焊接物理基礎(chǔ)

1、電弧焊基礎(chǔ) 蘭州理工大學(xué)焊接系 本科生學(xué)習(xí)整理第一章 焊接電弧1. 焊接方法分類(lèi)焊接方法分為熔焊、釬焊、和壓焊三大類(lèi)熔焊：熔焊是在不施加壓力的情況下，將待焊處的母材加熱熔化以形成焊縫的焊接方法。焊接時(shí)母材熔化而不施加壓力是其基本特征。壓焊：壓焊是焊接過(guò)程中必須對(duì)焊件施加壓力（加熱或不加熱）才能完成焊接的方法。焊接施加壓力是其基本特征。釬焊：釬焊是焊接事采用比母材熔點(diǎn)低的釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點(diǎn)但是低于母材熔點(diǎn)的溫度，利用液態(tài)釬料潤(rùn)濕母材，填充接頭間隙，并與母材相互擴(kuò)散而是心愛(ài)那個(gè)連接的一種方法力氣特征是焊接時(shí)母材不發(fā)生熔化，僅釬料發(fā)生熔化。2. 焊接電弧中氣體電離的種類(lèi)熱電離氣體粒

2、子受熱的作用而產(chǎn)生的電離稱(chēng)為熱電離。其實(shí)質(zhì)是氣體粒子由于受熱而產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)和相互之間激烈碰撞而產(chǎn)生的一種電離。場(chǎng)致電離當(dāng)氣體中有電場(chǎng)作用時(shí)，氣體中的帶電粒子被加速，電能被轉(zhuǎn)換為帶電粒子的動(dòng)能，當(dāng)其動(dòng)能增加到一定程度時(shí)，能與中性粒子產(chǎn)生非彈性碰撞，使之電離，這種電離稱(chēng)為場(chǎng)致電離。光電離中性粒子接受光輻射的作用而產(chǎn)生的電離現(xiàn)象稱(chēng)為光電離。不是所有的光輻射都可以引發(fā)電離，氣體都存在一個(gè)能產(chǎn)生光電離的臨界波長(zhǎng)，氣體的電離電壓不同，其臨界波長(zhǎng)也不同，只有當(dāng)接受的光輻射波長(zhǎng)小于臨界波長(zhǎng)時(shí)，中性氣體粒子才可能被直接電離。3. 焊接電弧中氣體的發(fā)射有幾種熱發(fā)射金屬表面承受熱作用而產(chǎn)生電子發(fā)射的現(xiàn)象稱(chēng)為熱發(fā)射。

3、場(chǎng)致發(fā)射當(dāng)陰極表面空間有強(qiáng)電場(chǎng)存在時(shí)，金屬電極內(nèi)的電子在電場(chǎng)靜電庫(kù)侖力的作用下，從電極表面飛出的現(xiàn)象稱(chēng)為場(chǎng)致發(fā)射。光發(fā)射當(dāng)金屬電極表面接受光輻射時(shí)，電極表面的自由電子能量增加，當(dāng)電子的能量達(dá)到一定值時(shí)能飛出電極的表面，這種現(xiàn)象稱(chēng)為光發(fā)射。粒子碰撞發(fā)射高速運(yùn)動(dòng)的粒子（電子或正離子）碰撞金屬電極表面時(shí)，將能量傳給電極表面的電子，使電子能量增加并飛出電極表面，這種現(xiàn)象稱(chēng)為粒子碰撞發(fā)射。4. 陰極斑點(diǎn)的條件及陰極斑點(diǎn)的特點(diǎn)。陰極斑點(diǎn)是指陰極上導(dǎo)通電流的一些灼亮的孤立點(diǎn) 。某點(diǎn)充當(dāng)陰極斑點(diǎn)的條件：1） 該點(diǎn)能發(fā)射電子； 2）電弧通過(guò)該點(diǎn)時(shí)耗能最小。 陰極斑點(diǎn)的特點(diǎn)： 1） 電流密度大，溫度高。（2）跳躍

