1、焊接工艺 （焊接方法与设备）,第一单元 电弧焊的基础知识,综合知识模块一 焊接电弧综合知识模块二 焊丝的熔化与熔滴过渡综合知识模块三 母材熔化与焊缝成形,第一单元 电弧焊的基础知识,综合知识模块一 焊接电弧,能力知识点1 焊接电弧的物理基础 能力知识点2 焊接电弧的导电性 能力知识点3 焊接电弧的工艺特性,焊接电弧的物理基础,1.电弧及其电场强度分布 电弧：电弧是一种气体放电现象，它是带电粒子通过两电极之间气体空间的一种导电过程。,如何导电？,气体放电的不同形式,焊接电弧的物理基础,电场强度分布,图1 电弧及电压分布示意图,焊接电弧的物理基础,2.电弧中带电粒子的产生,电离电压大小与电弧导电的
2、关系？,焊接电弧的物理基础,2）电离种类：热电离、场致电离、光电离,热电离：气体粒子受热作用产生电离的过程。,热电离产生实质：气体粒子热运动粒子间碰撞电离,影响因素：温度气体压力气体电离电压,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。（x）,X=已电离的中性粒子密度/电离前的中性粒子密度,焊接电弧的物理基础,场致电离：在两电极间的电场作用下，气体中的带电粒子数增加，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。,产生位置：阴极压降区和阳极压降区,原因：在电场作用下电场强度高 （阴、阳区E=105-107V/cm弧柱区E
3、=10V/cm）,焊接电弧的物理基础,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。,适用范围：K、Na、Ca、Al等金属蒸汽（次要途径）,焊接电弧的物理基础,阴极电子发射,从阴极发射的电子在电场加速下碰撞电弧导电空间的中性气体粒子而使之电离，这样就使阴极发射充当了维持电弧导电的“原电子之源”,电子发射：阴极中的电子受到一定外加能量作用时，从阴极表面逸出的过程称为电子发射。,1）电子发射与逸出功,逸出功： 1个电子从金属表面逸出所需要的最低外加能量称为逸出功。（Aw）单位：eV 逸出电压Uw=Aw/e影响因素：电极材料种类和表面状态,焊接电弧的物理基础,特征：微小、烁亮，发射电子最集中
4、的区域（电流最集中流过的区域）,2）阴极斑点,形态： 与阴极类型有关,作用： 清除氧化物,焊接电弧的物理基础,2）电子发射的类型（根据外加能量形式）,热发射：阴极表面因受热的作用而使其内部的自由电子产生电子发射的现象。影响因素：材料的沸点,场致发射：阴极内部的电子受到电场力的作用，从阴极表面逸出的现象。,光发射：当阴极表面受到光辐射时，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。,粒子碰撞发射：电弧中高速运动的粒子碰撞阴极时，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。,焊接电弧的物理基础,3.带电粒子的消失,焊接电弧的导电特性,一、弧柱区的导电特性二、阴极区的
5、导电特性三、阳极区的导电特性,弧柱区的导电特性,1、弧柱区的温度弧柱区的温度随电弧气体介质、电流大小的不同而不同，大约在500050000K之间。 2、弧柱中的电流弧柱中的电流是由向阴极运动的正离子流和向阳极运动的电子流的组成。由于电子的运动速度大于正离子的运动速度，因此弧柱中的电流主要由电子流构成。 3、最小电压原理当电流和电弧周围条件（如气体介质种类、温度、压力等）一定时，稳定燃烧的电弧将自动选择一个确定的导电截面，使电弧的能量消耗最小。,返回,阴极区的导电特性,1、热发射型阴极区的导电特性 当采用热阴极且使用较大电流时，阴极区可加热到很高温度时，这时阴极主要靠热发射提供电子流来满足弧柱导
