第一章 焊接电弧基础

第1章焊接电弧本章主要内容：1.1焊接电弧机理1.2焊接电弧特性1.3电弧焊中的保护气1.4电弧的引燃与稳弧重点：1．焊接电弧的特点及原因；2．焊接电弧各区导电机构特点及产生条件；3.电弧静特性曲线影响因素及其用处；4.交流电弧的特点难点：1．焊接电弧具有低电压、大电流的原因；2.焊接电弧各区导电机构特点及产生条件；3.交流电弧的特点1.1焊接电弧机理主要内容：气体放电与焊接电弧、电弧中带电粒子的产生、焊接电弧各区域的导电机构、电弧产热及温度分布、电弧压力与等离子气流、直流电弧与交流电弧一气体放电与焊接电弧气体放电:气体本身导电吗？WHY？什么情况下可导电？

（1）相关概念：

气体放电：气体在电场和热场作用下产生电离，电离的带电粒子在两电极之间的外加电场作用下定向运动。

等离子体：含有带电粒子的电中性离子集团。

（2）气体放电类型：非自持放电：气体导电所需要的带电粒子不能通过导电过程本身产生，而需要外加措施来产生带电粒子。自持放电：相反。包括：暗放电（电池）、辉光放电（日光灯）、电弧放电（焊接电弧）。（3）气体导电的条件两电极之间有带电粒子；两电极之间有电场电弧放电辉光放电暗放电自持放电非自持放电I(A)U(V)I/A100010-41电弧示意图2焊接电弧概念：电离的气体所产生的强力的自持放电现象。电弧放电的特点：电压低、电流大、温度最高、发光最强。电弧广泛应用于焊接的原因：能有效而简便地把电能转换成焊接过程所需要的热能和机械能，并且安全、能量足够。二电弧中带电粒子的产生

两电极空间的气体电离、电极的电子发射。（一）阴极的电子发射阴极电子发射在电弧导电过程中起着特别重要的作用：原因：阴极电子发射充当了维持电弧导电的“原电子之源”。电子发射的基本概念

a.定义：阴极中的自由电子受到一定的外加能量作用时，从阴极表面逸出的过程称为电子发射。

b.逸出功：电子从阴极表面逸出需要的最低外加能量。

C.逸出功的影响因素：

逸出功的大小受电极材料种类及表面状态的影响。金属与其氧化物的逸出功相比如何？有什么用？几种常见金属材料及其氧化物的逸出功2电子发射的种类型

热发射、场致发射、光发射、粒子碰撞发射a.热发射：阴极表面因受热的作用而使其内部的自由电子热运动速度加大，动能增加，一部分电子动能达到或超逸出功时产生的电子发射现象称为热发射

条件：

金属种类WFeAlCuKCaMg逸出功（eV）纯金属4.544.484.254.362.022.123.78金属氧化物3.923.93.850.461.83.31注意:1）发射电子带走能量而对金属表面产生冷却作用。２）热阴极电弧：钨、碳等电极沸点很高，可加热到很高的温度（大于3500K），主要靠热发射来提供电子，称为热阴极电弧。３）冷阴极电弧：由于受电极沸点限制，温度不可能太高，不能靠热发射来提供足够的电子，这种电弧称为冷阴极电弧。b.电场发射：电极表面的电子受外电场的库仑力的作用而产生的电子发射现象。外电场相当于降低了电子的逸出功。

形成原因：低沸点材料作阴极时，热发射能力较弱，不足以维持正常导电过程，在阴极区域形成正离子堆积，形成静电场。c.光发射当阴极表面受到光辐射作用时，阴极内的自由电子能量达到一定程度而逸出阴极表面的现象称为光发射。d.粒子碰撞发射：电弧中高速运动的粒子(主要是正离子)碰撞阴极时，把能量传递给阴极表面的电子，使电子能量增加而逸出阴极表面的现象。（二）气体的电离1电离的概念：中性粒子当处于高能量状态时，其轨道上的电子脱离约束，分离成电子和离子，称为电离。2电离能：概念：使电子脱离原子核束缚所需的能量称为电离能。注意：1）气体电离电压的高低说明了该种气体产生带电粒子的难易。2）当电弧空间同时存在电离电压不同的几种气体时，如果电离电压低的气体供应充足，则电弧空间的带电粒子将主要由该种气体产生。结果？3）激励：当中性气体粒子受外加能量作用而不足以使其电离时，但可能使其内部的电子从原来的能级跃迁到较高的能级，这种现象称为激励。３电离种类

