第一章电弧焊基础知识

1、第一章第一章 电弧焊基础知识电弧焊基础知识第一节第一节 焊接电弧焊接电弧电弧具有两个重要特性，即它电弧具有两个重要特性，即它 在在放电放电的同时发出强烈的的同时发出强烈的光光和和 大量的大量的热热。人们就利用电弧的热量熔化被人们就利用电弧的热量熔化被 焊接材料。焊接材料。电弧稳定燃烧的条件：电弧稳定燃烧的条件： 应不断地向电弧区补充带电粒子，应不断地向电弧区补充带电粒子，也就是不断地向电弧区输送能源也就是不断地向电弧区输送能源。一、焊接一、焊接 电弧的物理基础电弧的物理基础1.1.电弧及其电场强度分布电弧及其电场强度分布 焊接电弧是一种气体放电现象，它是人为焊接电弧是一种气体放电现象，它是人为

2、控制的控制的长时间的放电加热过程。长时间的放电加热过程。两电极之间的气体导电条件：两电极之间的气体导电条件： 1.1.两电极之间有带电粒子；两电极之间有带电粒子； 2.2.两电极之间有电场。两电极之间有电场。 使气体的使气体的中性粒子中性粒子电离成为带电的正粒子电离成为带电的正粒子和负粒子。和负粒子。焊接电弧的电压分布焊接电弧的电压分布 阳极区阳极区： 电弧与电源正极所接的区域电弧与电源正极所接的区域。 阴极区阴极区： 电弧与电源负极所接的区域电弧与电源负极所接的区域。 弧柱区弧柱区： 在电弧的阳极区和阴极区之在电弧的阳极区和阴极区之 间的区域。间的区域。电弧电压电弧电压Ua=UA+Uc+Uk

3、焊接电弧的电阻是非线性的。焊接电弧的电阻是非线性的。2.2.电弧中带电粒子的产生电弧中带电粒子的产生 带电粒子的产生：带电粒子的产生： 气体的电离气体的电离 金属电极发射电子金属电极发射电子 负离子形成负离子形成（1）气体的电离）气体的电离 气体的分子或原子气体的分子或原子= =电子电子+ +正离子正离子电离能：电离能： 中性气体粒子失去电子所需的最小外加能量。中性气体粒子失去电子所需的最小外加能量。按外加能量形式可分：按外加能量形式可分： 热电离热电离场致电离场致电离光电离。光电离。热电离热电离 气体粒子受热的作用而产生电离的过程。气体粒子受热的作用而产生电离的过程。电离度电离度=已电离的中

4、性粒子密度电离前的中性粒已电离的中性粒子密度电离前的中性粒 子密度子密度 热电离度与温度、气体压力、电离电压热电离度与温度、气体压力、电离电压 有关。有关。随着随着 温度温度T气体压力气体压力 电离电压电离电压电离度电离度 带电粒子数带电粒子数电弧的电弧的 稳定性稳定性。场致电离场致电离 在两电极之间的电场作用下，带电粒子的加在两电极之间的电场作用下，带电粒子的加速（动能）与中性粒子发生非弹性碰撞而产生的速（动能）与中性粒子发生非弹性碰撞而产生的电离。电离。 弧柱区： 温度500030000K之间，而电场强度 10vcm左右。主要产生热电离主要产生热电离 阴极区和阳极区： 电场强度105107

5、V cm左右 主要产生电致电离主要产生电致电离光电离光电离 焊接电弧的光辐射只能对焊接电弧的光辐射只能对K K（钾）、（钾）、NaNa（钠）、（钠）、CaCa（钙）、（钙）、AlAl（铝）等金属（铝）等金属蒸汽直接引起光辐射。蒸汽直接引起光辐射。 中性气体粒子受到光辐射的作中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电离过程。用而产生的电离过程。 （2）阴级电子发射）阴级电子发射 阴极表面的自由电子受到一定的外加能量作用时，阴极表面的自由电子受到一定的外加能量作用时，从阴极表面逸出的过程。从阴极表面逸出的过程。 从阴极发射的电子在电场的加速下碰撞电弧中的从阴极发射的电子在电场的加速下碰撞电弧中的中性气

