設備管理_電弧焊基礎知識概述

第二章電弧焊基礎 第一節(jié)焊接電弧的導電機理 一 電弧的基本概念1 電弧 電弧是一種氣體放電現(xiàn)象 通過放電將電能轉變?yōu)闊崮芘c機械能 2 氣體放電 兩極間的氣體被擊穿而導電的過程 3 電弧的實質 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 導體導電 電弧是特殊的氣體放電過程 電能能轉換為熱能 機械能 光能 磁能 二 帶電粒子的產生過程產生方式 電離 氣體中性原子或分子 A 分離為一價正離子 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 外層一個或兩個電子 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 原子或分子電離所需要的能量 2 激勵 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躍遷到高能級 這種現(xiàn)象叫激勵 激勵能 所需的最小外加能量叫激勵能We 激勵能電壓 激勵能We e 3 電離的分類 1 熱電離 氣體粒子受熱的作用而產生電離實質 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 電場作用下的電離 A e在電場作用下被加速 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 波長越小越易促進光電離 電弧波長包括紅外線 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 對電弧導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 逸出功降低 加入雜質 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 在熱量的作用下產生的發(fā)射產生條件 陰極溫度足夠高特點 對陰極有冷卻作用 這一點對TIG焊具有重要意義 可提高W極的載流能力 2 電場發(fā)射 金屬表面的電子在電場力的作用下逸出的現(xiàn)象 特點 對陰極的冷卻作用較小 3 光發(fā)射 光幅射作用下產生的發(fā)射 實際電弧中產生光發(fā)射的可能性很小 4 粒子碰撞發(fā)射 高速運動的A 碰撞到陰極上導致的發(fā)射 庫侖力 三 負離子的產生中性粒子與電子結合的過程 是一個放熱過程 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 擴散與復合擴散 電弧中心處A e較多 e易向周邊運動 當周邊電子濃度達到一定值后 在e吸引下 A 也向周邊運動 從而在周邊復合A e A WiA A 2A Wi A A e A 三 電弧的產生 一 引弧方法 擦劃 點接觸 焊條與工件接觸又迅速拉開的 瞬間產生的 但實際是由 短路 空載 燃弧 三個極短的階段 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 電阻熱使接觸點溫度驟然升高 電極表面金屬熔化 蒸發(fā) 藥皮中物質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 為電弧的產生準備了條件 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 10 5 10 6mm內 電場強度很大 E 100伏 10 5cm 106伏 cm 足夠大的電場強度 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 易電離成為能導電的電弧介質 b 熱發(fā)射 自發(fā)射 從陰極表面發(fā)射大量高速運動電子 c 電源供電 兩極間有足夠大的電場強度 成為發(fā)射電子 電離氣體的動力來源 由于具備了上述條件 使得由陰極發(fā)射出來的電子 在電場加速下 發(fā)生激烈的碰撞 電子在電場作用下 撞擊原子使之電離 碰撞電離發(fā)生鏈鎖反應 產生雪崩式擊穿而形成電弧 即當焊條提升到一定高度時 則兩極間的空間頃刻發(fā)生突變 發(fā)出強烈的光和熱 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 達到熱平衡 正離子跑向陰極撞擊陰極表面 釋放出動能 同時在陰極表面中和成原子 釋放成位能 電子跑向陽極 進入陽極 釋放出動 位能 全部能量 電弧作為換能器 電能轉化為熱能 光能 機械能 常見導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的限制 鎢電極 表面溫度可達3500K以上 高溫下發(fā)射大量電子 熱陰極 材料 W沸點 5950K 熔點 3653KCu Al Fe 電極表面沸點低 表面溫度也低 熱發(fā)射能力不足 必須依靠電場發(fā)射電子予以補充 冷陰極 Fe沸點 3008K 熔點 1808K 1535 四 電弧的結構直流電弧為例 電弧近似看成為一個圓柱形的氣體導體 陰極區(qū) 靠近陰極端部的地方 陰極壓降較大 相當于電弧介質的電離勢 E 106V cm 自發(fā)射 陰極斑點 在整個陰極端面上電流集中在很小很光亮的斑點上 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 陰極區(qū)電流 正離子流向陰極 撞擊陰極斑點并與電子中和 電子流向弧柱 去進行撞碰電離 陽極區(qū) 靠近陽極的地方 10 3 10 4cm陽極斑點 光亮的斑點 弧柱中來的電子經陽極區(qū)電場作用加速 集中射擊到陽極斑點 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的影響 約為2 5V 弧柱區(qū) 充滿著氣體介質的分子 原子 以及電子 正離子和負離子 高速運動的電子撞擊原子使之電離 電子和正離子中和 釋放出能量 碰撞時發(fā)生能量的轉換 部分動能轉化為熱能 每次碰撞產生的能量雖小 但電子數(shù)目極多 故反應激烈 產生很大的熱量 弧柱5000 8000K 發(fā)強光 電弧溫度分布 縱向 橫向 電弧極性的選擇 主要依據(jù)焊條的性質和焊件所需能量 一般低碳鋼結構 J422 J423 交直兩用 焊接重要結構 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直流電焊機穩(wěn)定性 交流交流 f 50Hz 正負變化100次 秒 過零點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不能用交流焊機焊接 必須用直流電焊機 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 一 焊接電源的特點 二 常用焊條電弧焊機簡介 三 電焊機型號介紹 焊機 焊接電源電弧 負載 電阻性 電導率不是常數(shù) 一 焊接電弧的靜特性電弧的靜特性 當弧長一定時 通過電弧的電流與電弧兩端的壓降之間的關系 