6、电的需要。这种情况下，阴极斑点在电极表面十分稳定，其面积较大而且比较均匀，紧挨阴极表面的弧柱不呈现收缩状态，阴极区的电流密度与弧柱区也相近，阴极区电压降很小。 2、电场发射型阴极区的导电特性 阴极区的温度较低,在靠近阴极的区域,正电荷过剩形成较强的正电场,并使阴极与弧柱之间形成一个正电性区.同时使阴极产生场致发射,向弧柱提供所需要的电子流.,返回,阳极区的导电特性,阳极斑点:阳极斑点是电子集中轰击的区域. 阳极区的导电形式: (1)阳极区的场致电离:当电弧较小时,阳极前面的电子数必将大于正离子数,形成负的空间电场,并使阳极与弧柱之间形成一个负电性区-阳极区.阳极区内的带电粒子被这个电场加速,使
7、其在阳极区内与中性粒子产碰撞产生场致电离.压降较大.(2)阳极区的热电离:当电弧电流较大时,阳极的过程程度加剧,金属产生蒸发,阳极区温度也大大提高.阳极区将主要以热电离为主,压降较低.,返回,三、焊接电弧的工艺特性,1、电弧的热能特性2、电弧的力学特性3、焊接电弧的稳定性,1、电弧的热能特性,（1）弧柱的产热特性：单位长度弧柱的电能为EI，它的大小决定了弧柱产热量的大小。当电弧处于稳定状态时，弧柱的产热与弧柱的热损失处于动平衡状态。 （2）阴极区的产热特性：阴极区的产热功率为： PK=IUK-IUW-IUT （3）阳极区的产热特性：阳极区的电流由电子流和正离子流两部分组成，其中正离子流所占比例
8、很小。阳极区的总产热功率为：Pa=IUa+IUW+IUT,下一页,电弧的温度分布,（1）轴向：阴极区和阳极区的温度较低，弧柱温度较高。 （2）径向：弧柱轴线温度最高，沿径向由中心至周围温度逐渐降低，如图所示。,返回,2、电弧的力学特性,（1）电磁收缩力：当电流流过 导体时，电流可看成是由许多 相距很近的平行同向电流线组 成，这些电流线之间产生相互 吸引力。电弧是可变形导体， 将使导体产生收缩，这种现象 称为电磁收缩效应，产生电磁 收缩效应的力称为电磁收缩力。 如图所示。,下一页,电弧的力学特性,（2）等离子流力：因电弧呈圆锥状， 使电磁收缩力在电弧各处分布不均匀 ，具有一定的压力差，形成了轴向
9、推 力。在此推力作用下，将指导靠近电 极处的高温气体推向焊件方向流动， 形成有一定速度的连续气流进入电弧 区。新加入的气体被加热和部分电离 后，受轴向推力作用继续冲向焊件， 对熔池形成附加的压力，熔池这部分 附加压力是由高温气流（等离子流） 的高速运动引起的，称为等离子流。,下一页,电弧的力学特性,（3）斑点力：电极上形成斑点时，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，称为斑点力。阴极斑点力比阳极斑点力大的原因： 阴极斑点承受正离子撞击，阳极斑点承受电子撞击，而正离子的质量比电子的质量大，且阴极压降一般大于阳极压降；阴极斑点的电流密度比阳极斑点的电流密度大，金属蒸发产
10、生的反作用力也比阳极斑点大。,返回,三、焊接电弧的稳定性,定义：焊接电弧的稳定性是指电弧保持稳定燃烧（不产生断弧、飘移和偏吹等）的程度。影响稳定性的因素： （1）焊接电源 （2）焊条药皮或焊剂 （3）焊接电流 （4）磁偏吹 （5）其它影响因素,（1）焊接电源的影响,焊接电源的特性：电弧焊时，电源必须提供一种能与电弧静特性相匹配的外特性才能保证电弧稳定燃烧。焊接电源种类：直流电源比交流电源稳定。焊接电源的空载电压：具有较高空载电压的焊接电源引弧容易，电弧稳定。,（2）焊条药皮或焊剂的影响,焊条药皮或焊剂中有少量的低电离能的物质（如K、Na、Ca的氧化物)，能增加电弧气氛中的带电粒子，保证电弧稳定
11、燃烧。 焊条药皮或焊剂中含有电离能比较高的氟化物及氯化物时，由于它们难电离，因而降低了电弧气氛的电离程度，使电弧燃烧不稳定。 当焊条药虎偏心或焊条保存不好而造成药皮局部脱落时，焊接过程中电弧气体吹力在电弧周围分布不均，电弧稳定性下降。,(3)焊接电流的影响,焊接电流大,电弧的温度高,则电弧气氛中的电离程度和热发射作用就增强,电弧燃烧就越稳定。通过实验测定：随着焊接电流的增大，电弧的引燃电压就降低，同时，随着焊接电流的增大，自然断弧的最大弧长也增大。所以焊接电流越大，电弧的稳定性越好。,（4）磁偏吹现象,定义：在焊接过程中，由于多种因素的影响，电弧周围磁力线均匀分布的状况被破坏，使电弧偏离焊丝（
