《材料加工工程》課件：Chapter 10金屬連接成形的主要工藝

1、1 1材料加工工程材料加工工程材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院主講教授：李遠(yuǎn)才、劉順洪、周華民、王新云主講教授：李遠(yuǎn)才、劉順洪、周華民、王新云HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY2 2第四篇第四篇 金屬連接成形工藝主講教授：劉順洪主講教授：劉順洪3 3 第10章: 金屬連接成形的主要工藝 第11章: 焊接新技術(shù)及相關(guān)技術(shù) 第12章: 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計 第13章: 焊接成形件的缺陷及檢測 第三講 金屬連接成形工藝4 4第第10章章: 金屬連接成形的主要工藝金屬連接成形的主要工藝重點重點:1. 電弧焊電弧焊2. 電阻焊電阻焊 第三講 金屬

2、連接成形工藝5 5 電弧焊電弧焊Arc welding第第10章章 : 金屬連接成形的主要工藝 6 6一、焊接電弧物理基礎(chǔ)一、焊接電弧物理基礎(chǔ)1. 電弧的導(dǎo)電特性電弧的導(dǎo)電特性l 焊接電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，它是帶焊接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(dǎo)電電粒子通過兩電極之間氣體空間的一種導(dǎo)電過程。過程。一般情況下，氣體是良好的絕緣體其分子和原子都處于電中性狀態(tài)。要使兩電極之間的氣體導(dǎo)電，必須具備兩個條件：兩電極之間有帶電粒子；兩電極之間有帶電粒子；兩電極之間有電場。兩電極之間有電場。第第10章章 金屬連接成形的主要工藝 7 7第第10章章 金屬連接成形的主要工藝

3、 8 8v采用一定的物理方法，改變兩電極間氣體采用一定的物理方法，改變兩電極間氣體粒子的電中性狀態(tài)，產(chǎn)生帶電荷的粒子，粒子的電中性狀態(tài)，產(chǎn)生帶電荷的粒子，帶電粒子在電場的作用下運動，即形成電帶電粒子在電場的作用下運動，即形成電流使兩電極之間的氣體空間成為導(dǎo)體，流使兩電極之間的氣體空間成為導(dǎo)體，產(chǎn)生氣體放電。產(chǎn)生氣體放電。v氣體放電隨電流的強弱而有不同的形式，氣體放電隨電流的強弱而有不同的形式，如如暗放電、輝光放電、電弧放電暗放電、輝光放電、電弧放電等。與其等。與其他氣體放電形式相比，電弧放電的主要特他氣體放電形式相比，電弧放電的主要特點是點是電流最大、電壓最低、溫度最高、發(fā)電流最大、電壓最低、

4、溫度最高、發(fā)光最強。光最強。第第10章章 金屬連接成形的主要工藝金屬連接成形的主要工藝 9 9 Fig.12-2 Volt-ampere Characteristics第第10章章 金屬連接成形的主要工藝 10102 . 電弧中帶電粒子的產(chǎn)生電弧中帶電粒子的產(chǎn)生v電弧兩極間帶電粒子的來源：電弧兩極間帶電粒子的來源： 中性氣體粒子的電離、金屬電極發(fā)射電子、中性氣體粒子的電離、金屬電極發(fā)射電子、負(fù)離子形成等。其中負(fù)離子形成等。其中氣體電離氣體電離和和陰極發(fā)射陰極發(fā)射電子是電弧中產(chǎn)生帶電粒子的兩個基本物電子是電弧中產(chǎn)生帶電粒子的兩個基本物理過程。理過程。v同時還存在其它過程同時還存在其它過程:解離、

5、激發(fā)、擴散、解離、激發(fā)、擴散、復(fù)合復(fù)合等。等。第第10章章 金屬金屬連接成形的主要工藝連接成形的主要工藝 1111(一一) 氣體的電離氣體的電離(1)電離與激勵電離與激勵 v第一電離能，第二電離能，依此類推。第一電離能，第二電離能，依此類推。第第10章章 金屬金屬連接成形的主要工藝連接成形的主要工藝 1212第第10章章 金屬連接成形的主要工藝金屬連接成形的主要工藝 1313第第10章章 金屬連接成形的主要工藝金屬連接成形的主要工藝 氣體粒子氣體粒子電離電壓電離電壓/V氣體離子氣體離子電離電壓電離電壓/HHeLiCNOFNaClArKCaNiCrMoCsFe13.524.5(54.2)5.4(

6、75.3;122)11.3(24.4;48;65.4)14.5(29.5;47;73;97)13.5(25;55;77)17.4(35;63;87;114)5.1(47;50;72)13(22.5;40;47;68)15.7(28;41)4.3(32;47)6.1(12;51;67)7.6(18)7.7(20;30)7.43.9(33;35;51;58)7.8(16;30)WH2C2N2O2Cl2CONOOHH2OCO2NO2AlMgTiCu8.015.41215.512.21314.19.513.812.613.7115.967.616.817.68括號內(nèi)數(shù)值依次為二次,三次,電離電壓常見氣

