内科大焊接技术全部

第一章电弧焊基础电弧是电弧焊接的能源，电弧能有效而简便的将电能转换为焊接过程所需的热能和机械能。第一节电弧的物理基础电弧的实质：是在一定条件下，电荷通过两极之间的气体空间的一种导电现象，简单的说就是气体放电现象，如图1-1所示；通过电弧，电能可转变为：a、热能b、机械能c、光能1、气体放电的基本概念：

1.1气体放电的必要条件:

a、导电机构—带电粒子；

b、存在电场；2、气体导电的特点：如图1-2；从图中可知，气体放电可分为非自持放电和自持放电；而自持放电又包括：a、暗放电；b、辉光放电；c、电弧放电；特点：大电流，低电压，热量多，温度高，发光强烈。被广泛的作为热源和光源应用。图2气体放电和金属导电的伏安特性A)气体放电；Ｂ）金属导电；2、电弧的导电机构：正离子和电子2.1电离：2.1.1电离：在一定条件下，中性气体分子或原子分离为正离子和电子的现象。A→A++e-；电离能(Wi)：使中性气体粒子失去电子所需的最低外加能量。[ev]；1ev=1.6×10-19J注意:⑴电离电压(Ui)；⑵分子的电离；⑶混合气体的电离电压；2.2能量的传递方式:2.2.1碰撞传能:包括弹性碰撞和非弹性碰撞;⑴弹性碰撞:这种现象是当粒子的动能较低时产生,不产生电离过程；⑵非弹性碰撞:可以产生电离过程;设：m1：碰撞粒子；m2：被碰撞粒子；碰撞时，m2所增加的能量与以下两个因素有关：A、原动能（1/2m1v12）；B、m1：m2；当m1远远小于m2时，m1能量全部传递给m2当m1=m2时，m1的一半能量传递给m2所以，当具有足够动能的电子与中性粒子进行非弹性碰撞时，容易产生电离现象。2.2.2光辐射传递：当气体粒子受到光的辐射时，可以直接提高其内能，从而产生电离。气体粒子电离条件：hγ≥Wi=eUi

其中，h：普朗克常数；h=6.625×10-27尔格.秒、Wi：电离能[J]、γ：光辐射频率、Ui：电离电压次要途径，而碰撞电离才是主要的途径。3、电离种类：热电离、电场作用下的电离、光电离；3.1热电离：气体粒子受热的作用而产生的电离；热电离的实质：碰撞电离；3.2电场作用下的电离:带电粒子的动能在电场的作用下增加到足够大时,与中性粒子发生非弹性碰撞而使之产生的电离。实质：碰撞电离；3.3光电离：中性粒子受到光辐射作用而产生的电离。hγ≥Wi=eUi；γ=C/λ；

4、电子发射：当电极表面接受一定的外加能量时，电极内部的电子可以冲破电极表面的束缚飞到电弧空间，这种现象叫做电子发射。只有阴极发射的电子才能在电场的作用下参加导电过程，所以，我们只讨论阴极电子发射。逸出功：使一个电子由电极表面发射所需的最低外加能量。用Ww表示。[ev]逸出电压：用Uw表示。[V]根据外加能量的形式不同，电子发射可分为：

4.1热发射：金属表面受热的作用而产生的电子发射现象，叫做热发射。温度越高→越易热发射；逸出功越小→越易热发射；热阴极：电极材料的沸点大于3500K，这种电极可以承受高温，它的电弧的阴极区主要以热发射提供电子。常见的热阴极有：W（5950K）；C（4200K）冷阴极：电极材料的沸点小于3500K，如Fe（3008K）、Cu（2868K）、Al（2700K）、Mg（1375K）4.2电场发射：当金属表面空间存在一个正电场时，阴极内的电子因受电场力的作用而飞出电极表面的现象。4.3光发射：电极表面因受光辐射的作用而使电子冲破电极表面的束缚飞出的现象。光发射的条件：hγ≥eUw光发射居次要地位。4.4碰撞发射：当高速运动的粒子碰撞电极表面时，将其能量传递给电极表面的电子，使其能量增加而脱离电极表面的束缚飞出的现象。当正离子撞击阴极时，要使阴极发射一个电子，必须对阴极表面施加两倍的逸出功。5、负离子的产生：在一定的条件下，有些中性的原子或分子能吸附一个电子，从而形成负离子，同时释放出电子亲和能。负离子一般存在于电弧的周边地区等低温地带。负离子的产生一般会使电弧的稳定性下降。6、带电粒子的扩散与复合：当电弧稳定燃烧时，带电粒子不断产生和运动的同时也不断的消失，即处于一种动态的平衡状态。消失的途径有：扩散和复合；6.1扩散:6.2复合:A++e→A+Wi7、电弧中的各区域及电压分布：根据电弧各个部位的物理特性和作用，可将其分为三个区域：

阴极区、阳极区和弧柱区；阴极区：阴极附近的微小区域，其电压叫做阴极压降UK；阳极区：阳极附近的微小区域，其电压叫做阳极压降UA；弧柱区：阴极区与阳极区中间的部分，其电压叫做弧柱压降UC；电弧电压U=UK+UA+UC7.1弧柱区：

特点：①温度高达5000~50000K；②因为温度较高，所以带电粒子的产生以热电离为主，并伴有扩散和复合与之平衡。③呈电中性，即在数目上：e+A-=A+④弧柱具有低电压和较大的电流。⑤I弧柱=99.9%I电子+0.1%I正离子7.2阴极区：特点：①区间很小，仅为10-4~10-6cm；②阴极区的主要任务：发射电子，向弧柱提供所需的电子，同时接收弧柱区来的离子流。③Ⅰ当阴极采用W、C等高熔点材料且电流较大时，以热发射为主。Ⅱ当阴极采用Fe、Al、Cu等熔点较低材料或用W、C等高熔点材料但电流较小时，以电场发射为主。原因：见书P21图1-11；④阴极斑点：电弧放电时，负电极表面上集中发射电子的微小区域，该区域具有明显的光的特点，叫做阴极斑点。特点：Ⅰ它是集中发射电子的地方，它的温度高，热量集中。Ⅱ阴极斑点具有“粘着”和“跳跃”特性。见书P24图1-14；Ⅲ阴极斑点有自动寻找温度高、发射能力强的物质；（阴极斑点有自动寻找氧化膜的倾向）x-原斑点位置y-新斑点位置图1－14阴极斑点的粘着作用7.3阳极区:特点:①区间也很小，在10-2~10-3cm范围；②主要任务：接收由弧柱流来的电子流，向弧柱提供正离子流；③阳极本身不发射正离子，正离子由阳极区以电离的形式产生：Ⅰ当电弧的电流较小时，阳极区产生电场作用下的电离，如图1-12；Ⅱ当电流较大，阳极温度较高时，阳极区产生热电离。④阳极斑点：电弧放电时，正电极表面集中接受电子的微小区域，该区域也有明显的光的特点，叫做阳极斑点。特点：Ⅰ阳极斑点是热量集中、温度高、易产生金属蒸汽的地方。Ⅱ阳极斑点也有“粘着”和“跳跃”特性；Ⅲ阳极斑点有自动寻找纯金属而避开氧化膜的倾向。(大多数氧化物的熔点均高于纯金属)8、最小电压原理：为什么空载电压U0=70~90V比较高，而一旦燃烧，电弧电压就会下降（U≈20~30V）？在电流不变和周围条件一定的情况下，稳定燃烧的电弧将自动选择一个确定的导电断面（其大小可用直径来表示），以便在此条件下电弧的电场强度最低，亦即在固定长度上的电压最小，确保电弧在此条件下单位长度上的能量损耗最小。电弧具有保持最小能量消耗的特性。单位长度电弧上产生的热量等于IE（I—电弧电流，E—电弧电场强度），它与热消耗的能量相平衡。当电流一定时，电场强度的大小即代表了电弧产热量的大小，因此，能量消耗最小时的电场强度最低，就是在固定弧长上的电压最小，这就是最小电压原理。正是这一原理（特性），使得电弧在一定条件下有一确定的断面直径，否则，电弧就无法处于稳定燃烧的动平衡状态。

