焊接方法与设备培训知识(PPT 188页)
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焊接方法与设备
电弧焊重要性
– 高效
本章基本内容
– 电弧物理基础 – 工艺特性 – 焊丝熔化与熔滴过渡 – 母材熔化及焊缝成型
1930 埋弧焊
1930 美国 GTAW
1940 美国 成功应 用该方法于焊接镁 及不锈钢薄板
1945 交流GTAW焊 接方法
1945 直流金属极焊 接方法GMA
立焊和氧焊时，重力阻碍熔 滴过渡。
电磁力对熔滴过渡的影响取 决于电弧形态，如果弧根面 积笼罩整个熔滴，此处的电 磁力促进熔滴过渡；如果弧 根面积小于熔滴直径，此处 电磁力形成斑点压力的一部 分阻碍熔滴过渡。
电流比较大的时候，高速等 离子流力对熔滴产生很大的 推力，使之沿轴线方向运动。
电弧的气体吹力
结果：影响焊接质量
导线接线位置引起的磁偏吹
平行电弧间的磁偏吹
电弧附近的铁磁性物质引起的磁偏吹
电弧处于工件端部时产生的磁偏吹
电流密度较大时：近似为0 电弧温度6000K时：小于1V
电阻热
在自动和半自动焊时，从焊 丝与导电嘴接触点到焊丝端 头的一段焊丝（即焊丝伸出 长 度 ， 用 Ls 表 示 ） 有 焊 接 电 流通过，所产生的电阻热对 焊丝有预热作用，从而影响 焊丝的熔化速度。特别是焊 丝比较细和焊丝的电阻系数 比较大时（如不锈钢），这 种影响更加明显。
电流小
在Ar或者富Ar保护气体
实质：熔化速 度与送丝速度 不一致
在电弧热的作用下，焊 丝与母材被熔化，在焊 件上形成一个具有一定 形状和尺寸的液态熔池。
随着电弧的移动熔池前 端的焊件不断的被熔化 进入熔池中，熔池后部 则不断的冷却结晶形成 焊缝。
温度分布不 均匀：距热 源中心距离、 散热条件
埋弧焊>1.25，堆焊=10
有效厚度 焊缝宽度
余高
焊接工艺因数的影响
– 电流种类及极性 – 焊丝直径和伸出长度 – 电极倾角 – 焊件倾角
电场分布的不均匀 性表明电弧电阻的 非线性
产生机制？？？？
基本物理过程
气体的电离
定义：在外加能量作用下，使中性的气 体分子或原子分离成电子和正离子的过 程
实质：中性气体粒子吸收足够的外部能 量，使分子或原子中的电子脱离原子核 束缚而成为自由电子和正离子的过程。
受激励的电子没有脱离原子的束缚=> 粒子呈中性
粒状过渡
喷射 过渡
短 路 过 渡
爆破过渡
搭桥 过渡
渣壁 过渡
套筒 过渡
细滴过渡：电流比较大，相应的电磁收 缩力增大，表面张力减小，熔滴存在的 时间短，熔滴细化，过渡频率增加，电 弧稳定性比较高，飞溅少，焊缝质量高
气体介质或焊接材料不同时，细滴过渡 的特点不同。CO2和酸性焊条电弧焊， 熔滴非轴向过渡；铝合金熔化极氩弧焊 或大电流活性气体保护焊焊钢则轴向过 渡
所有的结晶晶 粒的方向都与 熔池的池壁相 垂直。
焊缝成形系数： 熔池的宽度与 熔池深度之比。
焊缝宽度 焊缝的有效厚度
焊缝余高
焊缝余高系数：焊缝宽度/焊缝余高
焊缝厚度是焊缝质量优劣的主要指标， 焊缝余高和宽度则应与焊缝厚度有合理 的比例。
成形系数小（优缺点）
在实际焊接过程中，在保证焊透 的前 提下焊缝成形系数的大小应该根据焊缝 产生裂纹和气孔的敏感性来确定。
熔化极其体保护焊时，通常伸出长度 Ls=10~30mm，对于导电良好的铝和铜 等金属，PR与PA或PK相比很小，可以忽 略不计；而对于钢和钛等材料，电阻率 高。 PR与PA或PK相比很大。
用于加热和熔化焊丝得总热量Pm是单位 时间内电弧热和电阻热提供的能量。
材料不同：电阻率、熔化系数不同 伸出长度：电阻不同 焊丝直径：电阻不同、导热能力不同
电弧的热能特性 电弧的温度分布
熔点限制 导热条件
各个区域的 产热机制？
获得的总能量为IUk
焊接方法对热效率的影响 焊接参数中电压的影响比较大
能量密度：采用特 定的焊接方法的时 候，单位面积上的 有效热功率称为~， 单位为：W/cm2.
