任務(wù)一焊接方法與設(shè)備的基礎(chǔ)知識

1、任務(wù)一 焊接方法與設(shè)備的基礎(chǔ)知識教學目標： 了解電弧物理基礎(chǔ)和工藝特性；了解焊絲熔化特性與熔滴過渡形式； 掌握母材熔化與焊縫成形的基本規(guī)律。教學活動設(shè)計： 利用多媒體課件輔助教學；教學重點： 電弧的熱特性、機械特性； 熔滴過渡的形式；焊縫成形的基本規(guī)律。教學難點： 熔滴過渡形式的掌握學習單元一 焊接電弧一、焊接電弧的物理本質(zhì)（一）電弧及其電場強度分布1 電弧的定義： 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的一種導電過程。2 氣體導電必須具備的兩個條件：兩電極之間有帶電粒子；兩電極之間有電場。3氣體放電隨電流的強弱而有不同的形式，如暗放電、輝光放電、電弧放電等。4 電弧放電

2、的主要特點是電流最大、電壓最低、溫度最高、發(fā)光最強。5 電弧的結(jié)構(gòu)：由圖可見，沿電弧長度方向的電場強度分布并不均勻。按電場強度分布的特征可將電弧分為三個區(qū)域：陰極附近的區(qū)域為陰極區(qū)，其電壓Uk稱為陰極電壓降；中間部分為弧柱區(qū)，其電壓Uc稱為弧柱電壓降；陽極附近的區(qū)域為陽極區(qū)，其電壓 Ua稱為陽極電壓降-2-6陽極區(qū)和陰極區(qū)占整個電弧長度的尺寸皆很小，約為 10 10 cm,故可近似認為弧柱長度即為電弧長度。小資料：電弧作為導體不同于金屬導體，金屬導電是通過金屬內(nèi)部自由電子的定向移動形成電流，而電弧導電時，電弧氣氛中的電子、正離子、負離子都參與導電，同時，電弧的各區(qū)域電場強度分布不均勻，說明各區(qū)

3、域的電阻是不同的，即電弧電阻是非線性的(二) 電弧中帶電粒子的產(chǎn)生電弧兩極間帶電粒子產(chǎn)生的來源有：中性氣體粒子的電離、金屬電極發(fā)射電子、負離子 形成等。其中氣體電離和陰極發(fā)射電子 是電弧中產(chǎn)生帶電粒子的兩個基本物理過程。1 .氣體的電離(1)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。(2)第一電離能：中性氣體粒子失去第一個電子所需的最小外加能量，電離能通常以電子伏(eV )為單位。1電子伏就是指1個電子通過電位差為1V的兩點間所需做的功；失去第 個電子所需的能量稱為第二電離能，依此類推。電弧焊中的氣體粒子電離現(xiàn)象主要是一次電離。(3) 電離難易程度：

4、當其他條件(如氣體的解離性能、熱物理性能等)一定時，氣體電 離電壓的大小反映了帶電粒子產(chǎn)生的難易程度。電離電壓低，表示帶電粒子容易產(chǎn)生，有利 于電弧導電；相反，電離電壓高表示帶電粒子難以產(chǎn)生，電弧導電困難。(4) 電離種類根據(jù)外加能量來源的不同，氣體電離種類可分為以下幾種：l) 熱電離 氣體粒子受熱的作用而產(chǎn)生電離的過程稱為熱電離。它實質(zhì)上是由于氣體粒 子的熱運動形成頻繁而激烈的碰撞產(chǎn)生的一種電離過程。電離度： 電弧中帶電粒子數(shù)的多少對電弧的穩(wěn)定起著重要作用。單位體積內(nèi)電離的粒子數(shù)與氣體電離前粒子總數(shù)的比值稱為電離度，用X表示，即x =已電離的中性粒子密度/電離前的中性粒子密度電離度的影響因素

5、： 熱電離的電離度與溫度、氣體壓力及氣體的電離電壓有關(guān)。隨著溫 度的升高，氣體壓力的減小及電離電壓的降低，電離度隨之增加，電弧中帶電粒子數(shù)增加， 電弧的穩(wěn)定性增強。2）場致電離 在兩電極間的電場作用下，氣體中的帶電粒子被加速，電能將轉(zhuǎn)換為帶電 粒子的動能。當帶電粒子的動能增加到一定數(shù)值時，則可能與中性粒子發(fā)生非彈性碰撞而使 之產(chǎn)生電離，這種電離稱為場致電離。3）光電離 中性氣體粒子受到光輻射的作用而產(chǎn)生的電離過程稱為光電離。焊接電弧的光輻射只可能對K、Na、Ca、A1等金屬蒸氣直接引起光電離，而對焊接電弧 氣氛中的其他氣體則不能直接引起光電離。因此，光電離只是電弧中產(chǎn)生帶電粒子的一種次 要途徑