9、电弧的静特性：9.1定义：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，焊接电流与焊接电压之间的变化关系，叫做电弧的静特性，也称为伏—安特性；表示这种特性的曲线叫做静特性曲线，简称“U”曲线；如图P26图1-17所示；有三个区域：A区：当电流很小时，电弧呈负阻特性，I↗→U↘；B区：当电流中等时，电弧呈平特性，I↗→U不变；C区：当电流较大时，电弧呈上升特性，I↗→U↗；图1－17电弧的静特性9.2影响电弧静特性的因素：内因：①弧长的影响：其中UC：弧柱压降；IC：弧柱电流，ρ：弧柱密度；s：弧柱的截面积；j：弧柱的电流密度；l：弧长；如图P26图1-18②电弧介质的影响：Ⅰ气体介质的电离电压；Ⅱ气体介质的热物理性能：图1－18电弧的长度对电弧静特性的影响外因：①电弧周围压力的影响：P↗→U↗

②周围温度：T↘→U↗(冷却作用增强)思考题：什么是电离，什么是电子发射？什么是电离能和逸出功？电子发射、电离有什么区别？哪个需要的能量大？电离和电子发射各有哪些类型？如果阳极和阴极表面有氧化膜存在，那么阳极斑点和阴极斑点哪个稳定？为什么？5.最小电压原理？第二节焊接电弧的热与力焊接电弧既是热源又是力源，都是由电能转变而来的。1、电弧热：由于电弧三个部分的导电机构不同，所以三个部分的产热机构也不同。1.1弧柱区的热:由两种方式转换而来：①复合产生；②碰撞产生的动能以热能形式释放；弧柱的热量只有很少一部分通过辐射传递给焊材，大部分热量以对流、传导、辐射的形式损失了，其中，对流损失占80%，而传导和辐射占10~20%；1.2阴极的热：阴极的产热公式：PK=I（UK-UW-UT）其中，PK：阴极区的总能量；UK：阴极压降；UW：逸出电压；

UT：弧柱温度的等效电压；PK主要用于：①加热或熔化阴极；②散热损失；1.3阳极区的热：阳极产热公式：PA=I（UA+UW+UT）其中，PA：阳极区的总热量；UA：阳极压降；PA一般用于阳极的加热和熔化，或散失了；一般情况下，PA＞PK；2、电弧的有效功率和能量密度：2.1电弧的有效功率：电弧的总功率Q0：Q0=IU；电弧的有效功率Q：Q=ηIU这里η：电弧的有效功率系数，它与焊接方法、焊接规范及周围条件有关，如书P29表1-9所示，埋弧焊的η=0.80~0.90，较大；弧焊方法η药皮焊条手工焊0.65~0.85埋弧自动焊0.80~0.90CO2气体保护焊0.75~0.90熔化极氩弧焊0.70~0.80钨极氩弧焊0.65~0.70表1－9各种弧焊方法的热效率系数2、电弧的温度分布：如图P30图1-21所示；弧柱的温度最高；一般情况下，阳极温度高于阴极温度；在弧柱中，总是靠近电极电弧直径小的一端温度高。影响电弧温度主要因素：①I：I↗→T↗；②气体介质Ui：Ui↗→T↗；图1-21

电弧温度、电流密度和能量密度的轴向分布

温度电流密度能量密度3、电弧力及影响电弧力的因素：电弧产生的机械作用力与焊缝的熔深、熔池的搅拌、熔滴过渡以及焊缝的成型有直接的关系。3.1电弧力：3.1.1电磁力：分为径向力和轴向力；①径向力（电磁收缩力）：我们知道：两根距离不远的平行导线若电流同向，则两线相互吸引；两根距离不远的平行导线若电流反向，则两线排斥，如图1-22所示；电磁收缩效应：认为电弧为圆柱体，电流可以看成是许多相互平行的电流线组成，它们相互吸引，使导体断面有收缩倾向，这种现象叫做电磁收缩效应。由此而产生的力叫做电磁收缩力Fr；图1-22两平行导线之间的电磁力示意图同向电流产生吸引力异向电流产生排斥力其中，K：系数而μ：介质磁导率Fr：径向合力图1-23②轴向力：实际电弧形状并不是圆柱体，而是断面直径变化的圆锥状的气态导体，锥顶在焊条一端，锥底在工件一端。轴向力（F推）：由于直径不同，在焊接电弧轴向各处之间将引起压力差，从而产生从焊条指向工件的推力。F推=其中，Rb：锥形弧柱的下底半径；Ra：锥形弧柱的上底半径；F推：方向始终是由小断面指向大断面，即指向工件；电磁力是由径向力和轴向力合成而得的。Ft图1－243.1.2等离子流力（P离）：在F推的作用下，使电弧中的高温气流（等离子流）高速冲向熔池表面而形成的气流冲击力。如书P33图1-27说明：①又叫电弧的电磁动压力；②方向始终是指向工件；（由小截面指向大截）③上下截面差越大，则等离子流力越大；④在电弧的中心线上等离子流力最大，并且电流越大，它就越大；图1-27等离子流形成示意图3.1.3斑点压力：如书P34图1-30所示；它包括三种力：①正离子与电子的撞击力；其中，阳极接受电子的撞击，阴极接受正离子的撞击。②电磁收缩力：如图1-31所示；③金属蒸汽的反作用力：综上所述：阴极斑点力大于阳极斑点力；阴极斑点图1-30斑点压力示意图图1－31斑点的电磁收缩力3.1.4爆破力：

有害的力，主要产生于短路时；如书P34图1-32所示；3.1.5细熔滴的冲击力：主要产生在MIG焊，熔滴较细，在焊丝末端脱落进入电弧空间时，被等离子流力加速而高速向熔池过渡产生的冲击力。它的加速度是重力加速度的50倍以上。以上五种力是主要的电弧力，除此之外，还有气体吹送力、重力、表面张力等。3.2影响电弧力的因素：①气体介质：导热性强、多原子气体、比重小的气体等均会使电弧收缩→电弧力增加；②电流与电压：电流增加→电弧力增加；电压增加→弧长增加→电弧力分散→电弧力减小；③焊丝直径：越细→电流密度增加→电弧力增大；④极性：电极的机性对不同焊接方法的电弧力的影响不同⑤电极端头的几何形状：越尖→导电区越小→电弧的收缩越大→电弧力增大；⑥电流的脉动：电流脉动→热量间歇→电弧的平均能量小→电弧力减小；当脉冲频率越大，脉冲电流越小，则电弧力越小。但当频率大于几千HZ时，会使电弧压力增大；第三节磁场对电弧的作用1、自身磁场的作用：任何流通电流的导体都会在其周围产生磁场；如图1-42；作用：1.1有利的一面：产生刚直性：电弧作为一个柔体抵抗外界的干扰，力求保持焊接电流沿焊条轴线方向流动的性能；如图1-43；产生刚直性的原因：自身磁场→Fr→刚直性；I越大→Fr越大→刚直性越强；电弧的刚直性越强，电弧的指向性就越好，抗外界干扰的能力也越强，即使焊炬倾斜，电弧仍能沿电极轴向指向工件，如图所示。焊接电弧挺度示意图a)垂直电弧b）倾斜电弧焊条焊条1.2不利的一面：产生磁偏吹；磁偏吹：当某种原因使自身磁场的磁力线分布的均匀性受到破坏时产生，这种由自身磁场不对称而使电弧偏离焊条轴线的现象叫做磁偏吹。偏吹到磁力线稀疏的地方；如图所示；1.2.1产生磁偏吹的原因：

