焊接電弧概念及形成

1、焊接電弧的概念及形成焊接電弧，實質(zhì)上就是在一定的條件下，兩電極間的氣體發(fā)生強(qiáng)而有力、持久的放電現(xiàn)象。一、電弧的引燃條件一、電弧的引燃條件引燃電弧的條件最根本的是取決于電極發(fā)射電子能力的強(qiáng)弱和氣體被電離的難易程度。1、電極發(fā)射電子的能力電極中的原子都是以離子的金屬鍵按一定規(guī)則排列，自由電子則在正離子間不斷運(yùn)動，并受原子核的引力舒服束縛而無發(fā)逸出金屬之外。當(dāng)兩極加以一定電壓時，陰極表面的自由電子在電場力的激勵下而脫出，自由電子從陰極表面逸出所需的能量叫逸出功，單位為“電子伏特”（eV）。不同金屬具有不同的逸出功，電子發(fā)射能力也不同，逸出功越高，需要供給的能量也越大，越不易發(fā)射電子（如碳、鐵、鎢等）

2、。反之，逸出功越低，需要供給的能量也越少，越易發(fā)射電子（如鉀、鈉等）。發(fā)射電子的能力與金屬的熔點(diǎn)（鐵為1537，鎢為3380）和沸點(diǎn)有關(guān)，尤其是沸點(diǎn)，不同的沸點(diǎn)發(fā)射電子的能力也不同，例如：鐵和鎢兩種金屬，雖有相近的逸出功（鐵為4.48eV，鎢為4.54eV），但鐵的沸點(diǎn)（2930）遠(yuǎn)低于鎢的沸點(diǎn)（5900），當(dāng)溫度超過鐵的沸點(diǎn)時，鐵的發(fā)射電子能力也就喪失，而鎢在此溫度下，仍能保持高的電子發(fā)射能力。電極發(fā)射電子的形式依能量的來源不同而改變，一般有熱發(fā)射、強(qiáng)電場發(fā)射、光發(fā)射、和撞擊發(fā)射四種。熔焊過程主要以熱發(fā)射和強(qiáng)電場發(fā)射為主。例如鐵的沸點(diǎn)低，故以強(qiáng)電場發(fā)射為主；鎢的沸點(diǎn)高，故以熱發(fā)射為主。在電弧

3、中，陰極是發(fā)射電子的源泉，而陽極除接收由陰極發(fā)射出來的電子外，還起到排斥正離子向陰極方向運(yùn)動作用。陽極既不能發(fā)射電子，也不能產(chǎn)生正離子。2、氣體的電離程度氣體被電離的難易程度主要取決于氣體本身所具有的電離電位的高低。氣體原子的外層電子脫離原子核引力束縛所需要的能量叫電離電位，不同氣體有不同的電離電位，電離電位越高，需要的能量越大，越難被電離，引燃電弧越困難，電弧燃燒也不穩(wěn)定?？諝夥Q為絕緣體，在于它具有很高的電離電位，而大部分具有良好導(dǎo)電性能的金屬，主要是它們的電離電位低。氣體的電離方式通常有熱電離、撞擊電離和光電離三種。熔焊時，以前兩者為主。二、電弧特性二、電弧特性1、電弧構(gòu)造及熱量分布電弧由

4、下面幾個區(qū)組成（見圖25）：焊條弧柱陰極區(qū)陽極區(qū)-+圖25 電弧的構(gòu)造（1）、陰極區(qū)是發(fā)射電子區(qū)，溫度為22003600K，光亮度占全電弧的10%，放熱量占全電弧的38%。（2）、弧柱是氣體被電離區(qū)，是電子和正離子離解、復(fù)合頻繁運(yùn)動的場所，溫度可達(dá)50008000K，光亮度占全電弧的5%，放熱量占全電弧的20%。（3）、陽極區(qū)是受陰極發(fā)射電子的轟擊區(qū)，溫度為4200K，光亮度占全電弧的85%，放熱量占全電弧的42%。陽極區(qū)比陰極區(qū)溫度高的原因主要是：陰極區(qū)發(fā)射電子需要消耗一定的能量，而陽極區(qū)則受到高速電子轟擊吸收了大量能量所致。采用直流電源電弧焊時，選擇極性接法的根據(jù)就在此。2、電弧的靜特性電

5、弧長度一定時，電弧電壓與通過電弧空間的焊接電流之間的關(guān)系叫電弧的靜特性。焊接時，電弧電壓和焊接電流的關(guān)系不是呈線性改變，而是按U型曲線進(jìn)行（見圖26），該曲線稱為電弧的靜特性曲線。通常分為如下三個區(qū)段。電弧電壓（V）焊接電流（A）abcd圖26 電弧的靜特性（1）、ab區(qū)段a為電弧引燃起始點(diǎn)，引弧電壓較高（近似空載電壓），而通過電弧的電流很小。電弧燃起的瞬間，兩極間的氣體迅速被電離，陰極在電弧熱的作用下，增強(qiáng)了電子發(fā)射能力，弧柱的電阻值也隨之下降，電弧電壓很快降至b點(diǎn)，焊接電流稍有增大，從而形成ab區(qū)段的陡降曲線。（2）、bc區(qū)段該區(qū)段為電弧穩(wěn)定燃燒的正常焊接區(qū)段，電弧電壓與焊接電流的大小無關(guān)

