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电弧焊基础知识电弧焊基础知识 本章重点：本章重点：熔滴过渡的主要形式及特点熔滴过渡的主要形式及特点焊接工艺参数对焊缝成焊接工艺参数对焊缝成 形的影响。形的影响。 本章难点：本章难点： 熔滴过渡的特点以应用熔滴过渡的特点以应用 学习方法建议：学习方法建议： 对焊接电弧的基础知识，包括电弧的物理基础、对焊接电弧的基础知识，包括电弧的物理基础、 导电特性的内容不必追求过深、过细；导电特性的内容不必追求过深、过细；在准确把握熔滴过渡特点在准确把握熔滴过渡特点 的基础上去理解它们的应用，并清楚常见焊接方法所用的熔滴过渡的基础上去理解它们的应用，并清楚常见焊接方法所用的熔滴过渡 形式；形式；结合实训操作，体会并熟悉常见焊接工艺参数及因素对焊结合实训操作，体会并熟悉常见焊接工艺参数及因素对焊 缝成形（质量）的影响规律缝成形（质量）的影响规律。 焊接电弧焊接电弧 一、焊接电弧的物理基础一、焊接电弧的物理基础 电弧的实质：气体放电（导电电弧的实质：气体放电（导电 ） （一）电弧及其电场强度分布 电弧的特点：低电压、大电流、温度高、亮度大电弧的特点：低电压、大电流、温度高、亮度大 获得电弧的途径：气体电离获得电弧的途径：气体电离+ +电子发射电子发射 1 1、电离的种类：、电离的种类： 热电离 场致电离 光电离热电离 场致电离 光电离 电离能电离能及其与引弧的关系及其与引弧的关系 2 2、（阴极）电子发射、（阴极）电子发射 热发射 场致发射 光发射 粒子碰撞发射热发射 场致发射 光发射 粒子碰撞发射 逸出功逸出功及其与引弧的关系及其与引弧的关系 （二）电弧中带电粒子的产生（二）电弧中带电粒子的产生 （三）带电粒子的消失（三）带电粒子的消失 带电粒子通过带电粒子通过扩散扩散、复合复合和和电子结合成负离子电子结合成负离子等的过程 等的过程 消失。消失。 电弧稳定 电弧稳定“ “燃烧燃烧” ”时，带电粒子的产生和消失处于动平衡时，带电粒子的产生和消失处于动平衡 状态。状态。 负离子的存在对电弧稳定性的影响。 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二、焊接电弧的导电特性 电弧的三个区域：阴极区 弧柱区 阳极区电弧的三个区域：阴极区 弧柱区 阳极区 （一）弧柱区的导电特性（一）弧柱区的导电特性 最小电压原理最小电压原理 （二）阴极区的导电特性（二）阴极区的导电特性 1 1、热发射型、热发射型 2 2、电场发射型 阴极斑点、电场发射型 阴极斑点 （三）阳极区的导电特性（三）阳极区的导电特性 1 1、阳极斑点、阳极斑点 2 2、阳极区导电形式、阳极区导电形式 三、焊接电弧的工艺特性三、焊接电弧的工艺特性 电弧的工艺特性主要包括：热能特性、力学特性、电弧电弧的工艺特性主要包括：热能特性、力学特性、电弧 稳定性等。稳定性等。 1 1、电弧热的形成机构、电弧热的形成机构 电弧的弧柱、阴极区、阳极区的产热特性各不相同。电弧的弧柱、阴极区、阳极区的产热特性各不相同。 弧柱的产热弧柱的产热 阴极区的产热特性阴极区的产热特性 阳极区阳极区的产热特性的产热特性 （一）电弧的热能特性（一）电弧的热能特性 2 2、电弧的温度分布、电弧的温度分布 轴向轴向两极区低弧柱区高两极区低弧柱区高 径向径向中心高四周低中心高四周低 3 3、焊接电弧的热效率及、焊接电弧的热效率及 能量密度能量密度 电弧产热的一部分热量会通过对流、传导、辐射等形电弧产热的一部分热量会通过对流、传导、辐射等形 式散失，所以会存在热效率问题。式散失，所以会存在热效率问题。 常用焊接方法的大致热效率如表。常用焊接方法的大致热效率如表。 能量密度分布：轴向两极区大弧柱区小能量密度分布：轴向两极区大弧柱区小 径向中心大四周小径向中心大四周小 （二）、电弧的力学特性（二）、电弧的力学特性 1 1、电弧力类型及作用、电弧力类型及作用 电磁（收缩）力 电磁（收缩）力使电弧获得刚直性，促进熔滴过渡 使电弧获得刚直性，促进熔滴过渡 等离子流力等离子流力促进熔滴过渡促进熔滴过渡 斑点（压）力斑点（压）力阴极阳极阻碍熔滴过渡 阴极阳极阻碍熔滴过渡 2 2、电弧力的主要影响因素、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 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。和电极端部形状等。 