热电离

a.定义：气体粒子受热的作用，发生非弹性碰撞而产生电离的过程。b.电离度：单位体积内电离的粒子数与气体电离前粒子总数的比值，用X表示，具体计算公式如下：式中：X为电离度，P为气压，T为温度，e为电子电量，ui为气体电离电压，k为玻尔兹曼常数，h为普朗克常数，me为电子质量，其余见P13。电弧中带电粒子数的多少对电弧的稳定起着重要作用。注意：（1）理论和实际都证明：混合气体电离电压主要取决于电离电压低的气体，即使该种气体只占较小的比例。改善电弧稳定性的措施。（2）热电离是弧柱部分产生带电粒子最主要的途径。电弧弧柱温度高：5000～30000K。c.热解离：电弧中的多原子气体由于热的作用将分解成原子，这种现象称为热解离。热解离是吸热反应，因此热解离影响着带电粒子的产生，还影响着电弧的电和热性能。２）电场作用下的电离

a.定义：在两电极间的电场作用下，气体中的带电粒子被加速，电能将转换为带电粒子的动能。当带电粒子的动能增加到一定数值时，则可能与中性粒子发生非弹性碰撞而使之产生电离。b.电场作用下的电离主要是电子与中性粒子的碰撞产生。原因如下：①电子自由行程比离子大４倍左右，因此获能多，速度大。②电子与中性粒子碰撞，几乎可以把其全部能量传递给中性粒子。注意：电场作用下的电离只有在阴极压降区和阳极压降区才显著，弧柱部分由于电场强度小，电子在平均的自由行程下所获得的动能小，因此在弧柱区热电离是主要形式。３）光电离a.定义：中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电离过程称为光电离。b.电离条件：

焊接电弧的光辐射只能对K、Na、Ca、A1等金属蒸气可能直接引起光电离，而对其它气体则不能，因此，光电离只是电弧中产生带电粒子的一种次要途径。带电粒子产生小结电子发射：热发射：电场发射：光发射：电离：热电离：主要，在弧柱区和两极区；场电离：次要，在阴极区和阳极区；原因：电场强度：弧柱：10V/cm;阴极区和阳极区：105～107V/cm光电离：再次之。热解离：吸热对电弧有冷却作用。

（1）发射电子，对阴极有冷却作用（2）热发射、电场发射同时存在，电场发射出现的条件：热发射不足以维持导电过程，形成正离子堆积。（三）带电粒子的扩散与复合1带电粒子的扩散：电弧空间中如果带电粒子的分布不均匀，则带电粒子将从密度高的地方向密度低的地方迁移而使密度趋于均匀；危害：使弧柱中心带电粒子数减少，还将中心的一部分热量带到电弧周边，影响导电。2复合：电弧空间的正负带电粒子(正离子、负离子、电子)在一定条件下相遇而结合成中性粒子的过程。负离子的产生：

在一定条件下，有些中性原子或分子能吸附电子而形成负离子；由于电弧周边温度较低，因而中性粒子易与从电弧中心扩散出来的动能较低的电子相遇而形成负离子。

上述所有行为都是对导电过程不利的。

三焊接电弧各区域的导电机构

（1）电弧由弧柱区、阴极区、阳极区构成，但并不是任何电弧都包含三个部分。（2）弧柱区长，但压降不高；Why?阴极区、阳极区短，但压降大，结果：阴极区、阳极区的电流密度很高。Why?

