教学目标： 1. 了解电弧热、电弧力及电弧稳定性； 2. 掌握焊丝的熔化与熔滴过渡规律； 3. 会分析和控制母材的熔化与焊缝成型。

焊接方法与操作技术包头职业技术学院

教学目标： 1. 1. 了解电弧热、电弧力及电弧稳定性；2. 掌握焊丝的熔化与熔滴过渡规律；3. 会分析和控制母材的熔化与焊缝成型。

项目一电弧焊基础知识


电弧是所有电弧焊方法的能源。电弧把弧电弧是所有电弧焊方法的能源。电弧把弧焊电源输送的电能转换成热能和机械能。为了焊电源输送的电能转换成热能和机械能。为了弄清楚电弧是怎样实现能量转换和这种能源的弄清楚电弧是怎样实现能量转换和这种能源的利用，这就需要深入了解焊接电弧的物理本质利用，这就需要深入了解焊接电弧的物理本质和各种特性。和各种特性。

1.焊接电弧


电弧：一种气体放电现象，它是带电粒子通过两电弧：一种气体放电现象，它是带电粒子通过两电极之间气体空间的一种导电过程。电极之间气体空间的一种导电过程。

两电极之的气体导电，必须具备两个条件：两电极之的气体导电，必须具备两个条件：

① ① 两电极之间有带电粒子；两电极之间有带电粒子；

② ② 两电极之间有电场。两电极之间有电场。电弧中带电粒子的产生的条件：电弧中带电粒子的产生的条件：

气体的电离和阴极电子发射。气体的电离和阴极电子发射。

1.1 焊接电弧的物理基础


电离：中性气体粒子（分子或原子）吸收足够的外部能电离：中性气体粒子（分子或原子）吸收足够的外部能量，使得分子或原子中的电子脱离原子核的束缚而成为量，使得分子或原子中的电子脱离原子核的束缚而成为自由电子和正离子的过程。自由电子和正离子的过程。气体的电离的方式：气体的电离的方式：热电离：气体粒子受热的作用而产生电粒子的热运动热电离：气体粒子受热的作用而产生电粒子的热运动形一种电离过程。形一种电离过程。场致电离：在两电极间的电场作用下，气体中的带电场致电离：在两电极间的电场作用下，气体中的带电粒子的运动被加速，与中性粒子碰撞产生电离。粒子的运动被加速，与中性粒子碰撞产生电离。光电离：受到光辐射的作用而产生的电离过程。光电离：受到光辐射的作用而产生的电离过程。

1.1.1气体的电离


第一电离能：中性气体粒子失去第一个电子所需的最小第一电离能：中性气体粒子失去第一个电子所需的最小外加能量；外加能量；

第二电离能：失去第二个电子所需的能量；第二电离能：失去第二个电子所需的能量；

电离能单位：通常以电子伏特（电离能单位：通常以电子伏特（ evev ）。）。

电离电压：电子伏特为单位的能量转换为数值上相等的电离电压：电子伏特为单位的能量转换为数值上相等的电离电压表示（电离电压表示（因电子电量为常数）。



当其他条件（如气体的解离性能、热物理性能等）一定时，电离电压低，表示带电粒子容易产生，有利于电弧导电；相反，电离电压高表示带电粒子难以产生，电弧导电困难。

气体粒子电离电压 /v 气体粒子电离电压 /v

H 13.5 K 4.3

O 13.5 Na 5.1

N 14.5 Ca 6.1

F 17.4 W 8.0

He 24.5 Al 5.96

Ar 15.7 Cu 7.68

CO2 13.7 Fe 7.9

H2O 12.6 Cr 7.7



阴极电子发射：阴极表面的自由电子受到一定的外加能量作用时而逸出的过程。

阴极电子发射的种类：

热发射：在热能的作用下，一部分电子动能达到或超出逸出功时产生的电子发射现象。

热阴极：热发射的强弱受材料沸点的影响。当采用高沸点的钨或碳作阴极时（其沸点分别为 5950K和 4200K ），电极可被加热到很高的温度（一般可达 3500K以上），此时，通过热发射可为电弧提供足够的电子。

1.1.2 阴极电子发射


场致发射：当阴极表面空间存在一定强度的正电场时，阴极内部的电子将受到电场力的作用。当此力达到一定程度时电子便会逸出阴极表面，这种电子发射现象称为场致发射。

冷阴极：当采用钢、铜、铝等低沸点材料作阴极时（其沸点分别为 3013K 、 2868K 和 2770K），阴极加热温度受材料沸点限制不可能很高，此时以场致发射为主，热发射为辅而已。



