chǔ)知識

能力知識點2焊接電弧的導電特性焊接電弧的導電特性是指參與電荷的運動并形成電流的帶電粒子在電弧中產(chǎn)生、運動和消失的過程。1．弧柱區(qū)的導電特性1、弧柱呈電中性。弧柱的溫度很高時，可使其中的大部分中性粒子電離成電子和正離子，而電子和正離子的總電荷量相等。2、具有良好的導電性能。正離子和電子在電場作用下運動，形成了弧柱中的電流，弧柱中的電流主要由電子流構(gòu)成。3、弧柱電場強度E，弧柱單位長度上的電壓降（即電位梯度）①電場強度E的大小與電弧的氣體介質(zhì)有關(guān)；②E的大小將隨弧柱的熱損失情況而自行調(diào)整。

最小電壓原理

弧柱在穩(wěn)定燃燒時，有一種使自身能量消耗最小的特性。即當電流和電弧周圍條件（如氣體介質(zhì)種類、溫度、壓力等）一定時，能量消耗最小時的電場強度最低，即在固定弧長上的電壓降最小，這就是最小電壓原理。 電弧截面面積大于或小于其自動確定的截面，都會引起電場強度Ｅ增大，使消耗的能量增多，違反最小電壓原理。因為電弧截面增大時，電弧與周圍介質(zhì)的接觸面增大，電弧向周圍介質(zhì)散失的熱量增加，要求電弧產(chǎn)生更多的能量與之相平衡，即要求ＥＩ增加。2．陰極區(qū)的導電特性（1）熱發(fā)射型 ①正離子沖擊陰極表面而將能量傳遞給陰極，并且正離子在陰極表面復合電子，釋放出的電離能也使陰極加熱； ②電流流過陰極時產(chǎn)生的電阻熱使陰極加熱。通過上述能量補充，可使陰極維持較高的溫度，保證持續(xù)的熱發(fā)射。

（2）電場發(fā)射型

場致電離產(chǎn)生的電子與陰極發(fā)射出來的電子合在一起構(gòu)成弧柱所需的電子流，場致電離產(chǎn)生的正離子與弧柱來的正離子，在電場作用下一起奔向陰極，使得陰極區(qū)保持正離子過剩，出現(xiàn)正電性，維持場致發(fā)射。另外，當這些正離子到達陰極時，將其動能轉(zhuǎn)換為熱能，對陰極的加熱作用增強，使陰極的熱發(fā)射作用增大，呈現(xiàn)熱一場致發(fā)射，為弧柱提供足夠的電子流。這種形式的導電中，為了提高陰極區(qū)的電場強度，按照最小電壓原理，陰極區(qū)將自動收縮截面，以提高正離子流即正電荷的密度，維持陰極的電子發(fā)射能力。在小電流鎢極氬弧焊和熔化極電弧焊時，這種場致發(fā)射型導電起主要作用。3．陽極區(qū)的導電特性（1）陽極斑點在陽極表面也可看到微小、爍亮的區(qū)域，這個區(qū)域稱為陽極斑點。（2）陽極區(qū)導電形式陽極不能發(fā)射正離子，弧柱所需要的正離子流是由陽極區(qū)的電離提供的。由于條件不同，陽極區(qū)的導電形式有兩種：

1）陽極區(qū)的場致電離。

2）陽極區(qū)的熱電離。能力知識點3焊接電弧的工藝特性焊接電弧與熱能及機械能有關(guān)的工藝特性，主要包括：電弧的熱能特性電弧的力學特性電弧的穩(wěn)定性1．電弧的熱能特性（１）電弧熱的形成機構(gòu)電弧可以看作是一個把電能轉(zhuǎn)換成熱能的柔性導體。１）弧柱的產(chǎn)熱。從電源吸取電能轉(zhuǎn)換為熱能的作用幾乎完全由電子來承擔，在弧柱中外加電能大部分將轉(zhuǎn)換為熱能。２）陰極區(qū)的產(chǎn)熱

Pk=IUk-IUw-IUT３）陽極區(qū)的產(chǎn)熱特性

Pa=IUa+IUw+IUT（2）電弧的溫度分布電弧各部分的溫度分布受電弧產(chǎn)熱特性的影響，電弧組成的三個區(qū)域產(chǎn)熱特性不同，溫度分布也有較大區(qū)別。電弧溫度的分布特點可從軸向和徑向兩個方面比較：圖1-31）軸向溫度分布。陰極區(qū)和陽極區(qū)的溫度較低，弧柱溫度較高，如圖1-3所示。陰極、陽極的溫度則根據(jù)焊接方法的不同有所差別，見表1-3。表1-3常用焊接方法陰極與陽極的溫度比較焊接方法酸性焊條電弧焊鎢極氬弧焊堿性焊條電弧焊熔化極氬弧焊C02氣體保護焊埋弧焊溫度比較陽極溫度＞陰極溫度陰極溫度＞陽極溫度 2）徑向。電弧徑向溫度分布的特點是：弧柱軸線溫度最高，沿徑向由中心至周圍溫度逐漸降低，如圖1-4所示。圖1-4（3）焊接電弧的熱效率及能量密度電弧焊的熱能由電能轉(zhuǎn)換而來，因此電弧的功率ＰＱ可由下式表示