（一）弧柱区的导电特点弧柱的功能：

1)在热电离的作用下产生电子和正离子，形成电子流和正离子流，保证弧柱的导电。

2）通过热电离，产生带电粒子，补充因扩散和复合而消失的带电粒子，使弧柱始终处于动平衡状态，呈电中性。具有上述功能的原因：弧柱的温度很高（大约在5000～50000K之间）；由于正离子和电子的空间密度相同，两者的总电荷量近似相等，所以宏观上看弧柱近似呈电中性。焊接电弧具有低电压、大电流的特点。（展开：电弧构成中弧柱为主）3导电机构：热电离产生电子和正离子，形成电子流和正离子流，但电流主要是电子流（99.9%），而正离子流所占比例很小。原因？（二）阴极区的导电机构

该区任务：向弧柱提供电子流和接收来自弧柱的正离子流。1．热发射型

产生条件：当采用热阴极材料（高熔点、沸点材料如钨、碳）且使用较大电流时。特点：几乎不存在阴极区，阴极区不收缩；不存在阴极斑点；在大电流TIG焊时这种热发射型导电占主导地位。2．电场发射型１）产生条件：当采用冷阴极（低熔点、沸点材料如铝、铁、铜等）或虽然采用热阴极但使用较小电流时。

原因：热发射不足，正电荷过剩堆积而形成较强的正电场，并使阴极与弧柱之间形成一个正电性区——阴极区。２）特点：存在阴极区；存在阴极斑点；在小电流钨极氩弧焊和熔化极气保焊时，这种场致发射型导电起主要作用。

在采用冷阴极或虽然采用热阴极但使用较小电流的情况下，实际上是热发射型和场致发射型两种阴极导电形式并存，而且相互补充和自动调节。3.在阴极区中形成局部等离子体阴极，并产生热电离。当阴极表面的热电子发射量很低时，正离子堆积区扩大，阳离子被加速，碰撞阴极和阴极区中性粒子，形成碰撞发射和热电离，向弧柱提供电子。特点：阴极附近有球形的高亮度区。（三）阳极区的导电特性

任务：接收电子，提供正离子。阳极区的场致电离

１）形成原因：当电弧电流较小时，阳极前面的电子堆积形成负电性区——阳极区。带电粒子被加速，与中性粒子碰撞产生场致电离，直到这种电离生成的正离子能满足弧柱需要时，阳极区才不再继续增大，达到动态平衡。

２）特点：阳极区压降较大；出现在小电流焊接时。２.阳极区的热电离

１）形成原因：当电弧电流较大时，阳极金属产生蒸发，且温度也大大提高。阳极区内的电离方式将主要为金属蒸气的热电离，为弧柱提供正离子流。

２）特点：阳极区的压降较低；出现在大电流弧焊时。四电弧产热及温度分布（一）焊接电弧的产热1弧柱的产热一般电弧焊时，弧柱损失的热能中对流损失约占80％以上，传导与辐射损失约占10％左右，所以仅剩很少一部分能量通过辐射传给焊丝和焊件。当电流较大有等离子流产生时，等离子流可把弧柱一部分热量带给工件，从而增加焊件的热量。电弧对阳极的热输入

阳极区与弧柱区相比，长度很短（10-5～10-6Cm)，且靠近电极或工件(由接线方法决定)，所以直接影响焊丝的熔化或工件的加热。

构成：（1）流入阳极的电子所携带的能量；（2）来自电弧等离子体的放射能；（3）电弧等离子体以传导和对流形式提供的能量。

电子所携带的能量最重要，其余可以忽略。式中：IUA电子在阳极区加速获得的能量、IUWA阳极物质的功函数、IUT电弧等离子体中的电子所保有的能量。3电弧对阴极的热输入阴极区与弧柱区相比，长度很短（10-5～10-6Cm)，且靠近电极或工件(由接线方法决定)，所以直接影响焊丝的熔化或工件的加热。电弧对阴极的热输入可以用下式表示：式中：f：电子流占全部电流的比例；UC阴极区压降；Ui离子的电离电压；UWC阴极物质的功函数；UT电弧等离子体中的离子运动能量的等价电压；PrC从电弧等离子体弧柱热传导来的热量；PcC放射热。４焊接电弧的热效率焊接电弧一部分热量因对流、辐射及传导等损失掉了。用于加热、熔化填充材料及工件的电弧热功率占总电弧功率的比例称为热效率系数，用η表示。