6、。2陰極電子發(fā)射（1） 電子發(fā)射： 陰極中的自由電子受到一定的外加能量作用時，從陰極表面逸出的過程 稱為電子發(fā)射。逸出功：電子從陰極表面逸出需要能量， 1個電子從金屬表面逸出所需要的最低外加能 量稱為逸出功（Aw）,單位是電子伏。因電子電量為常數(shù)e,故通常用逸出電壓（Uw）來表示， Uw = Aw / e,單位為 V。逸出功的大小受電極材料種類及表面狀態(tài)的影響。當金屬表面存在氧化物時逸出功都會 減小。（ 2）陰極斑點 陰極表面通?？梢杂^察到發(fā)出爍亮的區(qū)域，這個區(qū)域稱為陰極斑點。它 是發(fā)射電子最集中的區(qū)域，即電流最集中流過的區(qū)域。陰極破碎”作用：當采用鋼、銅、鋁等材料作陰極時（通常稱為冷陰極），

7、其斑點在陰極表面作不規(guī)則的游動，甚至可觀察到幾個斑點同時存在。由于金屬氧化物的逸出功比純金屬低，因而氧化物處容易發(fā)射電子。氧化物發(fā)射電子的同時自身被破壞，因而陰極斑點有清除氧化物的作用。陰極表面某處氧化物被清除后另一處氧化物就成為集中發(fā)射電子的所在。于是，斑點游動力圖尋找在一定條件下最容易發(fā)射電子的氧化物。如果電弧在惰性氣體中燃燒，陰極上某處氧化物被清除后不再生成新的氧化物，陰極斑點移向有氧化物的地方，接著 又將該處氧化物清除。這樣就會在陰極表面的一定區(qū)域內(nèi)將氧化物清除干凈，顯露出金屬本 色。這種現(xiàn)象稱為“陰極清理”作用或“陰極破碎”作用。（3 ）電子發(fā)射的類型 根據(jù)外加能量形式的不同，電子發(fā)

8、射可分為以下四種類型：1 ）熱發(fā)射 陰極表面因受到熱的作用而使其內(nèi)部的自由電子熱運動速度加大， 動能增加， 一部分電子動能達到或超出逸出功時產(chǎn)生的電子發(fā)射現(xiàn)象稱為熱發(fā)射。熱發(fā)射的強弱受材料沸點的影響。 當采用高沸點的鎢或碳作陰極時 （其沸點分別為 5950K和4200K ），電極可被加熱到很高的溫度（一般可達 3500K以上），此時，通過熱發(fā)射可為 電弧提供足夠的電子。2）場致發(fā)射 當陰極表面空間存在一定強度的正電場時，陰極內(nèi)部的電子將受到電場力的作用。當此力達到一定程度時電子便會逸出陰極表面，這種電子發(fā)射現(xiàn)象稱為場致發(fā)射。當采用鋼、銅、鋁等低沸點材料作陰極時（其沸點分別為3013K、2868

9、K和2770K），陰極加熱溫度受材料沸點限制不可能很高，熱發(fā)射能力較弱，此時向電弧提供電子的主要方 式是場致發(fā)射電子。實際上，電弧焊時純粹的場致發(fā)射是不存在的，只不過是在采用冷陰極 時以場致發(fā)射為主，熱發(fā)射為輔而已。3）光發(fā)射 當陰極表面受到光輻射作用時，陰極內(nèi)的自由電子能量達到一定程度而逸出陰極表面的現(xiàn)象稱為光發(fā)射。光發(fā)射在陰極電子發(fā)射中居次要地位。4）粒子碰撞發(fā)射 電弧中高速運動的粒子（主要是正離子）碰撞陰極時，把能量傳遞給陰極表面的電子，使電子能量增加而逸出陰極表面的現(xiàn)象稱為粒子碰撞發(fā)射。焊接電弧中，陰極區(qū)有大量的正離子聚積，正離子在陰極區(qū)電場作用下被加速，獲得較 大動能，撞擊陰極表面可

10、能形成碰撞發(fā)射。在一定條件下，這種電子發(fā)射形式也是焊接電弧 陰極區(qū)提供導電所需要帶電粒子的主要途徑之一。實際焊接過程中，上述幾種電子發(fā)射形式常常是同時存在，相互促進，相互補充。只是 在不同的條件下它們起的作用各不相同。（三）帶電粒子的消失 電弧導電過程中，在產(chǎn)生帶電粒子的同時，伴隨著帶電粒子的消失過程。在電弧穩(wěn)定燃 燒時，二者是處于動平衡狀態(tài)的。帶電粒子在電弧空間的消失主要有擴散、復合兩種形式和 電子結(jié)合成負離子等過程。二、焊接電弧的導電特性焊接電弧的導電特性是指參與電荷的運動并形成電流的帶電粒子在電弧中產(chǎn)生、運動和 消失的過程。在焊接電弧的弧柱區(qū)、陰極區(qū)和陽極區(qū)三個組成區(qū)域中，它們的導電特性

