4.2.1-4.2.5-金属连接成形new幻灯片

第4章金属连接成形1本课程“金属连接成形”部分(限于课时要求)在概要阐述焊接技术特点和范畴的基础上，主要介绍工业中应用最为广泛的金属连接方法——电弧焊接。关于“电弧焊接”电弧焊是应用最为广泛的金属焊接方法

熔化极电弧焊和非熔化极电弧焊交流电弧焊、直流电弧焊、脉冲电弧焊直流正接和直流反接234焊接电弧的物理

本质和特性焊接电弧是一种气体放电现象。在一定条件下电荷（带电粒子）通过两电极之间气体空间的导电过程。为维持电弧燃烧，必须不断输送电能给电弧。在焊接电弧燃烧过程中，呈现出电压低、电流大、温度高、发光强的特点。57气体导电时的电流电压关系电弧放电过程电压低、电流大、温度高、发光强借助这个过程，电能被转换成为热能、机械能和光能问题

焊接电弧中的带电粒

子是怎样产生的？8带电粒子的产生途径正常状态下的气体是由中性分子或原子所组成，不含有带电粒子。电弧空间的中性气体分子或原子的电离电极的电子发射

同时还伴随着一些其它过程：解离、激发、扩散、复合、负离子产生等9气体粒子的电离在一定条件下中性气体分子或原子分离成正离子和电子的现象称为电离。焊接电弧中气体粒子的电离方式包括：热电离、电场作用下的电离、光电离。电离能、电离电压10电极的电子发射电弧放电过程中，电极表面接受一定外加能量作用时，其电子可能冲破金属电极表面的约束而飞到电弧空间。电子发射的主要方式包括：热发射和电场发射等。金属及其氧化物的逸出功1112焊接电弧空间区域组成阴极区弧柱区阳极区阴极斑点阳极斑点关于“阴极斑点”当阴极材料熔点、沸点较低、导热性很强时，即使阴极温度达到材料的沸点，此温度也不足以通过热发射产生足够数量的电子，阴极将进一步自动缩小其导电面积，直至阴极导电面积前面形成密度很大的正离子空间电荷和很大的阴极压降，足以产生较强的电场发射，补充热发射的不足，向弧柱提供足够的电子流。此时阴极将形成面积更小、电流密度更大（达5×105—107A/cm2）的斑点来导通电流，这种导电斑点称阴极斑点。实验证实上述现象。13关于“阴极斑点”用高熔点材料（C、W等）作阴极时，只有在电流很小、阴极温度很低的情况下，才可能产生这种阴极斑点。而当用低熔点材料（Al、Cu、Fe等）作阴极时，大小电流时均属会产生阴极斑点。阴极表面将由许多分离的斑点组成阴极斑点区。这些斑点在阴极斑点区以很高的速度跳动，自动选择有利于场发射和热发射条件的点。电弧通过这些点提供电子时，阴极消耗的能量最低。14关于“阴极斑点”由于阴极斑点电流密度很高，又受到大量正离子的撞击，斑点上将积聚大量的热能，温度很高甚至达到材料的沸点，从阴极班点产生大量的金属蒸气以一定速度射出。这种金属蒸气流的反作用力及正离子对阴极的撞击力，对斑点产生一定的压力，称为阴极斑点压力。在“直流正接（DCSP）型”熔化极焊接时，工件为阳极，焊丝或焊条为阴极，这种斑点压力对熔滴过渡将起阻碍作用。15关于“阴极斑点”阴极表面上热发射性能较强的物质有吸引电弧的作用，阴极斑点有自动跳向温度高、热发射性强物质上的性能。如果金属表面有低逸出功的氧化膜存在时，阴极斑点有自动寻找氧化膜的倾向。铝合金焊接时去除氧化膜作用，就是由阴极斑点的这种特性决定的。16关于“阳极斑点”当采用低熔点材料（Fe、Cu、Al等）作为阳极，一旦阳极表面某处有熔化和蒸发现象产生时，由于金属蒸气的电离能大大低于一般气体的电离能，在有金属蒸气存在的地方，更容易产生热电离而提供正离子流，电子流更容易从这里进入阳极，阳极上的导电区将在这里集中而形成阳极斑点。阳极斑点电流密度的数量级一般102～103A/cm2。17关于“阳极斑点”低熔点阳极材料形成阳极斑点的条件，首先是该点有金属的蒸发，其次是电弧通过该点时弧柱消耗能量较低。当金属表面覆盖氧化膜时，与阴极斑点的情况相反，阳极斑点有自动寻找纯金属表面而避开氧化膜的倾向。