交流脉冲MIG焊接电弧及其控制
杭争翔，李利
（沈阳工业大学，沈阳110023）
摘要在分析DCEP MIG焊及DCEN MIG焊电弧行为的基础上设计AC PMIG焊的控制模式。AC PMIG焊由EP极性及EN极性交替切换构成。EN极性时只是基值电流，电弧在焊丝端存在跳动及上爬现象。随着EN极性时间增加，焊丝端液体金属聚集、直径增加，显示出EN极性电弧对焊丝的熔化作用。控制合适的EN极性时间及电流值，不形成熔滴过渡现象，焊接过程稳定。EP极性时由基值时间及脉冲时间构成，脉冲电流时，电弧烁亮区呈现典型的钟罩形烁亮区，脉冲电流促使熔滴柔顺过渡，能够实现一脉一滴控制效果。在一定的送丝速度及焊接速度的条件下，AC PMIG焊接铝合金的焊缝熔深随EN比率增加而减小。关键词：交流；MIG；电弧；控制
0 前言
交流MIG焊接工艺早就被提出并且有一些研究工作，比较近期的研究工作是双凹形焊接电流控制方案，解决的主要问题是以交流电弧克服直流电弧的磁偏吹[1][2]。
关于直流且焊丝为正（DCEP）的MIG焊的电弧物理、熔滴过渡特性及焊接工艺特性已经有很多的研究工作。关于直流且焊丝为负（DCEN）MIG焊的电弧物理、熔滴过渡特性及焊接工艺特性的研究工作也有一些[3]。
DCEP 脉冲MIG（PMIG）电弧稳定，电弧力有利于熔滴过渡，电弧穿透力强，焊缝熔深大，焊接薄板时容易出现熔池下塌现象。DCEN MIG焊由于焊丝是阴极，阴极斑点在焊丝端上下跳动，电弧稳定性不好，电弧力不利于熔滴过渡，焊缝熔深浅，容易产生融合不良、凸焊道等焊接缺陷，不能稳定焊接[3]。
交流脉冲熔化极氩弧焊（AC PMIG）电弧由EP极性及EN极性构成，可以看成是交替切换DCEP PMIG电弧及DCEN MIG电弧形成的。合理利用DCEP PMIG及DCEN MIG电弧的优势，设计AC PMIG焊接电弧的控制模式，保证焊接电弧的稳定性及熔滴过渡过程的稳定性，保证焊接过程的稳定性。切换DCEP PMIG与DCEN MIG构成的AC PMIG焊，其电弧力及电弧热的特点应该介于DCEP PMIG及DCEN MIG之间，其焊缝熔深应该介于二者之间，其最大的焊缝熔深是DCEP PMIG的焊缝熔深，这样这种焊接工艺将有利于焊接薄板。随着时代发展，应产品轻量化要求，薄板特别是铝合金薄板被大量应用，其制造过程中有很多薄板需要电弧焊。焊接薄板时最容易出现的质量问题是熔池下塌。为此需要研究焊接熔池
浅、焊接速度快的焊接工艺，稳定焊接质量的同时，提高焊接效率。
另外焊接薄板时焊接电流较小，电弧挺度弱，电弧容易受电弧磁偏吹的影响，AC PMIG交流电弧可以克服直流电弧的磁偏吹，有利于稳定焊接过程及焊接质量。
1 AC PMIG焊接电流波形控制模式
图1 AC PMIG焊接电流波形控制模式
图1是AC PMIG正常焊接时的电弧电流波形控制模式图。AC PMIG交流电弧由EP极性及EN极性构成。EP极性电弧有利于熔滴过渡，EN极性电弧不利于熔滴过渡，所以熔滴过渡过程设计在电弧EP极性时间里。射滴过渡是最好的熔滴过渡形式，为了在较宽焊接规范下实现这种熔滴过渡形式，以电弧EP极性脉冲电流控制实现。在一个EP极性时间里只有一个脉冲电流，控制脉冲电流I p及脉冲时间T p，实现一个脉冲过渡一个熔滴。一个交流周期时间TC内，除脉冲时间T p之外，其余时间均为基值时间（包括EP极性基值时间T b1、T b2，EN极性时间T EN。如图所示，基值时间内的电流值I b1、I b2、I EN要小，至少不能产生熔滴过渡现象。图1表明，AC PMIG的脉冲频率与交流频率一致，亦称交流脉冲频率，熔滴过渡控制形式是一周一脉一滴。
AC PMIG焊的主要参数是焊接电流，其次的参数是交流电流负极性比率EN％即EN极性电流在交流周期电流中的比率。
AC PMIG焊的弧焊电源用双逆变弧焊电源，由80C196KC控制实现。
2 AC PMIG焊接电弧行为及熔滴过渡