11、是各 不相同的。（一）弧柱區(qū)的導電特性弧柱的溫度很高，且隨電弧氣體介質(zhì)、電流大小的不同而異，大約在500050000K之間。電弧穩(wěn)定燃燒時，弧柱與周圍氣體介質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)。當弧柱溫度很高時，可使其中 的大部分中性粒子電離成電子和正離子。由于正離子和電子的空間密度相同，兩者的總電荷 量相等，所以宏觀上看弧柱呈電中性。電弧等離子體：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)。這種狀態(tài)又稱為電弧等離子體。電弧等離子體雖然對外呈現(xiàn)電中性，但由于其內(nèi)部 有大量電子和正離子等帶電粒子，所以具有良好的導電性能?；≈鶈挝婚L度上的電壓降（即電位梯度）稱為弧柱電場強度 E。E的大小表

12、征弧柱的導電 性能，弧柱的導電性能好，則所要求的 E值小。顯然，當弧柱中通過大電流時，電離度提高， E值將減少。電場強度E和電流I的乘積E I,相當于電源供給每單位弧長的電功率，它將與 弧柱的熱損失相平衡。由此可見：電場強度 E的大小與電弧的氣體介質(zhì)有關(guān)；E的大小將 隨弧柱的熱損失情況而自行調(diào)整。最小電壓原理：弧柱在穩(wěn)定燃燒時，有一種使自身能量消耗最小的特性。即當電流和電弧周圍條件（如氣體介質(zhì)種類、溫度、壓力等）一定時，穩(wěn)定燃燒的電弧將自動選擇一個確定的導電截面，使電弧的能量消耗最小。當電弧長度也為定值時，電場強度的大小即代表了 電弧產(chǎn)熱量的大小，因此，能量消耗最小時的電場強度最低，即在固定弧

13、長上的電壓降最小， 這就是最小電壓原理。應(yīng)用實例：電流和電弧周圍條件一定時，如果電弧截面面積大于或小于其自動確定的截面，都會引起電場強度E增大，使消耗的能量增多，違反最小電壓原理。解釋：因為電弧截面增大時，電弧與周圍介質(zhì)的接觸面增大，電弧向周圍介質(zhì)散失的熱 量增加，要求電弧產(chǎn)生更多的能量與之相平衡，即要求EI增加。而焊接電流I是一定的，只能是電弧電場強度E增加；反之，若電弧截面減小，則在I一定的情況下，電流密度j必然 增加，導致E增大。所以說，電弧將自動確定一個截面，在這一截面下，使EI最小，即消 耗的能量最小。（二）陽極區(qū)的導電特性 陽極區(qū)是指靠近陽極的很小一個區(qū)域，在電弧中，它的主要作用是

14、接受弧柱中送來的電 子流，同時向弧柱提供所需要的正離子流。1陽極斑點在陽極表面也可看到爍亮的區(qū)域，這個區(qū)域稱為陽極斑點?；≈兴蛠淼碾娮恿?，集中在此處進入陽極，再經(jīng)電源返回陰極。陽極斑點的電流密度 比陰極斑點的小，它的形態(tài)與電極材料及電流大小有關(guān)。由于金屬蒸氣的電離電壓比周圍氣 體介質(zhì)的低，因而電離易在金屬蒸氣處發(fā)生。如果陽極表面某一區(qū)域產(chǎn)生均勻的金屬熔化和 蒸發(fā)，或這些區(qū)域的蒸發(fā)比其他區(qū)域更強烈，則這個區(qū)域便成為陽極導電區(qū)。三、焊接電弧的工藝特性電弧焊以電弧為能源，主要利用其熱能及機械能。焊接電弧與熱能及機械能有關(guān)的工藝 特性，主要包括電弧的熱能特性、電弧的力學特性、電弧的穩(wěn)定性等。（一）電