4、性及粘著性（3）存在斑點(diǎn)壓力（4）自動(dòng)尋找氧化膜 5. 接觸引弧過(guò)程接觸式引弧包括短路、分離和燃弧三個(gè)過(guò)程。6. 電弧的電特性包括哪些焊接電弧的電特性主要指的是焊接電弧的靜特性和焊接電弧的動(dòng)特性。7. 電弧靜特性概念焊接電弧的靜特性是指在電極材料、氣體介質(zhì)和弧長(zhǎng)一定的情況下，電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)，焊接電流與電弧電壓變化的關(guān)系，也稱(chēng)伏-安特性。等離子弧的靜態(tài)特性是指一定弧長(zhǎng)的等離子弧處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)時(shí)，電弧電壓U 與電弧電流I之間的關(guān)系，即：U （I）特點(diǎn)：1. 由于冷壁噴嘴的拘束作用，使等離子弧柱的橫截面積減小，弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度增大，電弧電壓明顯提高，U型曲線的平直區(qū)較自由電弧明顯減小；2. 當(dāng)焊接電

5、流較大時(shí)，等離子弧的磁收縮效應(yīng)使弧柱直徑的增加受到限制，靜特性曲線會(huì)出現(xiàn)平的或上升的伏安特性；3. 拘束孔道尺寸和形狀對(duì)靜特性有明顯影響，噴嘴孔徑越小，U形特性平直區(qū)域就越小，上升區(qū)域斜率增大，即弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度增大；4. 等離子氣種類(lèi)和流量不同時(shí)，弧柱的電場(chǎng)強(qiáng)度有明顯變化，因此等離子弧供電電源的空載電壓應(yīng)按所用等離子氣種類(lèi)而定；5. 如果采用聯(lián)合型等離子弧，轉(zhuǎn)移弧的U行特性曲線下降區(qū)段斜率明顯減小，這是由于非轉(zhuǎn)移弧的存在為轉(zhuǎn)移弧提供了導(dǎo)電通路。8.影響焊接電弧穩(wěn)定性的因素有哪些影響焊接電弧穩(wěn)定性的因素有1、焊接電源，2、焊接電流和電弧電壓，3、電流的種類(lèi)和極性，4、焊條藥皮和焊劑，5、磁偏吹，6

6、、其他因素如操作人員技術(shù)、焊件清理情況和環(huán)境因素等。第二章焊絲的熔化與熔滴過(guò)渡1. 焊接熔化速度及影響因素熔化速度Vm 通常以單位時(shí)間內(nèi)焊絲的熔化長(zhǎng)度（m/h 或m/min）或熔化質(zhì)量（kg/h）表示。其主要取決于單位時(shí)間內(nèi)加熱和熔化焊絲的總能量。影響因素：1、焊接電流的影響電弧熱與電流成正比，電阻熱與電流的平方成正比。2、電弧電壓的影響與電流一起影響熔化速度。3、焊絲直徑的影響電流一定時(shí)，焊絲直徑越細(xì)電流密度越大，熔化速度增大。4、焊絲伸出長(zhǎng)度的影響焊絲伸長(zhǎng)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，電阻熱越大，通過(guò)焊絲傳導(dǎo)的熱損失越少，熔化速度越快。5、焊絲材料的影響焊絲材料不同，電阻率不同故對(duì)熔化速度的影響也是不同的。6

7、、氣體介質(zhì)及焊絲極性的影響介質(zhì)不同對(duì)陰極電壓降和電弧熱有直接影響。2. 短路過(guò)渡的特點(diǎn)1.短路過(guò)渡時(shí)燃弧、短路交替進(jìn)行。2、短路過(guò)渡時(shí)所使用的焊接電流（平均值）較小，但短路時(shí)的峰值電流可達(dá)平均電流的幾倍。3、短路過(guò)渡一般采用細(xì)絲，焊接電流密度大，焊接速度快，故對(duì)焊件熱輸入低而且電弧短，加熱幾種，減小焊接變形。3. 射流過(guò)渡工藝上的特點(diǎn)射流過(guò)渡最富有代表性且用途廣泛的一種過(guò)渡形式。主要特點(diǎn)有：1、焊接過(guò)程穩(wěn)定，飛濺極少，焊縫成形質(zhì)量好。2、電弧穩(wěn)定，對(duì)保護(hù)氣流的擾動(dòng)作用小，故保護(hù)效果好。3、射流過(guò)渡電弧功率大，熱流集中，對(duì)焊件熔透能力強(qiáng)。4. 射流過(guò)渡臨界電流的大小的影響因素1、焊絲成分焊絲成分

