电弧焊的基础知识和构造

1、电弧焊的基础知识和构造一学习目标 熟练掌握本章的基本概念，理解并掌握电弧的产生。了解电弧的引燃过程、焊接电弧的构造、电弧的静特性、焊接电源极性及电弧的稳定性、焊接电弧的偏吹；掌握焊接电弧的熔滴过渡。二 重点1）电弧、气体电离、电弧的静特性、电弧的稳定性、磁偏吹、熔滴过渡等一些基本概念。2）电弧的产生3）电弧的构造4）焊接电弧的稳定燃烧5）熔滴过渡的形式三 难点1）电弧的产生2）焊接电弧的构造及静特性1.1焊接电弧、 电弧的产生电弧：电弧是一种气体放电 (空气导电）现象，通过放电将电能转变为热能与机械能。电弧的两个特性：发出强烈的光和大量的热气体放电：两极间的气体被击穿而导电的过程。非自持放电：

2、放电本身不能产生导电所需的带电粒子（A+、e）。 自持放电：放电本身能产生导电所需的带电粒子（A+、e）；有暗放电、 辉光放电、 电弧放电等三种。+-电弧UaIa电弧放电辉光放电暗放电自持放电非自持放电UI导体导电焊接时，将焊条与焊件接触后很快拉开，在焊条端部和焊件之间会立即产生明亮的电弧，即焊接电弧见图1-1（a)示注意：焊接电弧是有焊接电源供电，在具有一定电压的两电极间或电极与焊件间，在气体介质中产生的强烈而持久的放电现象通常，气体的分子和原子呈中性，气体中若没有带电粒子，在电场作用下，不会产生气体导电现象，电弧不能自发产生使电弧引燃并稳定燃烧，必须使两电极间的气体电离产生导电粒子，电流通

3、过气体间隙形成电弧，如图1-1（b）所示图1-1（a) 焊接电弧图1-1（b) 电弧的产生 在电弧焊中，气体电离和阴极电子发射是电弧的产生与维持需要具备的两个条件，同时也伴随着激励、解离、扩散、复合及负离子产生等过程。1、气体电离电离： 气体中性原子或分子（ A ）分离为一价正离子 （ A+ ）和电子（ e ）的过程。 1）电离与激励（1）气体电离：在外加能量（如加热等）的作用下使中性的气体分子或原子分离成正离子（A+ ）和电子（e）的过程。 A A+ + e - Wi电离能：原子或分子电离所需要的能量 单位为ev 或J电子伏：一个电子被1V的电压所加速得到的能量。电离电压：电离能/电子带电量

4、。一次电离：AA+e二次电离：A+A+en次电离：A（n-1）+An+eA+Ae（2）激励：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，这种现象叫激励。激励能：所需的最小外加能量叫激励能We。激励能电压：激励能We/e。（3）能量传递方式a、碰撞：粒子间通过相互碰撞而交换能量弹性碰撞：仅发生动能再分配非弹性碰撞：交换的能量势能，从而导致电离或激励。b、光辐射：在光的辐射下，中性粒子直接吸收光量子的能量。AA+A-eAAeh eUi（4）电离的分类：a、热电离：气体粒子受热的作用而产生电离实质：中性粒子通过与电子碰撞，接收电子能量而电离。电离

5、度：电离了的粒子数量与电离前离子数量之比。0.1%热解离：在热量的作用下，多原子分子分解为原子。解离能：分子热解离所需要的能量b、碰撞的电离：A+、e在电场作用下被加速、与A碰撞使其电 离的过程。主要是e的作用：电子获得的能量是A+ 的4倍。c、光电离：A直接捕捉光量子并吸收其能量而电离。波长越小越易促进光电离，电弧波长包括红外线、紫外线可见光、可使Al、K、Na原子光电离。但不能使Ar、He、 Fe等电离。2、极电子发射1）基本概念（1）电子发射：阴极中的自由电子受到一定的外加能量作用时，从阴极表面逸出的现象。（阴极电子发射）阴极电子发射和气体电离一样，是电弧产生和维持的重要条件。（2）逸出

6、功（Ww）：电子发射所需的最小能量。（3）逸出电压：Ww/e物理意义：Ww越小，引弧越容易，电弧稳弧性越好。（4）主要影响因素：材料， K、Na之Ww较低。表面状态：有氧化物时，逸出功降低加入杂质，例如，钍、铈及镧等可降低Ww。-2）分类 根据使用阴极材料和电流大小的不同，阴极发射电子类型可分为：a、热发射：在热量的作用下产生的发射产生条件：阴极温度足够高特点：对阴极有冷却作用，这一点对TIG焊具有重要意义。可提高W极的载流能力。b、场致发射：金属表面的电子在电场力的作用下逸出的现象。特点：对阴极的冷却作用较小。c、光发射：当金属表面受到光幅射作用时，金属内的自由电子能量达到一定程度而逸出金属

