第1單元電弧焊基礎(chǔ)課件

第一單元

電弧焊基礎(chǔ)知識

1、深入了解作為焊接能源的電弧物理基礎(chǔ)；學習目標電弧是所有電弧焊方法的能源。電弧焊之所以能在焊接方法中占據(jù)主要地位，一個重要的原因就是電弧能有效而簡便地把弧焊電源輸送的電能轉(zhuǎn)換成焊接過程所需要的熱能和機械能。

電弧的特點：低電壓、大電流、溫度高、亮度大電弧的作用：產(chǎn)力和產(chǎn)熱

綜合知識模塊一焊接電弧

能力知識點1焊接電弧的物理基礎(chǔ)

1．電弧及其電場強度分布

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電過程,如圖1-1所示。兩電極之間的氣體導電，必須具備兩個基本條件：①兩電極之間有帶電粒子；②兩電極之間有電場。

圖1-1

無論是什么物質(zhì)，能否呈現(xiàn)導電性，都取決于其在電場的作用下，是否擁有可自由移動的帶電粒子。

氣體不含自由移動帶電粒子；所有粒子都可以自由移動不呈現(xiàn)導電性金屬含自由移動帶電電子；離子不可以自由移動呈現(xiàn)導電性2．電弧中帶電粒子的產(chǎn)生

氣體和金屬導電的區(qū)別金屬導電伏安特性氣體導電伏安特性

電弧兩極間帶電粒子產(chǎn)生的來源有：中性氣體粒子的電離、金屬電極發(fā)射電子、負離子形成等。其中氣體電離和陰極發(fā)射電子是電弧中產(chǎn)生帶電粒子的兩個基本物理過程。（1）氣體的電離1)氣體電離。在外加能量作用下，使中性的氣體分子或原子分離成電子和正離子的過程稱為氣體電離。氣體電離的實質(zhì)：是中性氣體粒子(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。使中性氣體粒子電離所需的最小外加能量稱為電離能。電離能通常以電子伏（eV）為單位，1電子伏就是指1個電子通過電位差為1V的兩點間所需做的功，其數(shù)值為1.6×10-19J。電弧氣氛中常見氣體粒子的電離電壓見表1-1。氣體粒子電離電壓/V氣體粒子電離電壓/VH13.5W8.0He24.5（54.2）H215.4C11.3（24.4，48，65.4）Na15.5N14.5（29.5，47，73，97）O212.2O13.5（35，55，77）Cl213F17.4（35，63，87，114）CO14.1Na5.1（47，50，72）NO9.5Cl13（22.5，40，47，68）OH13.8Ar15.7（28，41）H2O12.6K4.3（32，47）CO213.7Ca6.1（12，51，67）Fe7.9（16，30）表1-1常見氣體粒子的電離電壓當電弧空間同時存在電離電壓不同的幾種氣體時，在外加能量的作用下，電離電壓較低的氣體粒子將先被電離。如果這種氣體供應充足，則電弧空間的帶電粒子將主要由這種氣體的電離來提供，所需要的外加能量也主要取決于這種較低的電離電壓，因而為提供電弧導電所要求的外加能量也較低。焊接時，為提高電弧的穩(wěn)定性，往往加入一些電離電壓較低、易電離的元素作為穩(wěn)弧劑，也就是基于此種原因。2)電離種類。根據(jù)外加能量來源的不同，氣體電離種類可分為以下幾種：①熱電離 電弧中帶電粒子數(shù)的多少對電弧的穩(wěn)定起著重要作用。單位體積內(nèi)電離的粒子數(shù)與氣體電離前粒子總數(shù)的比值稱為電離度，用ｘ表示，即 x=已電離的中性粒子密度/電離前的中性粒子密度 隨著溫度的升高，氣體壓力的減小及電離電壓的降低，電離度隨之增加，電弧中帶電粒子數(shù)增加，電弧的穩(wěn)定性增強。圖1-2熱電離度x與溫度T之間的關(guān)系如圖1-2所示。②場致電離當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)生電離，這種電離稱為場致電離。 在電弧的陰極壓降區(qū)和陽極壓降區(qū)，電場強度可達105~107V/cm，遠高于弧柱區(qū)，因而會產(chǎn)生顯著的場致電離現(xiàn)象。③光電離中性氣體粒子受到光輻射的作用而產(chǎn)生的電離過程稱為光電離。 （2）陰極電子發(fā)射在電弧焊中，電弧氣氛中的帶電粒子一方面由電離產(chǎn)生，另一方面則由陰極電子發(fā)射獲得。兩者都是電弧產(chǎn)生和維持不可缺少的必要條件。由于從陰極發(fā)射的電子，在電場的加速下碰撞電弧導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)射充當了維持電弧導電的“原電子之源”。因此，陰極電子發(fā)射在電弧導電過程中起著特別重要的作用。1)電子發(fā)射與逸出功陰極表面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。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低外加能量稱為逸出功（Aw），單位是電子伏。因電子電量為常數(shù)e，故通常用逸出電壓（Uw)來表示，Uw=Aw/e，單位為V。逸出功的大小受電極材料種類及表面狀態(tài)的影響。 由1-2表可見，當金屬表面存在氧化物時逸出功都會減小。表1-2幾種金屬材料的逸出功金屬種類WFeAlCuKCaMgAw/eV純金屬4.544.484.254.362.022.123.73表面有氧化物—3.923.93.850.461.83.312）陰極斑點陰極表面通?？梢杂^察到微小、爍亮的區(qū)域，這個區(qū)域稱為陰極斑點。當采用鎢或碳作陰極材料時（通常稱為熱陰極），其斑點固定不動；而當采用鋼、銅、鋁等材料作陰極時（通常稱為冷陰極），其斑點在陰極表面作不規(guī)則的游動，甚至可觀察到幾個斑點同時存在。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。氧化物處發(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。3）電子發(fā)射的類型。①熱發(fā)射。陰極表面因受到熱的作用而使其內(nèi)部的自由電子熱運動速度加大，動能增加，一部分電子動能達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。②場致發(fā)射。當毗鄰陰極表面的空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力的作用。當此力達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)象稱為場致發(fā)射。③光發(fā)射。當陰極表面受到光輻射作用時，陰極內(nèi)的自由電子能量達到一定程度而逸出陰極表面的現(xiàn)象稱為光發(fā)射。光發(fā)射在陰極電子發(fā)射中居次要地位。④粒子碰撞發(fā)射。電弧中高速運動的粒子（主要是正離子）碰撞陰極時，把能量傳遞給陰極表面的電子，使電子能量增加而逸出陰極表面的現(xiàn)象稱為粒子碰撞發(fā)射。3．帶電粒子的消失

