第二章电弧焊

1、第第2章章 电弧焊电弧焊2.1 焊接电弧焊接电弧2.1.1 概述 （1）为何以电弧作为热源 它能将电能“最有效”、“最简便”地转变为“热能”和“机械能”。 （2）如何研究电弧 研究三方面问题： 1）导电机理； 2）产热机理； 3）产力机理。 2.1.2 电弧的特点 （1）电弧是在一定电压下，两电极间的气体导(放)电现象。 电弧示意图 （2）气体导电需要产生足够量的导电粒子。 （3）气体导电时导电粒子不仅有电子，也有离子。电阻电流阳极阴极电源I2.1.3 带电粒子的产生 （1）电离在一定条件下中性气体分子或 原子分离为正离子和电子的过程称为电离。 电离能：使中性粒子电离所需要的最低能量称为电离能

2、，用电离电压 来表示，单位是“伏”（V）。 按施加能量的不同，电离类型分为： a热电离 b电场作用下电离 c光电离 （2）电子发射电极内电子脱离电极表面束缚而进入空间的现象称为电子发射。 逸出功：使一个电子由电极表面飞出所需要的最低外加能量称为逸出功。通常以逸出电压来表示（V）。 电子发射的两种形式： a热发射 b电场发射 热阴极材料：钨（W)沸点5950K；碳（C）沸点4200K 冷阴极材料：铁(Fe)沸点3008k；铜(Cu）沸点2868k； 铝(Al)沸点2770k )/exp(2RTeuATiy / )/(exp02RTeEueATiy 2.1.4 电弧的导电机构 阴极区的长度： 10

3、-510-6cm 阳极区的长度： 10-210-3cm 电弧各区域的电压分布电弧阳极阴极阴极压降区 弧柱区 阳极压降区UAUC UaUK （1）弧柱区的导电机构作用：提供带电粒子的导电通路。电流组成99.9%电子流,0.1%正离子流弧柱导电的特点低电压、大电流 （2）阴极区导电机构 作用为弧柱区提供电子流和接受来自弧柱区的正离子流。 两种导电机构： a 热发射型阴极区导电机构 热阴极材料（W、C）及大电流条件下 b 电场发射型阴极区导电机构 条件：冷阴极材料或热阴 极材料小电流 阴极区空间电场示意图 uk阴极区弧柱+ （3）阳极区的导电机构 作用弧柱区提供正离子流和接受来自弧柱的电子流 正离子

4、两种产生方式： a电场作用下的电离 b阳极区的热电离 阳极压降形成示意图+uA阳极区弧柱阳极+2.1.5 电弧气氛对电弧的影响 电弧产生的热量取决于电弧电流和电压（IUa ） 电弧热量消耗： 1）熔化工件和焊丝； 2）环境散热：(1)电弧气氛的热物理参数； （2）与气体介质的接触面积。 * * 最小电压原理最小电压原理在给定电流和周围条件（气氛）一定的情况下，电弧稳定燃烧时，其导电区的半径（或温度），应使电弧电场强度具有最小的数值。以保证能量消耗最小为原则。 2.1.6 电弧的静特性 （1）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，一般也称伏安特

5、性曲线。 （2）曲线形状 分为三个区： A负阻特性区 B平特性区 C上升特性区 电弧的静特性UaIA B C（3）影响因素 a电弧长度影响 b电弧周围气体介质影响 电弧长度对电弧静特性的影响UaIL2L1L2L12.1.7 电弧的机械力（1）电弧力的种类 a电磁收缩力 b等离子流力 园锥形电弧模型 c斑点压力 1）带电粒子的撞击力 2）电磁收缩力 3）电极材料蒸发的反作用力 d短路过渡再引弧冲击力 e细熔滴冲击力 等离子流产生示意图气流等离子流电流线（2）电弧力的影响因素 a气体介质 b电流和电压 c焊丝直径 d钨极端面直径 氩 弧 焊氩弧焊是使用氩气（氩弧焊是使用氩气（Ar）作为保护气体的气

6、体保护）作为保护气体的气体保护焊方法。焊方法。(一)氩气保护的特点1、几乎可以焊所有金属，特别适合于焊接活泼金属与难熔金属 2、引弧困难，但电弧一旦引燃后电弧稳定性好 (几种常用气体的电离电压：Ar：15.7v, Fe：7.83v, CO2：13.77v) 3、存在阴极清理作用，可以有效地去除氧化膜4、氩弧焊时要求严格的焊前清理 (二) 氩弧焊的应用 氩弧焊几乎可以焊接所有的金属材料，被广泛用于飞机制造、原子能、化工、纺织等工业中。由于氩气的价格较高，同其它的电弧焊方法相比，氩弧焊的焊接成本较高。氩弧焊主要用来焊接A1、Mg、Ti及其合金等活泼金属，不锈钢、耐热钢、铜合金等高合金钢和有色金属以

