電弧焊基礎(chǔ)知識

1、第一章電弧焊基礎(chǔ)知識一、教學(xué)目的：能正確認(rèn)識焊接電弧中帶電粒子的產(chǎn)生原理了解焊接電弧的工藝特性及電弧力的種類了解陰極斑點(diǎn)及陽極斑點(diǎn)的定義了解熔滴上的作用力掌握熔滴過渡的主要形式及其特點(diǎn)能正確認(rèn)識焊縫形成過程了解焊接工藝參數(shù)對焊縫成形的影響了解焊縫成形缺陷的產(chǎn)生及防止二、教學(xué)重點(diǎn)：焊接電弧中帶電粒子的產(chǎn)生原理熔滴過渡的主要形式及其特點(diǎn)焊接工藝參數(shù)對焊縫成形的影響三、教學(xué)難點(diǎn)：電離和激勵(lì)極斑點(diǎn)及陽極斑點(diǎn)最小電壓原理焊縫成形缺陷的產(chǎn)生及防止四、參考學(xué)時(shí)數(shù)：46學(xué)時(shí)五、主要教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié)焊接電弧一、焊接電弧的物理基礎(chǔ)（一）電弧及其電場強(qiáng)度分布電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，它是帶電粒子通過兩電極之間氣體空間

2、的一種導(dǎo)電過程。電弧有三個(gè)部分構(gòu)成：陰極區(qū)、陽極區(qū)、弧柱區(qū)。（二）電弧中帶電粒子的產(chǎn)生1、氣體的電離在外加能量作用下，使中性的氣體分子或原子分離成電子和正離子的過程稱為氣體電離。其本質(zhì)是中性氣體粒子吸收足夠的能量，使電子脫離原子核的束縛而成為自由電子和正離子的過程。電離種類：（ 1）熱電離其本質(zhì)為粒子熱運(yùn)動(dòng)激烈，相互碰氣體粒子受熱的作用而產(chǎn)生電離的過程稱為熱電離。撞產(chǎn)生的電離。（ 2）場致電離帶電粒子在電場中加速，和其中的中性粒子發(fā)生非彈性膨脹而產(chǎn)生的電離。電離程度：電離度：單位體積內(nèi)電離的粒子數(shù)浴氣體電離前粒子總數(shù)的比值稱為電離度。（ 3）光電離中性氣體粒子受到光輻射的作用而產(chǎn)生的電離過程稱

3、為光電離。2、陰極電子發(fā)射（ 1）電子發(fā)射：陰極中的自由電子受到外加能量時(shí)從陰極表面逸出的過程稱為電子發(fā)射。其發(fā)射能力的大小用逸出功Aw表示。（ 2）陰極斑點(diǎn)陰極表面光亮的區(qū)域稱為陰極斑點(diǎn)。陰極斑點(diǎn)具有“陰極清理”（ “陰極破碎”）作用，原因：由于氧化物的逸出功比純金屬低，因?yàn)殛帢O斑點(diǎn)會(huì)移向有氧化物的地方，將該氧化物清除。（ 3）電子發(fā)射類型1）熱發(fā)射陰極表面受熱引起部分電子動(dòng)能達(dá)到或超過逸出功時(shí)產(chǎn)生的電子發(fā)射。熱陰極以熱發(fā)射為主要的發(fā)射形式。2）場致發(fā)射陰極表面受到電場力的影響，當(dāng)電場力達(dá)到某一程度時(shí)電子逸出陰極表面形成電子發(fā)射。冷陰極以場致發(fā)射為主要的發(fā)射形式。3）光發(fā)射陰極表面受到光輻射

4、的作用使自由電子能量達(dá)到一定程度而逸出金屬表面形成發(fā)射。4）粒子碰撞發(fā)射電弧中高速運(yùn)動(dòng)的正離子碰撞陰極時(shí)使表面自由電子得到能量而逸出陰極表面的現(xiàn)象。（三）帶電粒子的消失1、擴(kuò)散帶電粒子從密度高的中心部位向密度低的周邊遷移的現(xiàn)象。2、復(fù)合電弧周邊正負(fù)粒子結(jié)合成中性粒子的現(xiàn)象。3、負(fù)離子的形成部分中性粒子吸附電子而形成負(fù)離子的過程。二、焊接電弧的導(dǎo)電特性（一）弧柱區(qū)的導(dǎo)電特性弧柱是包含大量電子、正離子等帶電粒子和中性粒子等聚合在一起的氣體狀態(tài)，這種對外呈電中性的狀態(tài)稱為電弧等離子體。最小電壓原理：弧柱在穩(wěn)定燃燒的時(shí)候，有一種使自身能量消耗最小的特性，即當(dāng)電流和電弧周圍條件一定時(shí)，穩(wěn)定燃燒的電弧將自

