焊接电弧的概念及形成

焊接电弧的概念及形成焊接电弧，实质上就是在一定的条件下，两电极间的气体发生强而有力、持久的放电现象。一、电弧的引燃条件引燃电弧的条件最根本的是取决于电极发射电子能力的强弱和气体被电离的难易程度。1、电极发射电子的能力电极中的原子都是以离子的金属键按一定规则排列，自由电子则在正离子间不断运动，并受原子核的引力舒服束缚而无发逸出金属之外。当两极加以一定电压时，阴极表面的自由电子在电场力的激励下而脱出，自由电子从阴极表面逸出所需的能量叫逸出功，单位为“电子伏特”（eV）。不同金属具有不同的逸出功，电子发射能力也不同，逸出功越高，需要供给的能量也越大，越不易发射电子（如碳、铁、钨等）。反之，逸出功越低，需要供给的能量也越少，越易发射电子（如钾、钠等）。发射电子的能力与金属的熔点（铁为1537℃，钨为3380℃）和沸点有关，尤其是沸点，不同的沸点发射电子的能力也不同，例如：铁和钨两种金属，虽有相近的逸出功（铁为4.48eV，钨为4.54eV），但铁的沸点（2930℃）远低于钨的沸点（5900℃），当温度超过铁的沸点时，铁的发射电子能力也就丧失，而钨在此温度下，仍能保持高的电子发射能力。电极发射电子的形式依能量的来源不同而改变，一般有热发射、强电场发射、光发射、和撞击发射四种。熔焊过程主要以热发射和强电场发射为主。例如铁的沸点低，故以强电场发射为主；钨的沸点高，故以热发射为主。在电弧中，阴极是发射电子的源泉，而阳极除接收由阴极发射出来的电子外，还起到排斥正离子向阴极方向运动作用。阳极既不能发射电子，也不能产生正离子。2、气体的电离程度气体被电离的难易程度主要取决于气体本身所具有的电离电位的高低。气体原子的外层电子脱离原子核引力束缚所需要的能量叫电离电位，不同气体有不同的电离电位，电离电位越高，需要的能量越大，越难被电离，引燃电弧越困难，电弧燃烧也不稳定。空气称为绝缘体，在于它具有很高的电离电位，而大部分具有良好导电性能的金属，主要是它们的电离电位低。气体的电离方式通常有热电离、撞击电离和光电离三种。熔焊时，以前两者为主。二、电弧特性1、电弧构造及热量分布电弧由下面几个区组成（见图2—5）：焊条弧柱阴极区阳极区-+图2—5电弧的构造（1）、阴极区是发射电子区，温度为2200—3600K，光亮度占全电弧的10%，放热量占全电弧的38%。（2）、弧柱是气体被电离区，是电子和正离子离解、复合频繁运动的场所，温度可达5000—8000K，光亮度占全电弧的5%，放热量占全电弧的20%。（3）、阳极区是受阴极发射电子的轰击区，温度为4200K，光亮度占全电弧的85%，放热量占全电弧的42%。阳极区比阴极区温度高的原因主要是：阴极区发射电子需要消耗一定的能量，而阳极区则受到高速电子轰击吸收了大量能量所致。采用直流电源电弧焊时，选择极性接法的根据就在此。2、电弧的静特性电弧长度一定时，电弧电压与通过电弧空间的焊接电流之间的关系叫电弧的静特性。焊接时，电弧电压和焊接电流的关系不是呈线性改变，而是按U型曲线进行（见图2—6），该曲线称为电弧的静特性曲线。通常分为如下三个区段。电弧电压（V）焊接电流（A）abcd图2—6电弧的静特性（1）、a—b区段a为电弧引燃起始点，引弧电压较高（近似空载电压），而通过电弧的电流很小。电弧燃起的瞬间，两极间的气体迅速被电离，阴极在电弧热的作用下，增强了电子发射能力，弧柱的电阻值也随之下降，电弧电压很快降至b点，焊接电流稍有增大，从而形成a—b区段的陡降曲线。（2）、b—c区段该区段为电弧稳定燃烧的正常焊接区段，电弧电压与焊接电流的大小无关，随电极材料和弧柱中的气体成分的改变而变化。焊接电流在此区段内调节，以满足电极材料需要的熔化温度，但电弧电压维持不变，所以形成一个水平区段。（3）、c—d区段该区段为气体电离饱和区段，由于电极直径没有改变，电流密度却已达到极限，电极间的电压也随之提高。所以焊接电流超过c点后，电弧电压也随之上升。