焊接工程学(第一章)课件

焊接工程学

WeldingEngineering前言前言前言焊接是一门古老而又新兴的加工技术

早在公元3000年前，我国就有焊接的使用实例：在秦始皇陵中出土的铜车马上就发现有煅焊和钎焊的焊缝。前言

明代的科学著作《天工开物》上关于煅焊的记载：“凡铁性逐节粘合，涂以黄泥于接口之上，入火挥槌，泥滓成枵而去，取其神气为媒合，胶合之后，非灼红斧斩永不可断也”。前言

21世纪，焊接技术是机械制造工业中的关键技术之一，是现代先进制造技术的一个重要组成部分。每年需进行焊接加工使用的钢材占钢材总量的45%左右；在航空航天、核能利用、电子信息、海洋钻探、现代电力、高层建筑等方面，都利用了现代焊接技术的先进成果。前言

奥运“鸟巢”—奥运“鸟巢”钢结构是由无数根钢管连接而成，其最大跨度为343米，高度达68米，相当于20层楼高，整个重量达4.2万吨，是世界上跨度最大的多面体钢架结构建筑。前言前言前言水下焊接前言焊接机器人课程主要内容电弧焊基础知识常见的焊接方法金属焊接性基础及常用工程材料的焊接焊接结构的力学性能及断裂、疲劳理论课程总成绩的确定期末考试：80%实验报告：20%第一章电弧焊基础知识第一节焊接电弧电弧示意图电弧是一种气体放电现象，即当两电极之间存在电位差时，电荷通过两极之间的气体空间的一种导电现象。1.焊接电弧的导电特点第一节焊接电弧正常状态下，气体由中性分子或原子组成，不含带电离子，在外电场作用下，不产生定向运动。为使正常状态下的气体导电，必须首先产生带电离子，气体中的带电离子在外电场的作用下，产生定向运动，导致气体导电。气体导电时，电流与电压的关系不遵循欧姆定律。第一节焊接电弧

电弧是由两个电极和它们之间的气体放电空间构成,电弧的带电粒子主要由气体的电离和电极发射电子产生。第一节焊接电弧1.1气体的电离

电离：在一定的条件下，中性气体分子或原子分离成为电子和正离子的现象。为了将气体电离，就必须施加足够的能量，使气体分子或原子中的电子脱离原子核的束缚而成为自由电子，同时使原子成为正离子。使中性气体粒子失去第一个电子所需要的最低外加能量称为第一电离能，生成的正离子称为一价正离子，这种电离称为一次电离。第一节焊接电弧

通常情况下，分子状态时的电离电压比原子状态时的电离电压值要高。气体电离电压的高低可以说明电子脱离原子或分子时所需要外加能量的大小，即在某种气氛中产生带电粒子的难易程度。相同的外加能量条件下，气体的电离电压越低，气体产生带电粒子就越容易。第一节焊接电弧

当电弧空间同时存在电离电压不同的几种气体时，在外加能量的作用下，电离电压较低的气体粒子将首先被电离。如果这种低电离电压气体供应充分，则电弧空间的带电粒子将主要依靠这种气体的电离过程来提供，所需的外加能量也主要由这种气体的电离电压来决定。通常把这种决定电弧气氛的电离电压称为实效电离电压。

第一节焊接电弧如：铁的电离电压为7.9V，比二氧化碳或氩的电离电压(13.7V、15.7V)低得多。因此，在钢材的气体保护焊时，如果焊接电流足够大，电弧空间将充满铁的蒸气，带电粒子将主要由铁蒸气的电离过程来提供，电弧气氛的电离电压也将主要由铁蒸气的电离电压来决定。第一节焊接电弧在粒子的激励过程中，当较高能级的激励粒子不断接受外来能量，达到或超过电离能时则会使其电离，否则将自己的能量以辐射能的形式释放出来，而恢复到原来的稳定状态。低能级的激励粒子也可能通过碰撞将能量传递给其他粒子而恢复到稳定状态。粒子的激励过程是与电离过程和电弧特性密切相关的物理现象。第一节焊接电弧第一节焊接电弧

碰撞传递是借助于气体粒子相互碰撞时进行能量转移和传递的方式。弹性碰撞将引起粒子温度变化，但不能产生电离过程；非弹性碰撞不但能使被碰撞的粒子的内部结构发生变化，还会使中性气体粒子电离并为电弧提供带电粒子。电弧空间气体中被碰撞粒子质量越小，撞击粒子的质量越大，被撞粒子获得的能量就越大。由于电子的质量大大小于气体原子、分子或粒子的质量，当具有足够动能的电子与中性粒子碰撞时，其动能几乎可以全部传递给中性粒子，转换为内能，使其电离。第一节焊接电弧

