焊接電弧的基本知識

第二章焊接電弧的基本知識

教學(xué)目標(biāo):1．理解與掌握電弧焊有關(guān)的基礎(chǔ)理論，包括焊接電弧、焊絲熔化與過渡及焊接接頭的組織和力學(xué)性能；

2．重點(diǎn)理解與掌握焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因和防止措施。

第一節(jié)概述一、焊接的特征

1.焊接已成為最流行的連接技術(shù)國家大劇院鋼結(jié)構(gòu)金茂大廈罐壓力容器

2.焊接已成為關(guān)鍵的制造技術(shù)上海盧浦大橋“中華和平號”17.5萬噸散貨輪千噸級熱壁加氫反應(yīng)器世界最大的三峽水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪3.焊接已成為現(xiàn)代工業(yè)不可分離的組成部分三峽永久船閘西氣東輸工程管道的焊接神舟飛船返回倉全焊接的鋁合金結(jié)構(gòu)第二節(jié)焊接電弧的產(chǎn)生和組成

電弧是所有電弧焊方法的能源，能有效而簡便地把弧焊電源的電能轉(zhuǎn)換成焊接過程所需要的熱能和機(jī)械能。

一、焊接電弧的產(chǎn)生

焊接電弧是由焊接電源提供的、具有一定電壓的兩極間或電極與焊件間，氣體介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈而持久的放電現(xiàn)象。

短路------空載------燃弧圖4－1焊接回路示意圖

電?。阂环N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)電過程。（一）氣體原子的電離和電子發(fā)射1、氣體原子的激發(fā)與電離

撞擊電離熱電離光電離2、電子發(fā)射

熱發(fā)射光電發(fā)射重粒子撞擊發(fā)射強(qiáng)電場作用下的自發(fā)射

綜上，焊接電弧是氣體放電的一種形式，焊接電弧的形成和維持是在電場、熱、光和質(zhì)點(diǎn)動能的作用下，氣體原子不斷地被激發(fā)、電離以及電子發(fā)射的結(jié)果。電離：中性氣體粒子（分子或原子）吸收足夠的外部能量，使得分子或原子中的電子脫離原子核的束縛而成為自由電子和正離子的過程。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；第二電離能：失去第二個電子所需的能量；電離能單位：通常以電子伏特（ev）。電離電壓：電子伏特為單位的能量轉(zhuǎn)換為數(shù)值上相等的電離電壓表示（因電子電量為常數(shù)）。電子伏特(electronvolt)，簡稱為電子伏，縮寫為eV

，是能量的單位。代表一個電子（所帶電量為-1.6×10^(-19)庫侖）經(jīng)過1伏特的電場加速后所獲得的動能。氣體的電離當(dāng)其他條件（如氣體的解離性能、熱物理性能等）一定時，電離電壓低，表示帶電粒子容易產(chǎn)生，有利于電弧導(dǎo)電；相反，電離電壓高表示帶電粒子難以產(chǎn)生，電弧導(dǎo)電困難。氣體粒子電離電壓/v氣體粒子電離電壓/vH13.5K4.3O13.5Na5.1N14.5Ca6.1F17.4W8.0He24.5Al5.96Ar15.7Cu7.68CO213.7Fe7.9H2O12.6Cr7.7電弧產(chǎn)生過程電弧產(chǎn)生過程：

短路：焊條、焊件接觸形成短路，產(chǎn)生電阻熱，使得金屬融化、蒸發(fā)，變成蒸汽。同時，陰極表面電子獲得能量，形成熱發(fā)射。

空載：短路拉開后，而電壓較高，有很大的電場強(qiáng)度，電子脫離原子核的束縛而從陰極表面曳出，形成電場發(fā)射。

燃?。阂?yàn)闊岚l(fā)射、電場發(fā)射、光發(fā)射，粒子碰撞發(fā)射越來越多，電離越來越強(qiáng)。極間的中性質(zhì)點(diǎn)變成帶電的電子和正離子，分別向兩極運(yùn)動進(jìn)行中和，從而產(chǎn)生電弧，稱引弧。（二）焊接電弧的引燃1、接觸引弧在弧焊電源接通后，電極（焊條或焊絲）與工件直接短路接觸，隨后拉開3-4MM，把電弧引燃起來，這是一種最常用的引弧方式。焊條電弧焊和熔化極氣體保護(hù)焊都采用此方式。