①导线的接线位置引起的磁偏吹：形成的磁偏吹使电弧远离接线一方。如果使焊条向右倾斜，如图b所示，调整一下电弧作用两侧空间的大小，使两侧的磁力线趋向平衡，可减小磁偏吹的程度。如图所示；b)a)②电弧附近的铁磁物质引起的磁偏吹：偏向铁磁物质；如图所示；铁磁物质越大，距离越近，电弧的磁偏吹程度越大。图1-41③在焊接时，当焊接电弧走到钢板的端部时，发生电弧向钢板一侧的磁偏吹现象；如图1-42所示；电弧磁偏吹起因示意图1.2.2交流电弧的磁偏吹：比直流电弧的磁偏吹显著减弱。1.2.3磁偏吹的危害：使焊接过程不稳定，焊接过程难以操作，焊缝成型不良；1.2.4减小磁偏吹的方法：①用交流代替直流②用短弧焊③对于长、大工件采用多线接地④焊前消除剩磁⑤用厚皮焊条代替薄皮焊条⑥避免周围铁磁物质的影响思考题：1、焊接电弧的电磁收缩力、轴向电磁推力、等离子流力是怎样形成的？2、分析焊接电弧的磁偏吹产生的原因和消除的方法？第二章焊丝的加热熔化及熔滴过渡在熔化极电弧焊过程中，焊丝金属在焊缝中占相当大的份额（约30~80%），所以焊丝熔化的快、慢、多、少以及熔滴过渡状态对电弧的稳定性、焊接质量及焊接生产率起重要作用；第一节焊丝的加热与熔化1、焊丝的加热与熔化特性：焊丝的熔化热由两部分组成：①电弧热（阴极区和阳极区的热）：占主要地位（占95~100%）；②电阻热：1.1电弧热：直流正接：焊丝接电源负极作为阴极；工件接电源正极作为阳极；直流反接：焊丝—阳极；工件—阴极；①直流正接：阴极热量用于加热、熔化焊丝：PK=I（UK-UT-UW）=Ium；其中Um为焊丝熔化的等效电压；②直流反接：阳极热量用于加热、熔化焊丝：PA=I（UA+UT+UW）=Ium；当弧柱温度为6000K时，则UT＜1V；当电流密度较大，则UA≈0；以上两式可以简化为：PK’=I（UK-UW）；PA’=IUW；结论：当反接时，PA’=IUW，热量主要取决于I和UW，当它们一定时，则焊丝的加热与熔化情况是固定的；当正接时，PK’=I（UK-UW），而UK受很多因素的影响而变化，所以此时焊丝的加热与熔化情况是变化的；在熔化极气保焊中，冷阴极居多，所以UK远远大于UW，所以PK’远远大于PA’，即阴极的热大于阳极的热，在散热条件相同的情况下，直流正接比直流反接焊丝熔化的快；当ρ较大时（如：钢、钛），并且细丝、大电流时，电阻热不可忽略；1.2电阻热：如下图所示：所以，综上所述：用于加热、熔化焊丝的总热量为：Pm=Ium+I2RS2、焊丝熔化参数：

2.1熔化系数αm：单位电流、单位时间内焊（焊丝）熔化量；

单位：[g/A.h]；一般常用焊条的αm为8~13；2.2熔敷系数αf：单位电流、单位时间内，焊丝（焊芯）熔敷在焊缝上的金属量。它标志着焊接过程的生产率；

单位：[g/A.h]；一般常用焊条的αf为7~12；与熔化系数的关系：αf＜

αm；2.3飞溅率：焊丝（焊芯）在熔敷过程中，因飞溅损失的金属重量与熔化的焊丝（焊芯）金属重量的百分比ψ：2.4熔敷效率：熔敷金属量与熔化的填充金属量的百分比；熔敷效率=在焊条中加入30%以上的铁粉，铁粉在焊接时熔化并过渡到焊缝中去，增加了熔敷金属量，所以熔敷效率增大；普通焊条的熔敷效率为90%左右，加入铁粉后可达130%左右；第二节

熔滴的受力分析及过渡形式

1、熔滴上的作用力：在电弧热的作用下，焊丝或焊条端头的熔化金属形成熔滴，在各种力的作用下向母材过渡；1.1表面张力：在焊条端头上保持熔滴的主要作用力，用Fσ表示；如图2-7所示；Fσ=2πRσ；其中：R：焊丝半径；σ：表面张力系数，它与材料的成分、温度、气体介质等因素有关；当金属表面有活性物质时（O、S等），则σ↓当T↑则σ↓；1.2重力：方向：始终向下；用Fg表示；如图所示平焊位置时，重力促进熔滴过渡；立、仰、横焊时，重力阻碍熔滴过渡；当焊丝较粗，电流较小时，则以上两个力在熔滴过渡过程中起主要作用；假设：熔滴为球形，则：Fg=mg=4/3πr3ρg：其中：r：熔滴半径；ρ：熔滴密度；m：熔滴质量；g：重力加速度；当平焊时，Fg＞

Fσ时，熔滴就开始脱离焊丝；所以熔滴脱离之际r为多少？Fg=Fσ→2πRσ=4/3πr3ρg；所以：则，σ/ρ↓→r↓；熔滴越细；1.3电磁力：当电流增大时，电磁力是影响熔滴过渡的主要的力；1.3.1轴向力:如图2-9所示；分部位加以分析：在焊丝与熔滴连接的缩颈处：（所形成的轴向力F推1表示）如图所示2力；F推1=其中，dD为熔滴直径；dS为焊丝直径；F推1方向：始终由小截面指向大截面，在此处为向下，它是促进熔滴过渡的力；在熔滴与弧柱之间：（所形成的轴向力F推2表示）；如图2-9所示；

F推2=其中，dG为弧根面积的直径；当dG＜dD时，F推2的方向由弧根指向熔滴，方向向上，则阻碍熔滴过渡；如图中力4所示；当dG＞dD时，F推2的方向由熔滴指向弧根，方向向下，则促进熔滴过渡；1.3.2径向力Fr:在焊丝端头剪断熔滴，促进熔滴过渡；如图2-9中Fcj力；1.4等离子流力：强烈的促使熔滴脱离焊丝端头，并对已脱离焊丝处于电弧空间的熔滴进行加速；电流↑、焊丝直径↓→等离子流力↑；等离子流力不受焊接位置的影响，永远促进熔滴过渡；1.5斑点压力：①离子的撞击力；②金属蒸汽的反作用力；这两个力的方向是指向斑点的，所以阻碍熔滴过渡；③电磁收缩力：当斑点面积较小，小于熔滴直径，那么它的方向指向熔滴，所以阻碍熔滴过渡；当斑点面积较大时，大于熔滴直径，那么它的方向指向斑点，故促进熔滴过渡；综合考虑以上三个力：斑点压力总的来说是阻碍熔滴过渡；1.6气体吹送力:气体总是由焊丝冲向工件,所以此力是促进熔滴过渡的;1.7爆破力:主要造成飞溅,破坏熔滴过渡的轴向性,它是无方向的,是有害的力;思考题：1.平焊位置，熔滴直径大于焊丝直径，弧根直径大于焊丝直径，分析熔滴过渡所收到的力？（画图说明）2、熔滴过渡的主要形式及其特点：

熔滴过渡：熔焊时，在焊条（焊丝）端头形成熔滴通过电弧空间向熔池转移的过程；按照熔滴过渡的形态可将其分为：自由过渡、接触过渡、渣壁过渡；2.1自由过渡：熔滴经电弧空间自由飞行，焊丝端头与熔池之间不发生直接的接触；自由过渡又可分为：滴状（颗粒状）过渡、喷射过渡、爆炸过渡；2.1.1滴状过渡:熔滴直径≥焊丝直径，熔滴体积大，数量少；根据熔滴的大小，又可分为大滴过渡和细颗粒过渡；①大滴过渡：特点：熔滴直径>焊丝直径，熔滴体积大，数量少；条件：高电压、小电流A）大滴滴落过渡：如在Ar气介质中，由于E较小，所以弧根扩展，在熔滴下部分布是对称的，从而形成大滴滴落过渡；如图所示；大滴滴过渡过程示意图B）大滴排斥过渡：如在CO2介质中，由于CO2高温分解吸热，造成电弧收缩，从而使斑点压力增加，阻碍熔滴过渡，同时在此力的作用下，不但颗粒大，而且往往上扰，形成大滴排斥过渡，同时造成飞溅和电弧不稳；

大滴排斥过渡②细颗粒过渡：条件：高电压、当电流增大时（CO2焊）；特点：熔滴较细（熔滴尺寸一般也大于熔滴的直径，过渡频率较高，电弧较稳定，飞溅少；如图所示；细颗粒过渡2.1.2喷射过渡：特点：熔滴直径小于焊丝直径，体积小，数量多；它又包括喷滴型、射流型、旋转射流型；①射流过渡：射流过渡形成条件与过程：条件：在Ar或富Ar的保护气氛中，直流反接，电流大于临界电流值；从过程中来解释条件：如图P54图2－18；Ⅰ当电流较小时，为大颗粒过渡，斑点在熔滴底部，如图a所示；Ⅱ当电流增大，则斑点的尺寸增大，可以扩展到熔滴的上部，即a点，此时熔滴被拉成细颈，如图b所示，在细颈处具备了形成阳极斑点的条件，即b点，根据最小电压原理，电弧就跳到b点，形成c图；跳弧现象：电弧的阳极斑点瞬时从熔滴的上部跳到缩颈根部的现象；临界电流：发生跳弧现象的最小电流值，用I临表示；Ⅲ当第一个较大的熔滴脱落后，电弧呈现图d状态，即在焊丝端部呈“笔尖”形，在各种电弧力的作用下，尖端细小的熔滴不断的快速进入熔池，从而形成射流过渡；为什么在Ar或富Ar的保护气氛中，直流反接，电流大于临界电流值这三个条件下才会发生射流过渡？1.在Ar或富Ar的保护气氛中是由于此种保护气氛的电场强度低，电弧容易扩展，容易产生跳弧现象。2.直流反接：焊丝接电源正极，在焊丝端部产生阳极斑点，斑点压力小，容易产生跳弧现象。3.电流大于临界电流值：必要条件，电流大于临界电流值时，才产生跳弧现象。C)射流过渡的特点：焊丝端部呈“笔尖”形，熔滴细小，过渡频率可达500次/秒，沿轴向过渡；如图所示：射流过渡②射滴型：熔滴的直径接近焊丝直径，沿轴向过渡，加速度大于重力加速度。如图所示：③旋转射流：当电弧的电流很大，或干伸长过长，会使熔滴液柱旋转，引起飞溅，成型不良；如图所示：射滴型