7、體粒子的電離電壓1414v當(dāng)中性氣體粒子受外加能量作用而不足以當(dāng)中性氣體粒子受外加能量作用而不足以使其電離時，但可能使其內(nèi)部的電子從原使其電離時，但可能使其內(nèi)部的電子從原來的能級躍遷到較高的能級，這種現(xiàn)象稱來的能級躍遷到較高的能級，這種現(xiàn)象稱為為激勵激勵。v使中性粒子激勵所需要的最低外加能量則使中性粒子激勵所需要的最低外加能量則稱為最低激勵電壓，單位為稱為最低激勵電壓，單位為V。常見氣體粒子的最低激勵電壓常見氣體粒子的最低激勵電壓第第10章章 金屬金屬連接成形的主要工藝連接成形的主要工藝 元素元素激勵電壓激勵電壓/V元素元素激勵電壓激勵電壓/V元素元素激勵電壓激勵電壓/VHHeNeArNO10

8、.219.316.611.62.42.0KFeCuH2N2O21.64.431.47.06.37.9COCO2H2OCsCa6.23.07.61.41.91515第第10章章 金屬連接成形的主要工藝金屬連接成形的主要工藝 1616第第10章章 金屬連接成形的主要工藝金屬連接成形的主要工藝 1717Fe電離電壓為7.8V,K電離電壓為4.3V第第10章章 金屬連接成形的主要工藝金屬連接成形的主要工藝 1818第第10章章 金屬連接成形的主要工藝金屬連接成形的主要工藝 1919(2)電離種類電離種類 1）熱電離）熱電離v氣體粒子受熱的作用而產(chǎn)生電離的過程稱氣體粒子受熱的作用而產(chǎn)生電離的過程稱為熱電

9、離。它實質(zhì)上是由于氣體粒子的熱為熱電離。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)生的一種電運動形成頻繁而激烈的碰撞產(chǎn)生的一種電離過程。離過程。v熱電離的熱電離的電離度電離度與溫度、氣體壓力及氣體與溫度、氣體壓力及氣體的電離電壓有關(guān)。的電離電壓有關(guān)。kTeUiTPxx5 . 27221016. 31第第10章章 金屬金屬連接成形的主要工藝連接成形的主要工藝 2020 電離度與材料、溫度之間的關(guān)系第第10章章 金屬連接成形的主要工藝金屬連接成形的主要工藝 2121電離度帶電粒子數(shù)電弧穩(wěn)定性第第10章章 金屬連接成形的主要工藝金屬連接成形的主要工藝 2222 2)場致電離場致電離 在兩電

10、極間的電場作用下，氣體中的帶電粒子將加速，電在兩電極間的電場作用下，氣體中的帶電粒子將加速，電能將轉(zhuǎn)換為帶電粒子的動能。當(dāng)帶電粒子的動能增加到一能將轉(zhuǎn)換為帶電粒子的動能。當(dāng)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，這種電離稱為電離，這種電離稱為場致電離場致電離。 弧柱的溫度一般在弧柱的溫度一般在5000-50000K之間，而電場強度僅為之間，而電場強度僅為10vcm左右，所以在弧柱區(qū)熱電離是產(chǎn)生帶電粒子的主要途左右，所以在弧柱區(qū)熱電離是產(chǎn)生帶電粒子的主要途徑，電場作用下的電離則是次要的。徑，電場作用下的電離則

11、是次要的。 在電弧的陰極壓降區(qū)和陽極壓降區(qū)電場強度可達(dá)在電弧的陰極壓降區(qū)和陽極壓降區(qū)電場強度可達(dá)105107v/cm，遠(yuǎn)高于弧柱區(qū)，因而會產(chǎn)生顯著的場致電離現(xiàn)象。，遠(yuǎn)高于弧柱區(qū)，因而會產(chǎn)生顯著的場致電離現(xiàn)象。第第10章章 : 金屬連接成形的主要工藝金屬連接成形的主要工藝 23233)光電離。光電離。v中性氣體粒子受到光輻射的作用而產(chǎn)生的中性氣體粒子受到光輻射的作用而產(chǎn)生的電離過程稱為電離過程稱為光電離光電離。v 焊接電弧的光輻射只可能對焊接電弧的光輻射只可能對K、Na、Ca、Al等金屬蒸氣直接引起光電離，而對焊接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弧氣氛中的

12、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。粒子的一種次要途徑。第第10章章 金屬連接成形的主要工藝金屬連接成形的主要工藝 2424(二二) 陰極電子發(fā)射陰極電子發(fā)射。v從陰極發(fā)射的電子，在電場的加速下碰撞從陰極發(fā)射的電子，在電場的加速下碰撞電弧導(dǎo)電空間的中性氣體粒子而使之電離，電弧導(dǎo)電空間的中性氣體粒子而使之電離，這樣就使陰極電子發(fā)射充當(dāng)了維持電弧導(dǎo)這樣就使陰極電子發(fā)射充當(dāng)了維持電弧導(dǎo)電的電的“原電子之源原電子之源”。v因此，陰極電子發(fā)射在電弧導(dǎo)電過程中起因此，陰極電子發(fā)射在電弧導(dǎo)電過程中起著特別重要的作用。著特別重要的