中性气体粒子也可以通过光辐射传递能量的方法直接接受外界所施加的能量，使其内能增加，造成内部结构改变而电离。在实际的电弧过程中，通过气体粒子间的碰撞将能量传递给中性粒子并使之电离，是电弧本身产生带电粒子以维持其导电的主要途径。而通过光辐射传递能量来产生带电粒子则是次要途径。第一节焊接电弧

电弧中气体粒子的电离因外加能量的种类不同而分为三种：由于气体粒子的热运动发生碰撞而产生的热电离；带电粒子在电场的作用下与中性粒子产生非弹性碰撞而产生的场电离；中性粒子由于光辐射的作用而产生的光电离。随着温度的升高、电场强度的增大、光辐射的加强，气体的电离度越高。电弧的温度一般为5000—30000K，电场强度为10V/cm左右。在弧柱区，由于热电离产生带电粒子是主要途径，场电离是次要途径，光电离作用最弱。第一节焊接电弧1.2电子发射

电子发射是电极表面的电子在外加能量的作用下冲破表面的束缚而飞到电弧空间的现象。从阴极发射出的电子将参与电弧的导电过程，并向弧柱提供所需要的电子流。电子从金属表面飞出所需要的最低外加能量称为逸出功。逸出功（Ww）与逸出电压（Uw）、电子电量（e(V)）的关系为：Ww=Uw·e(V)根据外加能量的不同，电子发射可分为热发射、电场发射、光发射和粒子碰撞发射。第一节焊接电弧热发射电场发射光发射碰撞发射金属表面由于受热将使其内部的自由电子的热运动加剧，当自由电子的动能大于逸出功时，飞出金属表面参加电弧的导电现象。当金属表面存在一定强度的正电场时，金属内部的电子会受到电场力的作用，当电场力足够大时电子飞出金属表面的现象。当金属表面受光能照射时，内部自由电子冲破表面束缚而产生电子发射的现象。当正离子撞击阴极表面时，其动能将传递给阴极内部的电子，从而使其逸出金属表面的发射过程。第一节焊接电弧

在实际焊接电弧中，当使用沸点高的材料（如W或C）作电极时，其阴极区的带电粒子主要靠热发射来提供，通常称为热阴极电弧。使用沸点很低的材料（如钢、Cu、Al、Mg）作电极时，由于其沸点低，电极加热温度受沸点限制不可能很高，热发射不能提供足够的带电粒子，此时电场发射起主要作用，这种电弧称为冷阴极电弧。第一节焊接电弧1.3负离子的产生

在一定条件下，某些中性原子或分子吸附一个电子就会形成负离子。负离子是焊接电弧中除电子和正离子之外的另一种带电离子。中性粒子吸附电子形成负离子时，其内部能量不是增加而是减少。减少的这部分能量称为中性粒子的电子亲和能，通常以热能或光辐射的形式释放出。元素的电子亲和力越大，越容易形成负离子。第一节焊接电弧2.焊接电弧的构成及其导电特性电弧各区的电压分布

焊接电弧由三个不同电场强度的区域组成：阳极区、阴极区和弧柱区。第一节焊接电弧

弧柱区电压降Uc较小而长度较大，即电场强度较低；阳极压降UA和阴极压降UK沿长度方向尺寸较小而电压降较大，即电场强度较高。第一节焊接电弧2.1弧柱区的导电特性

由于弧柱气体的导电是以热电离为主，热电离产生的带电粒子在外加电场的作用下，正离子向阴极方向运动，电子向阳极方向运动而形成电流。这种受电场作用而形成的电子流和正离子流将由阳极区和阴极区产生相应的正离子流和电子流予以补充，以保证弧柱带电粒子的动态平衡。弧柱整体呈电中性。电弧放电具有大电流（可达上千安培）、低电压（可为几伏）的特点。第一节焊接电弧2.2阴极区的导电特性

