电弧焊基础第一章焊接电弧基础

1、电弧焊基础第一章焊接电弧基础第一节 焊接电弧机理及电弧特性一、气体放电现象与焊接电弧（一）气体的导电现象气体的导电条件： 1、外加电场； 2、带电质点。气体的导电特点： 1、U-I呈复杂的非线性关系； 2、除电子导电外，离子也参与导电。电弧和气体放电示意图 弧柱直流放电形式及电流与电压的关系电弧放电气体放电的伏安特性气体的导电种类： 1、非自持放电 2、自持放电：暗放电、辉光放电和电弧放 电。（二）焊接电弧：是自持放电中电压最低、电 流最大、温度最高、发光最 强的一种气体放电现象。一、气体放电现象与焊接电弧二、电弧中带电粒子的形成和消失过程电弧导电过程：电离 电子发射 电弧中带电粒子消失过程：

2、正负带电粒子复合。解离、激励、扩散、负离子的产生等过程。（一）、气体的电离1、 概念：2、电离能（电离电压）： H=13.5V Ar=15.7V K=4.3V Fe=7.8V CO2=13.7V Al=5.96V3、电离的种类： 热电离 电场电离 光电离 表1-1 原子电离电压 原子的电离电压，惰性气体的Ui高，碱性金属的Ui低热电离概念：热电离的电离度：电弧中弧柱温度最高,一般在500030000K范围是弧柱电离的主要形式电场电离概念：作用： 电场强度：弧柱为阴极区阳极区弧柱中电场电离是次要的105107V/cm10V/cm电场电离是重要的光电离概念：产生条件：heUi 影响：光电离是次要的

3、（二）、电极金属的电子发射 1、概念：金属表面吸收外加能量使电子从表 面溢出的现象。 2、逸出功： eU 3、电子发射的种类： 热发射 电场发射 光发射 碰撞发射 热发射概念：热发射电子流密度：热阴极电弧：钨或碳作阴极。冷阴极电弧 ：铜、铁（钢）、铝、镁、镍 等材料作阴极。热发射是主要的热发射不能提供足够的电子 电场发射概念：电场发射电子流密度： 光发射概念：产生光发射的条件 ： heU光发射是次要的。 碰撞发射概念：产生碰撞发射的条件 ： Wh+Wi=2W 电子发射时因从金属表面带走热量所以对金属表面有冷却作用。其中，热发射时带走的热量最多，电场发射次之。（三）、负离子的产生概念：中性原子或

4、分子能吸附电子而形成 负离子。产生区域及影响： 电弧的周边形成； 有消电离作用。（四）、热解离 概念：电弧中的多原子气体由于热的作用将 分解为原子，这种现象称为热解离。 例如：CO2焊，影响：热解离是吸热反应对电弧产生重要 影响。三、电弧的导电机构（一）、电弧的构造和电弧电压阴极区、阳极区、弧柱区Anode, Cathode, Arc column/arc plasma阴极压降、阳极压降、弧柱压降Cathode Voltage Drop, Anode Voltage Drop, Positive Column Voltage DropUa= Uc+ Up+ UA （二）电弧的导电机构 1、阴极

5、区和阴极斑点 阴极区 概念：指阴极外紧靠阴极表面的导电区，其 长度约为10-210-6cm。 任务：向弧柱区提供所需要的电子流。 阴极区导电机构的类型： a、热发射型：阴极为C、W，大电流. 正离子流=总电流的0.1% 。b、电场发射型产生条件：阴极为C、W，小电流； 或阴极为Fe、Al等。特点：正离子流要总电流的0.1%；阴极表面存在阴极斑点。阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱阴极压降的形

6、成过程阴极阳极弧柱阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱阴极斑点概念：指阴极表面局部出现的发光强、电 流密度很高（可达5105107A/cm2） 的现象。产生条件：Al、Cu、Fe等作阴极时， 或W、C等作阴极时，小电流时。 特点：阴极斑点由许多小斑点组成；存在较大的斑点压力；自动寻找氧化膜。阴极斑点铝合金电子发射能力低，本身导热性能好

