焊接基礎(chǔ)知識

焊接電弧

焊條電弧焊是利用手工操縱焊條進(jìn)行焊接的電弧焊方法。操作時(shí),，焊條和焊件分別作為 2 個(gè)電極,，利用焊條與焊件之間產(chǎn)生的電弧熱量來熔化焊件金屬，冷卻后形成焊縫,。

一,、焊接電弧的概念

焊接時(shí)，將焊條與焊件接觸后很快拉開,，在焊條端部和焊件之間立即會(huì)產(chǎn)生明亮的電?。▓D 1—1a）。電弧是一種氣體放電現(xiàn)象,。

我們將由焊接電源供給的具有一定電壓的兩電極間或電極與焊件間的氣體介質(zhì)中所產(chǎn)生的強(qiáng)烈而持久的放電現(xiàn)象，稱為焊接電弧,。

一般情況下,，由于氣體的分子和原子都是呈中性的，氣體中幾乎沒有帶電質(zhì)點(diǎn),，因此氣體不能導(dǎo)電,，電流通不過，電弧不能自發(fā)地產(chǎn)生,。要使氣體呈現(xiàn)導(dǎo)電性必須使氣體電離,。氣體電離后，原來氣體中的一些中性分子或原子轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮?、正離子等帶電質(zhì)點(diǎn),，這樣電流才能通過氣體間隙形成電弧（圖 1—1b）。

1.氣體電離

和自然界的一切物質(zhì)一樣,，氣體原子中的電子是按一定的軌道環(huán)繞原子核運(yùn)動(dòng),。在常態(tài)下，原子是呈中性的,。但在一定的條件下,，氣體原子中的電子從外面獲得足夠的能量，就能脫離原子核的引力成為自由電子,，同時(shí)原子由于失去電子而成為正離子,。這種使中性的氣體分子或原子釋放電子形成正離子的過程稱為氣體電離。

使氣體電離所需要的能量稱為電離電位（或電離功）,。不同的氣體或元素由于原子結(jié)構(gòu)不同,，其電離電位也不同。常見元素的電離電位見表 1—1,。

在焊接時(shí),，使氣體介質(zhì)電離的方式主要有熱電離、電場作用下的電離,、光電離,。

（1）熱電離 氣體粒子受熱的作用而產(chǎn)生的電離稱為熱電離。溫度越高,，熱電離作用越大,。

（2）電場作用下的電離 帶電粒子在電場的作用下，各作定向高速運(yùn)動(dòng),，產(chǎn)生較大的動(dòng)能,，并不斷與中性粒子相碰撞，不斷地產(chǎn)生電離,。兩電極間的電壓越高,，電場作用越大，則電離作用越強(qiáng)烈,。

（3）光電離 中性粒子在光輻射的作用下產(chǎn)生的電離,，稱為光電離。

2.陰極電子發(fā)射

陰極的金屬表面連續(xù)地向外發(fā)射出電子的現(xiàn)象,，稱為陰極電子發(fā)射,。陰極電子發(fā)射也和氣體電離一樣，是電弧產(chǎn)生和維持的重要條件,。

一般情況下,，電子不能自由離開金屬表面產(chǎn)生電子發(fā)射。要使電子發(fā)射,，必須施加一定的能量,，使電子克服金屬內(nèi)部正電荷對它的靜電引力,。所加的能量越大，陰極產(chǎn)生電子發(fā)射作用就越強(qiáng)烈,。電子從陰極表面逸出所需要的最低外加能量稱為逸出功,，單位是電子伏特（eV）。電子逸出功的大小與陰極的成分有關(guān),。表1—2 列出了常見元素的電子逸出功,。

焊接時(shí)，根據(jù)陰極吸收能量的方式不同,，所產(chǎn)生的電子發(fā)射有以下幾類∶熱發(fā)射,、電場發(fā)射和撞擊發(fā)射等。

（1）熱發(fā)射 焊接時(shí),，陰極表面的溫度很高,，使陰極內(nèi)部的電子熱運(yùn)動(dòng)速度增加。當(dāng)電子的動(dòng)能大于其逸出功時(shí),，電子即沖出陰極表面而產(chǎn)生熱電子發(fā)射,。例如，用鋼焊條作電極進(jìn)行焊接時(shí),，陰極溫度可達(dá)2 100℃左右,，熱發(fā)射作用相當(dāng)強(qiáng)烈。

（2）電場發(fā)射 當(dāng)陰極表面外部空間存在強(qiáng)電場時(shí),，電子可獲得足夠的動(dòng)能克服正電鈰對它的靜電引力,，從陰極表面發(fā)射出來。兩極間電壓越高,，則電場發(fā)射作用越大,。

