ad焊接方法与设备

《ad焊接方法与设备》由会员分享，可在线阅读，更多相关《ad焊接方法与设备（187页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、2020/10/4,杨建国,1,焊接方法与设备,2020/10/4,杨建国,2,第一章 电弧焊基础知识,电弧焊重要性 高效 本章基本内容 电弧物理基础 工艺特性 焊丝熔化与熔滴过渡 母材熔化及焊缝成型,2020/10/4,杨建国,3,主要章节,电弧焊基本历史 焊接电弧 焊丝的熔化与熔滴过渡 母材熔化与焊缝成形,2020/10/4,杨建国,4,电弧焊基本历史,1801 迪威 电弧放电现象 1855 俄罗斯人 碳弧焊 应用：铁管及容器的制造 蒸汽机修理 问题：碳元素使金属接头变得脆硬 1891 俄罗斯人 金属极焊接法 空气中 铁电极,2020/10/4,杨建国,5,电弧焊基本历史,1907 瑞典人

2、 焊条电弧焊 1912 瑞典人 开发出保护良好的厚涂层焊条 1920 英国人 全焊接船下水 焊条电弧焊问题： 有限长度焊条,2020/10/4,杨建国,6,电弧焊基本历史,2020/10/4,杨建国,7,电弧焊基本历史,1930 埋弧焊,2020/10/4,杨建国,8,电弧焊基本历史,1930 美国 GTAW 1940 美国 成功应用该方法于焊接镁及不锈钢薄板,2020/10/4,杨建国,9,电弧焊基本历史,1945 交流GTAW焊接方法 1945 直流金属极焊接方法GMA,2020/10/4,杨建国,10,第一节 焊接电弧,焊接电弧物理基础 焊接电弧导电特性 焊接电弧工艺特性,2020/10

3、/4,杨建国,11,焊接电弧物理基础,电弧定义：电弧是一种特殊的气体放电现象，它是带电粒子通过两电极之间气体空间的一种导电过程。 实现了将电能转化为机械能、热能和光能。,2020/10/4,杨建国,12,焊接电弧物理基础,气体是良好的绝缘体 带电粒子密度10-8/m3 使气体导电的条件： 电场 带电粒子,2020/10/4,杨建国,13,焊接电弧物理基础,焊接电弧物理基础 气体电离 阴极电子发射 带电粒子消失,2020/10/4,杨建国,14,焊接电弧物理基础,金属导电符合欧姆定律 原因：导电机制没有发生变化,2020/10/4,杨建国,15,焊接电弧物理基础,非自持放电,自持放电,电流最大、

4、电压最低、温度最高、发光最强,2020/10/4,杨建国,16,焊接电弧物理基础,沿电弧方向电场强度分布不均匀 分为三个区域 阴极、阳极区尺寸很小，约为10-2-10-6 cm 电场分布的不均匀性表明电弧电阻的非线性,2020/10/4,杨建国,17,焊接电弧物理基础,金属导电机制：自由电子定向移动 电弧导电机制：电子、正离子、负离子都参与导电 是复杂的导电过程,产生机制？,2020/10/4,杨建国,18,焊接电弧物理基础,带电粒子产生来源： 中性气体粒子的电离 金属电极发射电子 负离子形成 正离子形成,基本物理过程,2020/10/4,杨建国,19,焊接电弧物理基础,气体的电离 定义：在外

5、加能量作用下，使中性的气体分子或原子分离成电子和正离子的过程 实质：中性气体粒子吸收足够的外部能量，使分子或原子中的电子脱离原子核束缚而成为自由电子和正离子的过程。,2020/10/4,杨建国,20,焊接电弧物理基础,中性气体粒子失去第一个电子所需要的最小能量成为第一电离能 失去第二个电子所需的能量称为第二电离能。 单位：电子伏（eV） 为：1.6*10-19J 电离电压,2020/10/4,杨建国,21,焊接电弧物理基础,气体的电离电压的大小反映了带电粒子产生的难易程度。 电离电压低-带电粒子容易产生 有利于电弧导电 电离电压高-带电粒子难以产生 电弧导电困难,2020/10/4,杨建国,2

6、2,焊接电弧物理基础,2020/10/4,杨建国,23,焊接电弧物理基础,激励 定义：当中性气体粒子受外加能量作用而不足以使其电离时，但可能使其内部的电子从原来的能级跃迁到较高的能级，这种现象称为。 使中性粒子激励所需要的外加能量叫做激励能,2020/10/4,杨建国,24,焊接电弧物理基础,受激励的电子没有脱离原子的束缚=粒子呈中性 受激励的粒子处于不稳定状态=稳定状态时间短约为：10-2-10-8s 激励状态的粒子有两种出路 又转变为稳定状态，伴随着这个过程能量以辐射光的形式释放出来=电弧辐射光 接受外部能量电离,2020/10/4,杨建国,25,焊接电弧物理基础,当电弧空间存在电离电压（

7、或激励电压）不同的多种气体的时候，在外加能量的作用下，电离电压（或激励电压）低的气体粒子先被电离（或激励），若这种气体的足以维持电弧的稳定燃烧，则整个电弧燃烧所需要的能量主要取决于这个较低的电压。因而电弧所要求的外加能量就比较低。 意义：稳弧剂的作用,2020/10/4,杨建国,26,焊接电弧物理基础,Fe电离电压为7.8V,K电离电压为4.3V,2020/10/4,杨建国,27,焊接电弧物理基础,电弧的电离与激励同时存在 电离与激励所需的最低能量为固定值,2020/10/4,杨建国,28,焊接电弧物理基础,电离的种类： 热电离 场致电离 光电离 电离度：电弧内单位体积内电离的粒子数与气体电离

8、前粒子总数的比值 X=电离的粒子密度/电离前中性粒子密度,碰撞电离,2020/10/4,杨建国,29,焊接电弧物理基础,热电离 定义：气体粒子受热作用而产生电离的过程 实质：气体粒子的热运动形成频繁而激烈的碰撞 主要位置：弧柱区（温度在5000-50000K）,2020/10/4,杨建国,30,焊接电弧物理-电离,电离度与材料、温度之间的关系,2020/10/4,杨建国,31,焊接电弧物理基础,基本规律： 温度 压力 电离电压,电离度,带电粒子数,电弧稳定性,2020/10/4,杨建国,32,焊接电弧物理基础,场致电离 定义：在两电极间的电场的作用下，气体中的带电粒子被加速，电能转化为带电粒子