15、弧的溫度分布電弧各部分的溫度分布受電弧產(chǎn)熱特性的影響，電弧組成的三個區(qū)域產(chǎn)熱特性不同，溫 度分布也有較大區(qū)別。電弧溫度的分布特點可從軸向和徑向兩個方面比較：軸向 陰極區(qū)和陽極區(qū)的溫度較低，弧柱溫度較高。造成這一結(jié)果的原因是：電極受材料沸點的限制，加熱溫度一般不能超過其沸點；而弧柱中的氣體或金屬蒸氣不受這一限制，且 氣體介質(zhì)的導熱特性也不如金屬電極的導熱性好，熱量不易散失，故有較高的溫度。陰極、 陽極的溫度則根據(jù)焊接方法的不同有所差。（二）電弧的力學特性電弧力不僅直接影響焊件的熔深及熔滴過渡，而且也影響到熔池的攪拌、焊縫成形及金 屬飛濺等，因此，對電弧力的利用和控制將直接影響焊縫質(zhì)量。電弧力主要

16、包括電磁收縮力、 等離子流力、斑點力等。1電弧力及其作用（ 1）電磁收縮力 當電流流過導體時，電流可看成是由許多相距很近的平行同向電流線 組成，這些電流線之間將產(chǎn)生相互吸引力。如果是可變形導體（液態(tài)或氣態(tài)），將使導體產(chǎn) 生收縮，這種現(xiàn)象稱為電磁收縮效應(yīng)，產(chǎn)生電磁收縮效應(yīng)的力稱為電磁收縮力。這個電磁收 縮力往往是形成其他電弧力的力源焊接電弧是能夠通過很大電流的氣態(tài)導體，電磁效應(yīng)在電弧中產(chǎn)生的收縮力表現(xiàn)為電弧 內(nèi)的徑向壓力。通常電弧可看成是一圓錐形的氣態(tài)導體。電極端直徑小，焊件端直徑大。由 于不同直徑處電磁收縮力的大小不同， 直徑小的一端收縮壓力大， 直徑大的一端收縮壓力小， 因此將在電弧中產(chǎn)生壓

17、力差，形成由小直徑端（電極端）指向大直徑端（工件端）的電弧軸 向推力。而且電流越大，形成的推力越大。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，稱為電磁靜壓力。這種分布形式的力作用在熔池上，則形成 碗狀熔深焊縫形狀。（ 2）等離子流力 高溫氣體流動時要求從電極上方補充新的氣體， 形成有一定速度的連 續(xù)氣流進入電弧區(qū)。新加入的氣體被加熱和部分電離后，受軸向推力作用繼續(xù)沖向焊件，對 熔池形成附加的壓力，如圖 1-8 所示。熔池這部分附加壓力是由高溫氣流（等離子氣流）的高 速運動引起的，所以稱為等離子流力，也稱為電弧的電磁動壓力。等離子流

18、力可增大電弧的挺直性，在熔化極電弧焊時促進熔滴軸向過渡，增大熔深并對 熔池形成攪拌作用。（ 3）斑點力 電極上形成斑點時，由于斑點處受到帶電粒子的撞擊或金屬蒸發(fā)的反作用 而對斑點產(chǎn)生的壓力，稱為斑點壓力或斑點力。陰極斑點力比陽極斑點力大，主要原因是：陰極斑點承受正離子的撞擊，陽極斑點承受電子的撞擊，而正離子的質(zhì)量遠大于電子的質(zhì)量，且陰極壓降一般大于陽極壓降，所以陰 極斑點承受的撞擊遠大于陽極斑點；陰極斑點的電流密度比陽極斑點的電流密度大，金屬 蒸發(fā)產(chǎn)生的反作用力也比陽極斑點大。由于陰極斑點力大于陽極斑點力，所以在直流電弧焊時可通過采用反接法來減小這種影 響。熔化極氣體保護焊采用直流反接，可以減

19、小熔滴過渡的阻礙作用，減少飛濺，鎢極氬弧 焊采用直流反接，由于陰極斑點位于焊件上，正離子的撞擊使電弧具有陰極清理作用三）焊接電弧的穩(wěn)定性焊接電弧的穩(wěn)定性是指電弧保持穩(wěn)定燃燒（不產(chǎn)生斷弧、飄移和偏吹等）的程度。電弧 焊過程中，當電弧電壓和焊接電流為某一定值時，電弧放電可在長時間內(nèi)連續(xù)進行且穩(wěn)定燃 燒的性能稱為電弧的穩(wěn)定性。電弧的穩(wěn)定燃燒是保證焊接質(zhì)量的一個重要因素，因此維持電 弧的穩(wěn)定性是非常重要的。電弧不穩(wěn)定的原因除操作人員技術(shù)熟練程度外，還與下列因素有 關(guān)。1焊接電流 焊接電流大，電弧的溫度就增高，則電弧氣氛中的電離程度和熱發(fā)射作用就增強，電弧 燃燒也就越穩(wěn)定。通過實驗測定，電弧穩(wěn)定性的結(jié)果