（3）撞擊發(fā)射 高速運(yùn)動(dòng)的正離子撞擊陰極表面時(shí)，將能量傳遞給陰極而產(chǎn)生電子發(fā)射的現(xiàn)象,，稱為撞擊發(fā)射,。電場強(qiáng)度越大，在電場中正離子運(yùn)動(dòng)速度越快,，產(chǎn)生撞擊發(fā)射的作用也越強(qiáng)烈,。

二、焊接電弧的構(gòu)造,、電壓及靜特性

1.焊接電弧的構(gòu)造

焊接電弧的構(gòu)造可分為 3 個(gè)區(qū)域∶ 陰極區(qū)、陽極區(qū),、弧柱區(qū)（圖 1—2）,。

（1）陰極區(qū) 為保證電弧穩(wěn)定燃燒，陰極區(qū)的任務(wù)是向弧柱區(qū)提供電子流和接受弧柱區(qū)送來的正離子流,。在焊接時(shí),，陰極表面存在一個(gè)爍亮的輝點(diǎn)，稱為陰極斑點(diǎn)。陰極斑點(diǎn)是電子發(fā)射源,，也是陰極區(qū)溫度最高的部分,，一般為2130～3230℃，放出的熱量占焊接總熱量的36%左右,。陰極溫度的高低主要取決于陰極的電極材料,，一般都低于材料的沸點(diǎn)。不同材料的沸點(diǎn),、陰極區(qū)和陽極區(qū)的溫度見表1—3,。此外，電極的電流密度增加,，陰極區(qū)的溫度也相應(yīng)提高,。

（2）陽極區(qū) 陽極區(qū)的任務(wù)是接受弧柱區(qū)流過來的電子流和向弧柱區(qū)提供正離子流。在陽極表面上光亮的輝點(diǎn)稱為陽極斑點(diǎn),。陽極斑點(diǎn)是由于電子對陽極表面撞擊而形成的,。一般情況下，與陰極比較,，由于陽極能量只用于陽極材料的熔化和蒸發(fā),，無發(fā)射電子的能量消耗，因此在和陰極材料相同時(shí),，陽極區(qū)溫度略高于陰極區(qū)（表1—3）,。陽極區(qū)的溫度一般為2330-3980℃，放出的熱量占焊接總熱量的43%左右,。

（3）弧柱弧柱是處于陰極區(qū)與陽極區(qū)之間的區(qū)域,。弧柱起著電子流和正離子流的導(dǎo)電通路的作用,?；≈臏囟炔皇懿牧戏悬c(diǎn)限制，而取決于弧柱中氣體介質(zhì)和焊接電流,。焊接電流越大,，弧柱中電離程度就越大，弧柱溫度也就越高,?；≈闹行臏囟葹?5 730-7730℃，放出的熱量占焊接總熱量的21%左右,。

2.焊接電弧的電壓

通常測出的焊接電弧電壓就是陰極區(qū),、陽極區(qū)和弧柱區(qū)電壓降之和。當(dāng)弧長一定時(shí),，電弧電壓的分布如圖1—3 所示,。電弧電壓可用公式表示∶

U_弧= U_陰+ U_陽+ U_柱=U_陰+ U_陰+bl_弧

U_{弧——電弧電壓,，V;}

U_{陰——陰極電壓降，V;}

U_{陽——陽極電壓降,，V;}

U_{柱——弧柱電壓降,，V;}

b——單位長度的弧柱電壓降，一般為20-40v/cm;

l_弧——電弧長度,，cm,。

 3.焊接電弧的靜特性

在電極材料、氣體介質(zhì)和弧長一定的情況下,，電弧穩(wěn)定燃燒時(shí),，焊接電流與電弧電壓變化的關(guān)系稱為電弧靜特性。表示它們關(guān)系的曲線叫作電弧的靜特性曲線,，如圖 1—4所示,。從圖1—4 中可以看到，電弧靜特性曲線呈U形,。

（1）當(dāng)電流較?。ㄇ€ab 段時(shí)的電流）時(shí)，電壓隨著電流的增加而降低,。這是電弧的下降特性區(qū)（一般為鎢極氬弧焊小電流焊接時(shí)的特性區(qū)）,。

（2）在正常焊接狀態(tài)時(shí)，電流通常從幾十安培到幾百安培（曲線bc 段的電流）,。此時(shí),，電壓不隨電流變化，基本保持不變,。這是電弧的平特性區(qū)（一般為焊條電弧焊電流值≤500 A時(shí)的特性區(qū)）,。

