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焊接方法与设备使用. 国家重点培育院校 焊接技术及自动化专业 精品课程. 焊接教研室 王立跃 2009.2. 任务 1 焊接方法与设备的基础知识. 第一节 焊接电弧. 一、焊接电弧的物理基础 （一）电弧及其电场强度分布 电弧 : 一种气体放电现象，它是带电粒子通过两电极之间气体空间的一种导电过程。. 电弧的实质：气体放电（导电） 气体导电必须具备两个条件： ① 两电极之间有带电粒子； ② 两电极之间有电场。 带电粒子在电场作用下运动形成电流，从而使两电极之间的气体空间成为导体，也就形成了电弧。
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焊接方法与设备使用 国家重点培育院校 焊接技术及自动化专业 精品课程 焊接教研室王立跃2009.2
任务1 焊接方法与设备的基础知识
第一节 焊接电弧 一、焊接电弧的物理基础 （一）电弧及其电场强度分布 电弧:一种气体放电现象，它是带电粒子通过两电极之间气体空间的一种导电过程。 电弧的实质：气体放电（导电） 气体导电必须具备两个条件： ① 两电极之间有带电粒子； ② 两电极之间有电场。 带电粒子在电场作用下运动形成电流，从而使两电极之间的气体空间成为导体，也就形成了电弧。 电弧的特点：低电压、大电流、高温度、可移动等
（二）电弧中带电粒子的产生 • 获得电弧的途径：气体电离+电子发射 • 1、电离的种类： • 热电离 场致电离 光电离 • 电离能及其与引弧的关系 • 2、（阴极）电子发射 • 热发射 场致发射 光发射 粒子碰撞发射 • 逸出功及其与引弧的关系
（三）带电粒子的消失 带电粒子通过扩散、复合和电子结合成负离子等的过程消失。 电弧稳定“燃烧”时，带电粒子的产生和消失处于动平衡状态。 负离子的存在对电弧稳定性的影响。
二、焊接电弧的导电特性 参与电荷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。 （一）区域组成 由阴极区、阳极区、弧柱区三部分组成。 1、阴极区：长度极短、电压较大、E（电场强度）极高 2、阳极区：长度也极短、电压较大、E极高 3、弧柱区长度基本上等于电弧长度，E较小 - + Ua Uc 10-510-6cm Uk 10-210-4cm 阳极区 弧柱区 阴极区
（二）弧柱区的导电特性 1、带电粒子的产生 （1）电离：热电离 光电离 场电离 （2）阴极区注入的电子 （3）阳极区注入的正离子 2、带电离子的运动 A+冲向阴极→正离子流IA+ e冲向阳极→电子流Ie I =IA+ + Ie 其中：IA+ = 0.1%I Ie = 99.9%I（Me》MA+） IA+ 3、特点： （1）电中性； （2）E小、Uc小 I Ie
（三）阴极区的导电特性 1、阴极区在导电过程中的作用 （1）产生弧柱区导电所需要电子流 Ie=0.999I （2）接收弧柱区来的正离子流IA+=0.001I 2、热发射型 （1）产生条件：W、C阴极，且电流很大 （2）带电粒子的产生方式：热发射 热阴极：弧柱导电所需要的电子可完全由热发射来产生的阴极。 冷阴极：热发射能力不足的阴极。 热阴极材料：熔点高的材料。 冷阴极材料：熔点低的材料。 （3）特点：阴极压降很小
3、电场发射型 （1） 条件：a.W、C阴极、且I较小 b.Al、Fe、Cu作阴极 （2） 带电离子产生方式 a.场发射 b.场电离 c.热发射 d.碰撞发射 （3）特点： a.阴极附近存在—正电性区—阴极区 b.阴极区断面收缩 c.阴极表面上产生阴极斑点
碰撞发射 0.999I 场电离 + + + + 场发射 + - + + + + + - - + - - + + + 热发射 阴极 + + - + - + + + - - + - + + + + + - + 弧柱区 阴极区 Uk 电场发射型
（四）阳极区的导电机构 1、阳极区在导电过程中的作用 （1）接收弧柱区来的电子流 Ie=0.999I （2）产生弧柱区所需的正离子流IA+=0.001I 2、热电离 （1）产生条件：I较大 （2）带电粒子产生方式：热电离 （3）特点：a.阳极压降小，甚至为0 b.不存在阳极斑点。 3、场致电离 （1）产生条件：I较小 （2）带电粒子的产生方式：场电离 （3）特点：a.有阳极区，发生收缩 b.Ua较大 c.有阳极斑点