9、的动能，当带电粒子的动能达到一定数值时，则可能与中性粒子发生非弹性碰撞而使之电离，这种电离被称为场致电离,2020/10/4,杨建国,33,焊接电弧物理基础,场致电离发生的位置 主要是两级区，由于在这两个区域内电场强度可达105-107V/cm 而弧柱区电场强度为：10V/cm左右，电场作用不明显,2020/10/4,杨建国,34,焊接电弧物理基础,由于电子质量远小于其他粒子的质量，因而在电场的作用下，速度快，动能大，其余其他粒子发生非弹性碰撞，几乎将本身的动能全部传递给相应的粒子，使中性粒子发生电离或激励。因而场致电离中电子起到主要的作用。,2020/10/4,杨建国,35,焊接电弧物理基础

10、,2020/10/4,杨建国,36,焊接电弧物理基础,光电离 定义：中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电离过程 范围：电弧的辐射只可能对K、Na、Ca、Al等金属蒸汽直接引起电离，而对焊接电弧气氛中的其他气体则不能直接引起电离 光电离是产生带电粒子的次要途径,2020/10/4,杨建国,37,焊接电弧物理基础,阴极电子发射 电离和阴极电子发射是电弧产生和维持不可缺少的必要条件 阴极发射出的电子，在电场的加速下碰撞电弧空间的中性粒子使之电离，从而是阴极电子发射充当了维持电弧导电的原电子之源。,2020/10/4,杨建国,38,焊接电弧物理基础,电子发射与逸出功 定义： 电子发射：阴极中的自由电

11、子受到一定的外加能量作用，从阴极表面逸出的过程 逸出功：一个电子从金属表面逸出所需的最低外加能量。单位电子伏或者逸出电压 逸出功的大小受电极材料及表面状态的影响。,2020/10/4,杨建国,39,焊接电弧物理基础,金属表面存在氧化物时逸出功会减小,2020/10/4,杨建国,40,焊接电弧物理基础,阴极斑点 定义：阴极表面经常可以看到发出闪烁的区域，这个区域称为 电子发射最集中的区域 电流最集中流过的区域 热阴极：斑点固定 W C 冷阴极：斑点不规则移动 Cu Fe Al,2020/10/4,杨建国,41,焊接电弧物理基础,阴极清理作用（阴极破碎） 在铝合金焊接中作用最为明显,2020/10

12、/4,杨建国,42,焊接电弧物理基础,电子发射的类型 热发射 场致发射 光发射 粒子碰撞发射 实际焊接过程中常常是几种发射形式共存,2020/10/4,杨建国,43,焊接电弧物理基础,热发射（对电极有冷却作用） 定义：阴极表面受热，自由电子动能加大，一部分电子达到或超过逸出功而产生的电子发射现象 热发射强弱受到阴极材料沸点的影响，沸点高的钨或碳做阴极时，电极可以被加热到比较高的温度，通过热发射可以提供足够多的电子,2020/10/4,杨建国,44,焊接电弧物理基础,场发射 定义：阴极表面空间存在一定强度的正电场时，阴极内部的电子将受到电场力的作用，当力达到一定程度电子就会逸出阴极表面，这种电子

13、发射现象 冷阴极主要是这种发射电子的机理,2020/10/4,杨建国,45,焊接电弧物理基础,光发射（对电极无冷却作用） 粒子碰撞发射 正离子堆积-正离子加速-碰撞-电子发射,2020/10/4,杨建国,46,焊接电弧物理基础,带电粒子的消失 动态平衡：电弧稳定燃烧时，带电粒子的产生与消失处于动态平衡 主要形式：扩散、复合及负离子形成,2020/10/4,杨建国,47,焊接电弧物理基础,扩散（浓度梯度） 定义：电弧空间中如果带电粒子的分布不均匀，则带电粒子将从浓度高的地方向浓度低的地方迁移，而使浓度趋于均匀，这种现象称为带电粒子的扩散。 总趋势：从弧柱中心向周围扩散 电子轻 速度快 外围浓度上

14、升 阻碍进一步扩散 并吸引正离子 结果：电弧中带电粒子减少 并带走部分热量,2020/10/4,杨建国,48,焊接电弧物理基础,复合 定义：电弧空间的正负带电粒子在一定条件下相遇而结合成为中性粒子的过程 位置：在电弧的周边（速度慢） 影响 以辐射和热能的形式释放出部分能量 电弧复燃困难,2020/10/4,杨建国,49,焊接电弧物理基础,负离子 位置：电弧周边 中性粒子吸附电子形成负离子其内能减少，以热和辐射光的形式释放能量，该能量称为中性粒子的亲和能。 中性粒子亲和能大，则表明该粒子吸附电子后系统内能下降幅度大，系统稳定。,2020/10/4,杨建国,50,焊接电弧物理基础,大多数粒子亲和能

15、比较小，不易形成负离子 F、Cl、O2、OH、NO等离子亲和能比较大，易于形成负离子。 放热过程，在高温下不易稳定存在 影响： 电子数量减少，导电困难，电弧稳定性降低 负离子运动速度慢，不能很好的导电 易于正离子复合,2020/10/4,杨建国,51,焊接电弧物理基础,2020/10/4,杨建国,52,焊接电弧导电特性,焊接电弧的导电特性是指参与电荷的运动并形成电流的带电粒子在电弧中产生、运动和消失的过程，在焊接电弧的弧柱区、阴极区和阳极区其相应的导电特性也是不同。,2020/10/4,杨建国,53,焊接电弧导电特性,弧柱区导电特性 弧柱温度：500050000K 弧柱呈电中性 弧柱是包含大量