目前的测量方法有两种（P21)，所得数据有较大差异，因此，只能是粗略估计。常用焊接方法的热效率系数见P21表1.2。

５电弧的温度电弧温度的分布特点可从轴向和径向两个方面比较：轴向分布

阴极区和阳极区的温度较低，弧柱温度较高。原因：电极受材料沸点的限制，加热温度一般不能超过其沸点；而弧柱中的气体或金属蒸气不受这一限制，且气体介质的导热特性也不如金属电极的导热性好，热量不易散失，故有较高的温度。阴极、阳极的温度则根据焊接方法的不同有所差别。

2)径向分布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。3）电弧温度的测量（1）等离子的热电离平衡粒子组成热电离平衡粒子组成用P22的有关公式是可以计算的；计算结果可以用平衡状态组成图加以描述，P23图1.11。（2）等离子体的电磁现象通过测量等离子体的放射出的辉光光谱的绝对强度和等离子的热电离平衡粒子组成的计算，可以推算出等离子体的温度。（3）GTA等离子体的温度测量常用方法：利用等离子体放射电磁波的分光分析法来确定电弧温度及其分布的影响因素：电弧电流、电极斑点、电弧长度、阳极材料、保护气体、环境条件。P25五电弧压力与等离子气流电弧压力的作用：影响焊件的熔深、熔滴过渡、熔池的搅拌、焊缝成形及液态金属飞溅等，直接影响焊缝质量。1）电磁收缩力（电弧静压力）a.两根平行导线通电流，电流方向相同则相吸，相反则排斥。b.电弧导电空间是可收缩的c.流体中，某一点各方向的受力一样。d.电极端直径小，焊件端直径大,电弧呈锥状。由以上推出，焊接电弧电磁收缩力由小截面指向大截面，产生由电极指向工件的推力（电弧静压力）：注意：由于电流密度是不均匀的，电弧中心轴上的压力高于周边压力。2Ra2Rb2）电弧动压力电弧动压力又称等离子流力：电弧静压力把靠近电极处的高温气体推向焊件方向，并不断的补充气体，被加热和部分电离后推向工件表面形成附加的压力。等离子流产生的动压力在电弧中心线上最强。电流越大，中心线上的动压力幅值越大，而分布的区间越小。

电弧等离子气流的产生熔池轮廓主要由电磁静压力决定时的焊缝形状见图a；而主要由电磁动压力决定时的指状熔深焊缝见图b（当TIG焊钨极锥角较小、电流较大时，或熔化极氩弧焊采用射流过渡工艺时）3）斑点力

（1）带电粒子的冲击；（2）电磁收缩力；（3）电极材料蒸发的反作用力。阴极斑点力比阳极斑点力强；斑点力总是阻碍熔滴过渡的作用力

4）熔滴过渡的冲击力与等离子流力和电磁收缩力一起形成指状熔深。5）短路爆破力

短路过渡时，金属液柱颈缩爆断；电弧熄弧后复燃时电弧空间气体突然受高温作用而急剧膨胀，局部压力骤然升高，对熔池和焊丝端头的液态金属形成较大冲击力。斑点的电磁收缩力6）电弧力的主要影响因素