7、表面的现象。实际电弧中产生光发射的可能性很小。d、撞击发射：高速运动的粒子（A+）碰撞金属表面时，将能量传给金属表面的电子，使其能量增加飞出金属表面，产生电子的碰撞发射。库仑力3）负离子的产生中性离子与电子结合的过程，是一个放热过程，所放出的热成为电子亲和能。A + e A- + W注意：（1）亲和能高的原子易形成A-，但高温下不利于放热反应。（2）交流电弧过零时，易形成。（3）易在电弧周边形成。（4）不利于电弧稳定。4）扩散与复合扩散：电弧中心处A+、e较多，e易向周边运动。当周边电子浓度达到一定值后，在e吸引下，A+也向周边运动。从而在周边复合A+eA+WiA+A2A+WiA-Ae+A-+

8、AAe说明：在焊接过程中，四种发射所起的作用在不同焊接条件下是不同的在引弧过程中，热发射和场致发射起主要作用。使用髙沸点的材料钨或碳作为阴极时，阳极区的带电粒子主要为热发射电子若铜或铝为阳极，撞击发射和场致发射为主要作用钢作为阴极时，则热发射、撞击发射和场致发射都起作用1.1.2 焊接电弧的引燃过程焊接电弧的引燃有两种方法，即接触引弧和非接触引弧法（高频、高压引弧法）。1、接触引弧 手工电弧焊是采用接触引弧的。引弧时，焊条与工件瞬时接触造成短路（接触引弧过程见P3图1-2所示）2、非接触引弧非接触引弧法也称为高频高压引弧法。一般借助于高频或高压脉冲引弧装置，使阴极表面产生强场发射，其发射出来的

9、电子流再与气体介质撞击，使其离解导电。1.2 焊接电弧的构造及静特性1.2.1 焊接电弧的构造以直流电弧为例，直流电弧可近似看成为一个圆柱形的气体导体，沿它的长度方向可分为3个区域：阴极区、弧柱区和阳极区。见图1-3示 UA UCUK阳极区阴极区弧柱10-210-4cm10-510-6cm+-图1-3 电弧结构及压降分布可见：阴极区：电弧紧靠负电极的区域，长度极短（约为10-510-6cm)、电压较大、E（电场强度）极高,焊条电弧焊时，阴极区的温度为2130 3230，放出的热量占36%左右阳极区：电弧紧靠正电极的区域，长度较短（约为10-210-4cm)、电压较大、E极高，焊条电弧焊时，阳极

10、区的温度为2330 3930，放出的热量占43%左右弧柱区：电弧阴极区和阳极区之间的部分，长度基本上等于电弧长度，电压较小，E较小，焊条电弧焊时，弧柱中心的温度为5370 7730，放出的热量占21%左右电弧电压(Uh）：电弧两端（两电极）之间的电压 Uh=UA+UC+UK 式中：UA阳极压降，UC 弧柱压降， UK阴极压降，1、弧柱区弧柱区的导电机构就是指带电粒子产生、运动方式。1）带电粒子的产生（1）电离：热电离 光电离 电场作用的电离（2）阴极区注入的电子（3）阳极区注入的正离子2）带电离子的运动A+冲向阴极正离子流IA+e冲向阳极电子流IeI =IA+Ie其中：IA+ = 0.1%I

11、Ie = 99.9%I3）特点：（1）电中性；（2）I大、Ua小IA+IeI4）弧柱的产热机构电能热能（导电机构就是指带电粒子产生、运动方式。）（1）本质：A+、e在电场作用下被加速、使其动能增大的过程。其宏观表现即为温度上升产热由于运动速度，自由程度不同，A+、e得到的能量不同，TA+、Te、TA有可能不同。电子动能：定向运动动能散乱运动动能 热运动，表现为热能。（2）产热量Pc=Ia Ua（电弧电压）主要用于散热损失 对流、幅射、传导 。（3）影响因素不仅取决于电流。凡是影响Ua的因素均影响弧柱的产热。2、阴极区1）阴极区在导电过程中的作用（1)产生弧柱区导电所需要电子流 （2)接收弧柱区