1－Ia 140 A/div，2－Ua 32 V/div,t 50 ms/div
图2 AC PMIG焊接铝合金的焊接
电流电压波形
用自主研制的AC PMIG焊接设备进行焊接实验。图2是AC PMIG焊接铝合金时的电弧电
流波形。焊接实验时，用Φ1.2 mm Al －Si5铝合金焊丝，焊接工件材质LF6，氩气流量9 l/min ，焊接速度0.380 m/min 。
对应图2 的AC PMIG 焊接过程，进行高速摄像，摄像速度3000 幅/秒。分析高速摄像图片，研究AC PMIG 焊接电弧行为及熔滴过渡特征。
（1） （2） （3）
图3 AC PMIG 焊电弧形态高速摄像图片
（1） （2） （3）
（4） （5） （6）
（7） （8） （9）
图4 AC PMIG 焊电弧EN 极性时的
高速摄像图片
（1） （2） （3）
（4） （5） （6）
（7）（8）（9）
（10）（11）(12)
（13）（14）（15）
（16）（17）（18）
图5 AC PMIG焊的连续高速摄像图片
图3是AC PMIG焊电弧形态高速摄像图片。图3（1）是EN极性时的电弧形态图片，仔细分析EN极性时的电弧形态，焊丝端侧面存在电弧而呈现亮区，焊丝端侧面的亮区并不是以焊丝轴线对称分布，亮区沿焊丝端侧面存在跳动现象。并且电弧沿焊丝端存在上爬现象，上爬高度约1～1.5倍焊丝直径。电弧EN极性时间内，焊丝作为阴极发射电子，焊丝端的阴极斑点具有破碎氧化膜的作用，焊丝端的氧化膜被破碎后，电弧难以在纯金属表明滞留，自动寻找逸出功较低的氧化物处，从而产生跳动现象。由于纯Ar保护时电弧的电场强度较低，阴极斑点容易上爬。当阴极斑点沿焊丝侧壁上爬到一定高度后，阴极斑点又跳到焊丝端部，形成电弧在焊丝端上下跳动现象以及在焊丝端周围存在跳动现象。由于电弧电流比较小，电弧亮区的电离度以及温度不是很高，电弧亮区的边界线不很明显。
图3（2）是EP极性基值电流时的电弧形态图片，焊丝端周围没有电弧亮区，电弧亮区分布在焊丝端头及焊接工件之间，电弧亮区呈细束状形态。由于电弧电流较小，电弧亮区的电离度以及温度不是很高，细束状电弧亮区的边界线不很明显。这与DCEP PMIG焊时的基值电流时的电弧形态一致。
图3（3）是电弧EP极性脉冲电流时的电弧形态图片，电弧亮度明显加强呈现钟罩形烁亮区，
电弧烁亮区具有明显的边界线。这与DCEP PMIG焊时的脉冲电流时的电弧形态一致。
与DCEP PMIG焊比较，AC PMIG焊一个交流脉冲周期中EN极性电弧的变化，有利于降低电弧等离子流力及电弧对焊接熔池的作用力。
图4是AC PMIG焊接电弧在一个EN极性时间内的高速摄像图片，主要显示了EN极性时间内焊丝端液体金属的变化情况。AC PMIG焊电弧EN极性时间内，焊丝是电弧的阴极，阴极压降比阳极压降大，阴极产热大于阳极产热，虽然电弧电流较小（47 A），但是阴极产热促进了焊丝的熔化。随着基值时间的延续，焊丝熔化产生的液体金属聚集在焊丝端，焊丝端液体金属直径增加，如图4（1）～（9），显示出电弧EN极性基值电流对焊丝的熔化作用。其次，电弧EN极性时间内，熔化形成的液体金属具有左右摇摆的现象，见图4（1）～（9）。焊接实验表明，电弧EN极性时间内，形成适量的液体金属、产生幅度不大的摇摆现象不影响正常焊接过程。
由于控制合适的EN极性时的电流值，EN极性时间内没有产生熔滴过渡现象，这正是设计的AC PMIG焊控制模式的意图。若控制不适当，EN极性时产生熔滴过渡现象，将导致焊接过程不稳定。
