設(shè)備管理_電弧焊基礎(chǔ)知識(shí)概述

第二章電弧焊基礎(chǔ) 第一節(jié)焊接電弧的導(dǎo)電機(jī)理 一 電弧的基本概念1 電弧 電弧是一種氣體放電現(xiàn)象 通過放電將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芘c機(jī)械能 2 氣體放電 兩極間的氣體被擊穿而導(dǎo)電的過程 3 電弧的實(shí)質(zhì) 在一定的條件下 電荷通過兩電極之間的氣體空間的一種導(dǎo)電現(xiàn)象 氣體放電現(xiàn)象 電弧 Ua Ia 電弧放電 輝光放電 暗放電 暗放電 自持放電 非自持放電 U I 導(dǎo)體導(dǎo)電 電弧是特殊的氣體放電過程 電能能轉(zhuǎn)換為熱能 機(jī)械能 光能 磁能 二 帶電粒子的產(chǎn)生過程產(chǎn)生方式 電離 氣體中性原子或分子 A 分離為一價(jià)正離子 A 和電子 e 的過程 電子發(fā)射 金屬表面逸出電子的現(xiàn)象 一 電離與激勵(lì)1 電離 在一定條件下中性原子分離成A 及e的現(xiàn)象 A A e Wi 電離能 原子或分子電離所需要的能量單位為ev或J 電子伏 一個(gè)電子被1V的電壓所加速得到的能量 電離電壓 電離能 電子帶電量 堿金屬 堿土金屬 K Na Ca等 外層一個(gè)或兩個(gè)電子 易失去 易電離 電離電位低 藥皮中加入引弧容易 電弧燃燒穩(wěn)定 引弧劑 穩(wěn)弧劑 J422 J502 J423等酸性焊條 F 7個(gè)電子 電離電位較高 不易電離 加入藥皮不易引弧 CaF2可去除H S P 焊縫含氫量較少 J507 CaF2 堿性低氫型焊條含較多CaF2 電離 使中性的氣體分子變成電子和離子過程 電離勢(shì) 原子或分子電離所需要的能量 2 激勵(lì) 氣體原子得到的一定的能量 雖然小于Wi 但可使電子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí) 這種現(xiàn)象叫激勵(lì) 激勵(lì)能 所需的最小外加能量叫激勵(lì)能We 激勵(lì)能電壓 激勵(lì)能We e 3 電離的分類 1 熱電離 氣體粒子受熱的作用而產(chǎn)生電離實(shí)質(zhì) 中性粒子通過與電子碰撞 接收電子能量而電離 電離度 電離了的粒子數(shù)量與電離前粒子數(shù)量之比 0 1 2 電場(chǎng)作用下的電離 A e在電場(chǎng)作用下被加速 與A碰撞使其電離的過程 主要是e的作用 電子獲得的能量是A 的4倍 3 光電離 A直接捕捉光量子并吸收其能量而電離 波長(zhǎng)越小越易促進(jìn)光電離 電弧波長(zhǎng)包括紅外線 紫外線可見光 可使AI K Na原子光電離 但不能使Ar He Fe等電離 二 電子發(fā)射1 基本概念1 電子發(fā)射 電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象 對(duì)電弧導(dǎo)電起作用的主要是陰極的發(fā)射 2 逸出功 Ww 電子發(fā)射所需的最小能量 1 2 1 4Wi3 逸出電壓 Ww e物理意義 Ww越小 引弧越容易 電弧穩(wěn)弧性越好 4 主要影響因素 材料 K Na 表面狀態(tài) 有氧化物時(shí) 逸出功降低 加入雜質(zhì) 例如 釷 鈰及鑭等可降低Ww 2 陰極電子發(fā)射的分類1 熱發(fā)射 在熱量的作用下產(chǎn)生的發(fā)射產(chǎn)生條件 陰極溫度足夠高特點(diǎn) 