电弧焊基础知识电弧焊基础知识Basic knowledge of arc welding1 1 焊接电弧及其特性焊接电弧及其特性2 2 焊丝熔化及熔滴过渡焊丝熔化及熔滴过渡 3 3 母材熔化及焊缝成形母材熔化及焊缝成形 1 11 1 焊接电弧及其特性焊接电弧及其特性Welding arc and its characteristics一、焊接电弧的概念二、焊接电弧的极性三、焊接电弧的导电特性四、焊接电弧的能量特性五、焊接电弧的温度分布六、焊接电弧的电磁特性焊接电弧的电磁特性2 2一、焊接电弧的概念一、焊接电弧的概念电电弧弧：是是一一种种气气体体放放电电现现象象，是是指指两两电电极极存存在在电电位位差差时时，电电荷荷通通过过两两电电极极之之间间的的气气体体空空间间的的一一种种导导电电现现象。象。3 3二、焊接电弧的极性二、焊接电弧的极性焊接电弧的极性：直流焊接时电弧的两极与电源的连接方式称为电弧的极性。 直流正接，正极性直流正接，正极性直流反接，负极性直流反接，负极性4 4三、焊接电弧的导电特性三、焊接电弧的导电特性1.1.电弧的伏安特性电弧的伏安特性非自持放电自持放电电流最大、电压最低、温度最高、发光最强电弧放电电弧放电5 5电弧放电区伏安特性电弧放电区伏安特性电弧的静特性曲线 A.电弧成负阻特性电弧成负阻特性B.电弧成平特性电弧成平特性C.电弧成上升特性电弧成上升特性6 62. 带电粒子的产生带电粒子的产生n n气体电离n n电极发射电子n n形成负离子 7 7（1）气体电离：）气体电离：电离：电离：电离：电离：中性气体分子或原子分离成电子和正离中性气体分子或原子分离成电子和正离子的现象。子的现象。电离电压：电离电压：电离电压：电离电压：电离能用电压来表示，电离电压低电离能用电压来表示，电离电压低说明气体的电离比较容易，电弧比较稳定。说明气体的电离比较容易，电弧比较稳定。 气体一次电离电压/v气体一次电离电压/vHe24.5Ar15.7Fe蒸汽7.9CO213.78 8气体电离的形式气体电离的形式 n n热电离：热电离：热电离：热电离：是弧柱区产生带电粒子的是弧柱区产生带电粒子的主要途径。主要途径。n n电场作用下的电离：电场作用下的电离：电场作用下的电离：电场作用下的电离：阴极区和阳极阴极区和阳极区的电场强度非常高，高达区的电场强度非常高，高达10105 510107 7V/cmV/cm，气体电离以电场作，气体电离以电场作用下的电离为主。用下的电离为主。n n光电离：光电离：光电离：光电离：次要途径。次要途径。碰撞电离碰撞电离碰撞电离碰撞电离9 9（2）电子发射）电子发射n n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。n n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。1010常用金属的逸出功 可见有氧化物时逸出功比较低，所以电子容易可见有氧化物时逸出功比较低，所以电子容易可见有氧化物时逸出功比较低，所以电子容易可见有氧化物时逸出功比较低，所以电子容易从氧化膜出逸出，形成阴极斑点。从氧化膜出逸出，形成阴极斑点。从氧化膜出逸出，形成阴极斑点。从氧化膜出逸出，形成阴极斑点。金属金属WFeAl纯金属金属4.544.484.25氧化物氧化物3.923.91111n 阴极斑点n n阴极斑点：阴极斑点：阴极斑点：阴极斑点：阴极表面经常可以看到发出闪烁的区域，阴极表面经常可以看到发出闪烁的区域，这个区域称为阴极斑点。这个区域称为阴极斑点。n n电子发射最集中的区域电子发射最集中的区域n n电流最集中流过的区域电流最集中流过的区域n n热阴极：斑点固定热阴极：斑点固定 W CW Cn n冷阴极：斑点不规则移动冷阴极：斑点不规则移动 Cu Fe Al Cu Fe Al n n在焊有色金属及其合金时常用到电弧的阴极在焊有色金属及其合金时常用到电弧的阴极清理作用，就是源于阴极斑点的特性。清理作用，就是源于阴极斑点的特性。 1212电子发射机构分类：电子发射机构分类：n n热发射热发射n n电场发射电场发射n n光发射光发射n n粒子碰撞发射粒子碰撞发射 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。子发射的任务。1313热发射：热发射：n n热发射：热发射：金属表面受热的作用，内部的自由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。与电弧的导电过程。 n n热发射（对电极有冷却作用）热发射（对电极有冷却作用）n n热发射强弱受到阴极材料沸点的影响，沸点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较高的温度，通过热发射可以提供足够多的电子。电子。