熔焊方法及设备复习资料Word文件下载.docx

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临界波长问题；

次要途径

问题：

既然电子的非弹性碰撞导致气体电离，产生电弧，那么起初高速运动（较大动能）的电子，而且具有一定数量，从哪里来的？

4（阴极）电子发射

（1）热发射：

金属表面承受热作用而产生电子发射的现象。

电子发射时从金属表面带走能量，故能对金属产生冷却作用。

当电子被另外的同种金属表面接受时，将释放能量，使金属表面加热。

热阴极与热阴极电弧:

冷阴极与冷阴极电弧

（2）场致发射

定义，强电场；

两极区，E=105～107V/cm,弧柱10V/cm；

冷阴极电弧电子发射的主要形式

（3）光发射定义；

次要途径，无冷却

（4）粒子碰撞发射

定义；

阴极区，正离子对阴极表面的撞击。

对冷阴极电弧，有时是一个重要形式

1.2焊接电弧的产生过程

1.2.1接触式引弧

（1）短路接触点产生大量电阻热，并熔化液态金属间层；

（2）分离E↑,金属蒸气,药皮蒸气→场致发射,场致电离

（3）燃弧T↑↑,E→发射,电离与复合平衡应用:

熔化极的电弧焊

1.2.2非接触式引弧

1激发高压脉冲,高频振荡,小气隙→E↑↑→场致发射,场致电离

2燃弧带电粒子产生和消失，能量的释放和消耗达动态平衡，稳定燃烧。

应用:

不熔化极（乌极氩弧焊，等离子弧焊）

1.3焊接电弧的构造及其导电机构

1.3.1焊接电弧的构造

焊接电弧是由阴极区、阳极区和弧柱区三部分构成的。

这三部分尺寸不同,电压降也不同。

Ua=Uk+Uc+UA

1.3.2焊接电弧的导电机构

1、弧柱区导电机构

（1）99.9%电子流、0.1正离子流；

（2）电中性，E小，UC很小，等离子体；

（3）电离←→复合。

T高；

（4）电能→热能，机械能，光能

2、阴极区导电机构

（1）热发射型W,C等热阴极，大电流；

热发射提供弧柱所需电子；

与弧柱无区别，UK很小，无阴极斑点；

大电流TIG

（2）场致发射型CuFeAl等冷阴极材料，WC小电流；

热发射不足，正电荷堆积E，Uk↑,场致发射，场致电离（界面），提供99.9%电子流.电流组成Ie+Ii；

阴极斑点、寻氧化膜，跳动；

MIG

3、阳极区导电机构接收99.9电子流、提供0.1%正离子流。

（1）热电离型温度高、j大，金属蒸气，电离；

UA小，无阳极斑点。

（2）场致电离型j小，电子堆积，E↑,UA大，场致电离。

阳极斑点，寻找电离电压小的纯金属

1.3.3最小电压原理在电流和周围条件一定的情况下,稳定燃烧的电弧将自动选择一适当的断面,以保证电弧的电场强度具有最小的数值,即在固定弧长上的电压最小。

这意味着电弧总是保持最小的能量消耗。

EL=U,EIL=P

分析：

（1）I不变，D↑→S↑→散热↑→E↑→D↓

（2）I不变，D↓→S↓→J↑→R↑→E↑→D↑

（3）强水冷→散热↑→E↑→D↓

1.4焊接电弧的电特性

1.4.1焊接电弧的静特性定义：

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，也称伏-安特性。

1.4.21.4.2焊接电弧的动特性对于一定弧长的电弧，当电弧电流发生连续快速变化时，电弧电压与电流瞬时值之间的关系，称为焊接电弧的动特性。

它反映了电弧的导电性对电流变化的响应能力。

1.5.1焊接电弧的产热机构

宏观：

焊接电弧能量来自于焊接电源。

P=IUK+IUC+IUA＝I（UK+UC+UA）热，光、机械（力）

微观：

带电粒子不断地产生、消失和运动，便构成了能量的转变和传递过程。

1.弧柱区产热

2.阴极区产热

3.阳极区产热

1.5.2焊接电弧的温度分布

1、轴向温度分布两电极的温度较低，弧柱区温度较高

2、径向温度分布弧柱温度最高，两极次之，中心温度高，周边温度低。

1.6.1焊接电弧力

1、电磁收缩力（电弧静压力直径不同将引起压力差;

