熔焊方法及设备复习资料

1.焊接电弧：由焊接电源提供能量，在具有一定电压的两电极之间或电极与母材之间的气体介质中产生的强烈而持久的放电现象。焊接电弧的物质本质:在具有一定电压的两电极之间的气体介质中所产生的电流最大、电压最低、温度最高、发光最强的自持放电现象。2.气体放电的条件，电弧放电的条件：电场；带电粒子电弧中带电粒子的产生：电弧中气体介质的电离和电极的电子发射。（1）电离：再外加能量的作用下，原子分离成→正离子，电子。电离能Wi（电子伏eV）电离电压Ui（V)Wi=eUi，电离电压低→电离能低，产生带电粒子容易→电弧越稳定。总结：金属气体原子的电离电压比较低。气体分子也可以发生电离，一般较困难，如CO2（13.7），Fe（7.9）。稳弧剂机理：几种气体同时存在时，电离电压低的首先被电离，如Na（5.1），而且如果供应充分，几乎主要是其电离。电离需要能量，能量如何获得？（2）激励：外加能量不足以使电子完全脱离气体分子或原子时，而使电子从较低的能级转移到较高能级的现象。3、（气体）电离的种类（1）热电离定义：气体里受热的作用而产生的电离。实质为气体粒子受热温度升高而产生高速运动和相互之间激烈的碰撞而产生的电离。电子与气体粒子的非弹性碰撞是最有效的。主要发生区域：弧柱区（2）场致电离定义：当气体中有电场作用时，气体中的带电粒子被加速，电能被转换为带电粒子的动能，当动能增加到一定程度时能与中性粒子产生非弹性碰撞，使之电离。实质E→V↑,非弹性碰撞电离电子与气体粒子的碰撞是最主要的；连锁反应；主要发生区域：两极区，E=105～107V/cm,弧柱10V/cm。（3）光电离定义：中性粒子接受光辐射的作用而产生的电离。临界波长问题；次要途径问题：既然电子的非弹性碰撞导致气体电离，产生电弧，那么起初高速运动（较大动能）的电子，而且具有一定数量，从哪里来的？4(阴极）电子发射（1）热发射：金属表面承受热作用而产生电子发射的现象。电子发射时从金属表面带走能量，故能对金属产生冷却作用。当电子被另外的同种金属表面接受时，将释放能量，使金属表面加热。热阴极与热阴极电弧:冷阴极与冷阴极电弧（2）场致发射定义，强电场；两极区，E=105～107V/cm,弧柱10V/cm；冷阴极电弧电子发射的主要形式（3）光发射定义；次要途径，无冷却（4）粒子碰撞发射定义；阴极区，正离子对阴极表面的撞击。对冷阴极电弧，有时是一个重要形式19191eV11.6101.610J1.2焊接电弧的产生过程1.2.1接触式引弧（1）短路接触点产生大量电阻热，并熔化液态金属间层；（2）分离E↑,金属蒸气,药皮蒸气→场致发射,场致电离（3）燃弧T↑↑,E→发射,电离与复合平衡应用:熔化极的电弧焊1.2.2非接触式引弧1激发高压脉冲,高频振荡,小气隙→E↑↑→场致发射,场致电离2燃弧带电粒子产生和消失，能量的释放和消耗达动态平衡，稳定燃烧。应用:不熔化极（乌极氩弧焊，等离子弧焊）1.3焊接电弧的构造及其导电机构1.3.1焊接电弧的构造焊接电弧是由阴极区、阳极区和弧柱区三部分构成的。这三部分尺寸不同,电压降也不同。Ua=Uk+Uc+UA1.3.2焊接电弧的导电机构1、弧柱区导电机构（1）99.9%电子流、0.1正离子流；（2）电中性，E小，UC很小，等离子体；（3）电离←→复合。T高；（4）电能→热能，机械能，光能2、阴极区导电机构（1）热发射型W,C等热阴极，大电流；热发射提供弧柱所需电子；与弧柱无区别，UK很小，无阴极斑点；大电流TIG(2)场致发射型CuFeAl等冷阴极材料，WC小电流；热发射不足，正电荷堆积E，Uk↑,场致发射，场致电离（界面），提供99.9%电子流.电流组成Ie+Ii；阴极斑点、寻氧化膜，跳动；MIG3、阳极区导电机构接收99.9电子流、提供0.1%正离子流。（1）热电离型温度高、j大，金属蒸气，电离；UA小，无阳极斑点。（2）场致电离型j小，电子堆积，E↑,UA大，场致电离。