7、，对电弧能量的消耗大，不利于熔池的形成由于表面氧化膜的存在，氧化物与纯金属相比，电子逸出功低，更具备电子发射的能力，电弧导电点更多集中在有氧化膜的地方，从而形成阴极斑点在焊丝作为阴极时也有表现（钢焊丝或铝焊丝等）。正离子撞击破碎氧化膜 从阴发射的电子对阴极由冷却作用(逸出功)电子汽化带走热量反极性: 电子冷却阴极也就是冷却了工件阳极受热将会熔化焊丝(在焊接过程中送进)有利于填充坡口熔滴过渡频率可以达到100滴/秒焊条电弧焊采用此极性接法(工件为阳极)GTAW 是焊接铝合金最常用的方法术语欧洲: TIG = tungsten inert gas, MIG = metal inert gas美国:

8、 GTAW 和 GMAW2、弧柱区特点：弧柱温度较高，约为500030000K；弧柱中电子流占99.9%，正离子流占0.1%； 弧柱周围有扩散和复合而消失的带电粒子将由弧柱自身的热电离来补偿；整体上看弧柱空间保持电中性。以热电离为主Pc=ELI，产热=散热 当采用He,H2作为气体介质，质量轻，速度快，散热大，产热相应增大，E增加。多原子气体做为介质时也有同样现象，Ar为单原子气体，重量大，散热小，E较小。2、弧柱区最小电压原理当散热增加，产热需要增加，而弧柱本身又要维持其电压最小的特性，因此要收缩其截面，增加产热，维持热平衡电弧形态小电流时，弧柱截面较大大电流时，由于有电磁收缩效应，弧柱变成

9、紧缩的形状。碳极电弧的临界值为80A.小电流电流密度：10-300A/cm2，温度低于7000K；而大电流可达103-104 A/cm2，温度超过10000K3、阳极区和阳极斑点阳极区概念：指阳极外紧靠阳极表面的导电区,其 长度约为10-210-6cm。任务：接受电子流； 提供正离子流。正离子的来源：阳极区电场作用下的电离；阳极区的热电离。阳极压降的形成过程阴极阳极弧柱阳极压降的形成过程阴极阳极弧柱阳极压降的形成过程阴极阳极弧柱阳极压降的形成过程阴极阳极弧柱阳极压降的形成过程阴极阳极弧柱阳极压降的形成过程阴极阳极弧柱阳极压降的形成过程阴极阳极弧柱阳极压降的形成过程阴极阳极弧柱阳极压降的形成过程

10、阴极阳极弧柱阳极压降的形成过程阴极阳极弧柱阳极压降的形成过程阴极阳极弧柱阳极压降的形成过程阴极阳极弧柱阳极压降的形成过程阴极阳极弧柱阳极斑点概念：指阳极表面局部出现的发光强、电流密 度很高的现象。产生条件：Al、Cu、Fe等作阳极，大电流时。小电流时，电流流入阳极表面大致等于弧柱截面，不会产生阳极斑点；增大电流，金属原子的电离电压低，一旦阳极产生金属蒸汽，很容易在附近形成弧柱，电弧集中于此。同时阳极表面集中于一点，形成阳极斑点，电流密度比弧柱区高得多。阳极斑点 特点：阳极斑点由许多小斑点组成；有自动寻找纯金属表面而避开氧化膜的倾向 ；也存在斑点压力（但较阴极斑点压力小）。（三）电弧的静特性1、

11、概念：一定长度的电弧在稳定燃烧时，电弧 电压和电弧电流之间的关系称为电弧的 静特性。2、静特性曲线：（三）焊接电弧的静特性Q: 解释这三种特性的原因（三）焊接电弧的静特性GTA焊接电弧静特性曲线GMA焊接电弧静特性曲线SAW焊接电弧静特性曲线3、焊接电弧的静特性的影响因素电弧长度保护气成分保护气体压力电极条件母材情况电弧长度的影响保护气成分对电弧电压的影响（四）焊接电弧的动特性焊接电弧的动特性： 是指焊接电弧电流的瞬时值与电压瞬时值之间的关系。 一般电流上升时的电压高于电流下降时的电弧电压（这是由于电弧热惯性造成的），电源频率越高热惯性效果越明显，电弧中温度变化越小。 （四）焊接电弧的动特性直

