高級焊工技術(shù)培訓(xùn)教材課件

（焊接電?。埫麂浉呒壓腹ぜ夹g(shù)培訓(xùn)目

錄一.焊接電弧二.焊接電弧中的能量平衡及電弧力三.直流及交流電弧的特點(diǎn)四.磁場對電弧的作用2焊接電弧基本知識一.基本要求熟悉焊接電弧的概念，理解并掌握最小電壓原理、電弧力。了解電弧各個(gè)區(qū)域的組成、導(dǎo)電機(jī)構(gòu)、產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)、交流電弧的特點(diǎn)以及陰極斑點(diǎn)的特點(diǎn)及其對焊接質(zhì)量的影響。二.基本概念電弧、氣體放電、電離、電子發(fā)射、陰極斑點(diǎn)、陽極斑點(diǎn)、剛直性、磁偏吹、電離能、逸出功、電離電壓、逸出電壓三.難點(diǎn)最小電壓原理電弧的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)四.重點(diǎn)1.電弧、電離、氣體放電、剛直性、磁偏吹等一些基本概念。電弧力。電弧的產(chǎn)熱機(jī)理。陰極斑點(diǎn)的特點(diǎn)。最小電壓原理。一.焊接電弧電弧的基本概念電?。弘娀∈且环N氣體放電

現(xiàn)象，通過放電將

電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芘c機(jī)械能。氣體放電：兩極間的氣體被擊穿而導(dǎo)電的過程。非自持放電：放電本身不能產(chǎn)生導(dǎo)電所需的帶電粒 子（A+、e）。自持放電：放電本身能產(chǎn)生導(dǎo)電所需的帶電粒子（A+、e）；有暗放電、 輝光放電、 電弧放電等。電弧+-Ia電弧放電輝光放電Ua暗放電自持放電非自持放電UI導(dǎo)體導(dǎo)電2.

帶電粒子的產(chǎn)生過程產(chǎn)生方式：電離：

氣體中性原子或分子（

A ）分離為正離子（

A+

）和電子（

e ）的過程。電子發(fā)射： 金屬表面逸出電子的現(xiàn)象A+A+

e電離與激勵(lì)1）電離：在一定條件下中性原子或分子分離成A+及e的現(xiàn)象。A

→

A+

+

e

-

Wi電離能：原子或分子電離所需要的能量 單位為J或ev電子伏：一個(gè)電子被1V的電壓所加速得到的能量。（3）電離電壓：電離能/電子帶電量。一次電離：A→A++e二次電離：A+→A+++en次電離：A（n-1）+→An++e多原子分子的電離：多原子分子電離能小于對應(yīng)原子的電離能，因此，一般先分解為原子后再電離。只有NO的電離能小于N和O的電離能，因此可直接電離。2)激勵(lì)：氣體原子得到的一定的能量，雖然小于Wi，但可使電子從低能級躍遷到高能級。這種現(xiàn)象叫激勵(lì)。激勵(lì)能：所需的最小外加能量叫激勵(lì)能We。激勵(lì)能電壓：激勵(lì)能We/e。3）

能量傳遞方式（1）

碰撞：粒子間通過相互碰撞而交換能量彈性碰撞：僅發(fā)生動能再分配非彈性碰撞：交換的能量→勢能，從而導(dǎo)致電離或激勵(lì)。Ae（2） 光幅射：在光的輻射下，中性粒子直接吸收光量 子的能量。4）電離的分類：熱電離：氣體粒子受熱的作用而產(chǎn)生電離實(shí)質(zhì)：中性粒子通過與電子碰撞，接收電子能量而電離。電離度：電離了的粒子數(shù)量與電離前離子數(shù)量之比。

0.01%

0.12%熱解離：在熱量的作用下，多原子分子分解為原子。解離能：分子熱解離所需要的能量電場作用下的電離：A+、e在電場作用下被加速、與A碰撞 使其電離的過程。主要是e的作用：電子獲得的能量是A+的4倍。光電離：A直接捕捉光量子并吸收其能量而電離。波長越小越易促進(jìn)光電離，電弧波長包括紅外線、紫外線 可見光、可使AI、K、Na原子光電離。但不能使Ar、He、Fe等電離。5）電子發(fā)射分類（1）熱發(fā)射：在熱量的作用下產(chǎn)生的發(fā)射產(chǎn)生條件：陰極溫度足夠高特點(diǎn)：對陰極有冷卻作用，這一點(diǎn)對TIG焊具有重要意義 ?？商岣遅極的載流能力。（2）電場發(fā)射：金屬表面的電子在電場力的作用下逸出的現(xiàn)象。特點(diǎn)：對陰極的冷卻作用很小。庫侖力—光發(fā)射：光幅射作用下產(chǎn)生的發(fā)射。實(shí)際電弧中產(chǎn) 生光發(fā) 射的可能性很小。粒子碰撞發(fā)射：高速運(yùn)動的A+碰撞到陰極上導(dǎo)致的 發(fā)射。6）電子發(fā)射1）基本概念①