（1）气体介质：（多原子气体分解吸热，收缩）（2）电弧电流：电弧电流增大，电磁收缩力和等离子流力都增加。（3）电弧电压：电弧电流一定，电弧长度增加引起电弧电压升高，则电弧力减小。力减小后果？（4）焊丝直径：焊接电流一定时，焊丝越细，则电磁力和等离子流力越大。（5）电极(焊条、焊丝)的极性：通常情况下阴极导电区的收缩程度比阳极区大，因此钨极氩弧焊正接时，可形成锥度较大的电弧，产生较大的电弧力。熔化极气体保护焊采用直流正接时，熔滴受到较大的斑点压力，过渡时受到阻碍，电弧力较小；反之，直流反接时，电弧力较大。（6）钨极端部形状：（7）电流的脉动：

六直流电弧与交流电弧（一）直流电弧定义:电弧极性不发生变化的电弧。特点：稳定性好。分类：恒定电流下的直流电弧和变动电流下的直流电弧。恒定电流下的直流电弧：焊接电流在整个焊接过程中不发生变化（不包括人为的数值调节）。变动电流下的直流电弧：焊接电流按照需要设计并通过电源输出实现。如各种脉冲焊、波形控制CO2电弧焊。（二）交流电弧1燃烧过程电阻负载2感性负载概念：再引燃电压和引燃电压注意:（1）当电感L越大，θ也越大，从而使得电流为0时的反向空载电压越高，电弧再引燃容易，因此，对于一定的电流I，电感有一个最小值。（2）电弧是一个纯电阻负载，只不过其电阻值不是一个常数IUu0iufIUUfu0iθUyh2交流电弧的特点1）电压是连续的，电流是断续的；为了让电弧稳定，必须加一个合适的电感。2）存在一个再引燃电压，它越高，表明电弧在每一个半波引燃越晚。3）电弧对焊丝和母材的热作用是变化的，交流TIG焊时的许用电流、电极工作条件及熔深情况见P33表1-3。4）交流电弧的电流和电压是变化的，因此，电弧直径时涨时缩，保护性差。5）对熔池和熔滴的作用力是变化的。应用（存在那么致命问题，为什么还一直有应用呢？）1）普通焊条电弧焊：应用广泛，焊接设备成本低。2）非熔化极电弧焊（TIG焊接、等离子弧焊接）：有阴极清理作用且有利于保护电极。4交流电弧稳定燃烧的条件（焊机设计要求：空载电压>某值？）以上各参数的含义为：Uyh：引燃电压；Uf：电弧电压；U0：电源空载电压。5影响交流电弧稳定燃烧的因素和提高电弧稳定性的措施1）空载电压；2）引燃电压Uyh3）电路参数ωL/R增加，稳定；4）电弧电流5）频率；6）电极的热物理性能及尺寸。交流电弧的功率和功率因素（1）功率定义：在半个周期内的平均功率，又称有功功率。表达式：由于电流和电压为非正弦波，不能按正弦计算，而引燃电压同电弧电压比不大，且存在时间短，因此焊接电弧电压可用矩形波代替，得到公式如下：当K=0.4以后，Pf