因为大多数金属氧化物的熔点和沸点皆高于纯金属，且金属氧化物的电离电压较高。18关于“阳极斑点”由于阳极斑点往往伴随着金属的蒸发，蒸气的反作用力对阳极表现为压力，因此一旦形成阳极斑点。也就产生斑点压力。但由于阳极斑点的电流密度比阴极小，所以通常阳极斑点压力比阴极斑点压力小。熔化极焊接时，工件为阴极，焊丝为阳极，阻止熔滴过渡的作用力较小，这是MIG焊接多采用直流反接的原因之一。19焊接电弧最小电压原理在给定电流和周围条件的一定的情况下，电弧稳定燃烧时，其导电区的半径（或温度），应使电弧电场强度具有最小的数值。就是说电弧具有保持最小能量消耗的特性。这已为理论推导及许多实际现象所证明。最小电压原理也决定着电弧其它区域（阴极区、阳极区）的E、温度及导电端面的自行调节作用，以达到在一定条件下向外界散失热量最小。20焊接电弧最小电压原理利用最小电压原理可以解释电弧过程中的许多现象。例如当电弧被周围介质强迫冷却时，因周围环境从电弧取走更多热量，要求电弧产生更多热量来补偿。按最小电压原理，电弧要自动缩小断面，减少散热，使之与外界散热相平衡。但断面又不能收缩得过小，否则电流密度大而使E增加太多，电弧自动调整可使E增加到最小数值。2122问题如何“引燃”焊接电弧？23接触引弧可能是现有方法中最简单的：将钨电极与被焊工件接触然后快速回抽。钨电极在与工件接触过程中，电源正负两极间被短路并产生短路电流，钨电极通过接触电阻被加热，被加热的电极快速回抽过程中建立了初始电弧。在电极：与工件脱离的瞬间，电极与工件间的间隙内会存在金属蒸汽，形成了很短的电弧。这一非常短的电弧帮助接触引弧过程得以完成。接触引弧的有效性很大程度上取决于操作者的技能。但不论操作者技能如何，接触引弧都会对钨电极产生污染，而这不可避免地会影响电极的使用性能及焊接哈氏合金管质量。24用高电压击穿间隙使电弧引燃交流焊接电弧的特点251、电弧周期性的熄灭和引燃；2、电弧电压和电流发生畸变；3、热惯性作用明显。264.焊接电弧的静特性焊接电弧静态伏安特性是指在一定弧长的稳定状态下电弧电压与电流的关系。焊接电弧静特性曲线当电流较小时（A区），电压随着电流的增加而减小；当电流较大时（B区），电压几乎不变，电弧呈平特性；当电流更大时（C区），电压随电流的增加而增高，电弧呈上升特性。27弧长对焊接电弧静特性的影响28不锈钢TIG焊时弧压与弧长的关系（I=100A）29焊接电弧的动特性30焊接电弧动态伏安特性是指对于一定长度的电弧，当电流快速连续变化时，电弧电压和电流瞬态值之间的关系。31焊接电弧动特性曲线问题何谓“弧焊电源”？为何需要弧焊电源？3233

将电网电能进行适当转换并提供给焊接电弧的系统装置称为弧焊电源。

1)弧焊电源外特性在稳定状态下，其输出电压与输出电流的关系曲线称为弧焊电源外特性。常见的有（恒压）平特性和下降特性两大类，下降外特性又分为缓降、陡降、垂直陡降（恒流）特性。4.2.2弧焊电源基础知识燃弧过程对弧焊电源的要求“焊接电弧——弧焊电源”系统稳定工作条件：tgαa−tgαp>0即：在电弧静特性与电源外特性曲线交点处，前者斜率大于后者。这是“电弧——电源”系统稳定工作的条件，也是确定弧焊电源外特性形状的依据。34“焊接电弧——弧焊电源”系统稳定工作条件燃弧过程对弧焊电源的要求弧焊电源的空载电压弧焊电源的短路电流弧焊电源的静态特性弧焊电源的动态品质3536整流二极管、功率三极管、普通相控型可控硅快速晶闸管、GTO、GTR、MOSFET、IGBT、IPM、MCT、高压IC……等现代电力电子技术（PowerElectronics）发展推动了焊接设备特别是弧焊电源的进步直流弧焊电源发展历程旋转式直流弧焊发电机硅整流、可控硅整流弧焊电源晶体管模拟式、开关式弧焊电源晶闸管、MOSFET、IGBT逆变式弧焊电源37384.2.3焊接电弧产热机理