1414电场发射：电场发射：n n电场发射：电场发射：当金属表面存在一定强度的正电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，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。种现象称为电场发射。n n冷阴极主要是这种发射电子的机理冷阴极主要是这种发射电子的机理 1515光发射与粒子碰撞发射光发射与粒子碰撞发射n n光发射：金属表面受光能照射，使内部的自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由电子冲破表面约束而产生的电子发射称为光发射。光发射。n n粒子碰撞发射：焊接电弧中正离子撞击阴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。其逸出金属表面的发射过程称为碰撞发射。1616冷阴极与热阴极冷阴极与热阴极n n热阴极：热阴极：热阴极：热阴极：当使用沸点高的材料当使用沸点高的材料WW或或C C作电极时，阴作电极时，阴极区的带电粒子主要靠热发射提供，这种阴极称极区的带电粒子主要靠热发射提供，这种阴极称为热阴极。为热阴极。n n冷阴极：冷阴极：冷阴极：冷阴极：钢、铜、铝、镁等材料作阴极时，由于钢、铜、铝、镁等材料作阴极时，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。电场发射起主要作用，这种电极称为冷阴极。 1717（3）负离子形成）负离子形成n n负离子的形成主要是由中性气体粒子（原子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，不能有效参电量与电子相同，但是质量大，不能有效参与电弧导电过程与电弧导电过程 n n造成电弧不稳造成电弧不稳n n不希望电弧中存在大量的负离子不希望电弧中存在大量的负离子 n n大多数粒子亲和能比较小，不易形成负离子大多数粒子亲和能比较小，不易形成负离子n nF F、ClCl、O O2 2、OHOH、NONO等等离离子子亲亲和和能能比比较较大大，易于形成负离子。易于形成负离子。18183.焊接电弧的构成及其导电特性焊接电弧的构成及其导电特性焊接电弧由阴极区、阳极区、弧柱区构成。Ua=UA+UC+UK 1919(1)弧柱区特点及导电机构弧柱区特点及导电机构n n弧柱区长度为电弧长度弧柱区长度为电弧长度弧柱区长度为电弧长度弧柱区长度为电弧长度n n弧柱区的电场强度较低：弧柱区的电场强度较低：弧柱区的电场强度较低：弧柱区的电场强度较低： 通常只有通常只有通常只有通常只有5 510V/cm10V/cm。n n温度很高，温度很高，温度很高，温度很高，500050000K500050000K，n n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。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。n n弧柱区呈电中性弧柱区呈电中性弧柱区呈电中性弧柱区呈电中性n n带电的粒子在等离子体定向移动，基本上不受空间电带电的粒子在等离子体定向移动，基本上不受空间电带电的粒子在等离子体定向移动，基本上不受空间电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，所以能够在低电压条件下，传输大电流。场的作用，所以能够在低电压条件下，传输大电流。场的作用，所以能够在低电压条件下，传输大电流。场的作用，所以能够在低电压条件下，传输大电流。传输电流的主要带电粒子是电子，大约占带电粒子总传输电流的主要带电粒子是电子，大约占带电粒子总传输电流的主要带电粒子是电子，大约占带电粒子总传输电流的主要带电粒子是电子，大约占带电粒子总数的数的数的数的99.9%99.9%，其余为正离子。，其余为正离子。，其余为正离子。，其余为正离子。2020（2）阴极区的特点及导电机构）阴极区的特点及导电机构 n n电子之源：电子之源：电子之源：电子之源：向弧柱提供向弧柱提供向弧柱提供向弧柱提供99.9%99.9%的电子。阴极的电子。阴极的电子。阴极的电子。阴极发射电子的能力，对电弧稳定性影响极大。发射电子的能力，对电弧稳定性影响极大。发射电子的能力，对电弧稳定性影响极大。发射电子的能力，对电弧稳定性影响极大。n n阴极区的长度阴极区的长度阴极区的长度阴极区的长度：为：为：为：为1010-5-51010-6-6cmcmn n高电场强度：高电场强度：高电场强度：高电场强度：如果阴极压降为如果阴极压降为如果阴极压降为如果阴极压降为10V10V，则阴极，则阴极，则阴极，则阴极区的电场强度为区的电场强度为区的电场强度为区的电场强度为10106 610107 7V/cmV/cm。