焊接电弧与弧焊方法.ppt

2019/6/24,闫伟,1,焊接方法与设备,2019/6/24,闫伟,2,第一章 电弧焊基础知识,电弧焊重要性 高效 本章基本内容 第一节 焊接电弧 *第二节 焊丝熔化与熔滴过渡 *第三节 母材熔化及焊缝成型,2019/6/24,闫伟,3,第一节 焊接电弧,一、焊接电弧物理基础 二、焊接电弧导电特性 *三、焊接电弧工艺特性,2019/6/24,闫伟,4,一、焊接电弧物理基础 （一）电弧及其电场强度分布,电弧定义：电弧是一种特殊的气体放电现象，它是带电粒子通过两电极之间气体空间的一种导电过程。 实现了将电能转化为机械能、热能和光能。,2019/6/24,闫伟,5,非自持放电,自持放电,电流最大、电压最低、温度最高、发光最强,气体是良好的绝缘体 带电粒子密度10-8/m3 使气体导电的条件：电场；带电粒子,2019/6/24,闫伟,6,（一）电弧及其电场强度分布,沿电弧方向电场强度分布不均匀 分为三个区域 阴极、阳极区尺寸很小，约为10-2-10-6 cm 电场分布的不均匀性表明电弧电阻的非线性,2019/6/24,闫伟,7,（二）电弧中带电粒子产生来源：,1 中性气体粒子的电离 2 金属电极发射电子 3 带电粒子复合 4 负离子形成,基本物理过程,2019/6/24,闫伟,8,1、气体的电离,（1）气体的电离与激励 定义：在外加能量作用下，使中性的气体分子或原子分离成电子和正离子的过程 实质：中性气体粒子吸收足够的外部能量，使分子或原子中的电子脱离原子核束缚而成为自由电子和正离子的过程。 气体的电离电压的大小反映了带电粒子产生的难易程度。（表1-1） 电离电压低-带电粒子容易产生，有利于电弧导电 电离电压高-带电粒子难以产生 电弧导电困难,2019/6/24,闫伟,9,激励 定义：当中性气体粒子受外加能量作用而不足以使其电离时，但可能使其内部的电子从原来的能级跃迁到较高的能级，这种现象称为。 激励可导致-电弧辐射光 重要结论： 当电弧空间存在电离电压（或激励电压）不同的多种气体的时候，在外加能量的作用下，电离电压（或激励电压）低的气体粒子先被电离（或激励），若这种气体的足以维持电弧的稳定燃烧，则整个电弧燃烧所需要的能量主要取决于这个较低的电压。因而电弧所要求的外加能量就比较低。 *意义：稳弧剂的作用,2019/6/24,闫伟,10,基本规律： 温度 压力 电离电压,电离度,带电粒子数,电弧稳定性,返回,（2）电离的种类： 热电离（弧柱） 场致电离（两极） 光电离：仅对K、Na、Ca、Al的金属蒸汽,碰撞电离（主要途径）,2019/6/24,闫伟,11,电离和阴极电子发射是电弧产生和维持不可缺少的必要条件 阴极发射出的电子，在电场的加速下碰撞电弧空间的中性粒子使之电离，从而是阴极电子发射充当了维持电弧导电的原电子之源。,2、阴极电子发射,2019/6/24,闫伟,12,（1）电子发射与逸出功 定义： 电子发射：阴极中的自由电子受到一定的外加能量作用，从阴极表面逸出的过程 逸出功：一个电子从金属表面逸出所需的最低外加能量。单位电子伏或者逸出电压 逸出功的大小受电极材料及表面状态的影响。金属表面存在氧化物时逸出功会减小 表1-3与表1-1比较,2019/6/24,闫伟,13,*（2）阴极斑点 定义：阴极表面经常可以看到发出闪烁的区域，这个区域称为 电子发射最集中的区域 电流最集中流过的区域 热阴极：斑点固定 W C 冷阴极：斑点不规则移动 Cu Fe Al,阴极清理作用（阴极破碎） 在铝合金焊接中作用最为明显,2019/6/24,闫伟,14,（3）电子发射的类型 热发射 场致发射 光发射 粒子碰撞发射 实际焊接过程中常常是几种发射形式共存,2019/6/24,闫伟,15,（三）带电粒子的消失,动态平衡：电弧稳定燃烧时，带电粒子的产生与消失处于动态平衡 主要形式： 1 扩散 2 复合,2019/6/24,闫伟,16,大多数粒子亲和能比较小，不易形成负离子 F、Cl、O2、OH、NO等离子亲和能比较大，易于形成负离子。 