12、来的正离子流2）导电机构 a、热发射型（1）产生条件：W、C阴极，且电流很大（2）带电粒子的产生方式：热发射热阴极：弧柱导电所需要的电子可完全由热发生来产生的 阴极。冷阴极：热发射能力不足的阴极。热阴极材料：熔点高的材料冷阴极材料：熔点低的材料。（3）特点：无阴极区、无阴极压降Ukb、电场发射型（1）条件: （a）W、C阴极、且I较小（b）Al、Fe、Cu作阴极（2） 带电离子产生方式（a）场发射（b）场电离 （c）热发射 （d）碰撞发射+-+-Uk阴极区弧柱区电场发射型导电机构阴极热发射场发射碰撞发射场电离（3） 特点：（a）阴极附近存在正电荷区阴极区（b）Ie0.001 I（c）阴极区断面

13、收缩（d）阴极表面上产生阴极斑点c、等离子型（1）条件：（a）W、C阴极，且I较小：或Al、Fe、Cu阴极；（b）Uk电压较小（2）带电粒子产生方式：热电离（3）特点：同上3）阴极区的产热（1）本质：产生电子、接受正离子的过程中有能量变化，这些能量的平衡结果就是产热，由三部分组成： a 电子逸出阴极时消耗能量： -IUw b 电子进入弧柱前被电场（Ek）加速得到一部分能量：+IaUk c 电子进入弧柱时带走的能量：-IUT（温度等效电压）（2）产热公式Pk=I（Uk-Uw-UT）（3）作用：用于加热阴极3、阳极区1）阳极区在导电过程中的作用（1)接收弧柱区来的电子流 （2)产生弧柱区所需要的正

14、离子流2）导电机构 a、热电离（1）产生条件：I较大（2）带电离子产生方式：热电离（3）特点：（a)阳极压降小，甚至为0（b)不存在阳极斑点。 b、场致电离（1）产生条件：I较小（2）带电粒子的产生方式：热电离、场电离（3）特点：（a）有阳极区，发生收缩（b)Ua较大（c)有阳极斑点-+-+-UA阳极区弧柱区阳极压降的形成+3）阳极区的产热机构（1）本质：接受电子、产生A+过程中伴随的能量转换，由三部分组成：a 电子被UA加速所得到的能量：+e UAb 电子带来的逸出功：+IUwc 电子带来的相当于弧柱温度那部分能量+IUT（2）产热公式PA=I（UA+Uw+UT）（3）作用用于加热阳极 4、

15、阴极斑点与阳极斑点1）阴极斑点：阴极上导通电流的一些烁亮的弧斑点。（1）产生条件：a、W、C阴极且I很小b、Al、Fe、Cu作阴极（2）某点充当阴极斑点的条件a、电弧通过该点时耗能最小b、该点能发射电子（3）特点a、电流密度大、温度高b、跳跃性及粘着性(见图1-4示）c、存在斑点力：蒸发反力、A+的撞击力d、自动寻找氧化膜，该点对于铝、镁及其合金的焊接是非常重要的。-焊接方向-+AAB焊接方向粘着性跳跃性图1-4 跳跃性和粘着性2）阳极斑点阳极斑点：在阳极表面可看到的烁亮的区域，这个区域称为阳极斑点。（1）产生条件：I很小（2）点充当阳极斑点的条件a）通过该点导通电流时，耗能最小b）易蒸发，产

16、生金属蒸气（3）特点：a、电流密度大、温度高b、粘着性、跳跃性c、避开氧化膜d、斑点力，阳极斑点力小于阴极斑点力5、电弧的温度分布1）电弧的轴向温度分布影响温度分布的因素：（1）功率密度（2）电极材料（3）高熔点氧化物温度电流密度功率密度+- 弧柱的温度分布TL2）弧柱温度分布（1）轴向a 二电极尺寸相等时，轴向温度分布均匀b 二电极尺寸不等，轴向温度分布不均匀，靠近尺寸较小的一端，温度较高。（2）径向中心轴附近温度高，周边低（3）影响弧柱温度的因素a、电流，Ia Tb、气体介质：导热系数，热解离 Tc、电极材料d、拘束度：越大，电弧温度越高 Tr6、焊接电弧的热效率及能量密度（1）电弧总产热