旋转射流型

2.2、接触过渡：熔滴与熔池接触后，才脱离焊丝端部的过渡形式：2.2.1短路过渡：形成条件：低电压（弧长小）因为电压小，所以弧长短，熔滴未来的及与焊丝脱离就与熔池短路接触，由于强烈的过热和磁收缩作用使熔滴破断，直接向熔池过渡的形式；如图所示；短路过渡A)短路过渡的过程：如图2-11所示：短路液柱在Fr和Fσ作用下，很快形成短路小桥，然后拉断它，之后再引燃电弧；所以短路过渡的过程为：熔滴的形成和长大－短路－小桥破断－再引燃；周而复始，频率可达50~100次／秒；C)短路过渡过程中的热与力：伴随着“燃弧－熄弧”的交替进行，电弧热也有一定的变化规律：短路阶段（熄弧）－仅有电阻热（熔池温度下降，相当于冷却）；燃弧阶段（燃弧）－主要是电弧热（熔池温度上升，相当于加热）；所以：短路过渡是“加热－冷却”交替进行，周而复始；为此，短路过渡适于薄板和全位置焊接；D)短路过渡的电流与电压的波形图：如图2-29所示：⑴为引燃的瞬间，所对应的I=Imax;⑵为电弧燃烧，析出热量，形成熔滴，I↓;⑶熔滴长大，电流进一步减小；⑷随着熔滴的长大，电流减小，从而使V熔↓；所以有V熔＜V送，造成短路，此时I=Imin,电压急剧下降；⑸I短↑→形成短路液柱；⑹随着I短↑→电弧力↑→形成短路小桥；⑺当I短=Imax，小桥断开，电压升至空载电压，电弧又引燃；

t1~燃弧时间t2~短路时间t3~拉断熔滴后的电压恢复时间T~短路周期T=t1+t2+t3Imax~最大电流，也称短路峰值电流Imin~最小电流Ia~平均焊接电流Ua~平均焊接电压2.2.2搭桥过渡：当TIG焊时，W极作为电极，焊丝作为填充材料，所以焊丝与工件之间不引燃电弧，我们将此时的接触过渡叫做搭桥过渡；如图所示；搭桥过渡2.3、渣壁过渡：埋弧焊或手工电弧焊，熔化金属沿着熔渣的内壁或沿焊条药皮的内壁的过渡形式；2.3.1沿熔渣壳过渡：2.3.2沿药皮的内壁过渡：沿熔渣壳过渡沿药皮的内壁过渡表2-2熔滴过渡分类及其形态特征表2-2（承上）3、熔滴过渡的飞溅及其影响因素：3.1短路过渡飞溅的特点：如图2-37所示；A)短路小桥爆断引起的飞溅：由Imax决定；当I较小时，减小Imax，可以减小飞溅率，如图a所示；当I中等时，小桥的位置对飞溅的影响很大；缩颈出现在焊丝与熔滴之间：飞溅小，增大L可以保证此种情况，如图b所示；缩颈出现在熔滴与熔池之间：飞溅大，L小会出现此种情况；如图c所示；B)固体短路爆断而引起的飞溅：送丝速度较大、电压较小、电感过大时容易产生；如图d所示；C)熔池金属受猛烈冲击而形成的飞溅：如图e所示；D)大电流焊接时短路，飞溅较大，如图ｆ所示；细丝小电流时中等电流大电感时中等电流小电感时固态短路时潜弧焊短路时f)大电流焊接短路3.2颗粒状过渡飞溅的特点：如图2-39所示；A)当用CO2、CO2+O2、CO2＋Ar（CO2的含量应大于30%），小电流高电压时，会出现熔滴上挠现象，如图a所示；；B)当电流再增加时，形成细颗粒过渡，此时飞溅小，但在焊丝与熔滴之间，有时也会产生瞬时缩颈，缩颈因过热而爆断，形成细小的飞溅；如图b所示；C)在细颗粒过渡时，当焊丝的含碳量较大或焊丝、工件清理不良时，在熔化的金属内部会形成大量的气体（CO2、CO），聚集到一定程度而爆炸形成细小的飞溅；如图c所示；在大颗粒过渡时，熔滴内气体膨胀而引起爆炸，从而造成较大的飞溅；如图d所示；a)斑点力使熔滴上挠造成的飞溅b)细颈处通过大电流时c)气体析出时d)熔滴内气体膨胀时e)熔滴在电弧空间形成串联电弧时3.3射流过渡飞溅的特点：在正常情况下，飞溅率非常小，仅为1%左右；在非正常情况下，发生旋转射流时，飞溅极大；如图所示；4、熔滴过渡的控制：对于薄板、全位置焊接，一般采用熔化极氩弧焊的喷射过渡，怎样在较小的焊接电流下（对于薄板不至于焊穿，对于全位置不至于流淌）可达到喷射过渡呢？采用熔化极脉冲氩弧焊；如图2-43所示；焊接电流以一定的频率变化，可控制焊丝的熔化和熔滴过渡，在较小的电流下实现稳定的射流过渡，只要Imax＞I临，而I平＜I临即可；思考题：什么情况下PK＜PA?什么情况下PK＞PA？分析其原因？什么是熔化系数？其影响因素是什么？相同的焊接规范下粗丝和细丝哪个熔化速度快？哪个熔化系数大？哪个熔滴细？分析手工电弧焊在仰焊位置时，焊丝直径小于熔滴直径，弧根直径小于熔滴直径，熔滴过渡所受到的力（即促进熔滴过渡和阻碍熔滴过渡的力）？常见的熔滴过渡形式有哪几种，举例说明哪种工艺常用哪几种形式的熔滴过渡？第三章母材的熔化与焊缝的成形第一节母材的熔化与焊缝的成形1、母材的熔化和热输入：1.1母材：被焊的材料（工件、焊件）；在熔化焊时，组成焊缝的熔化金属有两部分组成：ⅰ由焊丝熔化而得的熔化金属（有时没有此部分）ⅱ由母材熔化而得的熔化金属；以上两部分熔化金属混合在一起组成熔池，冷却以后形成焊缝；熔池不断的移动和更新，不断的冷却形成焊缝，所以要获得一条形状和尺寸均完好的焊缝，就要保证熔池的形状和尺寸不变。而熔池的形状、尺寸和运动又与母材的熔化有关；1.2母材的熔化热：主要是电弧热：直流正接：用于加热母材的热为PA；直流反接：用于加热母材的热为PK；用直流电焊接时，一般可用以下公式计算母材的热输入：q=0.24ηIUη:热效率系数埋弧焊的η最高：η＝0.8~0.9;1.3熔池的形状：电弧正下方熔化的液态熔池金属在电弧力（电磁收缩力、等离子流力等）、熔滴冲击力的作用下，克服重力和表面张力被推向电弧移动的后方，并在电弧力、重力和表面张力等共同作用下保持有一定的液面差，形成了具有一定形状和尺寸的熔池，如图所示。1.4熔池的温度：母材过热熔化形成熔池；一般熔池的温度比熔滴低200℃左右，但比母材的熔点高；例如：钢的熔池的温度为1700~2100℃;（过热200～600℃）铝的熔池的温度为900~1200℃;（过热250～550℃）熔池的温度分布不均匀，如图所示。根据温度分布情况，可把熔池分为两部分：头部和尾部。

熔池形状示意图

1-电弧2-液体金属3-已凝固的焊缝金属H-熔池深度B-熔池宽度L-熔池长度h-余高熔池内沿焊缝纵向轴线上的温度分布示意图1-熔池头部2-熔池尾部2、焊缝的主要尺寸和形状系数：2.1主要尺寸：如图3-1所示熔深（H）：在焊缝横截面中，从焊趾连线到焊缝背面的距离；熔宽（B）：在焊缝表面两焊趾之间的距离；余高（a）：焊缝表面焊趾连线上面那部分金属的高度；焊趾：焊缝表面与母材交界处；2.2形状系数：2.2.1成形系数（φ）：φ大：则焊缝宽而浅；