12、流电弧的动特性交流电弧的动特性交流电弧的电压、电流波形四、电弧的热源特性 （一）电弧的总功率及能量密度 1、电弧总热功率： Pa=IUa=I（Uc+ Up+ UA） 2、电弧的有效功率： P=Pa=IUa 3、能量密度：指单位有效面积上的热功率称为能量密度 以W/cm2来表示 。 电弧焊方法 电弧焊方法 手工电弧焊埋弧焊 CO2电弧焊 0.650.850.800.90 0.750.90 熔化极氩弧焊钨极氩弧焊 0.700.800.650.70 焊接方法气焊电弧焊等离子弧焊电子束焊激光焊能量密度（ W/cm2 ）110102104105106106107106107各种焊接方法的能量密度（二）阴

13、极和阳极产热 1、阴极区的产热： Pc=I（Uc-U-Up） 阴极阳极弧柱阴极区阳极区2、阳极区的产热： PA=I（UA+U+Up）阴极阳极弧柱阴极区阳极区（二）阴极和阳极产热 在电弧焊时，若弧柱温度为6000K时，Up小于1 V，当电流较大时UA近似为零。阴极区产热：Pc=I（Uc-U）阳极区产热：PA=IU （二）阴极和阳极产热即：阴极区和阳极区的产热主要决定于Uc和U。 熔化极电弧焊时： UcU Pc PA。 熔化极电弧焊时为了保证熔深， 一般均采用直流反接（即工件接电源负极）。（二）阴极和阳极产热（三）电弧的温度和温度分布 1、弧柱温度测定2、弧柱的温度分布氩气保护电弧温度分布3、影响

14、温度分布的因素电弧电流：最高温度，但存在极限。电极斑点：斑点处的温度明显升高。电弧长度：弧长变化不会影响电弧的最高温度，但 影响电弧的温度分布。阳极材料：阳极材料和状态将影响阳极表面附近的 温度值。保护气体成分；不同保护气体的电弧最高温度基本 相同，但电弧形态不同。五、电弧的力学特性（一）电磁收缩力（电弧静压力） 假设焊接电弧为圆柱体，电流线在电弧中的分布是均匀的，则电弧中任意半径r处的压力为：Rr电弧中心轴上（r0）的径向压力为：轴向压力的合力为：F同时作用于焊条和工件上。 实际上焊接电弧是断面直径变化的圆锥状的体导体，因此，可产生由焊条指向工件的推力F推：F推指向工件的推力（二）等离子流力

15、1、概念：电弧中由电弧推力引起高温气体的 运动所形成的力称为等离子流力 （也称电磁动压力）。2、影响因素：电流（ I ）弧长（ L ）3、对熔池形状的影响会形成指状熔深。焊缝熔深示意图a）一般焊缝；b）较强等离子流形成的焊缝 （三）细熔滴的冲击力 （四）斑点力 斑点力：带电粒子对电极的冲击力电磁收缩力电极材料蒸发的反作用力 阴极斑点力要远大于阳极斑点力。 熔化极电弧焊时，为使熔滴过渡顺利进行，并减少金属飞溅，一般均采用直流反接焊接（即工件接电源负极）。 (五)爆破力1、熔滴呈短路过渡时2、电弧重新点燃时 这是CO2气体保护焊短路过渡焊接时的常见现象。 （六）电弧力的影响因素气体介质H2-Ar混

16、合气电弧的电弧力He-Ar混合气电弧的电弧力（六）电弧力的影响因素电流和弧长（电压）MIG电弧的电弧力与电流的关系电弧力与弧长的关系（六）电弧力的影响因素电极直径： 电弧力（电流密度、电磁力、等 离子流力均增大）。电极极性TIG的电弧力与电极极性的关系MIG电弧力与焊丝极性的关系（六）电弧力的影响因素钨极端部几何形状（电极形状、电极端部角度等）电弧力与电极端部角度的关系六、电弧的挺直性与磁偏吹1、电弧的挺直性(Arc Stiffness)电弧作为柔性导体具有抵抗外界干扰、力求保持焊接电流沿电极轴线方向流动的性能。六、电弧的挺直性与磁偏吹2、磁偏吹电弧处于工件端部时产生的磁偏吹 导线接线位置引起