图5是AC PMIG焊接电弧连续的18幅高速摄像图片，主要显示了EP极性脉冲电流时的电弧形态及熔滴过渡特征。电弧EP极性基值电流时间内，焊丝是阳极，阳极产热小，所以在此时间内看不出焊丝端直径有什么变化，基本维持原状；焊丝是阳极，电弧均匀分布在焊丝的下端，焊丝端的液体金属承受均匀的作用力，该液体金属没有左右摇摆的倾向，见图5（1）～（7）。在电弧EP极性脉冲电流期间，随着脉冲电流上升，弧柱区的温度以及电离度增加，弧柱区的亮度增加，出现烁亮区，见图5（8）～（15）。电弧烁亮区处于焊丝端下方，覆盖着焊丝端头熔滴的下半部。电弧烁亮区实质上是由金属蒸汽等离子体构成，该处的电流密度较大，温度较高。随着脉冲电流上升以及脉冲时间增加，电弧烁亮区扩展，电弧扩展的过程中电弧烁亮区始终保持钟罩形。在脉冲电流的下降沿，产生熔滴过渡现象，如图5（13）～（15）。熔滴脱离焊丝端的瞬时，电弧长度增加，电弧跳到新的焊丝端下方，如图5（14）。随着脉冲电流下降，电弧烁亮区减小；脉冲电流结束的时刻，电弧烁亮区消失。进入基值电流时间，电弧形态如图5（15）～（18），焊丝端下方的电弧亮区又呈现细束状。AC PMIG焊的电弧EP极性脉冲电流是主要的熔化焊丝的热源以及过渡熔滴的力源。在2.5 ms左右的脉冲时间内，以脉冲电流产生的热量迅速熔化焊丝形成适量的液体金属，并且以脉冲电流形成的电磁收缩力促使液体金属脱离焊丝端形成熔滴并且过渡到焊接熔池中。控制合适的脉冲电流及脉冲时间，能够实现一个交流脉冲电流过渡一个熔滴的熔滴过渡形式，见
图5（8）～（15）。
3 AC PMIG焊的焊缝成形
用自主研制的AC PMIG焊接设备进行焊接试验，主要研究AC PMIG焊接参数EN比率对焊缝成形的影响情况。焊接试验用焊丝材质Al—Si5，直径φ1.2 mm；焊接工件厚3 mm，材质LF6；氩气流量9.5 l/min 。在送丝速度4.33 m/min，焊接速度0.58 m/min一定的条件下，AC PMIG焊EN比率等于0（即DCEP PMIG焊）时的焊缝成形如图6（1）；AC PMIG 焊EN比率等于40％时的焊缝成形如图6（2）。后者的焊缝熔深比前者的明显减小。焊缝成形表明，在送丝速度、焊接速度一定的条件下，AC PMIG焊的焊缝熔深比DCEP PMIG 焊的焊缝熔深浅，增加EN比率将减小焊缝熔深。
（1）EN％＝0 （2）EN％＝40
图6 AC PMIG焊的焊缝成形照片
4 结论
（1）AC PMIG焊接电弧EN极性时，焊丝端被阴极斑点包围，电弧在焊丝端周围跳动，较小的基值电流对焊丝具有熔化作用。控制合适的EN极性电流及时间，不产生熔滴过渡，焊接过程稳定。
（2）AC PMIG焊接电弧EP极性脉冲电流期间，电弧呈现典型的钟罩形烁亮区，控制合适的脉冲电流及脉冲时间，能够实现一脉一滴的稳定的熔滴过渡过程。
（3）在送丝速度及焊接速度一定的条件下，AC PMIG焊接铝合金时，随EN比率增加，焊缝熔深减小。
1、熔滴上的作用力有哪些？ 答：焊条端头的金属熔滴受以下几个力的作用：表面张力、重力、电磁收缩力、斑点压力、等离子流力和其他力。 2、什么是熔滴和熔滴过渡？ 答：电弧焊时，在焊条（或焊丝）端部形成的，并向熔池过渡的液态金属滴即熔滴。熔滴通过电弧空间向熔池转移的过程即熔滴过渡。 3、熔滴过渡分为哪几种类型？各自的特点是什么？ 答：熔滴过渡形式大体上可分为三种类型，即自由过渡、接触过渡和渣壁过渡。 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。 接触过渡是焊丝端部的熔滴与熔池表面通过接触而过渡。在熔化极气体保护焊时，焊丝短路并重复地引燃电弧，这种接触过渡亦称为短路过渡。TIG 焊时，焊丝作为填充金属，它与工件间不引燃电弧，也称为搭桥过渡。 渣壁过渡与渣保护有关，常发生在埋弧焊时，熔滴是从熔渣的空腔壁上流下的。 4、什么是喷射过渡？它可分为哪几种过渡形式？ 答：在纯氩或富氩保护气体中进行直流负极性熔化极电弧焊时，若采用的电弧电压较高（即弧长较长），一般不出现焊丝末端的熔滴与熔池短路现象，会出现喷射过渡。熔滴呈细小颗粒并以喷射状态快速通过电弧空间向熔池过渡的形式称为喷射过渡。根据不同的焊接条件，这类过渡可分为射滴、亚射流、射流及旋转射流等形式。 