同一种方法，在不 同的位置上的能量 密度也是不同的
意义：稳弧剂的作用
Fe电离电压为7.8V,K电离电压为4.3V
碰撞电离
电离度与材料、温度之间的关系
电离度
带电粒子数 电弧稳定性
光电离
定义：中性气体粒子受到光辐射的作用 而产生的电离过程
范围：电弧的辐射只可能对K、Na、Ca、 Al等金属蒸汽直接引起电离，而对焊接 电弧气氛中的其他气体则不能直接引起 电离
– 电子数量减少，导电困难，电弧稳定性降低 – 负离子运动速度慢，不能很好的导电 – 易于正离子复合
影响弧柱电场强度 的因素
弧柱气体介质（H2、 He；单元子、多原 子）
弧柱的热损失（强迫 气流冷却等）
最小电压原理：电弧在稳定燃烧时，有一种 使其自身能量消耗最小的特性，即当电流和 电弧周围的条件（气体介质、温度、压力） 一定时，稳定燃烧的电弧将选择一个确定的 导电截面，使电弧的能量消耗最少。当电弧 长度也是定值的时候，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 小的时候电场强度最低，即在固定弧长上的 电压降最小，这就是最小电压原理
电场发射型（冷阴极或者热阴极小电流）
电荷过剩=>正电场=>场致发射=>电子 加速=>场致电离=>形成电流
正离子的作用
– 正电场 – 撞击阴极，加强热发射
阳极区的导电特性
接收电子，提供正离子
阳极斑点电流密度比阴极斑点小，其形态与 电极材料和电流大小有关。
由于金属蒸汽的电离电压比周围气体介质的 低，因而电离易在金属蒸汽处发生，如果阳 极表面某一区域产生均匀的金属熔化和蒸发， 或蒸发比其他区域强烈，则此区域为阳极导 电区。
表面张力 在焊条端头上主要保持
熔滴的主要作用力。
Fσ=2Rπσ
焊丝半径
表面张力系数
与材料成分、温度、气 体介质等因素有关
重力：当焊丝直径较大而电 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=4/3ρgπr3 重力大于表面张力时，熔滴
就要脱离焊丝。
电弧定义：电弧是 一种特殊的气体放 电现象，它是带电 粒子通过两电极之 间气体空间的一种 导电过程。
实现了将电能转化 为机械能、热能和 光能。
非自持放电
自持放电
电流最大、 电压最低、 温度最高、 发光最强
沿电弧方向电场强 度分布不均匀
分为三个区域
阴极、阳极区尺寸 很小，约为10-2-10-6 cm
受激励的粒子处于不稳定状态=>稳定 状态时间短约为：10-2-10-8s
激励状态的粒子有两种出路
– 又转变为稳定状态，伴随着这个过程能量 以辐射光的形式释放出来=>电弧辐射光
– 接受外部能量电离
当电弧空间存在电离电压（或激励电压） 不同的多种气体的时候，在外加能量的 作用下，电离电压（或激励电压）低的 气体粒子先被电离（或激励），若这种 气体的足以维持电弧的稳定燃烧，则整 个电弧燃烧所需要的能量主要取决于这 个较低的电压。因而电弧所要求的外加 能量就比较低。
电磁收缩力
电磁力：电流流经距离不远的两根平行导 线时，电流同向相吸，异向相斥。他的大 小与流过的电流大小成正比，与两根导线 之间的距离成反比。
电流流过导体 时可以看作很 多距离很近的 平行同向电流 线缩效应：如 果为可变形导体， 电磁力将使导体产 生收缩。
