电弧焊总结前三章Word格式文档下载.docx
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热电离时的电离度x随温度的升高,压力的减少,电离电压的减小而增加。
弧柱区温度一般在5000~30000K,热电离是弧柱部分产生带电粒子的最主要途径。
b)电场电离:
带电粒子在电场的作用下与中性粒子产生非弹性碰撞而使之发生的电离。
在阴极压降区和阳极压降区,电场强度很高(105~107V/cm),只有在这两个区域才显著产生电场电离现象。
在弧柱区场强只有10V/cm,电场电离是次要的。
c)光电离:
中性离子接受光辐射的作用而产生的电离现象。
发生电离的条件:
光电离也是电弧中产生带电粒子的一个次要途径。
iii.电子发射的种类
a)热发射:
金属表面承受热作用而产生电子发射现象。
i.热阴极电弧:
使用沸点高的W或C作阴极材料,主要靠热发射提供电子。
ii.冷阴极电弧:
使用沸点较低的钢、铜、铝、镁等作阴极,不可能通过热发射提供足够的电子。
b)电场发射:
金属表面空间存在一定强度的正电场时,金属内的电子受电场力的作用飞出金属表面的现象。
c)光发射:
金属表面受光辐射时,金属表面自由电子能量增加,飞到金属外部的现象。
条件:
光发射在阴极发射现象中居次要地位。
d)粒子碰撞发射:
高速运动的粒子碰撞金属表面时,将能量传给金属表面的电子,使其跑出金属表面的现象。
电子发射时因从金属表面带走热量所以对金属表面有冷却作用(除光发射)。
其中,热发射时带走的热量最多,电场发射次之。
iv.负离子的产生:
中性原子或分子能吸附一个电子而形成负离子。
特点:
在电弧的周边形成;
有消电离作用。
v.热解离:
电弧中的多原子气体,由于热的作用将分解为原子,这种现象称为热解离。
影响:
热解离是吸热过程,会对电弧产生重要影响。
3.电弧各区域的导电机构
i.电弧的构造和电弧电压
阳极外紧靠阳极的导电区称为阳极区,其电压称为阳极电压降;
阴极外紧靠阴极的导电区称为阴极区,其电压称为阴极电压降;
中间部分为弧柱区,其电压称为弧柱电压降。
阳极区与阴极区在电弧长度方向的尺寸约为10-2~10-6cm。
电弧电压等于三个区的电压之和。
ii.阴极区的导电机构
a)热发射型阴极区导电机构
产生条件:
阴极采用W、C等高熔点材料,且电流较大时。
此时正离子流=总电流的0.1%。
b)电场发射型阴极导电机构
阴极材料为W、C且电流较小时,或阴极材料采用熔点较低的Al、Cu、Fe时。
正离子流>
总电流的0.1%;
阴极表面存在阴极斑点。
c)阴极区的作用:
向弧柱区提供所需要的电子流。
iii.阴极压降(电场发射型时)的形成过程:
P21Para.1
阴极温度降低时,热发射不足以满足弧柱区对电子的需求,靠近阴极的区域正负电荷的平衡受到破坏,过剩的正离子堆积,此处空间显示正电性,形成阴极压降区;
当正离子被加速到足够快,在到达阴极时会有更多动能转化为热能,加强阴极的热发射;
强电场的存在也会使阴极的电子发射量增大,向弧柱区提供所需要的电子流。
iv.阴极斑点
a)概念:
指阴极表面局部出现的发光强,电流密度很高(5x105~107A/cm2)的现象。
b)产生条件:
Al,Cu,Fe作阴极或电流较小,阴极(C/W)温度较低时。
c)特点:
i.阴极斑点由许多小斑点组成;