光发射：当阴极表面受到光辐射作用时，阴极内的自由电子能量达到一定程度而逸出阴极表面的现象称为光发射。光发射在阴极电子发射中居次要地位。

粒子碰撞发射：电弧中高速运动的粒子（主要是正离子）碰撞阴极时，把能量传递给阴极表面的电子，使电子能量增加而逸出阴极表面的现象称为粒子碰撞发射。



逸出功： 1 个电子从金属表面逸出所需要的最低外加能量，单位是电子伏。因电子电量为常数。，故通常用逸出电压来表示，单位为 V 。逸出功的大小：受电极材料种类及表面状态的影响。当金属表面存在氧化物时逸出功都会减小。

金属种类 W Fe Al Cu K Ca Mg

Av/ev纯金属 4.5

44.48

4.25

4.36

2.02

2.12

3.73

表面有氧化物(W-Th)

2.63

3.92

3.9 3.85

0.46

1.8 3.31



阴极斑点：阴极表面经常可以看到发出闪烁的区域，这个区域称为阴极斑点。

特点：电子发射最集中的区域电流最集中流过的区域应用：在焊有色金属及其合金时常用到电弧的阴

极清理作用，就是源于阴极斑点的特性。



1.1.3 负离子形成

负离子的形成 : 主要是由中性气体粒子（原子或分子）吸附一个电子形成的，负离子所带电量与电子相同，但是质量大，不能有效参与电弧导电过程，造成电弧不稳。

不希望电弧中存在大量的负离子。 F 、 Cl 、 O2 、 OH 、 NO 等离子亲和能比较

大，易于形成负离子。


1.2 焊接电弧的温度分布

钢焊条焊接工件时，阳极区温度约为 2600K，阴极区温度约为 2400K，电弧中心区温度最高，可达 6000~8000 K。

由于电弧截面的特点所以电流密度及能量密度在弧柱区较低。


1.3 电弧力

电磁收缩力：径向电磁力轴向电磁力等离子流力：电磁动压力斑点力：阴极斑点力阳极斑点力


电磁收缩力

相互吸引力，大小与流过的电流大小成正比，与两根导线之间的距离成反比，导体断面有收缩的倾向。

1.3 电弧力


电磁静压力电磁收缩力呈现上大下小的状态，轴向将产

生压力差，从而产生一个由电极指向工件的推力，这就是电磁静压力。

力大

1.3 电弧力


等离子流力（电磁动压力）

由高温的等离子气流高速运动引起的对熔池附加的压力。

1.3 电弧力


斑点力：斑点受到带电粒子的撞击，或金属蒸汽的反作用而对斑点产生的压力，称为斑点力，或斑点压力。

阴极斑点力大于阳极斑点力

1.3 电弧力


电弧偏离焊条轴线的现象叫电弧偏吹。电弧偏吹使温度分布不均匀，容易产生咬边、未熔合、夹渣等缺陷，故必须研究引起偏吹的原因及预防措施。

药皮偏心接地线位置不当

1.4 电弧偏吹


焊条药皮偏心气流的影响接地线位置不适当磁场的影响

1.4.1 产生电弧偏吹的原因


磁偏吹：电弧在外加磁场的作用下偏离焊丝或焊条的轴线方向的现象称为磁偏吹。

磁偏吹可以造成电弧熄灭、熔滴过渡不规则、焊缝成形不良、引起未焊透、夹渣等缺陷。

导线接线位置引起的磁偏吹



平行电弧间的磁偏吹



1.4.2 磁偏吹防止措施

可能时采用交流电源代替直流电源尽量采用短弧进行焊接对于长和大的工件采用两端接地的方法如果工件有剩磁，焊接前应消除避免周围铁磁性物质的影响用厚药皮焊条代替薄药皮焊条