6、体粒子而产生电离，因此阴极电子发射在电弧中性气体粒子而产生电离，因此阴极电子发射在电弧导电过程中起着特别重要的作用。导电过程中起着特别重要的作用。1 1）阴极斑点）阴极斑点 阴极表面发射电子最集中，电流最集中流过的区域。阴极表面发射电子最集中，电流最集中流过的区域。阴极斑点与阴极材料有关。阴极斑点与阴极材料有关。 如：钨或碳作阴极时（热阴极），斑点固定不动。如：钨或碳作阴极时（热阴极），斑点固定不动。 钢、铜、铝作阴极时（冷阴极），斑点不规则游动。钢、铜、铝作阴极时（冷阴极），斑点不规则游动。2 2）逸出功：）逸出功： 一个电子从金属表面逸出所需要的最低一个电子从金属表面逸出所需要的最低外加能

7、量。逸出功（外加能量。逸出功（A AW W），单位（），单位（eVeV）。）。 由于金属氧化物的逸出功比纯金属低，因而由于金属氧化物的逸出功比纯金属低，因而氧化物处容易发射电子的同时氧化物被破坏，氧化物处容易发射电子的同时氧化物被破坏，这就阴极有清除氧化物（阴极雾化）的作用。这就阴极有清除氧化物（阴极雾化）的作用。3 3）电子发射的类型）电子发射的类型 热发射： 阴极表面因受热其内部自由电子热运动加大，动阴极表面因受热其内部自由电子热运动加大，动能增加，产生的电子发射现象。能增加，产生的电子发射现象。 场致发射： 阴极内部的自由电子在电场力的作用下，逸出阴阴极内部的自由电子在电场力的作用下，逸

8、出阴极表面的极表面的电子发射电子发射现象。现象。 光发射： 阴极表面受到光辐射作用时，阴极表面受到光辐射作用时，阴极内部的自由电阴极内部的自由电子逸出阴极表面的子逸出阴极表面的电子发射电子发射现象。现象。 粒子碰撞发射： 高速运动的粒子碰撞阴极时，阴极表面自由电子高速运动的粒子碰撞阴极时，阴极表面自由电子逸出阴极表面的逸出阴极表面的电子发射电子发射现象。现象。3.带电粒子的消失带电粒子的消失 复合： 电弧空间的正负带电粒子，在一定电弧空间的正负带电粒子，在一定条件下相遇而结合成中性粒子的过程。条件下相遇而结合成中性粒子的过程。负离子的形成： 在一定条件下，中性原子或分子吸附在一定条件下，中性原

9、子或分子吸附电子而形成负离子。电子而形成负离子。二、二、 焊接电弧的导电特性焊接电弧的导电特性 指电荷的运动并形成电流的带电粒子在指电荷的运动并形成电流的带电粒子在电弧中产生、运动和消失的过程。电弧中产生、运动和消失的过程。1.1.弧柱区的导电特性弧柱区的导电特性 弧柱电场强度弧柱电场强度E ： 弧柱单位长度上的电压降（电位梯度）。 弧柱的导电性能好， E值小。 弧柱中流过电流I I大时， E值减小。 电场强度的大小与电弧的气体介质有关。电场强度的大小与电弧的气体介质有关。2.2.阴极区的导电特性阴极区的导电特性阴极区作用：阴极区作用： 向弧柱区提供电弧导电所需要的电子流；向弧柱区提供电弧导电

10、所需要的电子流； 接受由弧柱传来的正离子流。接受由弧柱传来的正离子流。阴极区的导电形式：阴极区的导电形式： 热发射型、电场发射型。热发射型、电场发射型。阴极区的电压降：阴极区的电压降： 取决于电极材料的种类、电流大小、取决于电极材料的种类、电流大小、 气体介质的成分。气体介质的成分。3.3.阳极区的导电特性阳极区的导电特性 阳极区的作用：阳极区的作用： 接受弧柱送来的电子流； 向弧柱提供所需的正离子流。 阳极区的导电形式：阳极区的导电形式： 阳极区的场致电离、 阳极区的热电离。三、焊接电弧的工艺特性三、焊接电弧的工艺特性 电弧的热能特性、力学特性、稳定性。电弧的热能特性、力学特性、稳定性。1.

