《材料加工工程》课件：Chapter 10金属连接成形的主要工艺.ppt

1、1 1材料加工工程材料加工工程材料科学与工程学院材料科学与工程学院主讲教授：李远才、刘顺洪、周华民、王新云主讲教授：李远才、刘顺洪、周华民、王新云HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY2 2第四篇第四篇 金属连接成形工艺主讲教授：刘顺洪主讲教授：刘顺洪3 3 第10章: 金属连接成形的主要工艺 第11章: 焊接新技术及相关技术 第12章: 金属构件焊接的工艺设计 第13章: 焊接成形件的缺陷及检测 第三讲 金属连接成形工艺4 4第第10章章: 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺重点重点:1. 电弧焊电弧焊2. 电阻焊电阻焊 第三讲 金属

2、连接成形工艺5 5 电弧焊电弧焊Arc welding第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 6 6一、焊接电弧物理基础一、焊接电弧物理基础1. 电弧的导电特性电弧的导电特性l 焊接电弧是一种气体放电现象，它是带焊接电弧是一种气体放电现象，它是带电粒子通过两电极之间气体空间的一种导电电粒子通过两电极之间气体空间的一种导电过程。过程。一般情况下，气体是良好的绝缘体其分子和原子都处于电中性状态。要使两电极之间的气体导电，必须具备两个条件：两电极之间有带电粒子；两电极之间有带电粒子；两电极之间有电场。两电极之间有电场。第第10章章 金属连接成形的主要工艺 7 7第第10章章 金属连接成形的主要工艺

3、 8 8v采用一定的物理方法，改变两电极间气体采用一定的物理方法，改变两电极间气体粒子的电中性状态，产生带电荷的粒子，粒子的电中性状态，产生带电荷的粒子，带电粒子在电场的作用下运动，即形成电带电粒子在电场的作用下运动，即形成电流使两电极之间的气体空间成为导体，流使两电极之间的气体空间成为导体，产生气体放电。产生气体放电。v气体放电随电流的强弱而有不同的形式，气体放电随电流的强弱而有不同的形式，如如暗放电、辉光放电、电弧放电暗放电、辉光放电、电弧放电等。与其等。与其他气体放电形式相比，电弧放电的主要特他气体放电形式相比，电弧放电的主要特点是点是电流最大、电压最低、温度最高、发电流最大、电压最低、

4、温度最高、发光最强。光最强。第第10章章 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 9 9 Fig.12-2 Volt-ampere Characteristics第第10章章 金属连接成形的主要工艺 10102 . 电弧中带电粒子的产生电弧中带电粒子的产生v电弧两极间带电粒子的来源：电弧两极间带电粒子的来源： 中性气体粒子的电离、金属电极发射电子、中性气体粒子的电离、金属电极发射电子、负离子形成等。其中负离子形成等。其中气体电离气体电离和和阴极发射阴极发射电子是电弧中产生带电粒子的两个基本物电子是电弧中产生带电粒子的两个基本物理过程。理过程。v同时还存在其它过程同时还存在其它过程:解离、

5、激发、扩散、解离、激发、扩散、复合复合等。等。第第10章章 金属金属连接成形的主要工艺连接成形的主要工艺 1111(一一) 气体的电离气体的电离(1)电离与激励电离与激励 v第一电离能，第二电离能，依此类推。第一电离能，第二电离能，依此类推。第第10章章 金属金属连接成形的主要工艺连接成形的主要工艺 1212第第10章章 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 1313第第10章章 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 气体粒子气体粒子电离电压电离电压/V气体离子气体离子电离电压电离电压/HHeLiCNOFNaClArKCaNiCrMoCsFe13.524.5(54.2)5.4(

6、75.3;122)11.3(24.4;48;65.4)14.5(29.5;47;73;97)13.5(25;55;77)17.4(35;63;87;114)5.1(47;50;72)13(22.5;40;47;68)15.7(28;41)4.3(32;47)6.1(12;51;67)7.6(18)7.7(20;30)7.43.9(33;35;51;58)7.8(16;30)WH2C2N2O2Cl2CONOOHH2OCO2NO2AlMgTiCu8.015.41215.512.21314.19.513.812.613.7115.967.616.817.68括号内数值依次为二次,三次,电离电压常见气