（3）當(dāng)電流更大（曲線cd段的電流）時(shí)，電壓隨電流的增加而升高,。這是電弧的上升特性區(qū)（一般為埋弧自動(dòng)焊,、細(xì)絲熔化極氣體保護(hù)焊大電流密度下焊接時(shí)的特性區(qū)）。

在一般情況下,，電弧電壓總是和電弧長度成正比地變化,，當(dāng)電弧長度增加時(shí)，電弧電壓升高,，其靜特性曲線的位置也隨之上升,，如圖1—5.所示。

三,、電弧焊的熔滴過渡

電弧焊時(shí),。焊條（或焊么） 端部在申弧高溫作用下熔化成的液態(tài)金屬滴。通過電弧空間不斷地向熔池中過渡的過程稱為熔滴過渡,。

熔滴過渡的形式大致可分為 3 種∶ 滴狀過渡,、短路過渡、噴射過渡,。熔滴過渡會(huì)出現(xiàn)不同的形式,，這是由于作用于液態(tài)金屬熔滴上的作用力不同。

1.熔滴過渡的作用力

（1）熔滴的重力 任何物體都會(huì)因自身的重力而下垂,。平焊時(shí),，金屬熔滴的重力促進(jìn)熔滴過渡。但是立焊和仰焊時(shí),，熔滴的重力阻礙了熔滴向熔池過渡,。

（2）表面張力 液態(tài)金屬像其他液體一樣具有表面張力。平焊時(shí),，表面張力對熔滴過渡起阻礙作用,。但是在仰焊等其他位置焊接時(shí)，表面張力卻有利于熔滴過渡,。一是熔滴倒懸在焊縫上不易滴落;二是焊條末端熔滴與熔池接觸時(shí),，熔滴容易被拉入熔池中。表面張力的大小與多種因素有關(guān),。因?yàn)楹笚l直徑越大,，焊條端部熔滴的表面張力也越大，所以氣體保護(hù)焊時(shí)采用細(xì)絲,，熔滴過渡穩(wěn)定而順利,。因?yàn)橐簯B(tài)金屬溫度越高，其表面張力越小,，所以釬焊時(shí)溫度較高,，釬料才易于擴(kuò)散到釬縫中。表面張力還與保護(hù)氣體的性質(zhì)有關(guān),。如果在氬氣中加入少量氧氣作為焊接鋼的保護(hù)氣體,， 比用純氬氣時(shí)的熔滴過渡有利于形成細(xì)顆粒。這是因?yàn)檠鯕獾募尤虢档土巳鄣蔚谋砻鎻埩Α?/p>

（3）電磁力 從電工學(xué)可知,，2 根平行的載流導(dǎo)體通以同向電流時(shí),，彼此產(chǎn)生相互吸引的電磁力，方向是從外向內(nèi),，如圖1—6 所示,。電磁力的大小與2 根導(dǎo)體上的電流的乘積成正比，即通過導(dǎo)體的電流越大,，電磁力越大,。

焊接時(shí)，可以把帶電的焊絲及熔滴看成是由許多平行載流導(dǎo)體所組成的,，如圖 1—7 所示,。( P

根據(jù)上述電磁效應(yīng)原理,，焊絲及熔滴上受到四周向中心的電磁壓縮力。電磁壓縮力對焊條端部液態(tài)金屬徑向的壓縮作用,，會(huì)促使熔滴很快形成,。尤其是熔滴的細(xì)頸部分電流密度最大，電磁壓縮力作用也最大,。這使熔滴很容易脫離焊條端部向熔池過渡,。

焊接電流較小時(shí)，焊條端部的液態(tài)金屬主要受到的是表面張力和重力,，電磁力影響很小,。因此，當(dāng)熔滴的重力克服表面張力的時(shí)候,，熔滴脫離焊條端部落向熔池,。這種情況下，熔滴的尺寸較大,，常出現(xiàn)電弧短路,，產(chǎn)生較大的飛濺，電弧不穩(wěn),。

焊接電流較大時(shí),，電磁力也比較大，相比之下重力所起的作用很小,，液態(tài)熔滴主要是在電磁壓縮力的作用下,，以較小的熔滴向熔池過渡。而且,，其方向性較強(qiáng),，不論是平焊或仰焊位置，總是沿著電弧軸線自焊絲向熔池過渡,。

焊接時(shí),，一般焊條或焊絲的電流密度都比較大，因此電磁力是熔滴過渡的主要作用力,。在氣體保護(hù)焊時(shí),，常常通過調(diào)整焊接電流的大小來控制熔滴尺寸。