17、Pa=PC+PA+PK = I（UC+UK+UA）=IaUa（2）有效功率、热效率系数1 ） 有效功率：用于加热工件和焊丝的功率QE2 ） 热效率系数：=QE/Pa3 ） 影响的因素：a 焊接方法：TIG焊低、MIG、SAW高b 焊接规范：c 外部条件（3）能量密度a 单位有效加热面积上的热功率，单位为w/cm2b 功率密度越高 H/B越大，焊接变形及HAZ越小。气焊电弧焊激光电子束1-10102-104106-107 106-108 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，Ua与Ia的关系称为电弧静特性（伏安特性）。1.弧静特性曲线焊接电弧 是非线性电阻，当电弧电流从小到大在

18、很大范围内变化时，焊接电弧的静特性进似呈U曲线，则焊接电弧静特性也称U型特性，见图1-4示 1.2.2 电弧的静特性UaIa小电流TIGTIGSAWMIGMAGabc 1-4 电弧静特性曲线d分析U型特性曲线可知下降区（负阻特性区）：电弧电压随着电流的增加而下降（ab)平特性区：电弧电压基本不变（bc)上升特性区：电弧电压随着电流的增加而上升(cd)2.不同焊接方法的电弧静特性(见图1-4）手工电弧焊：焊接时，焊接电流一般不超过500A，电弧静特性曲线表现在下降特性段和水平特性段。钨极惰性气体保护焊（TIG）：一般在小电流焊接时，其静特性为下降特性段；大电流焊接时，表现为平特性段。埋弧自动焊：

19、正常焊接时为平特性段，大电流焊接时为上升特性段。熔化极气体保护焊（MIG）：因焊接电流大，其静特性为上升特性段3.弧静特性的影响因素：（1）电弧长度的影响因Ua与L成正比， 随L增加，电弧静特性曲线平行上移，见图1-5示（L电弧长度，L1L2L3） UaIaL2L1L2L3L1L31-5电弧长度对电弧静特性影响纯ArAr+20%H2UaIa电离电压H2物理性能：热分解、导热系数（2）气体介质导热性热分解性能（3）周围气体介质的压力 气体介质压的力的变化将引起电弧电压的变化，即引起电弧静特性的变化，气体压力越大，冷却作用就越强，弧压就越升高 1.3 焊接电源极性及电弧的稳定性 1.3.1 焊接电

20、源极性的应用直流电源都包括正极和负极。由于电弧产生的热量在阳极和阴极上有一定的差异，在使用直流电焊机焊接时，有两种接线方法：直流正接：焊件接正极，焊条接负极（厚板、酸性焊条）直流反接：焊件接负极，焊条接正极（薄板、碱性低氢焊） 条、低合金钢和铝合金）直流反接可减少氢气孔产生说明：交流焊机、无正反接特点，温度均为2500K。焊机的空载电压就是焊接时引弧电压，一般为5090V，电弧稳定燃烧时电压为电弧电压。电弧长度越大，电弧电压也越高，一般为1635V。1.3.2 焊接电弧燃烧的稳定性焊接生产过程中，接头质量不仅受焊接方法、焊接材料等因素的影响，同时也受电弧稳定性的影响。电弧焊过程中，当电弧电流和

21、电弧电压为某一定值时，电弧放电可在长时间内连续运行且稳定燃烧的性能称为电弧的稳定性。焊接电弧的稳定性是指电弧保持稳定燃烧（不产生断弧、飘移和偏吹等）电弧的稳定燃烧是保证焊接质量的一个重要因素1、影响电弧稳定性的因素（1）焊工操作技术如焊接操作中电弧长度控制不当，将会产生断弧。（2）电弧电源焊接电源的种类、特性及空载电压等都会影响电弧的稳定性。（3）焊接电流（4）外界因素 如工件坡口表面状况、气流等。（5）焊条药皮（6）电弧长度（7）磁偏吹2、提高电弧稳定性的措施（1）根据不同的焊接方法，选择合适的弧焊电源，使电源外特性曲线与电弧静特性曲线相匹配。（2）焊前认真清理待焊工件，选择合适的操作场所，

22、降低外界对电弧稳定性的影响。（3）为减弱磁偏吹的影响，优先选用交流电源；如采用直流电源，则需在焊件两端同时接地线，并尽量在周围没有铁磁物质的地方焊接；在焊接过程中对电弧进行屏蔽，也可以在一定程度上克服磁偏吹现象。1.4 焊接电弧的偏吹 刚直性所谓刚直性是指电弧作为一柔软的导体抵抗外界干扰，力求保持电流沿轴向流动的能力。电弧的刚直性是由电弧的电磁场决定的，即电磁收缩力决定的。各运动的带电质点均受到指向焊条中心的力，该力使质点保持沿轴线流动。影响刚直性的因素：1）电流越大，刚直性越大；2）拘束度越大，刚直性大3）热解离导热性大 刚直性大+-FF自身磁场对刚直性的影响刚直性 电弧的偏吹偏吹：电弧因周