11、1.电弧的热能特性电弧的热能特性 （1）电弧热的形成机构）电弧热的形成机构 弧柱的产热弧柱的产热 带电粒子之间的碰撞，带电粒子与中性带电粒子之间的碰撞，带电粒子与中性 粒子之间的碰撞，把电能转换成热能。粒子之间的碰撞，把电能转换成热能。 阴极区的产热阴极区的产热 阴极区总产热功率Pk=IUKIUWIUT 阳极区的产热阳极区的产热 阳极区总产热功率Pa =IUa+IUW+IUT（2）电弧的温度分布）电弧的温度分布 轴向温度分布轴向温度分布 特点： 阴极区、阳极区阴极区、阳极区的温度低，弧柱区温的温度低，弧柱区温度高。度高。 径向温度分布径向温度分布 焊接电弧的热效率及能量密度焊接电弧的热效率及能

12、量密度 热功率热功率PQ Q=PA=IUA 式中: PA电弧的电功率 UA 电弧电压, UA=Uk+Uc+Ua 有效热功率 P有有=P总总 热效率系数热效率系数能量密度：能量密度：单位面积上的有效热功率（单位面积上的有效热功率（W Wcmcm2 2） 电弧加热区的能量密度分布是不均匀的。弧柱轴线处能量电弧加热区的能量密度分布是不均匀的。弧柱轴线处能量密度最大，因此弧柱中心处的工件熔深大，而周围熔深小。密度最大，因此弧柱中心处的工件熔深大，而周围熔深小。2.2.电弧的力学特性电弧的力学特性（1）电弧力的作用）电弧力的作用 直接影响工件的熔深、熔滴过度、熔池直接影响工件的熔深、熔滴过度、熔池的搅拌

13、、焊缝成形、金属飞溅等。的搅拌、焊缝成形、金属飞溅等。 电弧力主要包括电磁收缩力、等离子流电弧力主要包括电磁收缩力、等离子流力、斑点力等。力、斑点力等。电磁收缩力电磁收缩力 由电弧自身磁场引起的电磁收缩力，由电弧自身磁场引起的电磁收缩力，不仅使熔池下凹，同时起搅拌熔池的作用，不仅使熔池下凹，同时起搅拌熔池的作用，这有利于细化晶粒，排出气体及夹渣，使这有利于细化晶粒，排出气体及夹渣，使焊缝的质量得到改善。焊缝的质量得到改善。等离子流力等离子流力 高温气体流动时高温气体流动时从电极上方补充新的从电极上方补充新的气体，新加入的气体气体，新加入的气体被加热和部分电离后，被加热和部分电离后，对熔池形成对

14、熔池形成附加压力附加压力。 引起附加压力的引起附加压力的高速运动的高温气流高速运动的高温气流叫做叫做等离子流力等离子流力。 电弧轴向推力在电弧横截面上分布不均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，匀，弧柱轴线处最大，向外逐渐减小，对熔池形成压力（电磁静压力），这种对熔池形成压力（电磁静压力），这种力作用在熔池中，则形成力作用在熔池中，则形成碗状碗状熔深焊缝。熔深焊缝。 等离子流力引起的动压力，则形成等离子流力引起的动压力，则形成指状指状熔深焊缝。熔深焊缝。斑点力斑点力 由于斑点处受到带电粒子的撞击或金属由于斑点处受到带电粒子的撞击或金属蒸发的反作用而对斑点产生的压

15、力。蒸发的反作用而对斑点产生的压力。 阴极斑点力比阳极斑点力大。阴极斑点力比阳极斑点力大。原因：原因： 阴极斑点承受正离子的撞击阳极斑点承受电子阴极斑点承受正离子的撞击阳极斑点承受电子 的撞击的撞击。 正离子的质量电子的质量正离子的质量电子的质量 阴极斑点的电流密度阳极斑点的电流密度阴极斑点的电流密度阳极斑点的电流密度 阴极金属蒸发产生的反作用力阳极斑点大阴极金属蒸发产生的反作用力阳极斑点大 不论阴极还是不论阴极还是阳极斑点力的方向阳极斑点力的方向总是与熔滴过度方总是与熔滴过度方向相反，因而斑点向相反，因而斑点力总是阻碍熔滴过力总是阻碍熔滴过度。度。因此在直流电弧焊时，常用反接法来减小飞溅。因