16、电子、正离子等带电粒子和中性粒子聚合在一起的气体状态，被称为电弧等离子体。 弧柱电阻较小,2020/10/4,杨建国,54,焊接电弧导电特性,弧柱电流（主要是电子电流99.9%） 负离子数量少，作用被忽略 正离子在电场作用下，运动速度远小于电子 但正离子的作用非常大，保证了电弧放电的低电压大电流的特点。,2020/10/4,杨建国,55,焊接电弧导电特性,弧柱电场强度（E）：弧柱单位长度上的电压降 意义：E的大小表征电弧弧柱的导电能力。 电场强度E和电流I的乘积EI相当于电源供给单位弧长的电功率，他与弧柱的热损失相平衡。,2020/10/4,杨建国,56,焊接电弧导电特性,影响弧柱电场强度的因

17、素 弧柱气体介质（H2、He；单元子、多原子） 弧柱的热损失（强迫气流冷却等）,2020/10/4,杨建国,57,焊接电弧导电特性,最小电压原理：电弧在稳定燃烧时，有一种使其自身能量消耗最小的特性，即当电流和电弧周围的条件（气体介质、温度、压力）一定时，稳定燃烧的电弧将选择一个确定的导电截面，使电弧的能量消耗最少。当电弧长度也是定值的时候，电场强度的大小即代表了电弧产热量的大小，因此，能量消耗最小的时候电场强度最低，即在固定弧长上的电压降最小，这就是最小电压原理,2020/10/4,杨建国,58,焊接电弧导电特性,电流和电弧周围条件一定时，如果电弧截面面积大于或小于其自动确定的截面，就会引起电

18、场强度的增大，是消耗的能量增多，违反最小电压原理。 面积增大 面积减小,2020/10/4,杨建国,59,焊接电弧导电特性,阴极区的导电特性 阴极区接收正离子，发射电子 热发射型和电场发射型,2020/10/4,杨建国,60,焊接电弧导电特性,热发射型（热阴极、大电流） 阴极斑点在电极表面十分稳定，其面积较大且十分均匀，在此位置弧柱不呈收缩状态，阴极区电流密度与弧柱区相近，阴极电压降较小。,2020/10/4,杨建国,61,焊接电弧导电特性,电子带走的热量的补充途径 正离子的碰撞 正离子的复合，放出电离能 电阻热,2020/10/4,杨建国,62,焊接电弧导电特性,电场发射型（冷阴极或者热阴极

19、小电流） 电荷过剩=正电场=场致发射=电子加速=场致电离=形成电流 正离子的作用 正电场 撞击阴极，加强热发射,2020/10/4,杨建国,63,焊接电弧导电特性,冷阴极中存在热发射和场发射，其所占的份额受以下因素影响 电极种类（沸点高或逸出功小，热发射主导，阴极压降小） 电流大小（电流大，热发射主导，阴极压降小） 气体介质（不易于电离，热发射主导，阴极压降小）,2020/10/4,杨建国,64,焊接电弧导电特性,阳极区的导电特性 接收电子，提供正离子 阳极斑点电流密度比阴极斑点小，其形态与电极材料和电流大小有关。 由于金属蒸汽的电离电压比周围气体介质的低，因而电离易在金属蒸汽处发生，如果阳极

20、表面某一区域产生均匀的金属熔化和蒸发，或蒸发比其他区域强烈，则此区域为阳极导电区。,2020/10/4,杨建国,65,焊接电弧导电特性,纯金属熔点沸点低于相应氧化物，所以纯金属容易蒸发，阳极斑点自动寻找纯金属而避开氧化物。因而出现阳极斑点的跳跃现象。,2020/10/4,杨建国,66,焊接电弧导电特性,阳极不能发射正离子，弧柱所需要的正离子是通过阳极区电离提供的。 阳极区导电形式（场致电离、热电离） 场致电离（电弧电流小）电子数大于正离子数，形成负的空间电场，从而电子加速，碰撞到中性粒子产生电离。,2020/10/4,杨建国,67,焊接电弧导电特性,热电离（大电流）阳极过热程度剧烈，金属发生蒸

21、发，阳极区也有很高的温度，阳极区的电离方式由金属蒸汽的热电离取代高能量电子的碰撞产生的场致电离，完成阳极区向弧柱提供正离子流的作用。 这种情况下，阳极区的压降较低。,2020/10/4,杨建国,68,焊接电弧的工艺特性,焊接电弧与热能及机械能有关的工艺特性，主要包括电弧的热能特性、电弧的力学特性和电弧的稳定性等。,2020/10/4,杨建国,69,焊接电弧的工艺特性,电弧的热能特性 电弧的温度分布,熔点限制 导热条件,各个区域的产热机制？,2020/10/4,杨建国,70,焊接电弧的工艺特性,电弧热的形成机构 弧柱产热 阴极区产热 阳极区产热,2020/10/4,杨建国,71,焊接电弧的工艺特

22、性,弧柱产热：带电粒子在电场的作用下，将电能转化成为热能。 电子的运动速度比正离子运动速度大得多，因而从电源吸取电能转化为热能的作用几乎完全由电子来承担，进而将电能转化为热能。,2020/10/4,杨建国,72,焊接电弧的工艺特性,单位弧长弧柱的电能为EI，它的大小决定了弧柱产热量的大小 电弧处于稳定状态时，弧柱的产热与弧柱的热损失处于动态平衡状态。 电流一定时，单位长度的弧柱的热量由E决定，而E的数值由最小电压原理自动调节。,2020/10/4,杨建国,73,焊接电弧的工艺特性,I一定，E升高，则弧柱的产热量增加，焊件获得的热量也增加，可以强迫冷却电弧，获得高的能量密度。 一般电弧焊，弧柱损

23、失的热量中，对流损失占80%以上，传导与辐射损失占10%，仅有很少的一部分能量通过辐射传递给焊件和焊丝。,2020/10/4,杨建国,74,焊接电弧的工艺特性,阴极区的产热 阴极区靠近电极或者工件，其产热直接影响焊接过程中电极或者工件所受到的热的作用。 阴极区有两种粒子：电子和正离子。 这两种粒子不断的产生，运动和消失，同时伴随着能量转换与传递。,2020/10/4,杨建国,75,焊接电弧的工艺特性,由于电子流占整个电流的99%以上，所以电子流对于阴极产热影响很大。 分析作为阴极产热的主导的电子流的能量转化过程，即可以分析阴极产热。,2020/10/4,杨建国,76,焊接电弧的工艺特性,阴极压