7、体粒子的电离电压1414v当中性气体粒子受外加能量作用而不足以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，这种现象称来的能级跃迁到较高的能级，这种现象称为为激励激励。v使中性粒子激励所需要的最低外加能量则使中性粒子激励所需要的最低外加能量则称为最低激励电压，单位为称为最低激励电压，单位为V。常见气体粒子的最低激励电压常见气体粒子的最低激励电压第第10章章 金属金属连接成形的主要工艺连接成形的主要工艺 元素元素激励电压激励电压/V元素元素激励电压激励电压/V元素元素激励电压激励电压/VHHeNeArNO10

8、.219.316.611.62.42.0KFeCuH2N2O21.64.431.47.06.37.9COCO2H2OCsCa6.23.07.61.41.91515第第10章章 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 1616第第10章章 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 1717Fe电离电压为7.8V,K电离电压为4.3V第第10章章 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 1818第第10章章 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 1919(2)电离种类电离种类 1）热电离）热电离v气体粒子受热的作用而产生电离的过程称气体粒子受热的作用而产生电离的过程称为热电

9、离。它实质上是由于气体粒子的热为热电离。它实质上是由于气体粒子的热运动形成频繁而激烈的碰撞产生的一种电运动形成频繁而激烈的碰撞产生的一种电离过程。离过程。v热电离的热电离的电离度电离度与温度、气体压力及气体与温度、气体压力及气体的电离电压有关。的电离电压有关。kTeUiTPxx5 . 27221016. 31第第10章章 金属金属连接成形的主要工艺连接成形的主要工艺 2020 电离度与材料、温度之间的关系第第10章章 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 2121电离度带电粒子数电弧稳定性第第10章章 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 2222 2)场致电离场致电离 在两电

10、极间的电场作用下，气体中的带电粒子将加速，电在两电极间的电场作用下，气体中的带电粒子将加速，电能将转换为带电粒子的动能。当带电粒子的动能增加到一能将转换为带电粒子的动能。当带电粒子的动能增加到一定数值时，则可能与中性粒子发生非弹性碰撞而使之产生定数值时，则可能与中性粒子发生非弹性碰撞而使之产生电离，这种电离称为电离，这种电离称为场致电离场致电离。 弧柱的温度一般在弧柱的温度一般在5000-50000K之间，而电场强度仅为之间，而电场强度仅为10vcm左右，所以在弧柱区热电离是产生带电粒子的主要途左右，所以在弧柱区热电离是产生带电粒子的主要途径，电场作用下的电离则是次要的。径，电场作用下的电离则

11、是次要的。 在电弧的阴极压降区和阳极压降区电场强度可达在电弧的阴极压降区和阳极压降区电场强度可达105107v/cm，远高于弧柱区，因而会产生显著的场致电离现象。，远高于弧柱区，因而会产生显著的场致电离现象。第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 23233)光电离。光电离。v中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电离过程称为电离过程称为光电离光电离。v 焊接电弧的光辐射只可能对焊接电弧的光辐射只可能对K、Na、Ca、Al等金属蒸气直接引起光电离，而对焊接等金属蒸气直接引起光电离，而对焊接电弧气氛中的其他气体则不能直接引起光电弧气氛中的

12、其他气体则不能直接引起光电离。因此，光电离只是电弧中产生带电电离。因此，光电离只是电弧中产生带电粒子的一种次要途径。粒子的一种次要途径。第第10章章 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 2424(二二) 阴极电子发射阴极电子发射。v从阴极发射的电子，在电场的加速下碰撞从阴极发射的电子，在电场的加速下碰撞电弧导电空间的中性气体粒子而使之电离，电弧导电空间的中性气体粒子而使之电离，这样就使阴极电子发射充当了维持电弧导这样就使阴极电子发射充当了维持电弧导电的电的“原电子之源原电子之源”。v因此，阴极电子发射在电弧导电过程中起因此，阴极电子发射在电弧导电过程中起着特别重要的作用。着特别重要的

13、作用。第第10章章 金属金属连接成形的主要工艺连接成形的主要工艺 2525(1)电子发射与逸出功电子发射与逸出功 v阴极中的自由电子受到一定的外加能量作用时，阴极中的自由电子受到一定的外加能量作用时，从阴极表面逸出的过程称为电子发射。从阴极表面逸出的过程称为电子发射。v 电子从阴极表面逸出需要能量，电子从阴极表面逸出需要能量，1个电子从金属表面逸出所需要的最个电子从金属表面逸出所需要的最低外加能量称为低外加能量称为逸出功逸出功(Aw)，单位是电子伏。因电子电量为常数，单位是电子伏。因电子电量为常数e，故通常用故通常用逸出电压逸出电压(Uw)来表示，来表示，UwAwe，单位为，单位为V。v逸出功