8、不同將引起電阻率、熔點(diǎn)、及金屬蒸發(fā)能力的變化。2、焊絲直徑即使同種材料的焊絲，直徑不同臨界電流值夜不同。3、焊絲伸出的長(zhǎng)度焊絲生出長(zhǎng)度長(zhǎng)，電阻熱的預(yù)熱作用增強(qiáng)，焊絲熔化快，易是想射流過(guò)渡，是臨界電壓值降低。4、氣體介質(zhì)不同氣體介質(zhì)對(duì)電弧電場(chǎng)強(qiáng)度的影響不同。5、電源極性直流反接時(shí)，焊絲為陽(yáng)極易于、實(shí)現(xiàn)射流過(guò)渡。母材的熔化和焊縫成形5. 焊縫成形過(guò)程電弧焊時(shí)，焊縫的形成一般要經(jīng)歷加熱、熔化、化學(xué)冶金、凝固、和固態(tài)相變等一系列冶金過(guò)程。其中熔化和凝固時(shí)必不可少的過(guò)程。焊接過(guò)程中由于熔池是移動(dòng)的，也使各點(diǎn)的溫度是變化的。沿著熔池的縱向看，熔池前部的固體母材金屬處于急劇升溫的階段并不斷被電弧熔化成為液體

9、金屬；熔池尾部的液體金屬漸離電弧熱源，溫度降低，不斷凝固形成焊縫。6. 焊接熔池熔池在電弧正下方的母材溫度超過(guò)了熔點(diǎn)，因此必然被熔化，與此同時(shí)，填充材料被電弧加熱形成熔滴，向母材方向過(guò)渡，這兩部分金屬互相混合在一起，共同形成了具有一定幾何形狀的液體金屬，即所謂的焊接熔池。7. 熔合比熔合比（）指單道焊時(shí)，在焊縫橫截面上熔化的母材所占的面積與焊縫的總面積之比。它能反映母材成分對(duì)焊縫成分的稀釋程度，熔合比越大，說(shuō)明母材向焊縫中熔入的量越大，稀釋程度越大。8. 電弧熱的損失電弧的熱損失包括1、電弧熱輻射和氣流帶走的熱量損失。2、用于加熱和熔化焊條藥皮或焊劑的損失（不包括熔渣傳導(dǎo)給焊件的那部分熱量）。

10、3、焊接飛濺照成的熱損失。4、用于加熱鎢極或碳極、焊條頭、焊鉗或?qū)щ娮斓鹊臒釗p失。9. 焊接溫度場(chǎng)焊接溫度場(chǎng)指焊接過(guò)程中某一瞬間焊接接頭上各點(diǎn)的溫度分布狀態(tài)，通常用等溫線或等溫面來(lái)表示。10. 焊件比熱流及其與電弧參數(shù)的關(guān)系比熱流指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積傳入焊件的熱量。1、弧長(zhǎng)對(duì)比熱流的影響弧長(zhǎng)增大比熱流qm 減小，q(r)分布漸趨平緩。2、電弧電流對(duì)比熱流的影響電弧電流增加，比熱流qm 增大。3、鎢極端部角度及端部直徑對(duì)比熱流的影響鎢極端部角度減小qm 增加，鎢極端部直徑減小qm 增大。11. 焊接參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響焊接參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響1、焊接電流，在其它條件一定的情況下，隨著焊接電流