电弧静压力，指向小D到大D

Ø

2、等离子流力（电弧动压力）主因：

F推→高温气体离子运动，不断补充电离

抽吸作用，气泵。

方向：

焊丝（电极）→工件;

形态：

中心速度大102m/s，压力大，动压力大。

影响：

指状熔深

3斑点压力

包括：

（1）正离子与电子对电极的撞击力

（2）电磁收缩力；

（3）电极材料蒸发反作用力阴极斑点力大于阳极斑点力。

熔化极焊，焊丝不建议接阴极

1.6.2焊接电弧力的影响因素

（1）焊接电流和电弧电压增大电流，及减小电压会使电弧力增大。

（2）电极与焊丝

（3）气体介质

1.7.2焊接电弧稳定性的影响因素

2.1焊丝的加热与熔化

焊丝熔化的热源

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

熔化极电弧焊焊丝的作用：

作为电弧的一个电极；

提供熔化金属作为焊缝金属的一部熔化速度（vm）:

单位时间熔化焊丝的重量或长度m/h;

g/h

熔化系数（αm）:

单位时间和电流熔化焊丝的重量或长度m/hA;

g/hA

熔敷速度（vy）:

单位时间熔敷在焊件上的金属量g/h

熔敷系数（αy）:

单位时间和电流敷在焊件上的金属量g/hA

熔敷率：

飞溅率：

损失率：

2.1.3影响焊丝熔化速度的因素

（1）电流：

电流↑→熔化速度↑

（2）电压：

较长弧长范围内，电压变化→不影响焊丝的熔化

在较短弧长范围内，电压↓→熔化速度↑（固有调节）

在更短弧长范围内，电压↓→熔化速度↓

（3）电流极性：

焊丝为阴极时，熔化速度大，

（4）气体介质：

反接时介质的影响不大，正接时介质的影响比较复杂，无明显规律

（5）伸出长度：

Ls↑→熔化速度↑

（6）焊丝直径：

d↑→熔化速度

2.2熔滴上的作用力

（1）重力（促进或阻碍熔滴过渡）

（2）表面张力（促进或阻碍熔滴过渡）

　（3）电磁收缩力（促进或阻碍熔滴过渡）

　（4）等离子流力（促进熔滴过渡）

（5）斑点压力（阻碍熔滴过渡）

（6）爆破力（促进熔滴过渡造成飞溅）

（7）电弧气体吹力（促进熔滴过渡）

1）除重力、表面张力、爆破力外，其余力都与电弧形态有关。

2）熔滴上的作用力对熔滴过渡的影响应从焊缝空间位置、熔滴过渡形式、电弧形态、工艺条件等综合考虑。

3）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

2.3熔滴过渡的主要形式及其特点

规律：

随着电流的增加，熔滴过渡的体积减小、频率加快。

2.3.1短路过渡

•特点

•l）短路过渡是燃弧、短路交替进行。

调节燃弧时间或熄弧时间即可调节对焊件的热输入，控制母材熔深。

•2）短路过渡时所使用的焊接电流（平均值）较小，但短路时的峰值电流可达平均电流的几倍，既可避免薄件的焊穿又能保证熔滴顺利过渡，有利于薄板焊接或全位置焊接。

•3）短路过渡一般采用细丝（或细焊条），焊接电流密度大，焊接速度快，故对焊件热输入低，而且电弧短，加热集中，可减小焊接接头热影响区宽度和焊件变形。

短路过渡稳定性频率高，稳定性好。

•燃弧时间---短路时间

•燃弧时间：

焊接参数（Ia，Ua，vf

•短路时间

•电源动特性

（1）（合适的）电流上升率di/dt

（2）（适当的）短路最大电流Im；

（3）（快的）空载电压恢复速度dU/dt搭桥过渡

接触过渡。

无电流。

电弧热

与熔池接触，表面张力、重力和电弧

滴状过渡

举例：

（1）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

（2）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，并形成排斥过渡。

（3）直流正接，由于斑点压力很大，无论氩气还是二氧化碳保护，都有明显的排斥过渡

（4）电流比较大时，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（一般也大于焊丝直径），过渡频率增加，形成细滴过渡或称为细颗粒过渡，电弧稳定性比较高，飞溅少，焊缝质量高。