5、什么是短路过渡？它有哪些焊接特点？ 答：在较小电流、低电压时，熔滴未长成大滴就与熔池短路，在表面张力及电磁收缩力的作用下，熔滴向母材过渡的过程称短路过渡。这种过渡形式电弧稳定，飞溅较小，熔滴过渡频率高，焊缝成形较好，广泛适用于薄板焊接和全位置焊接。 短路过渡的主要焊接特点有： （1）由于采用较低的电压和较小的电流，所以电弧功率小，对焊件的热输入低，熔池冷凝速度快。这种熔滴过渡方式适宜于焊接薄板，并易于实现全位置焊接。 （2）由于采用细焊丝，电流密度大。例如：直径为1.2mm的碳钢焊丝，当焊接电流为160A 时，电流密度可达141A/mm2，是通常埋弧焊电流密度的2倍多，是焊条电弧焊的8～10倍，因此对焊件加热集中，焊接速度快，可减小焊接接头的热影响区的焊接变形。短路过渡是气体保护焊的一种典型过渡方式，焊条电弧焊也常常采用。 CO 2 6、什么是渣壁过渡？焊条电弧焊时可出现哪几种过渡形式及如何选用焊条药皮厚度？ 答：渣壁过渡是指在焊条电弧焊和埋弧焊时的短路过渡形式。使用焊条电弧焊时，可以出现
焊接基础知识问答
焊接基础知识问答 焊接基础知识问答 一、基本知识 1.什么叫焊接? 答：两种或两种以上材质(同种或异种),通过加热或加压或二者并用,来达到原子之间的结合而形成永久性连接的工艺过程叫焊接. 2.什么叫电弧？ 答：由焊接电源供给的，在两极间产生强烈而持久的气体放电现象—叫电弧。 〈1〉按电流种类可分为：交流电弧、直流电弧和脉冲电弧。 〈2〉按电弧的状态可分为：自由电弧和压缩电弧（如等离子弧）。 〈3〉按电极材料可分为：熔化极电弧和不熔化极电弧。 3.什么叫母材？ 答：被焊接的金属---叫做母材。 4.什么叫熔滴？ 答：焊丝先端受热后熔化，并向熔池过渡的液态金属滴---叫做熔滴。 5.什么叫熔池？ 答：熔焊时焊件上所形成的具有一定几何形状的液态金属部分---叫做熔池。 6.什么叫焊缝？ 答：焊接后焊件中所形成的结合部分。 7.什么叫焊缝金属？ 答：由熔化的母材和填充金属（焊丝、焊条等）凝固后形成的那部分金属。 8.什么叫保护气体？ 答：焊接中用于保护金属熔滴以及熔池免受外界有害气体（氢、氧、氮）侵入的气体---保护气体。 9.什么叫焊接技术？ 答：各种焊接方法、焊接材料、焊接工艺以及焊接设备等及其基础理论的总称—叫焊接技术。 10.什么叫焊接工艺？它有哪些内容？ 答：焊接过程中的一整套工艺程序及其技术规定。内容包括：焊接方法、焊前准备加工、装配、焊接材料、焊接设备、焊接顺序、焊接操作、焊接工艺参数以及焊后处理等。 11.什么叫CO2焊接？ 答：用纯度> 99.98% 的CO2做保护气体的熔化极气体保护焊—称为CO2焊。 12.什么叫MAG焊接？ 答：用混合气体75--95% Ar + 25--5 % CO2 ，（标准配比：80%Ar + 20%CO2 ）做保护气体的熔化极气体保护焊—称为MAG焊。 13.什么叫MIG焊接？ 答：〈1〉用高纯度氩气Ar≥ 99.99%做保护气体的熔化极气体保护焊接铝及铝合金、铜及铜合金等有色金属； 〈2〉用98% Ar + 2%O2 或95%Ar + 5%CO2做保护气体的熔化极气体保护焊接实心不锈钢焊丝的工艺方法--称为MIG焊。 〈3〉用氦+氩惰性混合气做保护的熔化极气体保护焊。 14.什么叫TIG（钨极氩弧焊）焊接？ 答：用纯钨或活化钨（钍钨、铈钨、锆钨、镧钨）作为不熔化电极的惰性气体保护电弧焊，简