增加减缓，当K=0.637以后Pf开始减小，因此，K最好在0.4与0.637之间，即要求：（2）功率因素（扩展讲：电源为什么要求功率因素？）定义：电弧的有功功率与电弧电压和电流有效值乘积之比。表达式：λf表明电弧电压与电流波形畸变所带来的影响。可用下式表示：1.2焊接电弧特性焊接电弧的静特性（补充几个特性概念）1电弧静特性曲线变化特征1）电弧静特性：电弧稳定燃烧的情况下，稳态的焊接电流与电压之间的关系。2）电弧静特性曲线：IUBAC3）静特性曲线成因电弧形态、所处环境、电弧产热与散热的平衡。A区：下降特性区（负阻特性区）阴极：电流增加，发射电子能力增强，阴极区压降UC降低。阳极：电流增加，阳极蒸发量增加，阳极区压降UA降低。弧柱：电流与电弧截面积成比例增加，电流密度不变产热是散热的两倍；电弧温度增加，电离度增加，电压降低。B区：平特性区电流增加，等离子气流使散热增加，电压不变，保持产热散热平衡。C区：上升特性区蒸汽与等离子流散热进一步加强，导电率降低，电压增加；由于电弧自身磁场的作用，电弧面积不能与电流成比例增加，从而电流密度增加。电压增加。4）常用焊接方法的电弧静特性曲线形状GTA焊接：表现出三个特性区段。手工焊、埋弧焊（焊丝直径大于3mm）：下降与平特性。GMA焊接：上升特性注意：电弧特性区由产热、散热确定，非电流密度。如埋弧焊与GMA比，埋弧焊的电流密度很高！影响电弧静特性曲线的因素1）电弧长度增加，静特性曲线上升2）保护气体成分：气体电离能；气体导热系数；解离度及解离热。3）周围气体介质压力越大，冷却越强，曲线上升。4）电极条件：形状、材料、接性。5）母材情况：热导率、板厚等。6）保护气体流量、环境温度、焊接电流形式。注意：电弧电压随电弧长度的增加而增加，但不一定是线性关系，在弧长自动控制中常常通过检测焊接电压、焊接电流来判断电弧长度，实现弧长的自动控制。焊接电弧动特性电弧动特性：变化状态的焊接电流与电压之间的关系。直流电弧的动特性直流脉冲、高频电流、脉动电流。（对下降特性如下图，对上升特性见教材P38、39图1.45、1.46），热惯性问题：电流变化越快，动特性曲线如何变化？I逐步增加I逐步减小IUBA电弧静特性曲线交流电弧的动特性交流电弧情况下，电弧的状态时刻在变化：等离子体的温度、导电率、阴极压降区的状态、极性等。

注意：在极性变化时，必须加以高压（原因：如由阳极转变为阴极，由接收电子转为发射电子）tuiuiRTQPuiRTQP三阴极斑点、阳极斑点（第四讲开始）1．阴极斑点1）定义：在阴极上电流集中，电流密度很高，发出烁亮光辉的点。2）形成条件：电弧通过该点消耗的能量最低；该点具备发射电子的条件。3）特点：电流密度很高（105～107A/cm2）；有所谓的“粘着性”：斑点不能沿阴极表面连续移动，而是跳动；具有自动寻找氧化物的能力。4）出现条件：高熔点材料作阴极且电流很小时；所有的低熔点材料作阴极。

阴极斑点的形成一般情况下对焊接不利。2.阳极斑点阳极接受电子，阳极区提供正离子，而阳极本身不能发射正离子，只有靠阳极区电离产生。1）定义：在阳极上电流集中，电流密度很高，发出烁亮光辉的点。2）形成条件：电弧通过该点消耗的能量最低；该点有金属蒸发。3）特点：电流密度很高（102～103A/cm2）；有所谓的“粘着性”：斑点不能沿阳极表面连续移动，而是跳动；具有自动寻找纯金属的能力。4）出现条件：低熔点材料作阳极。电弧的阴极清理作用1定义：惰性气体中的电弧在以金属板（丝）作为阴极的情况下，阴极斑点在金属板（丝）上扫动，除去金属表面上的氧化膜，使其露出清洁金属表面。2原因：１）直流反接时，阴极斑点自动寻找氧化膜；２）阴极斑点能量密度高，有利于氧化膜的加热与分解。３）阴极斑点上受到质量大的正离子的撞击，使氧化膜破碎。3直流反接才有阴极清理作用，该接法的问题：１）此时W极为阳极，获得能量，烧损快。原因？２）许用电流小，焊接效率低。五最小电压原理内容：在给定电流与周围条件(如气体介质种类、温度、压力等)一定的情况下，电弧稳定燃烧时，其半径（或温度）应使电弧电场强度（E）具有最小的值，即电弧具有能量消耗最小的特性。原因：电流和电弧周围条件一定时，若电弧截面增大，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，即E增加；反之，若电弧截面减小，则在I一定的情况下，电流密度j必然增加，导致E增大。因此，电弧将自动确定—个截面，在这一截面下，使E最小，即消耗的能量最小。六电弧的挺直性与磁偏吹电弧的挺直性（没有该特性，电弧就不能用于焊接）1）定义：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。2）原因：自身磁场的收缩作用。2电弧的磁偏吹在实际焊接中，由于多种因素的影响，电弧自身磁力线均匀分布的状况被破坏，使电弧中的电荷受力不均匀，从而电弧偏离焊丝(条)轴线方向。1）导线接线位置引起的磁偏吹。2）电弧附近的铁磁性物质引起的磁偏吹。导线接线位置产生的磁偏吹电弧一侧铁磁物体引起的磁偏吹3）平行电弧之间