电磁搅拌（细化晶粒，排出 气体及熔渣）
电弧静压力作用 高温气体推向焊件 电极上方气体补充 新进入气体电离
等离子流力：高温气流的高速运动，持 续的冲向焊件，对熔池形成附加压力。 也称为电磁动压力。
电弧中等离子气流具有很高的速度和加 速度，可达数百米/秒。
电弧中心线上等离子流力最大。
电流越大，中心线上的动应力幅值越大， 分布区域越小。
气体流量及电弧空 间压力增强，也会 引起电弧收缩。
钨极端部几何形状
热损失小于热 输入，提高了 电弧温度及电 离度
负阻特性
平特性
金属蒸汽发射 等离子流
上升特性
电弧静特性的3各阶段， 并不是各种电弧中都能 够表现出来，还受到电 弧形态和电极的条件的 影响。
GTA焊接的静特性一般 可以明显的表现出3个 区段特性
造气剂 碳元素氧化
自由过渡：熔滴经电弧空间自由飞行，焊丝 的端头和熔池不发生直接接触。
接触过渡：焊丝端部的熔滴与熔池的表面通 过接触而过渡。
– 熔化极气体保护焊时，焊丝短路并重复的引燃电 弧，称为短路过渡
– TIG焊时，焊丝作为填充金属，它与工件之间不引 燃电弧，搭桥过渡
渣壁过渡，与渣保护有关，发生在埋弧焊时， 熔滴从熔渣的空腔壁上流下。
电弧的刚直性（挺直性、挺度）：电弧作为柔性导 体抵抗外界干扰，力求保持焊接电流沿电极轴向流 动的性能，这种性能是电弧自身磁场决定的。
电磁力是产生电弧刚直性的主要原因。
磁偏吹：实际焊接过程 中，由于受到很多因素 的影响，电弧周围磁力 线均匀分布的状态被破 坏，使电弧偏离焊丝 （条）轴线方向，这种 现象称为~，或者电弧 偏吹。
钨极氩弧焊的钨极锥角 较小，电流较大，或者 熔化极电弧焊采用喷射 过渡工艺时，这种电弧 的动压力较为显著。
结果：指状熔深。
增加电弧挺度，促进过 渡，增大熔深，搅拌
阴极收 缩严重
斑点力 作用， 熔滴尺 寸不同
气体介质的影响
导热性强或多原子 气体消耗的热量多， 引起电弧收缩，电 弧力增强。
光电离是产生带电粒子的次要途径
金属表面存在氧化物时逸出功会减小
光发射（对电极无 冷却作用）
粒子碰撞发射
正离子堆积-〉正离 子加速-〉碰撞-〉电 子发射
大多数粒子亲和能比较小，不易形成负离子 F、Cl、O2、OH、NO等离子亲和能比较大，
易于形成负离子。 放热过程，在高温下不易稳定存在 影响：
产生电磁收缩效应 的力称为电磁收缩 力。
电弧为气态导体，
在电流的作用下，
也产生电磁收缩效
应。
力大
电弧被看作圆锥形 气态导体，电极端 直径小，焊件端直 径大。
力小
电磁静压力：电弧轴向推力 在电弧横截面上分布不均匀， 弧柱轴线处最大，向外逐渐 减小，在焊件上表现为对熔 池形成的压力
结果：碗状熔深焊缝形状。
电弧焊重要性
– 高效
本章基本内容
– 电弧物理基础 – 工艺特性 – 焊丝熔化与熔滴过渡 – 母材熔化及焊缝成型
1930 埋弧焊
1930 美国 GTAW
1940 美国 成功应 用该方法于焊接镁 及不锈钢薄板
1945 交流GTAW焊 接方法
1945 直流金属极焊 接方法GMA
立焊和氧焊时，重力阻碍熔 滴过渡。
电磁力对熔滴过渡的影响取 决于电弧形态，如果弧根面 积笼罩整个熔滴，此处的电 磁力促进熔滴过渡；如果弧 根面积小于熔滴直径，此处 电磁力形成斑点压力的一部 分阻碍熔滴过渡。