14、的大小受电极材料种类及表面状态的影响。逸出功的大小受电极材料种类及表面状态的影响。 几种金属材料的逸出功几种金属材料的逸出功第第10章章 金属金属连接成形的主要工艺连接成形的主要工艺 金属种类金属种类WFeAlCuKCaMgAw/eW纯金属4.544.484.254.362.022.123.73表面有氧化物-3.923.93.850.461.83.312626(2)阴极斑点阴极斑点 阴极表面通常可以观察到发出烁亮的区域，这个阴极表面通常可以观察到发出烁亮的区域，这个区域称为阴极斑点，它是发射电子最集中的区域，区域称为阴极斑点，它是发射电子最集中的区域，即电流最集中流过的区域。阴极斑点的形态与阴

15、即电流最集中流过的区域。阴极斑点的形态与阴极的类型有关。极的类型有关。v由于金属氧化物的逸出功比纯金属低，因而氧化由于金属氧化物的逸出功比纯金属低，因而氧化物处容易发射电子。物处容易发射电子。第第10章章 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 2727v氧化物发射电子的同时自身被破坏，因而阴极斑氧化物发射电子的同时自身被破坏，因而阴极斑点有清除氧化物的作用。阴极表面某处氧化物被点有清除氧化物的作用。阴极表面某处氧化物被清除后另一处氧化物就成为集中发射电子的所在。清除后另一处氧化物就成为集中发射电子的所在。于是，斑点游动力图寻找在一定条件下最容易发于是，斑点游动力图寻找在一定条件下最容易

16、发射电子的氧化物。如果电弧在惰性气体中燃烧，射电子的氧化物。如果电弧在惰性气体中燃烧，阴极上某处氧化物被清除后不再生成新的氧化物，阴极上某处氧化物被清除后不再生成新的氧化物，阴极斑点移向有氧化物的地方，接着又将该处氧阴极斑点移向有氧化物的地方，接着又将该处氧化物清除。这样就会在阴极表面的一定区域内将化物清除。这样就会在阴极表面的一定区域内将氧化物消除干净，显露出金属本色。这种现象称氧化物消除干净，显露出金属本色。这种现象称为为“阴极清理阴极清理”作用或作用或“阴极破碎阴极破碎”作用。作用。第第10章章 金属金属连接成形的主要工艺连接成形的主要工艺 2828(3)电子发射的类型电子发射的类型 根

17、据外加能量形式的不同，电子发射可分为以下根据外加能量形式的不同，电子发射可分为以下四种类型：四种类型： 1)热发射热发射。阴极表面因受热的作用而使其内。阴极表面因受热的作用而使其内部的自由电子热运动速度加大，动能增加，部的自由电子热运动速度加大，动能增加，一部分电子动能达到或超出逸出功时产生一部分电子动能达到或超出逸出功时产生的电子发射现象称为热发射。的电子发射现象称为热发射。 热发射的强弱受材料沸点的影响。当采用高沸点的钨或碳热发射的强弱受材料沸点的影响。当采用高沸点的钨或碳作阴极时作阴极时(其沸点分别为其沸点分别为5950K和和4200K)，电极可被加热，电极可被加热到很高的温度到很高的温

18、度(一般可达一般可达3500K以上以上)此时，通过热发射此时，通过热发射可为电弧提供足够的电子。可为电弧提供足够的电子。第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 2929 2)场致发射场致发射。当阴极表面中间存在一定强度。当阴极表面中间存在一定强度的正电场时，阴极内部的电子将受到电场的正电场时，阴极内部的电子将受到电场力的作用。当此力达到一定程度时电子便力的作用。当此力达到一定程度时电子便会逸出阴极表面，这种电子发射现象称为会逸出阴极表面，这种电子发射现象称为场致发射。场致发射。 当采用铜、钢、铝等低沸点材料作阴极当采用铜、钢、铝等低沸点材料作阴极()时时(其沸点其沸点分