当两个平行电弧的电流方向相同时，相互之间产生吸引；当电流方向相反时，相互之间产生排斥，如右图所示。平行电弧间产生的磁偏吹a)同向电流：吸引b)反向电流：排斥※双丝双弧焊接时如何克服？※解决措施：相对于产生原因来讲。3外加磁场对电弧的作用1）外加磁场的功能：

（1）控制电弧形态及运动（2）控制焊缝金属的流动及结晶过程，改善焊缝成形及使晶粒细化，得到性能良好的焊缝。2）几种外加磁场（1）外加横向交变磁场：使电弧左右摆动（2）外加纵向磁场：增加电弧刚性1.3电弧焊中的保护气电弧焊中保护气体的作用：1）向电弧空间提供气体介质2）起保护作用：电弧、电极、熔滴、熔池及焊接高温区。保护气体的种类与纯度不同的焊接方法使用的保护气体1）GTAW方法：常用氩气，特殊选He、He+Ar、Ar+H22）GMAW方法：单一气体：Ar、CO2

；混合气体：Ar+CO2、Ar+CO2+O2、CO2+O2

焊接方法ArAr+CO2或Ar+CO2CO2短路电弧焊不能用可用最佳潜弧电弧焊不能用不常用最佳喷射电弧焊最佳可用不能用脉冲电弧焊最佳可用不能用大电流电弧焊最佳可用不常用2不同的材料的焊接适合的保护气体母材材质保护气体种类普通钢CO2、CO2+（5～10）%O2、Ar+（10～50）%CO2低合金钢Ar+（10～50）%CO2