2、非接觸引弧在電極與工件之間存在一定間隙，施以高電壓擊穿間隙，使電弧引燃。二電弧構(gòu)造三部分：陰極區(qū)、陽極區(qū)、弧柱區(qū)鋼焊條焊接鋼材時的焊接電弧1、陰極區(qū)：長度極短、電壓較大、E（電場強(qiáng)度）極高2、陽極區(qū)：長度也極短、電壓較大、E極高3、弧柱區(qū)長度基本上等于電弧長度，E較小。UA

UCUK陽極區(qū)陰極區(qū)弧柱-+10-510-6cm10-210-4cm電弧構(gòu)造第三節(jié)焊接電弧的分類和特性按電流種類：交流電弧、直流電弧、脈沖電弧按電弧狀態(tài)：自由電弧、壓縮電弧按電極材料：熔化極電弧、非熔化極電弧一、焊接電弧的分類二、焊接電弧的靜特性

在電極材料，氣體介質(zhì)和電弧長度一定時，電弧兩端的電壓與焊接電流之間的關(guān)系稱為電弧靜特性，或稱伏安特性。電弧靜特性曲線呈U形。如圖4－4曲線2所示。在一般情況下，電弧電壓Uh與弧長L成正比變化，如圖4－5示，即電弧越長電壓越高。

圖4－4普通電阻靜特性與電弧靜特性曲線

1－普通電阻靜特性；2－電弧靜特性。圖4－5不同電弧長度的電弧靜特性曲Ua小電流TIGTIG

SAWMMAMIGMAG分三個階段：

下降區(qū)（負(fù)阻特性區(qū)）：電流密度不變,很少采用；

平特性區(qū)：E不變,電弧焊一般是平特性段

上升特性區(qū)：當(dāng)焊接電流較大時才在上升段。保持一定電弧電壓和電流及弧長，不偏吹，不搖擺，不熄滅，影響焊接質(zhì)量。

1、弧焊電源：電源種類、極性直流好于交流；空載電壓高的穩(wěn)定；有良好動特性的好；根據(jù)焊條性質(zhì)，焊件厚度選用不同方法。

動特性：弧焊電源適應(yīng)焊接電弧這種動態(tài)負(fù)載所輸出電流、電壓相對時間變化的特性。

2、焊接藥皮：K、Na好，氟差；焊條偏心，局部剝落。

3、氣流

4、焊接處不清潔：鐵銹、水分、油污、吸熱。三、焊接電弧的穩(wěn)定性5、電弧磁偏吹

電弧偏離焊條軸線的現(xiàn)象叫電弧偏吹。電弧偏吹使溫度分布不均勻，容易產(chǎn)生咬邊、未熔合、夾渣等缺陷，故必須研究引起偏吹的原因及預(yù)防措施。藥皮偏心接地線位置不當(dāng)磁偏吹：電弧在外加磁場的作用下偏離焊絲或焊條的軸線方向的現(xiàn)象稱為磁偏吹。

磁偏吹可以造成電弧熄滅、熔滴過渡不規(guī)則、焊縫成形不良、引起未焊透、夾渣等缺陷。

導(dǎo)線接線位置引起的磁偏吹平行電弧間的磁偏吹磁偏吹防止措施可能時采用交流電源代替直流電源盡量采用短弧進(jìn)行焊接對于長和大的工件采用兩端接地的方法如果工件有剩磁，焊接前應(yīng)消除避免周圍鐵磁性物質(zhì)的影響用厚藥皮焊條代替薄藥皮焊條四、焊接時的極性

使用直流電源焊接時有正接、反接法兩種：

正接法：焊件接電焊機(jī)的正極（陽極），焊條接負(fù)極（陰極）,因此，焊件溫度較高，能獲得較大熔深，適用于焊接厚板。

反接法：焊件接負(fù)極，焊條接正極，適合于焊接薄板，以防燒穿。交流焊機(jī)、無正反接特點(diǎn)，溫度均為2500K。

圖4-3直流電焊機(jī)的不同的接法

a)正極b)反接交直流電焊機(jī)的比較

母

材

熔

透

深

度

比

較

交流電焊機(jī)