11、增加，焊縫的熔深和余高均增加，熔寬略有增加。2、電弧電壓，在其它條件一定的情況下，提高電弧電壓，熔深略有減小而熔寬增大，焊縫余高減小。3、焊接速度，在其它條件一定的情況下，提高焊接速度導(dǎo)致焊接熱輸入減少，從而焊縫熔寬、熔深和余高都減小。1. 等離子弧的產(chǎn)生機(jī)理及分類(lèi)機(jī)理：等離子弧是一種受到約束的非自由電弧，它是借助于以下三種壓縮效應(yīng)而形成的：1、機(jī)械壓縮效應(yīng)，利用噴嘴來(lái)限制弧柱直徑，提高能量密度的效應(yīng)；2、熱壓縮效應(yīng)，利用氣流或水流的冷卻作用使電弧得到壓縮的效應(yīng)；3、磁壓縮效應(yīng)，如果將通過(guò)噴嘴的弧柱看作是由許多載流導(dǎo)線束，由于電流同向，因此會(huì)彼此吸引，形成一個(gè)指向弧柱中心的力場(chǎng)，使電弧收縮，這

12、種效應(yīng)稱(chēng)為磁壓縮效應(yīng)。分類(lèi)：等離子弧按電源供電方式不同分為三種形式:1、非轉(zhuǎn)移型等離子弧電極接電源的負(fù)極，噴嘴接電源的正極，電弧在電極與噴嘴之間產(chǎn)生，工件不接電。2、轉(zhuǎn)移型等離子弧電極接電源的負(fù)極，工件接電源的正極，等離子弧在電極與工件之間燃燒，很難直接形成。3、聯(lián)合型（混合型）等離子弧非轉(zhuǎn)移型等離子弧和轉(zhuǎn)移型等離子弧同時(shí)存在，這時(shí)需要兩個(gè)獨(dú)立的電源供電。2. 等離子弧焊接的種類(lèi)和特點(diǎn)種類(lèi)：1.穿孔型等離子弧焊接 2.熔透型等離子弧焊接優(yōu)點(diǎn)：（1）電弧能量集中，因此焊縫深寬比大，截面積??；焊接速度快，特別是厚度大于3.2mm的材料尤顯著；薄板焊接變形小，厚板熱影響區(qū)窄。（2）電弧挺直性好，以焊

13、接電流10A為例，等離子弧噴嘴高度（噴嘴到焊件表面的距離）達(dá)6.4mm，弧柱仍較挺直，而鎢極氬弧焊的弧長(zhǎng)僅能采用0.6mm。（3）電弧的穩(wěn)定性好，微束等離子弧焊接的電流小至0.1A時(shí)仍能穩(wěn)定燃燒。（4）由于鎢 .內(nèi)縮在噴嘴之內(nèi)，不可能與焊件接觸，因此沒(méi)有焊縫夾鎢問(wèn)題。缺點(diǎn)：1）由于需要兩股氣流，因而使過(guò)程的控制和焊槍的構(gòu)造復(fù)雜化。2） 由于電弧的直徑小，要求焊槍噴嘴軸線更準(zhǔn)確地對(duì)中焊縫。3.雙弧的形成原因1、噴嘴因素，噴嘴孔徑越小、孔道長(zhǎng)度或內(nèi)縮增大，雙弧傾向大；2、電流因素，電流大，雙弧傾向大；3、離子氣體因素，離子氣體流量增加，雙弧傾向反而減?。?、其他因素：噴嘴冷卻不好使溫度升高，或噴嘴

14、表面有氧化物或金屬飛濺物等，也是形成雙弧的原因。4.什么叫電離、解離、激勵(lì)？ 電離：中性粒子處于高能量狀態(tài)時(shí)，其電子軌道上的電子脫離約束，分離成電子和離子稱(chēng)之為電離 解離：電弧中的多原子氣體（是由兩個(gè)以上原子構(gòu)成的氣體原子）在熱作用下分解為原子的現(xiàn)象稱(chēng)為解離 激勵(lì)：當(dāng)中性粒子接受外來(lái)能量的作用還不足以使電子完全脫離氣體原子或分子時(shí)，但可能使電子從較低的能級(jí)轉(zhuǎn)移到較高的能級(jí)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為激勵(lì)。5.什么是陰極斑點(diǎn)、陽(yáng)極斑點(diǎn)，二者有何異同？各優(yōu)先在何處產(chǎn)生？ 陰極斑點(diǎn)：電弧放電時(shí)，負(fù)電極表面上集中發(fā)射電子的光亮極小區(qū)域。 陽(yáng)極斑點(diǎn)：電弧放電時(shí)，正電極表面上集中接受電子的光亮微小區(qū)域。相同點(diǎn)：用低熔點(diǎn)