n n阴极区的导电机构分为：阴极区的导电机构分为：阴极区的导电机构分为：阴极区的导电机构分为：热发射型阴极区导电机构：热发射型阴极区导电机构：热发射型阴极区导电机构：热发射型阴极区导电机构： 电场发射型阴极区导电机构：电场发射型阴极区导电机构：电场发射型阴极区导电机构：电场发射型阴极区导电机构： 等离子型阴极区导电机构等离子型阴极区导电机构等离子型阴极区导电机构等离子型阴极区导电机构： 2121热发射型阴极区导电机构： 采用W、C等高熔点材料作阴极，电流较大时（大电流TIG焊），阴极区可以达到很高的温度，阴极的热发射能够提供足够的电子，这时阴极压降甚至降为0，没有明显的阴极区，与弧柱一样。 2222电场发射型阴极区导电机构：n nWW、C C阴极，小电流阴极，小电流n nFeFe、AlAl、CuCu等冷阴极等冷阴极n n热发射不够，造成正热发射不够，造成正离子在阴极前的堆积，离子在阴极前的堆积，从而形成正电场，在从而形成正电场，在电场作用下电极通过电场作用下电极通过电场发射形式发射电电场发射形式发射电子。所以热发射和电子。所以热发射和电场发射同时存在。场发射同时存在。2323等离子型阴极区导电机构：n n小电流，热发射不足小电流，热发射不足n n正离子堆积形成的电场正离子堆积形成的电场UkUk不足不足以使阴极产生电场发射以使阴极产生电场发射n nUkUk不足以使中性粒子电离不足以使中性粒子电离n n正离子到达阴极表面，与阴极发正离子到达阴极表面，与阴极发生碰撞，碰出的电子与正离子中生碰撞，碰出的电子与正离子中和形成中性粒子，同时获得能量，和形成中性粒子，同时获得能量，碰撞后被碰回阴极区，聚集形成碰撞后被碰回阴极区，聚集形成一个高亮度的高温区，使得中性一个高亮度的高温区，使得中性粒子在此处被热电离，电子流向粒子在此处被热电离，电子流向弧柱，正离子又去碰阴极。弧柱，正离子又去碰阴极。 2424（3）阳极区的特点及导电机构）阳极区的特点及导电机构n n接受电子，提供接受电子，提供接受电子，提供接受电子，提供0.1%0.1%的正离子的正离子的正离子的正离子n n阳极区的长度：阳极区的长度：阳极区的长度：阳极区的长度：为为1010-2-21010-3-3cmcmn n阳极区的电场强度阳极区的电场强度阳极区的电场强度阳极区的电场强度：如果阴极压降为如果阴极压降为10V10V，为，为10103 310104 4V/cmV/cm。当电流密度较大，阳极温度。当电流密度较大，阳极温度很高，使阳极材料发生蒸发时，阳极压降将很高，使阳极材料发生蒸发时，阳极压降将降低，甚至到降低，甚至到0V0V。2525阳极区的导电机构阳极区的导电机构n n热电离型：热电离型：当电流密度较大时，阳极温度很高，阳极材料发生蒸发，并发生热电离。n n碰撞电离型：碰撞电离型：当电流较小时，阳极区的热电离不足，阳极前由于电子数大于正离子数，形成阳极压降，电子在阳极压降的作用下被加速，碰撞中性粒子产生碰撞电离。 26264.电弧的静特性电弧的静特性 n n在在在在A A区：区：区：区：电流较小，电弧热量较低，电离度低，电弧电流较小，电弧热量较低，电离度低，电弧电流较小，电弧热量较低，电离度低，电弧电流较小，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；的导电性较差，需要有较高的电场推动电荷运动；的导电性较差，需要有较高的电场推动电荷运动；的导电性较差，需要有较高的电场推动电荷运动；n n电弧阴极区电弧阴极区电弧阴极区电弧阴极区，由于电极温度低，电子提供能力较差，由于电极温度低，电子提供能力较差，由于电极温度低，电子提供能力较差，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不能实现大量的电子发射，会形成比较强的阴极电压不能实现大量的电子发射，会形成比较强的阴极电压不能实现大量的电子发射，会形成比较强的阴极电压降。所以电流越小电压越高。降。所以电流越小电压越高。降。所以电流越小电压越高。降。所以电流越小电压越高。n n弧柱区弧柱区弧柱区弧柱区在小电流范围内电流密度基本不变，弧柱截面在小电流范围内电流密度基本不变，弧柱截面在小电流范围内电流密度基本不变，弧柱截面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，产随电流的增加按比例增加，但弧柱周长增加的少，产随电流的增加按比例增加，但弧柱周长增加的少，产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，电弧热多，散热少，电弧温度提高，电离程度提高，电弧热多，散热少，电弧温度提高，电离程度提高，电弧热多，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。电场强度降低，弧压降低，所以电弧成负阻特性。电场强度降低，弧压降低，所以电弧成负阻特性。电场强度降低，弧压降低，所以电弧成负阻特性。n n TIGTIG焊小电流成负阻特性。焊小电流成负阻特性。焊小电流成负阻特性。焊小电流成负阻特性。2727n n在在在在B B区区区区：电流稍大，电极温度提高，电流稍大，电极温度提高，阴极阴极热发射能力增热发射能力增强，强，阴极电压阴极电压降低；阳极蒸发加剧，降低；阳极蒸发加剧，阳极电压阳极电压降低。