13、作用。第第10章章 金屬金屬連接成形的主要工藝連接成形的主要工藝 2525(1)電子發(fā)射與逸出功電子發(fā)射與逸出功 v陰極中的自由電子受到一定的外加能量作用時，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。從陰極表面逸出的過程稱為電子發(fā)射。v 電子從陰極表面逸出需要能量，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個電子從金屬表面逸出所需要的最低外加能量稱為低外加能量稱為逸出功逸出功(Aw)，單位是電子伏。因電子電量為常數(shù)，單位是電子伏。因電子電量為常數(shù)e，故通常用故通常用逸出電壓逸出電壓(Uw)來表示，來表示，UwAwe，單位為，單位為V。v逸出功

14、的大小受電極材料種類及表面狀態(tài)的影響。逸出功的大小受電極材料種類及表面狀態(tài)的影響。 幾種金屬材料的逸出功幾種金屬材料的逸出功第第10章章 金屬金屬連接成形的主要工藝連接成形的主要工藝 金屬種類金屬種類WFeAlCuKCaMgAw/eW純金屬4.544.484.254.362.022.123.73表面有氧化物-3.923.93.850.461.83.312626(2)陰極斑點陰極斑點 陰極表面通常可以觀察到發(fā)出爍亮的區(qū)域，這個陰極表面通常可以觀察到發(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，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。陰極斑點的形態(tài)與陰

15、即電流最集中流過的區(qū)域。陰極斑點的形態(tài)與陰極的類型有關(guān)。極的類型有關(guān)。v由于金屬氧化物的逸出功比純金屬低，因而氧化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。物處容易發(fā)射電子。第第10章章 金屬連接成形的主要工藝金屬連接成形的主要工藝 2727v氧化物發(fā)射電子的同時自身被破壞，因而陰極斑氧化物發(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。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)于是，斑點游動力圖尋找在一定條件下最容易

16、發(fā)射電子的氧化物。如果電弧在惰性氣體中燃燒，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)將氧化物消除干凈，顯露出金屬本色。這種現(xiàn)象稱氧化物消除干凈，顯露出金屬本色。這種現(xiàn)象稱為為“陰極清理陰極清理”作用或作用或“陰極破碎陰極破碎”作用。作用。第第10章章 金屬金屬連接成形的主要工藝連接成形的主要工藝 2828(3)電子發(fā)射的類型電子發(fā)射的類型 根

17、據(jù)外加能量形式的不同，電子發(fā)射可分為以下根據(jù)外加能量形式的不同，電子發(fā)射可分為以下四種類型：四種類型： 1)熱發(fā)射熱發(fā)射。陰極表面因受熱的作用而使其內(nèi)。陰極表面因受熱的作用而使其內(nèi)部的自由電子熱運動速度加大，動能增加，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(dá)到或超出逸出功時產(chǎn)生一部分電子動能達(dá)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。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(dāng)采用高沸點的鎢或碳熱發(fā)射的強弱受材料沸點的影響。當(dāng)采用高沸點的鎢或碳作陰極時作陰極時(其沸點分別為其沸點分別為5950K和和4200K)，電極可被加熱，電極可被加熱到很高的溫度到很高的溫

18、度(一般可達(dá)一般可達(dá)3500K以上以上)此時，通過熱發(fā)射此時，通過熱發(fā)射可為電弧提供足夠的電子。可為電弧提供足夠的電子。第第10章章 : 金屬連接成形的主要工藝金屬連接成形的主要工藝 2929 2)場致發(fā)射場致發(fā)射。當(dāng)陰極表面中間存在一定強度。當(dāng)陰極表面中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的正電場時，陰極內(nèi)部的電子將受到電場力的作用。當(dāng)此力達(dá)到一定程度時電子便力的作用。當(dāng)此力達(dá)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)象稱為會逸出陰極表面，這種電子發(fā)射現(xiàn)象稱為場致發(fā)射。場致發(fā)射。 當(dāng)采用銅、鋼、鋁等低沸點材料作陰極當(dāng)采用銅、鋼、鋁等低沸點材料作陰極()時時(其沸點其沸點分

19、別為分別為3013K、2868K和和2770K)，陰極加熱溫度受材料沸，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)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。射為主，熱發(fā)射為輔而已。第第10章章 金屬金屬連接成形的主要工藝連接成形的主要工藝 30303)光發(fā)射光發(fā)射。當(dāng)陰極表向受到光輻射作用時，。當(dāng)陰極表向受到光輻射作用時，陰極內(nèi)的自由電子

20、能量達(dá)到逸出陰極表面陰極內(nèi)的自由電子能量達(dá)到逸出陰極表面的現(xiàn)象稱為光發(fā)射。光發(fā)射在陰極電子發(fā)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。射中居次要地位。第第10章章 金屬金屬連接成形的主要工藝連接成形的主要工藝 31314)粒子碰撞發(fā)射粒子碰撞發(fā)射。電弧。電弧中高速運動的粒子中高速運動的粒子（主要是正離子）碰（主要是正離子）碰撞陰極時把能量傳遞撞陰極時把能量傳遞給陰極表面的電子，給陰極表面的電子，使電子能量增加而逸使電子能量增加而逸出陰極表面的現(xiàn)象稱出陰極表面的現(xiàn)象稱為粒子碰撞發(fā)射。為粒子碰撞發(fā)射。第第10章章 金屬連接成形的主要工藝金屬連接成形的主要工藝 3232v電弧導(dǎo)電過程中，在