對(duì)陰極有冷卻作用 這一點(diǎn)對(duì)TIG焊具有重要意義 可提高W極的載流能力 2 電場(chǎng)發(fā)射 金屬表面的電子在電場(chǎng)力的作用下逸出的現(xiàn)象 特點(diǎn) 對(duì)陰極的冷卻作用較小 3 光發(fā)射 光幅射作用下產(chǎn)生的發(fā)射 實(shí)際電弧中產(chǎn)生光發(fā)射的可能性很小 4 粒子碰撞發(fā)射 高速運(yùn)動(dòng)的A 碰撞到陰極上導(dǎo)致的發(fā)射 庫侖力 三 負(fù)離子的產(chǎn)生中性粒子與電子結(jié)合的過程 是一個(gè)放熱過程 所放出的熱被稱為電子親和能 A e A W不利于電弧穩(wěn)定 四 擴(kuò)散與復(fù)合擴(kuò)散 電弧中心處A e較多 e易向周邊運(yùn)動(dòng) 當(dāng)周邊電子濃度達(dá)到一定值后 在e吸引下 A 也向周邊運(yùn)動(dòng) 從而在周邊復(fù)合A e A WiA A 2A Wi A A e A 三 電弧的產(chǎn)生 一 引弧方法 擦劃 點(diǎn)接觸 焊條與工件接觸又迅速拉開的 瞬間產(chǎn)生的 但實(shí)際是由 短路 空載 燃弧 三個(gè)極短的階段 短路短路階段 兩極間有金屬蒸氣 藥皮蒸氣 電子的熱發(fā)射 10 m 突出點(diǎn)接觸 電流密度極大 I短 1 5 3I焊 很大的電流 I短 很小的接觸面積 很大電阻熱 電阻熱使接觸點(diǎn)溫度驟然升高 電極表面金屬熔化 蒸發(fā) 藥皮中物質(zhì)K Na Ca分解蒸發(fā) Fe K Na Ca蒸氣具備電離氣氛 電子的熱發(fā)射陰極表面溫度很高 電子獲得足夠的能量 活躍 沖破表面 逸出到空間去叫做熱發(fā)射電子 電子逸出金屬表面消耗的能量 逸出功 短路階段 金屬蒸氣 Fe 藥皮蒸氣 K Na Ca 電子的熱發(fā)射 e 為電弧的產(chǎn)生準(zhǔn)備了條件 空載焊條剛剛拉開 電弧尚未形成的一瞬間 電源處在空載狀態(tài) I 0 V U0 空載電壓較高 手工電弧焊U0 50 90伏 不大于100伏 很短的距離 弧長(zhǎng) 10 5 10 6mm內(nèi) 電場(chǎng)強(qiáng)度很大 E 100伏 10 5cm 106伏 cm 足夠大的電場(chǎng)強(qiáng)度 使電子從陰極發(fā)射出來 叫做電子自發(fā)射 空載階主要是自發(fā)射 自發(fā)射 熱發(fā)射很強(qiáng)烈 但剛剛開始 還不能使兩極間的氣體充分電離 因此電弧尚未形成 還處于空載狀態(tài) I 0 燃弧短路階段和空載階段為燃弧準(zhǔn)備了必要條件 a 兩極間 空氣 金屬蒸氣 藥皮蒸氣 易電離成為能導(dǎo)電的電弧介質(zhì) b 熱發(fā)射 自發(fā)射 從陰極表面發(fā)射大量高速運(yùn)動(dòng)電子 c 電源供電 兩極間有足夠大的電場(chǎng)強(qiáng)度 成為發(fā)射電子 電離氣體的動(dòng)力來源 由于具備了上述條件 使得由陰極發(fā)射出來的電子 在電場(chǎng)加速下 發(fā)生激烈的碰撞 電子在電場(chǎng)作用下 撞擊原子使之電離 碰撞電離發(fā)生鏈鎖反應(yīng) 產(chǎn)生雪崩式擊穿而形成電弧 即當(dāng)焊條提升到一定高度時(shí) 則兩極間的空間頃刻發(fā)生突變 發(fā)出強(qiáng)烈的光和熱 即電弧引燃 弧柱空間 大量的碰撞 碰撞電離 熱電離 中和放電 達(dá)到熱平衡 正離子跑向陰極撞擊陰極表面 