19、别为分别为3013K、2868K和和2770K)，阴极加热温度受材料沸，阴极加热温度受材料沸点限制不可能很高，热发射能力较弱，此时向电弧提供电点限制不可能很高，热发射能力较弱，此时向电弧提供电子的主要方式是场致发射电子。实际上，电弧焊时纯粹的子的主要方式是场致发射电子。实际上，电弧焊时纯粹的场致发射是不存在的，只不过是在采用冷阴极时以场致发场致发射是不存在的，只不过是在采用冷阴极时以场致发射为主，热发射为辅而已。射为主，热发射为辅而已。第第10章章 金属金属连接成形的主要工艺连接成形的主要工艺 30303)光发射光发射。当阴极表向受到光辐射作用时，。当阴极表向受到光辐射作用时，阴极内的自由电子

20、能量达到逸出阴极表面阴极内的自由电子能量达到逸出阴极表面的现象称为光发射。光发射在阴极电子发的现象称为光发射。光发射在阴极电子发射中居次要地位。射中居次要地位。第第10章章 金属金属连接成形的主要工艺连接成形的主要工艺 31314)粒子碰撞发射粒子碰撞发射。电弧。电弧中高速运动的粒子中高速运动的粒子（主要是正离子）碰（主要是正离子）碰撞阴极时把能量传递撞阴极时把能量传递给阴极表面的电子，给阴极表面的电子，使电子能量增加而逸使电子能量增加而逸出阴极表面的现象称出阴极表面的现象称为粒子碰撞发射。为粒子碰撞发射。第第10章章 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 3232v电弧导电过程中，在

21、产生带电粒子的同时，电弧导电过程中，在产生带电粒子的同时，伴随着带电粒子的消失过程。伴随着带电粒子的消失过程。v在电弧稳定燃烧时，二者是处于动平衡状在电弧稳定燃烧时，二者是处于动平衡状态的。态的。v带电粒子在电弧空间的消失主要有带电粒子在电弧空间的消失主要有扩散、扩散、复合两种形式和电子结合成负离子复合两种形式和电子结合成负离子等过程。等过程。第第10章章 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 33333. 焊接电弧的构成及其特性焊接电弧的构成及其特性第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 (1)焊接电弧的构成焊接电弧的构成3434第第10章章 : : 金属连接成形的主要工艺金属连接

22、成形的主要工艺 阳极区和阴极区占整个电弧长度的尺寸阳极区和阴极区占整个电弧长度的尺寸皆很小，约为皆很小，约为10-210-6cm，故可近似认，故可近似认为弧柱长度即为电弧长度。电弧的这种为弧柱长度即为电弧长度。电弧的这种不均匀的电场强度分布，说明电弧各区不均匀的电场强度分布，说明电弧各区域的电阻是不同的，即电弧电阻是非线域的电阻是不同的，即电弧电阻是非线性的性的。35第第10章章 : : 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 v焊接电弧的导电特性是指参与电荷的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

23、产生、运动和消失的过程，在焊接电弧的弧的弧柱区弧柱区、阴极区阴极区和和阳极区阳极区其相应其相应的导电特性也是不同。的导电特性也是不同。353636(2)焊接电弧的导电特性焊接电弧的导电特性1) 弧柱区的导电特性弧柱区的导电特性第第10章章 : : 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 3737v电弧等离子体虽然对外呈现电中性，但由于电弧等离子体虽然对外呈现电中性，但由于其内部有大量电子和正离子等带电粒子，所其内部有大量电子和正离子等带电粒子，所以具有良好的导电性能。带电粒子在电场的以具有良好的导电性能。带电粒子在电场的作用下运动，就形成了弧柱中的电流。作用下运动，就形成了弧柱中的电流。

24、v弧柱中的电流由向阴极运动的正离子流和向弧柱中的电流由向阴极运动的正离子流和向阳极运动的电子流组成。由于电子和正离子阳极运动的电子流组成。由于电子和正离子在同一电场中所受的电场力相同，而电子的在同一电场中所受的电场力相同，而电子的质量质量正离子正离子的速度，因此弧柱中的电流主要由电子流构的速度，因此弧柱中的电流主要由电子流构成。成。第第10章章 : : 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 38v弧柱电流（主要是电子电流弧柱电流（主要是电子电流99.9%）l负离子数量少，作用被忽略负离子数量少，作用被忽略l正离子在电场作用下，运动速度远正离子在电场作用下，运动速度远小于电子小于电子v但

