第一章 电弧焊基础知识

③斑点力
由于斑点处受到带电粒子的撞击或金属 蒸发的反作用而对斑点产生的压力。 • 阴极斑点力比阳极斑点力大。 原因：
★阴极斑点承受正离子的撞击阳极斑点承受电子
的撞击。
正离子的质量＞电子的质量
★阴极斑点的电流密度＞阳极斑点的电流密度
★阴极金属蒸发产生的反作用力＞阳极斑点大
不论阴极还是 阳极斑点力的方向 总是与熔滴过度方 向相反，因而斑点 力总是阻碍熔滴过 度。
弧柱单位长度上的电压降（电位梯度）。 ●弧柱的导电性能好， E值小。 ●弧柱中流过电流I大时， E值减小。 电场强度的大小与电弧的气体介质有关。
2.阴极区的导电特性 阴极区作用： ●向弧柱区提供电弧导电所需要的电子流； ●接受由弧柱传来的正离子流。 阴极区的导电形式： 热发射型、电场发射型。 阴极区的电压降： 取决于电极材料的种类、电流大小、 气体介质的成分。
焊缝有效厚度（熔深）H
焊缝宽度（熔宽）B
余高 h
• 焊缝成形系数φ =B／H 埋弧焊要求φ ＞1.25 • 余高系数 ψ =B／h 一般要求h=0 ，对接接头h=0～3mm
因此在直流电弧焊时，常用反接法来减小飞溅。
（2）电弧力的主要影响因素
①焊接电流和电压
●焊接电流I↑→电磁收缩力↑→等离子流力↑→电弧力↑； ●焊接电流I一定时，电弧长度↑→ 电弧电压↑→电弧力↓。
②焊丝直径
焊接电流I一定时， 焊丝直径↓→电流密度 ↑→电磁收缩力↑→等 离子流力↑→电弧力↑。
③电极的极性 从斑点 压力角度考 虑，直流反 接时电弧力 大。
ù f =ƒ(Ìf)
热惯性： 温度的变化总是落 后于电流的变化。
5.电弧的种类
1.按电流种类分： 交流电弧、直流电弧、脉冲电弧 2.按电弧的状态分： 自由电弧—非熔化极电弧 熔化极电弧 压缩电弧—等离子弧 脉冲电弧
第二节 焊丝的熔化与溶滴过渡
一、焊丝的加热和熔化特性 1.焊丝的热源 焊丝的热源=电弧热+电阻热 ①电弧热： 两电极区的产热功率与焊接电流成正比。
表面张力系数 焊丝半径
表面张力系数σ与焊丝材料、温度、气体介质等因素有关。
•平焊时， Fσ阻碍熔滴过渡；
•其他位置焊接时，有利于熔滴过渡。
3.电弧力
• 电磁收缩力：有利于熔滴过渡。 • 等离子流力：有利于熔滴过渡。 • 斑点力：阻碍熔滴过渡。
4.熔滴爆破力 它在促使溶滴过渡的同时，也产生飞溅。
5.电弧的气体吹力
②等离子流力
高温气体流动时 从电极上方补充新的 气体，新加入的气体 被加热和部分电离后， 对熔池形成附加压力。 引起附加压力的 高速运动的高温气流 叫做等离子流力。
• 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， 对熔池形成压力（电磁静压力），这种 力作用在熔池中，则形成碗状熔深焊缝。 • 等离子流力引起的动压力，则形成指状 熔深焊缝。
2）爆破过渡
• 在电弧气氛或保护气体中含有CO2气体时， 会发生爆炸现象，使部分熔滴金属爆炸 成为飞溅。
2.接触过渡
焊丝端头（熔滴）和熔池表面通过接触而过渡形式。
1）短路过渡
2）搭桥过渡
原因：
小熔滴时，电磁收缩力的 作用大于表面张力。
原因： 大熔滴时，电磁收缩力的 作用小于表面张力。
短路过渡过程
1）阴极斑点
阴极表面发射电子最集中，电流最集中流过的区域。
阴极斑点与阴极材料有关。
如：钨或碳作阴极时（热阴极），斑点固定不动。 钢、铜、铝作阴极时（冷阴极），斑点不规则游动。
2）逸出功： 一个电子从金属表面逸出所需要的最低 外加能量。逸出功（AW），单位（eV）。
• 由于金属氧化物的逸出功比纯金属低，因而 氧化物处容易发射电子的同时氧化物被破坏， 这就阴极有清除氧化物（阴极雾化）的作用。
3.带电粒子的消失
• 复合： 电弧空间的正负带电粒子，在一定 条件下相遇而结合成中性粒子的过程。 •负离子的形成： 在一定条件下，中性原子或分子吸附 电子而形成负离子。
二、 焊接电弧的导电特性
指电荷的运动并形成电流的带电粒子在 电弧中产生、运动和消失的过程。
1.弧柱区的导电特性
弧柱电场强度E ：