ii.存在较大的斑点压力(发射的金属蒸气流的反作用力及正离子对阴极的撞击力);
iii.自动寻找氧化膜。
EX.铝合金:
电子发射能力低,本身导热性能好,对电弧能量的消耗大,不利于熔池的形成;
由于氧化膜的存在,氧化物与纯金属相比,电子逸出功低,更具备电子发射的能力,电弧导电点更多集中在有氧化膜的地方,从而形成阴极斑点;
在焊丝作阴极时也有表现(阴极雾化);
正离子撞击破碎氧化膜。
EX2.从阴极发射的电子对阴极有冷却作用(逸出功)——电子汽化带走热量
直流反接:
电子冷却阴极也就是冷却工件
a)阴极受热将会熔化焊丝;
b)有利于填充坡口;
c)熔滴过渡频率可达100滴/s;
d)焊条电弧焊采用正接接法。
e)GTAW是焊接铝合金最常用的方法。
v.弧柱区的导电机构
a)特点:
(以热电离为主)
i.温度较高,5000~30000K;
ii.弧柱中因扩散和复合而消失的带电粒子将由弧柱自身的热电离来补偿;
iii.弧柱中电子流占99.9%,正离子流占0.1%;
iv.从整体上看弧柱空间保持中性。
b)弧柱部分电压低电流大,电场强度较弱,为10V/cm左右。
c)弧柱区中热电离是主要形式,电场电离是次要的。
vi.阳极区与阳极斑点
a)阳极区作用:
接受99.9%电子流,提供0.1%正离子流
b)正离子来源:
阳极区电场作用下的电离(小电流时),以及阳极区的热电离(大电流时)。
c)阳极压降的形成过程:
P22Para.3
电弧导电时,阳极不发射正离子,弧柱所需的正离子不能从阳极补充,阳极前的电子发生堆积,形成阳极压降区。
当阳极压降增加到一定程度时,进入阳极区的电子获得足够动能,与阳极区内的中性粒子碰撞使之电离,当电离所得正离子满足弧柱要求时,阳极压降保持稳定。
d)但是,在阳极金属为W/C等熔点高的材料,电流大,发热高使得热电离能提供弧柱区所需正离子时,阳极压降接近于0。
e)阳极斑点:
指阳极表面局部出现的发光强,电流密度很高的现象。
i.产生条件:
采用低熔点材料做阳极(Fe,Cu,Al等)且大电流时,金属部分蒸发;
ii.特点:
1.阳极斑点由许多小斑点组成;
2.有自动寻找纯金属表面而避开氧化膜的倾向(需要金属的蒸发);
氧化膜发射电子能力强,但吸收电子的能力弱。
3.也存在斑点压力(但较阴极斑点小)。
iii.小电流时,电流流入阳极表面大致等于弧柱截面,不会产生阳极斑点;
增大电流,金属原子的电离电压低,一旦阳极产生金属蒸气,很容易在附近形成弧柱,电弧集中于此,同时阳极表面集中于一点,形成阳极斑点,电流密度比弧柱区高很多。
vii.最小电压原理
当散热增加,产热需要增加,而弧柱本身以要维持其电压最小的特性,因此要收缩截面,增加产热,维持热平衡。
当电弧被强迫冷却时,电弧将自动收缩断面,使电流密度提高,则场强提高,电弧电压提高。
b)电弧形态:
i.小电流时,弧柱截面较大;
ii.大电流时,由于有电磁收缩效应,弧柱变成紧缩的形状;
iii.小电流密度10~300A/cm2,温度低于7000K,大电流密度103~104A/cm2,温度超过10000K。
4.电弧的静特性
一定长度的电弧在稳定燃烧时,电弧电压和电弧电流之间的关系。
A区为负阻(降)特性,B区为平特性,C区为升特性。
5.静特性三区产生原因
i.电流较小,电流密度基本不变,电流增加时弧柱面积增加,但周长增加少,散热小于总产热,电弧温度升高。