24、降为Uk 电子电流越为I 电子逸出功IUw 进入弧柱的的电子本身具有一定的能量，IUT 所以阴极区产热功率: Pk=IUk-IUw-IUT,获得的总能量为IUk,2020/10/4,杨建国,77,焊接电弧的工艺特性,阳极区的产热特性 Pa=IUk+IUw+IUT 热量主要用于对阳极的加热和阳极的热量损失，这部分热量也可以用于加热填充材料或者焊件。,2020/10/4,杨建国,78,焊接电弧的工艺特性,焊接电弧的热效率及能量密度 PQ=Pe=IUA 其中PQ为电弧的热功率 Pe为电弧的电功率 UA为电弧电压，包括阴极、阳极及 弧柱电压,2020/10/4,杨建国,79,焊接电弧的工艺特性,用于加

25、热、熔化填充金属及焊件的电弧热功率称为有效热功率，表示为： PQ=PQ 其中为有效功率系数，或称为热效率系数，它受焊接方法、焊接工艺参数及周围条件等因素的影响。,2020/10/4,杨建国,80,焊接电弧的工艺特性,焊接方法对热效率的影响 焊接参数中电压的影响比较大,2020/10/4,杨建国,81,焊接电弧的工艺特性,能量密度：采用特定的焊接方法的时候，单位面积上的有效热功率称为，单位为：W/cm2. 同一种方法，在不同的位置上的能量密度也是不同的,2020/10/4,杨建国,82,焊接电弧的工艺特性,能量密度大的时候，可有效的利用热源熔化金属，并减少热影响区，获得窄而深的焊缝，有利于提高焊

26、接生产率。,2020/10/4,杨建国,83,焊接电弧的工艺特性,电弧的力学特性 电弧的机械能以电弧力的形式表现出来 电弧力影响着熔深及熔滴的过渡，而且影响到熔池的搅拌、焊缝成形及金属的飞溅等 电弧力主要包括：电磁收缩力、等离子流力、斑点力等,2020/10/4,杨建国,84,焊接电弧的工艺特性,电磁收缩力 电磁力：电流流经距离不远的两根平行导线时，电流同向相吸，异向相斥。他的大小与流过的电流大小成正比，与两根导线之间的距离成反比。,2020/10/4,杨建国,85,焊接电弧的工艺特性,电流流过导体时可以看作很多距离很近的平行同向电流线组成。这些电流线将相互吸引。,2020/10/4,杨建国,

27、86,焊接电弧的工艺特性,电磁收缩效应：如果为可变形导体，电磁力将使导体产生收缩。 产生电磁收缩效应的力称为电磁收缩力。,2020/10/4,杨建国,87,焊接电弧的工艺特性,电弧为气态导体，在电流的作用下，也产生电磁收缩效应。 电弧被看作圆锥形气态导体，电极端直径小，焊件端直径大。,力大,力小,2020/10/4,杨建国,88,焊接电弧的工艺特性,电磁静压力：电弧轴向推力在电弧横截面上分布不均匀，弧柱轴线处最大，向外逐渐减小，在焊件上表现为对熔池形成的压力 结果：碗状熔深焊缝形状。 电磁搅拌（细化晶粒，排出气体及熔渣）,2020/10/4,杨建国,89,焊接电弧的工艺特性,电弧静压力作用 高

28、温气体推向焊件 电极上方气体补充 新进入气体电离,2020/10/4,杨建国,90,焊接电弧的工艺特性,等离子流力：高温气流的高速运动，持续的冲向焊件，对熔池形成附加压力。也称为电磁动压力。 电弧中等离子气流具有很高的速度和加速度，可达数百米/秒。 电弧中心线上等离子流力最大。 电流越大，中心线上的动应力幅值越大，分布区域越小。,2020/10/4,杨建国,91,焊接电弧的工艺特性,钨极氩弧焊的钨极锥角较小，电流较大，或者熔化极电弧焊采用喷射过渡工艺时，这种电弧的动压力较为显著。 结果：指状熔深。 增加电弧挺度，促进过渡，增大熔深，搅拌,2020/10/4,杨建国,92,焊接电弧的工艺特性,斑

29、点力：电极上形成斑点时，由于斑点受到带电粒子的撞击，或金属蒸汽的反作用而对斑点产生的压力，称为，或斑点压力。,2020/10/4,杨建国,93,焊接电弧的工艺特性,阴极斑点力大于阳极斑点力 原因：正离子的质量远大于电子的质量 阴极斑点电流密度大，蒸汽反作 用力也大,2020/10/4,杨建国,94,焊接电弧的工艺特性,斑点力阻碍熔滴过渡 利用阳极斑点压力小的特点，直流焊接时，采用直流反接 利于熔滴过渡，减小飞溅,2020/10/4,杨建国,95,焊接电弧的工艺特性,电弧力的主要影响因素： 焊接电流和电压 焊丝直径 电极极性 气体介质 钨极端部几何形状,2020/10/4,杨建国,96,焊接电弧

30、的工艺特性,电流和电压的影响,2020/10/4,杨建国,97,焊接电弧的工艺特性,焊丝直径的影响 焊丝越细，电流密度越大，造成电弧锥形越明显。,2020/10/4,杨建国,98,焊接电弧的工艺特性,极性的影响,阴极收缩严重,斑点力作用，熔滴尺寸不同,2020/10/4,杨建国,99,焊接电弧的工艺特性,气体介质的影响 导热性强或多原子气体消耗的热量多，引起电弧收缩，电弧力增强。 气体流量及电弧空间压力增强，也会引起电弧收缩。,2020/10/4,杨建国,100,焊接电弧的工艺特性,钨极端部几何形状,2020/10/4,杨建国,101,焊接电弧的工艺特性,焊接电弧的稳定性 定义：电弧产生稳定燃

31、烧（不产生断弧、飘移和偏吹等）的程度 意义：是保证焊接质量的一个重要因素 影响因素：操作技术、焊接电源特性、焊接材料特性、焊接工艺特性及磁偏吹等,2020/10/4,杨建国,102,焊接电弧的工艺特性,焊接电源的影响： 电弧的静特性：电弧燃烧时，两极间稳态的电压和电流关系曲线称为电弧静特性曲线。 电弧静特性曲线是在某一电弧长度数值下，在稳定的保护气流量和电极条件下，改变电弧电流数值，在电弧达到稳定燃烧状态下，所对应的电弧电压曲线,2020/10/4,杨建国,103,焊接电弧的工艺特性,静特性曲线形状,负阻特性,平特性,上升特性,热损失小于热输入，提高了电弧温度及电离度,金属蒸汽发射 等离子流,