電子發(fā)射：電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象。對電弧導(dǎo)電起作用的主要是陰極的發(fā)射。② 逸出功（Ww）：電子發(fā)射所需的最小能量。③逸出電壓：Ww/e物理意義：Ww越小，引弧越容易，電弧穩(wěn)弧性越好。④

Ww主要影響因素：材料種類， K、Na之Ww較低。表面狀態(tài)：有氧化物時(shí)，逸出功降低加入雜質(zhì)，例如，釷、鈰及鑭等可降低Ww。-7）負(fù)離子的產(chǎn)生中性粒子與電子結(jié)合的過程，是一個(gè)放熱過程， 所放

出的熱量被稱為電子親和能。A

+

e

→ A-

+

W注意：① 親和能高的原子易形成A-，但高溫下不利于放熱反應(yīng)②

交流電弧過零時(shí)，易形成。③

易在電弧周邊形成。④

不利于電弧穩(wěn)定。因此電弧中含有F、Cl等元素時(shí)，電弧不穩(wěn)定。A-A+

e8）擴(kuò)散與復(fù)合擴(kuò)散：電弧中心處A+、e較多，e易向周

邊運(yùn)動。當(dāng)周邊電 子濃度達(dá)到一定值后，在e吸引下，A+也向周邊運(yùn)動，從而在周邊復(fù)合。A++e→A+WiA++A－→2A+WiA＋+A

Ae9）

電弧各區(qū)域的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)（1）區(qū)域組成：由陰極區(qū)、陽極區(qū)、弧柱三部分組成。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UAUCUK陰極區(qū)弧柱區(qū) 陽極區(qū)-+10-5

10-6cm10-2

10-4cm10）弧柱區(qū)的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)所謂導(dǎo)電機(jī)構(gòu)就是指帶電粒子產(chǎn)生、運(yùn)動方式。（1）帶電粒子的產(chǎn)生電場作用的電離① 電離：熱電離 光電離②

陰極區(qū)注入的電子③

陽極區(qū)注入的正離子帶電離子的運(yùn)動A+沖向陰極→正離子流IA+e沖向陽極→電子流IeI

=IA++Ie其中：IA+

=

0.1%IIe

=

99.9%I特點(diǎn)：電中性；E小、Ua小IA+IeI11）、陰極區(qū)的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)（1）陰極區(qū)在導(dǎo)電過程中的作用① 產(chǎn)生弧柱區(qū)導(dǎo)電所需要電子流

Ie=0.999I② 接收弧柱區(qū)來的正離子流IA+=0.001I由于陰極材料種類、電流大小以及電弧氣體介質(zhì)不同，陰極區(qū)可分為：（2）熱發(fā)射型導(dǎo)電機(jī)構(gòu)① 產(chǎn)生條件：W、C陰極，且電流很大②

帶電粒子的產(chǎn)生方式：熱發(fā)射熱陰極：弧柱導(dǎo)電所需要的電子可完全由熱發(fā)生來產(chǎn)生的陰極。冷陰極：熱發(fā)射能力不足的陰極。熱陰極材料：熔點(diǎn)高的材料冷陰極材料：熔點(diǎn)低的材料。③ 特點(diǎn)：無陰極區(qū)、無陰極壓降Vk12）電場發(fā)射型導(dǎo)電機(jī)構(gòu)（1) 條件：（a）W、C陰極、且I較小（b）Al、Fe、Cu作陰極c)

特點(diǎn)：① 陰極附近存在—正電荷區(qū)—陰極區(qū)②

陰極區(qū)斷面收縮③

陰極表面上產(chǎn)生陰極斑點(diǎn)+++++++++++++-+

++

-

+

-+-++

-

++

+

+-

-

--++

-Uk電場發(fā)射型導(dǎo)電機(jī)構(gòu)陰極區(qū)弧柱區(qū)陰極熱發(fā)射-

+場發(fā)射碰撞發(fā)射場電離0.999I（2)

帶電離子產(chǎn)生方式場發(fā)射場電離熱發(fā)射碰撞發(fā)射（3）等離子型導(dǎo)電機(jī)構(gòu)