Ua 阳极区 弧柱区 - - - + + + - - - - - - - + + + - - + - - - - + - - + + + + - - - - - - + + + - - - - - 阳极压降的形成
（五）阴极斑点与阳极斑点 1、阴极斑点：阴级上导通电流的一些灼亮的弧立点。 （1）产生条件： a.W、C阴极且I很小 b.AI、Fe、Cu作阴极 （2）某点充当阴极斑点的条件 a.电弧通过该点时耗能最小 b.该点能发射电子 （3）特点 a.电流密度大、温度高 b.跳跃性及粘着性 c.存在斑点力：蒸发反力、A+的撞击力 d.自动寻找氧化膜，对于铝、镁及其合金的焊接非常重要，起到阴极雾化作用。
焊接 方向 - - A - 粘着性 焊接 方向 - B A + 跳跃性
2、阳极斑点 （1）产生条件：I很小 （2）点充当阳极斑点的条件 a.通过该点导通电流时，耗能最小 b.易蒸发，产生金属蒸气 （3）特点： a.电流密度大、温度高 b.粘着性、跳跃性 c.避开氧化膜 d.斑点力，小于阴极斑点力 （六）最小电压原理 电流与周围条件一定时，电弧稳定燃烧时，会自动选择一个确定的导电截面，使电弧电场强度最小，能耗最小，固定弧长上电压降最小。
三、焊接电弧的工艺特性 （一）电弧的热能特性 1、电弧热的形成机构 电能→热能 （1）弧柱的产热 ①本质：A+、e在电场作用下被加速、动能增大的过程。宏观表现为温度上升→产热。由于运动速度，自由程度不同，A+、e得到的能量不同，TA+、Te、TA有可能不同。 电子动能：定向运动动能—Ie 散乱运动动能 — 热运动，表现为热能。 ②产热量主要用于散热损失 — 对流、幅射、传导 。
③影响因素 不仅取决于电流。 凡是影响Ua的因素均影响弧柱的产热。 （2）阴极区的产热 ①本质：产生电子、接受正离子的过程中有能量变化，这些能量的平衡结果就是产热，由三部分组成： a.电子逸出阴极时消耗能量：-IUw b.电子进入弧柱前被电场（Ek）加速得到的能量：+IUk c.电子进入弧柱时带走的能量：-IUT ②产热公式：Pk=I（Uk-Uw-UT） ③作用：阴极的加热，阴极散热损失
（3）阳极区的产热 ①本质：接受电子、产生A+过程中伴随的能量转换，由三部分组成： a.e被Ua加速所得到的能量：+eUa b.电子带来的逸出功：+IUw c.电子带来的相当于弧柱温度那部分能量+IUT ②产热公式：Pa=I（Ua+Uw+UT） ③作用：阳极的加热，阳极散热损失
温度 电流密度 功率密度 2、电弧的温度分布 （1）弧柱温度分布 ①轴向 两极区低弧柱区高 a.二电极尺寸相等时，轴向温度分布均匀 b.二电极尺寸不等，轴向温度分布不均匀，靠近尺寸较小的一端，温度较高。 ②径向：中心大四周小
3、焊接电弧的热效率及能量密度 （1）电弧总产热 PQ=Pc +Pa+Pk = I（Uc+Uk+Ua）=IUA （2）有效功率、热效率系数 ①有效功率：用于加热工件和焊丝的功率PQ′ ②有效热效率系数：= PQ′/PQ ③影响因素： a.焊接方法：TIG焊低、SAW焊高 b.焊接工艺参数： c.外部条件 （3）能量密度 ①单位面积上的有效热功率，单位：w/cm2 ②越高,H/B越大，焊接变形及HAZ越小。 气焊 电弧焊 激光 电子束 1-10 102-104 106-107 106-108
（二）电弧的力学特性 1、电弧力及作用 （1）电磁收缩力---电弧静压力 由于电磁收缩效应使可变导体（气、液）所受的力，对熔池形成压力，又叫电弧静压力，使熔池下凹，产生搅拌，利于细化晶粒，有利排气排炸，改善焊缝质量。 流态导体中电磁收缩力 柱形导体中的电磁收缩力
焊丝 L A F推 母材 锥形电弧
（2）等离子流力---电弧动压力 F推引起的高温等离子流高速运动产生对熔池的附加压力。 作用： ①促进熔滴过渡 ②导致指状熔深 分布：轴线处大，周边小 （3）斑点力 由三部分组成，阴极斑点力大于阳极斑点力 ①带电粒子撞击力 阴：A+撞击 大；阳：e撞击 小 ②蒸发反力 阴：T高，力大；阳：T低，力小 ③电磁收缩力 阴：大；阳：小 阻碍熔滴过渡，直流反接可减小影响。
等离子流力 FP 等离子流力的分布
F Fmg F斑 斑点力
（4）爆破力 仅产生于短路过渡中，短路小桥汽化爆断所产生的力，产生飞溅。 （5）细熔滴的冲击力 仅产生于MIG焊射流过渡，熔滴以很大的加速度冲击熔池，形成冲击力。 爆破力
2、影响因素 （1）气体介质 介质种类不同，影响不同。 导热好，易解离的气体，电弧力，特别是斑点力较大。 （2）焊接电流及电弧电压： 电流增大，电弧力增大； 电压增大，电弧力减小。 （3）W极或焊丝直径： 直径越小，力越大 （4）极性 ： TIG焊时，DCSP大；而MIG焊正好相反。