ＰＱ＝ＰA＝ＩＵA

式中：ＰQ——電弧的電功率；ＵA——電弧電壓，ＵA＝ＵＫ＋ＵC＋Ｕa

用于加熱、熔化填充材料及工件的電弧熱功率稱為有效熱功率，表示為ＰＱ′＝ηＰＱ

上式中，η有效熱功率系數(shù)（熱效率系數(shù)），它受焊接方法、焊接工藝參數(shù)、周圍條件等因素的影響。表１-５常用焊接方法的熱效率系數(shù)焊接方法η焊接方法η焊條電弧焊埋弧焊C02氣體保護焊0.65~0.850.80~0.900.75~0.90熔化極氬弧焊鎢極氬弧焊0.70~0.800.65~0.702．電弧的力學特性在焊接過程中，電弧的機械能是以電弧力的形式表現(xiàn)出來的，電弧力不僅直接影響工件的熔深及熔滴過渡，而且也影響到熔池的攪拌、焊縫成形及金屬飛濺等，因此，對電弧力的利用和控制將直接影響焊縫質(zhì)量。電弧力主要包括：電磁收縮力等離子流力斑點力（１）電弧力及其作用1）電磁收縮力。這個力是由電磁場產(chǎn)生的，因而稱為電磁力。它的大小與導線中流過的電流大小成正比，與兩導線間的距離成反比。如圖1-5所示。當電流流過導體時，電流可看成是由許多相距很近的平行同向電流線組成，這些電流線之間將產(chǎn)生相互吸引力。可變形導體（液態(tài)或氣態(tài)），將使導體產(chǎn)生收縮，這種現(xiàn)象稱為電磁收縮效應，產(chǎn)生電磁收縮效應的力稱為電磁收縮力。圖1-5

形成由小直徑端（電極端）指向大直徑端（工件端）的電弧軸向推力（見圖1-6中的Ft）。而且電流越大，形成的推力越大。電弧軸向推力在工件上表現(xiàn)為對熔池形成的壓力，稱為電磁靜壓力。

圖1-6

焊接電弧一般為錐形導體，如圖1-6所示。電極端直徑小，工件端直徑大。由于不同直徑處電磁收縮力的大小不同，直徑小的一端收縮壓力大，直徑大的一端收縮壓力小，因此將在電弧中產(chǎn)生壓力差，電磁收縮力的作用

由電弧自身磁場引起的電磁收縮力，在焊接過程中具有重要的工藝性能。它不僅使熔池下凹，同時也對熔池產(chǎn)生攪拌作用，有利于細化晶粒，排出氣體及夾渣，使焊縫的質(zhì)量得到改善。另外，電磁收縮力形成的軸向推力可在熔化極電弧焊中促使熔滴過渡，并可束縛弧柱的擴展，使弧柱能量更集中，電弧更具挺直性。

2）等離子流力

在軸向推力作用下，將把靠近電極處的高溫氣體推向工件方向流動。高溫氣體流動時要求從電極上方補充新的氣體，形成有一定速度的連續(xù)氣流進入電弧區(qū)。新加入的氣體被加熱和部分電離后，受軸向推力作用繼續(xù)沖向工件，對熔池形成附加的壓力。熔池這部分附加壓力是由高溫氣流（等離子氣流）的高速運動引起的，所以稱為等離子流力，也稱為電弧的電磁動壓力。圖1-8

電弧的電磁靜壓力形成如圖1-7a所示的碗狀熔深焊縫形狀；電弧的電磁動壓力則形成如圖1-7b所示的指狀熔深焊縫形狀。圖1-7

等離子流力可增大電弧的挺直性，在熔化極電弧焊時促進熔滴軸向過渡，增大熔深并對熔池形成攪拌作用。3）斑點力。電極上斑點處受到帶電粒子的撞擊或金屬蒸發(fā)的反作用而對斑點產(chǎn)生的壓力，稱為斑點壓力或斑點力。熔化極氣體保護焊采用直流反接，可以減小熔滴過渡的阻礙作用，減少飛濺。

圖1-9

陰極斑點力比陽極斑點力大。不論是陰極斑點力還是陽極斑點力，其方向總是與熔滴過渡方向相反，如圖1-9所示。但由于陰極斑點力大于陽極斑點力，所以熔化極氣體保護焊可通過采用直流反接減小對熔滴過渡的阻礙作用，減少飛濺。（2）電弧力的主要影響因素

1）焊接電流和電弧電壓

2）焊絲直徑

3）電極（焊條、焊絲）的極性

4）氣體介質(zhì)3．焊接電弧的穩(wěn)定性

焊接電弧的穩(wěn)定性是指電弧保持穩(wěn)定燃燒（不產(chǎn)生斷弧、飄移和偏吹等）的程度。電弧不穩(wěn)定的原因除操作人員技術(shù)熟練程度外，還與下列因素有關(guān)。（1）焊接電源（2）焊條藥皮或焊劑（3）焊接電流焊接電流越大，電弧燃燒越穩(wěn)定。（4）磁偏吹電弧在其自身磁場作用下具有一定的挺直性，使電弧盡量保持在焊絲（條）的軸線方向上，如圖1-13所示。但在實際焊接中，由于多種因素的影響，電弧周圍磁力線均勻分布的狀況被破壞，使電弧偏離焊絲（條）軸線方向，這種現(xiàn)象稱為磁偏吹，如圖1-14所示。一旦產(chǎn)生磁偏吹，電弧軸線就難以對準焊縫中心，導致焊縫成形不規(guī)則，影響焊接質(zhì)量。圖1-13

圖1-14

引起磁偏吹的根本原因是電弧周圍磁場分布不均勻，致使電弧兩側(cè)產(chǎn)生的電磁力不同。焊接時引起磁力線分布不均勻的原因主要有：

圖1-151）