21、產(chǎn)生帶電粒子的同時，電弧導(dǎo)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。伴隨著帶電粒子的消失過程。v在電弧穩(wěn)定燃燒時，二者是處于動平衡狀在電弧穩(wěn)定燃燒時，二者是處于動平衡狀態(tài)的。態(tài)的。v帶電粒子在電弧空間的消失主要有帶電粒子在電弧空間的消失主要有擴散、擴散、復(fù)合兩種形式和電子結(jié)合成負(fù)離子復(fù)合兩種形式和電子結(jié)合成負(fù)離子等過程。等過程。第第10章章 金屬連接成形的主要工藝金屬連接成形的主要工藝 33333. 焊接電弧的構(gòu)成及其特性焊接電弧的構(gòu)成及其特性第第10章章 : 金屬連接成形的主要工藝 (1)焊接電弧的構(gòu)成焊接電弧的構(gòu)成3434第第10章章 : : 金屬連接成形的主要工藝金屬連接

22、成形的主要工藝 陽極區(qū)和陰極區(qū)占整個電弧長度的尺寸陽極區(qū)和陰極區(qū)占整個電弧長度的尺寸皆很小，約為皆很小，約為10-210-6cm，故可近似認(rèn)，故可近似認(rèn)為弧柱長度即為電弧長度。電弧的這種為弧柱長度即為電弧長度。電弧的這種不均勻的電場強度分布，說明電弧各區(qū)不均勻的電場強度分布，說明電弧各區(qū)域的電阻是不同的，即電弧電阻是非線域的電阻是不同的，即電弧電阻是非線性的性的。35第第10章章 : : 金屬連接成形的主要工藝金屬連接成形的主要工藝 v焊接電弧的導(dǎo)電特性是指參與電荷的焊接電弧的導(dǎo)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

23、產(chǎn)生、運動和消失的過程，在焊接電弧的弧的弧柱區(qū)弧柱區(qū)、陰極區(qū)陰極區(qū)和和陽極區(qū)陽極區(qū)其相應(yīng)其相應(yīng)的導(dǎo)電特性也是不同。的導(dǎo)電特性也是不同。353636(2)焊接電弧的導(dǎo)電特性焊接電弧的導(dǎo)電特性1) 弧柱區(qū)的導(dǎo)電特性弧柱區(qū)的導(dǎo)電特性第第10章章 : : 金屬連接成形的主要工藝金屬連接成形的主要工藝 3737v電弧等離子體雖然對外呈現(xiàn)電中性，但由于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(dǎo)電性能。帶電粒子在電場的以具有良好的導(dǎo)電性能。帶電粒子在電場的作用下運動，就形成了弧柱中的電流。作用下運動，就形成了弧柱中的電流。

24、v弧柱中的電流由向陰極運動的正離子流和向弧柱中的電流由向陰極運動的正離子流和向陽極運動的電子流組成。由于電子和正離子陽極運動的電子流組成。由于電子和正離子在同一電場中所受的電場力相同，而電子的在同一電場中所受的電場力相同，而電子的質(zhì)量質(zhì)量正離子正離子的速度，因此弧柱中的電流主要由電子流構(gòu)的速度，因此弧柱中的電流主要由電子流構(gòu)成。成。第第10章章 : : 金屬連接成形的主要工藝金屬連接成形的主要工藝 38v弧柱電流（主要是電子電流弧柱電流（主要是電子電流99.9%）l負(fù)離子數(shù)量少，作用被忽略負(fù)離子數(shù)量少，作用被忽略l正離子在電場作用下，運動速度遠(yuǎn)正離子在電場作用下，運動速度遠(yuǎn)小于電子小于電子v但

25、正離子的作用非常大，保證了電弧但正離子的作用非常大，保證了電弧放電的低電壓大電流的特點。放電的低電壓大電流的特點。383939第第10章章 : : 金屬連接成形的主要工藝金屬連接成形的主要工藝 4040 顯然，當(dāng)弧柱中通過大電流時，電離度提顯然，當(dāng)弧柱中通過大電流時，電離度提高，高，E值將減少。值將減少。v電場強度電場強度E與電流與電流I的乘積的乘積EI，相當(dāng)于電源，相當(dāng)于電源供給每單位弧長的電功率，它與弧柱的供給每單位弧長的電功率，它與弧柱的熱熱損失相平衡損失相平衡。第第10章章 : : 金屬連接成形的主要工藝金屬連接成形的主要工藝 4141第第10章章 : : 金屬連接成形的主要工藝金屬連

