第一章 电弧焊基础知识

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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
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（3）斑点力：电极上形成斑点时，由 于斑点受到带电粒子的撞击，或金属蒸 汽的反作用而对斑点产生的压力，称为 ~，或斑点压力。 阴极斑点力大于阳极斑点力 原因：正离子的质量远大于电子的质量 阴极斑点电流密度大，蒸汽反作 用力也大
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（3）极性的影响
斑点力 作用， 熔滴尺 寸不同
（4）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。 气体流量及电弧空间压力增强，也会引起电弧收缩。
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（三）焊接电弧的稳定性
定义：电弧产生稳定燃烧（不产生断弧、 飘移和偏吹等）的程度 意义：是保证焊接质量的一个重要因素 影响因素：操作技术、焊接电源特性、 焊接材料特性、焊接工艺特性及磁偏吹 等

束缚弧柱直径 电磁搅拌（细化晶粒，排出气 体及熔渣）
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（2）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。

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斑点力阻碍熔滴 过渡 利用阳极斑点压 力小的特点，直 流焊接时，采用 直流反接，利于 熔滴过渡，减小 飞溅
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2.电弧力的主要影响因素：
– 焊接电流和电压 – 焊丝直径 – 电极极性 – 气体介质 – 钨极端部几何形状
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（1）电流和电压的影响

（2）焊丝直径的影响 焊接电流一定时，焊丝越细，电流 密度越大，造成电弧锥形越明显。
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（1）电子发射与逸出功 定义：
– 电子发射：阴极中的自由电子受到一定的外加能 量作用，从阴极表面逸出的过程 – 逸出功：一个电子从金属表面逸出所需的最低外 加能量。单位电子伏或者逸出电压


逸出功的大小受电极材料及表面状态的影响。 金属表面存在氧化物时逸出功会减小 表1-3与表1-1比较


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。
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气体是良好的绝缘体 带电粒子密度<10-8/m3 使气体导电的条件：电场；带电粒子
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
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激励 定义：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~。 激励可导致->电弧辐射光 重要结论： 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。 *意义：稳弧剂的作用
焊接方法与设备
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第一章 电弧焊基础知识

电弧焊重要性
– 高效

本章基本内容
– 第一节 焊接电弧 – *第二节 焊丝熔化与熔滴过渡 – *第三节 母材熔化及焊缝成型
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第一节 焊接电弧


一、焊接电弧物理基础 二、焊接电弧导电特性 *三、焊接电弧工艺特性
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一、焊接电弧物理基础
（一）电弧及其电场强度分布

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 力学特性和电弧的稳定性等。
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（一）电弧的热能特性 电弧的温度分布
熔点限制 导热条件
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（二）电弧的力学特性
1、电弧力及其作用 电弧力影响着熔深及熔滴的过渡，而且影响到熔 池的搅拌、焊缝成形及金属的飞溅等 *电弧力主要包括：电磁收缩力、等离子流力、斑点 力等
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（二）焊丝的熔化特性 焊丝的熔化特性：焊丝的熔化速度和焊接
电流之间的关系。其主要与焊丝材料及焊丝 直径有关。
材料不同：电阻率、熔化系数不同； 焊丝直径：电阻不同、导热能力不同
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二、熔滴上的作用力 1、重力 2、表面张力 3、电弧力 4、熔滴爆破力 5、电弧的气体吹力
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1、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。 立焊和仰焊时，重力阻碍 熔滴过渡。
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（一）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。
（二）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
（三）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。
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。 结果：影响焊接质量
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磁偏吹影响因素
– 导线连接位置 – 电弧附近电磁铁 – 磁性回路 – 焊接位置
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减少磁偏吹的措施
– 可能时采用交流电源代替直流电源 – 尽量采用短弧进行焊接 – 对于长和大的工件采用两端接地的方法 – 如果工件有剩磁，焊接前应消除 – 避免周围铁磁性物质的影响 – 用厚药皮焊条代替薄药皮焊条
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（一）电弧及其电场强度分布 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 电场分布的不均匀 性表明电弧电阻的 非线性
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（二）电弧中带电粒子产生来源：
–1 –2 –3 –4
中性气体粒子的电离 金属电极发射电子 带电粒子复合 负离子形成
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1.焊接电源的影响：
（1）焊接电源的特性 （2）焊接电源的种类 （3）焊接电源的空载电压
2.焊接材料
– 药皮成分（稳弧剂、电离能低的成分K、 Ca、Na的氧化物） – 药皮偏心、局部脱落
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3.焊接电流（越大越稳定）
– 电离度、热发射能力增强 – 断弧弧长增加 4. 磁偏吹： 实际焊接过

实际焊接过程中常常是几种发射形式共 存
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（三）带电粒子的消失