焊接电源输出的电能通过电弧转换为热能具有不同导电机理的电弧弧柱、阴极区、阳极区，其产热机理也不相同1）弧柱产热机理弧柱空间的电子在电场作用下定向运动，不断地与正离子或中性粒子碰撞，其散乱运动的动能就是电子的热能。39

在弧柱中，外加电场能量大部分转变为热能。单位弧柱长度的电能为IE，其值就代表了弧柱产热能量的大小。弧柱产热能量与热损失相平衡。弧柱的热能对流占80%以上，传导和辐射约为10%左右。一般电弧焊接过程中，弧柱的热量中只能有很少一部分通过辐射传给焊条（丝）和工件。当电流较大而有等离子流产生时，等离子流将把弧柱的一部分热量带到工件。402）阴极区产热机理在阴极区，电子在阴极压降的作用下逸出阴极并受到加速作用，获得的总能量为IUK。电子从阴极表面逸出时，克服阴极表面的束缚而消耗能量为IUω。电子流离开阴极区进入弧柱区时，它具有与弧柱温度相应的热能，电子流离开阴极区带走的这部分能量为IUT。根据上述分析，电子流离开阴极区时能量平衡为：

PK=I（UK

–Uω

–UT）阴极区产热主要用于加热阴极和阴极区的散热损失。焊接过程中直接加热焊条（丝）或工件的热量主要由此提供。阴极区的热量直接影响焊丝熔化或焊缝熔深。413）阳极区产热机理电子到达阳极时将带给阳极三部分能量：电子经阳极压降区被UA加速而获得的动能IUA，电子发射时在阴极吸收的逸出功又供给阳极IUω，从弧柱带来的与弧柱温度相对应的热能IUT

。因此阳极区的能量平衡为：

PA=I（UA+Uω+UT）阳极产生的热量主要用于阳极的加热、熔化和散热损失。这也是焊接过程中可以直接利用的能量。425）焊接电弧的温度分布沿焊接电弧轴向的温度分布情况为：弧柱的温度较高，两个电极上温度较低。这是因为电极温度的升高受到电极材料导热性能、熔点和沸点限制的结果。一般情况下，阳极的温度高于阴极的温度，而阴极与阳极的温度低于电极材料的沸点43钨和铜电极之间的电弧纵断面等温线44

焊接电流大小直接改变弧柱的能量密度，从而影响弧柱温度的高低。焊接电流增大，弧柱温度增加。在常压下，当电流由1—1000A变化时，弧柱温度可在5000—30000K变化。电弧空间的温度，还受金属蒸气成分的影响。焊条药皮中含有易电离的K、Na等稳弧剂，电弧中有K、Na蒸气，电弧电离度增加，弧柱场强较低，其温度亦降低。当电弧周围有高速气体流动时，如等离子弧，由于气流的冷却作用，使弧柱电场强度提高，温度上升。电弧周围气氛是多原子气体时，如CO2、O2、N2、H2、H2O等，由于气体解离吸热，也会使电弧温度升高。454.2.4焊接电弧作用力在焊接过程中，电弧不仅是个热源，而且也是一个力源。电弧产生的机械作用力与焊缝熔深、熔池搅拌、熔滴过渡、焊缝成形等都有直接关系。如果对电弧力控制不当，则会破坏焊接过程，使焊丝金属不能过渡到熔池而形成飞溅，甚至形成焊瘤、咬肉、烧穿等缺陷。461.主要的焊接电弧的作用力当电流在一个导体中流过时，整个电流可看成是由许多平行的电流线组成，这些电流线间将产主相互吸引力，断面有收缩的倾向。如果导体是固态，此收缩力不能改变导体外形。如果导体是可以自由变形的液态或气态，导体将产生收缩。这种现象称为电磁收缩效应，由此而产生——电磁收缩力。实际焊接电弧是断面直径变化的近似圆锥状的气态导体。因为焊条直径限制了导电区的扩展，而在工件上电弧可以扩展得比较宽，所以接近焊条端电弧断面直径小，而接近工件端弧断面直径较大。直径不同引起压力差，从而产生由焊条指向工件的推力，被称为电弧的电磁静压力。47

