焊接电弧的基础知识教材课件.ppt

1、焊接电弧的基本知识、焊接电弧的产生、焊接电弧的产生 气体导电必须具备两个条件：气体导电必须具备两个条件：两电极之间有带电粒子；两电极之间有电场。电弧的引燃过程、电弧的构成、电弧的构成.焊接电弧及其特性一、焊接电弧的物理基础（一）电弧及其电场强度分布 气体电离 电极发射电子 形成负离子二、焊接电弧的导电特性二、焊接电弧的导电特性阴极区的特点阳极区的特点（四）焊接电弧的静态伏安特性（2）电弧的温度分布 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过程。气体导电必须具备两个条件：气体导电必须具备两个条件：两电极之间有带电粒子；两电极之间有电场。带电粒子在电场作用下运动形成电流

2、，从而使两电极之间的气体空间成为导体，也就形成了电弧。、焊接电弧的产生、焊接电弧的产生电弧的引燃过程（1）焊条与工件接触短路短路时，电流密集的个别接触点被电阻热所加热，极小的气隙的电场强度很高。结果：少量电子逸出。个别接触点被加热、熔化，甚至蒸发、汽化。出现很多低电离电位的金属蒸汽。（2）提起焊条保持恰当距离在热激发和强电场作用下，负极发射电子并作高速定向运动，撞击中性分子和原子使之激发或电离。结果：气隙间的气体迅速电离，在撞击、激发和正负带电粒子复合中，其能量转换，发出光和热。电弧放电电压最低，电流最大，温度最高，发光最强。将电弧放电用作焊接热源，既安全，加热效率也高。电弧放电产生高热和强光

3、，电弧切割、碳弧气刨、电弧焊接等；强光能照明，如探照灯，用弧光灯放电影焊接焊接电弧电压电弧电压分为三个区分为三个区：阴极区、阳极区和弧柱区。阴极区和阳极区上有活性斑点，即阴极斑点和阳极斑点（电流密度大，温度高，发出光亮的点）、电弧的构成、电弧的构成一、焊接电弧的物理基础（一）电弧及其电场强度分布（一）电弧及其电场强度分布.焊接电弧及其特性1、气体电离：电离：电离：中性气体分子或原子分离成电子和正离子的现象。电离电压：电离电压：电离能用电离电压来表示，电离电压低说明气体的电离比较容易，电弧比较稳定。气体电离 电极发射电子 形成负离子气体电离的形式热电离：气体粒子的热运动，形成频繁而激烈的碰撞热电

4、离：气体粒子的热运动，形成频繁而激烈的碰撞产生的电离，产生的电离，是弧柱区产生带电粒子的主要途径。电场作用下的电离：电场作用下的电离：阴极区和阳极区的电场强度非常高，高达105107V/cm，气体电离以电场作用下的电离为主。光电离：光辐射只可能对光电离：光辐射只可能对K K、NaNa、CaCa、AlAl等金属蒸汽等金属蒸汽直接引起光电离；直接引起光电离；次要途径。2、电子发射 电子发射：电子发射：电极表面受到外加能量的作用，使其内部的电子冲破电极表面的束缚飞到电弧空间的现象称为电子发射。逸出功：逸出功：使一个电子从金属表面飞出所需的能量称为逸出功。通常用逸出电压表示。常用金属的逸出功常用金属的

5、逸出功金属金属W WFeFeAlAl纯金属纯金属4.544.544.484.484.254.25氧化物氧化物3.923.923.93.9可见可见有氧化物有氧化物时逸出功比较低，所以电子容易从氧化膜出逸时逸出功比较低，所以电子容易从氧化膜出逸出，形成出，形成阴极斑点阴极斑点。电子发射机构分类：电场发射、热发射、光发射、粒子碰撞发射；实际焊接中往往是多种电子发射机构共同完成电子发射的任务。热发射：金属表面受热的作用，内部的自由电子的热运动加剧，当自由电子的动能大于逸出功时，电子飞出金属表面加入电弧，参与电弧的导电过程。热发射（对电极有冷却作用）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

6、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。热发射电场发射电场发射：当金属表面存在一定强度的正电场时，金属内部的电子会受到电场力的作用，如果电场力足够大，电子飞出金属表面，这种现象称为电场发射。冷阴极主要是这种发射电子的机理（钢、Cu、Al等作阴极时）光发射与粒子碰撞发射光发射：金属表面受光能照射，使内部的自由电子冲破表面约束而产生的电子发射称为光发射。粒子碰撞发射：焊接电弧中正离子撞击阴极表面，将其动能传给阴极内部的电子，使其逸出金属表面的发射过程称为碰撞发射。冷阴极与热阴极冷阴极与热阴极热阴极：热阴极：当使用沸点高的材料W（沸点5950K）或C(4200K)作电极时，