电流比较大的时候，高速等 离子流力对熔滴产生很大的 推力，使之沿轴线方向运动。
电弧的气体吹力
结果：影响焊接质量
导线接线位置引起的磁偏吹
平行电弧间的磁偏吹
电弧附近的铁磁性物质引起的磁偏吹
电弧处于工件端部时产生的磁偏吹
电流密度较大时：近似为0 电弧温度6000K时：小于1V
电阻热
在自动和半自动焊时，从焊 丝与导电嘴接触点到焊丝端 头的一段焊丝（即焊丝伸出 长 度 ， 用 Ls 表 示 ） 有 焊 接 电 流通过，所产生的电阻热对 焊丝有预热作用，从而影响 焊丝的熔化速度。特别是焊 丝比较细和焊丝的电阻系数 比较大时（如不锈钢），这 种影响更加明显。
电流小
在Ar或者富Ar保护气体
实质：熔化速 度与送丝速度 不一致
在电弧热的作用下，焊 丝与母材被熔化，在焊 件上形成一个具有一定 形状和尺寸的液态熔池。
随着电弧的移动熔池前 端的焊件不断的被熔化 进入熔池中，熔池后部 则不断的冷却结晶形成 焊缝。
温度分布不 均匀：距热 源中心距离、 散热条件
埋弧焊>1.25，堆焊=10
有效厚度 焊缝宽度
余高
焊接工艺因数的影响
– 电流种类及极性 – 焊丝直径和伸出长度 – 电极倾角 – 焊件倾角
电场分布的不均匀 性表明电弧电阻的 非线性
产生机制？？？？
基本物理过程
气体的电离
定义：在外加能量作用下，使中性的气 体分子或原子分离成电子和正离子的过 程
实质：中性气体粒子吸收足够的外部能 量，使分子或原子中的电子脱离原子核 束缚而成为自由电子和正离子的过程。
受激励的电子没有脱离原子的束缚=> 粒子呈中性
粒状过渡
喷射 过渡
短 路 过 渡
爆破过渡
搭桥 过渡
渣壁 过渡
套筒 过渡
细滴过渡：电流比较大，相应的电磁收 缩力增大，表面张力减小，熔滴存在的 时间短，熔滴细化，过渡频率增加，电 弧稳定性比较高，飞溅少，焊缝质量高
气体介质或焊接材料不同时，细滴过渡 的特点不同。CO2和酸性焊条电弧焊， 熔滴非轴向过渡；铝合金熔化极氩弧焊 或大电流活性气体保护焊焊钢则轴向过 渡
所有的结晶晶 粒的方向都与 熔池的池壁相 垂直。
焊缝成形系数： 熔池的宽度与 熔池深度之比。
焊缝宽度 焊缝的有效厚度
焊缝余高
焊缝余高系数：焊缝宽度/焊缝余高
焊缝厚度是焊缝质量优劣的主要指标， 焊缝余高和宽度则应与焊缝厚度有合理 的比例。
成形系数小（优缺点）
在实际焊接过程中，在保证焊透 的前 提下焊缝成形系数的大小应该根据焊缝 产生裂纹和气孔的敏感性来确定。
熔化极其体保护焊时，通常伸出长度 Ls=10~30mm，对于导电良好的铝和铜 等金属，PR与PA或PK相比很小，可以忽 略不计；而对于钢和钛等材料，电阻率 高。 PR与PA或PK相比很大。
用于加热和熔化焊丝得总热量Pm是单位 时间内电弧热和电阻热提供的能量。
材料不同：电阻率、熔化系数不同 伸出长度：电阻不同 焊丝直径：电阻不同、导热能力不同
电弧的热能特性 电弧的温度分布
熔点限制 导热条件
各个区域的 产热机制？
获得的总能量为IUk
焊接方法对热效率的影响 焊接参数中电压的影响比较大
能量密度：采用特 定的焊接方法的时 候，单位面积上的 有效热功率称为~， 单位为：W/cm2.