焊接方法及自动控制 一、实验目的 1. 了解弧焊机器人的组成及结构。 2. 了解示教器的各种功能，初步掌握示教器的操作方法。 3. 掌握CO2气体保护焊和富氩混合气体保护焊电弧的特性，熔滴过渡特点和焊接成形规律。 二、实验原理 弧焊机器人基本工作原理是示教再现，即由用户导引机器人，一步步按实际任务操作一遍，机器人在导引过程中自动记忆示教的每个动作的位置、姿态、运动参数、焊接参数等，并自动生成一个连续执行全部操作的程序。完成示教后，只需给机器人一个起动命令，机器人将精确地按示教动作，一步步完成全部操作，实际示教与再现。弧焊机器人可以应用在所有电弧焊、切割技术及类似的工业方法中。最常用的范围是结构钢和不锈钢的熔化极活性气体保护焊(CO2焊、MAG 焊)、铝及特殊合金熔化极惰性气体保护焊(MIG焊)。 一套完整的弧焊机器人系统，应包括机器人机械手、焊接控制系统、变位机系统、焊件夹持装置。 三、实验设备及器材 1. 弧焊机器人一台 2. 钢板若干 3. φ1.2H0.8Mn2Si焊丝若干 4. CO2、80%Ar+20%CO2气各一瓶 5.钳子、钢板尺、工装夹具等。 四、实验方法及步骤 1. 打开机器人控制器、焊机等电源，检查焊接气体。
2. 确认机器人的动作范围内没有人员后打开伺服电源。 3. 固定工件，在示教模式下进行焊接程序的编写、跟踪、测试，进行焊接。 （1）CO2气体保护焊 调节电流、电压，进行焊接，观察电弧形态，电弧的声响、飞溅程度以及焊接成形，将焊接过程观察到的现象填入表1中。 （2）富氩混合气体保护焊 按80%Ar+20%CO2进行气体混合，采用不同的电流、电压，进行焊接，观察电弧形态，电弧声响以及焊缝成形，将其记录于表1中。 五、实验数据记录 表1 实验数据表 六、实验结果分析 1. 根据CO2气体保护焊实验结果，分析电流、电压对焊接成形的影响。 2. 对比CO2气体保护与富氩混合气体保护焊接成形的特点。
手工脉冲钨极氩弧焊施工工艺及应用 1前言 脉冲氩弧焊是一种新的焊接工艺，采用低频调制的直流或交流（有“阴极破碎”作用，适用于焊接铝、镁及其合金）脉冲电流加热工件。尤其是直流脉冲氩弧焊，应用范围相当广泛，其中手工脉冲直流氩弧焊在安装行业有巨大的应用前景。 2适用范围 适用于单面焊双面成形焊接工件，特别是在薄壁工件的焊接上更是有无与伦比的优势。 3主要特点 与普通氩弧焊相比，脉冲氩弧焊的特点表现在： 3.1可以精确地控制对工 提高焊缝抗烧穿和保持熔池的 能力，获得均匀的熔深。通过 调节基值电流I a（如图，也叫 维弧电流）大小，脉冲电流I b 大小，脉冲频率，即基值电流 持续时间t b和脉冲电流持续时间t a之和的倒数。可以对焊接热能输入量和分布进行控制，对熔池尺寸进行控制，便可能得到一个尽可能小的熔池， 这时的熔池金属在任何位置都不致因重力作用而下坠，这是一般电弧焊难
以实现的。
3.2 每个焊点加热和冷却迅速，由于脉冲电弧形成的焊缝是由焊点重叠而成，脉冲电弧瞬时冲击力强，对点状熔池有较强的搅拌作用，有利于杂质和气体逸出，且熔池金属冷凝快，高温停留时间短，所以焊缝金属组织致密，大大减小热裂纹产生倾向。尤其在不锈钢焊接方面，其焊接原则是小电流、窄焊缝，快速直线焊。如果焊接线能量过大，合金元素烧损严重（即碳化铬的形成，如果铬含量低于12%，材质会出现生锈），晶间腐蚀倾向加剧，而采用直流脉冲氩弧焊能实现最大限度的控制。 3.3 脉冲电弧可以以较低的热能输入获得较大的熔深，它不同于普通氩弧焊采用的恒定电流。而是采用脉冲电流，可以减小焊接电流的平均值，获得较低的线能量。故在相同条件下能减小热影响区和焊接变形。 4 操作要求 4.1 手工脉冲氩弧焊，对操作者的技术水平要求较高，要求操作者“手稳”、“手准”，要做到双手配合默契，即在脉冲电弧出现时，即时填丝，更重要的是对工艺参数的合理选择： ①一般I a 为I b 的10～20%，t b 为t a 的1～3倍，I a 为t b 的相互匹配应保证电弧不熄灭及熔池在t b 期内得到冷却。 ②一般手工脉冲氩弧焊的频率选择为1～2Hz ，当脉幅比a b A I I R =，脉宽比b a a W t t t R += ，数值过大时，脉冲特征显著，但咬边倾向增大③焊接速度和脉冲频率要相互匹配，应满足焊点间距的要求，要使焊点间必须有一定的重叠量，才能获得连续致密的焊缝。