焊接电弧呈锥形，使电磁收缩力在电弧各处分布是不均匀的，具有一定的压力梯度，靠近焊丝处的压力大，靠近工件处的压力小，形成沿轴线的推力。电弧中的压力差将使靠近焊条处的高温气体向工件方向流动，高温气体流动时要求从焊丝上方补充新的气体，形成有一定速度的连续气流进入电弧区。新加入的气体被加热和部分电离后，受推力作用继续冲向工件，对熔池形成附加的压力。在电弧中，由于电弧推力引起高温气流的运动所形成——等离子流力。熔池受到的这部分附加压力是由物质的高速运动（等离子体流动）引起的，所以称为电弧的电磁动压力48斑点压力——当电极上形成斑点时，将受到压力作用，包括：（1）阳极受电子的撞击，阴极受正离子的撞击。因正离子的质量远大于电子的质量，同时阴极压降一般又大于阳极压降，所以阴极斑点压力通常较大，阳极斑点压力较小。（2）当电极上形成熔滴并出现斑点时，熔滴和电弧空间的电流线都在斑点处集中，电磁力的合力方向是由小断面指向大断面，所以斑点处将受到向上的电磁收缩力，阻碍熔滴下落。通常阴极斑点收缩程度大，受力亦较大。（3）由于斑点上电流密度及局部温度很高，从而产生强烈的蒸发，使金属蒸气以一定速度由斑点发射出来，它将施加给斑点一定的反作用力。由于阴极斑点的电流密度比阳极斑点的高，发射要更强烈，因此受力更大。49

焊接过程中出现熔滴短路，电弧瞬时熄灭。当短路电流很大时，短路金属液柱中电流密度很高，在金属液柱内产生很大的电磁收缩力，使缩颈变细。电阻热使金属液柱小桥温度急剧升高，使液柱汽化爆断，此爆破力可能使液体金属形成飞溅。液柱爆断后电弧重新点燃，电弧空间的气体突然受高温加热而膨胀，局部压力骤然升高，对熔池和焊丝端头的液态金属会形成较大的冲击力，严重时也会造成飞溅。50

用富氩气体保护以射流过渡焊接时，熔化金属形成连续细滴沿焊丝轴向射至熔池。这些熔滴在等离子流力作用下，以很高的加速度（可达重力加速度的50倍以上）冲向熔池，到达熔池时其速度可达每秒几百米。尽管每个熔滴重量仅几十毫克，但这些细滴具有很大的动能，形成细熔滴对熔池的冲击力。512.电弧力的影响因素（1）气体介质导热性强或多原子气体皆能引起弧柱收缩，导致电弧力的增加。保护气体流量或电弧空间气体压力增加，也会引起电弧收缩并使电弧压力增加，同时引起斑点收缩进一步加大了斑点压力。这将阻止熔滴过渡，使熔滴颗粒增大而过渡困难。（2）焊接电流与电弧压力焊接电流增大时电磁收缩力和等离子流皆增加，故电弧力也增大。而电弧电压升高亦即电弧长度增加时，使电弧压力降低。52（3）焊丝直径焊丝直径越细，电流密度越大，电磁力越大，造成电弧锥形越明显，则等离子流力越大，使电弧的总压力增大。（4）电极极性钨极氩弧焊，当钨极接负时，允许通过的电流大，阴极导电区收缩的程度大，将形成锥度较大电弧，产生的轴向推力较大，电弧压力也大。反之钨极接正，则形成较小的电弧压力。工频交流TIG焊时，电弧压力介于二者之间。53

对于熔化极气体保护焊，不仅电极导电面积对电弧力有影响，也要考虑熔滴过渡形式。直流正接，焊丝受到较大的斑点压力，使熔滴长大不能顺利过渡，不能形成很强的电磁力与等离子流力，因此电弧压力小。直流反接，焊丝端部熔滴受到的斑点压力小，形成细小熔滴，有较大的电磁力与等离子流力，电弧压力较大54

钨极端头角度越小（尖），使电极上的导电区缩小，加大了电磁收缩力，则电弧力越大。另外，焊条端头有尖角可减少补充气流的阻力，有利于提高等离子流的流速，从而提高电弧的电磁动压力。当电流以某一规律变化时，电弧压力也变化。高频脉冲钨极氩弧焊接时，脉冲电流的频率达到几千赫兹以上。在同样平均电流条件下，由于高频电磁效应，电弧压力随电流脉冲频率的增加而增大。554.2.5熔滴过渡1.焊丝的加热和熔化熔化极电弧焊时，焊丝（条）熔化作为填充金属形成焊缝。焊丝的熔化主要靠（正接时的）阴极区或（反接时的）阳极区所产生的热量，弧柱区产生的热量对于焊丝熔化居次要地位。据上文所述，阴极区和阳极区产热量分别为：PK