电极材料蒸发的反作用力电极材料蒸发的反作用力阴极阳极阻碍熔滴过渡阴极阳极阻碍熔滴过渡 熔滴熔滴(droplet)(droplet)冲击力冲击力对熔池造成冲击对熔池造成冲击 短路爆破力短路爆破力短路时产生，导致飞溅短路时产生，导致飞溅 三、焊接电弧的稳定性三、焊接电弧的稳定性 电弧稳定性的概念电弧稳定性的概念（P19P19） 影响电弧稳定性的因素：电源、外界因素、药皮（芯）影响电弧稳定性的因素：电源、外界因素、药皮（芯） （焊剂）、磁偏吹等（焊剂）、磁偏吹等 焊接熔滴过渡焊接熔滴过渡 （一）焊丝的热源（一）焊丝的热源 焊丝熔化的热源 电弧热（主）焊丝熔化的热源 电弧热（主）+ +电阻热（次）电阻热（次） （二）焊丝的熔化特性（二）焊丝的熔化特性 焊丝的熔化特性焊丝的熔化特性焊丝的熔化速度与焊接电流之间的关系。焊丝的熔化速度与焊接电流之间的关系。 一、焊丝的加热和熔化特性一、焊丝的加热和熔化特性 区别清楚与焊丝熔化有关的几个概念：区别清楚与焊丝熔化有关的几个概念： 熔化速度熔化速度(mm/min (mm/min & kg/h& kg/h) ) 熔化系数熔化系数(g/A(g/A h h) ) 熔敷系数熔敷系数(g/A(g/A h h) ) 熔敷速度熔敷速度(kg/h)(kg/h) 熔敷效率熔敷效率(%)(%) 飞溅率飞溅率(%)(%) 损失系数损失系数(%)(%) 焊丝的熔化特性主要受焊丝的熔化特性主要受焊丝材料、直径和焊丝材料、直径和 伸出长度伸出长度(stick-out)(stick-out)等因素影响。等因素影响。 二、熔滴上的作用力二、熔滴上的作用力 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（注 意其包含几项力在 内）！ 4、熔滴爆破力 5、电弧的气体 吹送力 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 重力（促进或阻碍熔滴过渡） 重力（促进或阻碍熔滴过渡） 表面张力（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）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）等离子流力（促进熔滴过渡） 气体吹送力（促进熔滴过渡）气体吹送力（促进熔滴过渡） 金属蒸气的反作用力（阻碍熔滴过渡）金属蒸气的反作用力（阻碍熔滴过渡） 斑点压力（阻碍熔滴过渡）斑点压力（阻碍熔滴过渡） 爆破力（造成飞溅）爆破力（造成飞溅） 总结：熔滴上的作用力及其特点总结：熔滴上的作用力及其特点 三、熔滴过渡及特点三、熔滴过渡及特点 自由过渡：滴状过渡 自由过渡：滴状过渡 喷射过渡喷射过渡(Spray transfer)(Spray transfer) : :易在（富）易在（富） 氩气氛种获得氩气氛种获得，熔深大，熔深大 熔敷效率高熔敷效率高 ， 适用于中、厚板平位置的填充、盖面适用于中、厚板平位置的填充、盖面 。 （有上、下限电流（有上、下限电流 可加脉冲）可加脉冲） 爆炸过渡爆炸过渡 (Explosive transfer )(Explosive transfer ) 传统上，通常将熔滴过渡(metal transfer)分成分成自由过渡自由过渡、接触过接触过 渡渡、渣壁过渡渣壁过渡三种主要形式，每一种又可以再分为不同的亚型。目三种主要形式，每一种又可以再分为不同的亚型。目 前，熔滴过渡的名称尚未规范、统一。前，熔滴过渡的名称尚未规范、统一。 熔滴过渡过程复杂，对电弧的稳定性、焊缝成形和冶金过程均有 影响。 接触过渡：接触过渡：短路过渡短路过渡(Short circuiting transfer)(Short circuiting transfer) 在各在各 种气氛中，种气氛中，低电压低电压、细焊丝（小、细焊丝（小 电流）（但电流密度不小）均可获得；电流）（但电流密度不小）均可获得； 热输入小、焊接变形小、全位置焊性热输入小、焊接变形小、全位置焊性 能好但一般飞溅较大；适用于薄板焊能好但一般飞溅较大；适用于薄板焊 接或中厚板的打底焊接。 接或中厚板的打底焊接。 