12、条）轴线方向，这种现象称为磁偏吹。如图所示。引起磁力线分布不均匀的原因： 1）导线接线位置； 2）电弧附近的铁磁性物体；如图所示。,磁偏吹形成示意图,引起磁力线分布不均示意图,(5)其他影响因素,电弧长度的影响:如果电弧过长,电弧就会发生剧烈摆动,从而破坏焊接电弧的稳定性。焊接件表面状态的影响：焊接处如有油漆、水分和锈层等，也会使稳定性下降。外界环境的影响：强风、气流等因素会造成电弧偏吹，使电弧稳定性下降。,第二节 焊丝的熔化与熔滴过渡,一、焊丝的加热和熔化特性二、熔滴上的作用力三、熔滴过渡的主要形式及特点,一、焊丝的加热和熔化特性,1、焊丝的热源 电弧焊时，主要热源是电弧热和电阻热。 熔化极
13、时，阴（阳）极区电弧热及电阻热； 非熔化极时，主要靠弧柱区产生的热量。 其中：阴极区的产热功率：PK=I（UK-UW）； 阳极区的产热功率：Pa=IUW 电阻热：PR=I2RS；RS=LS/S 2、焊丝的熔化特性 焊丝的熔化特性指焊丝的熔化速度和焊接电流之间的关系。 在其他条件相同的情况下，焊丝电阻率和熔化系数越大，焊丝熔化速度越快，反之，熔化速度越慢。图示为熔化特性与焊丝直径的关系及熔化特性与伸出长度的关系。,下一页,焊丝的熔化特性与焊丝直径及伸出长度的关系,返回,二、熔滴上的作用力,1、重力：平焊时，促进熔滴过渡；其他位置时，阻碍熔滴过渡。 2、表面张力：表面张力是指向焊丝端头上保持熔滴的
14、作用力。平焊时，阻碍熔滴过渡；其他位置有利于熔滴过渡。如图所示。 3、电弧力：电弧力包括电磁收缩力、等离子流力、斑点压力等。其中电弧力和等离子流力促进熔滴过渡；斑点压力总是阻碍熔滴过渡。 4、熔滴爆破力：当熔滴内部因冶金作用而生成气体或含有易蒸发金属时，在电弧高温作用下将使气体积聚、膨胀而产生较大的内压力，致使熔滴爆破。它促使熔滴过渡。 5、电弧的气体吹力：焊条电弧焊时，焊条药皮的熔化滞后于焊芯的熔化，在焊条端部形成套筒，此时，药皮中的造气剂产生的气体在高温下急剧膨胀，从套筒中喷出作用于熔滴。不论何种位置的焊接，电弧气体吹力总是促进熔滴过渡。,熔滴上的作用力示意图,返回,三、熔熵过渡的主要形式
15、及特点,1、自由过渡 （1）滴状过渡：滴状过渡分为粗滴过渡和细滴过渡两种。 粗滴过渡：在电流较小，电弧电压较大时易形成； 特点：靠重力克服表面张力实现过渡，熔滴存在时长，尺寸大，飞溅大，电弧的稳定性及焊缝质量都较差。 细滴过渡：在电流较大时易形成。 特点：靠重力与电磁收缩力的作用实现过渡，熔滴存在时间短，熔滴细化，过渡频率增加；电弧稳定性较高，飞溅较少，焊缝质量提高。 （2）喷射过渡：形成机理如图所示。 特点：过渡频率快，飞溅少，电弧稳定，热量集中，对焊件穿透力强，可得到指状焊缝，适合焊厚板。,下一页,喷射过渡形成机理示意图,在氩或富氩保护气体中，当焊接电流较小时，电弧与熔滴的形态如图a)所示
16、，此时的电磁收缩力较小，所以熔滴在重力作用下呈大颗粒状过渡。随着焊接电流的增加，电弧的电极斑点笼罩面积逐渐扩大，以致达到熔滴的根部，如图b)所示。这时熔滴与焊丝间形成细颈，全部电流都通过细颈流过，该处电流密度很高，细颈被过热，其表面将产生大量金属蒸气，从而使细颈表面具备了产生电极斑点的有利条件，电弧将从熔滴根部跳至细颈根部， 如图c)所示。形成跳弧之后， 焊丝未端已经存在的熔滴脱 离焊丝，电弧随之变成图d） 所示的圆锥状，形成较强的 等离子流力，在各种电弧力 的作用下，液态金属以细小 颗粒连续不断地冲向熔池。 形成喷射过渡。,下一页,2、接触过渡,（1）短路过渡：当电流较小，电弧电压较低时，熔