A、條件：①②W、C陰極，且I較?。夯駻I、Fe、Cu陰極；電壓較小，且Uk<UiB、帶電粒子產(chǎn)生方式：熱電離③

特點(diǎn)：a)陽極壓降小，甚至為0b)不存在陽極斑點(diǎn)。13）陽極區(qū)的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)陽極區(qū)在導(dǎo)電過程中的作用① 接收弧柱區(qū)來的電子流

Ie=0.999I② 產(chǎn)生弧柱區(qū)所需要的正離子流IA+=0.001I熱電離① 產(chǎn)生條件：I較大②

帶電離子產(chǎn)生方式：熱電離（3）電場作用下的電離① 產(chǎn)生條件：I較小②

帶電粒子的產(chǎn)生方式：熱電離、場電離③ 特點(diǎn)：a）有陽極區(qū)，發(fā)生收縮Ua較大有陽極斑點(diǎn)--

-----+

--+

-

+-

+

-

+UA陽極區(qū)-

-

--

-

--

+--弧柱區(qū)-

+

-

+

-

+-

+

-

+

-

+-

+-

+陽極壓降的形成+14）陰極斑點(diǎn)與陽極斑點(diǎn)（1）陰極斑點(diǎn)：陰極上導(dǎo)通電流的一些灼亮的弧立點(diǎn)。①

產(chǎn)生條件：a、W、C陰極且I很小

b、AI、Fe、Cu作陰極②

某點(diǎn)充當(dāng)陰極斑點(diǎn)的條件

a、電弧通過該點(diǎn)時(shí)耗能最小

b、該點(diǎn)能發(fā)射電子③

特點(diǎn)a）電流密度大、溫度高

b）跳躍性及粘著性

c）存在斑點(diǎn)力：蒸發(fā)反力、A+的撞擊力d）自動尋找氧化膜，該點(diǎn)對于鋁、鎂及其合金的焊接是非常重要的，見后面的陰極霧化作用。--+焊接方向-+AAB焊接方向粘著性跳躍性15）陽極斑點(diǎn)產(chǎn)生條件：I很小點(diǎn)充當(dāng)陽極斑點(diǎn)的條件

a）通過該點(diǎn)導(dǎo)通電流時(shí)，耗能最小

b）易蒸發(fā)，產(chǎn)生金屬蒸氣特點(diǎn)：a、電流密度大、溫度高

b、粘著性、跳躍性c、避開氧化膜d、斑點(diǎn)力，陽極斑點(diǎn)力小于陰極斑點(diǎn)力16）最小電壓原理電流一定、周圍條件一定時(shí)，穩(wěn)定燃燒的電弧各導(dǎo)電

區(qū)的半徑（溫度）應(yīng)使電弧電場強(qiáng)度最小，即電弧電壓最小。ErR*E*該原理有兩個(gè)方面的含義：電場強(qiáng)度是溫度或電弧 斷面半徑的函數(shù)E

=

f（T）E=f（r）電弧半徑穩(wěn)定值r*由E的最小值E*確定二.焊接電弧中的能量平衡及電弧力焊接電弧的產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)弧柱的產(chǎn)熱機(jī)構(gòu) 電能→熱能本質(zhì)：A+、e在電場作用下被加速、使其動能增大的過程。其宏觀表現(xiàn)即為溫度上升→產(chǎn)熱由于運(yùn)動速度，自由程度不同，A+、e得到的能 量不同，TA+、Te、TA有可能不同。電子動能：定向運(yùn)動動能—Ie散亂運(yùn)動動能

—

熱運(yùn)動，表現(xiàn)為熱能。（3）產(chǎn)熱量Pc=Ia

Ua主要用于散熱損失

—

對流、幅射、傳導(dǎo)

。（4）影響因素不僅取決于電流。凡是影響Ua的因素均影響弧柱的產(chǎn)熱。2）陰極區(qū)的產(chǎn)熱本質(zhì)：產(chǎn)生電子、接受正離子的過程中有能量變化，這些能量的平衡結(jié)果就是產(chǎn)熱，由三部分組成：① 電子逸出陰極時(shí)消耗能量： -I

Uw② 電子進(jìn)入弧柱前被電場（Ek）加速得到一部分能量：+Ia

Uk③ 電子進(jìn)入弧柱時(shí)帶走的能量：-I

UT（溫度等效電壓）產(chǎn)熱公式Pk=I

（Uk-Uw-UT）作用：用于加熱陰極。3）陽極區(qū)的產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)本質(zhì)：接受電子、產(chǎn)生A+過程中伴隨的能量轉(zhuǎn)換，由三部分組成：① e被UA加速所得到的能量：+e