(三) 焊接电弧的稳定性 • 焊接电流与电弧电压一定，电弧放电可在长时间内连续且稳定燃烧的性能。 • 是保证焊缝质量的重要因素，除与操作技术有关，还与： • 1、电源 • （1）电源特性：要与电弧燃烧要求相符； • （2）电源种类：直流稳定性大于交流； • （3）电源空载电压：高，引弧容易，燃烧稳定，但不安全。 2、药皮或焊剂： 含低电离能物质（如K、Na、Ca的氧化物），燃烧稳定； 酸性焊条稳定大于碱性； 焊条偏心，保存不当，药皮局部脱落等均会使稳定性下降。 3、焊接电流： I大，电弧温度高，电离、场发射增强，电弧稳定性好。
4、磁偏吹（与刚直性）： 电弧作为一柔软的导体抵抗外界干扰，力求保持电流沿焊条/焊丝轴向流动的能力---刚（挺）直性。 影响因素： （1）电流越大，刚直性越大； （2）拘束度越大，刚直性大 因某种原因使磁力线分布均匀性破坏，电弧中电荷受力不均，使电弧由密的一侧偏向疏的一侧的现象---磁偏吹。 影响因素： （1）导线接法不合适 （2）铁磁性物质 （3）电弧到达工件边缘时
电流 + 电流 - + + + - F左 F右 + + + - + - F右 - F左 - + + + + - - - - - + + + + + - + + + - 磁性物质引起的磁偏吹 接线位置引起的磁偏吹 工件两端同时接地线，以消除不对称；或使用交流电源。 尽可能在周围无铁磁物质处焊接。 5、其它： 电弧太长，电弧摆动，飞溅大；焊接处有异物；强风、气流；
第二节 焊丝的熔化与熔滴过渡 熔滴过渡 焊丝端部的熔化金属以滴状受各种力经电弧空间进入熔池的过程。 熔化的焊丝金属飞到熔池之外的现象----飞溅。 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产生直接的影响。
一、焊丝的加热和熔化特性 1、焊丝的热源 电弧热（主）+电阻热（次） 熔化极电弧焊：焊丝的熔化主要依靠阴极区或阳极区的产热及焊丝伸出长度上的电阻热。弧柱区产热对于焊丝的加热熔化作用较小。 非熔化极电弧焊：主要靠弧柱区产热熔化焊丝。 （1）电弧热 阴极区：Pk=IUk-IUw-IUT 阳极区：Pa=IUa+IUw+IUT 当弧柱温度为6000K左右，UT＜1V；当电流密度较大， Ua≈0，故：
阴极区：Pk≈IUk-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：Pa≈IUw 焊丝接正时：主要取决于材料逸出功和电流的大小。 熔化极气体保护焊时，焊丝材料作为冷阴极材料，Uk>>Uw，则Pk>Pa。所以，同种材料，相同电流的作用下，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。
送丝轮 导电嘴 电源 LH Ls la （2）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。
PR=I2Rs Rs=ρLs/S 电阻热与伸出长度部分的电阻以及通过的I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。 熔化极气体保护焊时，通常伸出长度Ls=10~30mm，对于导电良好的铝和铜等金属，PR与Pa或PK相比很小，可忽略不计；而对于钢和钛等材料，电阻率高。 PR与Pa或PK相比很大，不可忽略。 用于加热和熔化焊丝的总热量P是单位时间内电弧热和电阻热提供的能量。 P=Pa（k）+PR
2、焊丝的熔化特性 焊丝的熔化速度Vm：单位时间内，焊丝的熔化量。单位： (mm/min & kg/h) 焊丝的熔化特性：焊丝的Vm和I之间的关系。其主要与焊丝材料及焊丝直径有关。 单位时间内，由单位电流所熔化的焊丝量（长度，重量），叫：熔化系数m，单位：g/A·S &cm/A·S m= Vm/I 区别清楚与焊丝熔化有关的几个概念： 熔敷速度(kg/h) 熔敷系数(g/A·h) 熔敷效率(%) 飞溅率(%) 损失系数(%)
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
二、熔滴上的作用力 是影响熔滴过渡及焊缝成形的主要因素。 1、重力 2、表面张力 3、电弧力（其包含几项力在内） 4、熔滴爆破力 5、电弧的气体吹送力