釋放出動(dòng)能 同時(shí)在陰極表面中和成原子 釋放成位能 電子跑向陽極 進(jìn)入陽極 釋放出動(dòng) 位能 全部能量 電弧作為換能器 電能轉(zhuǎn)化為熱能 光能 機(jī)械能 常見導(dǎo)體材料逸出功元素逸出電壓VFe4 48W4 50W Th2 63W Ce2 70 電極表面溫度的高低受材料沸點(diǎn)的限制 鎢電極 表面溫度可達(dá)3500K以上 高溫下發(fā)射大量電子 熱陰極 材料 W沸點(diǎn) 5950K 熔點(diǎn) 3653KCu Al Fe 電極表面沸點(diǎn)低 表面溫度也低 熱發(fā)射能力不足 必須依靠電場(chǎng)發(fā)射電子予以補(bǔ)充 冷陰極 Fe沸點(diǎn) 3008K 熔點(diǎn) 1808K 1535 四 電弧的結(jié)構(gòu)直流電弧為例 電弧近似看成為一個(gè)圓柱形的氣體導(dǎo)體 陰極區(qū) 靠近陰極端部的地方 陰極壓降較大 相當(dāng)于電弧介質(zhì)的電離勢(shì) E 106V cm 自發(fā)射 陰極斑點(diǎn) 在整個(gè)陰極端面上電流集中在很小很光亮的斑點(diǎn)上 是電子集中發(fā)射的地方 T 2200 3600K 幾乎接近電極材料的沸點(diǎn) 陰極區(qū)電流 正離子流向陰極 撞擊陰極斑點(diǎn)并與電子中和 電子流向弧柱 去進(jìn)行撞碰電離 陽極區(qū) 靠近陽極的地方 10 3 10 4cm陽極斑點(diǎn) 光亮的斑點(diǎn) 弧柱中來的電子經(jīng)陽極區(qū)電場(chǎng)作用加速 集中射擊到陽極斑點(diǎn) 撞入陽極 此處溫度高 電流密度大 陽極區(qū)電流 基本上全部由電子流組成 陽極區(qū)壓降 基本上不受電極材料和電弧介質(zhì)的影響 約為2 5V 弧柱區(qū) 充滿著氣體介質(zhì)的分子 原子 以及電子 正離子和負(fù)離子 高速運(yùn)動(dòng)的電子撞擊原子使之電離 電子和正離子中和 釋放出能量 碰撞時(shí)發(fā)生能量的轉(zhuǎn)換 部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能 每次碰撞產(chǎn)生的能量雖小 但電子數(shù)目極多 故反應(yīng)激烈 產(chǎn)生很大的熱量 弧柱5000 8000K 發(fā)強(qiáng)光 電弧溫度分布 縱向 橫向 電弧極性的選擇 主要依據(jù)焊條的性質(zhì)和焊件所需能量 一般低碳鋼結(jié)構(gòu) J422 J423 交直兩用 焊接重要結(jié)構(gòu) J507 J557 直流反接 厚板正接 薄板反接 有色金屬 鑄鐵反接 藥皮影響 極性鑒別 J507直流電焊機(jī)穩(wěn)定性 交流交流 f 50Hz 正負(fù)變化100次 秒 過零點(diǎn)I 0 電弧熄滅 所以電弧溫度比直流低一些 穩(wěn)弧性差 堿性焊條J507不能用交流焊機(jī)焊接 必須用直流電焊機(jī) 且反接 第二節(jié)焊接電源 一 焊接電弧的靜特性二 焊接電源的外特性三 焊接電源 電焊機(jī) 一 焊接電源的特點(diǎn) 二 常用焊條電弧焊機(jī)簡(jiǎn)介 三 電焊機(jī)型號(hào)介紹 焊機(jī) 焊接電源電弧 負(fù)載 電阻性 電導(dǎo)率不是常數(shù) 一 焊接電弧的靜特性電弧的靜特性 當(dāng)弧長(zhǎng)一定時(shí) 通過電弧的電流與電弧兩端的壓降之間的關(guān)系 I與V之間的關(guān)系 v