阳极斑点，寻找电离电压小的纯金属1.3.3最小电压原理在电流和周围条件一定的情况下,稳定燃烧的电弧将自动选择一适当的断面,以保证电弧的电场强度具有最小的数值,即在固定弧长上的电压最小。这意味着电弧总是保持最小的能量消耗。EL=U,EIL=P分析：（1）I不变，D↑→S↑→散热↑→E↑→D↓（2）I不变，D↓→S↓→J↑→R↑→E↑→D↑（3）强水冷→散热↑→E↑→D↓1.4焊接电弧的电特性1.4.1焊接电弧的静特性定义：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，也称伏-安特性。1.4.21.4.2焊接电弧的动特性对于一定弧长的电弧，当电弧电流发生连续快速变化时，电弧电压与电流瞬时值之间的关系，称为焊接电弧的动特性。它反映了电弧的导电性对电流变化的响应能力。1.5.1焊接电弧的产热机构宏观：焊接电弧能量来自于焊接电源。P=IUK+IUC+IUA＝I（UK+UC+UA）热，光、机械（力）微观：带电粒子不断地产生、消失和运动，便构成了能量的转变和传递过程。1.弧柱区产热2.阴极区产热3.阳极区产热1.5.2焊接电弧的温度分布1、轴向温度分布两电极的温度较低，弧柱区温度较高2、径向温度分布弧柱温度最高，两极次之，中心温度高，周边温度低。1.6.1焊接电弧力1、电磁收缩力（电弧静压力直径不同将引起压力差;电弧静压力，指向小D到大D2、等离子流力（电弧动压力）主因：F推→高温气体离子运动，不断补充电离抽吸作用，气泵。方向：焊丝（电极）→工件;形态：中心速度大102m/s，压力大，动压力大。影响：指状熔深3斑点压力包括：(1)正离子与电子对电极的撞击力(2)电磁收缩力；(3)电极材料蒸发反作用力阴极斑点力大于阳极斑点力。熔化极焊，焊丝不建议接阴极1.6.2焊接电弧力的影响因素（1）焊接电流和电弧电压增大电流，及减小电压会使电弧力增大。（2）电极与焊丝（3）气体介质1.7.2焊接电弧稳定性的影响因素2.1焊丝的加热与熔化焊丝熔化的热源熔化极电弧焊：焊丝的熔化主要依靠阴极区或者阳极区产生的热量以及焊丝伸出长度上的电阻热。弧柱区产生的热量对于焊丝的加热熔化作用比较小。非熔化极电弧焊：弧柱区产热熔化焊丝熔化极电弧焊焊丝的作用：作为电弧的一个电极；提供熔化金属作为焊缝金属的一部熔化速度（vm):单位时间熔化焊丝的重量或长度m/h;g/h熔化系数（αm）:单位时间和电流熔化焊丝的重量或长度m/hA;g/hA熔敷速度（vy):单位时间熔敷在焊件上的金属量g/h熔敷系数（αy）:单位时间和电流敷在焊件上的金属量g/hA熔敷率：飞溅率：损失率：2.1.3影响焊丝熔化速度的因素（1）电流：电流↑→熔化速度↑（2）电压：较长弧长范围内，电压变化→不影响焊丝的熔化在较短弧长范围内，电压↓→熔化速度↑（固有调节）在更短弧长范围内，电压↓→熔化速度↓（3）电流极性：焊丝为阴极时，熔化速度大，（4）气体介质：反接时介质的影响不大，正接时介质的影响比较复杂，无明显规律（5）伸出长度：Ls↑→熔化速度↑（6）焊丝直径：d↑→熔化速度2.2熔滴上的作用力（1）重力（促进或阻碍熔滴过渡）（2）表面张力（促进或阻碍熔滴过渡）（3）电磁收缩力（促进或阻碍熔滴过渡）（4）等离子流力（促进熔滴过渡）（5）斑点压力（阻碍熔滴过渡）（6）爆破力（促进熔滴过渡造成飞溅）（7）电弧气体吹力（促进熔滴过渡）1）除重力、表面张力、爆破力外，其余力都与电弧形态有关。2）熔滴上的作用力对熔滴过渡的影响应从焊缝空间位置、熔滴过渡形式、电弧形态、工艺条件等综合考虑。3）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2.3熔滴过渡的主要形式及其特点规律：随着电流的增加，熔滴过渡的体积减小、频率加快。2.3.1短路过渡•特点•l）短路过渡是燃弧、短路交替进行。调节燃弧时间或熄弧时间即可调节对焊件的热输入，控制母材熔深。•2）短路过渡时所使用的焊接电流（平均值）较小，但短路时的峰值电流可达平均电流的几倍，既可避免薄件的焊穿又能保证熔滴顺利过渡，有利于薄板焊接或全位置焊接。