7、及Mo、Zr、Nb等难熔活性金属。此外，随着经济和技术的发展，对于某些低碳钢、低合金钢材料，如重要的锅炉、压力容器等对焊缝质量要求较高的结构，或对外观质量要求较高的产品等也都采用氩弧焊的方法进行焊接。2.2 钨极氩弧焊钨极氩弧焊 钨极氩弧焊（TIG）是以钨棒作为电极，以氩气作为保护气的非熔化极气体保护焊方法。 钨极氩弧焊示意图 1喷嘴，2钨极，3电弧，4焊缝，5焊件 6熔池，7填充焊丝，8氩气123456872.2.1 特点 （1）适于有色（活泼）金属焊接 （2）焊接质量高 （3）抗气孔能力弱 (4) 适合于薄件焊接 (6mm) （5）采用特殊的非接触引弧方式。 2.2.2 应用 （1）飞机、

8、原子能、化工等特殊材料焊接 （2）薄件焊接 2.2.3 电极的选择 （1）材料 非熔化极电极材料应满足的条件： 1）熔点高； 2）载流能力强； 3）发射电子能力强。 常用电极材料： 钍（Th）钨极(牌号是WTh一10或WTh一15) 铈（Ce）钨极(牌号是WCe一20) （2）电极直径 决定电极直径的因素有： 1）电流使用电流越大，则需要电极直 径越大。 2）电源极性同样直径条件下，直流正 接时的许用电流可达直流 反接时的10倍。 3）冷却条件许用电流一定时，水冷条 件下直径较小；空冷时直 径较大。（3）电极端部形状 不同情况下采用不同的电极端部形状： 1）2mm尖角。使电流集中，提高 小电流

9、的稳定性。 2）4mm大角或平锥。采用尖角烧 损严重。 3）交流焊园头。电极极性变化，电极 烧损严重。 2.2.4 TIG焊工艺（1）焊前准备 1）要求严格清理。 2）清理对象： a油污 b氧化膜 3）坡口准备 4mm 不开坡口 =612mm 开V或X型坡口 （2）工艺参数选择 工艺参数包括：I、V、保护气流量、 电源种类和极性等。 工艺参数选择原则： 1）根据母材特性选择电流种类和极性； 2）根据板厚选择电流，再选择电极直径， 然后选择气体流量； 3）立焊时，电流相对较小； 4）重要件采用背面气体保护。 2.2.5 TIG焊电源种类选择 电源种类及极性选择决定于材料性质和电弧的产热特点。 1

10、）一般材料都采用直流正极性。 2）焊接铝、镁时，采用交流电源 *阴极雾化作用阴极雾化作用：以工件作为阴极时，由于氧化膜发射电子能力较强，阴极斑点会自动集中在氧化膜上（或自动寻找氧化膜），在阴极斑点高温和正离子轰击作用下，氧化膜被破碎、蒸发，达到去除的目的。 2.2.6 脉冲TIG焊 （1）概念 脉冲焊就是焊接电流按一定规律变化的一种焊接方法。 脉冲焊主要特征参数： 1）脉冲电流峰值Ip 2）基值电流Ib 3）脉冲电流持续时间tp 焊接电流波形 4）基值电流持续时间tb 5）脉冲频率f（周期T） IatTIb Ip tp tb （2）特点 1）适合于焊接薄件（可达0.1 mm） * * 小电流稳

11、定性问题小电流稳定性问题 电流小于1020A存在飘弧现象（一般TIG焊焊接板厚不大于5mm） 2）适合空间焊接 可调参数多，可有效控制能量输入，容易控制熔池。 3）适合热敏感性材料焊接 脉冲焊可实现较低能量输入下的焊接。 （3）工艺参数选择 1）Ip和tp Ip、tp熔化母材形成熔池，决定了焊缝尺寸。，主要根据工件的厚度及其性能（导热性）选择Ip、tp。 2）Ib和tb Ib、tb虽起冷却和维弧的作用，但其可有效控制线能量输入。 3）频率的选择 a低频焊f 10Hz，常用f 5Hz。 b高频焊f为1030kHz。电弧的收缩 效应、挺度、能量集中程度增加。 2.3 熔化极氩弧焊熔化极氩弧焊 熔化

12、极氩弧焊（MIG），同TIG一样以氩气 作为保护气体，以金属丝作为电极并熔化作为填充金属 。 熔化极氩弧焊示意图熔化极氩弧焊示意图（1）特点 除具有氩气保护的特点外，还具有下列特点： 1） 适合中、厚板焊接使用熔化极，电流密度大； 2）采用直流反接充分利用阴极清理作用。 （2）熔化极电弧焊的熔滴过渡 熔滴过渡焊接过程中，焊丝端部熔化的熔滴通过电弧空间向熔池转移的过程称为熔滴过渡。 熔滴过渡分三大类： a粗滴过渡熔滴以粗大颗粒状（大于焊 丝直径）自由过渡。 b短路过渡熔滴直接与熔池接触过渡。 c喷射过渡熔滴呈细小颗粒（熔滴小于 焊丝直径）并以喷射状快速 过渡。1）熔化极氩弧焊的射流过渡射流过渡形