26、接成形的主要工藝42v由此可見：由此可見： 電場強度電場強度E的大小與電弧的氣體介質(zhì)有關(guān)；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)的大小將隨弧柱的熱損失情況而自行調(diào)整。整。v弧柱在穩(wěn)定燃燒時，有一種使自身能量消弧柱在穩(wěn)定燃燒時，有一種使自身能量消耗最小的特性。耗最小的特性。424343v當(dāng)電流和電弧周圍條件當(dāng)電流和電弧周圍條件( (如氣體介質(zhì)種類、如氣體介質(zhì)種類、溫度、壓力等溫度、壓力等) )一定時，穩(wěn)定燃燒的電弧一定時，穩(wěn)定燃燒的電弧將將自動選擇一個確定的導(dǎo)電截面自動選擇一個確定的導(dǎo)電截面使電弧使電弧的能量消耗最小。當(dāng)電弧長度也為定值時，的能量消耗最小。當(dāng)電弧長度也

27、為定值時，電場強度的大小即代表了電弧產(chǎn)熱量的大電場強度的大小即代表了電弧產(chǎn)熱量的大小。小。v因此，能量消耗最小時的電場強度最低，因此，能量消耗最小時的電場強度最低，即在固定弧長上的電壓降最小，這就是即在固定弧長上的電壓降最小，這就是最最小電壓原理小電壓原理。第第10章章 : : 金屬連接成形的主要工藝金屬連接成形的主要工藝 44第第10章章 : : 金屬連接成形的主要工藝金屬連接成形的主要工藝 v電流和電弧周圍條件一定時，如果電弧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截面面積大于或小于其自動確定的截面自動確定的截面，就會引起電場強度的增大，消就會引起電場強度的增大，消/ 耗的能

28、量增多，違反最小電壓原理。耗的能量增多，違反最小電壓原理。vE(K)K電導(dǎo)率電導(dǎo)率 電離度電離度TE(T) (IE) l面積增大面積增大l面積減小面積減小4445452) 陰極區(qū)的導(dǎo)電特性陰極區(qū)的導(dǎo)電特性v陰極區(qū)是指靠近陰極的很小一個區(qū)域，在陰極區(qū)是指靠近陰極的很小一個區(qū)域，在電弧中，它有兩方面的作用：電弧中，它有兩方面的作用：v由于電極材料種類及工作條件由于電極材料種類及工作條件(電流大小、電流大小、氣體介質(zhì)等因素氣體介質(zhì)等因素)不同，陰極區(qū)的導(dǎo)電形式不同，陰極區(qū)的導(dǎo)電形式和特性也不同。和特性也不同。第第10章章 : : 金屬連接成形的主要工藝金屬連接成形的主要工藝 46461熱發(fā)射型熱發(fā)射

29、型v熱陰極，大電流時熱陰極，大電流時 ，陰極區(qū)可加熱到很高，陰極區(qū)可加熱到很高的溫度。的溫度。 陰極主要靠熱發(fā)射提供電子流來陰極主要靠熱發(fā)射提供電子流來滿足弧柱導(dǎo)電的需要。滿足弧柱導(dǎo)電的需要。 陰極斑點在電極表陰極斑點在電極表面十分穩(wěn)定，其面積較大而且比較均勻，面十分穩(wěn)定，其面積較大而且比較均勻，緊挨陰極表面的弧柱不呈收縮狀態(tài)。陰極緊挨陰極表面的弧柱不呈收縮狀態(tài)。陰極區(qū)的電流密度與弧柱區(qū)也相近。區(qū)的電流密度與弧柱區(qū)也相近。v陰極區(qū)電壓降很小。陰極區(qū)電壓降很小。第第10章章 : : 金屬連接成形的主要工藝金屬連接成形的主要工藝 4747l大電流鎢極電弧焊時，這種熱發(fā)射型導(dǎo)大電流鎢極電弧焊時，這種

30、熱發(fā)射型導(dǎo)電占主導(dǎo)地位電占主導(dǎo)地位。第第10章章 : : 金屬連接成形的主要工藝金屬連接成形的主要工藝 48482電場發(fā)射型電場發(fā)射型第第10章章 : : 金屬連接成形的主要工藝金屬連接成形的主要工藝 4949第第10章章 : : 金屬連接成形的主要工藝金屬連接成形的主要工藝 50503) 陽極區(qū)的導(dǎo)電特性陽極區(qū)的導(dǎo)電特性v陽極區(qū)是指靠近陽極的很小一個區(qū)域，在陽極區(qū)是指靠近陽極的很小一個區(qū)域，在電弧中主要是接受弧柱區(qū)送來的電子流，電弧中主要是接受弧柱區(qū)送來的電子流，同時弧柱區(qū)提供所需要的正離子流。同時弧柱區(qū)提供所需要的正離子流。第第10章章 : : 金屬連接成形的主要工藝金屬連接成形的主要工藝

31、 51511陽極斑點陽極斑點 在陽極表面可看到爍亮的區(qū)域，這個區(qū)域稱為陽極在陽極表面可看到爍亮的區(qū)域，這個區(qū)域稱為陽極斑點；弧柱中送來的電子流，集中在此處進(jìn)入陽極，斑點；弧柱中送來的電子流，集中在此處進(jìn)入陽極，再經(jīng)電源返回陰極。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，因而電離易在金屬族氣處壓比周圍氣體介質(zhì)的低，因而電離易在金屬族氣處發(fā)生。成為陽極導(dǎo)電區(qū)。發(fā)生。成為陽極導(dǎo)電區(qū)。 在大氣或氧化性氣氛中燃燒的電弧，由于金屬陽