φ小：则焊缝深而窄；

一般要求φ＞1（B＞H）:

例如：手工电弧焊φ＝1~2；埋弧焊φ＞1.25；

堆焊φ可达到10;2.2.2焊缝的增高系数（τ）：余高存在的优点：ⅰ避免熔池金属收缩时形成缺陷；ⅱ可增大焊缝截面，提高承受静载的能力；余高存在的缺点：在动载或交变载荷下，不能起加强作用，反而易于促使脆断；一般τ

≥4~8;2.2.3焊缝的熔合比γ：熔焊中，被熔化的母材部分在焊缝金属中所占的比例。（用面积代表质量）Fm:母材熔化的横截面积；FH:填充金属的横截面积；可用调整γ来改变焊缝的化学成分，从而调整接头的性能；一般0≤γ≤1；γ=0.1~0.85

第二节焊缝成形的基本规律1、电弧能量参数对焊缝成形的影响：1.1焊接电流的影响：当I↑→H↑、a↑、B基本不变；交流埋弧焊电流对焊缝尺寸的影响电弧电压：36~38V焊丝直径：5mm焊速：40m/h1.2焊接电压的影响：当U↑→B↑、H↓、a↓;所以，为了得到合适的焊缝成形，通常在增加焊接电流的同时，也适当增加焊接电压，使H、B、a改变均匀；

交流埋弧焊电压对焊缝尺寸的影响电弧电流800A焊丝φ5mm焊速40m/h

1.3焊接速度V焊：V焊↑→qm/v↓（焊接线能量）→H↓、B↓、a↓；V焊↑→焊接生产率提高；所以，焊接速度的选择应考虑以上两个方面的因素综合考虑；交流埋弧焊焊速对焊缝尺寸的影响2、其它工艺条件的影响：（I、U、V焊基本不变的情况下）2.1焊丝直径ds：ds↓→H↑、a↑、B↓;2.2焊丝干伸长L干：L干↑→a↑；（当ρ较大、S较小、L干较大时，此种影响就越大）2.3电极（焊丝）的倾角：2.3.1前倾：如图所示；前倾会使H↓、B↑、a↓，并且前倾角度越小，这一影响越明显；2.3.2后倾：如图3-18a所示；后倾与前倾的情况相反，它使H↑、B↓、a↑；电极倾角对焊缝成形的影响a)前倾b)后倾c)倾角影响2.4工件的倾角：2.4.1上坡焊：如图所示；重力有助于熔池金属向尾部排，所以H↑、B↓、a↑；上坡焊的倾角α＞6°~12°时，易产生咬边；2.4.2下坡焊：如图所示；它使H↓、B↑、a↓，α过大时，则熔深不足，焊缝流溢；2.5坡口和间隙：当坡口、间隙的尺寸增大时→a↓、γ↓；可以用此方法控制a、调整熔合比，从而控制性能；坡口和间隙对焊缝成形的影响第四节焊缝成形的缺陷及产生原因焊缝成形缺陷常见的有：未焊透、未熔合、烧穿、咬边、焊瘤等；1.未焊透：熔焊时，接头根部未完全焊透的现象。原因：①焊接电流小；②焊速过高；③坡口尺寸不合适；④焊丝未对准焊缝中心；2.未熔合：熔焊时，焊道与母材之间或焊道与焊道之间，未能完全熔化结合的部分叫做未熔合；原因：熔池金属在电弧力的作用下被排向尾部而形成沟槽，沟槽处容易产生未熔合；3.烧穿：熔焊时，熔化金属自焊缝背面流出，形成穿孔的现象叫做烧穿；原因：①焊接电流过大；②焊速过小；③间隙、坡口尺寸过大；4.咬边：熔焊时，在沿着焊趾的母材部位，烧熔形成凹陷或沟槽的现象叫做咬边；原因：大电流、高速焊时比较容易出现咬边；5.焊瘤：熔焊时，熔化金属流淌到焊缝以外未熔化的母材上形成金属瘤的现象叫做焊瘤，也叫做满溢；原因：①填充金属过多；②焊速过低；③间隙、坡口尺寸小；④电压过小或焊丝伸出长度过大；此外，还有凹坑、塌陷等缺陷；凹坑：焊后在焊缝表面或背面形成的低于母材表面的局部低洼部分；塌陷：单面熔化焊时，由于焊接工艺不当，造成焊缝金属过量透过背面，使焊缝正面塌陷，背面凸起的现象叫做塌陷；第五节焊缝成形的控制主要考虑平面内直缝的焊接：1、平焊：主要考虑保证根部的完全焊透，为此可以采用双面焊、单面多道焊、单面焊双面成形；单面焊双面成形：A)自由成形：靠表面张力与重力、电弧力相平衡达到双面成形，此时所焊的板厚是有限的；B)衬垫承托的强制成形：适用于厚板；2、立焊、横焊：可以自由成形、也可以强制成形；例如：立焊的强制成形：如图所示；3.曲面焊缝的焊接：最常见的是环形焊缝的焊接，如：筒节与筒节或筒节与封头之间的环缝的焊接；3.1焊头固定：工件转动、焊头固定的条件下焊接；为保证熔池始终位于接近水平位置，焊丝应逆工件旋转方向偏移一段距离，如图所示；3.2全位置焊接：工件固定、焊枪绕工件转动进行全位置焊接；一般采用小电流、细焊丝、多层焊，并且随时改变焊条或焊枪的角度、运条方法及焊接线能量参数来控制焊缝成形；先内后外，内爬外溜

环缝焊接时的焊丝位置思考题：什么是熔合比？熔合比的大小对焊缝质量有何影响？试举例说明在生产实践中采用什么方法调节熔合比的大小？焊接电流、焊接电压、焊接速度各对焊缝成型有什么影响？为什么？其影响规律如何？什么是上坡焊、下坡焊？各对焊缝成型有何影响？为什么？补充内容：常用的焊接名词术语；

1.一般术语：1.1坡口：根据设计或工艺需要，在焊件的待焊部位加工的一定几何形状的沟槽；1.2钝边：焊件开坡口时，沿焊件厚度方向未开坡口的端面部分；1.3焊接接头：用焊接方法连接的接头，包括：焊缝、熔合区和热影响区；1.4热影响区：焊接或切割过程中，材料因受热的影响（但未熔化）而发生金相组织和力学性能变化的区域；1.5熔合区：焊接接头中，焊缝向热影响区过渡的区域；1.6焊脚：角焊缝的横截面积中，从一个焊件上的焊趾到另一个焊件表面的最小距离；1.7预热：焊接开始前，对焊件的全部（或局部）进行加热的工艺措施；1.8后热：焊接后立即对焊件的全部（或局部）进行加热或保温，使其缓冷的工艺措施。它不等于焊后热处理；1.9焊后热处理：焊后，为改善焊接接头的组织和性能或消除残余应力而进行的热处理；2.熔焊名词术语：2.1熔池：熔焊时，在焊接热源的作用下，焊件上所形成的具有一定几何形状的液态金属部分；2.2弧坑：弧焊时，由于断弧或收弧不当，在焊道末端形成的低洼部分。2.3焊道：每次熔敷所形成的一条单道焊缝。2.4焊层：多层焊时的每一个分层。每个分层可由一条焊道或几条并排相搭的焊道所组成。2.5焊接位置：熔焊时焊件接缝所处的空间位置，有平焊、横焊、立焊和仰焊等位置。2.6窄间隙焊：厚板对接接头，焊前不开坡口或只开小角度坡口，并留有窄而深的间隙，采用气体保护焊或埋弧焊的多层焊完成整条焊缝的高效率焊接方法。3.焊接缺陷术语：3.1夹渣：焊后残留在焊缝中的熔渣。3.2夹杂物：由于焊接冶金反应产生的，焊后残留在焊缝金属中的非金属杂质（如氧化物、硫化物）。3.3热裂纹：焊接过程中，焊缝和热影响区的金属冷却到固相线附近的高温区产生的焊接裂纹。3.4冷裂纹：焊接接头冷却到较低温度下（对钢来说在Ms点以下）时产生的焊接裂纹。第四章手工电弧焊1、手工电弧焊(shieldedmetalarcwelding-SMAW)：用人手操作焊条进行焊接的电弧焊方法，如图所示；焊条：药皮＋金属芯；药皮的作用：①保护焊接区（气、渣联合保护）；②如焊条药皮添加金属粉，可向焊缝提供附加填充金属；金属芯的作用：①充当电极；②熔化，构成焊缝的填充金属；1.1手工电弧焊的特点：①操作灵活；场地、焊接位置、焊接接头、对辅助设备的要求②待焊接头装配要求低；③可焊金属材料广；广泛应用于低碳钢、低合金结构钢的焊接；④熔敷速度低；⑤对焊工的依赖性强；1.2手工电弧焊基础：1.2.1手工电弧焊原理：如图所示：51.2.2电弧的建立条件：①合适的空载电压；空载电压高有利于引燃电弧和稳弧，但从安全和经济考虑，又希望其低一些；交流焊接变压器U0≤80V弧焊整流器U0≤90V直流弧焊发电机U0≤100V（单头）②短路：焊接电弧的引燃方法有接触式引弧和非接触式引弧两大类；手工焊的引弧手势通常为点拉式和划擦式；③导电粒子：为了易于产生和维持电弧空间的导电粒子，在焊条药皮中加入易于电离的碱金属、碱土金属元素及其化合物；2、手工电弧焊焊条：2.1概述：焊条的直径指焊条芯棒的直径：φ1.6、φ2.0、φ2.5、φ3.2、φ4.0、φ5.0、φ5.8mm等7种规格；焊条的长度通常在150～450mm范围内；焊芯用钢：严格控制S、P和C的含量，以提高焊缝金属的塑性、韧性和焊接性；药皮：由各种氧化物、碳酸盐、氟化物、硅酸盐、铁合金、金属粉末及有机物组成；分别起着造气、造渣、脱氧、合金化、稳弧、成形等作用；2.2焊条的分类：a)按药皮主要成分分类：如：氧化钛型、纤维素型、低氢型等；如：纤维素型：药皮中含有15％以上的有机物，30％左右的氧化钛，焊接工艺性较好，电弧稳定，熔深大，熔渣少，脱渣容易；b)按熔渣酸碱性分类：酸性焊条和碱性焊条；