1、重力：当焊丝直径较大而I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=4/3 πr3ρg 重力大于表面张力时，熔滴就要脱离焊丝。 立焊和仰焊时，重力阻碍熔滴过渡。 对熔滴过渡的影响因焊接位置的不同而不同！
2、表面张力 在焊条端头上主要保持熔滴的主要作用力。 Fσ=2πRσ 焊丝半径 表面张力系数 与材料成分、温度、气体介质等因素有关 平焊时，阻碍熔滴过渡，因此只要能使Fσ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。
在液滴上有少量的表面活性物质时，可以降低σ。在液滴上有少量的表面活性物质时，可以降低σ。 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1030×10-3N/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σ，利于形成细颗粒熔滴过渡。
3、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I较大的时候，才对熔滴过渡起主要作用；I小时，重力、表面张力起主要作用。 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。 斑点压力：阻碍熔滴过渡。
4、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。 5、电弧的气体吹力 SMAW焊，药皮的熔化滞后于焊芯，焊条端头形成套筒，促进熔滴过渡。
总结：熔滴上的作用力及其特点 • 重力（促进或阻碍熔滴过渡） • 表面张力（促进或阻碍熔滴过渡） • 电磁收缩力（促进或阻碍熔滴过渡） • 等离子流力（促进熔滴过渡） • 斑点压力（阻碍熔滴过渡） • 爆破力（阻碍，但造成飞溅） • 电弧的气体吹力（促进熔滴过渡） 在不同的焊接条件下，力的种类、大小不同，形成了不同的熔滴过渡形式。
三、熔滴过渡的主要形式及特点 过程复杂，对电弧稳定性、焊缝成形和冶金过程均有影响！ 传统上，通常将熔滴过渡(metal transfer)分成自由过渡、接触过渡、渣壁过渡三种主要形式，每一种又可以再分为不同的类型。目前，熔滴过渡的名称尚未规范、统一。 滴状过渡 搭桥 过渡 短路过渡 爆破过渡 喷射过渡 渣壁 过渡 套筒 过渡
1、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。1、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。 （1）滴状过渡：过渡的熔滴直径大于焊丝直径。 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。 ①粗滴过渡： I比较小和U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。 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。 ②细滴过渡：I比较大，相应的电磁收缩力增大， Fσ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，应用广。 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；铝合金熔化极氩弧焊或大电流活性气体保护焊焊钢则轴向过渡。 （2）喷射过渡：过渡的熔滴直径小于焊丝直径。 易于出现于Ar或者富Ar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，熔深大（易形成指状熔深），熔敷效率高，适用于中、厚板平位置的填充、盖面，不适合薄板（易烧穿）。
（3）爆炸过渡（不常用） 电弧气氛或保护气中含CO2，有时会发生爆炸现象，造成飞溅，只有部分熔滴得以过渡的形式。 2、接触过渡： 焊丝端部的熔滴与熔池表面通过接触而过渡的方式。 分类：短路过渡和搭桥过渡 （1）短路过渡 电弧引燃后随电弧的燃烧，焊丝（条）端部形成熔滴并逐渐长大。当I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，如此交替的过渡形式。 低电压、细焊丝（小I）（但电流密度不小）均可获得；热输入小、焊接变形小、全位置焊性能好，但飞溅较大；适用于薄板焊接或中厚板的打底焊接。