32、2020/10/4,杨建国,104,焊接电弧的工艺特性,负阻特性：电流较小，电弧热量较低，其间的电子电离度低，电弧的导电性较差，需要有较高的电场推动电荷运动；电弧阴极区，由于电极温度低，电子提供能力较差，不能实现大量的电子发射，会形成比较强的阴极电压降。,2020/10/4,杨建国,105,焊接电弧的工艺特性,电流增加时，弧柱温度增加，电弧中的粒子的电离度增加，电弧的导电性增强，同时电极温度提高，阴极热发射能力增强，阴极电压降低；阳极蒸发加剧，阳极电压降低。 即在电极温度和电弧温度较高的情况下，电弧中产生和运动等量的电荷不需要更强的电场。,2020/10/4,杨建国,106,焊接电弧的工艺特性

33、,对于弧柱区，主要从弧柱产热和散热的平衡的角度考虑： 在小电流区，如果电流增加4倍，假设电流密度一定，即弧柱直径增加2倍，弧柱向周围的热量损失随之增加2倍，而弧柱内的热量却增加4倍，这时如果电弧电压仍然保持不变，那么就违背了最小电压原理。,2020/10/4,杨建国,107,焊接电弧的工艺特性,平特性：电流进一步增大，电弧等离子气流增强，除电弧表面积增加造成的热损失外，等离子气流的流动对电弧产生附加的冷却作用，因此在一定的电弧区间内，电弧电压自动的维持一定的数值，保证产热和散热的平衡。,2020/10/4,杨建国,108,焊接电弧的工艺特性,上升特性：在大电流区，电弧中的等离子气流更加强烈，而

34、由于电弧自身磁场的作用，电弧的截面不能随电流的增加而同步增加，电弧的电导率减小，要保证较大的电流通过相对比较小的截面，需要更高的电场。,2020/10/4,杨建国,109,焊接电弧的工艺特性,电弧静特性的3各阶段，并不是各种电弧中都能够表现出来，还受到电弧形态和电极的条件的影响。 GTA焊接的静特性一般可以明显的表现出3个区段特性,2020/10/4,杨建国,110,焊接电弧的工艺特性,GMA焊接由于通常采用较细的电极焊丝，可使用的电流一般在中等数值以上，电弧多呈现圆锥形，等离子气流作用强烈，静特性一般呈现上升特性。,2020/10/4,杨建国,111,焊接电弧的工艺特性,SAW电弧埋在焊剂层

35、的下边，受到焊剂层的覆盖，电弧的热损失小，且没有等离子气流的存在，一般使用较粗的焊丝大电流焊接，一般为下降特性。,2020/10/4,杨建国,112,焊接电弧的工艺特性,焊接电弧动特性：焊接电流随时间以一定的形势变化时，电弧电压的表现，反映的是电弧导电性能对电流变化的响应能力。,2020/10/4,杨建国,113,焊接电弧的工艺特性,直流电弧的动特性：采用一定形式的变动电流进行焊接时，电流电压的关系曲线。恒定直流电弧没有动特性问题。,2020/10/4,杨建国,114,焊接电弧的工艺特性,交流电弧动特性,2020/10/4,杨建国,115,焊接电弧的工艺特性,电源种类对电弧稳定性的影响（交流、

36、直流） 空载电压对电弧稳定性的影响,2020/10/4,杨建国,116,焊接电弧的工艺特性,焊接材料 药皮成分（稳弧剂、电离能高的成分） 药皮偏心、局部脱落,2020/10/4,杨建国,117,焊接电弧的工艺特性,焊接电流（越大越稳定） 电离度、热发射能力增强 断弧弧长增加,2020/10/4,杨建国,118,焊接电弧的工艺特性,电弧的刚直性（挺直性、挺度）：电弧作为柔性导体抵抗外界干扰，力求保持焊接电流沿电极轴向流动的性能，这种性能是电弧自身磁场决定的。 电磁力是产生电弧刚直性的主要原因。,2020/10/4,杨建国,119,焊接电弧的工艺特性,磁偏吹：实际焊接过程中，由于受到很多因素的影响

37、，电弧周围磁力线均匀分布的状态被破坏，使电弧偏离焊丝（条）轴线方向，这种现象称为，或者电弧偏吹。 结果：影响焊接质量,2020/10/4,杨建国,120,焊接电弧的工艺特性,磁偏吹影响因素 导线连接位置 电弧附近电磁铁 磁性回路 焊接位置,2020/10/4,杨建国,121,焊接电弧的工艺特性,导线接线位置引起的磁偏吹,2020/10/4,杨建国,122,焊接电弧的工艺特性,平行电弧间的磁偏吹,2020/10/4,杨建国,123,焊接电弧的工艺特性,电弧附近的铁磁性物质引起的磁偏吹,2020/10/4,杨建国,124,焊接电弧的工艺特性,电弧处于工件端部时产生的磁偏吹,2020/10/4,杨建

38、国,125,焊接电弧的工艺特性,减少磁偏吹的措施 可能时采用交流电源代替直流电源 尽量采用短弧进行焊接 对于长和大的工件采用两端接地的方法 如果工件有剩磁，焊接前应消除 避免周围铁磁性物质的影响 用厚药皮焊条代替薄药皮焊条,2020/10/4,杨建国,126,焊接电弧的工艺特性,其他影响稳定性的因素： 表面清洁状态 气流,2020/10/4,杨建国,127,焊丝的熔化与熔滴过渡,熔滴过渡 定义：电弧焊时，焊丝的末端在电弧的高温作用下加热熔化，形成熔滴通过电弧空间向熔池转移的过程，称为 焊丝形成的熔滴作为填充金属与熔化的母材共同形成焊缝，因此，焊丝的加热熔化及熔滴的过渡过程将对焊接过程和焊缝质量

