焊接物理基础

1、电弧焊基础 兰州理工大学焊接系 本科生学习整理第一章 焊接电弧1. 焊接方法分类焊接方法分为熔焊、钎焊、和压焊三大类熔焊：熔焊是在不施加压力的情况下，将待焊处的母材加热熔化以形成焊缝的焊接方法。焊接时母材熔化而不施加压力是其基本特征。压焊：压焊是焊接过程中必须对焊件施加压力（加热或不加热）才能完成焊接的方法。焊接施加压力是其基本特征。钎焊：钎焊是焊接事采用比母材熔点低的钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点但是低于母材熔点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙，并与母材相互扩散而是心爱那个连接的一种方法力气特征是焊接时母材不发生熔化，仅钎料发生熔化。2. 焊接电弧中气体电离的种类热电离气体粒

2、子受热的作用而产生的电离称为热电离。其实质是气体粒子由于受热而产生高速运动和相互之间激烈碰撞而产生的一种电离。场致电离当气体中有电场作用时，气体中的带电粒子被加速，电能被转换为带电粒子的动能，当其动能增加到一定程度时，能与中性粒子产生非弹性碰撞，使之电离，这种电离称为场致电离。光电离中性粒子接受光辐射的作用而产生的电离现象称为光电离。不是所有的光辐射都可以引发电离，气体都存在一个能产生光电离的临界波长，气体的电离电压不同，其临界波长也不同，只有当接受的光辐射波长小于临界波长时，中性气体粒子才可能被直接电离。3. 焊接电弧中气体的发射有几种热发射金属表面承受热作用而产生电子发射的现象称为热发射。

3、场致发射当阴极表面空间有强电场存在时，金属电极内的电子在电场静电库仑力的作用下，从电极表面飞出的现象称为场致发射。光发射当金属电极表面接受光辐射时，电极表面的自由电子能量增加，当电子的能量达到一定值时能飞出电极的表面，这种现象称为光发射。粒子碰撞发射高速运动的粒子（电子或正离子）碰撞金属电极表面时，将能量传给电极表面的电子，使电子能量增加并飞出电极表面，这种现象称为粒子碰撞发射。4. 阴极斑点的条件及阴极斑点的特点。阴极斑点是指阴极上导通电流的一些灼亮的孤立点 。某点充当阴极斑点的条件：1） 该点能发射电子； 2）电弧通过该点时耗能最小。 阴极斑点的特点： 1） 电流密度大，温度高。（2）跳跃

4、性及粘着性（3）存在斑点压力（4）自动寻找氧化膜 5. 接触引弧过程接触式引弧包括短路、分离和燃弧三个过程。6. 电弧的电特性包括哪些焊接电弧的电特性主要指的是焊接电弧的静特性和焊接电弧的动特性。7. 电弧静特性概念焊接电弧的静特性是指在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧时，焊接电流与电弧电压变化的关系，也称伏-安特性。等离子弧的静态特性是指一定弧长的等离子弧处于稳定的工作状态时，电弧电压U 与电弧电流I之间的关系，即：U （I）特点：1. 由于冷壁喷嘴的拘束作用，使等离子弧柱的横截面积减小，弧柱电场强度增大，电弧电压明显提高，U型曲线的平直区较自由电弧明显减小；2. 当焊接电

5、流较大时，等离子弧的磁收缩效应使弧柱直径的增加受到限制，静特性曲线会出现平的或上升的伏安特性；3. 拘束孔道尺寸和形状对静特性有明显影响，喷嘴孔径越小，U形特性平直区域就越小，上升区域斜率增大，即弧柱电场强度增大；4. 等离子气种类和流量不同时，弧柱的电场强度有明显变化，因此等离子弧供电电源的空载电压应按所用等离子气种类而定；5. 如果采用联合型等离子弧，转移弧的U行特性曲线下降区段斜率明显减小，这是由于非转移弧的存在为转移弧提供了导电通路。8.影响焊接电弧稳定性的因素有哪些影响焊接电弧稳定性的因素有1、焊接电源，2、焊接电流和电弧电压，3、电流的种类和极性，4、焊条药皮和焊剂，5、磁偏吹，6