13、成机理示意 熔滴过渡频率（体积）与电流的关系 射流过渡的特点： a）存在跳弧现象；b）电弧电流必须达到“临界电流” 临界电流的影响因素： (1)焊丝材料的种类和直径; (2)电弧气氛。 各种焊丝的临界电流 气体成分对电流的影响 2）MIG焊的亚射流过渡 喷射过渡另一种形式是亚射流过渡。其熔滴直径接近焊丝直径，电弧电压介于射流过渡和短路过渡之间。 亚射流过渡特点： a电弧为蝶形 b熔深均匀 MIG焊弧长和熔滴过渡关系 熔深与电弧电压的关系 （3）MAG焊 MAG焊富氩混合气体保护焊。 混合气体保护焊的特点： 1）铜的MIG焊 焊接铜存在的问题导热性高（钢的711倍）。纯氩电弧电压低，功率低，焊接

14、铜时易熔合不良。 采取措施采用“氩+氦”混合气体，使电弧收缩集中，提高功率，提高焊接质量。 2）不锈钢的MAG焊 存在的问题： a液态不锈钢粘度大，易造成气孔 及焊缝成型不好。 b飘弧不稳定。 措施：采用“Ar+O2”（O2小于1%），改善金 属流动性及焊缝成型，避免了电弧漂移，提高电弧稳定性。 3）低碳钢和低合金钢的MAG焊 采用“Ar+O2+CO2”，稳定电弧、使熔滴过渡为射滴过渡，改善电弧力分布，避免产生指状熔深。 （4）脉冲MIG焊 两个目的： a 控制焊丝熔化和熔滴过渡； b 控制对母材的热量输入。 1）熔滴过渡特点 a焊丝熔化焊丝在tp内熔化，在tb内不熔化或 熔化量很小。 b熔滴

15、过渡焊丝只是在tp内熔化过渡，只要Ip 大于临界电流即可实现射流过渡。 c过渡形式通过调整脉冲参数，可以实现多 种熔滴过渡形式。 2）应用特点 a适合焊薄板实现粗丝（1.6）及较小平均电流条件下的射流过渡。 b全位置焊射流过渡指向性好，有利于全位置焊。同时，可在平均电流较小时实现射流过渡，线能量输入小，有利于控制熔池。 c热敏感性材料脉冲MIG焊能有效控制线能量输入，从而能减小热影响区，适合于焊接热敏感性材料。 2.4 CO2气体保护电弧焊气体保护电弧焊 2.4.1 特点（1）生产率高 a熔深大CO2电弧集中，功率大。 b可采用粗丝大电流，多道焊时不用清渣。（2）应用范围广 a板厚范围大电流范

16、围大 b空间位置焊采用短路焊（3）经济节能 aCO2价廉，来源广 b耗电量相对较低耗电量是手弧焊的 1/3，埋弧焊的5/6。 （4）低氢型焊接法强的高温氧化性 焊缝含氢量极低 （5）缺点 a金属飞溅大金属损失及污损 工件。 b氧化性大不能用于焊接有色 金属，焊接黑色金 属时，也需采取脱 氧措施。2.4.2 CO2焊冶金反应 （1）氧化问题 aCO2气体氧化性高温分解，有强的高温氧化性。 CO2 = CO + 1/2O2（高温下） O2 =2O b合金元素（Fe、Si、Mn）烧损 CO2直接作用： CO2 + Fe = Fe O + CO 2CO2 + Si = SiO2+ 2CO CO2 +

17、Mn = MnO + CO 原子氧作用（主要）： Fe + O = Fe O Si +2O = SiO2 Mn + O = MnO cCO气孔 熔池前部，高温液体金属流动性好，产生CO马上逸出，不会形成气孔。 结晶时（熔池后部），大量被氧化的Fe（FeO）与C反应产生CO，由于液体金属流动性已很弱，则造成气孔。 FeO + C = Fe + CO （2）脱氧措施 主要采用两个方法：降低焊材含C量（C0.1%）；采用脱氧剂，以降低FeO，抑制以下反应： FeO + C = Fe + CO（气） 1）对脱氧剂要求： a与氧亲和力大 b具有密度低、非溶性、低熔点的性质 c不是气体。 2）脱氧方法 a