32、極在大氣或氧化性氣氛中燃燒的電弧，由于金屬陽極有氧化物存在，而一般金屬的熔點與沸點皆低于金有氧化物存在，而一般金屬的熔點與沸點皆低于金屬氧化物的熔點和沸點，所以純金屬處比金屬氧化屬氧化物的熔點和沸點，所以純金屬處比金屬氧化物處更容易產(chǎn)生蒸發(fā)。陽極斑點使會自動尋找純金物處更容易產(chǎn)生蒸發(fā)。陽極斑點使會自動尋找純金屬而避開氧化物，因而在陽極表面跳躍移動屬而避開氧化物，因而在陽極表面跳躍移動.第第10章章 : : 金屬連接成形的主要工藝金屬連接成形的主要工藝 52522陽極區(qū)導(dǎo)電形式陽極區(qū)導(dǎo)電形式v陽極不能發(fā)射正離子，弧柱所需要的正離子流是由陽極陽極不能發(fā)射正離子，弧柱所需要的正離子流是由陽極區(qū)的電離

33、提供的。由于條件不同，陽極區(qū)的導(dǎo)電形式有區(qū)的電離提供的。由于條件不同，陽極區(qū)的導(dǎo)電形式有兩種：兩種：v (a)陽極區(qū)的場致電離陽極區(qū)的場致電離 當(dāng)電弧電流較小時，陽極前面當(dāng)電弧電流較小時，陽極前面的電子數(shù)必將大于正離子數(shù)形成負(fù)的空間電場，并使的電子數(shù)必將大于正離子數(shù)形成負(fù)的空間電場，并使陽極與弧柱之間形成一個負(fù)電性區(qū)陽極與弧柱之間形成一個負(fù)電性區(qū)陽極區(qū)。只要弧陽極區(qū)。只要弧柱的正離子得不到補充這個負(fù)電場就繼續(xù)增大。陽極柱的正離子得不到補充這個負(fù)電場就繼續(xù)增大。陽極區(qū)內(nèi)的帶電粒子被這個電場加速，使其在陽極區(qū)內(nèi)與中區(qū)內(nèi)的帶電粒子被這個電場加速，使其在陽極區(qū)內(nèi)與中性粒子碰撞產(chǎn)生場致電離，直到這種電離

34、生成的正離子性粒子碰撞產(chǎn)生場致電離，直到這種電離生成的正離子能滿足弧柱需要時，陽極區(qū)的電場強度才不再繼續(xù)增大。能滿足弧柱需要時，陽極區(qū)的電場強度才不再繼續(xù)增大。電離生成的正離子流向弧柱，產(chǎn)生的電子流向陽極。這電離生成的正離子流向弧柱，產(chǎn)生的電子流向陽極。這種導(dǎo)電方式中陽極區(qū)壓降較大。種導(dǎo)電方式中陽極區(qū)壓降較大。第10章: 金屬連接成形的主要工藝 5353v(b)陽極區(qū)的熱電離陽極區(qū)的熱電離 當(dāng)電弧電流較大時，陽當(dāng)電弧電流較大時，陽極的過熱程度加劇，金屬產(chǎn)生蒸發(fā)，陽極極的過熱程度加劇，金屬產(chǎn)生蒸發(fā)，陽極區(qū)溫度也大大提高。陽極區(qū)內(nèi)的電離方式區(qū)溫度也大大提高。陽極區(qū)內(nèi)的電離方式將由金屬蒸氣的熱電離取

35、代高能量電子的將由金屬蒸氣的熱電離取代高能量電子的碰撞產(chǎn)生的場致電離，完成陽極區(qū)向弧柱碰撞產(chǎn)生的場致電離，完成陽極區(qū)向弧柱提供正離子流的作用。這種情況下陽極區(qū)提供正離子流的作用。這種情況下陽極區(qū)的壓降較低。大電流鎢極氬弧焊時屬于這的壓降較低。大電流鎢極氬弧焊時屬于這種陽極區(qū)導(dǎo)電機構(gòu)。種陽極區(qū)導(dǎo)電機構(gòu)。第第10章章 : : 金屬連接成形的主要工藝金屬連接成形的主要工藝 5454Fig.12-4 Volt-ampere Characteristics of welding arc在焊接電弧穩(wěn)定在焊接電弧穩(wěn)定燃燒的情況下燃燒的情況下,電電弧電壓和電流之弧電壓和電流之間的關(guān)系間的關(guān)系.（3）焊接電弧的

36、靜特性）焊接電弧的靜特性第第10章章 : 金屬連接成形的主要工藝 影響因素影響因素:電弧長度電弧長度;周周圍氣體種類圍氣體種類;周圍氣體周圍氣體介質(zhì)壓力介質(zhì)壓力5556 v 5758596060第第10章章 : 金屬連接成形的主要工藝 6161第第10章章 : 金屬連接成形的主要工藝 6262第第10章章 : 金屬連接成形的主要工藝 6363Fig.12-5 Volt-ampere Characteristics of power sources（4）焊接電源的動特性）焊接電源的動特性 在穩(wěn)定狀態(tài)下弧焊電源的輸出電壓和輸出電在穩(wěn)定狀態(tài)下弧焊電源的輸出電壓和輸出電流之間的關(guān)系流之間的關(guān)系. 電弧