17、的磁偏吹 电弧附近的铁磁性物质引起的磁偏吹 六、电弧的挺直性与磁偏吹2、磁偏吹3、减少磁偏吹的措施采用较短弧长焊接采用；对工件采取分布式接地的方法，如两侧接地或多点接地；操作中调整焊枪或焊条角度避免铁磁性物质的影响；使用脉冲焊或高频电弧焊；使用交流焊接等。4、磁控电弧采用较短弧长焊接采用；对工件采取分布式接地的方法，如两侧接地或多点接地；操作中调整焊枪或焊条角度避免铁磁性物质的影响；使用脉冲焊或高频电弧焊；使用交流焊接等。六、电弧的挺直性与磁偏吹控制=电弧稳定器利用=磁控旋转电弧MA-10 ARC STABILIZER 第二节 电弧焊中的保护气体一、作用电弧空间提供气体介质起到保护作用，包括保

18、护电弧、保护电极、保护被焊件（焊接区整体），避免上述部分受到大气的侵蚀。二、保护气种类与纯度1、保护气体的种类对于GTAW方法，使用最普遍的是氩气，特殊要求下选择使用氦气、氩气和氦气的混合气、在氩气中加入少量的氢气这几种组合对于GMAW方法，使用的主要气体是氩气、CO2气、氧气，有单一氩气、单一CO2气、氩气+CO2气、氩气+CO2气+氧气、CO2气+氧气几种选择，保护气体及混合气体的选择主要根据焊接金属的材质和焊接厚度确定2、纯度：Ar：99.9% CO2: 99.5%三、保护气的分解及在金属中的溶解1、解离（分解）多原子气体（有两个以上原子组成的气体分子）在热的作用下将分解为单原子气体。解

19、离能和解离度分子气体解离度与温度的关系解离式解离能/eVH2H+HN2N+NO2O+OH2OOH+HCOC+OCO2CO+O4.49.15.14.710.05.5电弧中常见分子气体的解离能2、保护气在金属中的溶解氢在各种金属中的溶解度与温度的关系 一般，当气体与液体共存时，通过界面，气体的一部分要溶解到液体中去。溶解的途径有两种:与气相中相同状态与气相中不同状态 在焊缝液态金属中溶解的H、N、CO等是形成气孔和冷裂纹的重要原因。四、混合气体的选择及作用四、混合气体的选择及作用四、混合气体的选择及作用1、Ar+He性质： Ar、He是惰性气体。 Ar中加入He 提高电弧功率和温度。应用： a）焊

20、Al及其合金：改善熔深，减小气孔， 提高生产率。 TIG焊：Ar+He（6070%） MIG焊：Ar+He（ 10%） 1、Ar+Heb）焊Cu及其合金：改善焊缝金属润湿性， 提高质量。 Ar+He（5070%）C）焊Ni及其合金：改善焊缝金属润湿性及熔深。 Ar+He（1520%）2、 Ar+H2性质：提高电弧功率和温度。应用：用于焊接Ni及其合金，减少CO气孔。 Ar+H2 （ 10%）3、 Ar+O2性质：改善焊缝金属润湿性； 消除阴极斑点漂移现象； 改善“指状”熔深。应用：a）焊接不锈钢： Ar+O2 （ 15% ）；b）焊接低碳钢和低合金钢：改善熔深，提高生产率，减少结晶裂纹。 Ar

21、+O2 （ 20% ）4、 Ar+CO2性质：与Ar+O2 相同。应用：a）焊接不锈钢： Ar+CO2 （ 5%）b）焊接低碳钢和低合金钢：细化熔滴，改善熔深， 减少飞溅。 Ar+CO2 （ 25%）五、保护气体的流态与保护效果 1、保护气体的流态 焊接保护是否可靠，对焊接质量有重要影响。从焊枪喷嘴流出的气体流态是层流或近似层流。气体随离开喷嘴距离的增加，层流减少，紊流增大。 保护气体在喷嘴中出来的流态是否是层流可用雷诺数Re确定： 式中：S喷嘴内孔截面积； L喷嘴长度； Vg气体的平均流速； 气体的动粘性系数。 一般： Re2300 为层流1、保护气体的流态2、气体保护效果的影响因素气体流量喷嘴至工件的距离焊接速度和侧向风接头形式电弧功率 对氧化性强、合金成分含量大的金属，如钛及钛合金、高温合金、不锈钢等，需要进行电弧尾部保护