1.射滴过渡条件：

大电流、大弧压，富氩

2射流过渡优点：

（1）电弧稳定、飞溅少、焊缝成形好。

（2）保护气体扰动小，保护好，焊缝质量好。

（3）热流集中，功率大，熔透强，生产率高。

2.3.4渣壁过渡渣壁过渡是焊条电弧焊和埋弧焊中出现的一种熔滴过渡形式。

熔滴沿渣壁流下，落入熔池。

•

3.1焊缝形成过程及焊缝形状尺寸

3.1.1焊缝成形过程电弧热作用形成熔池；

力作用下保持熔池形状；

热源移过熔池凝固形成焊缝；

焊缝形状决定于熔池形状；

熔池形状受电弧（热、力），接头形式、空间位置、坡口、间隙、熔滴过渡形式的影响

。

3.1.2焊缝形状尺寸H－焊缝熔深；

B－焊缝熔宽；

h－焊缝余高；

Ah－填充金属熔化面积；

AM－母材熔化面积；

φ－焊缝成形系数=焊缝宽度／熔深

ψ－余高系数＝焊缝宽度/余高

γ－熔合比（母材在焊缝中占的比例

1.焊缝与熔池的关系及焊缝形成

（1）焊缝形状决定于熔池的形状

（2）熔池的形状要受电弧（热、力）、接头形式、空间位置、坡口、间隙、熔滴过渡形式等等有关。

（3）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）

3.2熔池形状与电弧热的关系

焊接电弧热输入

P’中热损失包括：

（1）弧柱的散热（辐射，对流，传导）；

（2）焊枪和电极的散热；

（2）药皮、焊剂的损失；

（4）飞溅的损失。

点移动热源计算得出近似基本规律：

•B=2H,近似与成正比，与成反比

•熔池尾部长度与P成正比，受焊速影响不大

•熔池前部长度随P成正比，与焊速成反比

•面热源假设的计算结论：

I增大，P’增大，P增大，r增大，qm增大，k减小熔深增大，熔宽也增大（不考虑凹陷

3.3熔池受到的力及其对焊缝成形的影响

1、熔池金属的重力影响与跟焊缝空间位置有关

2、表面张力阻碍金属流动，保持熔池形状

影响熔池轮廓及表面形状

成份与温度

表面张力梯度（成分，温度），影响HB

3电弧力斑点压力-涡流-加大H；

电弧静压力-凹陷-熔宽；

电弧动压力-指状熔深

4熔滴冲击力射流过渡，熔滴冲击力，指状熔深。

3.3焊接参数和工艺因素对焊缝成形的影响

1.焊接电流（主要影响熔深）：

I↑→熔深↑、熔宽稍↑、余高↑

2.电弧电压（主要影响熔宽）：

U↑→熔宽↑、熔深↓、余高↓

3.焊接速度：

v↑→熔深↓、熔宽↓、余高↓

注：

焊接电流决定熔深，电压决定熔宽。

3.4.2焊接电流种类和极性、电极尺寸对焊缝成形的影响

1、电流种类、极性

（1）非熔化极：

正接：

H↑,W烧损小（阳极产热多）

反接：

H↓,W烧损大，阴极清理作用

交流：

O（∩_∩）O

（2）熔化极：

H↓,B↓，熔滴过渡困难（阴极产热多，不用，除非堆焊）

H↑，B↑，（阴极产热多，阳极斑点力小，熔滴过渡容易，阴极清理作用）

不用。

2、钨极端部形状焊丝直径伸出长度

（1）钨极尖集中系数k增加，qm增加，H↑B↓

（2）焊丝直径细，电流密度增加，电弧收缩增加，H↑B↓

（3）伸出增加，Pm↑→vm↑→h↑

3.5焊缝成形控制

1）焊接缺陷分裂纹、孔穴、固体夹杂、未熔合和未焊透、形状缺陷以及其它缺陷。

2）电弧焊焊接过程受焊缝冶金因素和焊接热循环的影响，产生焊接缺陷的原因比较复杂。

3）电弧焊的焊缝成形缺陷主要有未熔合和未焊透、烧穿、咬边、焊瘤、气孔、夹杂等。

3.5.3引、收弧控制引弧及收弧处，焊件传热条件差异，成形不均匀，薄弱环节