帶電粒子在電弧空間的消失主要有復合及形成負離子等過程。（1）復合電弧空間的正負帶電粒子（正離子、負離子、電子）在一定條件下相遇而結(jié)合成中性粒子的過程稱為復合。（2）負離子的形成與影響在一定條件下，有些中性原子或分子能吸附電子而形成負離子。 中性粒子吸附電子而形成負離子時，其內(nèi)能不是增加而是減少，以熱或輻射光的形式釋放出來。

能力知識點2焊接電弧的導電特性焊接電弧的導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產(chǎn)生、運動和消失的過程。1．弧柱區(qū)的導電特性弧柱的溫度很高，大約在5000～50000K之間。當弧柱溫度很高時，可使其中的大部分中性粒子電離成電子和正離子?；≈孰娭行??；≈械碾娏髦饕呻娮恿鳂?gòu)成。弧柱單位長度上的電壓降（即電位梯度）稱為弧柱電場強度E。①電場強度E的大小與電弧的氣體介質(zhì)有關(guān)；②E的大小將隨弧柱的熱損失情況而自行調(diào)整。

最小電壓原理弧柱在穩(wěn)定燃燒時，有一種使自身能量消耗最小的特性。即當電流和電弧周圍條件（如氣體介質(zhì)種類、溫度、壓力等）一定時，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，這就是最小電壓原理。 電弧截面面積大于或小于其自動確定的截面，都會引起電場強度Ｅ增大，使消耗的能量增多，違反最小電壓原理。因為電弧截面增大時，電弧與周圍介質(zhì)的接觸面增大，電弧向周圍介質(zhì)散失的熱量增加，要求電弧產(chǎn)生更多的能量與之相平衡，即要求ＥＩ增加。2．陰極區(qū)的導電特性（1）熱發(fā)射型 ①正離子沖擊陰極表面而將能量傳遞給陰極，并且正離子在陰極表面復合電子，釋放出的電離能也使陰極加熱； ②電流流過陰極時產(chǎn)生的電阻熱使陰極加熱。通過上述能量補充，可使陰極維持較高的溫度，保證持續(xù)的熱發(fā)射。