25、正离子的作用非常大，保证了电弧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。放电的低电压大电流的特点。383939第第10章章 : : 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 4040 显然，当弧柱中通过大电流时，电离度提显然，当弧柱中通过大电流时，电离度提高，高，E值将减少。值将减少。v电场强度电场强度E与电流与电流I的乘积的乘积EI，相当于电源，相当于电源供给每单位弧长的电功率，它与弧柱的供给每单位弧长的电功率，它与弧柱的热热损失相平衡损失相平衡。第第10章章 : : 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 4141第第10章章 : : 金属连接成形的主要工艺金属连

26、接成形的主要工艺42v由此可见：由此可见： 电场强度电场强度E的大小与电弧的气体介质有关；的大小与电弧的气体介质有关； E的大小将随弧柱的热损失情况而自行调的大小将随弧柱的热损失情况而自行调整。整。v弧柱在稳定燃烧时，有一种使自身能量消弧柱在稳定燃烧时，有一种使自身能量消耗最小的特性。耗最小的特性。424343v当电流和电弧周围条件当电流和电弧周围条件( (如气体介质种类、如气体介质种类、温度、压力等温度、压力等) )一定时，稳定燃烧的电弧一定时，稳定燃烧的电弧将将自动选择一个确定的导电截面自动选择一个确定的导电截面使电弧使电弧的能量消耗最小。当电弧长度也为定值时，的能量消耗最小。当电弧长度也

27、为定值时，电场强度的大小即代表了电弧产热量的大电场强度的大小即代表了电弧产热量的大小。小。v因此，能量消耗最小时的电场强度最低，因此，能量消耗最小时的电场强度最低，即在固定弧长上的电压降最小，这就是即在固定弧长上的电压降最小，这就是最最小电压原理小电压原理。第第10章章 : : 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 44第第10章章 : : 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 v电流和电弧周围条件一定时，如果电弧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截面面积大于或小于其自动确定的截面自动确定的截面，就会引起电场强度的增大，消就会引起电场强度的增大，消/ 耗的能

28、量增多，违反最小电压原理。耗的能量增多，违反最小电压原理。vE(K)K电导率电导率 电离度电离度TE(T) (IE) l面积增大面积增大l面积减小面积减小4445452) 阴极区的导电特性阴极区的导电特性v阴极区是指靠近阴极的很小一个区域，在阴极区是指靠近阴极的很小一个区域，在电弧中，它有两方面的作用：电弧中，它有两方面的作用：v由于电极材料种类及工作条件由于电极材料种类及工作条件(电流大小、电流大小、气体介质等因素气体介质等因素)不同，阴极区的导电形式不同，阴极区的导电形式和特性也不同。和特性也不同。第第10章章 : : 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 46461热发射型热发射

29、型v热阴极，大电流时热阴极，大电流时 ，阴极区可加热到很高，阴极区可加热到很高的温度。的温度。 阴极主要靠热发射提供电子流来阴极主要靠热发射提供电子流来满足弧柱导电的需要。满足弧柱导电的需要。 阴极斑点在电极表阴极斑点在电极表面十分稳定，其面积较大而且比较均匀，面十分稳定，其面积较大而且比较均匀，紧挨阴极表面的弧柱不呈收缩状态。阴极紧挨阴极表面的弧柱不呈收缩状态。阴极区的电流密度与弧柱区也相近。区的电流密度与弧柱区也相近。v阴极区电压降很小。阴极区电压降很小。第第10章章 : : 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 4747l大电流钨极电弧焊时，这种热发射型导大电流钨极电弧焊时，这种

30、热发射型导电占主导地位电占主导地位。第第10章章 : : 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 48482电场发射型电场发射型第第10章章 : : 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 4949第第10章章 : : 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 50503) 阳极区的导电特性阳极区的导电特性v阳极区是指靠近阳极的很小一个区域，在阳极区是指靠近阳极的很小一个区域，在电弧中主要是接受弧柱区送来的电子流，电弧中主要是接受弧柱区送来的电子流，同时弧柱区提供所需要的正离子流。同时弧柱区提供所需要的正离子流。第第10章章 : : 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺

31、 51511阳极斑点阳极斑点 在阳极表面可看到烁亮的区域，这个区域称为阳极在阳极表面可看到烁亮的区域，这个区域称为阳极斑点；弧柱中送来的电子流，集中在此处进入阳极，斑点；弧柱中送来的电子流，集中在此处进入阳极，再经电源返回阴极。再经电源返回阴极。 阳极斑点的电流密度比阴极斑点的小，它的形态与阳极斑点的电流密度比阴极斑点的小，它的形态与电极材料及电流大小有关。由于金属蒸气的电离电电极材料及电流大小有关。由于金属蒸气的电离电压比周围气体介质的低，因而电离易在金属族气处压比周围气体介质的低，因而电离易在金属族气处发生。成为阳极导电区。发生。成为阳极导电区。 在大气或氧化性气氛中燃烧的电弧，由于金属阳

32、极在大气或氧化性气氛中燃烧的电弧，由于金属阳极有氧化物存在，而一般金属的熔点与沸点皆低于金有氧化物存在，而一般金属的熔点与沸点皆低于金属氧化物的熔点和沸点，所以纯金属处比金属氧化属氧化物的熔点和沸点，所以纯金属处比金属氧化物处更容易产生蒸发。阳极斑点使会自动寻找纯金物处更容易产生蒸发。阳极斑点使会自动寻找纯金属而避开氧化物，因而在阳极表面跳跃移动属而避开氧化物，因而在阳极表面跳跃移动.第第10章章 : : 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 52522阳极区导电形式阳极区导电形式v阳极不能发射正离子，弧柱所需要的正离子流是由阳极阳极不能发射正离子，弧柱所需要的正离子流是由阳极区的电离

33、提供的。由于条件不同，阳极区的导电形式有区的电离提供的。由于条件不同，阳极区的导电形式有两种：两种：v (a)阳极区的场致电离阳极区的场致电离 当电弧电流较小时，阳极前面当电弧电流较小时，阳极前面的电子数必将大于正离子数形成负的空间电场，并使的电子数必将大于正离子数形成负的空间电场，并使阳极与弧柱之间形成一个负电性区阳极与弧柱之间形成一个负电性区阳极区。只要弧阳极区。只要弧柱的正离子得不到补充这个负电场就继续增大。阳极柱的正离子得不到补充这个负电场就继续增大。阳极区内的带电粒子被这个电场加速，使其在阳极区内与中区内的带电粒子被这个电场加速，使其在阳极区内与中性粒子碰撞产生场致电离，直到这种电离

34、生成的正离子性粒子碰撞产生场致电离，直到这种电离生成的正离子能满足弧柱需要时，阳极区的电场强度才不再继续增大。能满足弧柱需要时，阳极区的电场强度才不再继续增大。电离生成的正离子流向弧柱，产生的电子流向阳极。这电离生成的正离子流向弧柱，产生的电子流向阳极。这种导电方式中阳极区压降较大。种导电方式中阳极区压降较大。第10章: 金属连接成形的主要工艺 5353v(b)阳极区的热电离阳极区的热电离 当电弧电流较大时，阳当电弧电流较大时，阳极的过热程度加剧，金属产生蒸发，阳极极的过热程度加剧，金属产生蒸发，阳极区温度也大大提高。阳极区内的电离方式区温度也大大提高。阳极区内的电离方式将由金属蒸气的热电离取

35、代高能量电子的将由金属蒸气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。这种情况下阳极区提供正离子流的作用。这种情况下阳极区的压降较低。大电流钨极氩弧焊时属于这的压降较低。大电流钨极氩弧焊时属于这种阳极区导电机构。种阳极区导电机构。第第10章章 : : 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 5454Fig.12-4 Volt-ampere Characteristics of welding arc在焊接电弧稳定在焊接电弧稳定燃烧的情况下燃烧的情况下,电电弧电压和电流之弧电压和电流之间的关系间的关系.（3）焊接电弧的

36、静特性）焊接电弧的静特性第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 影响因素影响因素:电弧长度电弧长度;周周围气体种类围气体种类;周围气体周围气体介质压力介质压力5556 v 5758596060第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 6161第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 6262第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 6363Fig.12-5 Volt-ampere Characteristics of power sources（4）焊接电源的动特性）焊接电源的动特性 在稳定状态下弧焊电源的输出电压和输出电在稳定状态下弧焊电源的输出电压和输出电流之间的关系流之间的关系. 电弧

