第1单元焊接电弧的性能

第一单元

电弧焊基础知识

能力知识点2焊接电弧的导电特性焊接电弧的导电特性是指参与电荷的运动并形成电流的带电粒子在电弧中产生、运动和消失的过程。1．弧柱区的导电特性1、弧柱呈电中性。弧柱的温度很高时，可使其中的大部分中性粒子电离成电子和正离子，而电子和正离子的总电荷量相等。2、具有良好的导电性能。正离子和电子在电场作用下运动，形成了弧柱中的电流，弧柱中的电流主要由电子流构成。3、弧柱电场强度E，弧柱单位长度上的电压降（即电位梯度）①电场强度E的大小与电弧的气体介质有关；②E的大小将随弧柱的热损失情况而自行调整。

最小电压原理

弧柱在稳定燃烧时，有一种使自身能量消耗最小的特性。即当电流和电弧周围条件（如气体介质种类、温度、压力等）一定时，能量消耗最小时的电场强度最低，即在固定弧长上的电压降最小，这就是最小电压原理。 电弧截面面积大于或小于其自动确定的截面，都会引起电场强度Ｅ增大，使消耗的能量增多，违反最小电压原理。因为电弧截面增大时，电弧与周围介质的接触面增大，电弧向周围介质散失的热量增加，要求电弧产生更多的能量与之相平衡，即要求ＥＩ增加。2．阴极区的导电特性（1）热发射型 ①正离子冲击阴极表面而将能量传递给阴极，并且正离子在阴极表面复合电子，释放出的电离能也使阴极加热； ②电流流过阴极时产生的电阻热使阴极加热。通过上述能量补充，可使阴极维持较高的温度，保证持续的热发射。

（2）电场发射型

场致电离产生的电子与阴极发射出来的电子合在一起构成弧柱所需的电子流，场致电离产生的正离子与弧柱来的正离子，在电场作用下一起奔向阴极，使得阴极区保持正离子过剩，出现正电性，维持场致发射。另外，当这些正离子到达阴极时，将其动能转换为热能，对阴极的加热作用增强，使阴极的热发射作用增大，呈现热一场致发射，为弧柱提供足够的电子流。这种形式的导电中，为了提高阴极区的电场强度，按照最小电压原理，阴极区将自动收缩截面，以提高正离子流即正电荷的密度，维持阴极的电子发射能力。在小电流钨极氩弧焊和熔化极电弧焊时，这种场致发射型导电起主要作用。3．阳极区的导电特性（1）阳极斑点在阳极表面也可看到微小、烁亮的区域，这个区域称为阳极斑点。（2）阳极区导电形式阳极不能发射正离子，弧柱所需要的正离子流是由阳极区的电离提供的。由于条件不同，阳极区的导电形式有两种：

1）阳极区的场致电离。

2）阳极区的热电离。能力知识点3焊接电弧的工艺特性焊接电弧与热能及机械能有关的工艺特性，主要包括：电弧的热能特性电弧的力学特性电弧的稳定性1．电弧的热能特性（１）电弧热的形成机构电弧可以看作是一个把电能转换成热能的柔性导体。１）弧柱的产热。从电源吸取电能转换为热能的作用几乎完全由电子来承担，在弧柱中外加电能大部分将转换为热能。２）阴极区的产热

Pk=IUk-IUw-IUT３）阳极区的产热特性

Pa=IUa+IUw+IUT（2）电弧的温度分布电弧各部分的温度分布受电弧产热特性的影响，电弧组成的三个区域产热特性不同，温度分布也有较大区别。电弧温度的分布特点可从轴向和径向两个方面比较：图1-31）轴向温度分布。阴极区和阳极区的温度较低，弧柱温度较高，如图1-3所示。阴极、阳极的温度则根据焊接方法的不同有所差别，见表1-3。表1-3常用焊接方法阴极与阳极的温度比较焊接方法酸性焊条电弧焊钨极氩弧焊碱性焊条电弧焊熔化极氩弧焊C02气体保护焊埋弧焊温度比较阳极温度＞阴极温度阴极温度＞阳极温度 2）径向。电弧径向温度分布的特点是：弧柱轴线温度最高，沿径向由中心至周围温度逐渐降低，如图1-4所示。图1-4（3）焊接电弧的热效率及能量密度电弧焊的热能由电能转换而来，因此电弧的功率ＰＱ可由下式表示