1引弧控制

（1）引弧处的质量隐患散热快，熔池小。

HB小，h大，气孔

（2）引弧工艺要求

（1）电弧的启动性能要好，可靠、稳定的引燃，一次引弧成功

（2）保证引弧处具有满意的焊缝成形（HBh）和冶金质量

（3）引弧方法

a不熔化极引弧的焊缝成形工艺补偿措施

1）引弧后停留，预热熔透。

2）平板纵缝加引入板及引出板

3）若采用接触短路法引弧，避免夹钨，在接缝附近放上一块铜板，作为引弧板。

b熔化极的引弧焊缝成形工艺补偿措施

1）加引入板及引出板；

2）厚板开坡口多层焊时，TIG焊封底焊，熔化极盖面

2收弧控制

（1）收弧处质量隐患

凹坑、气孔、弧坑裂纹（熔化及不熔化极）。

粘丝、烧粘导电嘴（熔化极）

（2）工艺要求

减小对熔池的热输入与电弧力，并保证填满弧坑

（3）非熔化极焊收弧工艺措施

填丝容易比不填丝容易填满弧坑，都应该减少热及力，即衰减电流来自动填满弧坑（电源附装置）。

（1）反复几次突变降低

（2）一次突变，保持

（3）逐渐衰减（4）脉冲焊时，同时突变峰值I、基值I

4.2.2电弧自身调节系统

本质：

弧长变化所引起的焊接参数变化，使焊丝的熔化速度产生相应的变化来达到恢复弧长的目的，没有外界所加的强制作用故称为电弧自身调节作用。

也称等速送丝调节系统。

所有熔化极焊都有这种调节作用，细丝熔化极焊常用

TIG焊的特点

1.可焊接所有工业用金属、合金。

2.适用于各种结构、形状的全位置焊接

3.气体保护、不用药剂，无残留药剂的腐蚀问题

4.焊接性能好，无飞溅、成型好、变形小、焊后修整简单。

5.焊接范围广,可适用0.3㎜以上不同板厚

6.作业性好，明弧操作，便于观察和控制熔池

8.1.2CO2气体保护焊的特点

优点：

（1）低氢焊接方法，即对油锈不敏感。

（2）与手弧焊比：

熔敷效率高，熔深大，焊速高。

（3）与MIG比：

材料价格低廉

（4）与SAW比：

明弧易控

（5）细丝：

短路过渡，薄板及全位置焊接。

粗丝：

射滴过渡，大电流、高熔敷速度，大厚板。

缺点：

（1）飞溅

（2）易氧化材料（3）防风（4）防护（5）设备复杂

8.1.3CO2气体保护电弧焊的应用

行业：

机车车辆制造、汽车制造、船舶制造、金属结构及机械制造。

板厚：

焊接薄板，焊接厚板。

材料：

不适于焊接容易氧化的有色金属及其合金外，可以焊接碳钢和合金结构钢构件，甚至用于焊接不锈钢也取得了较好的效果。

CO2气体保护电弧焊焊接电源要求：

1）对电源外特性要求一般细丝自身调节系统

2）对电源动特性要求（3点）

3）要求焊接电流及电弧电压能在一定范围内调节

8.3.1氧化性带来的问题

CO2⇌CO＋O2

（1）Fe及合金元素高温氧化

Fe+CO2⇌FeO+CO

Fe+O2⇌FeO

Si+2O⇌SiO2

Mn+O⇌MnO

C+O⇌CO

（2）溶解在熔池中的FeO进一步2FeO+Si⇌2Fe+SiO2

FeO+Mn⇌Fe+MnO

FeO+C⇌Fe+CO

（3）夹渣

（4）气孔与飞溅

（5）SiMnC烧损，力学性能降低

8.3.2脱氧及合金化问题

脱氧

硅锰联合脱氧与合金化，H08Mn2SiA

低碳焊丝

8.3.3气孔问题

CO气孔：

焊丝不合格；

气体不纯；

工件含碳量过大。

H气孔：

焊丝或工件油、锈或水过多

N气孔：

主要原因是气体保护效果不好。

风速过大；

流量过小；

干伸长度过大；

气路被堵塞或漏气；

流量计冻结。