• 引起磁力线分布不均匀的原因 导线接线位置 电弧附近的铁磁物质
消除磁偏吹的措施
• • • • • 选用交流电源； 采用直流时，在工件两端同时接地线； 避免周围有铁磁物质； 压低电弧长度（短弧焊）； 利用电弧的挺度，使焊丝（焊条）向电 弧偏吹方向倾斜。
4.焊接电弧的静特性和动特性
1）焊接电弧的静特性 一定长度的电弧在稳定状态 下，电弧两端的电压Uf与焊接 电流If之间的关系。叫做电弧 静特性或电弧的伏安特性。
搭桥过渡
在表面张力、重力、电弧力作用下熔滴进入熔 池。一般在非熔化极填丝电弧焊或气焊中出现。
3.渣壁过渡
熔滴沿着熔渣的壁面流入熔池的一种过渡形式。
• 埋弧焊时，熔 滴沿着熔渣壁 过渡
• 厚药皮焊条电弧焊 时，熔滴沿着药皮 套筒壁壁过渡
第三节 母材熔化与焊缝成形
一、焊缝形成过程
二、焊缝形状与焊缝质量的关系
两电极之间的气体导电条件：
1.两电极之间有带电粒子；
2.两电极之间有电场。
使气体的中性粒子电离成为带电的正粒子 和负粒子。
焊接电弧的电压分布
• 阳极区：
电弧与电源正极所接的区域。
• 阴极区：
电弧与电源负极所接的区域。
• 弧柱区：
在电弧的阳极区和阴极区之 间的区域。
电弧电压 Ua=UA+Uc+Uk
▲焊接电弧的电阻是非线性的。
热电离度与温度、气体压力、电离电压 有关。
随着 温度T↑→气体压力↓ →电离电压↓→电离度↑ → 带电粒子数↑→电弧的 稳定性↑。
②场致电离
在两电极之间的电场作用下，带电粒子的加 速（动能）与中性粒子发生非弹性碰撞而产生的 电离。
• 弧柱区： 温度5000~30000K之间，而电场强度 10v／cm左右。※主要产生热电离 • 阴极区和阳极区： 电场强度105~107V ／cm左右 ※主要产生电致电离
• 焊条电弧焊时，由于焊 条药皮的熔化滞后于焊 芯的熔化，在焊条的端 部就形成套筒。 • 药皮产生的气体（药皮 的造气作用）在高温作 用下急剧膨胀，从套筒 中喷出作用于熔滴。
•电弧气体吹力总是有利于熔滴过渡。
三、溶滴过渡的主要形式及特点
1.自由过渡
焊丝端头（熔滴）和熔池之间不发生直接接触的过渡形式。
3.阳极区的导电特性 阳极区的作用： ●接受弧柱送来的电子流； ●向弧柱提供所需的正离子流。 阳极区的导电形式： ●阳极区的场致电离、 ●阳极区的热电离。
三、焊接电弧的工艺特性
电弧的热能特性、力学特性、稳定性。 1.电弧的热能特性 （1）电弧热的形成机构 ①弧柱的产热 带电粒子之间的碰撞，带电粒子与中性 粒子之间的碰撞，把电能转换成热能。 ②阴极区的产热 阴极区总产热功率Pk=IUK－IUW－IUT ③阳极区的产热 阳极区总产热功率Pa =IUa+IUW+IUT
焊丝的熔化速度=送丝速度
二、熔滴上的作用
在电弧热作用下焊丝或焊条端部受热 后形成熔滴。 熔滴上的作用力可分为： 重力、表面张力、 电弧力、熔滴爆破力、 电弧的气体吹力等。
1.重力Fg
Fg=mg=4／3πr3ρg •焊接位置不同，重力的作用也不同。
2.表面张力
是指焊丝端部保持熔滴的作用。 表面张力Fσ=2πRσ
第一章
电弧焊基础知识
第一节 焊接电弧
●电弧具有两个重要特性，即它 在放电的同时发出强烈的光和 大量的热。
●人们就利用电弧的热量熔化被 焊接材料。 ●电弧稳定燃烧的条件： 应不断地向电弧区补充带电粒子， 也就是不断地向电弧区输送能源。
一、焊接 电弧的物理基础 1.电弧及其电场强度分布
焊接电弧是一种气体放电现象，它是人为 控制的长时间的放电加热过程。
2.电弧中带电粒子的产生
带电粒子的产生： ●气体的电离 ●金属电极发射电子 ●负离子形成
（1）气体的电离
气体的分子或原子=电子+正离子 电离能： 中性气体粒子失去电子所需的最小外加能量。 按外加能量形式可分： ■热电离■场致电离■光电离。
①热电离
气体粒子受热的作用而产生电离的过程。
电离度χ=已电离的中性粒子密度／电离前的中性粒 子密度
1）滴状过渡
①粗滴过渡
特点：熔滴直径大于焊丝直径 ②细滴过渡
电流小，电压高时， 飞溅大。
电流大，电磁收缩力大时， 飞溅较少。
2）喷射过渡（射流过渡）
特点：熔滴直径小于焊丝直径