动态平衡：电弧稳定燃烧时，带电粒子 的产生与消失处于动态平衡 主要形式： 1 扩散 2 复合
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3 负离子形成



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：
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2、表面张力 在焊条端头上主要保持 熔滴的主要作用力。 Fσ=2Rπσ
表面张力系数
焊丝半径 与材料成分（ O 、 S ）、温度、气 体介质等因素有关
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3.电弧力：电弧对熔滴和熔池的机械作用力， 包括：？ 电弧力只有在焊接电流较大的时候，才对 熔滴过渡起主要作用；电流小时，重力表 面张力其主要作用
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（2）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
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5.其他影响稳定性的因素：
– 表面清洁状态 – 气流
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第二节 焊丝的熔化与熔滴过渡


焊丝的加热与熔化特性 熔滴上的作用力 *熔滴过渡的主要形式及特点
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一、焊丝的加热与熔化特性 （一）焊丝的热源 1、电弧热
熔化极电弧焊： 焊丝的熔化主要依靠 阴极区或者阳极区产生的 热量以及焊丝伸出长度上 的电阻热。弧柱区产生的 热量对于焊丝的加热熔化 作用比较小。 非熔化极电弧焊： 弧柱区产热熔化焊丝
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两种现象： 1、电场强度E的大小与电弧的气体介质有关 2、E的大小将随弧柱的热损失情况自行调整 最小电压原理 弧柱在稳定燃烧时，有使自身能量减小的特性 2、阴极区的导电特性 热发射型

电场发射型
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3、阳极区的导电特性

阳极斑点
阳极区导电形式 阳极区的场致电离 阳极区的热电离

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三、焊接电弧的工艺特性
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（2）电离的种类： 热电离（弧柱）
场致电离（两极）
碰撞电离（主要途径）
光电离：仅对K、Na、Ca、Al的金属蒸汽
基本规律： 温度 压力 电离电压

电离度
带电粒子数 电弧稳定性
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2、阴极电子发射

电离和阴极电子发射是电弧产生和维持 不可缺少的必要条件
阴极发射出的电子，在电场的加速下碰撞电弧空间 的中性粒子使之电离，从而是阴极电子发射充当了 维持电弧导电的——原电子之源。

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2、电阻热

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。 结论：
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。
– 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
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二、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的 产生、运动和消失的过程。 1、弧柱区的导电特性 宏观上看弧柱呈电中性 具有良好的导电性 弧柱中的电流主要由电子流构成
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2、喷射过渡（射流过渡）
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4、熔滴爆破力：当熔滴内部因冶金反应 而生成气体或者含有易蒸发金属时，在 电弧高温的作用下，使气体体积膨胀而 产生的内压力，致使熔滴爆破，这一内 压力称为~，它促进熔滴过渡，但产生 飞溅。
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5、电弧的气体吹力
造气剂 碳元素氧化
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*三、熔滴过渡的主要形式和 特点


熔滴过渡 定义：电弧焊时，焊丝的末端在电弧的高温 作用下加热熔化，形成熔滴通过电弧空间向 熔池转移的过程，称为~ 焊丝形成的熔滴作为填充金属与熔化的母材 共同形成焊缝，因此，焊丝的加热熔化及熔 滴的过渡过程将对焊接过程和焊缝质量产生 直接的影响。
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图
熔滴过渡的主要形式
粒状过渡
短 路 过 渡
搭桥 过渡
爆破过渡 喷射 过渡 套筒 过渡
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渣壁 过渡
（一）自由过渡：
1、滴状过渡

电弧电压高，根据电流大小、极性和保护气体种类不同，又可分为粗 滴过渡和细滴过渡
（1）粗滴过渡：电流比较小和电压比较高时， 弧长较长，使熔滴不易与熔池短路。因电流 比较小，弧根面积的直径小于熔滴直径，熔 滴与焊丝之间的电磁力不易使熔滴形成缩颈， 同时斑点压力又阻碍熔滴过渡。随着焊丝熔 化，颗粒长大，最后重力克服表面张力作用， 而形成大的颗粒过渡。 电弧稳定性和焊缝质量都比较差。
力大
（1）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。
力小
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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。
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*（2）阴极斑点 定义：阴极表面经常可以看到发出闪烁 的区域，这个区域称为 电子发射最集中的区域 电流最集中流过的区域 热阴极：斑点固定 W C 冷阴极：斑点不规则移动 Cu Fe Al


阴极清理作用（阴极破碎） 在铝合金焊接中作用最为明显
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（3）电子发射的类型
– 热发射 – 场致发射 – 光发射 – 粒子碰撞发射
基本物理过程
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1、气体的电离
（1）气体的电离与激励 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。 气体的电离电压的大小反映了带电粒子产生的难易程度。 （表1-1） – 电离电压低----带电粒子容易产生，有利于电弧导电 – 电离电压高----带电粒子难以产生 电弧导电困难