37、穩(wěn)定燃燒的條件電弧穩(wěn)定燃燒的條件 平平-降降 or陡降陡降 ;升升 -平平 第第10章章 : 金屬連接成形的主要工藝 64644.焊接電弧中的能量平衡焊接電弧中的能量平衡電能電能(through arc) 熱能和光能熱能和光能 弧柱區(qū)弧柱區(qū) (1) 產(chǎn)熱產(chǎn)熱: Kinetic energy of e heat energy (2) 特點特點: i) Heat energy=IELc ii) producing Heat = losing Heat a) radiation b) conduction c) convection第第10章章 : 金屬連接成形的主要工藝 6565 陰極區(qū)陰極區(qū) 產(chǎn)

38、熱產(chǎn)熱: eunder UkIUk 熱損熱損: i)eemissionIUw ii)eto columnIUT 能量平衡能量平衡: Pk=I(Uk-Uw-UT) 第第10章章 : 金屬連接成形的主要工藝 獲得的總能量為66v 陽極區(qū)陽極區(qū)v 能量分量能量分量: i)eunder UAI UAv ii)efrom KIUw v iii)efrom column IUT能量平衡能量平衡: PA=I(UA +Uw+UT)6767討論討論: UT=(3/2e)KT=1.2910-4T If T=6000K then UT1; For I UA0 Thus: Pk=I(Uk-Uw), PA=IUw 第第

39、10章章 : 金屬連接成形的主要工藝 68v熱陰極熱陰極 Uk2Uw: Pk Ia0;Ua1Vm0 For Vf=constantby self-adjusting effect, L1 L0, O1 O0(return)第第10章章 : 金屬連接成形的主要工藝 102102Ia Ia 、Ua Ua 的調(diào)節(jié)方法的調(diào)節(jié)方法: :“C”(Vf)Ia電源外特性電源外特性 Ua 第第10章章 : 金屬連接成形的主要工藝 103103v 調(diào)節(jié)原理調(diào)節(jié)原理:Vf=f(Ua), laUaVfLaUa (back )v調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性: Vf=k(Ua-Uc)(2)電弧電壓反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)電弧電壓反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)au

40、icuaIKKKUKKKU第第1010章章: : 金屬連接成形的主要工藝金屬連接成形的主要工藝 104104auicuaIKKKUKKKUa straight line “A”系統(tǒng)靜特性系統(tǒng)靜特性:i) Vf=Vm on the lineii) Uc“A”,Uc“A” iii) dw,Le tg第第1010章章 : : 金屬連接成形的主要工藝金屬連接成形的主要工藝 105105調(diào)節(jié)過程調(diào)節(jié)過程 Fig12-10bif l0 l1i)UaVf l feedback controlii) U,IVm1Vm0l self-adjusting第第10章章 : 金屬連接成形的主要工藝 106106調(diào)節(jié)器

41、調(diào)節(jié)器 i) 發(fā)電機發(fā)電機- 電動機系統(tǒng)電動機系統(tǒng)第第10章章 : 金屬連接成形的主要工藝 107 ii) 晶體管整流晶體管整流- 電動機系統(tǒng)電動機系統(tǒng) 由電工原理由電工原理: Vf=K(UaUg) 調(diào)節(jié)器的輸入、輸出靜態(tài)特性方程調(diào)節(jié)器的輸入、輸出靜態(tài)特性方程第第10章章 : 金屬連接成形的主要工藝 108108Ia,Ua 調(diào)節(jié)方法調(diào)節(jié)方法:“A” Ua“電源外特性” IaThe system is not suitable for thinner wire第第10章章 : 金屬連接成形的主要工藝 4）埋弧焊工藝及技術(shù)）埋弧焊工藝及技術(shù)1.焊接參數(shù)的影響焊接參數(shù)的影響1091101111121

42、131141151162.對接接頭的埋弧焊技術(shù)對接接頭的埋弧焊技術(shù)1171183. 形接頭和搭接接頭的埋弧焊技術(shù)形接頭和搭接接頭的埋弧焊技術(shù)v4.雙絲，多絲埋弧焊雙絲，多絲埋弧焊119120121121第第10章章 : 金屬連接成形的主要工藝 122122第第10章章 : 金屬連接成形的主要工藝 123123三、熔化極氣體保護(hù)焊（三、熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW） 1)MIG(Metal Inert Gas) 惰性氣體保護(hù)惰性氣體保護(hù) 2)MAG(Metal Active Gas) 活性氣體保護(hù)活性氣體保護(hù) 重點重點: 1) 熔滴過渡熔滴過渡 2) 混合氣體電弧焊混合氣體電弧焊 3) CO2氣體