16、此在直流电弧焊时，常用反接法来减小飞溅。（2 2）电弧力的主要影响因素）电弧力的主要影响因素焊接电流和电压焊接电流和电压 焊接电流焊接电流I电磁收缩力电磁收缩力等离子流力等离子流力电弧力电弧力； 焊接电流焊接电流I一定时，电弧长度一定时，电弧长度 电弧电压电弧电压电弧力电弧力。焊丝直径焊丝直径 焊接电流焊接电流I一定时，一定时，焊丝直径焊丝直径电流密度电流密度电磁收缩力电磁收缩力等等离子流力离子流力电弧力电弧力。电极的极性电极的极性 从斑点从斑点压力角度考压力角度考虑，直流反虑，直流反接时电弧力接时电弧力大。大。气体介质气体介质 导热性强的气导热性强的气体或多原子气体消体或多原子气体消耗的热量

17、多，会引耗的热量多，会引起电弧的收缩，导起电弧的收缩，导致电弧力增加。气致电弧力增加。气体流量增加，也会体流量增加，也会引起弧柱收缩，导引起弧柱收缩，导致电弧力增加。致电弧力增加。3.3.焊接电弧的稳定性焊接电弧的稳定性影响电弧稳定性的主要因素1）焊接电源）焊接电源 焊接电源的特性焊接电源的特性 电源的外特性与电弧的静特性相匹配。电源的外特性与电弧的静特性相匹配。 焊接电流的种类焊接电流的种类 交流、直流、矩形波。交流、直流、矩形波。 空载电压空载电压 U0（1.52.4）Uf 电源频率电源频率 f 电弧稳定电弧稳定2) 2) 焊接电流焊接电流 焊接电流越大，电弧燃烧越稳定。焊接电流越大，电弧

18、燃烧越稳定。3 3）电弧长度电弧长度 L（0.51.1）d4 4）焊条药皮或焊剂焊条药皮或焊剂 焊条要皮或焊剂中加少量的低电离焊条要皮或焊剂中加少量的低电离能元素如；能元素如；k 、 Na 、 Ca等氧化物，保证等氧化物，保证电弧的稳定燃烧。电弧的稳定燃烧。5 5）磁偏吹）磁偏吹电弧偏离焊丝或焊条轴线方向的现象。电弧偏离焊丝或焊条轴线方向的现象。原因：原因： 电弧周围磁场分布不均匀，导致电弧两电弧周围磁场分布不均匀，导致电弧两侧产生的磁力线不同。侧产生的磁力线不同。 引起磁力线分布不均匀的原因引起磁力线分布不均匀的原因导线接线位置导线接线位置电弧附近的铁磁物质电弧附近的铁磁物质消除磁偏吹的措施

19、消除磁偏吹的措施 选用交流电源；选用交流电源； 采用直流时，在工件两端同时接地线；采用直流时，在工件两端同时接地线； 避免周围有铁磁物质；避免周围有铁磁物质； 压低电弧长度（短弧焊）；压低电弧长度（短弧焊）； 利用电弧的挺度，使焊丝（焊条）向电利用电弧的挺度，使焊丝（焊条）向电弧偏吹方向倾斜。弧偏吹方向倾斜。4.4.焊接电弧的静特性和动特性焊接电弧的静特性和动特性 1 1）焊接电弧的静特性）焊接电弧的静特性 一定长度的电弧在稳定状态一定长度的电弧在稳定状态下，下，电弧两端的电压电弧两端的电压U Uf f与焊接与焊接电流电流I If f之间的关系。之间的关系。叫做电弧叫做电弧静特性或电弧的伏安特

20、性。静特性或电弧的伏安特性。 焊接电弧是非线性负载。焊接电弧是非线性负载。 焊接电弧焊接电弧If随的变化呈随的变化呈U形曲线形曲线。 电弧的应用电弧的应用 ab段段：下降特性段下降特性段 电弧燃烧和稳定性差电弧燃烧和稳定性差。 bc段段：平特性段平特性段 用途用途：手工焊手工焊、埋弧焊埋弧焊、 氩弧焊等。氩弧焊等。 cd段段：上升特性段上升特性段 用途用途: COCO2 2气体焊、气体焊、 水下焊接等。水下焊接等。2 2）焊接电弧的动特性焊接电弧的动特性 在一定弧长下，电在一定弧长下，电弧电流变化时，电弧电弧电流变化时，电弧电压和电流瞬间值的关系压和电流瞬间值的关系。 f =(f)热惯性热惯性