同一种方法，在不 同的位置上的能量 密度也是不同的
意义：稳弧剂的作用
Fe电离电压为7.8V,K电离电压为4.3V
碰撞电离
电离度与材料、温度之间的关系
电离度
带电粒子数 电弧稳定性
光电离
定义：中性气体粒子受到光辐射的作用 而产生的电离过程
范围：电弧的辐射只可能对K、Na、Ca、 Al等金属蒸汽直接引起电离，而对焊接 电弧气氛中的其他气体则不能直接引起 电离
– 电子数量减少，导电困难，电弧稳定性降低 – 负离子运动速度慢，不能很好的导电 – 易于正离子复合
影响弧柱电场强度 的因素
弧柱气体介质（H2、 He；单元子、多原 子）
弧柱的热损失（强迫 气流冷却等）
最小电压原理：电弧在稳定燃烧时，有一种 使其自身能量消耗最小的特性，即当电流和 电弧周围的条件（气体介质、温度、压力） 一定时，稳定燃烧的电弧将选择一个确定的 导电截面，使电弧的能量消耗最少。当电弧 长度也是定值的时候，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 小的时候电场强度最低，即在固定弧长上的 电压降最小，这就是最小电压原理
电场发射型（冷阴极或者热阴极小电流）
电荷过剩=>正电场=>场致发射=>电子 加速=>场致电离=>形成电流
正离子的作用
– 正电场 – 撞击阴极，加强热发射
阳极区的导电特性
接收电子，提供正离子
阳极斑点电流密度比阴极斑点小，其形态与 电极材料和电流大小有关。
由于金属蒸汽的电离电压比周围气体介质的 低，因而电离易在金属蒸汽处发生，如果阳 极表面某一区域产生均匀的金属熔化和蒸发， 或蒸发比其他区域强烈，则此区域为阳极导 电区。
表面张力 在焊条端头上主要保持
熔滴的主要作用力。
Fσ=2Rπσ
焊丝半径
表面张力系数
与材料成分、温度、气 体介质等因素有关
重力：当焊丝直径较大而电 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=4/3ρgπr3 重力大于表面张力时，熔滴
就要脱离焊丝。
电弧定义：电弧是 一种特殊的气体放 电现象，它是带电 粒子通过两电极之 间气体空间的一种 导电过程。
实现了将电能转化 为机械能、热能和 光能。
非自持放电
自持放电
电流最大、 电压最低、 温度最高、 发光最强
沿电弧方向电场强 度分布不均匀
分为三个区域
阴极、阳极区尺寸 很小，约为10-2-10-6 cm
受激励的粒子处于不稳定状态=>稳定 状态时间短约为：10-2-10-8s
激励状态的粒子有两种出路
– 又转变为稳定状态，伴随着这个过程能量 以辐射光的形式释放出来=>电弧辐射光
– 接受外部能量电离
当电弧空间存在电离电压（或激励电压） 不同的多种气体的时候，在外加能量的 作用下，电离电压（或激励电压）低的 气体粒子先被电离（或激励），若这种 气体的足以维持电弧的稳定燃烧，则整 个电弧燃烧所需要的能量主要取决于这 个较低的电压。因而电弧所要求的外加 能量就比较低。