2 焊丝的熔化与熔滴过渡

熔化极电弧焊时，焊丝的熔化主要靠阴极区（正接）或阳极区（反接）所产生的电弧热量及焊丝伸出长度上的电阻热。（弧柱区产生的热量对焊丝的加热熔化作用较小）

非熔化极电弧焊（如钨极氩弧焊或等离子弧焊）的填充焊丝主要靠弧柱区产生的热量熔化。

2.1 焊丝（焊条）的热源


2.1.1 电弧热

阴极区和阳极区两个区域的产热功率可表达为ＰＫ　＝ＩＵＫ－Ｉ U ｗ－Ｉ U ＴＰａ　＝ＩＵａ＋Ｉ U ｗ＋Ｉ U Ｔ可以看出，两电极区的产热功率都与焊接电流成正比。在熔化极气体保护电弧焊、使用碱性焊条电弧焊等情况

下，当采用同样大小的焊接电流焊接同一种材料时，焊丝作为阴极时的产热功率比作为阳极时的产热功率多，焊丝作阴极比作阳极时熔化速度快。


2.1.2 电阻热

熔化极电弧焊时，焊丝只在通过导电嘴时才和焊接电源接通。因此，讨论焊丝的加热和熔化，实际上是分析焊丝伸出部分的受热情况。

焊丝伸出长度上的温度分布示意图

热源

电弧热主要作用

电阻热预热作用


焊丝伸出长度的电阻： Rs = ρ Ls/S

产生的电阻热功率Ｐ R为： PR = I2Rs

Rs：焊丝伸出长度段的电阻值；ρ：焊丝的电阻率；Ls：焊丝的伸出长度； S ：焊丝的横截面积。

2.1.2 电阻热


电阻热取决于焊丝材料及焊丝伸出长度。

焊接铝、铜（良导体）等材料时，焊丝的ＰＲ与电弧热相比很小，故可忽略不计。

焊接不锈钢（电阻率高）等材料时，焊丝的ＰＲ作用较大，不可忽略。

不锈钢焊条与低碳钢焊条相比，其长度应略短，

对吗？

2.1.2 电阻热


2.1.3 焊丝的熔化特性

焊丝的熔化速度：在单位时间内熔化的焊丝长度。焊丝的熔化特性：焊丝的熔化速度 vm和焊接电流Ｉ之间的关系，它主要与焊丝材料及直径有关。


焊丝材料的影响：焊丝材料不同，其物理性能（包括电阻率、熔化系数）不同，在其他条件相同的情况下，焊丝的电阻率和熔化系数越大，焊丝熔化速度越快；反之，熔化速度越慢。



焊丝直径的影响：同种材料不同直径的焊丝熔化特性曲线不同，如图 1 所示。

焊丝伸出长度的影响：对于一定成分和直径的焊丝，其熔化速度也要随焊接电流与焊丝伸出长度的变化而改变，如图 2 所示。



图 1 　不同直径的铝焊丝在熔化极氩弧焊时的熔化特性曲线　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