§6—2焊接电弧的构造及静特性 一焊接电弧的构造及温度 焊接电弧的构造可划分三个区域：阴极区，阳极区，弧株。 电弧焊是利电弧的热能来达到连接金属的目的，电弧的热能是由上述各个区域的电过程作用下产生的，由于各个区域的电过程特点不同，因此各区域所放出的能量及温度的分布也是不相同的。 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10～10cm。在阴极区的阴极表面有一个明显的光的斑点，它是电弧放电时，负电极表面上集中发射的微小区域，称为阴极斑点。 阴极区的温度一般达到2130～3230℃，放出的热量占36%左右》阴极温度的高低主要取决于阴极的电极材料而且阴极的温度一般都低于阴极金属材料的沸点。（见图表） 此外，如果增加电极中的电流密度，那么阴极区的温度也可相应提高。
阴极区和阳极去的温度 注（1）电弧中气体介质为空气。（2）阴极和阳极为同种材料 2阳极区 电弧紧靠正极的区域称为阳极区。阳极区较阴极区宽，越为10～10cm在阳极区的阳极表面也有光亮的斑点，它是电弧放电时，正电极表面上集中的接收电子的位区域，称为阳极斑点。 阳极不发射电子，消耗能量少，因此在阴极材料相同时，阳极去的温度略高于阴极。阳极区的温度一般达2330～3930℃放出热量占43%左右，一般手工电弧焊时，阳极的温度比阴极的温度高些。 3弧柱 电弧阴极区和阳极区的部分称为弧柱。由于阴极区和阳极区都很窄，因此弧柱的长度基本上等于电弧长度。弧柱中所进行的电过程较复杂，而且它的温度不受材料沸点的限制，因此弧柱中心温度可达到5730～7730℃放出的热量占21%左右（手工电弧焊）。弧柱的温度与弧柱中气体介质和焊接电流大小等因素有关；焊接电流越大，弧柱中电离程度也越大，弧柱温度也越高。（图1）
LORCH对脉冲电弧的说明 脉冲弧焊接方式基本原理 材料过渡 优点： 可控的非短路性的过渡，无飞溅。 低基值电流可减少热输入，降低变形量 缺点： 特殊设备需要大范围调节参数 需要更昂贵的气体 材料过渡图解 材料过渡中涉及的力： 焊丝熔化所需要的大量的热量，是由电弧热和焊丝的电阻热所产生的。溶滴的形成和释放，涉及了多种力的影响。 材料过渡
溶滴释放过程中的力主要来源于电磁力（电磁收缩效应）。 脉冲熔滴过渡的节奏，是由电流和电压的脉冲实现的。 电弧的功率是由基值电流和峰值电流之间的比率，通过脉冲占空系数和脉冲频率，来进行 调节。 电流和电压的进程 焊接变量脉冲周期tp 脉冲产生一脉一滴的溶滴释放脉冲周期，取决于焊丝直径和脉冲电流IP 的设置。这个值应当在1.5 和3.0ms 之间。 如果脉冲周期过长，熔滴过渡会在脉冲相位间产生。 额外的脉冲步骤可以用来影响电弧的形成和溶滴速率。 脉冲电压UP 和/或脉冲电流IP 脉冲电弧焊主要利用了电磁的收缩效应，溶滴、释放的脉冲电流应当总是足够高以使临界电流强度得以释放，而临界电流强度是独立于其他诸如焊丝直径、焊丝材料和保护气体的合成比例一项参数。如果该值不能达到，则材料的过渡将完全或部分地由短路中形成，并可能伴随飞溅的产生。 送丝速度vD 和脉冲频率fP 控制一脉一滴的一项重要的要求是对溶滴量的设置。这是通过溶滴量与每个脉冲周期的送丝量之间的等量关系来实现控制的。所需的送丝速度vD 是脉冲频率fP 和每个脉冲周期所熔合的焊丝长度I 来决定的。这样，您会发现改变送丝速度也就要改变脉冲频率，这是一系列的连锁反应关系。提高送丝速度从而提高熔化速度，这需要跟高的脉冲频率。 我们的目标是用1.2mm 直径的焊丝产生1.2mm 直径的溶滴。 基值电流 基值电流阶段，保持电弧不熄灭，保证电弧轨道的电离作用。根据不同的焊丝直径、材料和厚度，通常25 到80A 之间的电流强度是足够的。基值电流还可用以对电弧和材料的过渡产生影响。在送丝速度和脉冲频率之间恒定的关系上，不同的基值电流和相应的电压可以改变电弧的长度。减少基值电流会缩短电弧。这可以应用在高速焊接时抵消电弧偏吹。 基值电流和峰值电流之间不同的比率可以影响溶滴的释放时间。溶滴的释放通常紧随着基值电流阶段中的电流脉冲来定位目标（以S-SpeedPulse 第三脉冲电流阶段来说）。这可以通过增加基值电流同时降低峰值电流来实现。