I與V之間的關系 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 生產上很少用 bc段水平特性 電流密度較大 手工焊條 埋弧自動焊 cd段 上升段 電流密度大 熔化極氣體保護焊電弧焊 細絲埋弧焊 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系 IiVi電弧靜特性I0U0焊接電源外特性 一 焊接電源應該具備的條件1 陡降的外特性2 適當?shù)目蛰d電壓3 可調的外特性4 較好的動特性1 陡降的外特性電弧本身性質 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 性質 一 焊接電源應該具備的條件1 陡降的外特性2 適當?shù)目蛰d電壓3 可調的外特性4 較好的動特性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 A點 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點不是穩(wěn)定的工作點B點 IB IB U源 U弧 IB IBIB IB U源 U弧 IB IB所以B點是穩(wěn)定工作點 電流波動小 l波動 5mm 2mml1 l2I1 I2變大 A點 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點不是穩(wěn)定的工作點B點 IB IB U源 U弧 IB IBIB IB U源 U弧 IB IB所以B點是穩(wěn)定工作點 O 兩臺焊機 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 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?shù)目蛰d電壓電焊機無負載時的輸出電壓 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體積重量大不經濟過高 增加能量損耗降低弧焊電壓效率不安全 O O 交流電焊機U0 60 80V 100V直流電焊機U0 50 70V 90V舉例 工人師傅自己纏繞的電焊機 3 連續(xù)可調的外特性 I 4 3 2 2 5 1 6調節(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 對弧焊電源動特性的要求焊接電源的負載 焊接電弧 動負載 因為 熔滴過渡時 弧長頻繁變化 短路過渡這種變化更突出所以要求電源要有良好的動特性 適應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 由于電磁慣性 產生I短路沖擊電流燒穿工件損害電機一般要求 I短路沖擊 3I短動特性好的電焊機 容易引弧 電弧突然拉長一些電弧也不易熄滅 飛濺小 電弧 安靜 柔軟 好像富有 彈性 動特性不好的電焊機 打火時 易粘住 不易引弧 拉長熄滅 飛濺嚴重 感覺電弧很 硬 很 暴躁 小結 適合焊接的電源 手工焊條電弧焊焊機 應具備1 陡降的外特性 穩(wěn)定的工作點B 電流波動小 I小 短路電流不過大I短小 2 適當?shù)目蛰d電壓 直流50 70V 90V 交流60 80V 100V 3 連續(xù)可調的外特性Imax 4 5 Imin4 較好的動特性U 025V 0 05sI沖 3I短 三 電焊機 弧焊變壓器我國三大類常用焊條電弧焊機直流弧焊發(fā)電機弧焊整流器1 弧焊變壓器 交流弧焊機 引弧 穩(wěn)弧特殊的降壓變壓器陡降的外特性較大的漏感 內部加一較大的感抗 交流電焊機 構造簡單 成本低 效率高 價格便宜 節(jié)省電能 維護方便初級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)定燃燒其內部加一較大感抗一定范圍調節(jié)I大小常見型號 BX1 300BX3 300BX6 330動鐵芯式動繞組式抽頭式B 焊接變壓器 即交流電焊機 X 下降特性 1 3 6 焊機系列號最后三位 額定電流300A33A500A2 旋轉式直流電焊機由一個發(fā)電機和一個拖動它的電動機組成 由交流網絡供電 使電動機旋轉 帶動發(fā)電機電樞旋轉發(fā)出直流電 焊 交 結構簡單 制造方便 成本低 噪音小特點直 結構復雜 制造復雜 成本高 噪音大整流 結構簡單 制造方便 成本低 噪音小 無旋轉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AX 300AX1 500AX3 300額定電流下降特性A旋轉式直流弧焊 發(fā)電機 3 硅整流式直流電焊機手弧焊整流器將工頻交流電整流直流電特點 直流輸出電流的波紋較大 電弧穩(wěn)定較差 對網路電壓的波動較敏感 目前 已部分替代了旋轉直流電焊機 常見型號 ZXG 300ZXG 500表示整流器 硅整流整流器焊機4 逆變焊機 弧焊逆變器 裂極式AX 300差復勵式AX1 500AX7 500換向極去磁式AX4 300變壓器 整流器 橋式全波整流 三類電焊機比較 5 電焊機主要技術參數(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電流調節(jié)范圍 50 300A60 500A暫載率 65 額定 1 暫載率 在選定的工作時間周期內 允許焊機連續(xù)負載的時間 焊機工作 發(fā)熱 溫升過高 燒毀焊機機溫不超高60 80 溫升焊接電流大小有關I大 T上升焊機使用狀態(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 在選定的工作時間內負載的時間 在選定的工作時間的周期 100 標準規(guī)定 500A以下焊機選定工作時間為5分鐘例 焊接時間 換焊條 敲渣時間 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銘牌 AX1 500額定暫載率65 意 5min內500AGB T8118 1995 額定負載持續(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 實際允許焊接電流 額定電流 額定暫載率 實際暫載率 1 2 I 500 60 100 500 0 65 400A實際手工 200 300A焊機銘牌上往往列出不同暫載率下的許用焊接電流 使用時不能超過其許用值 t焊 5min 100 65 三 電焊機型號電焊機型號 摘自GB10249 88 附其他大類S 超聲波焊機E 電子束焊機G 光束焊機Y 冷壓焊機C 摩擦焊機Q 釬焊機P 高頻焊機R 螺柱焊機J 其他焊機K 控制器 額定暫載率與額定電流暫載率 負載持續(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間周期內 許焊機連續(xù)負載的時間 焊機工作時會發(fā)熱 溫升過高焊機燒毀 一般機溫不得超過60 80 焊接電流大 連續(xù)運轉溫升高 標準規(guī)定 500A以下的焊機 選定的工作時間為10mi