直流正極性

直流反極性

第四節(jié)焊縫的形成過程和焊接熱影響區(qū)一、焊條金屬的融化和過渡電弧在焊條與被焊工件之間燃燒，電弧熱使工件（基本金屬）和焊條同時熔化成為熔池，焊條金屬熔滴借重力和電弧氣體吹力的作用逐漸過渡到熔池當(dāng)中。電弧熱還使焊條的藥皮熔化或燃燒。藥皮燃燒后與液體金屬起物理化學(xué)作用，所形成的熔渣和氣體可防止空氣中氧、氮的侵入，其保護(hù)熔化金屬的作用。焊縫形成過程示意圖焊劑是由SiO2，MnO、MgO及CaF等組成的硅酸鹽。焊劑保護(hù)的效果形成熔融的液態(tài)焊劑薄膜，使熔池與空氣隔絕，大大減少焊縫中的含氣量，提高焊縫韌性。延長熔池存在時間，加強(qiáng)了冶金反應(yīng)，有利于氣孔、夾渣的析出。１、熔池的保護(hù)渣-氣聯(lián)合保護(hù)利用渣的良好的冶金反應(yīng)和焊縫成型特點(diǎn)以及氣體的優(yōu)良電弧熱效率和穩(wěn)弧作用，可獲得良好的熔池保護(hù)效果。如焊條的藥皮及二氧化碳加藥芯。２、熔滴上的作用力

熔滴：電弧焊時，在電弧熱作用下焊絲或焊條端部受熱熔化形成。

熔滴上的作用力：影響熔滴過渡及焊縫成型的主要因素。熔滴通過電弧空間向熔池轉(zhuǎn)移的過程叫熔滴過渡。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。

重力對熔滴過渡的影響依焊接位置的不同而不同。

平焊：熔滴上的重力促使熔滴過渡；

立焊及仰焊：熔滴上的重力阻礙熔滴過渡。

重力：Fg=mg=(4/3)πr3ρg

r是熔滴半徑；

ρ是熔滴密度；

g是重力加速度。熔滴重力表面張力表面張力是指焊絲端部保持熔滴的作用力，是分子力的一種表現(xiàn)，發(fā)生在液體和氣體接觸的邊界部分，它使液體表面試圖獲得最小的光滑面積。用Fσ表示，大小為Fσ＝２πＲσ式中，Ｒ：焊絲半徑；σ：表面張力系數(shù)。

σ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1-6純金屬的表面張力系數(shù)金屬種類MgZnA1CuFeTiMoWσ/（10-3N·m-1）65077090011501220151022502680

平焊時，表面張力Fσ阻礙熔滴過渡。由式Fσ＝２πＲσ可知，使用小直徑及表面張力系數(shù)小的焊絲有利于平焊時的熔滴過渡。若熔滴上含少量活化物質(zhì)（如O2、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(xì)顆粒熔滴過渡。其他位置焊接時，表面張力對熔滴過渡有利。表面張力重力電磁力

促使熔滴過渡的力：電磁收縮力形成的軸向推力以及等離子流力；

阻礙熔滴過渡的作用力：斑點(diǎn)力。

電弧力指電弧對熔滴和熔池的機(jī)械作用力，包括電磁收縮力、等離子流力、斑點(diǎn)力等。必須指出的是，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。流態(tài)導(dǎo)體中電磁收縮力的影響柱形導(dǎo)體中的電磁收縮力電弧的氣體吹力焊條電弧焊時，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(jìn)熔滴過渡。

極點(diǎn)壓力：正離子壓力大，電子壓力小，阻礙。

熔滴爆破力：當(dāng)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，致使熔滴爆破的內(nèi)壓力。

它在促使熔滴過渡的同時也產(chǎn)生飛濺。CO2焊接飛濺的主要原因爆破力顆粒過渡特點(diǎn)：焊接電流較小而電弧電壓較高時形成；因焊縫成形不好，通常不宜采用。噴射過渡特點(diǎn)：在氬或富氬保護(hù)氣體中，當(dāng)電流增大到某臨界值時，熔滴呈細(xì)小顆粒，并以噴射狀態(tài)快速通過電弧空間向熔池過渡

；噴射過渡時其飛濺小，過程穩(wěn)定，熔深大，焊縫成形美觀。短路過渡特點(diǎn)：小電流焊接而低電弧電壓（即短弧焊時）時形成；短路過渡時電弧穩(wěn)定，飛濺小，焊縫成形良好。廣泛用于薄板焊接和全位置焊接。3、熔滴過渡形式圖熔滴過渡形式及電弧形狀特征1)滴狀過渡2、3)射狀過渡4、5)短路過渡(一)短路過渡小電流、低電壓。熔滴長大受到空間限制而與母材短路，在表面張力及小橋爆破力作用下脫離焊絲。