电磁收缩力
电磁力：电流流经距离不远的两根平行导 线时，电流同向相吸，异向相斥。他的大 小与流过的电流大小成正比，与两根导线 之间的距离成反比。
电流流过导体 时可以看作很 多距离很近的 平行同向电流 线缩效应：如 果为可变形导体， 电磁力将使导体产 生收缩。
电磁搅拌（细化晶粒，排出 气体及熔渣）
电弧静压力作用 高温气体推向焊件 电极上方气体补充 新进入气体电离
等离子流力：高温气流的高速运动，持 续的冲向焊件，对熔池形成附加压力。 也称为电磁动压力。
电弧中等离子气流具有很高的速度和加 速度，可达数百米/秒。
电弧中心线上等离子流力最大。
电流越大，中心线上的动应力幅值越大， 分布区域越小。
气体流量及电弧空 间压力增强，也会 引起电弧收缩。
钨极端部几何形状
热损失小于热 输入，提高了 电弧温度及电 离度
负阻特性
平特性
金属蒸汽发射 等离子流
上升特性
电弧静特性的3各阶段， 并不是各种电弧中都能 够表现出来，还受到电 弧形态和电极的条件的 影响。
GTA焊接的静特性一般 可以明显的表现出3个 区段特性
造气剂 碳元素氧化
自由过渡：熔滴经电弧空间自由飞行，焊丝 的端头和熔池不发生直接接触。
接触过渡：焊丝端部的熔滴与熔池的表面通 过接触而过渡。
– 熔化极气体保护焊时，焊丝短路并重复的引燃电 弧，称为短路过渡
– TIG焊时，焊丝作为填充金属，它与工件之间不引 燃电弧，搭桥过渡
渣壁过渡，与渣保护有关，发生在埋弧焊时， 熔滴从熔渣的空腔壁上流下。
电弧的刚直性（挺直性、挺度）：电弧作为柔性导 体抵抗外界干扰，力求保持焊接电流沿电极轴向流 动的性能，这种性能是电弧自身磁场决定的。
电磁力是产生电弧刚直性的主要原因。
磁偏吹：实际焊接过程 中，由于受到很多因素 的影响，电弧周围磁力 线均匀分布的状态被破 坏，使电弧偏离焊丝 （条）轴线方向，这种 现象称为~，或者电弧 偏吹。
钨极氩弧焊的钨极锥角 较小，电流较大，或者 熔化极电弧焊采用喷射 过渡工艺时，这种电弧 的动压力较为显著。
结果：指状熔深。
增加电弧挺度，促进过 渡，增大熔深，搅拌
阴极收 缩严重
斑点力 作用， 熔滴尺 寸不同
气体介质的影响
导热性强或多原子 气体消耗的热量多， 引起电弧收缩，电 弧力增强。
光电离是产生带电粒子的次要途径
金属表面存在氧化物时逸出功会减小
光发射（对电极无 冷却作用）
粒子碰撞发射
正离子堆积-〉正离 子加速-〉碰撞-〉电 子发射
大多数粒子亲和能比较小，不易形成负离子 F、Cl、O2、OH、NO等离子亲和能比较大，
易于形成负离子。 放热过程，在高温下不易稳定存在 影响：
产生电磁收缩效应 的力称为电磁收缩 力。
电弧为气态导体，
在电流的作用下，
也产生电磁收缩效
应。
力大
电弧被看作圆锥形 气态导体，电极端 直径小，焊件端直 径大。
力小
电磁静压力：电弧轴向推力 在电弧横截面上分布不均匀， 弧柱轴线处最大，向外逐渐 减小，在焊件上表现为对熔 池形成的压力
结果：碗状熔深焊缝形状。