7、阴极区(3500K以上)的带电粒子主要靠热发射提供，这种阴极称为热阴极。冷阴极：冷阴极：钢（3013K）、铜(2868K)、铝(2770)等材料作阴极时，由于它们沸点很低，电极加热温度受沸点的限制不可能很高，热发射不能提供足够的带电粒子，此时电场发射起主要作用，这种电极称为冷阴极。热阴极：斑点固定 W C冷阴极：斑点不规则移动 Cu Fe Al 甚至可观察到几个斑点同时存在。由于金属氧化物的逸出功比纯金属低，氧化物处容易发射电子。氧化物处发射电子的同时自身被破坏，阴极斑点有清除氧化物作用。负离子的形成主要是由中性气体粒子（原子或分子）吸附一个电子形成的，负离子所带电量与电子相同，但是质量大，不

8、能有效参与电弧导电过程。造成电弧不稳不希望电弧中存在大量的负离子 大多数粒子亲和能比较小，不易形成负离子F、Cl、O、OH、NO等离子亲和能比较大，易于形成负离子。二、焊接电弧的导电特性二、焊接电弧的导电特性弧柱区长度为电弧长度弧柱区长度为电弧长度弧柱区的电场强度较低：弧柱区的电场强度较低：通常只有通常只有510V/cm。温度很高，温度很高，500050000K，分子、原子将产生热电离，形成等离子体。分子、原子将产生热电离，形成等离子体。弧柱是包含大量电子、正离子等带电粒子和中性粒子聚合在一起的弧柱是包含大量电子、正离子等带电粒子和中性粒子聚合在一起的气体状态，被称为气体状态，被称为电弧等离子

9、体。电弧等离子体。弧柱区呈电中性弧柱区呈电中性带电的粒子在等离子体定向移动，基本上不受空间电场的作用，所带电的粒子在等离子体定向移动，基本上不受空间电场的作用，所以能够在以能够在低电压低电压条件下，条件下，传输大电流传输大电流。传输电流的主要带电粒子是传输电流的主要带电粒子是电子电子，大约占带电粒子总数的，大约占带电粒子总数的99.9%，其余为正离子。其余为正离子。但正离子的作用非常大，正电场；撞击阴极，加强热发射 正离子堆积-正离子加速-碰撞-电子发射 保证了电弧放电的低电压、大电流的特点。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。阴极区的特点阴极斑点：阴极斑点：电子之源

10、：电子之源：向弧柱提供向弧柱提供99.9%的电子。阴极发射电子的能力，的电子。阴极发射电子的能力，对电弧稳定性影响极大。对电弧稳定性影响极大。阴极区的长度：为阴极区的长度：为10-510-6cm高电场强度：高电场强度：如果阴极压降为如果阴极压降为10V，则阴极区的电场强度为，则阴极区的电场强度为106107V/cm。阳极斑点阳极斑点接受弧柱送来的电子流，提供接受弧柱送来的电子流，提供0.1%0.1%的正离子。的正离子。阳极区的长度：阳极区的长度：为10-210-3cm阳极区的电场强度阳极区的电场强度：如果阳极压降为10V，为103104V/cm。当电流密度较大，阳极温度很高，使阳极材料发生蒸发

11、时，阳极压降将降低，甚至到0V。阳极区的特点电弧的静特性 在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧时，焊接电流与电弧电压变化的关系称为焊接电弧的静特性。表示这两者关系的曲线叫电弧静特性曲线。电弧电压决定于电弧长度和焊接电流值（四）、焊接电弧的静态伏安特性 不同的电极材料、气体介质或电弧长度，对电弧静特性均有影响，当其他条件不变情况下弧长增加，电弧电压也升高，电弧静特性曲线的位置相应升高，当电流定时，电弧电压与弧长成正比。在A区：电流较小，电弧热量较低，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

12、成比较强的阴极电压降。所以电流越小电压越高。弧柱区在小电流范围内电流密度基本不变，弧柱截面随电流的增加按比例增加，但弧柱周长增加的少，产热多，散热少，电弧温度提高，电离程度提高，电弧电场强度降低，弧压降低，所以电弧成负阻特性。TIG焊小电流成负阻特性。下降特性平特性在B区：电流稍大，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。也就是说电弧中产生和运动等量的电荷不需要更强的电场。对于弧柱区，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。成平特

13、性。一般埋弧焊、手工焊、大电流TIG焊等都工作在平特性段。上升特性在在C C区区：电流更大时，金属蒸汽的发射及等离子流的冷却作用进一步加强，同时由于电磁力的作用，电弧截面不能成比例增加，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。MIG焊的电弧一般工作在上升段。焊接电弧焊接电弧是一个将电能转换成热能、光能、机械能的过程，其能量特性是一个将电能转换成热能、光能、机械能的过程，其能量特性在三个特征区是不同的在三个特征区是不同的 一般电弧焊中，弧柱的热量仅有少部分通过辐射传给了焊丝或工件，大部分通过弧柱散热损失了；等离子弧焊接中焊丝或工件的加热熔化主要靠弧柱的热量。弧柱区

