模块3—3课题三焊接方法的热源.docx

课题三 焊接方法的热源常用焊接方法的热源有电弧、电阻、气体火焰、激光束、电子束等由于电弧焊是目前焊接中应用最广的焊接方法，所以这里重点介绍电弧焊的热源一一焊接电弧的有关学问任务 1焊接电弧的产生及电弧的构造由焊接电源供给的，具有肯定电压的两电极间或电极与母材间，在气体介质中产生的猛烈而长久的放电现象，称为焊接电弧如图1-7 为焊条电弧焊电弧示意图图 1-7 为焊条电弧焊电弧示意图1—焊件 2—焊条 3—电弧焊接电弧是一种特别的气体放电现象，它与日常所见的气体放电现象 ( 如电源拉合闸时产生的火花 ) 的区分在于，焊接电弧能连续长久地产生猛烈的光和大量的热量电弧焊就是依靠焊接电弧把电能转变为焊接过程所需的热能和机械能来到达连接金属的目的1、焊接电弧的产生条件正常状态下，气体是良好的绝缘体，气体的分子和原子处于中性状态，气体中没有带电 粒子，因此气体不能导电，电弧也不能自发地产生要使电弧产生并稳定燃烧，就必需使两 极 ( 或电极与母材 ) 之间的气体中有带电粒子，而获得带电粒子的方法就是中性气体的电离和金属电极(阴极)电子放射所以气体电离和阴极电子放射是焊接电弧产生和维持的两个必要条件1） 气体电离 使中性的气体粒子 ( 分子和原子 ) 分别成正离子和自由电子的过程称为气体电离。

2） 阴极电子放射 阴极金属外表的原子或分子，承受外界的能量而连续地向外放射出电子的现象，称为阴极电子放射一般状况下，电子是不能自由离开金属外表对外放射的，要使电子逸出电极金属外表而 产生电子放射，就必需加给电子肯定的能量，使它抑制电极金属内部正电荷对它的静电引力电子从阴极金属外表逸出所需要的能量称为逸出功，电子逸出功的大小与阴极的成分有关 逸出功越小，阴极放射电子就越简洁不同元素的电子逸出功大小递增次序为：K、Na、Ca、Mg、Mn、Ti、Fe、Al、C焊接时，依据所吸取的能量的不同，阴极电子放射主要有热放射、电场放射、撞击放射等1小提示在含有易电离的 K、N，等元素的气氛中，电弧引熔较简洁，而在含有难电离的Ar、He 等元素的气氛中，则电弧引燃就此较困难2、焊接电弧的引燃方法把造成两电极间气体发生电离和阴极放射电子而引起电弧燃烧的过程称为焊接电弧的引燃 ( 引弧 )焊接电弧的引燃一般有两种方式：接触引弧和非接触引弧1) 接触引弧 弧焊电源接通后，将电极 ( 焊条或焊丝 ) 与工件直接短路接触，并随后拉开焊条或焊丝而引燃电弧，称为接触弧接触引弧是一种最常用的引弧方式当电极与工件短路接触时，由于电极和工件外表都不是确定平坦的，所以只是在少数突 出点上接触 ( 图 1-8 ) 。

通过这些点的短路电流比正常的焊接电流要大得多，加之接触点的面积又小，因此电流密度极大，这就产生了大量的电阻热，使接触局部的金属温度猛烈地升 高而熔化，甚至气化，引起猛烈的电子放射和电离随后在拉开电极瞬间，由于电弧间隙极 小，使其电场强度到达很大数值，这样，即使在室温下亦能产生明显的电子放射现象；同时， 又使已产生的带电子粒子被加速，引起碰撞而电离，从而引燃电弧图 1-8 接触引弧 图 1-9 划擦引弧在拉开电极的瞬间，弧焊电源电压由短路时的零值增高到引弧电压值所需要的时间称 电压恢复时间电压恢复时间对于焊接电弧的引燃及焊接过程中电弧的稳定性具有重要的意 义这个时间长或短，是由弧焊电源的特性打算的在电弧焊时，对电压恢复时间要求越短 越好，一般不超过 0.05 秒假设电压恢复时间太长，则电弧就不简洁引燃并造成焊接电弧不稳定这种引弧方法主要应用于焊条电弧焊，埋弧焊、熔化极气体保护焊等对于焊条电弧焊， 接触引弧又可分为划擦法引弧和直击法引弧两种，如图1-19、图 1-10 所示，划擦法引弧相比照较简洁把握图 1-10 直击法引弧a ) 直击短路 b )拉开焊条点燃电弧 c ) 电弧正常燃烧( 2 ) 非接触引弧 引弧时，电极与工件之间保持肯定间隙，然后在电极和工件之间施以高电压击穿间隙使电弧引燃，这种引弧方式称非接触引弧。