（2）電場發(fā)射型

場致電離產(chǎn)生的電子與陰極發(fā)射出來的電子合在一起構(gòu)成弧柱所需的電子流，場致電離產(chǎn)生的正離子與弧柱來的正離子，在電場作用下一起奔向陰極，使得陰極區(qū)保持正離子過剩，出現(xiàn)正電性，維持場致發(fā)射。另外，當這些正離子到達陰極時，將其動能轉(zhuǎn)換為熱能，對陰極的加熱作用增強，使陰極的熱發(fā)射作用增大，呈現(xiàn)熱一場致發(fā)射，為弧柱提供足夠的電子流。這種形式的導電中，為了提高陰極區(qū)的電場強度，按照最小電壓原理，陰極區(qū)將自動收縮截面，以提高正離子流即正電荷的密度，維持陰極的電子發(fā)射能力。在小電流鎢極氬弧焊和熔化極電弧焊時，這種場致發(fā)射型導電起主要作用。3．陽極區(qū)的導電特性（1）陽極斑點在陽極表面也可看到微小、爍亮的區(qū)域，這個區(qū)域稱為陽極斑點。（2）陽極區(qū)導電形式陽極不能發(fā)射正離子，弧柱所需要的正離子流是由陽極區(qū)的電離提供的。由于條件不同，陽極區(qū)的導電形式有兩種： 1）陽極區(qū)的場致電離。 2）陽極區(qū)的熱電離。能力知識點3焊接電弧的工藝特性電弧焊以電弧為能源，主要利用其熱能及機械能。焊接電弧與熱能及機械能有關(guān)的工藝特性，主要包括：電弧的熱能特性電弧的力學特性電弧的穩(wěn)定性1．電弧的熱能特性（１）電弧熱的形成機構(gòu)電弧可以看作是一個把電能轉(zhuǎn)換成熱能的柔性導體。１）弧柱的產(chǎn)熱。從電源吸取電能轉(zhuǎn)換為熱能的作用幾乎完全由電子來承擔，在弧柱中外加電能大部分將轉(zhuǎn)換為熱能。２）陰極區(qū)的產(chǎn)熱Pk=IUk-IUw-IUT３）陽極區(qū)的產(chǎn)熱特性Pa=IUa+IUw+IUT（2）電弧的溫度分布電弧各部分的溫度分布受電弧產(chǎn)熱特性的影響，電弧組成的三個區(qū)域產(chǎn)熱特性不同，溫度分布也有較大區(qū)別。電弧溫度的分布特點可從軸向和徑向兩個方面比較：圖1-31）軸向溫度分布。陰極區(qū)和陽極區(qū)的溫度較低，弧柱溫度較高，如圖1-3所示。陰極、陽極的溫度則根據(jù)焊接方法的不同有所差別，見表1-3。表1-3常用焊接方法陰極與陽極的溫度比較焊接方法酸性焊條電弧焊鎢極氬弧焊堿性焊條電弧焊熔化極氬弧焊C02氣體保護焊埋弧焊溫度比較陽極溫度＞陰極溫度陰極溫度＞陽極溫度 2）徑向。電弧徑向溫度分布的特點是：弧柱軸線溫度最高，沿徑向由中心至周圍溫度逐漸降低，如圖1-4所示。圖1-4（3）焊接電弧的熱效率及能量密度電弧焊的熱能由電能轉(zhuǎn)換而來，因此電弧的功率ＰＱ可由下式表示

ＰＱ＝ＰA＝ＩＵA 式中：ＰQ——電弧的電功率；ＵA——電弧電壓，ＵA＝ＵＫ＋ＵC＋Ｕa 用于加熱、熔化填充材料及工件的電弧熱功率稱為有效熱功率，表示為ＰＱ′＝ηＰＱ

上式中，η有效熱功率系數(shù)（熱效率系數(shù)），它受焊接方法、焊接工藝參數(shù)、周圍條件等因素的影響。表１-５常用焊接方法的熱效率系數(shù)焊接方法η焊接方法η焊條電弧焊埋弧焊C02氣體保護焊0.65~0.850.80~0.900.75~0.90熔化極氬弧焊鎢極氬弧焊0.70~0.800.65~0.702．電弧的力學特性在焊接過程中，電弧的機械能是以電弧力的形式表現(xiàn)出來的，電弧力不僅直接影響工件的熔深及熔滴過渡，而且也影響到熔池的攪拌、焊縫成形及金屬飛濺等，因此，對電弧力的利用和控制將直接影響焊縫質(zhì)量。電弧力主要包括：電磁收縮力等離子流力斑點力（１）電弧力及其作用1）電磁收縮力。這個力是由電磁場產(chǎn)生的，因而稱為電磁力。它的大小與導線中流過的電流大小成正比，與兩導線間的距離成反比。如圖1-5所示。當電流流過導體時，電流可看成是由許多相距很近的平行同向電流線組成，這些電流線之間將產(chǎn)生相互吸引力?？勺冃螌w（液態(tài)或氣態(tài)），將使導體產(chǎn)生收縮，這種現(xiàn)象稱為電磁收縮效應，產(chǎn)生電磁收縮效應的力稱為電磁收縮力。圖1-5 形成由小直徑端（電極端）指向大直徑端（工件端）的電弧軸向推力（見圖1-6中的Ft）。而且電流越大，形成的推力越大。電弧軸向推力在工件上表現(xiàn)為對熔池形成的壓力，稱為電磁靜壓力。