20、表明：隨著焊接電流的增大，電弧的引 燃電壓就降低；同時，隨著焊接電流的增大，自然斷弧的最大弧長也增大。所以焊接電流越 大，電弧燃燒越穩(wěn)定。2磁偏吹 電弧在其自身磁場作用下具有一定的挺直性，使電弧盡量保持在焊絲（條）的軸線方向 上，即使當焊絲（條）與焊件有一定傾角時，電弧仍將保持指向焊絲（條）軸線方向，而不 垂直于焊件表面，如圖 1-13 所示。但在實際焊接中，由于多種因素的影響，電弧周圍磁力線 均勻分布的狀況被破壞，使電弧偏離焊絲（條）軸線方向，這種現(xiàn)象稱為磁偏吹，如圖 1-14 所示。一旦產(chǎn)生磁偏吹，電弧軸線就難以對準焊縫中心，導致焊縫成形不規(guī)則，影響焊接質(zhì) 量。引起磁偏吹的根本原因主要有：

21、1）導線接線位置。導線接在焊件的一側(cè)，焊接時電弧左側(cè)的磁力線由兩部分疊加組成： 一部分是電流通過電弧產(chǎn)生；另一部分由電流通過焊件產(chǎn)生。而電弧右側(cè)磁力線僅由電流通 過電弧本身產(chǎn)生，所以電弧兩側(cè)受力不平衡，偏向右側(cè)。2）電弧附近的鐵磁物體。 當電弧附近放置鐵磁物體 （如鋼板） 時，因鐵磁物體磁導率大，磁力線大多通過鐵磁物體形成回路，使鐵磁物體一側(cè)磁力線變稀，造成電弧兩側(cè)磁力線分布 不均勻，產(chǎn)生磁偏吹，電弧偏向鐵磁物體一側(cè)。在實際生產(chǎn)中，為減弱磁場偏吹的影響可優(yōu)先選用交流電源；采用直流電源時，則在焊 件兩端同時接地線，以消除導線接線位置不對稱所帶來的磁偏吹，并盡可能在周圍沒有鐵磁 物質(zhì)的地方焊接。同

22、時，壓短電弧，使焊絲向電弧偏吹方向傾斜，也是減弱磁偏吹影響的有 效措施。5其他影響因素電弧長度對電弧的穩(wěn)定性也有較大的影響，如果電弧太長，電弧就會發(fā)生劇烈擺動，從 而破壞了焊接電弧的穩(wěn)定性，而且飛濺也增大。焊接處如有油漆、油脂、水分和銹層等存在 時，也會影響電弧燃燒的穩(wěn)定性。此外，強風、氣流等因素也會造成電弧偏吹，同樣會使電 弧燃燒不穩(wěn)定。因此焊前做好焊件坡口表面及附近區(qū)域的清理工作十分重要。焊接中除選擇并保持合適 的電弧長度外，還應(yīng)選擇合適的操作場所，使外界對電弧穩(wěn)定性的影響盡可能降低。學習單元二 焊絲的熔化與熔滴過渡因此，電弧焊時，焊絲的末端在電弧的高溫作用下加熱熔化，形成的熔滴通過電弧空

23、間向熔池 轉(zhuǎn)移的過程稱為熔滴過渡。 焊絲形成的熔滴作為填充金屬與熔化的母材共同形成焊縫。 焊絲的加熱熔化及熔滴過渡將對焊接過程和焊縫質(zhì)量產(chǎn)生直接的影響。一、焊絲的加熱和熔化特性（一）焊絲的熱源 電弧焊時，用于加熱、熔化焊絲的熱源是電弧熱和電阻熱。熔化極電弧焊時，焊絲的熔 化主要靠陰極區(qū)（正接）或陽極區(qū)（反接）所產(chǎn)生的熱量及焊絲伸出長度上的電阻熱，弧柱 區(qū)產(chǎn)生的熱量對焊絲的加熱熔化作用較小。非熔化極電弧焊（如鎢極氬弧焊或等離子弧焊） 的填充焊絲主要靠弧柱區(qū)產(chǎn)生的熱量熔化1電弧熱 由此可以看出，兩電極區(qū)的產(chǎn)熱功率都與焊接電流成正比。當焊接電流一定時，陰極區(qū)的產(chǎn)熱功率取決于U K與U W的差值；陽極