15、材料或者高熔點(diǎn)材料，但電流很小，做電極才能產(chǎn)生陰極陽(yáng)極斑點(diǎn)，都具有溫度高，粘著性，自動(dòng)選擇性，都阻礙溶滴過(guò)度相異點(diǎn)：陰極斑點(diǎn)電流密度大于陽(yáng)極斑點(diǎn)，斑點(diǎn)力陰極大于陽(yáng)極6、什么是熱發(fā)射，有何特點(diǎn)？什么情況下發(fā)生場(chǎng)發(fā)射？有何特點(diǎn)？ 熱發(fā)射：金屬表面承受熱作用而產(chǎn)生電子發(fā)射的現(xiàn)象。 陰極采用W,C等高熔點(diǎn)材料，且電流較大的情況下，發(fā)生熱發(fā)射特點(diǎn)：陰極表面不會(huì)有正離子堆積，陰極壓降趨于0，陰極區(qū)覆蓋整個(gè)陰極表面，對(duì)于陰極有強(qiáng)烈的冷卻作用，陰極上不存在陰極斑點(diǎn) 場(chǎng)發(fā)射：當(dāng)陰極材料為W,C且電流較小時(shí)，或陰極采用熔點(diǎn)較低的Al Cu Fe時(shí)，發(fā)生場(chǎng)發(fā)射特點(diǎn)：有正離子堆積，陰極前面有正電性場(chǎng)，有陰極壓降區(qū) 無(wú)

16、冷卻作用7、電弧是如何產(chǎn)熱的？弧柱區(qū)的產(chǎn)熱對(duì)焊絲和母材的加熱與熔化有多大貢獻(xiàn)？電弧產(chǎn)熱：焊接電弧的產(chǎn)熱來(lái)自電源輸入電能的轉(zhuǎn)換，電源輸入的總能量Pa=I(Ua+Uc+Up)，該能量在電弧中轉(zhuǎn)換為熱能，光能，磁能，機(jī)械能，其中熱能占絕大部分，并以傳導(dǎo)，對(duì)流，輻射等形式給予周?chē)鷼怏w，陽(yáng)極和陰極材料在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定中保持產(chǎn)熱和散熱平衡。 一般電弧焊接過(guò)程中，弧柱的熱量只有很少一部分通過(guò)輻射傳給焊條和工件，當(dāng)電流較大，有等離子流產(chǎn)生時(shí)，等離子流把弧柱的一部分熱量帶到工件，增加工件的熱量。8、陰極區(qū)產(chǎn)熱總是比陽(yáng)極區(qū)產(chǎn)熱大嗎？ 不是，如鎢極氬弧焊采用直流正接，就是因?yàn)殛?yáng)極產(chǎn)熱大于陰極產(chǎn)熱，為避免鎢極燒損的緣故。酸