交流脉冲MIG焊接电弧及其控制 杭争翔，李利 （沈阳工业大学，沈阳110023） 摘要在分析DCEP MIG焊及DCEN MIG焊电弧行为的基础上设计AC PMIG焊的控制模式。AC PMIG焊由EP极性及EN极性交替切换构成。EN极性时只是基值电流，电弧在焊丝端存在跳动及上爬现象。随着EN极性时间增加，焊丝端液体金属聚集、直径增加，显示出EN极性电弧对焊丝的熔化作用。控制合适的EN极性时间及电流值，不形成熔滴过渡现象，焊接过程稳定。EP极性时由基值时间及脉冲时间构成，脉冲电流时，电弧烁亮区呈现典型的钟罩形烁亮区，脉冲电流促使熔滴柔顺过渡，能够实现一脉一滴控制效果。在一定的送丝速度及焊接速度的条件下，AC PMIG焊接铝合金的焊缝熔深随EN比率增加而减小。关键词：交流；MIG；电弧；控制 0 前言 交流MIG焊接工艺早就被提出并且有一些研究工作，比较近期的研究工作是双凹形焊接电流控制方案，解决的主要问题是以交流电弧克服直流电弧的磁偏吹[1][2]。 关于直流且焊丝为正（DCEP）的MIG焊的电弧物理、熔滴过渡特性及焊接工艺特性已经有很多的研究工作。关于直流且焊丝为负（DCEN）MIG焊的电弧物理、熔滴过渡特性及焊接工艺特性的研究工作也有一些[3]。 DCEP 脉冲MIG（PMIG）电弧稳定，电弧力有利于熔滴过渡，电弧穿透力强，焊缝熔深大，焊接薄板时容易出现熔池下塌现象。DCEN MIG焊由于焊丝是阴极，阴极斑点在焊丝端上下跳动，电弧稳定性不好，电弧力不利于熔滴过渡，焊缝熔深浅，容易产生融合不良、凸焊道等焊接缺陷，不能稳定焊接[3]。 交流脉冲熔化极氩弧焊（AC PMIG）电弧由EP极性及EN极性构成，可以看成是交替切换DCEP PMIG电弧及DCEN MIG电弧形成的。合理利用DCEP PMIG及DCEN MIG电弧的优势，设计AC PMIG焊接电弧的控制模式，保证焊接电弧的稳定性及熔滴过渡过程的稳定性，保证焊接过程的稳定性。切换DCEP PMIG与DCEN MIG构成的AC PMIG焊，其电弧力及电弧热的特点应该介于DCEP PMIG及DCEN MIG之间，其焊缝熔深应该介于二者之间，其最大的焊缝熔深是DCEP PMIG的焊缝熔深，这样这种焊接工艺将有利于焊接薄板。随着时代发展，应产品轻量化要求，薄板特别是铝合金薄板被大量应用，其制造过程中有很多薄板需要电弧焊。焊接薄板时最容易出现的质量问题是熔池下塌。为此需要研究焊接熔池
电弧焊基础知识 第一节焊接电弧 目的与要求：了解电弧的实质、获得的途径、电弧各区域及其导电机构的特点、能量与温度的分布规律；掌握电弧偏吹的概念及影响因素、解决措施。 一、焊接电弧的物理基础 （一）电弧及其电场强度分布 电弧的实质：气体放电（导电） 电弧的特点：低电压、大电流、温度高、亮度大 （二）电弧中带电粒子的产生 获得电弧的途径：气体电离+电子发射 1、电离的种类： 热电离场致电离光电离 电离能及其与引弧的关系 2、（阴极）电子发射 热发射场致发射光发射粒子碰撞发射 逸出功及其与引弧的关系 1、电离的种类： 热电离场致电离光电离 电离能及其与引弧的关系 2、（阴极）电子发射
热发射场致发射光发射粒子碰撞发射 逸出功及其与引弧的关系 二、焊接电弧的导电特性 电弧的三个区域：阴极区弧柱区阳极区 （一）弧柱区的导电特性 最小电压原理（难点，通过水珠的形状与能量的关系辅以解释说明） （二）阴极区的导电特性 1、热发射型 2、电场发射型阴极斑点 （三）阳极区的导电特 1、阳极斑点 2、阳极区导电形式 三、焊接电弧的工艺特性 电弧的工艺特性主要包括：热能特性、力学特性、电弧稳定性等。 （一）电弧的热能特性 1、电弧热的形成机构 电弧的弧柱、阴极区、阳极区的产热特性各不相同。 ⑴弧柱的产热 ⑵阴极区的产热特性 ⑶阳极区的产热特性