24、區(qū)的產(chǎn)熱量取決于U Wo在細絲熔化極氣體保護電弧 焊、使用含有CaF2焊劑的埋弧焊或使用堿性焊條電弧焊等情況下，當采用同樣大小的焊接電 流焊接同一種材料時，焊絲作為陰極時的產(chǎn)熱功率比作為陽極時的產(chǎn)熱功率多，在散熱條件 相同時，焊絲作陰極比作陽極時熔化速度快。2電阻熱焊絲的熔化速度除了受電弧熱影響之外，同時還受到電阻熱的影響。熔化極電弧焊時，焊絲只在通過導電嘴時才和焊接電源接通。因此，討論焊絲的加熱和熔化，實際上是分析焊 絲伸出部分的受熱情況，因為焊絲伸出部分有電流流過時所產(chǎn)生的電阻熱對焊絲有預熱作用。熔化焊絲的電阻熱取決于焊絲材料及焊絲伸出長度。一般情況下，對于鋁、銅等良導體，PR與P k或p

25、 a相比很小，可忽略不計。而對電阻率高的不銹鋼等常用的鋼焊絲材料PR作用較大，不可忽略。二、熔滴上的作用力電弧焊時，在電弧熱作用下焊絲或焊條端部受熱熔化形成熔滴。熔滴上的作用力是影響 熔滴過渡及焊縫成型的主要因素。根據(jù)熔滴上的作用力來源不同，可將其分為重力、表面張 力、電弧力、熔滴爆破力和電弧氣體的吹力。1. 重力重力對熔滴過渡的影響依焊接位置的不同而不同。平焊時，熔滴上的重力促使熔滴過渡；而在立焊及仰焊位置則阻礙熔滴過渡，如圖 1-20所示。重力Fg可表示為：Fg= mg = (4/3)冗r3 pg式中，r是熔滴半徑；p是熔滴密度；g是重力加速度2 .表面張力表面張力是指焊絲端部保持熔滴的作

26、用力，用 Fc表示，大小為F c =2nRc式中，R 是焊絲半徑；c 是表面張力系數(shù)。c的數(shù)值與材料成分、溫度、氣體介質(zhì)等因素有關(guān)。表 1-6列舉了一些純金屬的表面張力 系數(shù)。表1-1純金屬的表面張力系數(shù)金屬種類MgZnA1CuFeTiMoWc / (X10-3N m-1)65077090011501220151022502680平焊時，表面張力F c阻礙熔滴過渡（見圖1-22），因此，只要是能使F c減小的措施都將有利于平焊時的熔滴過渡。由式F c=2nRc可知,使用小直徑及表面張力系數(shù)小的能達到這一目的。除平焊之外的其他位置焊接時，表面張力對熔滴過渡有利。若熔滴上含少量活化物 質(zhì)（如02、

27、S等）或熔滴溫度升高，都會減小表面張力系數(shù)，有利于形成細顆粒熔滴過渡。3 .電弧力電弧力指電弧對熔滴和熔池的機械作用力，包括電磁收縮力、等離子流力、斑點力等。 電弧力對熔滴過渡的作用不盡相同，需根據(jù)不同情況具體分析（已在第一節(jié)中作過分析）。 電磁收縮力形成的軸向推力以及等離子流力可在熔化極電弧焊中促使熔滴過渡；斑點力總是 阻礙熔滴過渡的作用力。有一點必須指出，電弧力只有在焊接電流較大時才對熔滴過渡起主 要作用，焊接電流較小時起主要作用的往往是重力和表面張力。4 .熔滴爆破力當熔滴內(nèi)部因冶金反應(yīng)而生成氣體或含有易蒸發(fā)金屬時，在電弧高溫作用下將使氣體積 聚、膨脹而產(chǎn)生較大的內(nèi)壓力，致使熔滴爆破，這

28、一內(nèi)壓力稱為熔滴爆破力。它在促使熔滴 過渡的同時也產(chǎn)生飛濺。5電弧的氣體吹力 這種力出現(xiàn)在焊條電弧焊中。焊條電弧焊時，焊條藥皮的熔化滯后于焊芯的熔化，這樣 在焊條的端頭形成套筒。 此時藥皮中造氣劑產(chǎn)生的氣體及焊芯中碳元素氧化的 CO 氣體在高溫 作用下急劇膨脹，從套筒中噴出作用于熔滴。不論是何種位置的焊接，電弧氣體吹力總是促 進熔滴過渡。三、熔滴過渡的主要形式及特點 熔滴過渡過程不但影響電弧的穩(wěn)定性，而且對焊縫成形和冶金過程也有很大的影響，熔 滴過渡過程十分復雜，主要過渡形式有自由過渡、接觸過渡和渣壁過渡三種。各種過渡所對 應(yīng)的熔滴及電弧形狀如圖 1-22 所示。（一）自由過渡 自由過渡是指熔