搭桥过渡搭桥过渡 渣壁过渡渣壁过渡(Flux wall guided transfer)(Flux wall guided transfer)： 沿渣壳（埋弧焊）沿渣壳（埋弧焊） 沿套筒（焊条电弧焊）沿套筒（焊条电弧焊） 常见焊接方法的熔滴过渡形式常见焊接方法的熔滴过渡形式 焊条手工焊焊条手工焊（SMAW&MMASMAW&MMA） 酸性焊条：酸性焊条：细滴过渡细滴过渡 碱性焊条：粗滴过渡碱性焊条：粗滴过渡(Globular transfer (Globular transfer & & Drop Drop transfer )transfer )+ +短路过渡短路过渡 COCO 2 2 焊：滴状过渡（粗丝）、短路过渡、表面张力过渡焊：滴状过渡（粗丝）、短路过渡、表面张力过渡 （STTSTT）（细丝）（细丝） MIGMIG（焊铝）：喷射过渡、亚射流过渡（焊铝）：喷射过渡、亚射流过渡 MAGMAG（熔滴过渡形式最多、最灵活）：（熔滴过渡形式最多、最灵活）：短路过渡短路过渡 射滴过渡射滴过渡 射流过渡射流过渡（喷射过渡）（喷射过渡） 规律：随着电流的增加，熔滴过渡的体积减小、频率加快 。 关于熔滴过渡技术的最新发展 传统上，熔滴过渡在一个电流周期，形式内比较单一，缺乏传统上，熔滴过渡在一个电流周期，形式内比较单一，缺乏 灵活性，焊缝成形的好坏在很大程度上仍然依赖于焊工的操作技灵活性，焊缝成形的好坏在很大程度上仍然依赖于焊工的操作技 术水平和心理状态。术水平和心理状态。 近年来，随着近年来，随着逆变技术逆变技术特别是特别是数字技术数字技术在焊接设备上的应用在焊接设备上的应用 逐渐推广，已经可以对熔滴过渡进行快速、精确的实时控制，逐渐推广，已经可以对熔滴过渡进行快速、精确的实时控制， 情况发生了很大的变化，在熔化极气体保护焊中出现了如表面情况发生了很大的变化，在熔化极气体保护焊中出现了如表面 张力过渡（张力过渡（STTSTT）、冷金属过渡（）、冷金属过渡（CMTCMT）和双脉冲（）和双脉冲（double double pulsepulse、super pulsesuper pulse）过渡等新的熔滴过渡技术。）过渡等新的熔滴过渡技术。 下面为冷金属过渡过程及其所焊的铝合金薄板对接焊缝。下面为冷金属过渡过程及其所焊的铝合金薄板对接焊缝。 瑞典瑞典ESABESAB公司发展的公司发展的super pulse super pulse技术，在一个电流周期内可以采技术，在一个电流周期内可以采 用不同熔滴过渡形式的组合，即正、负半波可以分别采用不同的熔滴过用不同熔滴过渡形式的组合，即正、负半波可以分别采用不同的熔滴过 渡形式，使焊缝成形比以往更加美观、精确并且容易控制、飞溅极少。渡形式，使焊缝成形比以往更加美观、精确并且容易控制、飞溅极少。 焊缝成形更多地依靠机器来完成，大大降低了人为因素对焊缝成形的影焊缝成形更多地依靠机器来完成，大大降低了人为因素对焊缝成形的影 响、降低对焊工操作技能培训的要求，不但节省了生产成本，而且使以响、降低对焊工操作技能培训的要求，不但节省了生产成本，而且使以 往难于解决的焊接问题（如极薄的铝或不锈钢板的往难于解决的焊接问题（如极薄的铝或不锈钢板的MIGMIG焊）变得简单，焊焊）变得简单，焊 缝质量的稳定性、再现性得到极大的提高。缝质量的稳定性、再现性得到极大的提高。 点击看双脉冲（点击看双脉冲（super pulsesuper pulse）过渡技术）过渡技术（瑞典（瑞典ESABESAB公司）。公司）。 点击了解冷金属过渡（点击了解冷金属过渡（CMTCMT）技术）技术（奥地利（奥地利FroniusFronius公司）公司） 母材熔化与焊缝成形 母材熔化与焊缝成形 一、焊缝一、焊缝(weld)(weld)形成过程形成过程 母材熔化形成熔池母材熔化形成熔池(molten pool)(molten pool)熔池凝固形成焊缝熔池凝固形成焊缝 熔池形状与焊缝质量有关（熔池形状与焊缝质量有关（熔焊原理熔焊原理） 二、焊缝形状与焊缝质量的关系二、焊缝形状与焊缝质量的关系 焊缝成形的基本参数：焊缝成形的基本参数： 熔深熔深(penetration(penetration或或depth of penetration)depth of penetration) 熔宽 熔宽 余高余高(reinforcement(reinforcement或或 excess weld metal)excess weld metal) 焊缝成形系数焊缝成形系数(form factor of weld)(form factor of weld)= =焊缝宽度焊缝厚度焊缝宽度焊缝厚度 1 1、焊接工艺参数、焊接工艺参数 焊接电流 焊接电流( (主要影响熔深主要影响熔深) )：I I熔深熔深 、熔宽稍、熔宽稍 、余高、余高 电弧电压 电弧电压( (主要影响熔宽主要影响熔宽) )：U U熔宽熔宽 、熔深、熔深、余高、余高 焊接速度：增加，则熔深、熔宽、余高均减小 焊接速度：增