6、、其他因素如操作人员技术、焊件清理情况和环境因素等。第二章焊丝的熔化与熔滴过渡1. 焊接熔化速度及影响因素熔化速度Vm 通常以单位时间内焊丝的熔化长度（m/h 或m/min）或熔化质量（kg/h）表示。其主要取决于单位时间内加热和熔化焊丝的总能量。影响因素：1、焊接电流的影响电弧热与电流成正比，电阻热与电流的平方成正比。2、电弧电压的影响与电流一起影响熔化速度。3、焊丝直径的影响电流一定时，焊丝直径越细电流密度越大，熔化速度增大。4、焊丝伸出长度的影响焊丝伸长长度越长，电阻热越大，通过焊丝传导的热损失越少，熔化速度越快。5、焊丝材料的影响焊丝材料不同，电阻率不同故对熔化速度的影响也是不同的。6

7、、气体介质及焊丝极性的影响介质不同对阴极电压降和电弧热有直接影响。2. 短路过渡的特点1.短路过渡时燃弧、短路交替进行。2、短路过渡时所使用的焊接电流（平均值）较小，但短路时的峰值电流可达平均电流的几倍。3、短路过渡一般采用细丝，焊接电流密度大，焊接速度快，故对焊件热输入低而且电弧短，加热几种，减小焊接变形。3. 射流过渡工艺上的特点射流过渡最富有代表性且用途广泛的一种过渡形式。主要特点有：1、焊接过程稳定，飞溅极少，焊缝成形质量好。2、电弧稳定，对保护气流的扰动作用小，故保护效果好。3、射流过渡电弧功率大，热流集中，对焊件熔透能力强。4. 射流过渡临界电流的大小的影响因素1、焊丝成分焊丝成分

8、不同将引起电阻率、熔点、及金属蒸发能力的变化。2、焊丝直径即使同种材料的焊丝，直径不同临界电流值夜不同。3、焊丝伸出的长度焊丝生出长度长，电阻热的预热作用增强，焊丝熔化快，易是想射流过渡，是临界电压值降低。4、气体介质不同气体介质对电弧电场强度的影响不同。5、电源极性直流反接时，焊丝为阳极易于、实现射流过渡。母材的熔化和焊缝成形5. 焊缝成形过程电弧焊时，焊缝的形成一般要经历加热、熔化、化学冶金、凝固、和固态相变等一系列冶金过程。其中熔化和凝固时必不可少的过程。焊接过程中由于熔池是移动的，也使各点的温度是变化的。沿着熔池的纵向看，熔池前部的固体母材金属处于急剧升温的阶段并不断被电弧熔化成为液体

9、金属；熔池尾部的液体金属渐离电弧热源，温度降低，不断凝固形成焊缝。6. 焊接熔池熔池在电弧正下方的母材温度超过了熔点，因此必然被熔化，与此同时，填充材料被电弧加热形成熔滴，向母材方向过渡，这两部分金属互相混合在一起，共同形成了具有一定几何形状的液体金属，即所谓的焊接熔池。7. 熔合比熔合比（）指单道焊时，在焊缝横截面上熔化的母材所占的面积与焊缝的总面积之比。它能反映母材成分对焊缝成分的稀释程度，熔合比越大，说明母材向焊缝中熔入的量越大，稀释程度越大。8. 电弧热的损失电弧的热损失包括1、电弧热辐射和气流带走的热量损失。2、用于加热和熔化焊条药皮或焊剂的损失（不包括熔渣传导给焊件的那部分热量）。

10、3、焊接飞溅照成的热损失。4、用于加热钨极或碳极、焊条头、焊钳或导电嘴等的热损失。9. 焊接温度场焊接温度场指焊接过程中某一瞬间焊接接头上各点的温度分布状态，通常用等温线或等温面来表示。10. 焊件比热流及其与电弧参数的关系比热流指单位时间内通过单位面积传入焊件的热量。1、弧长对比热流的影响弧长增大比热流qm 减小，q(r)分布渐趋平缓。2、电弧电流对比热流的影响电弧电流增加，比热流qm 增大。3、钨极端部角度及端部直径对比热流的影响钨极端部角度减小qm 增加，钨极端部直径减小qm 增大。11. 焊接参数对焊缝成形的影响焊接参数对焊缝成形的影响1、焊接电流，在其它条件一定的情况下，随着焊接电流