29、滴經(jīng)電弧空間自由飛行，焊絲端頭和熔池之間不發(fā)生直接接觸的過渡方 式。如果過渡的熔滴直徑比焊絲直徑大時，稱為滴狀過渡。過渡的熔滴直徑比焊絲直徑小時， 則稱為噴射過渡；在電弧氣氛或保護氣體中含有 CO 2氣體時，有時會發(fā)生爆炸現(xiàn)象，使部分 熔滴金屬爆炸成為飛濺，而只有部分金屬得以過渡，這種形式稱為爆破過渡。常用的自由過 渡是滴狀過渡和噴射過渡。1滴狀過渡 滴狀過渡時電弧電壓較高，根據(jù)電流大小、極性和保護氣體的種類不同，滴狀過渡又分 為粗滴過渡和細滴過渡。（ 1）粗滴過渡 當電流較小而電弧電壓較高時，弧長較長，熔滴不與熔池短路接觸，熔 滴尺寸逐漸長大。當重力足以克服熔滴的表面張力時，熔滴便脫離焊絲端

30、部進入熔池（小電 流時電弧力忽略）。粗滴過渡時熔滴存在時間長，尺寸大，飛濺也大，電弧的穩(wěn)定性及焊縫 質(zhì)量都較差2）細滴過渡 與粗滴過渡相比，細滴過渡電流較大，相應(yīng)的電磁收縮力增大，表面張力減小，熔滴存在時間縮短，熔滴細化，過渡頻率增加。電弧穩(wěn)定性較高，飛濺較少，焊縫 質(zhì)量提高，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)中。氣體介質(zhì)不同或焊接材料不同時，細滴過渡特點又有不同。在CO 2氣體保護電弧焊和酸性焊條電弧焊中，熔滴呈非軸向過渡；而在鋁合金熔化極氬弧焊或較大電流活性氣體保護焊 焊鋼件時，熔滴呈軸向過渡。相比之下，前者比后者飛濺大。2噴射過渡噴射過渡容易出現(xiàn)在以氬氣或富氬氣體作保護氣體的焊接方法，如熔化極氬弧焊、活性

31、氣體保護焊中。噴射過渡時，細小的熔滴從焊絲端部連續(xù)不斷地以高速度沖向熔池（加速度 可達重力加速度的幾十倍），過渡頻率快，飛濺少，電弧穩(wěn)定，熱量集中，對焊件的穿透力 強，可得到焊縫中心部位熔深明顯增大的指狀焊縫。噴射過渡適合焊接厚度較大（S3mm）的焊件，不適宜焊接薄板。（二）接觸過渡 接觸過渡是指焊絲（或焊條）端部的熔滴與熔池表面通過接觸而過渡的方式。根據(jù)接觸 之前熔滴的大小不同，該過渡方式又可分為兩種形態(tài)：小滴時電磁收縮力的作用大于表面張 力，通常形成短路過渡；大滴時表面張力作用大于電磁收縮力，靠熔滴和熔池表面接觸后所 產(chǎn)生的表面張力使之過渡，稱為搭橋過渡。1 ，短路過渡電弧引燃后，隨著電弧

32、的燃燒，焊絲（或焊條）端部熔化形成熔滴并逐步長大。當電流 較小，電弧電壓較低時，弧長較短，熔滴未長成大滴就與熔池接觸形成液態(tài)金屬短路，電弧 熄滅，隨之金屬熔滴過渡到熔池中去。熔滴脫落之后電弧重新引燃，如此交替進行，這種過 渡形式稱為短路過渡。在熔化極電弧焊中，使用堿性焊條的焊條電弧焊及細絲（直徑W1.6mrn ） 氣體保護電弧焊，熔滴過渡形式主要為短路過渡。短路過渡的特點1）短路過渡是燃弧、熄弧交替進行的。燃弧時電弧對焊件加熱，熄弧時熔滴形成縮頸過 渡到熔池。通過對短路過渡電弧的燃燒及熄滅時間進行調(diào)節(jié)，就可調(diào)節(jié)對焊件的熱輸入量， 控制焊縫形狀（主要是焊縫厚度）。2）短路過渡時，平均焊接電流較小

33、，而短路電流峰值又相當大，這種電流形式既可避免 薄板的焊穿，又可保證熔滴過渡的順利進行，有利于薄板焊接或全位置焊接。3）短路過渡時，一般使用小直徑的焊絲或焊條，電流密度較大，電弧產(chǎn)熱集中，焊絲或 焊條熔化速度快，因而焊接速度快。同時，短路過渡的電弧弧長較短，焊件加熱區(qū)較小，可 減小焊接接頭熱影響區(qū)寬度和焊接變形量，提高焊接接頭質(zhì)量。2搭橋過渡上面討論的是熔化極電弧焊熔滴過渡情況。實際焊接中，與短路過渡相似的還有一種搭 橋過渡，這種過渡出現(xiàn)在非熔化極填絲電弧焊或氣焊中。因焊絲一般不通電，因此不稱為短 路過渡。搭橋過渡時，焊絲在電弧熱作用下熔化形成熔滴與熔池接觸，在表面張力、重力和 電弧力作用下，

