热加工工艺设备及设计

第二章焊接电弧

2.1电弧斑点是电弧燃烧过程中的产生的一种现象，出现在电极和母材上，它的形成与电极及溶池区域导电性能有关。

阴极斑点：钨和碳等高熔点材料且电流较小，或铁、铜、铝等低熔点材料作为阴极，在电弧温度不能使电极前端全面积产生热电子发射的情况下，电弧导电通道将主要集中在一个较小的区域，该区域电流密度、温度、发光强度远高于其它区域，称作阴极斑点区

阳极斑点：当采用低熔点材料作阳极时，一旦阳极表面某处有熔化和蒸发现象产生时，由于金属蒸气的电离能大大低于一般气体的电离能，在有金属蒸气存在的地方，更容易产生热电离而提供正离子流，电子流更容易从这里进入阳极，阳极上的导电区将在这里集中而形成阳极斑点。

2.2惰性气体中的电弧在金属板作为阴极的情况下，阴极斑点在金属板上扫动，除去金属表面的氧化膜，使其露出清洁的金属表面，称之为阴极清理作用（氧化膜破碎）。具有去除氧化膜的作用（氧化物的功函数比纯金属要低）。

阳极斑点形成条件：当电弧燃烧不能在阳极表面的全面积上形成均匀的电流通道，将在阳极上的某一局部区域形成主要的电流通道，电子将主要从此处进入阳极，不使弧柱压降受到大的影响，保证弧柱能量的最低消耗。阳极斑点的形成条件之一是金属的蒸发，当金属表面覆盖氧化膜时，阳极斑点具有自动寻找纯金属表面而避开氧化模的倾向。

产生情况：母材作为阳极，小电流的情况下，如果母材上不能形成连续的熔化，将在母材上电弧的后面形成阳极斑点；大电流焊接，形成了较大的熔池，但由于熔池金属蒸发情况的变化或合金元素的蒸发，将在熔池内部形成阳极斑点。

2.3最小电压原理：在给定电流和周围条件一定的情况下，电弧稳定燃烧时，其导电区半径（或温度），应使电弧电场强度具有最小的数值。即电弧具有保持最小能量消耗的特性。

2.4电弧的静特性，又称为电弧的伏安特性，指的是一定长度的电弧在稳定燃烧时，电弧电压与电弧电流之间的关系。

2.5电弧的静特性曲线

负阻特性区：小电流的TIG 、SAW

平特性：SMAW、大电流的TIG

上升特性：MIG、CO2

2.6电弧力及其影响因素：电磁收缩力（电弧静压力），等离子流力（电弧动压力）斑点力，爆破力，熔滴的冲击力

2.7交流电弧的燃烧特点：1 常用的交流焊接电源为50HZ的正弦波，电弧电流每秒钟100次过零点并改极性。2 电弧电流过零点，电流瞬时为零、电弧熄灭，下半周需要重新引燃。再引燃电压比冷态开始焊接时所需要的引燃电压要低。3 当电弧的两个电极材料不同时，由于电子发射能力不同，电弧两个极态下将流过不同的电流值，即电弧和回路中出现正负半波电流不同的情况（差值称为直流分量）

2.8交流电弧的电弧产热与电弧力特性：交流电弧的产热与电弧力特点居于直流正接与直流反接两者之间。GTAW焊接，对于钨电极而言，作为阳极时的热输入量要大于作为阴极时的热输入量，当钨电极作为阳极时（直流反接），钨电极很容易被熔化。

2.9电弧的刚直性（挺直性）：电弧作为一个柔软的导体抵抗外界干扰，力求保持焊接电流沿焊条轴向流动的性能。这种性能是由电弧自身磁场决定，产生的主要原因是电磁收缩力。电流越大，电弧的刚直性就越大等离子流力、高速气流、保护气流的冷却作用都有助于电弧刚直性的提高。

2.10电弧的磁偏吹：由于自身磁场不对称使得电弧偏离焊条轴线的现象。表现：电磁力将电弧从磁力线密集的一侧推向磁力线稀疏的一侧。防止措施：1．可能时用交流电源代替直流电2．尽量用短弧焊接，电弧越短磁偏吹越小3．长和大的工件可采用两边接地线的方法4．焊前要消除工件的剩磁5．尽量用厚皮焊条代替薄皮焊条6．避免周围铁磁物质的影响。2.11回路中电感作用：当电源电压降至零点时，由于电源与电弧负载电压相位上的差别及电感的续流作用，电感仍继续提供焊接电流，电弧电压不为零，维持电弧继续燃烧，直到电流为零电弧熄灭，但此时反向电源电压数值已达到或超过再引燃电压Ur，则电弧立即反向引燃，形成反向电流。使电流没有过零停顿，显著改善了交流电弧的稳定性。