21、： 温度的变化总是落温度的变化总是落后于电流的变化。后于电流的变化。5.5.电弧电弧的种类的种类1.按电流种类分：按电流种类分： 交流电弧、直流电弧、脉冲电弧交流电弧、直流电弧、脉冲电弧2.按电弧的状态分：按电弧的状态分： 自由电弧自由电弧非熔化极电弧非熔化极电弧 熔化极电弧熔化极电弧 压缩电弧压缩电弧等离子弧等离子弧 脉冲电弧脉冲电弧第第二二节节 焊丝的熔化与溶滴过渡焊丝的熔化与溶滴过渡一、焊丝的加热和熔化特性一、焊丝的加热和熔化特性 1.焊丝的热源焊丝的热源 焊丝的热源=电弧热+电阻热电弧热：电弧热： 两电极区的产热功率与焊接电流成正比。 焊丝为阴极时PQ阳极PQ 阴极m m 阳极m m电

22、阻热：电阻热： 焊丝伸出部分的电阻对焊丝有加热作用。电阻热取决于焊丝材料及焊丝伸出长度。电阻热取决于焊丝材料及焊丝伸出长度。焊丝伸出长度的电阻焊丝伸出长度的电阻 RS=LSS电阻产生的热功率电阻产生的热功率 PR=I2RS2.2.焊丝的熔化特性焊丝的熔化特性 是焊丝的熔化速度是焊丝的熔化速度m和焊接电流和焊接电流I 之间的关系。之间的关系。 熔化特性与焊丝材料、焊丝直径、焊丝伸出长度有关。熔化特性与焊丝材料、焊丝直径、焊丝伸出长度有关。焊丝的熔化速度焊丝的熔化速度= =送丝速度送丝速度二、熔滴上的作用二、熔滴上的作用 在电弧热作用下焊丝或焊条端部受热在电弧热作用下焊丝或焊条端部受热后形成熔滴。

23、后形成熔滴。熔滴上的作用力可分为：熔滴上的作用力可分为： 重力、表面张力、重力、表面张力、 电弧力、熔滴爆破力、电弧力、熔滴爆破力、 电弧的气体吹力等。电弧的气体吹力等。1.重力重力Fg Fg=mg=43r3g焊接位置不同，重力的作用也不同。焊接位置不同，重力的作用也不同。2.2.表面张力表面张力 是指焊丝端部保持熔滴的作用。是指焊丝端部保持熔滴的作用。 表面张力F=2R 平焊时，平焊时， F阻碍熔滴过渡；阻碍熔滴过渡；其他位置焊接时，有利于熔滴过渡。其他位置焊接时，有利于熔滴过渡。表面张力系数表面张力系数与焊丝材料、温度、气体介质等因素有关。与焊丝材料、温度、气体介质等因素有关。表面张力系数

24、表面张力系数焊丝半径焊丝半径3.3.电弧力电弧力 电磁收缩力：有利于熔滴过渡。电磁收缩力：有利于熔滴过渡。 等离子流力：有利于熔滴过渡。等离子流力：有利于熔滴过渡。 斑点力：阻碍熔滴过渡。斑点力：阻碍熔滴过渡。4.4.熔滴爆破力熔滴爆破力 它在促使溶滴过渡的同时，也产生飞溅。它在促使溶滴过渡的同时，也产生飞溅。 焊条电弧焊时，由于焊焊条电弧焊时，由于焊条药皮的熔化滞后于焊条药皮的熔化滞后于焊芯的熔化，在焊条的端芯的熔化，在焊条的端部就形成套筒。部就形成套筒。 药皮产生的气体（药皮药皮产生的气体（药皮的造气作用）在高温作的造气作用）在高温作用下急剧膨胀，从套筒用下急剧膨胀，从套筒中喷出作用于熔滴