5、動(dòng)選擇一個(gè)確定的導(dǎo)電截面，使電弧的能量消耗最小。當(dāng)電弧長度也為定值時(shí)，電場強(qiáng)度的大小即代表了電弧產(chǎn)熱量的大小，因此，能量 消耗最小時(shí)的電場強(qiáng)度最低，即在固定弧長上的電壓降最小，這就是最小電壓原理。（二）陰極區(qū)的導(dǎo)電特性作用有：接受由弧柱傳來的正離子流；向弧柱區(qū)提供電弧導(dǎo)電所需的電子流。其發(fā)射形式主要有：1、熱發(fā)射型2、電場發(fā)射型（三）陽極區(qū)的導(dǎo)電特性1、陽極斑點(diǎn)在陽極表面可看到的爍亮發(fā)光的區(qū)域，稱為陽極斑點(diǎn)。陽極斑點(diǎn)會(huì)自動(dòng)尋找熔點(diǎn)比較低的純金屬表面而避開氧化物，在金屬表面游走。2、陽極區(qū)的導(dǎo)電形式（ 1）場致電離（ 2）熱電離三、焊接電弧的工藝特性（一）電弧的熱能特性1、弧柱的產(chǎn)熱電流密度小，

6、溫度高，能量主要由粒子碰撞產(chǎn)生，熱能損失嚴(yán)重。2、陰極區(qū)的產(chǎn)熱電流密度大，溫度低，能量主要用來對陰極加熱和陰極區(qū)的散熱損失，還可用來加熱填充材料或焊件。3、陽極區(qū)的產(chǎn)熱電流密度大，溫度低，能量主要用于對陽極的加熱和散失，也可用來加熱填充材料或焊件。（二）電弧的力學(xué)特性電弧力影響到焊件的熔深及熔滴過渡，熔池的攪拌、焊縫成形以及金屬飛濺，因此電弧力直接影響著焊縫質(zhì)量。1、電弧力及其作用（ 1）電磁收縮力產(chǎn)生原因：電弧電流線之間產(chǎn)生的相互吸引力。由于電極兩端的直徑不同，因此電弧呈倒錐形狀。電弧軸向推力在電弧橫截面上分布不均勻， 弧柱軸線處最大，向外逐漸減小，在焊件上此力表現(xiàn)為對熔池形成的壓力，稱為電

7、磁靜壓力。作用效果：使熔池下凹；對熔池產(chǎn)生攪拌作用，細(xì)化晶粒；促進(jìn)排除雜質(zhì)氣體及夾渣；促進(jìn)熔滴過渡；約束電弧的擴(kuò)展，使電弧挺直，能量集中。（ 2）等離子流力電磁軸向靜壓力推動(dòng)電極附近的高溫氣流（等離子流）持續(xù)沖向焊件，對熔池形成附加的壓力，這個(gè)壓力就稱為等離子流力（電磁動(dòng)壓力）。作用效果：等離子流力可增大電弧的挺直性；促進(jìn)熔滴過渡；增大熔深并對熔池形成攪拌作用。（ 3）斑點(diǎn)力電極上形成斑點(diǎn)時(shí)，由于斑點(diǎn)處受到帶電粒子的撞擊或金屬蒸發(fā)的反作用而對斑點(diǎn)產(chǎn)生的壓力，稱為斑點(diǎn)壓力或斑點(diǎn)力。斑點(diǎn)力的方向總是和熔滴過渡方向相反，因此總是阻礙熔滴過渡，產(chǎn)生飛濺。一般來說，陰極斑點(diǎn)力比陽極斑點(diǎn)力大。2、電弧力的

8、主要影響因素（ 1）焊接電流和電弧電壓（ 2）焊絲直徑（ 3）電極的極性（ 4）氣體介質(zhì)（三）焊接電弧的穩(wěn)定性概念：焊接電弧的穩(wěn)定性是指電弧保持穩(wěn)定燃燒的程度。電弧的穩(wěn)定性除了和操作人員的熟練程度有關(guān)之外，還與其他因素有關(guān)。1、焊接電源（電源的空載電壓；電源的極性；電源的接法）2、焊條藥皮或焊劑3、焊接電流4、磁偏吹5、電弧長度6、焊前清理7、其他第二節(jié)焊絲的熔化與熔滴過渡一、焊絲的加熱和熔化特定（一）焊絲的熱源電弧焊時(shí)，用于加熱、熔化焊絲的熱源是電弧熱和電阻熱。1、電弧熱陰極區(qū)及陽極區(qū)兩個(gè)區(qū)域的產(chǎn)熱功率可表達(dá)為：Pk= IUk-IUw- IUtR= IUa+ IUw+ IUt2、電阻熱在熔化

9、極電弧焊時(shí)，焊絲伸出導(dǎo)電嘴的部分有電流流過，產(chǎn)生電阻熱，電阻熱的大小與電流大小及焊絲伸出長度有關(guān)。產(chǎn)生的電阻熱對焊絲有預(yù)熱作用。2肆=I R（二）焊絲的熔化特性焊絲在電弧熱和電阻熱的共同作用下加熱熔化，焊絲的熔化速度即指在單位時(shí)間內(nèi)熔化的焊絲長度。焊絲的熔化特性則是指焊絲的熔化速度Vm和焊接電流I之間的關(guān)系。一般焊絲的電阻率和熔化系數(shù)越大，焊絲熔化速度越快。當(dāng)然， 并不是焊絲熔化速度越快越好，焊絲的熔化速度必須等于送絲速度，才能建立穩(wěn)定的焊接過程。二、熔滴上的作用力熔滴的形成：電弧焊時(shí)，在電弧熱作用下焊絲或焊條端部受熱熔化形成了熔滴。熔滴上的作用力直接影響到熔滴過渡及焊縫成形。其作用力有：1、