37、稳定燃烧的条件电弧稳定燃烧的条件 平平-降降 or陡降陡降 ;升升 -平平 第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 64644.焊接电弧中的能量平衡焊接电弧中的能量平衡电能电能(through arc) 热能和光能热能和光能 弧柱区弧柱区 (1) 产热产热: Kinetic energy of e heat energy (2) 特点特点: i) Heat energy=IELc ii) producing Heat = losing Heat a) radiation b) conduction c) convection第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 6565 阴极区阴极区 产

38、热产热: eunder UkIUk 热损热损: i)eemissionIUw ii)eto columnIUT 能量平衡能量平衡: Pk=I(Uk-Uw-UT) 第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 获得的总能量为66v 阳极区阳极区v 能量分量能量分量: i)eunder UAI UAv ii)efrom KIUw v iii)efrom column IUT能量平衡能量平衡: PA=I(UA +Uw+UT)6767讨论讨论: UT=(3/2e)KT=1.2910-4T If T=6000K then UT1; For I UA0 Thus: Pk=I(Uk-Uw), PA=IUw 第第

39、10章章 : 金属连接成形的主要工艺 68v热阴极热阴极 Uk2Uw: Pk Ia0;Ua1Vm0 For Vf=constantby self-adjusting effect, L1 L0, O1 O0(return)第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 102102Ia Ia 、Ua Ua 的调节方法的调节方法: :“C”(Vf)Ia电源外特性电源外特性 Ua 第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 103103v 调节原理调节原理:Vf=f(Ua), laUaVfLaUa (back )v调节特性调节特性: Vf=k(Ua-Uc)(2)电弧电压反馈调节系统电弧电压反馈调节系统au

40、icuaIKKKUKKKU第第1010章章: : 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 104104auicuaIKKKUKKKUa straight line “A”系统静特性系统静特性:i) Vf=Vm on the lineii) Uc“A”,Uc“A” iii) dw,Le tg第第1010章章 : : 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 105105调节过程调节过程 Fig12-10bif l0 l1i)UaVf l feedback controlii) U,IVm1Vm0l self-adjusting第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 106106调节器

41、调节器 i) 发电机发电机- 电动机系统电动机系统第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 107 ii) 晶体管整流晶体管整流- 电动机系统电动机系统 由电工原理由电工原理: Vf=K(UaUg) 调节器的输入、输出静态特性方程调节器的输入、输出静态特性方程第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 108108Ia,Ua 调节方法调节方法:“A” Ua“电源外特性” IaThe system is not suitable for thinner wire第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 4）埋弧焊工艺及技术）埋弧焊工艺及技术1.焊接参数的影响焊接参数的影响1091101111121

42、131141151162.对接接头的埋弧焊技术对接接头的埋弧焊技术1171183. 形接头和搭接接头的埋弧焊技术形接头和搭接接头的埋弧焊技术v4.双丝，多丝埋弧焊双丝，多丝埋弧焊119120121121第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 122122第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 123123三、熔化极气体保护焊（三、熔化极气体保护焊（GMAW） 1)MIG(Metal Inert Gas) 惰性气体保护惰性气体保护 2)MAG(Metal Active Gas) 活性气体保护活性气体保护 重点重点: 1) 熔滴过渡熔滴过渡 2) 混合气体电弧焊混合气体电弧焊 3) CO2气体

43、保护焊气体保护焊第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 1241243.1 原理原理: 1)气体保护气体保护 2)熔化电极熔化电极 3)自动送丝自动送丝/电弧移动电弧移动 4)特殊送丝和气体送给系特殊送丝和气体送给系统统Fig.12-17第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 1251253.1.2 种类和应用种类和应用: 1)种类种类 1)焊丝焊丝: 实芯和药芯实芯和药芯 2)保护气体保护气体: CO2, 混合气体混合气体MAG,和惰性气体和惰性气体 MIG 2)应用范围应用范围 适应各种金属材料适应各种金属材料 适应各种接头形式适应各种接头形式 适应任何位置适应任何位置第10章 : 金