6、，隨電極材料和弧柱中的氣體成分的改變而變化。焊接電流在此區(qū)段內(nèi)調(diào)節(jié)，以滿足電極材料需要的熔化溫度，但電弧電壓維持不變，所以形成一個水平區(qū)段。（3）、cd區(qū)段該區(qū)段為氣體電離飽和區(qū)段，由于電極直徑?jīng)]有改變，電流密度卻已達(dá)到極限，電極間的電壓也隨之提高。所以焊接電流超過c點(diǎn)后，電弧電壓也隨之上升。故cd區(qū)段形成一個陡升曲線。電弧的靜特性與焊接電源（焊機(jī)）的外特性之間的關(guān)系可見焊接設(shè)備一章。三、影響電弧穩(wěn)定燃燒的因素三、影響電弧穩(wěn)定燃燒的因素為保證焊縫質(zhì)量，避免焊接缺陷的產(chǎn)生，首要的是電弧在燃燒過程中具有良好的穩(wěn)定性，也就是說，電弧能維持一定的長度不熄滅，不偏吹，不搖擺。造成電弧不能穩(wěn)定燃燒的因素除

7、焊工操作技術(shù)不熟練外，主要由以下幾個原因引起的：1、焊接電源的影響焊接電源是提供電弧由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿闹饕O(shè)備。焊機(jī)質(zhì)量差，外特性欠佳，空載電壓過低，直流電源的極性接錯等，均會影響電弧穩(wěn)定燃燒。從焊接電源的種類和極性接法相比較，直流電源比交流電源穩(wěn)定；反接法比正接法穩(wěn)定。2、溶渣（焊條涂料）的影響藥皮成分中含有較多電離電位低成分的比含有較多電離電位高成分的穩(wěn)定，藥皮厚度適度的比過厚或過薄的穩(wěn)定。3、氣流的影響在露天風(fēng)力較大（5級以上）或有過堂風(fēng)場所施焊是，容易將電弧吹偏或搖擺不定。4、焊件表面不潔凈的影響焊件表面銹蝕、沾有油脂或漆類，不但難以引燃電弧，而且電弧不能穩(wěn)定燃燒。5、電磁力的影響電弧

8、在電磁場的影響下發(fā)生偏吹的現(xiàn)象叫磁偏吹。施焊時，電弧的軸線始終與電極的軸線在同一中心線上（如圖27a）。當(dāng)用直流電源施焊時，發(fā)生弧柱軸線偏離電極軸線，向某一方向搖擺，這種現(xiàn)象是由于磁場分布不均所致（見圖27b），改變接線部位便可消弱磁偏吹現(xiàn)象（見圖27c）。（a）（b）（c）圖27 電弧的磁偏吹除上述因素外，焊接工藝規(guī)范不當(dāng)，電極材料性能不良，焊條藥皮厚薄不勻，松散，脫落，被焊工件帶有磁性等都會影響電弧穩(wěn)定燃燒。四、熔焊過程的兩個基本概念1、熱源沿被焊工件按一定方向移動時，焊接溶池（焊縫）或近縫區(qū)上某一點(diǎn)的溫度，隨著時間的變更由低到高，又由高至低的變化過程稱為焊接熱循環(huán)。為了便于溫度的測量，以

9、近縫區(qū)的溫度變化為例加以說明。距熔池遠(yuǎn)近不同，金屬工件上各點(diǎn)受熱程度也不同，所經(jīng)歷的熱循環(huán)也不一樣，由圖28可以看出：距離熔池越遠(yuǎn)，受熱溫度越低。20040060080010001200-10010203040501234512Mn=20min150mm/lnin170A25V12345號位號位11350 0.321200 0.531000 1.84800 35600 4.5溫度（）距離（mm）圖圖28 28 焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)tcs焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)（見圖28）有：（1）、加熱速度（tw）近縫區(qū)在熱傳導(dǎo)下，由室溫加熱至某一點(diǎn)的最高溫度所需的時間為加熱速度。如焊接12Mn鋼時，近縫區(qū)的點(diǎn)1

10、（距離為0.3mm）的溫度由室溫突升至1350，而時間只用了零點(diǎn)幾秒。（2）、加熱最高溫度（Tm）依距近縫區(qū)遠(yuǎn)近的不同，各點(diǎn)的最高受熱溫度也有所不同。如點(diǎn)2（距離為0.5mm）的最高溫度為1200，而點(diǎn)3（距離為1.8mm）則為1000。（3）、停留時間（Th）是指未熔金屬受熱而發(fā)生相變的溫度范圍（Ts以下）所維持的時間。這與熱源在單一熔池（一個焊點(diǎn)）上停留的時間有關(guān)，熱源停留的時間越長，輸入熔池的熱量越多，焊接熱循環(huán)的受熱點(diǎn)的停留時間也就越長（Th越寬）（4）、冷卻速度（tn）焊接熱循環(huán)中的冷卻速度與焊件的尺寸和導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)，焊件大而厚，導(dǎo)熱性強(qiáng)，冷卻的速度快，所形成的下降曲線也越陡。總而言之，焊接熱循環(huán)過程的技術(shù)參數(shù)是多變的，它們是根據(jù)鋼材品種、金屬的導(dǎo)熱性、被焊工件的尺寸、焊接接頭型式、焊接方法、焊接線能量、焊前預(yù)熱以及環(huán)境溫度的不同而改變。所以形成的曲線圖形也有差異。2、焊接線能量向單位長度焊縫內(nèi)輸入的焊接熱量稱為焊接線能量。它主要表示熔焊過程中焊接電流、電弧電壓和焊接速度三者之間的關(guān)系，常以下