故c—d区段形成一个陡升曲线。电弧的静特性与焊接电源（焊机）的外特性之间的关系可见《焊接设备》一章。三、影响电弧稳定燃烧的因素为保证焊缝质量，避免焊接缺陷的产生，首要的是电弧在燃烧过程中具有良好的稳定性，也就是说，电弧能维持一定的长度不熄灭，不偏吹，不摇摆。造成电弧不能稳定燃烧的因素除焊工操作技术不熟练外，主要由以下几个原因引起的：1、焊接电源的影响焊接电源是提供电弧由电能转变为热能的主要设备。焊机质量差，外特性欠佳，空载电压过低，直流电源的极性接错等，均会影响电弧稳定燃烧。从焊接电源的种类和极性接法相比较，直流电源比交流电源稳定；反接法比正接法稳定。2、溶渣（焊条涂料）的影响药皮成分中含有较多电离电位低成分的比含有较多电离电位高成分的稳定，药皮厚度适度的比过厚或过薄的稳定。3、气流的影响在露天风力较大（5级以上）或有过堂风场所施焊是，容易将电弧吹偏或摇摆不定。4、焊件表面不洁净的影响焊件表面锈蚀、沾有油脂或漆类，不但难以引燃电弧，而且电弧不能稳定燃烧。5、电磁力的影响电弧在电磁场的影响下发生偏吹的现象叫磁偏吹。施焊时，电弧的轴线始终与电极的轴线在同一中心线上（如图2—7a）。当用直流电源施焊时，发生弧柱轴线偏离电极轴线，向某一方向摇摆，这种现象是由于磁场分布不均所致（见图2—7b），改变接线部位便可消弱磁偏吹现象（见图2—7c）。（a）（b）（c）图2—7电弧的磁偏吹除上述因素外，焊接工艺规范不当，电极材料性能不良，焊条药皮厚薄不匀，松散，脱落，被焊工件带有磁性等都会影响电弧稳定燃烧。四、熔焊过程的两个基本概念1、热源沿被焊工件按一定方向移动时，焊接溶池（焊缝）或近缝区上某一点的温度，随着时间的变更由低到高，又由高至低的变化过程称为焊接热循环。为了便于温度的测量，以近缝区的温度变化为例加以说明。距熔池远近不同，金属工件上各点受热程度也不同，所经历的热循环也不一样，由图2—8可以看出：距离熔池越远，受热温度越低。20040060080010001200-10010203040501234512Mnδ=20min150mm/lnin170A25V12345号位113500.3212000.5310001.84800356004.5温度（℃）距离（mm）图2—8焊接热循环tcs焊接热循环的主要参数（见图2—8）有：（1）、加热速度（tw）近缝区在热传导下，由室温加热至某一点的最高温度所需的时间为加热速度。如焊接12Mn钢时，近缝区的点1（距离为0.3mm）的温度由室温突升至1350℃，而时间只用了零点几秒。（2）、加热最高温度（Tm）依距近缝区远近的不同，各点的最高受热温度也有所不同。如点2（距离为0.5mm）的最高温度为1200℃，而点3（距离为1.8mm）则为1000℃。（3）、停留时间（Th）是指未熔金属受热而发生相变的温度范围（Ts以下）所维持的时间。这与热源在单一熔池（一个焊点）上停留的时间有关，热源停留的时间越长，输入熔池的热量越多，焊接热循环的受热点的停留时间也就越长（Th越宽）（4）、冷却速度（tn）焊接热循环中的冷却速度与焊件的尺寸和导热系数有关，焊件大而厚，导热性强，冷却的速度快，所形成的下降曲线也越陡。总而言之，焊接热循环过程的技术参数是多变的，它们是根据钢材品种、金属的导热性、被焊工件的尺寸、焊接接头型式、焊接方法、焊接线能量、焊前预热以及环境温度的不同而改变。所以形成的曲线图形也有差异。2、焊接线能量向单位长度焊缝内输入的焊接热量称为焊接线能量。它主要表示熔焊过程中焊接电流、电弧电压和焊接速度三者之间的关系，常以下式表示：q=（J/cm）……(2—1）式中q—焊接线能量（焦耳/厘米）U—电弧电压（伏特）I—焊接电流（安培）v—焊接速度（厘米/秒）上式说明，焊接线能量与焊接电流和电弧电压成正比，与焊接速度成反比。焊接电流越大或电弧电UIv压越高，输入焊缝（焊池）中热量越多；焊接速度越快，单位时间内所焊焊缝长度越长，输入焊缝中的热量越少。谢谢！