、Ar+（1～5）%O2高合金钢Ar、Ar+（1～5）%CO2、Ar+（1～2）%O2不锈钢Ar+（1～5）%O2、Ar+（30～50）%He（为什么没有CO2?)铝合金Ar、Ar+（50～80）%He有色金属铜合金Ar、Ar+（50～80）%He钛合金Ar、Ar+（10～30）%He镁合金Ar镍合金Ar3保护气体的纯度1）CO2气体的纯度要求：CO2气体体积分数大于等于99.5%，水分小于0.005%。2）Ar气的纯度要求纯度（体积分数）>99.9%氧气（体积分数）<0.002%氢气（体积分数）<0.01%氮气（体积分数）<0.1%水分（质量浓度mg/l）<0.002%二保护气的分解及在金属中的溶解保护气体的分解气体加热要由多原子气体解离为原子，分解要吸热。在焊接金属中的溶解1）两种途径：金属中的气体与气相相同、金属中的气体与气相不同。２）在金属中的溶解的影响因素：（１）与金属的存在状态有关：液相高于固相。金属凝固时溶解度变小，气体来不及溢出形成气孔。（２）温度：温度升高，溶解量增加。３）气体溶解在焊接金属中的危害及防止（１）危害：影响焊缝的机械性能；产生气孔及非金属夹杂。（２）防止：防止气体进入焊接区域：采用保护气体；在焊剂、焊条中加入适当的脱氧剂及精炼物质。混合气体的选择及应用（一）问题的提出1使用纯氩作为保护气体焊接不锈钢时存在的问题：1）液态金属的粘度及表面张力大，易产生气孔、焊缝金属的润湿性差，焊缝两侧易形成咬肉等缺陷。2）电弧阴极斑点不稳定，产生阴极飘移现象，导致熔深及焊缝成形不规则。3）焊缝呈指状熔深（蘑菇形），往往在焊缝底部产生气孔及熔透不足等缺陷。2采用混合气体能够克服上述问题，并可达到如下效果：减少飞溅、提高电弧稳定性、改善成形和熔深、提高电弧温度、提高焊接生产率。（二）常用混合气体1Ar+He1）特点：有电弧功率大、温度高、熔深大（He传热系数大）。2）应用：可用于焊接导热性强、厚度大的有色金属如铝、钛、锆、镍、铜及其合金。在焊接大厚度铝及铝合金时，可改善焊缝成形、减少气孔及提高焊接生产率，He所占的比例随着工件厚度的增加而增大。在焊接铜及合金时，He所占比例一般为50～70%。２Ar+H：焊接Ni及镍基合金，抑制和消除CO气孔。３Ar+N2优点：与焊接铜采用Ar+He混合气体比较，N2来源广泛，价格便宜。缺点：焊接时有飞溅，外观成形不如Ar+He保护时好。应用：焊接成本低，氮(N2)与铜及铜合金不起化学作用，因而对于铜及铜合金，N2气相当于惰性气体，因此可用于铜及其合金的焊接。N2是双原子气体，热导率比Ar、He高，弧柱的电场强度亦较高，因此电弧热功率和温度可大大提高，焊铜时可降低或取消预热温度。４Ar+O2１）Ar+O2(１～5%)：用于焊接不锈钢等高合金钢及级别较高的高强钢。加入１％，能克服阴极漂移，超过２％，接头质量下降。２）Ar+O2(可达２０%)：低碳钢及低合金钢。提高焊接生产效率，改善焊缝冲击韧性。５Ar+CO2常用于焊接碳钢和低合金钢。Ar+CO2(20%～30%)、Ar+15%CO2+5%O2，可提高熔滴过渡的稳定性，改善焊缝熔深形状和外观成形，降低焊接成本。对于不锈钢、高合金钢等一般可用Ar+CO2(１～5%)，但不能超过5%，以减少不锈钢的晶间腐蚀倾向，或降低高合金钢的淬硬倾向，避免产生裂纹。

随CO2含量增加，焊缝金属冲击韧性下降。Ar+15%CO2+5%O2

是焊接低碳钢和低合金钢最佳的保护气体，焊缝成形、焊接接头质量、熔滴过渡、电弧稳定性等都很满意，详见P52图1.61。7CO2+O2特点：1）熔敷速度快，熔深大，焊接效率高。

2）焊缝金属含H量低。

3）可采用强规范进行焊接注意：1）氧气的比例不能太高，<40%。

2）氧气的纯度大于99.5%，露点在-50℃以下。

3）必须采用强脱氧能力的焊丝。8T.I.M.E.焊接方法一种高效MAG焊方法。特点：１）四元混合气体：0.5％O2、8％CO2、26.5%He、65%Ar。２）大干伸长（传统10～15mm，T.I.M.E.20～35mm）和大送丝速度增加焊丝的熔敷率，提高２～３倍。传统5～16m/min，T.I.M.E.0.5～50m/min）３）焊接质量得到明显改善，成本低。四保护气气流与保护效果1保护气气流喷嘴流出的气体原理图如下图所示，分为两层:近壁层流、中心紊流。1）近壁层流：气体质点间不相互干扰，该层起主要的保护作用，越厚则保持稳定气层的长度h越长，保护效果越好。2）中心紊流：气体的流动状态、流速、流体粘滞系数以及喷嘴直径之间的关系可用雷诺公式表示：S为喷嘴内孔面积；L为喷嘴的长度；Vg为气体的平均流速；ν为气体的动粘性系数；Re增大，层流长缩短，保护效果变差。气体喷嘴气流中心涡流环h层流层混合区保护效果的影响因素1）气体流量：适当值，过大过小都不好。2）喷嘴到工件的距离；3）