39、产生直接的影响。,2020/10/4,杨建国,128,焊丝的熔化与熔滴过渡,焊丝的加热与熔化特性 熔滴上的作用力 熔滴过渡的主要形式及特点,2020/10/4,杨建国,129,焊丝的熔化与熔滴过渡-焊丝的加热与熔化特性,熔化极电弧焊：焊丝的熔化主要依靠阴极区或者阳极区产生的热量以及焊丝伸出长度上的电阻热。弧柱区产生的热量对于焊丝的加热熔化作用比较小。 非熔化极电弧焊：弧柱区产热熔化焊丝 熔化系数：单位时间内通过单位电流时焊丝的熔化量g/(A.h),2020/10/4,杨建国,130,焊丝的熔化与熔滴过渡-焊丝的加热与熔化特性,电弧热 阴极区：Pk=IUk-IUw-IUT 阳极区：Pa=IUa+

40、IUw+IUT Uk阴极压降 Ua阳极压降 Uw逸出电压 UT弧柱温度等效电压,电流密度较大时：近似为0,电弧温度6000K时：小于1V,2020/10/4,杨建国,131,焊丝的熔化与熔滴过渡-焊丝的加热与熔化特性,阴极区：PkIUk-IUw= I（Uk-Uw） 焊丝接负时：焊丝的加热与熔化取决于（Uk-Uw）。很多因素影响阴极电子发射，即影响的Uk大小。 阳极区：PaIUw 焊丝接正时：主要取决于材料逸出功和电流的大小。当电流一定时，由于逸出功为常数，此时，焊丝熔化系数为定值,2020/10/4,杨建国,132,焊丝的熔化与熔滴过渡-焊丝的加热与熔化特性,熔化极气体保护焊时，焊丝材料为冷阴

41、极材料，UkUw ，则PkPw。所以，同种材料，在相同的电流的作用下，焊丝作为阴极的产热将比焊丝作为阳极时产热多。因为散热条件相近，所以焊丝 接负时比焊丝接正时熔化快。,2020/10/4,杨建国,133,焊丝的熔化与熔滴过渡-焊丝的加热与熔化特性,电阻热 在自动和半自动焊时，从焊丝与导电嘴接触点到焊丝端头的一段焊丝（即焊丝伸出长度，用Ls表示）有焊接电流通过，所产生的电阻热对焊丝有预热作用，从而影响焊丝的熔化速度。特别是焊丝比较细和焊丝的电阻系数比较大时（如不锈钢），这种影响更加明显。,2020/10/4,杨建国,134,焊丝的熔化与熔滴过渡-焊丝的加热与熔化特性,Rs=Ls/S PR=I2

42、Rs 电阻热与伸出长度部分的电阻以及通过的电流有关 材料不同，则电阻率不同，相应的电阻就会不同。相同伸出长度，相同电流条件下，电阻热也不同。,2020/10/4,杨建国,135,焊丝的熔化与熔滴过渡-焊丝的加热与熔化特性,熔化极其体保护焊时，通常伸出长度Ls=1030mm，对于导电良好的铝和铜等金属，PR与PA或PK相比很小，可以忽略不计；而对于钢和钛等材料，电阻率高。 PR与PA或PK相比很大。 用于加热和熔化焊丝得总热量Pm是单位时间内电弧热和电阻热提供的能量。,2020/10/4,杨建国,136,焊丝的熔化与熔滴过渡-焊丝的加热与熔化特性,焊丝的熔化特性 焊丝的熔化速度：单位时间内，熔化

43、的焊丝的长度。 焊丝的熔化特性：焊丝的熔化速度和焊接电流之间的关系。其主要与焊丝材料及焊丝直径有关。,2020/10/4,杨建国,137,焊丝的熔化与熔滴过渡-焊丝的加热与熔化特性,材料不同：电阻率、熔化系数不同 伸出长度：电阻不同 焊丝直径：电阻不同、导热能力不同,2020/10/4,杨建国,138,焊丝的熔化与熔滴过渡-熔滴上的作用力,重力 表面张力 电弧力 熔滴爆破力 电弧的气体吹力,2020/10/4,杨建国,139,焊丝的熔化与熔滴过渡-熔滴上的作用力,表面张力 在焊条端头上主要保持熔滴的主要作用力。 F=2R,表面张力系数 与材料成分、温度、气体介质等因素有关,焊丝半径,2020/

44、10/4,杨建国,140,焊丝的熔化与熔滴过渡-熔滴上的作用力,2020/10/4,杨建国,141,焊丝的熔化与熔滴过渡-熔滴上的作用力,平焊时，表面张力阻碍熔滴过渡，因此只要能使F减小的措施，都有利于平焊时的熔滴过渡。 使用小直径焊丝或者表面张力小的焊丝就能达到减小表面张力的目的。,2020/10/4,杨建国,142,焊丝的熔化与熔滴过渡-熔滴上的作用力,2020/10/4,杨建国,143,焊丝的熔化与熔滴过渡-熔滴上的作用力,在液滴上有少量的表面活性物质时，可以降低表面张力系数。在液态钢中，最大的表面活化物质是O和S，纯铁被氧饱和后，表面张力系数由1220*10-3N/m变为1030*10

45、-3N/m。 因此，影响这些杂质含量的各种因素（金属的脱氧程度、渣的成分等）都会影响熔滴的过渡。 增加熔滴温度会降低金属的表面张力系数，从而减小熔滴尺寸。,2020/10/4,杨建国,144,焊丝的熔化与熔滴过渡-熔滴上的作用力,重力：当焊丝直径较大而电流较小时，在平焊位置的情况下，使熔滴脱离焊丝的力主要是重力。 Fg=mg=4/3gr3 重力大于表面张力时，熔滴就要脱离焊丝。 立焊和氧焊时，重力阻碍熔滴过渡。,2020/10/4,杨建国,145,焊丝的熔化与熔滴过渡-熔滴上的作用力,电弧力：电弧对熔滴和熔池的机械作用力，包括电磁收缩力、等离子流力、斑点力。 电弧力只有在焊接电流较大的时候，才