放热过程，在高温下不易稳定存在 影响： 电子数量减少，导电困难，电弧稳定性降低 负离子运动速度慢，不能很好的导电 易于正离子复合,返回,3 负离子形成,2019/6/24,闫伟,17,三、焊接电弧的工艺特性,焊接电弧与热能及机械能有关的工艺特性，主要包括电弧的热能特性、电弧的力学特性和电弧的稳定性等。,2019/6/24,闫伟,18,（一）电弧的热能特性 电弧的温度分布,熔点限制 导热条件,2019/6/24,闫伟,19,（二）电弧的力学特性 1、电弧力及其作用 电弧力影响着熔深及熔滴的过渡，而且影响到熔池的搅拌、焊缝成形及金属的飞溅等 *电弧力主要包括：电磁收缩力、等离子流力、斑点力等,（1）电磁收缩力 电磁力：电流流经距离不远的两根平行导线时，电流同向相吸，异向相斥。他的大小与流过的电流大小成正比，与两根导线之间的距离成反比。,力大,力小,2019/6/24,闫伟,20,电磁静压力：电弧轴向推力在电弧横截面上分布不均匀，弧柱轴线处最大，向外逐渐减小，在焊件上表现为对熔池形成的压力 结果： 碗状熔深焊缝形状。 束缚弧柱直径 电磁搅拌（细化晶粒，排出气体及熔渣）,2019/6/24,闫伟,21,（2）等离子流力：高温气流的高速运动，持续的冲向焊件，对熔池形成附加压力。也称为电磁动压力。 电弧中等离子气流具有很高的速度和加速度，可达数百米/秒。 电弧中心线上等离子流力最大。 电流越大，中心线上的动应力幅值越大，分布区域越小。,2019/6/24,闫伟,22,钨极氩弧焊的钨极锥角较小，电流较大，或者熔化极电弧焊采用喷射过渡工艺时，这种电弧的动压力较为显著。 结果：指状熔深。 增加电弧挺度，促进过渡，增大熔深，搅拌,2019/6/24,闫伟,23,（3）斑点力：电极上形成斑点时，由于斑点受到带电粒子的撞击，或金属蒸汽的反作用而对斑点产生的压力，称为，或斑点压力。,阴极斑点力大于阳极斑点力 原因：正离子的质量远大于电子的质量 阴极斑点电流密度大，蒸汽反作 用力也大,2019/6/24,闫伟,24,斑点力阻碍熔滴过渡 利用阳极斑点压力小的特点，直流焊接时，采用直流反接，利于熔滴过渡，减小飞溅,2019/6/24,闫伟,25,2.电弧力的主要影响因素： 焊接电流和电压 焊丝直径 电极极性 气体介质 钨极端部几何形状,2019/6/24,闫伟,26,（1）电流和电压的影响,（2）焊丝直径的影响 焊接电流一定时，焊丝越细，电流密度越大，造成电弧锥形越明显。,2019/6/24,闫伟,27,（3）极性的影响,斑点力作用，熔滴尺寸不同,（4）气体介质的影响 导热性强或多原子气体消耗的热量多，引起电弧收缩，电弧力增强。 气体流量及电弧空间压力增强，也会引起电弧收缩。,2019/6/24,闫伟,28,（三）焊接电弧的稳定性,定义：电弧产生稳定燃烧（不产生断弧、飘移和偏吹等）的程度 意义：是保证焊接质量的一个重要因素 影响因素：操作技术、焊接电源特性、焊接材料特性、焊接工艺特性及磁偏吹等,2019/6/24,闫伟,29,1.焊接电源的影响： （1）焊接电源的特性 （2）焊接电源的种类 （3）焊接电源的空载电压 2.焊接材料 药皮成分（稳弧剂、电离能低的成分K、Ca、Na的氧化物） 药皮偏心、局部脱落,2019/6/24,闫伟,30,3.焊接电流（越大越稳定） 电离度、热发射能力增强 断弧弧长增加,4.磁偏吹：实际焊接过程中，由于受到很多因素的影响，电弧周围磁力线均匀分布的状态被破坏，使电弧偏离焊丝（条）轴线方向，这种现象称为，或者电弧偏吹。 结果：影响焊接质量,2019/6/24,闫伟,31,磁偏吹影响因素 导线连接位置 电弧附近电磁铁 磁性回路 焊接位置,2019/6/24,闫伟,32,减少磁偏吹的措施 可能时采用交流电源代替直流电源 尽量采用短弧进行焊接 对于长和大的工件采用两端接地的方法 如果工件有剩磁，焊接前应消除 避免周围铁磁性物质的影响 用厚药皮焊条代替薄药皮焊条,2019/6/24,闫伟,33,5.