(二)大顆粒過渡電弧長度較長，熔滴可自由長大，直至下落力大于表面張力時，脫離焊絲落入熔池。(三)細(xì)顆粒過渡

CO2焊時，電流超過一定值，過渡顆粒變小，飛濺小焊縫成型好。(四)射流過渡

MAG焊時，焊絲端部液態(tài)金屬成鉛筆尖狀，細(xì)小熔滴從焊絲尖端一個接一個成軸線狀向熔池過渡。焊接無飛濺。熔滴過渡的形式二、焊接接頭的金相組織

（一）焊接接頭的組成

焊接工件上溫度的變化各點(diǎn)處：常溫—較高溫度—常溫固態(tài)液態(tài)固態(tài)

在焊接過程中，母材因受熱的影響(但未熔化)而發(fā)生金相組織和力學(xué)性能變化的區(qū)域稱為熱影響區(qū)。熔焊焊縫和母材的交界線叫熔合線，熔合線兩側(cè)有一個很窄的焊縫與熱影響區(qū)的過渡區(qū)，叫熔合區(qū)，也叫半熔化區(qū)。因此，焊接接頭由焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)組成。

(一)焊縫的組織和性能

焊縫組織是由熔池金屬結(jié)晶得到的柱狀的鑄造組織。焊接熔池的結(jié)晶首先從熔合區(qū)中處于半熔化狀態(tài)的晶粒表面開始，晶粒沿著與散熱最快的方向的相反方向長大，因受到相鄰的正在長大的晶粒的阻礙，向兩側(cè)生長受到限制，因此，焊縫中的晶體是方向指向熔池中心的柱狀晶體，焊縫中的鑄態(tài)組織，晶粒粗大，組織不致密，但是，由于焊接熔池小，冷卻快，焊條藥皮、焊劑或焊絲在焊接過程中的冶金處理作用，使得焊縫的金屬的化學(xué)成分優(yōu)于母材，硫、磷含量較低，所以容易保證焊縫金屬的性能不低于母材，特別是強(qiáng)度容易達(dá)到。（二）焊縫形狀與焊接質(zhì)量的關(guān)系

焊縫形狀是焊件熔化區(qū)橫截面的形狀，它可用焊縫熔深s、焊縫熔寬c和余高h(yuǎn)三個參數(shù)來描述，如圖4－7所示。合理的焊縫形狀要求s、c和h之間有適當(dāng)?shù)谋壤Ｉa(chǎn)中常用焊接成形系數(shù)（φ＝c／s）和余高系數(shù)（＝c／h）來表征焊縫成形的特點(diǎn)。熔焊較適宜的成形系數(shù)為1～2。為了保證焊縫的強(qiáng)度，對一般焊縫允許有適當(dāng)?shù)挠喔撸ǔ咏宇^允許h=0～3mm，對于重要角接構(gòu)件，也應(yīng)焊出余高后再打磨成凹形。

圖4－7焊縫的橫截面焊縫寬度焊縫余高焊縫的熔深

焊接參數(shù)決定焊縫輸入的能量，是影響焊縫成形的主要工藝參數(shù)。焊接參數(shù)對焊縫熔深s、焊縫熔寬c和余高h(yuǎn)的影響如圖4-8所示。焊接電流主要影響焊縫熔深s；電弧電壓主要影響焊縫熔寬c；焊接速度的快慢主要影響母材的熱入，提高焊速焊縫熔深s、焊縫熔寬c、余高h(yuǎn)均減少。圖4－8焊接參數(shù)對焊縫熔深s、焊縫熔寬c和余高h(yuǎn)的影響

a)焊接電流的影響；b)焊接電壓的影響；c)焊接速度的影響。

（三）熔合區(qū)的特征

熔合區(qū)，又稱半熔化區(qū)，是焊縫與母材的交界區(qū)

加熱溫度：1490～1530℃（固、液相線之間）組織：（未熔化但因過熱而長大的）粗晶組織和（部分新結(jié)晶的）鑄態(tài)組織。特點(diǎn)：該區(qū)很窄，組織不均勻，強(qiáng)度下降，塑性很差，是產(chǎn)生裂紋及局部脆斷的發(fā)源地。

（四）低碳鋼接頭的熱影響區(qū)熱影響區(qū)：受焊接熱循環(huán)的影響，焊縫附近的母材因焊接熱作用發(fā)生組織或性能變化的區(qū)域。低碳鋼的熱影響區(qū)分為過熱區(qū)、正火區(qū)和部分相變區(qū)。

圖4－10低碳鋼焊接