34、熔滴進入熔池。（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。這種過渡方式只出現(xiàn)在埋弧 焊和焊條電弧焊中。埋弧焊時熔滴沿熔渣壁過渡；焊條電弧焊時熔滴沿藥皮套筒壁過渡。埋弧焊時，電弧在熔渣形成的空腔內(nèi)燃燒，熔滴主要通過渣壁流入熔池，只有少量熔滴 通過空腔內(nèi)的電弧空間進入熔池。埋弧焊的熔滴過渡頻率及熔滴尺寸與極性、電弧電壓和焊 接電流有關(guān)。直流反接時，若電弧電壓較低，則氣泡較小，形成的熔滴較細小，沿渣壁以小 滴狀過渡，頻率較高，每秒可以達幾十滴；直流正接時，以粗滴狀過渡，頻率較小，每秒僅 10滴左右。熔滴過渡頻率隨電流的增加而增大，這一特點在直流反接時表現(xiàn)得尤為明顯。焊條電弧焊時

35、，熔滴過渡形式可能有四種：渣壁過渡、粗滴過渡、細滴過渡和短路過渡，過渡形式取決于藥皮成分和厚度、焊接參數(shù)、電流種類和極性等。當采用厚藥皮焊條焊接時,焊芯比藥皮熔化快，使焊條端頭形成有一定角度的藥皮套筒，控制熔滴沿套筒壁落入熔池，形成渣壁過渡。學習單元三 母材熔化與焊縫成形電弧焊過程中，熔化焊絲與母材的焊接熱源不斷地移動，使得不同位置的焊縫所受的熱 循環(huán)作用不同，焊縫成形特點和規(guī)律也不同。本節(jié)主要介紹對接接頭單道焊縫的成形規(guī)律與 影響因素、缺陷的形成原因及其改善措施。一、焊縫形成過程在電弧熱的作用下焊絲與母材被熔化，在焊件上形成一個具有一定形狀和尺寸的液態(tài)熔 池。隨著電弧的移動熔池前端的焊件不斷

36、被熔化進入熔池中，熔池后部則不斷冷卻結(jié)晶形成 焊縫。熔池的形狀不僅決定了焊縫的形狀，而且對焊縫的組織、力學性能和焊接質(zhì)量有重要 的影響。接頭的形式和空間位置不同，則重力和表面張力對熔池的作用也不同；焊接工藝方法和 焊接參數(shù)不同，則熔池的體積和熔池的長度等都不同。平焊位置時熔池處于最穩(wěn)定的位置， 容易得到成形良好的焊縫。在生產(chǎn)中常采用焊接翻轉(zhuǎn)機或焊接變位機等裝置來回轉(zhuǎn)或傾斜焊 件，使接頭處于水平或船形位置進行焊接。在空間位置焊接時，由于重力的作用有使熔池金 屬下淌的趨勢，因此要限制熔池的尺寸或采取特殊措施控制焊縫的成形。例如采用強迫成形 裝置來控制焊縫的成形，在氣電立焊和電渣焊時皆采用這種措施。

37、二、焊縫形狀與焊縫質(zhì)量的關(guān)系焊縫的形狀即是指焊件熔化區(qū)橫截面的形狀，它可用焊縫有效厚度S、焊縫寬度C和余高h三個參數(shù)來描述。圖1-30所示為對接和角接接頭的焊縫形狀以及各參數(shù)的意義。合理的焊 縫形狀要求s、c和h之間有適當?shù)谋壤?，生產(chǎn)中常用焊接成形系數(shù)= c/S和余高系數(shù)書= c/h來表征焊縫成形的特點。焊縫厚度是焊縫質(zhì)量優(yōu)劣的主要指標，焊縫寬度和余高則應(yīng)與焊縫厚度有合理的比例。焊縫成形系數(shù)小，表示焊縫深而窄，既可縮小焊縫寬度方向的無效加熱范圍， 又可提高熱效率和減小熱影響區(qū)，因而從熱利用的角度來看是十分有利的。若想得到焊縫成形系數(shù)小的焊 縫就必須有熱量集中的熱源，獲得較高的能量密度。但若過小，焊縫截面過窄，則不利于氣體從熔池中逸出，容易在焊縫中產(chǎn)生氣孔，且使結(jié)晶條件惡化，增大產(chǎn)生夾渣和裂紋的傾向。 因此，實際焊接時，在保證焊透（或達到足夠焊縫厚度）的前提下焊縫成形系數(shù)大小應(yīng)根據(jù) 焊縫產(chǎn)生裂紋和氣孔的敏感性來確定。