焊条药皮以酸性氧化物为主要成分，则为酸性焊条，如：钛钙型焊条；

焊条药皮为碱性氧化物为主要成分，则为碱性焊条，（一般采用直流电源）如：低氢焊条；c)按焊条的用途分类：如：结构钢焊条、铸铁焊条、堆焊焊条、铝及铝合金焊条等；d)按焊条性能分类：如：低尘低毒焊条、水下焊条；2.3焊条型号：

碳钢焊条型号：根据GB5117-85规定，碳钢焊条型号的编制方法为：字母“E”表示焊条，E后的前两位数字表示熔敷金属抗拉强度的最小值，单位为kg/mm3，，第三位数字表示焊条的焊接位置，“1”和“0”表示焊条适用于全位置焊接，“2”表示焊条适用于平焊。“4”表示焊条适用于向下立焊。第三位和第四位数字组合时，表示电流的种类及药皮类型；例如：焊条E4315表示：熔敷金属的抗拉强度的最小值为43kg/mm3，焊条适用于全位置焊接，焊条药皮为低氢钠型，可采用直流反接焊接；2.4常用焊条：2.4.1钛铁型焊条：含有20～40％钛铁，全位置操作性好，熔深大，熔敷金属具有良好的力学性能；2.4.2纤维素型：药皮中含有15％以上的有机物，30％左右的氧化钛，焊接工艺性较好，电弧稳定，熔深大，熔渣少，脱渣容易；广泛用于钢管的环缝焊接；2.4.3高氧化铁型焊条：药皮中以氧化铁为主要成分，并含有氧化钨锰矿、硅酸盐等，用于大电流的角焊缝；2.4.4低氢型焊条：含有50％的碳酸盐之外，还含有萤石等氟化物，具有焊接冷裂纹敏感性低的特点，焊缝金属韧性好，广泛用于低合金钢、碳素钢的重要结构；2.4.5钛钙型焊条：含有15～35％金红石（氧化钛和SiO2），15～25％碳酸钙，适用于全位置焊接；2.手工弧焊设备：

2.1手工电焊焊电源：从焊接工艺的角度考虑，要求电源具有陡降的伏安特性，合适的电流调节范围；2.1.1弧焊变压器：目前交流弧焊电源（弧焊变压器）应用的最为广泛，用来将电网的交流电变成适宜于弧焊的交流电；2.1.2弧焊整流器：硅闸管式弧焊整流器；（成都电焊研究所ＺＸ５型）2.1.3弧焊逆变器：是90年代新型弧焊电源，是电子控制的崭新方式。（交直流两用）特点：损耗低、体积小、效率高、性能好等特点，具备电源外特性可调，适用于多种焊接方法，如：TIG、MAG、MIG、手工电弧焊等；分类：晶体管式弧焊逆变器、晶闸管式弧焊逆变器、场效应管式弧焊逆变器（如：IGBT式弧焊逆变器）。2.2手工电弧焊的辅助设备：2.2.1电焊钳：又称焊把，有300Ａ、500Ａ两种型号；2.2.2面罩和护目镜：分为盾式和盔式两种，如图所示；2.2.3电焊条保温筒：烘干温度为150～400℃，保温时间为1～2ｈ；2.2.4焊缝接头尺寸检测器：2.2.5清渣榔头和钢丝刷；2.2.6夹具和变位器：夹具用于定位，防止焊接变形；变位器用于将工件上的待焊缝置于更容易焊接的位置；3、手工电弧焊工艺：3.1焊接极性：根据焊条类型、所焊金属材料及对熔深的要求：低氢型焊条焊接重要钢结构时：直流反接；氧化钛钙型药皮焊条焊接时：交流；工件较厚时，为增大熔深：直流正接；焊接铸铁、有色金属以及薄板时：直流反接；3.2焊条选用：3.2.1根据材料的力学性能和化学成分要求：a)对于普通结构钢，通常要求焊缝金属与母材等强度，应选用抗拉强度等于或稍高于母材的焊条；b)对于合金结构钢，通常也要求焊缝金属的力学性能与母材金属相同或相近；c)在被焊结构刚性大，接头应力高、焊缝容易产生裂纹的不利情况下，可考虑选用比母材强度低一级的焊条；d)当母材中碳及硫、磷等元素的含量偏高时，应选用抗裂性能好的低氢焊条；3.2.2根据焊件的使用性能和工作条件要求：a)对承受动载荷和冲击载荷的焊件，应选用塑性和韧性指标较高的低氢焊条；b)接触腐蚀介质的焊件，应根据介质的性质及腐蚀特征，选用相应的不锈钢焊条或其他耐腐蚀焊条；c)在高温或低温条件下工作的焊件，应选用相应的耐热钢或低温钢焊条；3.2.3根据焊件的结构特点和受力状态：a)对结构形状复杂、刚性大及大厚度焊件，由于焊接过程中应力较大，应选用抗裂性能好的低氢焊条；b)对焊件部位难以清理的焊件，应选用对铁锈、氧化皮、油污不敏感的氧化性较强的酸性焊条；c)对受条件限制不能翻转的焊件，应选用全位置焊条；3.2.4根据施工条件及设备：在狭小或通风条件差的场合，选用酸性焊条或低尘焊条；3.2.5根据操作性能：在满足产品性能要求的条件下，尽量选用工艺性能好的酸性焊条；3.3焊条直径：取决于焊件的厚度、焊件位置、接头形式、焊道层次等因素；3.3.1焊件的厚度：越大→焊条直径越大，焊接电流也相应增大；3.3.2焊接位置：平焊时，焊条直径大；立焊、横焊和仰焊选用直径小的焊条；3.4焊接电流：取决于焊条类型、焊条直径、焊接厚度、接头形式、焊缝位置及焊道层次等因素：3.4.1焊条直径：直径大→电流也大；3.4.2焊接位置：立焊、横焊、仰焊时，焊接电流应比平焊时小10~20%；3.4.3合金钢和不锈钢焊条，由于焊芯的电阻大、热膨胀系数高，若电流过大，焊接过程中焊条容易发红，造成焊条药皮脱落，所以焊接电流应相应减小；实践证明：对于某种特定型号和规格的焊条，可在相当大的范围内选择焊接电流，以适应不同接头和位置的需要；3.5电弧长度：合适的电弧长度是获得优质焊接接头的基本条件；电弧过长，电弧的刚性不足，飘忽不定，熔滴过渡时容易产生飞溅，保护不良，容易造成气孔。电弧过短，电弧不稳定，熔滴金属向熔池过渡时容易产生熄弧现象。主要随焊接电流和焊接位置的变化而改变：3.5.1焊接电流增大，电弧长度也增大；3.5.2焊接位置：平焊时，较易控制，通过拉长或压短电弧来获得所需要的熔深；立焊、仰焊时，通过弧长的控制来建立合适的熔池尺寸和保持熔池沿焊接方向上的均衡运动。3.5.3发生磁偏吹时，应尽可能的减小电弧长度；3.6焊接线能量：焊接低合金高强钢、合金钢等热敏感材料时，通常要严格控制焊缝的热输入：焊接线能量：单位焊缝长度上的热输入，用Q表示；Q=ηUI/v,单位[J/cm];η－热效率系数；v－焊接速度；3.7焊接顺序：通常遵循以下原则：3.7.1尽可能允许焊缝自由收缩；如图2-34所示；3.7.2收缩量大的焊缝先焊；如图2-35所示；3.7.3尽量采用对称焊接；如图2-36所示；3.7.4对长焊缝，可采用分段退焊、跳焊、交替焊方法；3.8手工电弧焊技术：3.8.1引弧：采用划擦法、敲击法；注意：严格禁止在坡口以外引弧；引弧常采用回焊法；目的：利用电弧的重熔，消除引弧点可能产生的裂纹和气孔等缺陷。3.8.2收弧：为避免产生弧坑裂纹，有划圈收弧法、回焊收弧法、反复熄弧－引弧法（大电流或焊接薄板）；3.8.3运条：可分解为以下三个基本动作：a)沿焊条中心线方向不断地向熔池送进焊条，以保持弧长不变；b)焊条沿焊接方向均匀移动；c)如果需要，可使焊条垂直于焊接方向，作某种形式的横向摆动，以获得所需的焊缝宽度；如图2-39所示；3.8.4各种位置焊接技术：不同位置的焊缝有不同的特点，但有三个共同的要求：合适的工艺参数；正确的焊条取向角度；适当的运条方式；第五章埋弧焊电弧在焊剂层下燃烧而进行的电弧焊方法，生产效率高，有效功率系数η＝0.80~0.90;第一节埋弧焊的特点和应用埋弧焊的电弧是掩埋在颗粒状焊剂下面的，当焊丝与工件之间引燃电弧时，电弧热会使焊件、焊丝以及焊剂熔化以至于部分蒸发，金属与焊剂的蒸发气体形成一个气泡，电弧就在这个气泡中燃烧。气泡上部被一层烧化了的焊剂－熔渣所构成的外膜包围，这层外膜不仅很好的隔离了空气与电弧、熔池的接触，而且使有碍操作的弧光辐射不再散射出来。如图4-2所示；1~焊剂2~焊丝3~电弧4~熔池金属5~熔渣6~焊缝7~焊件8~渣壳图4－2埋弧焊时焊缝的形成过程1、埋弧焊的工艺特点：如图4-1所示；1.1优点：A)熔深大，生产效率高，有效功率系数较大；B)焊缝质量高；C)劳动条件好；1.2局限性：A)主要适用于平焊；B)只适于长焊缝，并且不适于形状复杂的焊缝的焊接；C)对于装配间隙、坡口加工要求严格；D)难以焊接氧化性强的金属与合金；E)当焊接电流小于100A时，电弧的稳定性差，所以不适于焊接厚度小于1mm的薄板；1~焊件2~焊剂3~焊剂漏斗4~焊丝5~送丝滚轮6~导电嘴7~焊缝8~渣壳图4－1埋弧焊的焊接过程2、应用范围：