焊接時(shí),，電磁力還會(huì)產(chǎn)生另外一種作用力,。由于焊條端部的電弧導(dǎo)電截面小，而焊件端部的電弧導(dǎo)電截面大,，因此焊條的電流密度大于焊件的電流密度,，從而在焊條上所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度要大于焊件上所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度。這樣就產(chǎn)生一個(gè)沿焊條縱向指向焊件的電場力。該電場力無論焊縫的空間位置如何,，總是有利于溶滴向熔池過渡,。

（4）斑點(diǎn)壓力 焊接電弧中的電子和正離子在電場的作用下向兩極運(yùn)動(dòng)，撞擊兩極的斑點(diǎn)而產(chǎn)生機(jī)械壓力,，這個(gè)力稱為斑點(diǎn)壓力,。它是阻礙熔滴過渡的力。若選用直流焊機(jī)負(fù)極接焊鉗時(shí),，阻礙熔滴過渡的是正離子的壓力;若正極接焊鉗時(shí)，阻礙熔滴過渡的是電子的壓力,。由于正離子比電子的質(zhì)量大,，所以正離子流的壓力要比電子流的壓力大，即陰極的斑點(diǎn)壓力比陽極的斑點(diǎn)壓力大,。因此,，反接時(shí)熔滴過渡較正接時(shí)容易。

（5）氣體的吹力 在焊條電弧焊時(shí),，焊條藥皮的熔化稍落后于焊芯的熔化,，在焊條末端形成一個(gè)套管。在套管內(nèi),，大量藥皮造氣劑分解產(chǎn)生的氣體及焊芯中碳元素氧化生成的 CO 氣體,，被電弧加熱到高溫時(shí)體積急劇膨脹，并順著套管方向,，以穩(wěn)定的氣流沖出,，把熔滴"吹"到熔池中去。不論焊縫空間位置如何,，氣體的吹力均有利于熔滴的過渡,。

2.熔滴過渡的形式

（1）滴狀過渡 滴狀過渡分為粗滴過渡和細(xì)滴過渡。粗滴過渡是熔滴呈粗大顆粒狀向熔池自由過渡的形式,，如圖 1—8a 所示,。當(dāng)電流較小時(shí)，熔滴主要依靠重力的作用克服表面張力的束縛而下落,，此時(shí)熔滴尺寸較大,，呈粗滴過度。由于粗滴過渡飛濺較大,，電弧不穩(wěn)定,，通常不采用。當(dāng)電流較大時(shí),，電磁力隨之增大,，使熔滴細(xì)化，過演頻率提高,，飛濺減小,，電弧較穩(wěn)定,，這種過渡形式稱為細(xì)滴過渡。焊絲直徑為φ1.6mm的CO,，氣體保護(hù)焊,，焊接電流達(dá)400 A 以上時(shí)，即為細(xì)滴過渡,，在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用,。焊條電弧焊時(shí)，使用酸性焊條也多為細(xì)滴過渡,。

（2）中監(jiān)由于強(qiáng)烈過熱和磁收縮的作用使焊條或焊絲端部的熔滴爆斷,，直接向熔池過的形為短路過渡，如圖 1—8b 所示,。采用小電流焊接的同時(shí)降低電弧電壓,，可實(shí)現(xiàn)電弧信定、飛濺較小,，形成良好的短路過渡,。細(xì)絲（焊絲直徑為 φ0.8～φ1.2 mm） C0。體保護(hù)焊時(shí),，常采用短路過渡形式,。焊條電弧焊時(shí)，堿性焊條在大電流范圍內(nèi)可呈滴狀過渡和短路過渡,。

（3）噴射過渡 熔滴呈細(xì)小顆粒,，并以噴射狀態(tài)快速通過電弧空間向熔池過渡的形式，射過波,，如圖1—8c所示,。采用氬氣或富氬氣氣體保護(hù)焊反極性焊接時(shí)，隨著焊接電大,。熔滴尺寸略有減小,，當(dāng)焊接電流達(dá)到某一臨界電流值時(shí)，即出現(xiàn)噴射過渡狀指出的是,，除要求一定的電流密度外,，產(chǎn)生噴射過渡還必須有一定的電弧長度（即電弧電壓）。如果電弧的弧長太短（即電弧電壓太低）,，即使電流數(shù)值較大,，也不可能產(chǎn)生噴射過渡。

噴射過渡的特點(diǎn)是∶ 過渡頻率高,，熔滴以極細(xì)的顆粒沿電弧軸線高速射向熔池,，發(fā)出"咝咝"聲。噴射過渡具有電弧穩(wěn)定、飛濺小,、焊縫成形美觀等優(yōu)點(diǎn),。