14、能够产生的能量主要是弧柱中正离子和电子的动能。阴极区产生的能量主要用于阴极加热和阴极区散热损失，可以直接用来加热焊丝和工件。阳极区产生的能量用于阳极材料的加热、熔化、热传导；可以直接用来加热焊丝和工件（2）电弧的温度分布 电弧各部分的温度分布受电弧产热特性的影响，电弧组成的三个区域产热特性不同，温度分布也有较大区别。电弧温度的分布特点可从轴向和径向两个方面比较：电弧温度、电流密度和能量密度的轴向分布 阴极、阳极的温度则根据焊接方法的不同有所差别，见下表。常用焊接方法阴极与阳极的温度比较焊接方法酸性焊条电弧焊钨极氩弧焊碱性焊条电弧焊熔化极氩弧焊C02气体保护焊埋弧焊温度比较阳极温度阴极温度阴极温

15、度阳极温度2）径向。电弧径向温度分布的特点是：弧柱轴线温度最高，沿径向由中心至周围温度逐渐降低，如下图所示。图1-12电弧温度分布示意图a)W-Cu电极之间电弧等温线b)200A碳弧等温线(电流200A，Ar气，电压14.2V)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能量密度，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 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，有利于提高焊接生产率。钢焊条焊接工件时，阳极区温度约为2600 K，阴极区温度约为2400 K，电弧中心区温度最高，可达60008000 K。由于电弧截面

16、的特点，所以电流密度及能量密度在弧柱区较低。5-阳极区表面受高速电子的撞击，产生较大的能量，占电弧热量的43%，其平均温度为2600K。6-阴极区是电子发射区。发射电子需消耗一定能量，阴极区产生的热量略少，约占电弧热量的36%，其平均温度为2400K。3-弧柱区长度几乎等于电弧长度，弧柱区产生的热量仅占电弧热量的21%，但弧柱中心温度高达6000-8000K。各区温度分布情况如下：1.弧柱区的温度最高，但热量大部分通过对流的形式流失了2.阴极区的热量用于对阴极加热，这部分热量可用于加热填充材料或工件 3.阳极区的热量主要用于加热工件和焊材，阳极和阴极相比，阴极产热量相对较高。结论：结论：1.1

17、.弧柱对整个的焊接电弧起到主要的作用。弧柱对整个的焊接电弧起到主要的作用。2.2.当电流一定时当电流一定时,电弧电压大小与电弧的弧长成正比。弧电弧电压大小与电弧的弧长成正比。弧长增加，电弧电压增大。长增加，电弧电压增大。电弧静压力作用高温气体推向焊件电极上方气体补充新进入气体电离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。斑点（压）力阴极阳极阻碍熔滴过渡（正接）斑点力：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，称为斑点力，或斑点压力。阴极斑点力大于阳极斑点力 不论是阴极斑点力还是阳极斑点力，其方向总是与熔滴过渡方向相反，如图所示。但由于阴极斑点力大于阳极斑点力，

18、所以熔化极气体保护焊可通过采用直流反接减小对熔滴过渡的阻碍作用，减少飞溅。电极材料蒸发的反作用力阴极阳极阻碍熔滴过渡熔滴(droplet)冲击力对熔池造成冲击短路爆破力短路时产生，导致飞溅2、电弧力的主要影响因素气体介质、焊接电流和电压、焊丝（条）直径、极性和电极端部形状等。磁偏吹磁偏吹：电弧在外加磁场的作用下偏离焊丝或焊条的轴线方向的现象称为磁偏吹。磁偏吹可以造成电弧熄灭、熔滴过渡不规则、焊缝成形不良、引起未焊透、夹渣等缺陷。电弧的挺度是由电弧自身磁场所产生的，当某种原因使这个磁场分布不均匀、不对称时，则因电弧周围受力不均匀而导致电弧偏向电磁力较弱的一边，这种现象称为磁偏吹。磁偏吹产生原因产

19、生原因：-导线连接位置-电弧附近电磁铁-磁性回路-焊接位置-异种金属焊接时磁特性不同双丝电弧导线接线位置引起的磁偏吹导线接线位置引起的磁偏吹(2)影响磁偏吹的因素(2)影响磁偏吹的因素图1-32双极电弧引起的磁偏吹a)电流相同方向b)电流相反方向 电弧处于工件端部时产生的磁偏吹电弧处于工件端部时产生的磁偏吹(2)影响磁偏吹的因素电弧附近的铁磁性物质引起的磁偏吹在靠近焊接电弧的一侧有一良导磁体（钢板）存在时，磁力线将力求走磁阻小的通路，使较多的磁力线集中到良导磁体中，电密度显著降低，破坏了空间磁力线分布的均匀性，电弧偏向良导磁体的一侧，看上去好像是钢板吸走了电弧磁偏吹防止措施减少磁偏吹的措施：可

20、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交流电焊接时，因变化的磁场在导体中产生感应电流，而感应电流所产生的磁场削弱了焊接电流所引起的磁场，从而控制了磁偏吹将焊接电源的接地线接至焊接坡口内，再从焊接坡口内地线连接点处接出金属线连到泥土中。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/焊缝余高母材熔化与焊缝成形-焊缝形状与焊缝质

21、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 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 焊接参数的影响有效厚度焊缝宽度余高 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