I R常數(shù) 金屬電阻 T不高 V IR 電阻靜特性 V R I 0 R斜率 常數(shù) 電阻靜特性曲線 電弧電阻R在變化V I 曲線關(guān)系 U型特性 I O 電弧靜特性曲線 ab段 下降特性 電流密度小 不適合焊接 生產(chǎn)上很少用 bc段水平特性 電流密度較大 手工焊條 埋弧自動(dòng)焊 cd段 上升段 電流密度大 熔化極氣體保護(hù)焊電弧焊 細(xì)絲埋弧焊 a b c d V I O 282420 6mm4mm2mm 2mm 4mm 6mm l V 5040302010 L 5 L 3 Uf If 60120180 I 電弧靜特性全部 a 手工電弧 焊條 Uf If 403020100 200400600 10mm5mm3mm Uf If b 埋弧焊 鎢TIG CO2 Ar Uf If 200400600 50403020100 手工電弧焊 SMAW 熔化極氣保 GMAW 鎢極氬弧 GTAW 等離子弧焊 PAW 埋弧焊 SAW MIG CO2保護(hù)焊 二 焊接電源的外特性焊接電源外特性 焊接電源的輸出電壓與輸出電流之間的關(guān)系 IiVi電弧靜特性I0U0焊接電源外特性 一 焊接電源應(yīng)該具備的條件1 陡降的外特性2 適當(dāng)?shù)目蛰d電壓3 可調(diào)的外特性4 較好的動(dòng)特性1 陡降的外特性電弧本身性質(zhì) 放電條件影響焊接穩(wěn)定性主要K Na Ca Fe F供電電源 焊機(jī) 性質(zhì) 一 焊接電源應(yīng)該具備的條件1 陡降的外特性2 適當(dāng)?shù)目蛰d電壓3 可調(diào)的外特性4 較好的動(dòng)特性1 陡降的外特性為什么需要有陡降的外特性呢 為什么要陡降 穩(wěn)定工作點(diǎn) A點(diǎn) IA IA U源 U弧 IA U源 U弧 IB大IA IA U源 U弧 IA U源 U弧 0熄滅所以A點(diǎn)不是穩(wěn)定的工作點(diǎn)B點(diǎn) IB IB U源 U弧 IB IBIB IB U源 U弧 IB IB所以B點(diǎn)是穩(wěn)定工作點(diǎn) 電流波動(dòng)小 l波動(dòng) 5mm 2mml1 l2I1 I2變大 A點(diǎn) IA IA U源 U弧 IA U源 U弧 IB大IA IA U源 U弧 IA U源 U弧 0熄滅所以A點(diǎn)不是穩(wěn)定的工作點(diǎn)B點(diǎn) IB IB U源 U弧 IB IBIB IB U源 U弧 IB IB所以B點(diǎn)是穩(wěn)定工作點(diǎn) O 兩臺(tái)焊機(jī) I1 I2 H不一致 l 未焊透燒穿 I V O 恒流 I0 短路電流不過大 焊條過熱后果藥皮熔化分解蒸發(fā)燒損電焊機(jī) 短路 引弧熔滴過渡 失效 短路V 0I I短路I2 I1 一般要求I短 120 130 I焊最大不超過150 I焊 O l I 0I焊 I短 U0 I V I短 e1e2e3 I變大 熔滴過渡推力大 e1 e3 焊條電弧焊的理想特性外拖特性 2 適當(dāng)?shù)目蛰d電壓電焊機(jī)無負(fù)載時(shí)的輸出電壓 U U0I 0 過低 難引弧 易斷弧 電弧燃燒穩(wěn)定性差空載電壓鐵銅材料消耗多焊機(jī)體積重量大不經(jīng)濟(jì)過高 增加能量損耗降低弧焊電壓效率不安全 O O 交流電焊機(jī)U0 60 80V 100V直流電焊機(jī)U0 50 70V 90V舉例 工人師傅自己纏繞的電焊機(jī) 3 連續(xù)可調(diào)的外特性 I 4 3 2 2 5 1 6調(diào)節(jié)I平 立 仰 橫工件 第一種 第二種 O O 第三種 第四種 O O 最大輸出電流Imax最小輸出電流IminImax 4 5 Imin可滿足使用要求 4 對(duì)弧焊電源動(dòng)特性的要求焊接電源的負(fù)載 焊接電弧 動(dòng)負(fù)載 因?yàn)?