46、对熔滴过渡起主要作用；电流小时，重力表面张力其主要作用,2020/10/4,杨建国,146,焊丝的熔化与熔滴过渡-熔滴上的作用力,电磁力对熔滴过渡的影响取决于电弧形态，如果弧根面积笼罩整个熔滴，此处的电磁力促进熔滴过渡；如果弧根面积小于熔滴直径，此处电磁力形成斑点压力的一部分阻碍熔滴过渡。 电流比较大的时候，高速等离子流力对熔滴产生很大的推力，使之沿轴线方向运动。,2020/10/4,杨建国,147,焊丝的熔化与熔滴过渡-熔滴上的作用力,斑点压力：斑点面积比较小的时候，斑点压力常常阻碍熔滴过渡；斑点面积比较大的时候，笼罩整个熔滴，斑点压力促进熔滴过渡。,2020/10/4,杨建国,148,焊丝

47、的熔化与熔滴过渡-熔滴上的作用力,熔滴爆破力：当熔滴内部因冶金反应而生成气体或者含有易蒸发金属时，在电弧高温的作用下，使气体体积膨胀而产生的内压力，致使熔滴爆破，这一内压力称为，它促进熔滴过渡，但产生飞溅。,2020/10/4,杨建国,149,焊丝的熔化与熔滴过渡-熔滴上的作用力,电弧的气体吹力,造气剂 碳元素氧化,2020/10/4,杨建国,150,焊丝的熔化与熔滴过渡-熔滴过渡的主要形式和特点,熔滴过渡现象十分复杂，但规范条件变化时，过渡形态可以相互转化，因此必须按照熔滴过渡的形态及电弧形态，对熔滴过渡加以分类。 分类：自有过渡、接触过渡和渣壁过渡,2020/10/4,杨建国,151,焊丝

48、的熔化与熔滴过渡-熔滴过渡的主要形式和特点,自由过渡：熔滴经电弧空间自由飞行，焊丝的端头和熔池不发生直接接触。 接触过渡：焊丝端部的熔滴与熔池的表面通过接触而过渡。 熔化极气体保护焊时，焊丝短路并重复的引燃电弧，称为短路过渡 TIG焊时，焊丝作为填充金属，它与工件之间不引燃电弧，搭桥过渡 渣壁过渡，与渣保护有关，发生在埋弧焊时，熔滴从熔渣的空腔壁上流下。,2020/10/4,杨建国,152,焊丝的熔化与熔滴过渡-熔滴过渡的主要形式和特点,粒状过渡,喷射过渡,爆破过渡,短路过渡,搭桥 过渡,渣壁 过渡,套筒 过渡,2020/10/4,杨建国,153,焊丝的熔化与熔滴过渡-熔滴过渡的主要形式和特点

49、,粒状过渡 电弧电压高，根据电流大小、极性和保护气体种类不同，又可分为粗滴过渡和细滴过渡,2020/10/4,杨建国,154,焊丝的熔化与熔滴过渡-熔滴过渡的主要形式和特点,粗滴过渡：电流比较小和电压比较高时，弧长较长，使熔滴不易与熔池短路。因电流比较小，弧根面积的直径小于熔滴直径，熔滴与焊丝之间的电磁力不易使熔滴形成缩颈，同时斑点压力又阻碍熔滴过渡。随着焊丝熔化，颗粒长大，最后重力克服表面张力作用，而形成大的颗粒过渡。 电弧稳定性和焊缝质量都比较差。,2020/10/4,杨建国,155,焊丝的熔化与熔滴过渡-熔滴过渡的主要形式和特点,氩气介质中，由于电弧电场强度低，弧根比较扩展，并且在熔滴下

50、部弧根的分布是对称于熔滴的，因而形成粗滴过渡 CO2气体保护焊时，由于气体分解吸热对电弧的冷却作用，使电弧的电场强度提高，电弧收缩，弧根面积减小，增加了斑点压力而阻碍熔滴过渡，并形成大颗粒排斥过渡。 直流正接，由于斑点压力很大，无论氩气还是二氧化碳保护，都有明显的大颗粒排斥过渡,2020/10/4,杨建国,156,焊丝的熔化与熔滴过渡-熔滴过渡的主要形式和特点,细滴过渡：电流比较大，相应的电磁收缩力增大，表面张力减小，熔滴存在的时间短，熔滴细化，过渡频率增加，电弧稳定性比较高，飞溅少，焊缝质量高 气体介质或焊接材料不同时，细滴过渡的特点不同。CO2和酸性焊条电弧焊，熔滴非轴向过渡；铝合金熔化极

51、氩弧焊或大电流活性气体保护焊焊钢则轴向过渡,2020/10/4,杨建国,157,焊丝的熔化与熔滴过渡-熔滴过渡的主要形式和特点,喷射过渡（射流过渡） 易于出现于氩气或者富氩气体保护的焊接方法中。 过渡时，细小的熔滴从焊丝端部连续不断的高速冲向熔池，过渡频率快，飞溅少，电弧稳定，热量集中，对焊件的穿透能力强，易形成指状熔深，适合焊接较厚的板材（3mm），不适合薄板.,2020/10/4,杨建国,158,焊丝的熔化与熔滴过渡-熔滴过渡的主要形式和特点,在Ar或者富Ar保护气体,电流小,2020/10/4,杨建国,159,焊丝的熔化与熔滴过渡-熔滴过渡的主要形式和特点,接触过渡：焊丝（或焊条）端部的

52、熔滴与熔池表面通过接触而过渡的方式 分类：短路过渡，搭桥过渡 短路过渡：小滴 电磁收缩力大于表面张力 搭桥过渡：大滴 电磁收缩力小于表面张力,2020/10/4,杨建国,160,焊丝的熔化与熔滴过渡-熔滴过渡的主要形式和特点,短路过渡 电弧引燃后随着电弧的燃烧，焊丝或者焊条端部形成熔滴并逐渐长大。当电流较小，电弧电压比较低，弧长比较短，熔滴未长成大滴就与熔池接触形成液态金属短路，电弧随之熄灭，金属熔滴过渡到熔池中去。熔滴脱落后，电弧重新引燃，如此交替，这种过渡称为,2020/10/4,杨建国,161,焊丝的熔化与熔滴过渡-熔滴过渡的主要形式和特点,出现场合：碱性焊条的焊条电弧焊 细丝气体保护电