25、。中喷出作用于熔滴。5.5.电弧的气体吹力电弧的气体吹力电弧气体吹力总是有利于熔滴过渡。电弧气体吹力总是有利于熔滴过渡。三、溶滴过渡的主要形式及特点三、溶滴过渡的主要形式及特点1.1.自由过渡自由过渡 焊丝端头（熔滴）和熔池之间不发生直接接触的过渡形式。焊丝端头（熔滴）和熔池之间不发生直接接触的过渡形式。1）滴状过渡）滴状过渡 特点：特点：熔滴直径大于焊丝直径熔滴直径大于焊丝直径电流小，电压高时，电流小，电压高时，飞溅大。飞溅大。电流大，电磁收缩力大时，电流大，电磁收缩力大时，飞溅较少。飞溅较少。粗滴过渡粗滴过渡细滴过渡细滴过渡2 2）喷射过渡（射流过渡）喷射过渡（射流过渡） 特点：特点：熔滴

26、直径小于焊丝直径熔滴直径小于焊丝直径 优点：优点： 过渡频率快，飞溅少，电弧稳定，热量集中，对工件穿透力强。过渡频率快，飞溅少，电弧稳定，热量集中，对工件穿透力强。 用途：用途： 熔化极氩弧焊，活性气体保护焊。适合于焊接厚度大于熔化极氩弧焊，活性气体保护焊。适合于焊接厚度大于3mm的工件，的工件， 不适宜焊接薄板。不适宜焊接薄板。2 2）爆破过渡）爆破过渡 在电弧气氛或保护气体中含有在电弧气氛或保护气体中含有CO2CO2气体时，气体时，会发生爆炸现象，使部分熔滴金属爆炸会发生爆炸现象，使部分熔滴金属爆炸成为飞溅。成为飞溅。2.2.接触过渡接触过渡 焊丝端头（熔滴）和熔池表面通过接触而过渡形式。

27、焊丝端头（熔滴）和熔池表面通过接触而过渡形式。原因：原因：大熔滴时，电磁收缩力的大熔滴时，电磁收缩力的 作用小于表面张力。作用小于表面张力。1）短路过渡）短路过渡2）搭桥过渡）搭桥过渡原因：原因：小熔滴时，电磁收缩力的小熔滴时，电磁收缩力的 作用大于表面张力。作用大于表面张力。短路过渡过程短路过渡过程 由燃弧和熄弧（短由燃弧和熄弧（短路）两个交替进行，电路）两个交替进行，电弧燃烧过程是不连续的。弧燃烧过程是不连续的。特点及用途特点及用途 燃弧时对工件加热，熄弧时熔滴过渡到熔池，燃弧时对工件加热，熄弧时熔滴过渡到熔池， 可调节对工件的热输入量，控制焊缝形状。可调节对工件的热输入量，控制焊缝形状。

28、 平均焊接电流小，短路电流峰值有相当大，平均焊接电流小，短路电流峰值有相当大，可可避免薄板的焊穿避免薄板的焊穿，这有利于薄板焊接或全，这有利于薄板焊接或全位置焊接。位置焊接。 一般使用一般使用小直径焊丝或焊条小直径焊丝或焊条，电流密度较大，电流密度较大，电弧产热集中，电弧产热集中，焊丝或焊条熔化速度快焊丝或焊条熔化速度快，因，因而焊接速度快。而焊接速度快。搭桥过渡搭桥过渡 在表面张力、重力、电弧力作用下熔滴进入熔在表面张力、重力、电弧力作用下熔滴进入熔池。一般在池。一般在非熔化极填丝电弧焊或气焊非熔化极填丝电弧焊或气焊中出现。中出现。3.3.渣壁过渡渣壁过渡 熔滴沿着熔渣的壁面流入熔池的一种过渡形式。熔滴沿着熔渣的壁面流入熔池的一种过渡形式。 埋弧焊时，熔滴沿着熔渣壁过渡 厚药皮焊条电弧焊时，熔滴沿着药皮套筒壁壁过渡第第三三节节 母材熔化与焊缝成形母材熔化与焊缝成形一、焊缝形成过程一、焊缝形成过程二、焊缝形状与焊缝质量的关系二、焊缝形状与焊缝质量的关系 焊缝有效厚度（熔深）焊缝有效厚度（熔深）H H 焊缝宽度（熔宽）焊缝宽度（熔宽）B B 余高余高 h h 焊缝成