•3）短路过渡一般采用细丝（或细焊条），焊接电流密度大，焊接速度快，故对焊件热输入低，而且电弧短，加热集中，可减小焊接接头热影响区宽度和焊件变形。短路过渡稳定性频率高，稳定性好。•燃弧时间---短路时间•燃弧时间：焊接参数（Ia，Ua，vf•短路时间•电源动特性(1)（合适的）电流上升率di/dt(2)（适当的）短路最大电流Im；(3)（快的）空载电压恢复速度dU/dt搭桥过渡接触过渡。无电流。电弧热与熔池接触，表面张力、重力和电弧滴状过渡举例：（1）氩气介质中，由于电弧电场强度低，弧根比较扩展，并且在熔滴下部弧根的分布是对称于熔滴的，因而形成粗滴过渡（2）CO2气体保护焊时，由于气体分解吸热对电弧的冷却作用，使电弧的电场强度提高，电弧收缩，弧根面积减小，增加了斑点压力而阻碍熔滴过渡，并形成排斥过渡。（3）直流正接，由于斑点压力很大，无论氩气还是二氧化碳保护，都有明显的排斥过渡（4）电流比较大时，相应的电磁收缩力增大，表面张力减小，熔滴存在的时间短，熔滴细化（一般也大于焊丝直径），过渡频率增加，形成细滴过渡或称为细颗粒过渡，电弧稳定性比较高，飞溅少，焊缝质量高。1.射滴过渡条件：大电流、大弧压，富氩2射流过渡优点：（1）电弧稳定、飞溅少、焊缝成形好。（2）保护气体扰动小，保护好，焊缝质量好。（3）热流集中，功率大，熔透强，生产率高。2.3.4渣壁过渡渣壁过渡是焊条电弧焊和埋弧焊中出现的一种熔滴过渡形式。熔滴沿渣壁流下，落入熔池。•3.1焊缝形成过程及焊缝形状尺寸3.1.1焊缝成形过程电弧热作用形成熔池；力作用下保持熔池形状；热源移过熔池凝固形成焊缝；焊缝形状决定于熔池形状；熔池形状受电弧（热、力），接头形式、空间位置、坡口、间隙、熔滴过渡形式的影响。3.1.2焊缝形状尺寸H－焊缝熔深；B－焊缝熔宽；h－焊缝余高；Ah－填充金属熔化面积；AM－母材熔化面积；φ－焊缝成形系数=焊缝宽度／熔深ψ－余高系数＝焊缝宽度/余高γ－熔合比（母材在焊缝中占的比例1.焊缝与熔池的关系及焊缝形成（1）焊缝形状决定于熔池的形状（2）熔池的形状要受电弧（热、力）、接头形式、空间位置、坡口、间隙、熔滴过渡形式等等有关。（3）最希望的焊接空间位置？保证位置的措施（翻转、强迫成型装置）3.2熔池形状与电弧热的关系焊接电弧热输入''''sPPUIPPPPP工件热输入功率电弧热功率P’中热损失包括：（1）弧柱的散热（辐射，对流，传导）；（2）焊枪和电极的散热；（2）药皮、焊剂的损失；（4）飞溅的损失。点移动热源计算得出近似基本规律：•B=2H,近似与成正比，与成反比•熔池尾部长度与P成正比，受焊速影响不大•熔池前部长度随P成正比，与焊速成反比•面热源假设的计算结论：I增大，P’增大，P增大，r增大，qm增大，k减小熔深增大，熔宽也增大（不考虑凹陷3.3熔池受到的力及其对焊缝成形的影响1、熔池金属的重力影响与跟焊缝空间位置有关2、表面张力阻碍金属流动，保持熔池形状影响熔池轮廓及表面形状成份与温度表面张力梯度（成分，温度），影响HB3电弧力斑点压力-涡流-加大H；电弧静压力-凹陷-熔宽；电弧动压力-指状熔深4熔滴冲击力射流过渡，熔滴冲击力，指状熔深。3.3焊接参数和工艺因素对焊缝成形的影响1.焊接电流(主要影响熔深)：I↑→熔深↑、熔宽稍↑、余高↑2.电弧电压(主要影响熔宽)：U↑→熔宽↑、熔深↓、余高↓3.焊接速度：v↑→熔深↓、熔宽↓、余高↓注：焊接电流决定熔深，电压决定熔宽。3.4.2焊接电流种类和极性、电极尺寸对焊缝成形的影响1、电流种类、极性（1）非熔化极：正接：H↑,W烧损小（阳极产热多）反接：H↓,W烧损大，阴极清理作用交流：O(∩_∩)O（2）熔化极：正接：H↓,B↓，熔滴过渡困难（阴极产热多，不用，除非堆焊）反接：H↑，B↑，（阴极产热多，阳极斑点力小，熔滴过渡容易，阴极清理作用）交流：不用。2、钨极端部形状焊丝直径伸出长度（1）钨极尖