阴极区的作用是向弧柱区提供所需要的电子流，并接受由弧柱区送来的正离子流。根据阴极材料种类、电流大小以及电弧气体介质不同，阴极区的导电机构可分为三种类型：第一节焊接电弧（1）热发射型阴极区导电机构当阴极采用W、C等高熔点材料，电流较大时，此时阴极区可达到很高的温度，弧柱所需要的电子流主要由阴极的热发射来提供，此种类型的阴极区即为热发射阴极区。热发射型阴极区导电机构是大电流钨极氩弧焊的主要导电机构。第一节焊接电弧(2)电场发射型阴极区导电机构当阴极材料为W、C但电流较小，或者阴极材料采用熔点较低的Fe、Al、Cu时，阴极表面的温度受电流或材料沸点的限制，不能产生较强的热发射以供给所需的电子流。由于电子供应不足，使得邻近阴极区的弧柱处正负电荷的平衡首先受到破坏，造成过剩的正离子堆积，形成正电场。热发射越弱，则正电场越强。第一节焊接电弧

在正电场的作用下，阴极产生电场发射，同时加速电子运动，在阴极区产生碰撞电离，共同向弧柱提供所要的电子流。这种形式的导电机构称为冷阴极导电机构。电场发射型阴极区导电机构是熔化极电弧焊常见的导电机构。第一节焊接电弧通常情况下，热发射和电场发射两种阴极导电机构并存，并且根据电极材料、电流大小和气体介质不同而自动调节。第一节焊接电弧

（3）等离子型阴极区导电机构当阴极热发射不足以提供所需要的电子时，在阴极前就会造成正电荷的堆积，并产生阴极压降UK。当UK不能引起强烈的电子发射，也不足以使中性粒子产生碰撞电离时，此时正离子到达阴极与阴极发射的电子中和成为中性粒子，并携带中和时所放出的部分能量回弹到阴极区前聚集成为一个高温区。该高温区使中性粒子被再次加热电离，生成的电子流向弧柱提供弧柱所需要的电子流，生成的正离子流向阴极形成正离子流。第一节焊接电弧2.3阳极区的导电特性

阳极区的作用是接受由弧柱流过的电子流和向弧柱提供所需要的正离子流。

由于阳极不能直接发射正离子，所以正离子只能由阳极区提供。

根据电弧电流密度的大小，阳极区可由两种方式提供正离子：第一节焊接电弧

当电流密度较大时，阳极温度很高，阳极材料发生蒸发，靠近阳极前面的空间有很高的温度。当电流密度增加到一定程度时，聚集于此的金属蒸气将发生热电离，生成的正离子流向弧柱，电子则流向阳极。如果电流足够大，弧柱所需要的正离子可全部由热电离提供。第一节焊接电弧当电流较小时，阳极区热电离不足，阳极前面电子数将大于正离子数，形成负的空间电场，产生阳极区压降UA。当UA达到一定程度时，会使弧柱来的电子加速运动，碰撞中性粒子而产生碰撞电离，向弧柱提供所需要的正离子。当这种电离可以满足弧柱所需的正离子数目时，UA不再继续升高而保持稳定。第二节焊接电弧的能量平衡及电弧力第二节焊接电弧的能量平衡及电弧力1.焊接电弧中的能量平衡当电弧的弧柱区、阴极区和阳极区的能量交换达到平衡时，电弧便处于稳定的燃烧状态。1.1弧柱区的能量平衡

单位时间内弧柱区所产生的能量，主要为通过弧柱电场而被加速的正离子和自由电子所获得的动能，并通过碰撞及中和作用转变成热能，其产热和热损失保持平衡。在热损失的对流、传导和辐射中，对流约占80％以上，传导与辐射占10％左右。一般而言，在电弧焊接过程中，弧柱的热量不能直接作用于加热焊条(丝)或母材，仅有少部分通过辐射传给焊条和工件。只有在等离子弧焊接钨极氩弧焊时，才会主要利用弧柱的热量来加热工件。第二节焊接电弧的能量平衡及电弧力1.2阴极区的能量平衡阴极区是由电子与正离子两种带电粒子构成。在能量的交换过程中，阴极区获得的能量，由被阴极压降UK加速的正离子动能、正离子到达阴极表面取出等量的电子并与之中和而放出的电离能、由阴极发射的电子经阴极压降加速后在阴极区和弧柱区交界面上释放的动能等组成，即IUK。第二节焊接电弧的能量平衡及电弧力单位时间内阴极区消耗的能量由阴极发射电子所需要的能量（IUW）、产生热电离所需要的能量以及阴极发射的电子和电离产生的电子进入弧柱区所带走的热量（IUT）组成，即I(UW+UT)。第二节焊接电弧的能量平衡及电弧力