17、滴未长成大滴就与熔池接触形成液态金属短路，电弧熄灭，随之金属熔滴过渡到熔池中去。熔滴脱落后电弧重新引燃，如此交替进行的过渡形式称为短路过渡。 短路过渡的过程：如图所示。 短路过渡的特点： 1）通过对短路过渡时电弧燃烧及熄灭时间进行调节，可调节对焊件的热输入量，控制焊缝形状。 2）过渡时，平均电流小，峰值电流大，有利于薄板焊接或全们置焊接。 3）短路过渡时，焊丝或焊条直径小，电流密度大，热量集中，焊接速度快。同时，由于弧长短，焊接热影响区和焊接变形小，焊接接头质量好。,下一页,短路过渡的过程,电弧引燃后（图1），焊丝受热的作用端头开始熔化并形成熔滴（图2）随着焊丝的熔化，熔滴继续长大 （图3），
18、此时电弧向焊丝传递的热量减 少，焊丝的熔化速度减慢，而焊丝仍以 一定的速度送进，送丝速度大于熔化速 度，使熔滴接触熔池造成短路（图4）， 短路瞬时电弧熄灭，电弧电压急剧下降， 随着短路电流的迅速上升，在电磁收缩 力和其他电弧力的共同作用下，熔滴与 焊丝之间形成缩颈（图5），并逐渐变细 （图6），当短路电流上升到一定数值后 时，缩颈爆断，熔滴过渡到熔池中，电弧 电压迅速恢复到空载电压，电弧重新引燃 （图7），此后重复上述过程，形成短路过渡。,下一页,(2)搭桥过渡,在非熔化极填丝电弧焊或气焊中，焊丝在电弧热作用下熔化形成熔滴与熔池接触，在表面张力、重力和电弧力作用下，熔滴进入熔池。因焊丝一般不通
19、电，所以称为接触过渡。如图所示。,下一页,3、渣壁过渡,渣壁过渡是熔滴沿着熔渣的壁面流入熔池的一种过渡形式。只在埋弧焊和焊条电弧焊时出现。如图所示。,6-埋弧焊时的渣壁过渡 7-焊条电弧焊时的渣壁过渡,返回,第三节母材熔化与焊缝成形,一、焊缝的形成过程二、焊缝形状与焊缝质量的关系三、焊接工艺参数对焊缝成形的影响四、焊缝成形缺陷的产生及防止,一、焊缝形成过程,形成过程：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被熔化进入熔池中，熔池后部则不断冷却结晶形成焊缝。 焊缝结晶过程：焊缝结晶总是从熔池边缘处母材的原始晶粒开始，沿着熔池
20、散热的相反方向进行，直至熔池中心与从不同方向结晶而来的晶粒相遇时为止。因此，所有结晶晶粒方向都与熔池的池壁相垂直，如图所示。,焊缝成形及结晶过程示意图,返回,二、焊缝形状与焊缝质量的关系,描述焊缝形状的参数：熔深s、熔宽c、余高h。 焊缝成形系数：= c/ s；余高系数：= c/ h。 注： 过大， 热量利用率低， 热影响区大； 过小，焊缝 截面过窄，易 产生气孔、夹 渣和裂纹。 通常焊缝允许 h=03mm或= 48。,返回,三、焊接工艺参数对焊缝成形的影响,1、焊接电流：焊接电流主要影响焊缝的熔深，其他条件一定时，随着焊接电流的增大，焊缝的熔深和余高增加，熔宽几乎不变。 2、电弧电压：电弧电
21、压主要影响熔宽；其他条件一定时，随着电弧电压的增大，熔宽显著增大，熔深和余高略有减小。 3、焊接速度：焊接速度主要影响母材的热输入，其他条件一定时，提高焊接速度单位长度焊缝热输入量及焊丝金属的熔敷量均减小，故焊缝熔深、熔宽和余高都减小。,焊接参数对焊缝成形的影响,工艺因数对焊缝成形的影响,1、电流种类和极性：熔化极气保焊时，直流反接熔深，熔宽比正接大，交流介于二者之间。 非熔化极时，反接的熔深比正接小，交流介于二者之间。 2、焊丝直径和伸出长度：其他条件一定时，直径越细，熔深、余高均增大。 伸出长度增大，余高增加，熔深减小。 3、电极倾角：电极前倾时，熔宽增大，熔深、余高均减小，后倾时，正好相反。 4、焊件倾角：下坡焊时，熔深减小，熔宽和余高增大。 上坡焊时相反。,工艺因素影响示意图,结构因素对焊缝成形的影响,1、焊接材料和厚度：导热性越好，熔深和熔宽减小；密度或粘度大，熔深小；厚度越大，熔深和熔宽越小。 2、坡口和间隙：余高和熔合比随坡口或间隙尺寸的增大而减小。,返回,四、焊缝成形缺陷的产生及防止,1、焊缝外形尺寸不符合要求： 2、咬边 3、未焊透和未熔合 4、焊瘤 5、焊穿及塌陷,