主要应用于各种钢结构的焊接：在造船、锅炉、化工容器、桥梁、起重机械及冶金机械制造业中广泛应用；

适用材料：碳素结构钢、低合金结构钢、不锈钢、耐热钢等等；

3、埋弧自动焊的分类及应用：分类特征分类名称应用范围

按送丝方式等速送丝埋弧焊细焊丝、大电流密度变速送丝埋弧焊粗焊丝、小电流密度按送丝数目或形状单丝埋弧焊常规对接、角接、筒体纵缝、环缝双丝埋弧焊高生产率对接、角接多丝埋弧焊螺旋焊管等超高生产率对接带极埋弧焊耐磨、耐蚀合金堆焊按焊缝成形条件双面埋弧焊常规对接焊单面焊双面一次成形埋弧焊高生产率对接、难以双面焊的对接焊表

埋弧自动焊分类及应用范围

第二节埋弧焊的冶金特点1、埋弧焊用的焊剂和焊丝及其配合：1.1焊剂：A）焊剂的作用及对焊剂的要求：作用：保护作用（气－渣联合保护）；脱氧、渗合金；要求：a.稳弧性好；b.含P、S低；c.对锈、油、杂质敏感性小；d.熔渣应有合适的熔点和粘度；脱渣性好；不析出有害气体；吸湿性小；有合适的颗粒度、强度；B)焊剂的分类：按照制造方法分为：熔炼型焊剂和非熔炼型焊剂；常用焊剂书P93表4-4；焊剂在使用前需烘干（250℃），保温1~2小时；例如：焊剂431：成分类型：高锰高硅低氟；（40～44％SiO2、34.5~38%MnO、3~6.5%CaF2）用途：焊接重要的低碳钢和普低钢；配用焊丝：H08A、H08MnA；适用电流种类：交直流；1.2焊丝：书P94表4-5所示；

H08Mn、H08MnA；

焊丝直径：1.6~6mm；

焊前需对焊件进行清理：去除铁锈、油污、氧化皮，防止产生气孔等缺陷；

1.3焊丝与焊剂的选配：低碳钢、低合金高强钢按等强度原则选焊丝；耐热钢、不锈钢按化学成分（等成分原则）选焊丝；书P95表4-6常用埋弧焊焊剂用途及其配用焊丝；焊剂型号成分类型用途配用焊丝适用电流种类焊剂230低Mn高Si低F低碳钢、普低钢H08MnA、H10Mn2交直流焊剂260低Mn高Si中F不锈钢、轧辊堆焊不锈钢焊丝直流焊剂431高Mn高Si低F重要低碳及普低钢H08A、H08MnA交直流2、埋弧焊的冶金特点：2.1冶金过程的一般特点：A)保护作用好，空气不易进入焊接区，焊缝含氮量少，韧性好；B)冶金反应充分，气孔、夹渣易析出；C)焊缝金属的化学成分稳定；2.2冶金反应及其影响因素：以低碳钢为例：对于低碳钢，Mn、Si是焊缝中的重要合金元素，所以焊接低碳钢用的焊剂都含有较多的MnO、SiO2，例如：焊剂430、焊剂431;2.2.1主要冶金反应－MnO、SiO2的还原反应；[Fe]+(MnO)=(FeO)+[Mn];生成的Mn可以起到防止热裂、提高焊缝机械性能的作用；2[Fe]+(SiO2)=2(FeO)+[Si];生成的Si可以起到镇静熔池，保证组织致密的作用；通过以上两个反应，Si、Mn从焊剂中向焊缝中过渡；2.2.2影响Si、Mn过渡的因素：A)焊剂成分的影响：当焊剂中MnO、SiO2的含量都增加时，则△Si↑△Mn↑;如图4-4、4-5所示；从图4-5中还可以看出，SiO2↑→△Mn↓；B)焊丝和母材中Si、Mn原始浓度的影响：熔池中Si、Mn原始浓度↓→△Si↑△Mn↑；C)焊剂碱度的影响：碱度↑→△Si↓△Mn↑D)焊接规范的影响：焊接电流：当I较小时，I↑→△Si↑△Mn↑;当I较大时，I↑→△Si↓△Mn↓;焊接电压：U↑→△Si↑△Mn↑;在上述诸多因素的影响下，高Mn高Si低F焊剂焊接低碳钢时:△Si≈0.1~1.3%;△Mn≈0.1~0.4%2.2.3埋弧焊时碳的烧损：C+O→CO;产生CO的后果：缺点：焊缝中的含碳量下降，影响机械性能；CO气孔的可能性增加；优点：在C生成CO的过程中，对熔池有一个搅拌作用，有利于CO、H2的析出；2.3.4脱氢：埋弧焊时，氢气孔的可能性较大；A)加强清理，杜绝氢的来源；（去除铁锈、油污、有机物；焊剂、焊丝使用前应烘干）B)焊剂中含适量的CaF2进行脱氢；生成HF，不溶于熔池而析出；2CaF2+3SiO2=SiF4+2CaSiO3;F+H=HF生成OH析出，高温时OH较稳定，不溶于熔池；MnO+H→Mn+OH;MgO+H→Mg+OH;CO2+H→CO+OH;SiO2+H→SiO+OH;2.3.5限制S、P的含量：S→引起热脆；P→引起冷裂；所以应严格限制S、P的含量；S≯0.1%、P≯0.1%;也可用一些冶金的方法减少S、P：[Mn]+[FeS]=[Fe]+(MnS);(MnO)+[FeS]=[FeO]+(MnS);2[Fe3P]+5(FeO)=P2O5+11[Fe]3(CaO)+[P2O5]=(P2O5．(CaO)3);4(CaO)+[P2O5]=(P2O5.(CaO)4);埋弧焊的冶金特点的总结：向焊缝中补充一定的Si、Mn；保证一部分碳的烧损；减少S、P含量；防止气孔的产生；第三节埋弧焊的自动调节埋弧焊自动调节是所有自动焊自动调节的基础；自动调节是指当外界干扰使选定的规范参数变化时，自动调节可使之迅速恢复到预定值；1、自动调节的基本原理：1.1焊接过程的稳定性及外界干扰：为得到优质的焊缝，首先应正确的选择焊接规范参数（I、U、Vw），其次应保证所选参数的稳定；1.1.1电弧的稳定性：电弧稳定燃烧时，两个最主要的规范参数I、U是由焊接电源的外特性和电弧的静特性所决定的，即电弧的稳定燃烧点是这两条曲线的交点；如图所示：O点为稳定燃烧点(即电源的外特性T与电弧的静特性L的交点)，所对应的I、U即为选定的I、U；TLT’L’外界干扰：外特性变化：由T→T’,则稳定工作点O沿着静特性变到O2;所以I→I2、U→U2;