44、属连接成形的主要工艺 1261263.1.3 气体选择气体选择1)单一保护气体单一保护气体 1) 惰性气体惰性气体: Argon, helium 2) 活性气体活性气体: CO22)混合保护气体混合保护气体1) Ar+少量活性气体少量活性气体: i)Ar+O2 (12%)or ii) Ar+ CO2 (15%)特点特点:第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 127127 改善电弧稳定性改善电弧稳定性 (stable kathode spots) F防止咬边和焊缝成型不良防止咬边和焊缝成型不良; 防止缺陷防止缺陷 用于黑色金属焊接用于黑色金属焊接2) Ar+He 用于活性金属用于活性金属,

45、如如: Al, Ti,Mg及其合金及其合金3) Ar+CO2(15%)+O2(5%) 提高生产率且改善焊缝外型提高生产率且改善焊缝外型第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 128128GMAW设备设备1)电源电源2)送丝系统送丝系统3)焊枪焊枪4)程序控制系统程序控制系统5)程序周期程序周期 (Fig.4-7)第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 1291293.2 MIG 和和 MAG 焊焊熔化极惰性气体保护电弧焊熔化极惰性气体保护电弧焊性能性能: 电弧很稳定电弧很稳定; 金属过渡方向性强金属过渡方向性强; 基本无飞溅基本无飞溅; (1)射流过渡射流过渡 (streaming)MIG

46、 焊焊 Condition: Ar or Argon-rich; IIC1; higher Ua with DCRP. 第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 130130过程过程:Current VS drop transferFig.12-20Fig.12-20Fig.12-21Fig.12-21第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 I131131(2)亚射流过渡亚射流过渡(Meso-spray)MIG 焊亚射流焊亚射流过渡过渡是指大电流MIG焊铝合金时，当电弧电压较低时，电弧呈半潜状态，可出现熔滴尺寸大约等于焊丝直径的射滴过渡，同时伴随着瞬时短路，熔滴过渡频率达100200个/s，

47、这种过渡称为亚射流过渡。 电弧型式：电弧型式：蝶形蝶形第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 1321323.3 CO2 气体保护焊气体保护焊特点和应用特点和应用 :1) 基本特点基本特点i) 电弧型式电弧型式: E ，lc ，弧根面积，弧根面积 (Fm/Fs)，斑点，斑点压力压力，飞溅较大；（吸热反应，对电弧有热压缩，飞溅较大；（吸热反应，对电弧有热压缩作用作用 ）ii) 保护效果好；保护效果好； 气体体积气体体积 iii)电流密度高电流密度高(j) ，m 熔深熔深 ，生产率，生产率 ；iv) 焊缝质量好焊缝质量好 (低低 H2 焊缝焊缝)，成本低，明弧；，成本低，明弧；v) 全位置焊接全

48、位置焊接.22O21COCO第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 133133 2) 应用应用 i) 材料材料: 低碳钢低碳钢 ,低合金高强钢等黑色金属低合金高强钢等黑色金属, 不锈钢有不锈钢有增碳现象；增碳现象； ii)方法方法: 自动与半自动自动与半自动 堆焊堆焊 点焊点焊 窄间隙焊接窄间隙焊接 第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 134134v iii) 冶金过程冶金过程1)合金元素的氧化合金元素的氧化 CO2 CO+O2 O2 2O CO2+Fe FeO+CO 2CO2+Si SiO2+2CO CO2+Mn MnO+CO Fe+O FeO Si+2O SiO2 Mn+O Mn

49、O C+O CO第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 135135v 2)脱氧和合金化脱氧和合金化v 2FeO+Si 2Fe+SiO2v FeO+Mn Fe+MnOv H2+CO2 CO+H2Ov H+CO2 CO+OHv H+O OH第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 136136过渡过程过渡过程: dw( 1.6mm:0.8,1.0,1.2mm) Ia(80160A) U a ( s h o r t arc,18 24V)(1) 短路过渡短路过渡(Short-circuiting transfer process)Fig.12-24Fig.12-24第第10章章 :金属连接成形的

50、主要工艺 137137i)频率特征频率特征(f)Ld=Vf/f, If VfC, fLd Vd arc stableFig.12-25 Fig.12-25 Voltage Vs. fVoltage Vs. f 第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 影响短路过渡频率的因素：影响短路过渡频率的因素：138138Fig.12-27Fig.12-27Fig.12-26Fig.12-26第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺)动态特征动态特征139139焊接参数选择焊接参数选择1) dw Ia UaL2) DCRPspatterpenetration and arc stab