53、弧焊（1.6mm） 短路过渡由燃弧和熄弧两个交替的阶段组成，电弧的燃烧是不连续的。,2020/10/4,杨建国,162,焊丝的熔化与熔滴过渡-熔滴过渡的主要形式和特点,实质：熔化速度与送丝速度不一致,2020/10/4,杨建国,163,焊丝的熔化与熔滴过渡-熔滴过渡的主要形式和特点,短路过渡特点： 燃弧熄弧交替进行 平均电流小，峰值电流大，适合薄板及全位置焊接 小直径焊条或焊丝，电流密度大，产热集中，焊接速度快 弧长短，焊件加热区小，质量高,2020/10/4,杨建国,164,焊丝的熔化与熔滴过渡-熔滴过渡的主要形式和特点,搭桥过渡：非熔化极电弧焊。再表面张力、重力及电弧力的作用下，熔滴进入熔

54、池。,2020/10/4,杨建国,165,焊丝的熔化与熔滴过渡-熔滴过渡的主要形式和特点,渣壁过渡：熔滴沿着熔渣壁面流入熔池的一种过渡形式 出现场合：埋弧焊和焊条电弧焊,2020/10/4,杨建国,166,母材熔化与焊缝成形,主要内容： 单道焊缝的形成规律与影响因素 缺陷的形成原因及改善措施,2020/10/4,杨建国,167,母材熔化与焊缝成形-焊缝形成过程,在电弧热的作用下，焊丝与母材被熔化，在焊件上形成一个具有一定形状和尺寸的液态熔池。 随着电弧的移动熔池前端的焊件不断的被熔化进入熔池中，熔池后部则不断的冷却结晶形成焊缝。,2020/10/4,杨建国,168,母材熔化与焊缝成形-焊缝形成

55、过程,温度分布不均匀：距热源中心距离、散热条件,2020/10/4,杨建国,169,母材熔化与焊缝成形-焊缝形成过程,熔池的体积主要由电弧的热作用决定 熔池的形状主要由电弧对熔池的作用力决定 在电弧压力作用下熔池表面出现凹坑 熔滴过渡机械冲击力对熔池的表面形状也有影响,2020/10/4,杨建国,170,母材熔化与焊缝成形-焊缝形成过程,空间位置不同重力表面张力对熔池的作用不同 工艺方法焊接参数也影响熔池的尺寸 最希望的焊接空间位置 保证位置的措施（翻转、强迫成型装置）,2020/10/4,杨建国,171,母材熔化与焊缝成形-焊缝形成过程,焊缝的结晶过程与熔池的形状有密切的关系，因而对焊缝的组

56、织和质量有重要的影响。 焊缝结晶总是从熔池边缘处母材的原始晶粒开始，沿着熔池散热的相反方向进行，直至熔池中心与不同方向结晶而来的晶粒相遇为止。,2020/10/4,杨建国,172,母材熔化与焊缝成形-焊缝形成过程,所有的结晶晶粒的方向都与熔池的池壁相垂直。 焊缝成形系数：熔池的宽度与熔池深度之比。,2020/10/4,杨建国,173,母材熔化与焊缝成形-焊缝形成过程,成形系数小，焊缝的枝晶会在焊缝的中心交叉，易使低熔点的杂质聚集在焊缝中心而形成裂纹、气孔、夹渣等缺陷 熔池的形状决定了晶粒的交角，尾部越细长，焊缝中心晶粒交角越大，杂质偏析严重，产生裂纹的可能性越大，焊接速度过大易出现这种情况,2

57、020/10/4,杨建国,174,母材熔化与焊缝成形-焊缝形状与焊缝质量的关系,焊缝的有效厚度,焊缝宽度,焊缝余高,焊缝余高系数：焊缝宽度/焊缝余高,2020/10/4,杨建国,175,母材熔化与焊缝成形-焊缝形状与焊缝质量的关系,焊缝厚度是焊缝质量优劣的主要指标，焊缝余高和宽度则应与焊缝厚度有合理的比例。 成形系数小（优缺点） 在实际焊接过程中，在保证焊透 的前提下焊缝成形系数的大小应该根据焊缝产生裂纹和气孔的敏感性来确定。 埋弧焊1.25，堆焊=10,2020/10/4,杨建国,176,母材熔化与焊缝成形-焊缝形状与焊缝质量的关系,余高问题 实际焊接中允许存在余高03mm，或余高系数为48

58、 要求严格的场合，可磨平,2020/10/4,杨建国,177,母材熔化与焊缝成形-焊缝形状与焊缝质量的关系,熔合比：焊缝截面上母材熔化部分所占面积与焊缝全部面积之比 熔合比越大，焊缝成分越接近母材,2020/10/4,杨建国,178,母材熔化与焊缝成形-焊接工艺参数对焊缝成形的影响,焊接参数：对焊接质量影响较大的焊接工艺参数（焊接电流、焊接电压、焊接速度、焊接热输入等） 工艺因数：其他焊接工艺参数（焊丝直径、电流种类及极性、电极、焊件倾角、保护气体） 结构因数：坡口形状、间隙、焊件厚度,2020/10/4,杨建国,179,母材熔化与焊缝成形-焊接工艺参数对焊缝成形的影响,焊接参数的影响,有效厚

59、度,焊缝宽度,余高,2020/10/4,杨建国,180,母材熔化与焊缝成形-焊接工艺参数对焊缝成形的影响,焊接工艺因数的影响 电流种类及极性 焊丝直径和伸出长度 电极倾角 焊件倾角,2020/10/4,杨建国,181,母材熔化与焊缝成形-焊接工艺参数对焊缝成形的影响,2020/10/4,杨建国,182,母材熔化与焊缝成形-焊接工艺参数对焊缝成形的影响,结构因数： 焊件材料和厚度 坡口和间隙,2020/10/4,杨建国,183,母材熔化与焊缝成形-焊缝成形缺陷的产生及防止,焊缝的成形尺寸不符合要求,2020/10/4,杨建国,184,母材熔化与焊缝成形 -焊缝成形缺陷的产生及防止,咬边,2020/10/4,杨建国,185,母材熔化与焊缝成形 -焊缝成形缺陷的产生及防止,未焊透和未熔合,2020/10/4,杨建国,186,母材熔化与焊缝成形 -焊缝成形缺陷的产生及防止,焊瘤,2020/10/4,杨建国,187,母材熔化与焊缝成形 -焊缝成形缺陷的产生及防止,焊穿及塌陷,