IUI2U2I1U1静特性的变化：由L→L’，则稳定工作点由O沿着外特性变到O1点，同时I→I1、U→U1;总之：最突出的外界干扰是弧长的波动，当弧长变化时，静特性就会变化（当弧长增长时→静特性曲线平行上移；当弧长缩短时→静特性曲线平行下移），一般弧长的波动在1~2mm之内；2、埋弧焊的自动调节：埋弧焊生产中，弧长的控制方法有两种：等速送丝时的电弧自身调节系统、变速送丝时的电弧电压反馈自动调节系统；2.1等速送丝自身调节系统：在焊接过程中，焊丝等速送进，利用电源的固有的电特性来调节焊丝的熔化速度，以控制电弧长度保持不变，从而达到焊接过程的稳定；2.1.1熔化极电弧焊等速送丝自身调节系统的静特性：A)方程式：等熔化曲线方程；实践证明：Vm（焊丝的熔化速度）与I、U有关：I↑→Vm↑;U↑→Vm↓;用公式表达：Vm＝KiI-KuUKi：电流系数，Vm随电流变化的系数，其值取决于ρ、S、L干；单位：[cm/A.S]Ku:电压系数：Vm随电压变化的系数，其值取决于弧长的数值；单位：[cm/V.S]若送丝速度Vf为常数，则电弧稳定燃烧时必有：Vf=Vm=KiI-KuU此式表示在等速送丝的情况下，电弧稳定燃烧时，焊接电流与焊接电压之间的关系，叫做等速送丝电弧自身调节系统的静特性，即等熔化曲线方程；B)系统静特性曲线：如图所示；曲线上的每一点都有Vf=Vm,即为稳定燃烧点；综上所述：等速送丝电弧自身调节系统的稳定工作点应为三条曲线的交点：电弧静特性L、电源的外特性T、等熔化曲线C三条曲线的交点；C)曲线的特点：只有在此曲线上，才有Vf=Vm，电弧才能稳定燃烧，保证L不变；在曲线左边，Vm＜Vf；在曲线右边，Vm＞Vf；在其他条件固定不变的情况下，改变Vf，则可以得到一系列曲线，Vf↑→曲线平行右移；Vf↓→曲线平行左移；改变干伸长、弧长、焊丝直径时，曲线也改变；2.1.2弧长变化时电弧的自身调节过程和恢复速度：A)调节过程：如图所示：O0为稳定工作点,是外特性T、静特性L、C曲线的交点；当系统受到外界干扰，使弧长变化时：如：弧长缩短，静特性曲线由l0→l1,则稳定点O0沿着外特性T变到O1,则I0→I1、U0→U1;TC由公式：Vm0=KiI0-KuU0;Vm1=KiI1-KuU1;I1＞I0;U0＞U1;所以：Vm1＞Vm0=Vf;即熔化速度↑→弧长↑，很快O1沿着外特性曲线变回到O0;同理：当弧长增长时，电弧也会自动调节使弧长减少，恢复到原来的长度；B)调节的灵敏度：当弧长波动时，如果电弧自动调节能使之迅速恢复到稳定工作点，就认为调节过程灵敏；

△Vm↑→灵敏度↑；△Vm＝Ki△I-Ku△U;而其中△I的影响大，所以：△Vm∝△I；为此△I↑→△Vm↑→恢复速度↑

影响△I的因素：（即影响调节灵敏度的因素）电源的外特性形状：当电弧的静特性为平特性时，采用缓降的外特性调节灵敏度大；（埋弧焊基本为此种情况）当电弧的静特性为上升特性时，采用平直、上升的外特性灵敏度大;（细丝CO2、MIG为此种情况）2.焊接电流：I↑→△I↑→灵敏度↑；3.焊丝直径：Φ↓→Ki↑→△Vm↑→灵敏度↑；4.电场强度：E↑→△Vm↑→灵敏度↑;5.

弧长：短弧焊时，电弧的自调节较灵敏；总结：对于埋弧焊，采用缓降的外特性电源，大电流，较细焊丝（Φ1~3.2mm），则电弧的自调节作用最有效；（对于电弧极短的短弧焊，必要时可采用陡降或垂直下降的外特性）；对于气保焊，采用细丝、大电流，平或上升的电源外特性，自身调节作用最显著；2.2电弧电压反馈自动调节系统：主要用于粗焊丝的焊接；（因为焊丝直径增加，自身调节作用不灵敏，所以发展了电弧电压反馈的自动调节系统；）电弧电压反馈自动调节系统：当弧长波动时，利用电弧电压为反馈量，并通过一个专门的自动调节装置强迫送丝速度发生变化，从而使弧长恢复到原来的值，以保证焊接过程的稳定性的一种调节系统，叫做电弧电压反馈自动调节系统；

2.2.1电弧电压自动调节系统的静特性：A)系统静特性方程：稳定工作时，有Vm=Vf;Vf=K(Ua-Ug);Vm=KiIa-KuUa;Vm=Vf;所以：

其中：K：反馈调节器的灵敏度，为常数；Ug:反馈过程中给定的电压；Ki:电流系数；Ku:电压系数；B)静特性曲线C：如图所示：b所以：Ua=U0+tgβIa稳定工作点O是电源的外特性T、电弧的静特性L、以及系统静特性C三条曲线的交点U0C)系统静特性曲线的特点：此曲线代表在Ug固定而电弧稳定燃烧时，这种调节机构的电流与电压之间的变化关系，也叫等熔化曲线，也叫C曲线；在C曲线上，也有Vm=Vf;离开了C曲线，则Vm≠Vf;改变Ug:Ug↑→C曲线平行上移；改变焊丝直径或干伸长：减小焊丝直径或增大干伸长→R↑→Ki↑→tgβ↑;2.2.2弧长变化时，电弧电压反馈调节系统的调节过程和调节灵敏度：如图所示：在稳定工作点O0上，Vm=Vf；当外界因素干扰使弧长变化：如：使弧长缩短，l0→l1,则稳定点O0沿着外特性T变到O1,同时I0→I1、U0→U1，此时调节作用有两个方面：主要：U0→U1,则Ua↓,而Vf=K(Ua-Ug),所以Vf↓→弧长l↑;

辅助：I0→I1→Vm↑→l↑;

通过以上两个过程，工作点又从O1沿着外特性变回到O0;

同理：当弧长增长时，过程也与上述相似；

调节灵敏度：

Vf=K(Ua-Ug)→△Vf=K△Ua;

△Vf

越大，则调节灵敏度越大；

K↑→调节灵敏度↑；但K过大，则会产生振荡；

E↑→调节灵敏度↑

;

总结：电弧电压自动调节系统适于采用陡降的电源外特性；自身调节适用于较细的焊丝，当焊丝直径大于4mm时，弧长的恢复速度较慢，故采用电弧电压反馈的自动调节；两种调节系统的比较见下表：比较内容电弧自身调节系统电弧电压反馈调节系统送丝方式等速送丝变速送丝电源外特性埋弧焊：缓降