43、保護(hù)焊氣體保護(hù)焊第第10章章 : 金屬連接成形的主要工藝 1241243.1 原理原理: 1)氣體保護(hù)氣體保護(hù) 2)熔化電極熔化電極 3)自動送絲自動送絲/電弧移動電弧移動 4)特殊送絲和氣體送給系特殊送絲和氣體送給系統(tǒng)統(tǒng)Fig.12-17第第10章章 : 金屬連接成形的主要工藝 1251253.1.2 種類和應(yīng)用種類和應(yīng)用: 1)種類種類 1)焊絲焊絲: 實芯和藥芯實芯和藥芯 2)保護(hù)氣體保護(hù)氣體: CO2, 混合氣體混合氣體MAG,和惰性氣體和惰性氣體 MIG 2)應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍 適應(yīng)各種金屬材料適應(yīng)各種金屬材料 適應(yīng)各種接頭形式適應(yīng)各種接頭形式 適應(yīng)任何位置適應(yīng)任何位置第10章 : 金

44、屬連接成形的主要工藝 1261263.1.3 氣體選擇氣體選擇1)單一保護(hù)氣體單一保護(hù)氣體 1) 惰性氣體惰性氣體: Argon, helium 2) 活性氣體活性氣體: CO22)混合保護(hù)氣體混合保護(hù)氣體1) Ar+少量活性氣體少量活性氣體: i)Ar+O2 (12%)or ii) Ar+ CO2 (15%)特點特點:第第10章章 : 金屬連接成形的主要工藝 127127 改善電弧穩(wěn)定性改善電弧穩(wěn)定性 (stable kathode spots) F防止咬邊和焊縫成型不良防止咬邊和焊縫成型不良; 防止缺陷防止缺陷 用于黑色金屬焊接用于黑色金屬焊接2) Ar+He 用于活性金屬用于活性金屬,

45、如如: Al, Ti,Mg及其合金及其合金3) Ar+CO2(15%)+O2(5%) 提高生產(chǎn)率且改善焊縫外型提高生產(chǎn)率且改善焊縫外型第第10章章 : 金屬連接成形的主要工藝 128128GMAW設(shè)備設(shè)備1)電源電源2)送絲系統(tǒng)送絲系統(tǒng)3)焊槍焊槍4)程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)5)程序周期程序周期 (Fig.4-7)第第10章章 : 金屬連接成形的主要工藝 1291293.2 MIG 和和 MAG 焊焊熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊性能性能: 電弧很穩(wěn)定電弧很穩(wěn)定; 金屬過渡方向性強金屬過渡方向性強; 基本無飛濺基本無飛濺; (1)射流過渡射流過渡 (streaming)MIG

46、 焊焊 Condition: Ar or Argon-rich; IIC1; higher Ua with DCRP. 第第10章章 : 金屬連接成形的主要工藝 130130過程過程:Current VS drop transferFig.12-20Fig.12-20Fig.12-21Fig.12-21第第10章章 : 金屬連接成形的主要工藝 I131131(2)亞射流過渡亞射流過渡(Meso-spray)MIG 焊亞射流焊亞射流過渡過渡是指大電流MIG焊鋁合金時，當(dāng)電弧電壓較低時，電弧呈半潛狀態(tài)，可出現(xiàn)熔滴尺寸大約等于焊絲直徑的射滴過渡，同時伴隨著瞬時短路，熔滴過渡頻率達(dá)100200個/s，

47、這種過渡稱為亞射流過渡。 電弧型式：電弧型式：蝶形蝶形第第10章章 : 金屬連接成形的主要工藝 1321323.3 CO2 氣體保護(hù)焊氣體保護(hù)焊特點和應(yīng)用特點和應(yīng)用 :1) 基本特點基本特點i) 電弧型式電弧型式: E ，lc ，弧根面積，弧根面積 (Fm/Fs)，斑點，斑點壓力壓力，飛濺較大；（吸熱反應(yīng)，對電弧有熱壓縮，飛濺較大；（吸熱反應(yīng)，對電弧有熱壓縮作用作用 ）ii) 保護(hù)效果好；保護(hù)效果好； 氣體體積氣體體積 iii)電流密度高電流密度高(j) ，m 熔深熔深 ，生產(chǎn)率，生產(chǎn)率 ；iv) 焊縫質(zhì)量好焊縫質(zhì)量好 (低低 H2 焊縫焊縫)，成本低，明?。?，成本低，明?。籿) 全位置焊接全

48、位置焊接.22O21COCO第第10章章 : 金屬連接成形的主要工藝 133133 2) 應(yīng)用應(yīng)用 i) 材料材料: 低碳鋼低碳鋼 ,低合金高強鋼等黑色金屬低合金高強鋼等黑色金屬, 不銹鋼有不銹鋼有增碳現(xiàn)象；增碳現(xiàn)象； ii)方法方法: 自動與半自動自動與半自動 堆焊堆焊 點焊點焊 窄間隙焊接窄間隙焊接 第第10章章 : 金屬連接成形的主要工藝 134134v iii) 冶金過程冶金過程1)合金元素的氧化合金元素的氧化 CO2 CO+O2 O2 2O CO2+Fe FeO+CO 2CO2+Si SiO2+2CO CO2+Mn MnO+CO Fe+O FeO Si+2O SiO2 Mn+O MnO C+O CO第第10章章 : 金屬連接成形的主要工藝 135135v