热电离程度增大,电子发射能力增加,弧柱电阻率降低,导致电压下降。
ii.电流稍大时,焊丝金属将产生金属蒸气的发射和等离子流,散热增加,产热散热近似相等,因此场强及电压近似不变。
iii.电流进一步增大时,金属蒸气和等离子流的散热作用进一步加强,散热大于产热,由最小电压原理则截面收缩,电导率降低,电压随着电流的增加而增加。
EX.GTA钨极氩弧焊;
GMA熔化极气体保护焊(直流反接);
SAW埋弧焊;
PAW等离子弧焊。
6.影响电弧特性的因素
i.电弧长度;
电流一定时,电弧电压随弧长的增加而增加。
(Ed在d增加时增大)
ii.保护气成分;
双原子气体的分解吸热及导热系数大的气体加强冷却电弧,为保证电流不变,电弧电压升高。
(最小电压原理)
iii.保护气体压力;
气体压力越大,冷却作用越强,电弧电压越高。
iv.电极条件;
v.母材情况。
7.电弧的动特性
指焊接电弧电流的瞬时值与电压瞬时值之间的关系。
一般电流上升时的电压高于电流下降时的电弧电压(由于电弧具有热惯性),电源频率越高,热惯性效果越明显,电弧电压变化越小。
8.电弧的产热
电弧总功率:
有效功率:
(效率随电弧电压升高而降低(电弧变长))
能量密度:
单位有效面积上的热功率,单位W/cm2。
9.阴阳极的产热
阴极区总能量:
,其中
为阴极区压降(总能量),
为逸出电压(克服阴极表面的束缚消耗能量),
为弧柱温度的等效电压(电子流离开阴极区带走的能量)。
阳极区总能量:
为阳极区压降(电子被阳极压降加速获得的能量)。
注:
当弧柱区为6000K时,
,且电流较大时,
,则公式简化为
阴极:
;
阳极:
。
EX.熔化极电弧焊接(GMA)时为保证熔深,一般采用直流反接(焊条接正极)。
10.电弧的温度分布
弧柱区温度最高,而两个电极上温度较低;
阴极阳极区的电流密度和能量密度较高。
11.影响温度分布的因素
i.电弧电流:
电弧电流增大,最高温度增大,但存在极限;
ii.电极斑点:
斑点处的温度明显升高;
iii.电弧长度:
弧长变化不会影响电弧的最高温度,但影响电弧的温度分布;
iv.阳极材料:
阳极材料和状态将影响阳极表面附近的温度值;
v.保护气体成分:
不同保护气体的电弧最高温度基本相同,但电弧的形态颜色不同。
12.电弧的力学特性
i.电弧的力学特性
a)电磁收缩力(电弧静压力):
平行的同方向电流间的吸引力。
设电弧为圆柱体,电流在电弧中分布均匀,电弧中任意半径处的压力:
,r=0时,径向压力为
,轴向压力合力为
,F同时作用于焊条和工件上。
实际上焊条指向工件的推力:
与
分别为锥形上,下底面半径。
b)等离子流力(电磁动压力):
电弧中由电弧推力引起高温气体的运动所形成的力。
影响因素:
电流大小和电弧弧长。
对熔池形状有影响,容易形成指状熔深,熔宽变化不大。
c)斑点力(阴大阳小)
i.带电粒子对电极的冲击力;
ii.电磁收缩力;
熔化极电弧焊时,为使熔滴过渡顺利进行,并减少金属飞溅,一般均采用直流反接焊接(工件接负极)。
iii.电极材料蒸发的反作用力。
d)爆破力
这是CO2气体保护焊短路过渡焊接时的常见现象。
常发生于:
熔滴呈短路过渡时;
电弧重新点燃时。
ii.电弧力的影响因素
a)气体介质:
气体种类不同,电弧压力不同;
b)焊接电流:
电流增大时,电磁收缩力和等离子流均增加;
c)电弧长度:
电弧长度增加时,电弧压力降低;
吹气