11、增加，焊缝的熔深和余高均增加，熔宽略有增加。2、电弧电压，在其它条件一定的情况下，提高电弧电压，熔深略有减小而熔宽增大，焊缝余高减小。3、焊接速度，在其它条件一定的情况下，提高焊接速度导致焊接热输入减少，从而焊缝熔宽、熔深和余高都减小。1. 等离子弧的产生机理及分类机理：等离子弧是一种受到约束的非自由电弧，它是借助于以下三种压缩效应而形成的：1、机械压缩效应，利用喷嘴来限制弧柱直径，提高能量密度的效应；2、热压缩效应，利用气流或水流的冷却作用使电弧得到压缩的效应；3、磁压缩效应，如果将通过喷嘴的弧柱看作是由许多载流导线束，由于电流同向，因此会彼此吸引，形成一个指向弧柱中心的力场，使电弧收缩，这

12、种效应称为磁压缩效应。分类：等离子弧按电源供电方式不同分为三种形式:1、非转移型等离子弧电极接电源的负极，喷嘴接电源的正极，电弧在电极与喷嘴之间产生，工件不接电。2、转移型等离子弧电极接电源的负极，工件接电源的正极，等离子弧在电极与工件之间燃烧，很难直接形成。3、联合型（混合型）等离子弧非转移型等离子弧和转移型等离子弧同时存在，这时需要两个独立的电源供电。2. 等离子弧焊接的种类和特点种类：1.穿孔型等离子弧焊接 2.熔透型等离子弧焊接优点：（1）电弧能量集中，因此焊缝深宽比大，截面积小；焊接速度快，特别是厚度大于3.2mm的材料尤显著；薄板焊接变形小，厚板热影响区窄。（2）电弧挺直性好，以焊

13、接电流10A为例，等离子弧喷嘴高度（喷嘴到焊件表面的距离）达6.4mm，弧柱仍较挺直，而钨极氩弧焊的弧长仅能采用0.6mm。（3）电弧的稳定性好，微束等离子弧焊接的电流小至0.1A时仍能稳定燃烧。（4）由于钨 .内缩在喷嘴之内，不可能与焊件接触，因此没有焊缝夹钨问题。缺点：1）由于需要两股气流，因而使过程的控制和焊枪的构造复杂化。2） 由于电弧的直径小，要求焊枪喷嘴轴线更准确地对中焊缝。3.双弧的形成原因1、喷嘴因素，喷嘴孔径越小、孔道长度或内缩增大，双弧倾向大；2、电流因素，电流大，双弧倾向大；3、离子气体因素，离子气体流量增加，双弧倾向反而减小；4、其他因素：喷嘴冷却不好使温度升高，或喷嘴

14、表面有氧化物或金属飞溅物等，也是形成双弧的原因。4.什么叫电离、解离、激励？ 电离：中性粒子处于高能量状态时，其电子轨道上的电子脱离约束，分离成电子和离子称之为电离 解离：电弧中的多原子气体（是由两个以上原子构成的气体原子）在热作用下分解为原子的现象称为解离 激励：当中性粒子接受外来能量的作用还不足以使电子完全脱离气体原子或分子时，但可能使电子从较低的能级转移到较高的能级，这种现象称为激励。5.什么是阴极斑点、阳极斑点，二者有何异同？各优先在何处产生？ 阴极斑点：电弧放电时，负电极表面上集中发射电子的光亮极小区域。 阳极斑点：电弧放电时，正电极表面上集中接受电子的光亮微小区域。相同点：用低熔点

15、材料或者高熔点材料，但电流很小，做电极才能产生阴极阳极斑点，都具有温度高，粘着性，自动选择性，都阻碍溶滴过度相异点：阴极斑点电流密度大于阳极斑点，斑点力阴极大于阳极6、什么是热发射，有何特点？什么情况下发生场发射？有何特点？ 热发射：金属表面承受热作用而产生电子发射的现象。 阴极采用W,C等高熔点材料，且电流较大的情况下，发生热发射特点：阴极表面不会有正离子堆积，阴极压降趋于0，阴极区覆盖整个阴极表面，对于阴极有强烈的冷却作用，阴极上不存在阴极斑点 场发射：当阴极材料为W,C且电流较小时，或阴极采用熔点较低的Al Cu Fe时，发生场发射特点：有正离子堆积，阴极前面有正电性场，有阴极压降区 无