单位时间内阴极区产热量PK为获得的能量与消耗的能量之差。即：

PK

=I（UK-UW-UT)阴极区的产热量PK在焊接过程中可直接用来加热焊丝(条)或工件。第二节焊接电弧的能量平衡及电弧力第二节焊接电弧的能量平衡及电弧力1.3阳极区的能量平衡

单位时间内阳极接受电子时获得三部分能量：经阳极压降UA加速获得的动能IUA、电子从阴极带出的逸出功IUW、从弧柱带来的与弧柱温度相应的热能IUT。单位时间内阳极区的总能量PA表示为：

PA

=I（UA+UW+UT)在焊接过程中，阳极区的产热量可用来直接加热焊丝(条)或工件。第二节焊接电弧的能量平衡及电弧力2.电弧的能量密度和温度分布

单位面积上的热功率称为能量密度。气焊火焰的能量密度为1~10W/cm2，而电弧的能量密度则可达到102~104W/cm2。第二节焊接电弧的能量平衡及电弧力电弧各区的温度、电流密度、能量密度的轴向分布

阴极区和阳极区的能量密度高于弧柱区的能量密度。温度的轴向分布不与能量密度分布相对应。弧柱温度较高，两电极温度较低。第二节焊接电弧的能量平衡及电弧力3.电弧的主要作用3.1磁收缩力两根相邻导线通同向电流会产生相互引力从而产生收缩。实际的焊接电弧在电磁收缩力的作用下，径向压力将使电弧产生收缩，其形状是一个断面直径变化的圆锥体。靠近焊丝(条)的断面直径较小，连接工件的导电断面直径较大，轴向压力将因直径不同而产生压力差，从而产生由焊丝(条)指向工件的向下推力，即电弧的电磁静压力。第二节焊接电弧的能量平衡及电弧力

焊接电弧的电磁力作用电磁静压力对熔池形状的影响第二节焊接电弧的能量平衡及电弧力3.2等离子流力

电磁收缩力引起的轴向推力使靠近焊条(丝)端部的高温气体向工件方向流动，将引起焊丝(条)上方的气体以一定的速度连续进入电弧区。这些新进入电弧的气体被加热电离后受轴向推力的作用不断冲向工件，对熔池形成附加压力。这种高温电离气体(等量的电子和正离子)高速流动时所形成的力称为等离子流力，又称电磁动压力，流速可达每秒数百米。第二节焊接电弧的能量平衡及电弧力电磁动压力对熔池形状的影响电弧中等离子流形成示意图第二节焊接电弧的能量平衡及电弧力3.3斑点力

斑点是阴极发射电子或阳极导入电子的导电点，斑点力又称极点力或极点压力，是电弧施加在电极上的作用力，即阳极受到电子的撞击，阴极受到正离子的撞击。

第二节焊接电弧的能量平衡及电弧力斑点压力示意图由于电磁收缩力垂直于电流流线，因此在斑点处将产生向上的电磁收缩力，阻碍熔滴的过渡。第二节焊接电弧的能量平衡及电弧力3.4电弧的极性及其选择

电弧的两极与焊接电源的联接方式即为电弧的极性。交流电弧焊接时电源极性交替变化，电弧的两极可与电源两接线柱任意联接；直流电弧焊接时，电源两极固定，电弧两极有两种方式与电源两极相连接：若焊件与焊机的正极相连，焊条或焊丝与负极相连，称为正接法或正极性；反之为反接法或反极性。第二节焊接电弧的能量平衡及电弧力直流电弧焊的极性接法第三节磁场对电弧的作用第三节磁场对电弧的作用电弧周围的磁场

电弧是一种气态导体，正负电荷向一定的方向运动就会形成电流。电流周围的磁场会对电流产生一定的作用力。电弧周围的磁场自身磁场外加磁场第三节磁场对电弧的作用1.电弧的挺度

电弧的挺度是电弧抵抗外界机械干扰，力求保持沿焊丝(条)轴向运动的性能。当电流通过电弧空间时，带电粒子的流动有尽量朝电弧中心方向集中的倾向。

电弧自身磁场的作用第三节磁场对电弧的作用电弧的挺度表现

当电弧受风等某种机械作用欲使电弧偏离焊丝轴向时，自身磁场则有抵抗这种干扰的能力，使电弧尽量保持在焊丝轴线方向上，即电弧具有刚直性，故当焊丝(条)与工件有一定倾角时，电弧仍将保持轴线方向。电流越大，电弧的挺度越大。第三节磁场对电弧的作用2.电弧的磁偏吹