熔滴過渡時(shí) 弧長(zhǎng)頻繁變化 短路過渡這種變化更突出所以要求電源要有良好的動(dòng)特性 適應(yīng)I U的瞬間變化 電弧燃燒處于不穩(wěn)定狀態(tài) 1 引弧U 0電弧熄滅短路過渡在焊條拉開的瞬間 電弧電壓25V 0 05s 再引燃電壓 重新自行引燃金屬飛濺 2 短路時(shí) 由于電磁慣性 產(chǎn)生I短路沖擊電流燒穿工件損害電機(jī)一般要求 I短路沖擊 3I短動(dòng)特性好的電焊機(jī) 容易引弧 電弧突然拉長(zhǎng)一些電弧也不易熄滅 飛濺小 電弧 安靜 柔軟 好像富有 彈性 動(dòng)特性不好的電焊機(jī) 打火時(shí) 易粘住 不易引弧 拉長(zhǎng)熄滅 飛濺嚴(yán)重 感覺電弧很 硬 很 暴躁 小結(jié) 適合焊接的電源 手工焊條電弧焊焊機(jī) 應(yīng)具備1 陡降的外特性 穩(wěn)定的工作點(diǎn)B 電流波動(dòng)小 I小 短路電流不過大I短小 2 適當(dāng)?shù)目蛰d電壓 直流50 70V 90V 交流60 80V 100V 3 連續(xù)可調(diào)的外特性Imax 4 5 Imin4 較好的動(dòng)特性U 025V 0 05sI沖 3I短 三 電焊機(jī) 弧焊變壓器我國(guó)三大類常用焊條電弧焊機(jī)直流弧焊發(fā)電機(jī)弧焊整流器1 弧焊變壓器 交流弧焊機(jī) 引弧 穩(wěn)弧特殊的降壓變壓器陡降的外特性較大的漏感 內(nèi)部加一較大的感抗 交流電焊機(jī) 構(gòu)造簡(jiǎn)單 成本低 效率高 價(jià)格便宜 節(jié)省電能 維護(hù)方便初級(jí)380V 220V 是特制的降壓變壓器降到空載電壓60 80V保證電弧穩(wěn)定燃燒其內(nèi)部加一較大感抗一定范圍調(diào)節(jié)I大小常見型號(hào) BX1 300BX3 300BX6 330動(dòng)鐵芯式動(dòng)繞組式抽頭式B 焊接變壓器 即交流電焊機(jī) X 下降特性 1 3 6 焊機(jī)系列號(hào)最后三位 額定電流300A33A500A2 旋轉(zhuǎn)式直流電焊機(jī)由一個(gè)發(fā)電機(jī)和一個(gè)拖動(dòng)它的電動(dòng)機(jī)組成 由交流網(wǎng)絡(luò)供電 使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn) 帶動(dòng)發(fā)電機(jī)電樞旋轉(zhuǎn)發(fā)出直流電 焊 交 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 制造方便 成本低 噪音小特點(diǎn)直 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 制造復(fù)雜 成本高 噪音大整流 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 制造方便 成本低 噪音小 無旋轉(zhuǎn)P 交 電弧燃燒穩(wěn)定性較差 適合于酸性焊條直 電弧燃燒穩(wěn)定性好 適合于堿性焊條 均可整流 