16、冷却作用7、电弧是如何产热的？弧柱区的产热对焊丝和母材的加热与熔化有多大贡献？电弧产热：焊接电弧的产热来自电源输入电能的转换，电源输入的总能量Pa=I(Ua+Uc+Up)，该能量在电弧中转换为热能，光能，磁能，机械能，其中热能占绝大部分，并以传导，对流，辐射等形式给予周围气体，阳极和阴极材料在动态稳定中保持产热和散热平衡。 一般电弧焊接过程中，弧柱的热量只有很少一部分通过辐射传给焊条和工件，当电流较大，有等离子流产生时，等离子流把弧柱的一部分热量带到工件，增加工件的热量。8、阴极区产热总是比阳极区产热大吗？ 不是，如钨极氩弧焊采用直流正接，就是因为阳极产热大于阴极产热，为避免钨极烧损的缘故。酸

17、性焊条电弧焊时阳极产热大于阴极产热。碱性焊条电弧焊时阳极产热小于阴极产热。9.电弧力有哪些？有哪些影响因素？这些力对焊缝成形、熔滴过渡及飞溅有何影响？ 电弧力包括：电磁收缩力，等离子流力，斑点压力，短路爆破力 影响因素：1、气体介质：导热性强或多原子气体会导致电弧压力上升。气体流量或者气体压力上升也会导致电弧压力上升 2、电流和电弧电压：电流大-电弧力大。电压大-电弧力大 3、焊丝直径：直径越细，电弧力越大 4、焊条极性：TIG焊时：钨极接负时，电弧压力大。反之，电弧压力小 熔化极气体保护焊时，直流正接时，阴极斑点压力大，阻碍溶滴过渡，所以电弧压力小，反接时，电弧压力大。 5、钨极端部几何形状

18、：钨极端头角度越小，电弧力越大。 6、电流脉动 重力：平焊 促进溶滴过渡 立焊，仰焊 阻碍溶滴过渡 表面张力： 滴状过渡都阻碍 短路过渡促进 电磁收缩力： 阳极区直径焊丝直径 促进 阳极区直径焊丝直径 阻碍等离子流力，气体吹送力，促进溶滴过渡。金属蒸汽反作用力，斑点压力，阻碍熔滴过渡爆破力造成飞溅10.气体保护效果的影响因素有哪些？ 影响因素：1、气体流量，流量过小，气流挺度差，排除周围空气能力弱；流量过大，气流近壁层流很薄，甚至形成紊流。 2 、喷嘴至工件距离：距离小，保护效果高3、焊接速度和侧向风4、焊接接头形式。11、表征焊缝形状尺寸的参数有哪些？这些参数与焊缝质量间有何关系？ 1、参数

19、：熔深H 熔宽B 余高a 2、焊缝成形系数=B/H 影响熔池中气体排出的难易，熔池结晶方向，成分偏极，裂纹倾向等； 余高：避免熔池金属凝固收缩引起的缺陷，提高焊缝接头强度，但余高过高会引起应力集中，降低抗疲劳强度。12、熔深、熔宽的影响因素有哪些？ 1、电流，电压，焊接速度的影响：电流上升，熔深增大，余高增大，熔宽降低 电压上升，熔深下降，余高下降，熔宽增大 速度上升，熔深下降，余高下降，熔宽下降13.最小电压原理？电弧力的影响因素有哪些？如何影响？等离子流力？（电弧力：等离子电弧在离子体所形成的轴向力，也可指电弧对熔滴和熔池的机械作用力，包括电磁收缩力、等离子流力、斑点压力等。焊接电弧力对熔滴过渡、熔深尺寸、焊缝成形、飞溅大小，以及焊缝的外观缺陷(如咬肉、焊瘤、烧穿等)均产生很大的影响。）1、 在电流和周围条件一定的情况下，稳定燃烧的电弧将自动选择一适当的断面，以保证电弧的电场强度具有最小的数值，即在固定弧长上的电压最小，这意味着电弧总是保持在最小的能量消耗。2、 （1）电弧长度：电流一定时，电弧电压随弧长的增加而增加。 （2）周围气体种类； 原因 气体电离能不同；气体物理性能不同。 （3）周围气体介质压力：气体压力越大，冷却作用越强，弧压越高。3、 等离子流力：在电弧中由于电弧推力引