• 优点：
过渡频率快，飞溅少，电弧稳定，热量集中，对工件穿透力强。
• 用途：
熔化极氩弧焊，活性气体保护焊。适合于焊接厚度大于3mm的工件， 不适宜焊接ຫໍສະໝຸດ Baidu板。
（2）电弧的温度分布 • 轴向温度分布 特点： 阴极区、阳极区 的温度低，弧柱区温 度高。
• 径向温度分布
• 焊接电弧的热效率及能量密度
热功率PQ=PA=IUA 式中: PA—电弧的电功率 UA —电弧电压, UA=Uk+Uc+Ua 有效热功率 P有=η P总 η —热效率系数
能量密度：单位面积上的有效热功率（W／cm2） 电弧加热区的能量密度分布是不均匀的。弧柱轴线处能 量密度最大，因此弧柱中心处的工件熔深大，而周围熔深小。
2) 焊接电流
焊接电流越大，电弧燃烧越稳定。
3）电弧长度 L≈（0.5~1.1）d 4）焊条药皮或焊剂
焊条要皮或焊剂中加少量的低电离 能元素如；k 、 Na 、 Ca等氧化物，保证 电弧的稳定燃烧。
5）磁偏吹
电弧偏离焊丝或焊条轴线方向的现象。
原因： 电弧周围磁场分布不均匀，导致电弧两 侧产生的磁力线不同。
Uf = ƒ(If)
• 焊接电弧是非线性负载。 • 焊接电弧If随的变化呈U形曲线。
电弧的应用 • ab段：下降特性段 电弧燃烧和稳定性差。
• bc段：平特性段
用途：手工焊、埋弧焊、 氩弧焊等。
• cd段：上升特性段
用途: CO2气体焊、 水下焊接等。
2）焊接电弧的动特性
在一定弧长下，电 弧电流变化时，电弧电 压和电流瞬间值的关系。
④气体介质 导热性强的气 体或多原子气体消 耗的热量多，会引 起电弧的收缩，导 致电弧力增加。气 体流量增加，也会 引起弧柱收缩，导 致电弧力增加。
3.焊接电弧的稳定性
影响电弧稳定性的主要因素
1）焊接电源
①焊接电源的特性
电源的外特性与电弧的静特性相匹配。
②焊接电流的种类 交流、直流、矩形波。 ③空载电压 U0≈（1.5~2.4）Uf ④ 电源频率 f ↑→ 电弧稳定
焊丝为阴极时PQ＞阳极PQ
阴极υ
m＞
阳极υ
m
②电阻热： 焊丝伸出部分的电阻对焊丝有加热作用。
焊丝伸出长度的电阻
RS=ρLS／S
电阻产生的热功率
PR=I2RS 电阻热取决于焊丝材料及焊丝伸出长度。
2.焊丝的熔化特性
是焊丝的熔化速度υ m和焊接电流I 之间的关系。
• 熔化特性与焊丝材料、焊丝直径、焊丝伸出长度有关。
▲由燃弧和熄弧（短 路）两个交替进行，电 弧燃烧过程是不连续的。
特点及用途 • 燃弧时对工件加热，熄弧时熔滴过渡到熔池， 可调节对工件的热输入量，控制焊缝形状。 • 平均焊接电流小，短路电流峰值有相当大， 可避免薄板的焊穿，这有利于薄板焊接或全 位置焊接。 • 一般使用小直径焊丝或焊条，电流密度较大， 电弧产热集中，焊丝或焊条熔化速度快，因 而焊接速度快。
③光电离
中性气体粒子受到光辐射的作 用而产生的电离过程。
焊接电弧的光辐射只能对K（钾）、 Na（钠）、Ca（钙）、Al（铝）等金属 蒸汽直接引起光辐射。
（2）阴级电子发射
阴极表面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。 从阴极发射的电子在电场的加速下碰撞电弧中的 中性气体粒子而产生电离，因此阴极电子发射在电弧 导电过程中起着特别重要的作用。
2.电弧的力学特性
（1）电弧力的作用 直接影响工件的熔深、熔滴过度、熔池 的搅拌、焊缝成形、金属飞溅等。
电弧力主要包括电磁收缩力、等离子流 力、斑点力等。
①电磁收缩力
由电弧自身磁场引起的电磁收缩力， 不仅使熔池下凹，同时起搅拌熔池的作用， 这有利于细化晶粒，排出气体及夹渣，使 焊缝的质量得到改善。
3）电子发射的类型 • 热发射：
阴极表面因受热其内部自由电子热运动加大，动 能增加，产生的电子发射现象。
• 场致发射：
阴极内部的自由电子在电场力的作用下，逸出阴 极表面的电子发射现象。
• 光发射：
阴极表面受到光辐射作用时，阴极内部的自由电 子逸出阴极表面的电子发射现象。
• 粒子碰撞发射：
高速运动的粒子碰撞阴极时，阴极表面自由电子 逸出阴极表面的电子发射现象。