其他影响稳定性的因素： 表面清洁状态 气流,2019/6/24,闫伟,34,焊丝的加热与熔化特性 熔滴上的作用力 *熔滴过渡的主要形式及特点,第二节 焊丝的熔化与熔滴过渡,2019/6/24,闫伟,35,熔化极电弧焊： 焊丝的熔化主要依靠阴极区或者阳极区产生的热量以及焊丝伸出长度上的电阻热。弧柱区产生的热量对于焊丝的加热熔化作用比较小。 非熔化极电弧焊： 弧柱区产热熔化焊丝,一、焊丝的加热与熔化特性 （一）焊丝的热源 1、电弧热,2019/6/24,闫伟,36,2、电阻热 焊丝与导电嘴接触点到焊丝端头的一段焊丝（即焊丝伸出长度，用Ls表示）有焊接电流通过，所产生的电阻热对焊丝有预热作用，从而影响焊丝的熔化速度。特别是焊丝比较细和焊丝的电阻系数比较大时（如不锈钢），这种影响更加明显。,结论： 用于加热和熔化焊丝得总热量Pm是单位时间内电弧热和电阻热提供的能量。,2019/6/24,闫伟,37,（二）焊丝的熔化特性 焊丝的熔化特性：焊丝的熔化速度和焊接电流之间的关系。其主要与焊丝材料及焊丝直径有关。,材料不同：电阻率、熔化系数不同； 焊丝直径：电阻不同、导热能力不同,返回,2019/6/24,闫伟,38,二、熔滴上的作用力,1、重力 2、表面张力 3、电弧力 4、熔滴爆破力 5、电弧的气体吹力,2019/6/24,闫伟,39,1、重力：当焊丝直径较大而电流较小时，在平焊位置的情况下，使熔滴脱离焊丝的力主要是重力。 Fg=mg=4/3gr3 重力大于表面张力时，熔滴就要脱离焊丝。 立焊和仰焊时，重力阻碍熔滴过渡。,2019/6/24,闫伟,40,2、表面张力 在焊条端头上主要保持熔滴的主要作用力。 F=2R,表面张力系数 与材料成分（O、S）、温度、气体介质等因素有关,焊丝半径,2019/6/24,闫伟,41,3.电弧力：电弧对熔滴和熔池的机械作用力，包括：？ 电弧力只有在焊接电流较大的时候，才对熔滴过渡起主要作用；电流小时，重力表面张力其主要作用,2019/6/24,闫伟,42,4、熔滴爆破力：当熔滴内部因冶金反应而生成气体或者含有易蒸发金属时，在电弧高温的作用下，使气体体积膨胀而产生的内压力，致使熔滴爆破，这一内压力称为，它促进熔滴过渡，但产生飞溅。,2019/6/24,闫伟,43,5、电弧的气体吹力,造气剂 碳元素氧化,2019/6/24,闫伟,44,熔滴过渡 定义：电弧焊时，焊丝的末端在电弧的高温作用下加热熔化，形成熔滴通过电弧空间向熔池转移的过程，称为 焊丝形成的熔滴作为填充金属与熔化的母材共同形成焊缝，因此，焊丝的加热熔化及熔滴的过渡过程将对焊接过程和焊缝质量产生直接的影响。,*三、熔滴过渡的主要形式和特点,2019/6/24,闫伟,45,（一）自由过渡： 熔滴经电弧空间自由飞行，焊丝的端头和熔池不发生直接接触。 （二）接触过渡： 焊丝端部的熔滴与熔池的表面通过接触而过渡。 熔化极气体保护焊时，焊丝短路并重复的引燃电弧，称为短路过渡 TIG焊时，焊丝作为填充金属，它与工件之间不引燃电弧，搭桥过渡 （三）渣壁过渡： 与渣保护有关，发生在埋弧焊时，熔滴从熔渣的空腔壁上流下。,2019/6/24,闫伟,46,图 熔滴过渡的主要形式,粒状过渡,喷射过渡,爆破过渡,短路过渡,搭桥 过渡,渣壁 过渡,套筒 过渡,2019/6/24,闫伟,47,（1）粗滴过渡：电流比较小和电压比较高时，弧长较长，使熔滴不易与熔池短路。因电流比较小，弧根面积的直径小于熔滴直径，熔滴与焊丝之间的电磁力不易使熔滴形成缩颈，同时斑点压力又阻碍熔滴过渡。随着焊丝熔化，颗粒长大，最后重力克服表面张力作用，而形成大的颗粒过渡。 电弧稳定性和焊缝质量都比较差。