18、脱氧剂加入方法通过焊丝 （CO2焊）或焊剂（埋弧焊） b脱氧方式加入Si、Mn元素联 合脱氧 c脱氧产物复合物SiO2MnOFeO 具有易聚集性质。 CO2焊最常用的焊丝牌号为H08Mn2SiA 2.4.3 CO2焊熔滴过渡及规范参数选择 CO2焊采用的熔滴过渡形式： 0.81.2细丝短路过渡； 1.6丝的细颗粒过渡。 （1）短路过渡焊接 1）过渡过程及电流、电压波形 短路过程及电流电压波形UI 3）规范参数选择 a电流、电压小电流、低电压原则 电流与电压需良好匹配 I=100180A，U=1820Vb直流电感 必要性 对熔滴过渡的影响通过影响短路峰 值电流和di/dt影响短路过渡过程。 直流

19、电源（2）细颗粒过渡 粗丝（1.6）大电流条件下，一般采用细颗粒熔滴过渡形式。 特点：稳定的熔滴过渡形式，电弧的穿透力大，熔深大，适合于中、厚板的焊接。 2.4.4 减少CO2焊飞溅措施 （1）飞溅产生的原因 短路过渡CO2焊飞溅产生机理一般认为由两种原因造成的： 1）小桥爆炸 2）电弧冲击熔池 （2）减少飞溅措施 1）正确选择规范参数 合理工艺参数区：150300A 2）电流波形控制法 3）采用混合气体 4）采用药芯焊丝 2.5 埋弧焊埋弧焊2.5.1 埋弧焊的工作原理 埋弧焊全称为自动埋弧焊，又叫焊剂层下电弧焊。2.5.2 埋弧焊的优点（1）生产率高 1）电流密度大熔深大，焊接速度快 （3

20、050m/h） 2）热效率高无辐射及对流损失 （2）焊缝质量好 1）溶渣的保护效果好充分隔离空气， 减少N的侵入 2）冶金反应充分有利于（从熔渣的） 合金化，改善焊缝质量 （3）劳动条件好无弧光，烟尘小 2.5.3 埋弧焊的缺点 （1）只适合于平焊（或大直径环焊缝） （2）只适宜长焊缝 （3）只适宜焊中厚件电场强度较大， 电流小于100A时电弧不稳定 （4）不适宜焊接活泼金属 2.5.4 埋弧焊的应用 埋弧焊主要应用于低碳钢及铜合金等材料的焊接（铜导热性好，利用埋弧焊能量高的特点） 2.5.5 埋弧焊的焊剂 （1）焊剂的作用 a机械保护作用 b渗合金作用 （2）焊剂的分类 1）按制造方法分为：

21、熔炼焊剂和非熔炼焊剂 a熔炼焊剂原料在高温下熔炼后，处理为颗粒状焊剂。主要成分为MnO、SiO2等氧化物。 b.非熔炼焊剂包括烧结焊剂（陶质焊剂）和粘接焊剂配料、成形全部在较低温下进行。 2）按化学成分分为：酸性、中性、 碱性焊剂。 a酸性焊剂氧化性强，不利于合金过渡，但工艺性较好，电弧稳定。 b碱性焊剂氧化性弱，合金过度量大，焊缝质量好，但工艺性差（电弧稳定性差）。 c中性焊剂（弱碱性）在工艺性尚可的条件下，提高焊缝质量。 2.5.6 埋弧焊焊丝 无特殊要求，与手弧焊焊芯同标准。低C、P、S的优质钢。2.5.7 埋弧焊焊丝与焊剂的选用 （1）焊丝的选择 1）焊缝与母材等强度即可采用同质焊接，

22、也可采用异质焊接（低碳钢、低合金钢） 2）达到与母材化学成分相同采用同质焊接（耐热钢、不锈钢） （2）焊剂与焊丝的匹配 达到焊缝与母材等强度或等化学成分的目的 1）低碳钢与低合金钢焊接采用高硅、高锰酸性焊剂 HJ430（HJ431）+H08A或H08Mn A） 2）高强钢与不锈钢除采用同质焊丝，采用氧化性低的碱性焊剂（不锈钢：HJ260+不锈钢焊丝； 高强钢：HJ250+相应焊丝） 2.5.8 埋弧焊工艺 （1）工艺参数对焊缝成形的影响 1）焊接电流焊接电流主要影响熔深（几乎成正比），但对焊缝宽度影响不大。 2）焊接电压随着电压增加（弧长增加），电弧的作用面积增加，熔宽增加，熔深和余高增加不大。 3）焊接速度电弧功率一定时，增加焊接速度使熔深和熔宽都减小（2）焊前准备 1）清理去油、除锈。一般采用钢丝刷或喷丸处理。 2）开坡口 用于厚板焊接，一般需要开坡口。 a14mm，可不开坡口。 b：1422 mm，开V型坡口。（:500600， h：67 mm） c22 mm，开X型或U型坡口（重要结构） （h：67 mm） h（3）焊接参