在实际的焊接过程中，由于种种原因，使焊丝(条)轴线周围的磁力线分布不均匀，造成电弧偏离焊丝(条)轴线方向，这种现象称为磁偏吹。

电弧磁偏吹使焊接电弧失去刚直性，造成电弧飘摆不稳定，甚至使电弧熄灭；容易使熔滴过渡不规则，引起未焊透、夹渣缺陷；易破坏电弧周围保护气氛，混入有害气体，影响焊缝质量。磁偏吹第三节磁场对电弧的作用2.1导线位置引起的磁偏吹导线连接产生的磁偏吹

电弧左侧的磁力线密度较大，使两侧磁力线分布失去对称性，产生了从磁力线密度较大的一方指向磁力线密度较小一方的横向推力，造成电弧偏离焊丝(条)轴线。第三节磁场对电弧的作用2.2电弧附近铁磁体引起的磁偏吹铁磁物质导致的磁偏吹

当电弧一侧有钢板等良导磁体时，较多的磁力线将集中到钢板上，使该侧空间的磁力线密度显著降低，破坏了空间磁力线分布的均匀性，使电弧将偏离轴线而趋向钢板。第三节磁场对电弧的作用

为了实现对电弧的良好控制，减少磁偏吹带来的不利影响，在实际操作中可以人为地在电弧周围加上某种磁场。

三种施加磁场的方式

外加横向磁场外加纵向同轴磁场外加尖角形磁场第四节焊丝的熔化及熔滴过渡第四节焊丝的融化及熔滴过渡1.焊丝的加热与熔化的能量

焊丝加热熔化的能量主要由单位时间内阴极区（正接）或阳极区（反接）所产生的热量组成。单位时间内阳极区的产热量：PA

=I（UA+UW+UT)单位时间内阴极区的产热量：PK

=I（UK—UW—UT)第四节焊丝的融化及熔滴过渡

通常情况下，弧柱的平均温度为6000K左右，UT＜1，阳极区压降UA一般很小，故可简化为：

PA

=IUWPK

=I（UK—UW)在细丝熔化极电弧焊及埋弧焊等情况下，UK》UW，故PK＞PA。即在使用同一材料和同一电流的情况下，焊丝为阴极（正极性）时的产热量比焊丝为阳极（反极性）时大。第四节焊丝的融化及熔滴过渡焊丝伸出长度的电阻热示意图焊丝与导电嘴的接触点到电弧端头的一段焊丝上（即焊丝的伸出长度Ls）有电流流过，将产生电阻热，其电功率为：PR=I2Rs综合电弧热和电阻热，用于加热和熔化焊丝的总能量为：Pm=I(Um+IRs)第四节焊丝的融化及熔滴过渡2.焊丝的熔化速度及熔化系数

焊丝的熔化速度Vm通常用单位时间内焊丝的熔化长度(m/h或m/min)或熔化重量(kg/h)表示；熔化系数或比熔化速度αm是指每安培焊接电流在单位时间内所熔化的焊丝重量（g/A-1·h-1）。第四节焊丝的融化及熔滴过渡铝焊丝熔化速度与电流的关系

焊接电流对熔化速度的影响：

由于Pm≈IUm，故焊接电流与熔化速度几乎呈直线关系。第四节焊丝的融化及熔滴过渡

电流极性对焊丝熔化速度的影响：

当冷阴极材料为钢焊丝时，由于Uk》Uw，故Pk＞PA。因此，焊丝为阴极（正接）时的熔化速度大于焊丝为阳极（反接）时的熔化速度。第四节焊丝的融化及熔滴过渡3.熔滴过渡

在电弧热的作用下，焊丝末端加热熔化形成熔滴，并在各种力的作用下脱离焊丝进入熔池的现象，称为熔滴过渡。焊丝末端的金属熔滴通常受到自身重力、表面张力、电磁收缩力、斑点压力、等离子流力等作用。第四节焊丝的融化及熔滴过渡熔滴过渡的形式自由过渡接触过渡渣壁过渡熔滴脱离焊丝末端前不与熔池接触，脱离焊丝后自由飞行进入熔池；通过焊丝末端的熔滴与熔池表面接触成桥而进行过渡；

在一定条件下，熔滴沿熔渣的空腔壁进行过渡。第四节焊丝的融化及熔滴过渡飞溅