非接触引弧需利用引弧器才能实现，依据工作原理可分为高频高压引弧和高压脉冲引弧高压脉冲引弧需高压脉冲发生器，频率一般为50-100Hz，电压峰值为3000-5000V高频高压 引弧需用高频振荡器，频率为 150-260kHz 左右，电压峰值为 2023-3000V非接触引弧方式主要应用于钨极氩弧焊和等离子弧焊由于引弧时电极无需和工件接触， 这样不仅不会污染工件上的引弧点，而且也不会损坏电极端部的几何外形，有利于电弧燃烧 的稳定性3、 焊接电弧的构造焊接电弧按其构造可分为阴极区、阳极区和弧柱区三局部，如图1-11 所示 1 ) 阴极区 电弧紧靠负电极的区域称为阴极区，阴极区很窄，约为10- 5 ～10- 6cm在阴极外表有一个光明的斑点，称为阴极斑点，它是阴极外表上电子放射的发源地，也是阴极 区温度最高的地方焊条电弧焊时，阴极区的温度一般到达 2130-3230 0C，放出的热量占电弧产热的 36%左右阴极温度的凹凸主要取决于阴极的电极材料 2 ) 阳极区 电弧紧靠正电极的区域称为阳极区，阳极区较阴极区宽，约为 10 - 3 ～ 10-4 cm, 在阳极外表也有光亮的斑点，称为阳极斑点，它是电弧放电时，正电极外表上集中接收电子的微小区域。

图 1-11 焊接电弧的构造1-焊条 2-阴极区 3-弧柱区 4-阳极区 5-焊件阳极不放射电子，消耗能量少，因此当阳极与阴极材料一样时，阳极区的温度要高于阴 极区焊条电弧焊时，阳极区的温度一般达 2330-3930 0C，放出热量占电弧产热的 43 % 左右3） 弧柱区 电弧阴极区和阳极区之间的局部称为弧柱区由于阴极区和阳极区都很窄， 因此弧柱区的长度根本上等于电弧长度焊条电弧焊时，弧柱区中心温度可达5370-77300C， 放出的热量占电弧产热的 21% 左右弧柱区的温度与弧柱气体介质种类、焊接电流大小等因素有关；焊接电流越大，弧柱区中电离程度也越大，弧柱区温度也越高必需留意的是：○1 是不同的焊接方法，其阳极区、阴极区温度的凹凸并不全都，如表1-3所示○2 以上分析的是直流电弧的热量和温度分布状况，而沟通电弧由于电源的极性是周期性转变的，所以两个电极区的温度趋于全都，近似于它们的平均值表 1-2 各种焊接方法的阳极区、阴极区温度比较（4） 电弧电压 电弧两端 (两电极)之间的电压称为电弧电压电弧电压由阴极压降、阳极压降和弧柱压降组成任务 2焊接电弧的稳定性焊接电弧的稳定性是指电弧保持稳定燃烧 (不产生断弧、飘移和偏吹等)的程度。

电弧的稳定燃烧是保证焊接质量的一个重要因素，因此维持电弧稳定性是格外重要的电弧不稳定 的缘由除焊工操作技术不娴熟外，还与以下因素有关:1、弧焊电源的影响承受直流电源焊接时，电弧燃烧比沟通电源稳定此外具有较高空载电压的焊接电源不仅引弧简洁，而且电弧燃烧也稳定，这是由于焊接电源的空载电压较高，电场作用强，电离及电子放射猛烈，所以电弧燃烧稳定2、焊接电流的影响焊接电流越大，电弧的温度就越高，则电弧气氛中的电离程度和热放射作用就越强，电 弧燃烧也就越稳定通过试验测定电弧稳定性的结果说明:随着焊接电流的增大，电弧的引 燃电压降低;同时随着焊接电流的增大，自然断弧的最大弧长也增大所以焊接电流越大，电弧燃烧越稳定3、焊条药皮或焊剂的影响焊条药皮或焊剂中参加电离能比较低的物质 (如 K、Na、Ca 的氧化物)，能增加电弧气氛中的带电粒子，这样就可以提高气体的导电性，从而提高电弧燃烧的稳定性假设焊条药皮或焊剂中含有电离能比较高的氟化物 (CaF2)及氯化物 (KCl、NaCl) 时，由于它们较难电离，因而降低了电弧气氛的电离程度，使电弧燃烧不稳定4、焊接电弧偏吹的影响在正常状况下焊接时，电弧的中心线总是保持着沿焊条 (丝)电极的轴线方向，即使当焊条 (丝)与焊件有肯定倾角时，电弧的中心线也始终保持和电极轴线的方向全都，如图 1-12 所示。