d)电极直径:
电极直径越小,电弧力越大;
e)电极极性:
GTA时,钨极接负(直流正接)电弧压力大,熔深大;
接正(直流反接)电弧压力较小,有阴极雾化现象,熔深较浅;
GMA时直流正接电弧压力小,直流反接电弧压力较大。
f)端部的几何形状:
钨极端头角度越小,电弧力越大;
13.电弧的挺直性
概念:
电弧作为一个柔软导体抵抗外界干扰,力求保持焊接电流沿焊条轴向流动的特性。
14.电弧的磁偏吹
由于自身磁场不对称使电弧偏离焊条轴线的现象。
预防措施:
i.采用较短弧长焊接;
ii.对工件采用分布式接地的方法,如两侧接地或多点接地;
iii.操作中调整焊枪或焊条的角度;
iv.使用脉冲焊或高频电弧焊;
v.避免铁磁性物质的影响;
vi.使用交流焊接。
焊丝的加热熔化与熔滴过渡
1.焊丝的加热与熔化
a)电弧热(主要):
阴极区(正接)或阳极区(反接)所产生的热量。
EX.钨极氩弧焊GTA采用正接,熔化极气体保护焊GMA以反接为主。
b)正接:
反接:
c)电阻热(次要):
干伸长的焊丝的电阻产热。
d)电阻热热量:
为焊丝的伸出长度,S为焊丝的断面积。
e)焊丝熔化的总热量是单位时间内电弧热和电阻热提供的热量:
(推导过程重要)
2.影响焊丝熔化速度(单位时间内焊丝熔化的重量)的因素
a)焊接电流:
随着焊接电流增大,焊丝的电阻热与电弧热增加,焊丝的熔化速度加快;
b)干伸长:
越长,熔化速度越快;
c)气体介质和焊丝的极性:
焊丝为阴极时的熔化速度大于焊丝为阳极时的熔化速度,焊丝作阴极时,气体成分(影响阴极压降)对焊丝熔化速度影响很大,作阳极时影响不大。
d)熔滴过渡形态:
过渡越剧烈熔化速度越快;
e)电弧电压:
电弧电压较高时对焊丝熔化速度影响不大,电弧电压较低时,电压变小熔化速度增加。
EX.电弧的固有自身调节作用(Al合金焊接):
指在焊丝送丝速度发生变化时,焊丝熔化系数随弧长的减小而增大的现象。
它使电弧自身具有保持稳定长度的能力。
等速送丝+恒流电源
3.熔滴上的作用力
a)熔滴过渡:
在电弧热作用下,焊丝与焊条端头的金属熔化形成熔滴,受到各种力的作用向母材过渡。
b)作用力:
表面张力,重力,电磁收缩力,斑点压力,等离子流力等。
i.重力:
在平焊时,重力是促进熔滴脱离焊丝的力。
立焊和仰焊时,重力将阻碍熔滴过渡。
ii.表面张力:
在焊条端头上保持熔滴的主要作用力。
其中,R为焊丝半径,
为表面张力系数。
在熔滴尚未接触工件表面时,阻碍熔滴过渡;
在熔滴刚接触到工件表面时,促进熔滴过渡。
iii.电磁收缩力
斑点直径大于熔滴直径时促进过渡,斑点直径小于熔滴直径时阻碍过渡。
大小为
为电弧根部(斑点)的直径,
为熔滴的直径。
iv.等离子流力:
总是促进熔滴过渡;
v.斑点压力
1.电磁收缩力:
作用在熔滴下方时阻碍,包围整个熔滴时促进;
2.带电粒子的撞击力:
阻碍;
3.材料蒸发时的反作用力:
阻碍。
4.熔滴过渡(特点及描述)
a)分类:
自由过渡,接触过渡,渣壁过渡;
b)自由过渡:
熔滴过渡时自由飞行,焊丝头部与熔池不发生直接接触;
i.滴状过渡:
大滴过渡,大滴排斥过渡,细颗粒过渡;
ii.喷射过渡:
射滴过渡,射流过渡,旋转射流过渡;
iii.爆炸过渡;
c)接触过渡:
焊丝端部的熔滴与熔池表面通过接触而过渡;
i.短路过渡;
ii.搭桥过渡;
d)渣壁过渡:
埋弧焊和手弧焊中,熔滴沿着渣壁流下过渡。