17、性焊條電弧焊時(shí)陽(yáng)極產(chǎn)熱大于陰極產(chǎn)熱。堿性焊條電弧焊時(shí)陽(yáng)極產(chǎn)熱小于陰極產(chǎn)熱。9.電弧力有哪些？有哪些影響因素？這些力對(duì)焊縫成形、熔滴過(guò)渡及飛濺有何影響？ 電弧力包括：電磁收縮力，等離子流力，斑點(diǎn)壓力，短路爆破力 影響因素：1、氣體介質(zhì)：導(dǎo)熱性強(qiáng)或多原子氣體會(huì)導(dǎo)致電弧壓力上升。氣體流量或者氣體壓力上升也會(huì)導(dǎo)致電弧壓力上升 2、電流和電弧電壓：電流大-電弧力大。電壓大-電弧力大 3、焊絲直徑：直徑越細(xì)，電弧力越大 4、焊條極性：TIG焊時(shí)：鎢極接負(fù)時(shí)，電弧壓力大。反之，電弧壓力小 熔化極氣體保護(hù)焊時(shí)，直流正接時(shí)，陰極斑點(diǎn)壓力大，阻礙溶滴過(guò)渡，所以電弧壓力小，反接時(shí)，電弧壓力大。 5、鎢極端部幾何形狀

18、：鎢極端頭角度越小，電弧力越大。 6、電流脈動(dòng) 重力：平焊 促進(jìn)溶滴過(guò)渡 立焊，仰焊 阻礙溶滴過(guò)渡 表面張力： 滴狀過(guò)渡都阻礙 短路過(guò)渡促進(jìn) 電磁收縮力： 陽(yáng)極區(qū)直徑焊絲直徑 促進(jìn) 陽(yáng)極區(qū)直徑焊絲直徑 阻礙等離子流力，氣體吹送力，促進(jìn)溶滴過(guò)渡。金屬蒸汽反作用力，斑點(diǎn)壓力，阻礙熔滴過(guò)渡爆破力造成飛濺10.氣體保護(hù)效果的影響因素有哪些？ 影響因素：1、氣體流量，流量過(guò)小，氣流挺度差，排除周?chē)諝饽芰θ酰涣髁窟^(guò)大，氣流近壁層流很薄，甚至形成紊流。 2 、噴嘴至工件距離：距離小，保護(hù)效果高3、焊接速度和側(cè)向風(fēng)4、焊接接頭形式。11、表征焊縫形狀尺寸的參數(shù)有哪些？這些參數(shù)與焊縫質(zhì)量間有何關(guān)系？ 1、參數(shù)

19、：熔深H 熔寬B 余高a 2、焊縫成形系數(shù)=B/H 影響熔池中氣體排出的難易，熔池結(jié)晶方向，成分偏極，裂紋傾向等； 余高：避免熔池金屬凝固收縮引起的缺陷，提高焊縫接頭強(qiáng)度，但余高過(guò)高會(huì)引起應(yīng)力集中，降低抗疲勞強(qiáng)度。12、熔深、熔寬的影響因素有哪些？ 1、電流，電壓，焊接速度的影響：電流上升，熔深增大，余高增大，熔寬降低 電壓上升，熔深下降，余高下降，熔寬增大 速度上升，熔深下降，余高下降，熔寬下降13.最小電壓原理？電弧力的影響因素有哪些？如何影響？等離子流力？（電弧力：等離子電弧在離子體所形成的軸向力，也可指電弧對(duì)熔滴和熔池的機(jī)械作用力，包括電磁收縮力、等離子流力、斑點(diǎn)壓力等。焊接電弧力對(duì)熔滴過(guò)渡、熔深尺寸、焊縫成形、飛濺大小，以及焊縫的外觀缺陷(如咬肉、焊瘤、燒穿等)均產(chǎn)生很大的影響。）1、 在電流和周?chē)鷹l件一定的情況下，穩(wěn)定燃燒的電弧將自動(dòng)選擇一適當(dāng)?shù)臄嗝?，以保證電弧的電場(chǎng)強(qiáng)度具有最小的數(shù)值，即在固定弧長(zhǎng)上的電壓最小，這意味著電弧總是保持在最小的能量消耗。2、 （1）電弧長(zhǎng)度：電流一定時(shí)，電弧電壓隨弧長(zhǎng)的增加而增加。 （2）周?chē)鷼怏w種類(lèi)； 原因 氣體電離能不同；氣體物理性能不同。 （3）周?chē)鷼怏w介質(zhì)壓力：氣體壓力越大，冷卻作用越強(qiáng)，弧壓越高。3、 等離子流力：在電弧中由于電弧推力引