ＰＱ＝ＰA＝ＩＵA

式中：ＰQ——电弧的电功率；ＵA——电弧电压，ＵA＝ＵＫ＋ＵC＋Ｕa

用于加热、熔化填充材料及工件的电弧热功率称为有效热功率，表示为ＰＱ′＝ηＰＱ

上式中，η有效热功率系数（热效率系数），它受焊接方法、焊接工艺参数、周围条件等因素的影响。表１-５常用焊接方法的热效率系数焊接方法η焊接方法η焊条电弧焊埋弧焊C02气体保护焊0.65~0.850.80~0.900.75~0.90熔化极氩弧焊钨极氩弧焊0.70~0.800.65~0.702．电弧的力学特性在焊接过程中，电弧的机械能是以电弧力的形式表现出来的，电弧力不仅直接影响工件的熔深及熔滴过渡，而且也影响到熔池的搅拌、焊缝成形及金属飞溅等，因此，对电弧力的利用和控制将直接影响焊缝质量。电弧力主要包括：电磁收缩力等离子流力斑点力（１）电弧力及其作用1）电磁收缩力。这个力是由电磁场产生的，因而称为电磁力。它的大小与导线中流过的电流大小成正比，与两导线间的距离成反比。如图1-5所示。当电流流过导体时，电流可看成是由许多相距很近的平行同向电流线组成，这些电流线之间将产生相互吸引力。可变形导体（液态或气态），将使导体产生收缩，这种现象称为电磁收缩效应，产生电磁收缩效应的力称为电磁收缩力。图1-5

形成由小直径端（电极端）指向大直径端（工件端）的电弧轴向推力（见图1-6中的Ft）。而且电流越大，形成的推力越大。电弧轴向推力在工件上表现为对熔池形成的压力，称为电磁静压力。

图1-6

焊接电弧一般为锥形导体，如图1-6所示。电极端直径小，工件端直径大。由于不同直径处电磁收缩力的大小不同，直径小的一端收缩压力大，直径大的一端收缩压力小，因此将在电弧中产生压力差，电磁收缩力的作用

由电弧自身磁场引起的电磁收缩力，在焊接过程中具有重要的工艺性能。它不仅使熔池下凹，同时也对熔池产生搅拌作用，有利于细化晶粒，排出气体及夹渣，使焊缝的质量得到改善。另外，电磁收缩力形成的轴向推力可在熔化极电弧焊中促使熔滴过渡，并可束缚弧柱的扩展，使弧柱能量更集中，电弧更具挺直性。

2）等离子流力

在轴向推力作用下，将把靠近电极处的高温气体推向工件方向流动。高温气体流动时要求从电极上方补充新的气体，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，受轴向推力作用继续冲向工件，对熔池形成附加的压力。熔池这部分附加压力是由高温气流（等离子气流）的高速运动引起的，所以称为等离子流力，也称为电弧的电磁动压力。图1-8

电弧的电磁静压力形成如图1-7a所示的碗状熔深焊缝形状；电弧的电磁动压力则形成如图1-7b所示的指状熔深焊缝形状。图1-7

等离子流力可增大电弧的挺直性，在熔化极电弧焊时促进熔滴轴向过渡，增大熔深并对熔池形成搅拌作用。3）斑点力。电极上斑点处受到带电粒子的撞击或金属蒸发的反作用而对斑点产生的压力，称为斑点压力或斑点力。熔化极气体保护焊采用直流反接，可以减小熔滴过渡的阻碍作用，减少飞溅。

图1-9

阴极斑点力比阳极斑点力大。不论是阴极斑点力还是阳极斑点力，其方向总是与熔滴过渡方向相反，如图1-9所示。但由于阴极斑点力大于阳极斑点力，所以熔化极气体保护焊可通过采用直流反接减小对熔滴过渡的阻碍作用，减少飞溅。（2）电弧力的主要影响因素

1）焊接电流和电弧电压

2）焊丝直径

3）电极（焊条、焊丝）的极性

4）气体介质3．焊接电弧的稳定性

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）的程度。电弧不稳定的原因除操作人员技术熟练程度外，还与下列因素有关。（1）焊接电源（2）焊条药皮或焊剂（3）焊接电流焊接电流越大，电弧燃烧越稳定。（4）磁偏吹电弧在其自身磁场作用下具有一定的挺直性，使电弧尽量保持在焊丝（条）的轴线方向上，如图1-13所示。但在实际焊接中，由于多种因素的影响，电弧周围磁力线均匀分布的状况被破坏，使电弧偏离焊丝（条）轴线方向，这种现象称为磁偏吹，如图1-14所示。一旦产生磁偏吹，电弧轴线就难以对准焊缝中心，导致焊缝成形不规则，影响焊接质量。图1-13

图1-14

引起磁偏吹的根本原因是电弧周围磁场分布不均匀，致使电弧两侧产生的电磁力不同。焊接时引起磁力线分布不均匀的原因主要有：

图1-151）