UA② 電子帶來的逸出功：+I

Uw③ 電子帶來的相當(dāng)于弧柱溫度那部分能量+I

Uw產(chǎn)熱公式PA=I

（UA+Uw+UT）作用用于加熱陽極4）焊接電弧的熱效率及能量密度電弧總產(chǎn)熱Pa=PC+PA+PK

=

I

（UC+UK+UA）=Ia

Ua有效功率、熱效率系數(shù)① 有效功率：用于加熱工件和焊絲的功率QE②

熱效率系數(shù)：

=QE/Pa③

影響的因素：a）焊接方法：TIG焊低、MIG、SAW高b）焊接規(guī)范：c）外部條件5）能量密度單位有效加熱面積上的熱功率，單位為w/cm2功率密度越高, H/B越大，焊接變形及HAZ越小。氣焊

1-10電弧焊

102-104激光

106-107電子束

106-1086）電弧的溫度分布（1）電弧的軸向溫度分布

影響溫度分布的因素：①

功率密度②

電極材料③

高熔點(diǎn)氧化物溫度電流密度功率密度7）弧柱溫度分布軸向二電極尺寸相等時(shí)，軸向溫度分布均勻。二電極尺寸不等，軸向溫度分布不均勻，靠 近尺寸較小的一端，溫度較高。徑向中心軸附近溫度高，周邊低。電流，Ia↑ T↑。氣體介質(zhì)：導(dǎo)熱系數(shù)↑，熱解離↑ T↑。電極材料。拘束度。8）影響弧柱溫度的因素9）電弧力（1）電磁收縮力通過電弧（熔滴）的電流線之間的相互吸引力，對電弧或熔滴起著壓縮作用，該力被稱為電磁收縮力。①圓柱形電弧電弧壓力式中：I-電流，R-電弧半徑，K-系數(shù)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L

AF推焊絲錐形電弧母材（2）等離子流力F推引起的高溫氣體流（等離子流）所形成的力叫等離子流力作用：①

促進(jìn)熔滴過渡②

導(dǎo)致指狀熔深分布： 軸線處大，周邊小（3）斑點(diǎn)力由以下三部分組成，陰極斑點(diǎn)力大于陽極斑點(diǎn)力①

帶電粒子撞擊力陰：A+撞擊

大陽：e撞擊：小②

蒸發(fā)反力陰：T高，力大陽：T低力?、?/p>

電磁收縮力陰：大陽：小等離子流力FP等離子流力的分布F斑F

Fmg斑點(diǎn)力爆破力僅產(chǎn)生于短路過渡中，短路小橋汽化爆斷所產(chǎn)生的力。細(xì)熔滴的沖擊力僅產(chǎn)生于MIG焊射流過渡，熔滴以很大的加速度沖擊熔池，形成沖擊力。10）影響因素氣體介質(zhì)導(dǎo)熱好，易解離的氣體，電弧力，特別是斑點(diǎn)力較大。電弧電流及電壓 電流增大，電弧力增大；電壓增大， 電弧力減小。W極或焊絲直徑 直徑越小，力越大極性 ：TIG焊時(shí)，DCSP大；而MIG焊正好相反。爆破力三.直流及交流電弧的特點(diǎn)1.直流電弧焊接電流基本保持不變，電流不會為零,穩(wěn)定性好。直流正接（DCSP）：工件接正極直流反接（DCRP）：工件接負(fù)極2.交流電弧正弧波交流電?。弘娏鳛?0H正弧波的電弧被稱為交流 電弧。方波交流電?。弘娏鳛榉讲ǖ碾娀∫脖环Q為交流電弧， 與直流電弧基本相同。正弧波交流電弧特點(diǎn)：周期性地過0點(diǎn)再引燃再引燃電壓Ur：再引燃所需的電壓。小于引燃燒電壓。交流電弧的燃燒過程純阻性回路電弧—阻性元件，因此

a、ia同相位，有熄弧時(shí)間te，當(dāng)te較大時(shí)，難以引燃感性回路利用電感的續(xù)流，蓄能及移相作用，可將te降為0交流電源teU0UaIa純阻性回路t電源電壓電弧電壓電弧電流電源電壓電弧電壓電弧電流交流電源電感性回路3）交流電弧穩(wěn)定燃燒的條件在回路中串一合適的電感4）交流電弧的加熱及力的特點(diǎn)（1）加熱Pa不斷變化，對工件的加熱效果用有效熱功率表示。Wa=

Ua

I