i.沿熔渣壳过渡;
ii.沿套筒过渡。
5.各过渡的特点
a)滴状过渡
高电压,小电流;
i.大滴滴落过渡:
高电压小电流MIG焊;
ii.大滴排斥过渡:
小电流的CO2焊,电弧不稳,飞溅大,很少采用;
iii.细颗粒过渡:
大电流CO2焊,电弧稳定,飞溅较小;
滴状过渡的基础是高U小I,此时为大滴滴落过渡(MIG)。
在CO2焊中,高U小I为大滴排斥过渡;
UI均较高时,变为细颗粒过渡;
U小I小时变为短路过渡。
b)喷射过渡
i.射滴过渡:
1.产生条件:
中电压,中电流,Al合金MIG焊,或钢焊丝脉冲MIG焊;
2.特点:
电弧稳定,飞溅较小,成型好。
3.熔滴直径小于焊丝直径;
4.加速度大于重力加速度;
5.沿焊丝轴向过渡。
ii.射流过渡
钢MIG焊,大电流;
a)电弧呈钟状,电极呈铅笔状;
b)熔滴细微,频率高,速度大;
c)焊缝熔深大;
d)电弧稳定,飞溅小,成型好;
e)存在一个临界电流值,称为射流过渡临界电流(与焊丝材料,保护气体,焊丝直径有关),用于厚板焊接。
iii.细颗粒过渡
电流电压较大;
a)电弧基本上潜入工件表面之下;
b)熔池较深,熔滴以较小的尺寸,较大的速度沿轴向过渡到熔池中。
c)用于中等厚度及大厚度板材的水平位置焊接。
c)短路过渡
小电流,低电压,细丝CO2焊;
电弧稳定,飞溅较小,广泛用于薄板及全位置焊接;
短路频率大小是短路过渡过程稳定性的标志。
(频率越大越好)
iii.保持短路过渡稳定性的方法:
1.保证合适的短路电流上升速度;
2.要有适当的短路电流峰值;
3.短路完了后,空载电压恢复要快,以便及时引弧避免熄弧。
iv.二保焊防止飞溅的措施
1.在气体中加入少量氩气;
2.对于短路过渡电弧焊,在焊接回路中加入一个适当的电感;
3.对于短路过渡电弧焊,采用电流波形控制法。
4.采用活化焊丝或药芯焊丝。
d)亚射流过渡
介于短路与射滴过渡之间的过渡方式。
铝MIG焊,介于短路和射滴过渡之间;
ii.原理:
形成缩颈在即将以射滴过渡脱离之际与熔池短路,在电磁收缩力的作用下细颈破断,并重燃电弧完成过渡。
iii.特点:
1.电弧呈碟形,阴极雾化作用强。
焊缝起皱及表面形成黑粉的现象比射流电弧少;
2.熔深呈碗形,可避免指状熔深引起的熔透不足等缺陷;
3.电弧具有很强的固有自调节作用,采用等速送丝机配恒流特性的电源即可保持弧长稳定,焊缝外形及熔深非常均匀;
4.电弧短,可提高气体保护效果,降低焊缝产生气孔和裂纹的倾向;
5.与短路过渡区别:
先有颈缩后短路,且短路时间短,短路电流小;
与射滴过渡区别:
存在短路现象。
喷射过渡的基础是中U中I。
在铝MIG焊中为射滴过渡,在钢MIG焊中为射流过渡。
当电弧长度U减小时,射滴过渡转变为亚射流过渡。
6.熔敷系数及飞溅
a)熔敷效率:
过渡到焊缝中的金属重量与使用焊丝重量之比。
弧长越长,电流越大,损失量越大,熔敷效率降低。
b)熔敷系数:
单位时间,单位焊接电流内所熔敷到焊缝上的焊丝金属重量。
c)损失系数等参见焊接冶金学
d)二保焊中随电弧电压和焊接速度增加,熔化系数与熔敷系数减小,损失系数增大。
e)二保焊短路过程中的飞溅参考第八章及书P62
7.保护气的分解及在金属中的溶解
a)保护气体的种类
i.对于GTAW方法,使用最普遍的是Ar,特殊要求下选择He,Ar及He的混合气,在Ar中加入少量H2这几种组合;