第三章电弧焊的熔化现象

3.1加热和熔化焊丝的总热量Pm＝I(Um+IRe) 。第一项阴极区或阳极区的产热，Um-熔化等价电压；第二项焊丝伸出长度的电阻热。

3.2焊丝熔化速度的影响因素：电流增大，熔化速度加快；焊丝越细，熔化系数越大；电弧电压较高时对焊丝熔化速度影响不大，电弧电压较低范围内弧压变小，焊丝熔化速度增加。

焊丝极性及保护气混合比对熔化速度的影响：焊丝为阴极时的熔化速度总是大于焊丝为阳极时的熔化速度，并因气体的混合比不同而变化。焊丝为阳极时熔化速度基本不变。气体成分影响阴极压降，同时降影响溶滴的过渡形式，影响溶滴的加热及焊丝的熔化。

3.3熔滴上的作用力：表面张力:焊丝或焊条端头保持溶滴的主要作用力。

重力：平焊位置促进溶滴的过渡，焊丝直径较大而焊接电流较小时，是使溶滴脱落的主要作用力。立焊、仰焊阻碍溶滴的过渡。电磁收缩力：决定于电弧的形态。若弧根面积笼罩整个溶滴降促进溶滴过渡，若弧根面积小于溶滴直径，则电磁力形成斑点压力的一部分阻碍溶滴的过渡。

斑点压力：斑点面积较小时，常常阻碍溶滴的过渡；斑点面积较大时，笼罩整个溶滴时常促进溶滴的过渡。

等离子流力：电流较大时高速等离子流力将推动溶滴沿焊丝轴线方向运动

其他力：爆破力

3.4熔滴过渡的分类

IIW对电弧熔滴过渡形态的分类：自由过渡，接触过渡，渣壁过渡

（1）自由过渡①滴状过渡：电流较小或电弧电压较高时，弧长较长

大滴过渡：大滴滴落过渡（高电压小电流MIG焊），大滴排斥过渡（高电压小电流CO2焊接，或正极性焊接时大电流CO2气体保护焊）

（2）细颗粒过渡：中间电流区的MAG焊

②喷射过渡：弧长较长，电流较大，富氩保护，以喷射为特征。射滴过渡（铝MIG焊及脉冲焊），射流过渡（钢MIG焊），旋转射流（特大电流MIG焊），亚射流过渡（铝MIG焊）。铝的亚射流过渡采用等速送丝配恒流特性电源进行焊接，实现弧长的自动调节。

③爆炸过渡：焊丝含挥发成分的CO2焊。

（3）接触过渡：短路过渡（CO2气体保护焊），连续桥路过渡（非熔化极填丝）。

（4）渣壁过渡：渣壁过渡（埋弧焊），套筒壁过渡（焊条电弧焊）涂料焊条手工焊可以出现四种过渡形式：渣壁过渡、大颗粒过渡、细颗粒过渡、短路过渡。

CO2气体保护焊时，因为CO2气体高温分解吸热对电弧有冷却作用，使电弧电场强度提高，电弧收缩，弧根面积减小，增加了斑点压力而阻碍熔滴过度，并形成大滴状排斥过渡。中等电流规范的CO2气体保护焊时，应为弧长较短，同时熔滴和熔池都在不停地运动，熔滴与熔池极易发生短路，所以CO2气体保护焊时除了大滴状排斥过渡外，还有一部分熔滴是短路过渡。对于细焊丝CO2气体保护焊时，随着焊接电流的增大，斑点面积也增大，电磁力增大，熔滴过渡频率增加，这时发生细颗粒过渡。

熔化极气体保护焊直流正接时，由于斑点压力较大，无论用Ar 还是CO2气体保护，焊丝都有明显的大滴状排斥过渡现象。

MIG焊熔滴的喷射过渡主要用于中等厚板和大厚度板的水平对接和水平角接。产生喷射过渡的原因是电弧的形态比较扩展。