=I（UK

–Uω–UT）PA

=I（UA+Uω+UT）56

焊丝除了受电弧的加热外，在自动和半自动焊时，从导电嘴到电弧端头的一段焊丝有焊接电流流过，所产生电阻热对焊丝也有预热作用，从而影响焊丝的熔化速度。特别是焊丝较细和焊丝金属电阻系数较大时（如不锈钢），这种影响更为明显。焊丝伸出长度的电阻热为：PR=I2Rs=I2ρLs/S

用于加热和熔化焊丝的总热量，是由电弧热和电阻热提供的能量之和。5758影响焊丝熔化速度的因素随着焊接电流的增大，电弧热和焊丝电阻热都增加，焊丝的熔化速度加快。电弧电压较高时，弧压对焊丝熔化速度影响不大。在电弧电压较低范围内，弧压变小，反而使焊丝熔化速度增加。特别对铝合金MIG焊接，这种影响更加明显。对电阻率较大（不锈钢）的金属焊丝，随着焊接电流或焊丝伸出长度的增大，干伸长电阻热导致预热温度的升高，从而使焊丝的熔化速度增大。不同气体介质直接影响阴极压降的大小和焊接电弧产热多少，因此影响焊丝的熔化速度。59

在电弧热作用下，焊丝端头的熔化金属形成熔滴，并在受到各种力作用的情况下向母材过渡。熔滴过渡将影响焊接过程稳定性、焊缝成形、飞溅大小等。602.熔滴上的作用力表面张力。是在焊丝端头上保持熔滴的主要作用力。Fσ=2πRσ612.熔滴上的作用力

当焊丝直径较大而焊接电流较小时，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=4/3πr3ρg

如果熔滴的重力大于表面张力时，熔滴就要脱离焊丝。

假如熔滴为球形且拉断熔滴后在焊丝上不保留液体金属（理想情况），那么Fσ=Fgr/R=[(3σ/2)/(ρgR2)]1/362ρ/σ值越大，则过渡的熔滴越细63

熔化极电弧焊，电流通过焊丝—熔滴—电极斑点，导体的截面是变化的，电磁力的方向也在变化。同时，斑点处电流密度很高，将使金属强烈的蒸发，也会对熔滴金属表面产生很大的反作用力。电磁力对熔滴过渡的影响决定于电弧形态。若弧根面积笼罩整个熔滴，此处的电磁力促进熔滴过渡。若弧根面积小于熔滴直径，此处的电磁力和斑点压力的一部分会阻碍熔滴过渡。64

电流较大时，高速等离子流对熔滴产生很大的推力，使之沿焊丝轴线方向运动。这种推力的大小与焊丝直径和电流大小有密切的关系。当熔滴内部含有易挥发金属或由于冶金反应而生成气体时，都会使熔滴内部在电弧高温作用下气体积聚和膨胀而造成较大的内力，从而使熔滴爆破。65

熔化极电弧焊时，作用于熔滴的力对熔滴过渡的影响，应从焊缝的空间位置、熔滴过渡形式、电弧形态、工艺条件及规范参数等方面进行具体的分析。重力在平焊时是促进熔滴过渡的力，而当立焊和仰焊时，重力则使过渡的金属偏离电弧的轴线方向而阻碍熔滴过渡。66

在长弧时，表面张力总是阻碍熔滴从焊丝端部脱离。但当熔滴与熔池金属短路并形成液体金属过桥时，由于熔池界面很大，这时表面张力Fσ凡有助于把液体金属拉进熔池，而促进熔滴过渡。电磁力Fc也有同样的情况，当熔滴短路使电流线呈发散形，也会促进液态小桥金属向熔池过渡。67熔化极电弧焊熔滴过渡的类型自由过渡，熔滴经电弧空间飞行至熔池，焊丝端头和熔池之间不发生直接接触；接触过渡，焊丝端部的熔滴与熔池表面通过接触而过渡；渣壁过渡，熔滴沿熔渣的空腔壁流下。68熔滴过渡的具体形式滴状过渡：大滴滴落过渡