圖1-6焊接電弧一般為錐形導體，如圖1-6所示。電極端直徑小，工件端直徑大。由于不同直徑處電磁收縮力的大小不同，直徑小的一端收縮壓力大，直徑大的一端收縮壓力小，因此將在電弧中產(chǎn)生壓力差，電磁收縮力的作用由電弧自身磁場引起的電磁收縮力，在焊接過程中具有重要的工藝性能。它不僅使熔池下凹，同時也對熔池產(chǎn)生攪拌作用，有利于細化晶粒，排出氣體及夾渣，使焊縫的質(zhì)量得到改善。另外，電磁收縮力形成的軸向推力可在熔化極電弧焊中促使熔滴過渡，并可束縛弧柱的擴展，使弧柱能量更集中，電弧更具挺直性。

2）等離子流力

在軸向推力作用下，將把靠近電極處的高溫氣體推向工件方向流動。高溫氣體流動時要求從電極上方補充新的氣體，形成有一定速度的連續(xù)氣流進入電弧區(qū)。新加入的氣體被加熱和部分電離后，受軸向推力作用繼續(xù)沖向工件，對熔池形成附加的壓力。熔池這部分附加壓力是由高溫氣流（等離子氣流）的高速運動引起的，所以稱為等離子流力，也稱為電弧的電磁動壓力。圖1-8

電弧的電磁靜壓力形成如圖1-7a所示的碗狀熔深焊縫形狀；電弧的電磁動壓力則形成如圖1-7b所示的指狀熔深焊縫形狀。圖1-7等離子流力可增大電弧的挺直性，在熔化極電弧焊時促進熔滴軸向過渡，增大熔深并對熔池形成攪拌作用。3）斑點力。電極上斑點處受到帶電粒子的撞擊或金屬蒸發(fā)的反作用而對斑點產(chǎn)生的壓力，稱為斑點壓力或斑點力。熔化極氣體保護焊采用直流反接，可以減小熔滴過渡的阻礙作用，減少飛濺。

圖1-9陰極斑點力比陽極斑點力大。不論是陰極斑點力還是陽極斑點力，其方向總是與熔滴過渡方向相反，如圖1-9所示。但由于陰極斑點力大于陽極斑點力，所以熔化極氣體保護焊可通過采用直流反接減小對熔滴過渡的阻礙作用，減少飛濺。（2）電弧力的主要影響因素 1）焊接電流和電弧電壓 2）焊絲直徑3）電極（焊條、焊絲）的極性4）氣體介質(zhì)3．焊接電弧的穩(wěn)定性 焊接電弧的穩(wěn)定性是指電弧保持穩(wěn)定燃燒（不產(chǎn)生斷弧、飄移和偏吹等）的程度。電弧不穩(wěn)定的原因除操作人員技術(shù)熟練程度外，還與下列因素有關(guān)。（1）焊接電源（2）焊條藥皮或焊劑（3）焊接電流焊接電流越大，電弧燃燒越穩(wěn)定。（4）磁偏吹電弧在其自身磁場作用下具有一定的挺直性，使電弧盡量保持在焊絲（條）的軸線方向上，如圖1-13所示。但在實際焊接中，由于多種因素的影響，電弧周圍磁力線均勻分布的狀況被破壞，使電弧偏離焊絲（條）軸線方向，這種現(xiàn)象稱為磁偏吹，如圖1-14所示。一旦產(chǎn)生磁偏吹，電弧軸線就難以對準焊縫中心，導致焊縫成形不規(guī)則，影響焊接質(zhì)量。圖1-13圖1-14 引起磁偏吹的根本原因是電弧周圍磁場分布不均勻，致使電弧兩側(cè)產(chǎn)生的電磁力不同。焊接時引起磁力線分布不均勻的原因主要有：

圖1-151）導線接線位置。如圖1-15所示。

2）電弧附近的鐵磁物體。圖1-16所示。圖1-16（5）其他影響電弧不穩(wěn)定因素 如果電弧太長，電弧就會發(fā)生劇烈擺動，從而破壞了焊接電弧的穩(wěn)定性，而且飛濺也增大。 焊接處如有油漆、油脂、水分和銹層等存在時，也會影響電弧燃燒的穩(wěn)定性。 強風、氣流等因素也會造成電弧偏吹，同樣會使電弧燃燒不穩(wěn)定。 綜合知識模塊二

焊絲的熔化與熔滴過渡 電弧焊時，焊絲的末端在電弧的高溫作用下加熱熔化（圖1-17），形成的熔滴通過電弧空間向熔池轉(zhuǎn)移的過程稱為熔滴過渡。焊絲形成的熔