電弧燃燒穩(wěn)定性較好 酸堿均可常見型號(hào)AX 300AX1 500AX3 300額定電流下降特性A旋轉(zhuǎn)式直流弧焊 發(fā)電機(jī) 3 硅整流式直流電焊機(jī)手弧焊整流器將工頻交流電整流直流電特點(diǎn) 直流輸出電流的波紋較大 電弧穩(wěn)定較差 對(duì)網(wǎng)路電壓的波動(dòng)較敏感 目前 已部分替代了旋轉(zhuǎn)直流電焊機(jī) 常見型號(hào) ZXG 300ZXG 500表示整流器 硅整流整流器焊機(jī)4 逆變焊機(jī) 弧焊逆變器 裂極式AX 300差復(fù)勵(lì)式AX1 500AX7 500換向極去磁式AX4 300變壓器 整流器 橋式全波整流 三類電焊機(jī)比較 5 電焊機(jī)主要技術(shù)參數(shù)空載電壓 50 90 100V工作電壓 十幾伏 二十幾伏20 30V30 50V額定電流 300A500A1000A電流調(diào)節(jié)范圍 50 300A60 500A暫載率 65 額定 1 暫載率 在選定的工作時(shí)間周期內(nèi) 允許焊機(jī)連續(xù)負(fù)載的時(shí)間 焊機(jī)工作 發(fā)熱 溫升過高 燒毀焊機(jī)機(jī)溫不超高60 80 溫升焊接電流大小有關(guān)I大 T上升焊機(jī)使用狀態(tài)連續(xù) I小 短續(xù) I大 焊接電源工作狀態(tài)參數(shù) 暫載率 暫載率 在選定的工作時(shí)間內(nèi)負(fù)載的時(shí)間 在選定的工作時(shí)間的周期 100 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 500A以下焊機(jī)選定工作時(shí)間為5分鐘例 焊接時(shí)間 換焊條 敲渣時(shí)間 暫載率越高 則允許焊接電流越小 例 AX1 500可手工焊可埋弧焊電焊機(jī)銘牌 AX1 500額定暫載率65 意 5min內(nèi)500AGB T8118 1995 額定負(fù)載持續(xù)率為20 35 60 80 100 10min 連續(xù)t焊 3 25min連續(xù)焊 暫載率100 I 實(shí)際允許焊接電流 額定電流 額定暫載率 實(shí)際暫載率 1 2 I 500 60 100 500 0 65 400A實(shí)際手工 200 300A焊機(jī)銘牌上往往列出不同暫載率下的許用焊接電流 使用時(shí)不能超過其許用值 t焊 5min 100 65 三 電焊機(jī)型號(hào)電焊機(jī)型號(hào) 摘自GB10249 88 附其他大類S 超聲波焊機(jī)E 電子束焊機(jī)G 光束焊機(jī)Y 冷壓焊機(jī)C 摩擦焊機(jī)Q 釬焊機(jī)P 高頻焊機(jī)R 螺柱焊機(jī)J 其他焊機(jī)K 控制器 額定暫載率與額定電流暫載率 負(fù)載持續(xù)率 是用來表示焊接電源工作狀態(tài)的參數(shù) 它是在選定的工作時(shí)間周期內(nèi) 許焊機(jī)連續(xù)負(fù)載的時(shí)間 焊機(jī)工作時(shí)會(huì)發(fā)熱 溫升過高焊機(jī)燒毀 一般機(jī)溫不得超過60 80 焊接電流大 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)溫升高 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 500A以下的焊機(jī) 選定的工作時(shí)間為10mi