图 2 　不同伸出长度的不锈钢焊丝在熔化极电弧焊时的熔化特性曲

线



2.1.4 熔滴上的作用力

熔滴：电弧焊时，在电弧热作用下焊丝或焊条端部受热熔化形成。

熔滴上的作用力：影响熔滴过渡及焊缝成型的主要因素。

根据熔滴上的作用力来源不同，可将其分为：重力、表面张力、电弧力、熔滴爆破力和电弧气体

的吹力。


重力对熔滴过渡的影响依焊接位置的不同而不同。平焊：熔滴上的重力促使熔滴过渡；立焊及仰焊：熔滴上的重力阻碍熔滴过渡。重力： Fg= mg = (4/3)πr3ρg

r 是熔滴半径； ρ 是熔滴密度； g 是重力加速度。

重力2.1.4 熔滴上的作用

力


表面张力表面张力是指焊丝端部保持熔滴的作用力，用 Fσ

表示，大小为 Fσ　＝２πＲ σ

式中，Ｒ：焊丝半径； σ：表面张力系数。σ的数值与材料成分、温度、气体介质等因素有关。

表 1-6列举了一些纯金属的表面张力系数。



表 1-6 纯金属的表面张力系数

金属种类 Mg Zn A1 Cu Fe Ti Mo W

σ/ （ 10-3N·m-

1 ） 650 770 9001150

1220

1510

2250

2680

表面张力系数大的材料一次成型焊缝的厚度大，对

吗？



平焊时，表面张力 Fσ阻碍熔滴过渡。由式 Fσ＝２πＲ σ可知，使用小直径及表面张力系数小的焊丝有利于平焊时的熔滴过渡。

若熔滴上含少量活化物质（如 O2、 S 等）或熔滴温度升高，都会减小表面张力系数，有利于形成细颗粒熔滴过渡。

其他位置焊接时，表面张力对熔滴过渡有利。



电弧力

促使熔滴过渡的力：电磁收缩力形成的轴向推力以及等离子流力；

阻碍熔滴过渡的作用力：斑点力。

电弧力指电弧对熔滴和熔池的机械作用力，包括电磁收缩力、等离子流力、斑点力等。

必须指出的是，电弧力只有在焊接电流较大时才对熔滴过渡起主要作用，焊接电流较小时起主要作用的往往是重力和表面张力。



熔滴爆破力

熔滴爆破力：当熔滴内部因冶金反应而生成气体或含有易蒸发金属时，在电弧高温作用下将使气体积聚、膨胀而产生较大的内压力，致使熔滴爆破的内压力。它在促使熔滴过渡的同时也产生飞溅。CO2 焊接飞溅的主要原因



电弧的气体吹力焊条电弧焊时，焊条药皮的熔化滞后于焊芯

的熔化，这样在焊条的端头形成套筒，此时药皮中造气剂产生的气体及焊芯中碳元素氧化的 CO气体在高温作用下急剧膨胀，从套筒中喷出作用于熔滴。不论是何种位置的焊接，电弧气体吹力总是促进熔滴过渡。



2.1.5 熔滴过渡的主要形式及特点

熔滴过渡过程不但影响电弧的稳定性，而且对焊缝成形和冶金过程也有很大的影响。熔滴过渡过程十分复杂，主要过渡形式有：

• 自由过渡

• 接触过渡

• 渣壁过渡


• 图　熔滴过渡形式及电弧形状特征• a) 自由过渡 b) 接触过渡 c) 渣壁过渡

参见视频资料：熔滴过渡


自由过渡是指熔滴经电弧空间自由飞行，焊丝

端头和熔池之间不发生直接接触的过渡方式。

常用的自由过渡是滴状过渡和喷射过渡。

滴状过渡：过渡的熔滴直径比焊丝直径大。

喷射过渡：过渡的熔滴直径比焊丝直径小。

爆破过渡：电弧气氛中含有 CO2

气体时，有时会发生爆炸现象，使部分熔滴金属爆炸成为飞溅，而只有部分金属得以过渡。



粗滴过渡：当电流较小而电弧电压较高时，弧长较长，熔滴尺寸逐渐长大，不与熔池短路接触。当重力足以克服熔滴的表面张力时，熔滴便脱离焊丝端部进入熔池（小电流时电弧力忽略）。

特点：熔滴存在时间长，尺寸大，飞溅也大，电弧的稳定性及焊缝质量都较差。

•滴状过渡



细滴过渡：电流较大，相应的电磁收缩力增大，表面张力减小，熔滴存在时间缩短，熔滴细化，过渡频率增加。

特点：电弧稳定性较高，飞溅较少，焊缝质量提高，广泛应用于生产中。气体介质或焊接材料不同时，细滴过渡特点又有不同。

CO2气体保护电弧焊，熔滴呈非轴向过渡；

铝合金熔化极氩弧焊或较大电流活性气体保护焊焊钢件时，熔滴呈轴向过渡。



喷射过渡：较大电流焊接时，在各种电弧力作用下，焊丝末端的液态金属被削成铅笔尖状。铅笔尖状的液态金属以细小颗粒连续不断地冲向熔池。因这种喷射过渡熔滴细小，过渡频率及速度都较高，通常也称为射流过渡。

特点：喷射过渡时，细小的熔滴从焊丝端部连续不断地以高速度冲向熔池（加速度可达重力加速度的几十倍），过渡频率快，飞溅少，电弧稳定，热量集中，对焊件的穿透力强，可得到焊缝中心部位熔深明显增大的指状焊缝。



应用：喷射过渡容易出现在以氩气或富氩气体作保护气体的焊接方法，如熔化极氩弧焊、活性气体保护焊中。

喷射过渡适合焊接厚度较大（ δ＞ 3mm）的焊件，不适宜焊接薄板。



接触过渡

接触过渡是指焊丝（或焊条）端部的熔滴与熔池表面通过接触而过渡的方式。根据接触之前熔滴的大小不同，该过渡方式又可分为两种形态：

小滴时电磁收缩力的作用大于表面张力，通常形成短路过渡

大滴时表面张力作用大于电磁收缩力，熔滴和熔池表面接触后所产生的表面张力使之过渡，称为搭桥过渡



短路过渡在电弧热作用下，焊丝（或焊条）端部熔化形成熔滴并逐步长大。当电流较小，电弧电压较低时，弧长较短，熔滴未长成大滴就与熔池接触形成液态金属短路，电弧熄灭，随之金属熔滴过渡到熔池中去。熔滴脱落之后电弧重新引燃，如此交替进行，这种过渡形式称为短路过渡。