ii.对于GMAW方法,使用的主要气体是Ar,CO2,O2,有单一Ar,单一CO2,Ar+CO2,Ar+CO2+O2,Ar+O2这几种选择;
iii.保护气体及混合气体的选择主要根据焊接金属的材质和焊接厚度确定。
b)纯度
Ar>
99.9%,CO2>
99.5%
c)保护气的解离
i.多原子气体(由2个以上原子组成的气体分子)在热的作用下将分解为单原子气体;
ii.解离能与解离度。
d)保护气在金属中的溶解
一般,当气体与液体共存时,通过界面,气体的一部分要溶解到液体中去。
溶解的途径有两种:
与气相中相同状态;
与气相中不同状态。
在焊缝液态金属中溶解的H,N,CO等是形成气孔和冷裂纹的重要原因。
EX.MIG+O2=MAG;
GTA首选,通用性最好。
e)保护气Ar+He
i.性质:
Ar,He均为惰性气体;
ii.Ar中加入He,可提高电弧功率和温度,改善熔深。
iii.电弧稳定,飞溅小;
iv.He含量越大,飞溅越大。
v.应用:
1.焊Al及合金:
改善熔深,减小气孔,提高生产率;
TIG焊:
Ar+He(60~70%);
MIG焊:
Ar+He(<
10%)
2.焊Cu及合金:
改善焊缝金属润湿性,提高质量;
Ar+He(50~70%)
3.焊Ni及合金:
改善焊缝金属润湿性及熔深。
Ar+He(15~20%)
f)保护气Ar+H2
提高电弧功率及温度,减少CO气孔;
ii.应用:
用于焊接Ni及其合金,减少CO气孔。
Ar+H2(<
g)保护气Ar+N2
形成稳定的喷射过渡;
飞溅较大,焊缝表面粗糙,温度比纯Ar高,热功率提高,降低预热温度。
用于焊接Cu及其合金。
h)保护气Ar+O2
改善焊缝金属润湿性,消除阴极斑点漂移现象,改善指状熔深,消除H气孔。
ii.降低表面张力,熔滴均匀;
也可增大电弧稳定性,增加液体金属流动性,细化熔滴,改善焊缝成形。
iii.应用:
1.焊接不锈钢:
Ar+O2(1~5%)
2.焊接低碳钢及低合金钢:
提高生产率,改善熔深,减少结晶裂纹。
(20%)
i)保护气Ar+CO2
与Ar+O2相同;
ii.简化焊前清理工作,电弧稳定,飞溅小;
iii.抗气孔能力强,焊缝力学性能好。
iv.应用:
Ar+CO2(<
5%)
细化熔滴,改善熔深。
减少飞溅。
(<
25%)
j)Ar+CO2+O2
飞溅小,电弧稳定,成形好;
良好的焊接质量,焊缝断面形状及熔深较理想。
8.按被焊钢种分类保护气体
a)铝及其合金
i.Ar+(20%~90%)He或Ar+(10%~75%)He
1.电弧稳定,飞溅小;
2.温度高,熔透能力大,焊缝成形好;
3.随着氦含量的增大,飞溅增大。
ii.Ar+2%CO2
1.可简化焊前清理工作,电弧稳定,飞溅小;
2.抗气孔能力强,焊缝力学性能好。
b)不锈钢及高强度钢
Ar+(1-5%)O2或Ar+(1%-2%)CO2
1.提高熔池的氧化性,降低焊缝金属的含氢量。
2.克服指状熔深问题及阴极飘移现象,可有效防止气孔、咬边等缺陷。
3.利用CO2时,焊缝可能会增碳。
c)低碳钢及低合金钢
i.Ar+(1%-5%)O2或Ar+20%CO2
1.提高熔池的氧化性;
2.克服阴极飘移及指状熔深现象,改善焊缝成形;
3.可有效防止氮气孔及氢气孔,提高焊
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