,（一）自由过渡： 1、滴状过渡 电弧电压高，根据电流大小、极性和保护气体种类不同，又可分为粗滴过渡和细滴过渡,2019/6/24,闫伟,48,（2）细滴过渡：电流比较大，相应的电磁收缩力增大，表面张力减小，熔滴存在的时间短，熔滴细化，过渡频率增加，电弧稳定性比较高，飞溅少，焊缝质量高 气体介质或焊接材料不同时，细滴过渡的特点不同。CO2和酸性焊条电弧焊，熔滴非轴向过渡；铝合金熔化极氩弧焊或大电流活性气体保护焊焊钢则轴向过渡,2019/6/24,闫伟,49,易于出现于氩气或者富氩气体保护的焊接方法中。 过渡时，细小的熔滴从焊丝端部连续不断的高速冲向熔池，过渡频率快，飞溅少，电弧稳定，热量集中，对焊件的穿透能力强，易形成指状熔深，适合焊接较厚的板材（3mm），不适合薄板.,2、喷射过渡（射流过渡）,2019/6/24,闫伟,50,在Ar或者富Ar保护气体,电流小,2019/6/24,闫伟,51,1.短路过渡 电弧引燃后随着电弧的燃烧，焊丝或者焊条端部形成熔滴并逐渐长大。当电流较小，电弧电压比较低，弧长比较短，熔滴未长成大滴就与熔池接触形成液态金属短路，电弧随之熄灭，金属熔滴过渡到熔池中去。熔滴脱落后，电弧重新引燃，如此交替，这种过渡称为,（二）接触过渡,概念：焊丝（或焊条）端部的熔滴与熔池表面通过接触而过渡的方式 分类：短路过渡；搭桥过渡,2019/6/24,闫伟,52,出现场合：碱性焊条的焊条电弧焊 细丝气体保护电弧焊（1.6mm） 短路过渡由燃弧和熄弧两个交替的阶段组成，电弧的燃烧是不连续的。,实质：熔化速度与送丝速度不一致,2019/6/24,闫伟,53,短路过渡特点： 燃弧熄弧交替进行 平均电流小，峰值电流大，适合薄板及全位置焊接 小直径焊条或焊丝，电流密度大，产热集中，焊接速度快 弧长短，焊件加热区小，质量高,2019/6/24,闫伟,54,2.搭桥过渡：非熔化极电弧焊。在表面张力、重力及电弧力的作用下，熔滴进入熔池。,2019/6/24,闫伟,55,（三）渣壁过渡： 熔滴沿着熔渣壁面流入熔池的一种过渡形式 出现场合：埋弧焊和焊条电弧焊,2019/6/24,闫伟,56,第三节 母材熔化与焊缝成形,主要内容： 单道焊缝的形成规律与影响因素 缺陷的形成原因及改善措施,2019/6/24,闫伟,57,在电弧热的作用下，焊丝与母材被熔化，在焊件上形成一个具有一定形状和尺寸的液态熔池。 随着电弧的移动熔池前端的焊件不断的被熔化进入熔池中，熔池后部则不断的冷却结晶形成焊缝。,一、焊缝的形成过程,2019/6/24,闫伟,58,温度分布不均匀：距热源中心距离、散热条件,1.温度场和力对熔池形状的影响,熔池的体积主要由电弧的热作用决定 熔池的形状主要由电弧对熔池的作用力决定： 在电弧压力作用下熔池表面出现凹坑 熔滴过渡机械冲击力对熔池的表面形状也有影响,2019/6/24,闫伟,59,空间位置不同重力、表面张力对熔池的作用不同 工艺方法焊接参数也影响熔池的尺寸 最希望的焊接空间位置 保证位置的措施（翻转、强迫成型装置）,2.工艺参数对熔池形状的影响,2019/6/24,闫伟,60,焊缝的结晶过程与熔池的形状有密切的关系，因而对焊缝的组织和质量有重要的影响。 焊缝结晶总是从熔池边缘处母材的原始晶粒开始，沿着熔池散热的相反方向进行，直至熔池中心与不同方向结晶而来的晶粒相遇为止。,3.结晶过程对熔池形状的影响,2019/6/24,闫伟,61,所有的结晶晶粒的方向都与熔池的池壁相垂直。 焊缝成形系数：熔池的宽度c与熔池深度之比s。,2019/6/24,闫伟,62,成形系数小，焊缝的枝晶会在焊缝的中心交叉，易使低熔点的杂质聚集在焊缝中心而形成裂纹、气孔、夹渣等缺陷 熔池的形状决定了晶粒的交角，尾部越细长，焊缝中心晶粒交角越大，杂质偏析严重，产生裂纹的可能性越大，焊接速度过大易出现这种情况,2019/6/24,闫伟,63,焊缝的有效厚度,焊缝宽度,焊缝余高,焊缝余高系数：焊缝宽度/焊缝余高,二、焊缝形状与焊缝质量的关系,2019/6/24,闫伟,64,1.焊缝厚度s：是焊缝质量优劣的主要指标，焊缝余高和宽度则应与焊缝厚度有合理的比例。 成形系数