23、围磁力线不对称而偏向一侧的现象.偏向：磁力线疏的一侧1.4.1 焊接电弧的偏吹原因1、气流的影响2、焊条偏心度的影响3、磁场的影响1）铁磁性物质2）接地线位置不合适3）焊条与焊件相对位置不对称交流电弧的磁偏吹较小原因：（1）涡流，涡流磁场抵消原磁场（2）电弧偏吹运动为机械运动，而交流电弧的不均恒磁场以50Hz的频率变化。 +-+-电流+F左F右电弧的偏吹+-+-电流+F左F右接线位置引起的磁偏吹+-+-+-+-电流+F左F右磁性物质引起的磁偏吹-+1.4.2 减少或防止焊接电弧偏吹的方法 电弧偏吹会使焊接电弧不稳定，造成飞溅，还会产生气孔、未焊透及焊偏等缺陷，影响焊缝成形和焊接质量，所以要采取

24、必要的措施加以克服。克服电弧偏吹的措施主要有以下几种：（1）直流电源最容易由于自身磁场不均而引起磁偏吹现象，所以在条件许可的情况下尽量使用交流焊接电源。（2）在气流比较大时，要采用挡板遮挡；焊接管子时要将管口堵住，以防止气流对电弧的影响。（3）在焊接间隙较大的对接焊缝时，可在焊缝下面加垫板（4）必要时采用引弧板和引出板，使磁力线分布均匀，同时还可以减少热对流的影响。（5）采用短弧焊接，电弧越短磁偏吹越小。（6）尽量用厚皮焊条代替薄皮焊条，操作中合理调整焊条角度。（7）适当改变接地线的位置，使磁力线分布均匀。对于较长和较大的工件可采用两边连接地线的方法。（8）采用小电流焊接，减少磁偏吹的影响。焊

25、接中注意避免周围铁磁物质的影响。1.5 焊接电弧的熔滴过渡 电弧焊时，焊丝或焊条端部受热熔化形成熔滴，通过电弧空间向熔池转移的过程，称熔滴过渡。熔滴过渡的形式以及过渡过程的稳定性取决于作用在焊丝末端上的各种力的综合影响。熔滴过渡对熔焊过程稳定、飞溅大小、焊缝成形优劣以及产生焊接缺陷等有很大影响，掌握其规律，对提高焊接质量和生产率十分重要。1.5.1 熔滴上的作用力 电弧焊时，焊丝端头熔化的金属熔滴通常受到自身重力和表面张力、电磁收缩力、电弧气体吹力、斑点压力等几种力的作用。1、重力1）熔滴的重力Fg=mg= r熔滴半径 ，密度2）作用：（1）平焊时促进过渡； （2）立焊，仰焊时阻碍过渡。2、表

26、面张力 指焊丝端头上保持熔滴的作用力1）焊丝与熔滴间的表面张力F，阻碍过渡，将熔滴保持在焊丝上。Fmg重力 F =2Rs 式中： 为表面张力系数，Rs为焊丝半径。2）短路过渡时，熔滴与工件间的表面张力 促进过渡 F=2RP影响的因素：（1）材料类型，例如，铁的表面张力系数大于铝（2）温度，温度上升，表面张力系数降低（3）表面活性物质，如钢液中有S或O时，表面张力系数降低。FFF表面张力3、电磁收缩力 通过电弧（熔滴）的电流线之间的相互吸引力，对电弧或熔滴起着压缩作用，该力被称为电磁收缩力。1）圆柱形电弧电弧压力电弧推力 式中：I-电流，R-电弧半径，K-系数熔滴中的电磁收缩力流态导体中电磁收缩力的影响柱形导体中的电磁收缩力流体中压力各个方向相同，因此作用于焊条及工件上的轴向力为： 2）锥形电弧 压力 锥形电弧中沿轴向存在压力差，导至一轴向推力： 式中：I-电流，Rb-锥形弧柱下底面半径，Ra-锥形弧柱上底面半径ALF推焊丝锥形电弧母材4、等离子流力 F推引起的高温气体流（等离子流）所形成的力叫等离子流力作用：1）促进熔滴过渡2）导致指状熔深分布：轴线处大，周边小5、斑点力由以下三部分组成,阴极斑点力大于阳极斑点