但在实际焊接中，由于气流的干扰、磁场的作用或焊条偏心的影响，会使电弧中心线 偏离电极轴线的方向，这种现象称为电弧偏吹，如图1-13 所示为磁场作用引起的电弧偏吹一旦发生电弧偏吹，电弧中心线就难以对准焊缝中心，影响焊缝成形和焊接质量〔1〕焊接电弧偏吹的缘由 引起电弧偏吹主要有以下三方面缘由1 ) 焊条偏心产生的偏吹焊条的偏心度是指焊条药皮沿焊芯直径方向偏心的程度 焊条偏心度过大，使焊条药皮厚薄不均匀，药皮较厚的一边比药皮较薄的一边熔化时需吸取更 多的热，因此药皮较薄的一边很快熔化而使电弧外露，迫使电弧往外偏吹焊条偏心及其引 起的偏吹如图 1-14 所示因此，为了保证焊接质量，在焊条生产中对焊条的偏心度有肯定的限制依据国家标准规定，直径不大于2.5mm 焊条，偏心度不大于 7%；直径为 2.5mm 和 3.2mm 的焊条，偏心度不大于 5%；直径不小于 5mm 的焊条，偏心度不大于 4% 焊条偏心产生的电弧偏吹偏向药皮较薄的一边图 1-12 正常焊接时的电弧 图 1-13 磁场作用引起的电弧偏吹a) 焊条与焊件垂直 b) 焊条与焊件倾斜图 1-14 焊条偏心产生的偏吹 图 1-15 导线接线位置引起的磁偏吹a) 焊条偏心 b) 焊条偏心产生的偏吹2 ) 电弧四周气流产生的偏吹。

电弧四周气体的流淌会把电弧吹向一侧而造成偏吹造成电弧四周气体猛烈流淌的因素很多，主要是大气中的气流和热对流的影响，如在露天大风中操作时，电弧偏吹状况很严峻；在管子焊接时，由于空气在管子中流淌速度较大，形成所谓“穿堂风”使电弧发生偏吹；在开坡口的对接接头第一层焊缝的焊接时，假设接头间隙较大，在热对流的影响下也会使电弧发生偏吹3 ) 焊接电弧的磁偏吹直流电弧焊时，因受到焊接回路所产生的电磁力的作用而产生的电弧偏吹称为磁偏吹它是由于直流电所产生的磁场在电弧四周分布不均匀而引起的电弧偏 吹造成电弧产生磁偏吹的因素主要有以下几种：○1 导线接线位置引起的磁偏吹如图1-15 所示，导线接在焊件一侧，焊件接 “+” (称为正接)，焊接时电弧左侧的磁力线由两局部组成:一局部是电流通过电弧产生的磁力线，另一局部是电流流经焊件产生的磁力线而电弧右侧仅有电流通过电弧产生的磁力线，从而造成电弧两侧的磁力线分布极不均匀，电弧左侧的磁力线较右侧的磁力线密集，电弧左侧的电磁力大于右侧的电磁力，使电弧向右侧偏吹小提示假设把图 1-17 的导线接线位置改为焊件一侧接 “一” (称为反接)则焊接电流方向和相应的磁力线方向都同时转变，但作用于电弧左、右两侧磁力线分布状况不变， 电弧左侧的电磁力仍大于右侧的电磁力，故磁偏吹方向不变。

○2 铁磁物质引起的磁偏吹由于铁磁物质 (钢板、铁块等)的导磁力量远远大于空气，因此，当焊接电弧四周有铁磁物质存在时，在靠近铁磁物质一侧的磁力线大局部都通过铁磁物质形成封闭曲线，使电弧同铁磁物质之间的磁力线变得稀疏，而电弧另一侧磁力线就显得密集，造成电弧两侧的磁力线分布极不均匀，电弧向铁磁物质一侧偏吹，如图1-16 所示○3 电弧运动至焊件的端部时引起的磁偏吹在焊件边缘处开头焊接或焊接至焊件端部时，常常会发生电弧偏吹，渐渐靠近焊件的中心时，电弧的偏吹现象渐渐减小或没有，这是由于 电弧运动至焊件的端部时，导磁面积发生变化，引起空间磁力线在靠近焊件边缘的地方密度 增加，产生了指向焊件端部的磁偏吹，如图1-17 所示。