也降低。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。就是说电弧中产生和运动等量的电荷不需要更强的电场。n n对于弧柱区对于弧柱区，电弧等离子气流增强，除电弧表面积增加，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。成平特性。维持一定的数值，保证产热和散热的平衡。成平特性。n n一般埋弧焊、手工焊、大电流一般埋弧焊、手工焊、大电流TIGTIG焊等都工作在平特性焊等都工作在平特性段。段。平特性平特性2828上升特性上升特性n n在在C区区：电流更大时，金属蒸汽的发射及等电流更大时，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。比较小的截面，需要更高的电场。 n nMIGMIG焊的电弧一般工作在上升段。焊的电弧一般工作在上升段。 2929四、焊接电弧的能量特性四、焊接电弧的能量特性n n焊接电弧是一个将电能转换成热能、光能、焊接电弧是一个将电能转换成热能、光能、机械能的过程，其能量特性在三个特征区是机械能的过程，其能量特性在三个特征区是不同的不同的 （1 1）弧柱区的能量特性：）弧柱区的能量特性： 一般电弧焊中，弧柱的热量仅有少部分通过一般电弧焊中，弧柱的热量仅有少部分通过辐射传给了焊丝或工件，而是通过弧柱散热辐射传给了焊丝或工件，而是通过弧柱散热损失了；等离子弧焊接中焊丝或工件的加热损失了；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。弧柱区能够产生的熔化主要靠弧柱的热量。弧柱区能够产生的能量主要是弧柱中正离子和电子的动能。能量主要是弧柱中正离子和电子的动能。 3030（2）阴极区能量特性：）阴极区能量特性： n n阴极区产生的能量可以直接用来加热焊丝和工件，阴极区产热为： PK=I（UK-Uw-UT） UK-阴极压降Uw-逸出电压UT-与弧柱温度相当的电压3131（3）阳极区的能量特性）阳极区的能量特性n n阳极区产生的能量可以直接用来加热焊丝和工件，阳极区产热为： PA=I（UA+Uw+UT） UA-阴极压降Uw-逸出电压UT-与弧柱温度相当的电压3232五、焊接电弧的温度分布五、焊接电弧的温度分布n n钢焊条焊接工件时，阳极钢焊条焊接工件时，阳极区温度约为区温度约为2600 K2600 K，阴极，阴极区温度约为区温度约为2400 K2400 K，电弧，电弧中心区温度最高，可达中心区温度最高，可达600060008000 K8000 K。n n由于电弧截面的特点所以由于电弧截面的特点所以电流密度及能量密度在弧电流密度及能量密度在弧柱区较低柱区较低 。3333六、焊接电弧的电磁特性六、焊接电弧的电磁特性1.1.磁收缩力2.2.电磁静压力3.3.等离子流力（电磁动压力）4.4.斑点力5.5.电弧与磁场的作用34341.磁收缩力磁收缩力n n相互吸引力，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，导体断面有收缩的倾向。 35352.电磁静压力电磁静压力n n电磁收缩力呈现上大下小的状态，轴向将产生压力差，从而产生一个由电极指向工件的推力，这就是电磁静压力 。力大 36363.等离子流力（电磁动压力）等离子流力（电磁动压力）n电弧静压力作用n高温气体推向焊件n电极上方气体补充n新进入气体电离 37374.斑点力斑点力n n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。n n阴极斑点力大于阳极斑点力 38385.电弧与磁场的作用电弧与磁场的作用n n电弧的刚直性（挺直性、挺度） ：电弧抵抗外界干扰，力求保持焊接电流沿电极轴向流动的性能。n n电磁力是产生电弧刚直性的主要原因。 3939磁偏吹磁偏吹n n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。n n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。 4040磁偏吹产生原因磁偏吹产生原因n n产生原因：-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4141双丝电弧双丝电弧4242导线接接线位置引起的磁偏吹位置引起的磁偏吹4343平行平行电弧弧间的磁偏吹的磁偏吹4444 电弧附近的弧附近的铁磁性物磁性物质引起的磁偏吹引起的磁偏吹 电弧弧处于工件端部于工件端部时产生的生的磁偏吹磁偏吹 4545磁偏吹防止措施磁偏吹防止措施n n减少磁偏吹的措施：可能时采用交流电源代替直流电源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用厚药皮焊条代替薄药皮焊条4646