10、重力重力在平焊時(shí)促進(jìn)熔滴過渡；而在立焊及仰焊位置則阻礙熔滴過渡。2、表面張力表面張力在平焊是阻礙熔滴過渡，但在其他位置焊接時(shí)，表面張力對熔滴過渡有利。3、電弧力電弧力（電磁收縮力、等離子流力、斑點(diǎn)力等）中，電磁收縮力及等離子流力對熔滴過渡有促進(jìn)作用，斑點(diǎn)力阻礙熔滴過渡的順利進(jìn)行。4、熔滴爆破力熔滴內(nèi)部由于冶金反應(yīng)而生成氣體或氣體蒸氣時(shí)，在電弧高溫下可能會(huì)聚集致使熔滴爆破，這中內(nèi)壓力稱為熔滴爆破力，他是產(chǎn)生飛濺的原因之一。5、電弧的氣體吹力焊條電弧焊是焊條端部形成套筒，藥皮中的造氣劑產(chǎn)生的氣體及CO氣體在高溫下膨脹并從套筒中噴出，形成一股促進(jìn)熔滴過渡的推力。 三、熔滴過渡的主要形式及特點(diǎn)熔滴過渡

11、的形式有：（一） 自由過渡：熔滴經(jīng)電弧空間自由飛行，焊絲端頭與熔池不發(fā)生直接接觸的過渡方式。1、滴狀過渡（ 1）粗滴過渡（ 2）細(xì)滴過渡2、噴射過渡（二）接觸過渡：焊絲端部的熔滴與熔池表面通過接觸而過渡的方式。1、短路過渡2、搭橋過渡（三）渣壁過渡：渣壁過渡是熔滴沿著熔渣的壁面流入熔池的一種過渡形式。第三節(jié)母材熔化與焊縫成形一、焊縫形成過程在電弧熱的作用下焊絲與母材被熔化，在焊件上形成一個(gè)具有一定形狀和尺寸的液態(tài)熔池。 隨著電弧的移動(dòng)熔池前端的焊件不斷被熔化進(jìn)入熔池中，熔池后部則不斷冷卻結(jié)晶形成焊縫。熔池的體積由電弧的熱作用決定，而熔池的形狀則取決于電弧對熔池的作用力。焊縫的結(jié)晶總是從熔池邊緣

12、處母材的原始晶粒開始，沿著熔池散熱的相反方向進(jìn)行，直至熔池中心與從不同方向結(jié)晶而來的晶粒相遇時(shí)為止。因此， 所有的結(jié)晶晶粒方向都與熔池的池壁相垂直。二、焊縫形狀與焊縫質(zhì)量的關(guān)系焊縫形狀即是焊件熔化區(qū)橫截面的形狀，我們通常用焊縫有效厚度S、焊縫寬度c和余高 h 三個(gè)參數(shù)來表示。焊縫成形系數(shù)。=c/S余高系數(shù)3=c/h熔合比Y=Am（A+ Ad）三、焊接工藝參數(shù)對焊縫成形的影響通常對焊縫影響較大的焊接參數(shù)有：焊接電壓、焊接電流、焊接速度、熱輸入等。1、焊接參數(shù)的影響（ 1）焊接電流I /; e（ 2）電弧電壓U/; S', h'（ 3）焊接速度V/; c, h, S'2、工

13、藝因素的影響（ 1）電流種類與極性（ 2）焊絲直徑和伸出長度焊絲直徑、；電流密度越大，對焊件加熱越集中；電磁收縮力越大，焊縫厚度、余高增 大。伸出長度/;電阻增大，電阻熱增大，焊絲熔化速度加快，余高增加，焊縫厚度略微減 小。（ 3）電極傾角（前傾、后傾）（ 4）焊件傾角（上坡焊、下坡焊）3、結(jié)構(gòu)因素（ 1）焊件材料和厚度（ 2）坡口和間隙四、焊縫成形缺陷的產(chǎn)生及防止1、焊縫外形尺寸不符合要求現(xiàn)象：焊縫表面高低不平、焊縫波紋粗劣、縱向?qū)挾炔痪鶆?、余高過高或過低等?？赡茉颍浩驴诮嵌炔划?dāng)、裝配間隙不均勻、焊接參數(shù)選擇不當(dāng)、操作人員技術(shù)不熟練等。2、咬邊現(xiàn)象： 由于焊接參數(shù)選擇不當(dāng)，或操作方法不正確，沿焊趾的母材部位產(chǎn)生的溝槽或凹陷?？赡茉颍翰捎么箅娏骱附痈嬖V焊接或焊角焊縫時(shí)一次焊接的焊腳尺寸過大，電壓過高等都可能出現(xiàn)咬邊現(xiàn)象。3、為焊透和未熔合現(xiàn)象：焊接接頭根