应用：在熔化极电弧焊中，使用碱性焊条的电弧焊及细丝（直径≤ 1.6mm）气体保护电弧焊，熔滴过渡形式主要为短路过渡。适于进行薄板、全位置焊接。



图短路过渡过程示意图 T-短路周期 t1- 燃弧时间 t2- 短路时间 t3- 电压恢复时间 Imin- 最小电流 Imax-短路电流峰

值电流 Ua-平均电压 Ia-平均电流



电弧引燃后，焊丝受热的作用端头开始熔化并形成熔滴；

随着焊丝的熔化，熔滴继续长大，此时电弧向焊丝传递的热量减少，焊丝的熔化速度减慢，而焊丝仍以一定的速度送进，送丝速度比熔化速度快，使熔滴接触熔池造成短路；

短路瞬时电弧熄灭，电弧电压急剧下降；随着短路电流的迅速上升，在电磁收缩力和其他电弧力的共同作用下，熔滴与焊丝之间形成缩颈，并逐渐变细；

当短路电流上升到一定数值时，缩颈爆断，熔滴过渡到熔池中，电弧电压迅速恢复到空载电压，电弧重新引燃；此后重复上述过程。



搭桥过渡：出现在非熔化极填丝电弧焊或气焊中。搭桥过渡时，焊丝在电弧热作用下熔化形成熔滴与熔池接触，在表面张力、重力和电弧力作用下，熔滴进入熔池。

短路过渡焊丝是否通电？



渣壁过渡：熔滴沿着熔渣的壁面流入熔池的一种过渡形式。埋弧焊时熔滴沿熔渣壁过渡；焊条电弧焊时熔滴沿药皮套筒壁过渡。

埋弧焊时，电弧在熔渣形成的空腔内燃烧，熔滴主要通过渣壁流入熔池，只有少量熔滴通过空腔内的电弧空间进入熔池。埋弧焊的熔滴过渡频率及熔滴尺寸与极性、电弧电压和焊接电流有关。



焊条电弧焊时，熔滴过渡形式可能有四种：渣壁过渡、粗滴过渡、细滴过渡和短路过渡。

过渡形式取决于药皮成分和厚度、焊接参数、电流种类和极性等。

当采用厚药皮焊条焊接时，焊芯比药皮熔化快，使焊条端头形成有一定角度的药皮套筒，控制熔滴沿套筒壁落入熔池，形成渣壁过渡。



( 一 ) 短路过渡小电流、低电压。熔滴长大受到空间限制而与母材短路，在表面张力及小桥爆破力作用下脱离焊丝。

( 二 ) 大颗粒过渡

电弧长度较长，熔滴可自由长大，直至下落力大于表面张力时，脱离焊丝落入熔池。

( 三 ) 细颗粒过渡 CO2 焊时，电流超过一定值，过渡颗粒变小，飞溅小焊缝成型好。

( 四 ) 射流过渡 MAG 焊时，焊丝端部液态金属成铅笔尖状，细小熔滴从焊丝尖端一个接一个成轴线状向熔池过渡。焊接无飞溅。

熔滴过渡的形式


3. 母材熔化与焊缝成形

焊缝熔池的特点：体积小温差大冷速快温度高过热状态（钢熔池平均温度：

1770±100°C）在运动下结晶（熔池中的气泡、杂质在运动中上浮）

熔池的形状：熔深熔宽余高


焊接工艺参数对焊缝成型的影响焊缝形状：是指焊件熔化区横截面的形状，它可

用焊缝有效厚度 S 、焊缝宽度 C 和余高 h 三个参数来描述。



合理的焊缝形状要求 S 、 C 和 h 之间有适当的比例，生产中常用焊接成形系数 = C/S、余高系数 ψ＝ C/h来表征焊缝成形的特点。

埋弧焊的合适范围为多少？



谢谢！

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教学目标： 1. 了解电弧热、电弧力及电弧稳定性； 2. 掌握焊丝的熔化与熔滴过渡规律； 3. 会分析和控制母材的熔化与焊缝成型 。

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