2、电弧的温度分布 ⑴轴向－两极区低弧柱区高 ⑵径向－中心高四周低 3、焊接电弧的热效率及能量密度 电弧产热的一部分热量会通过对流、传导、辐射等形式散失，所以会存在热效率问题。 能量密度分布：轴向－两极区大弧柱区小径向－中心大四周小 （二）、电弧的力学特性 1、电弧力类型及作用（重点） 电磁（收缩）力——使电弧获得刚直性，促进熔滴过渡 等离子流力——促进熔滴过渡 斑点（压）力——阴极＞阳极／阻碍熔滴过渡 电极材料蒸发的反作用力——阴极＞阳极／阻碍熔滴过渡 熔滴(droplet)冲击力——对熔池造成冲击 短路爆破力——短路时产生，导致飞溅 2、电弧力的主要影响因素 气体介质、焊接电流和电压、焊丝（条）直径、极性和电极端部形状等。 四、焊接电弧的稳定性 电弧稳定性的概念（P19） 影响电弧稳定性的因素：电源、外界因素、药皮（芯）（焊剂）、
焊接电弧光谱的分布特征 柳刚李俊岳李桓范荣焕云绍辉 摘要在试验的基础上，给出了焊接电弧光谱的频域及空间分布的测试结果，分析了焊接电弧光谱的结构。通过分析得出了TIG焊电弧光谱空间分布的差异性和MIG焊电弧光谱空间分布的相似性，着重指出MIG焊电弧光谱与熔滴过渡之间存在密切关系。此外，还对焊接电弧光谱特征的应用提出了方向。 叙词：焊接电弧光谱特征分布熔滴过渡 中图分类号：TG44 SPECTRAL DISTRIBUTION CHARACTERISTICS OF WELDING ARC Liu Gang Li Junyue Li HuanFan Ronghuan Yun Shaohui （Tianjin University） Abstract On the basic of experiments,the testing results of welding arc cross spectrum distribution of various arc cross section along wavelength window are presented.The sepctrum structures and the differences between TIG and MIG welding arc are analysed.The corresponding relations between metal transfer and welding arc spectrum structure are pointed out especially.Meanwhile,the potential applications have been also proposed. Key words：Welding arc Spectrum characteristics Distribution Metal transfer 0 前言 目前，焊接质量控制与焊接自动化业已成为焊接领域发展的前沿，为了实现上述目标，需要对焊接电弧内部的物理过程及现象，进行更为充分的研究以获取更多的信息。由于焊接电弧的特殊性，常用的传感方法在检测它时都遇到了困难，而应用光谱来传感焊接电弧，则具有信息丰富、响应迅速、不干扰电弧和适于实时控制等优点［1，2］，因此受到日益广泛的重视。将电弧光谱应用于焊接过程控制的前提，是须首先获得焊接电弧的光谱特征，从中发现与焊接电弧过程尤其是熔滴过渡之间的联系，从而为后续工作提供理论指导。因此，焊接电弧光谱特征的研究具有重要的理论和实用意义。 1 焊接电弧光谱测量装置、原理及试验方法 1.1 测量装置 为了测定焊接电弧的光谱特征，建立了如图1所示的测量装置［2］。 图1 焊接电弧光谱测量装置
1、试述电弧中带电粒子的产生方式：电弧中的带电粒子主要是指电子正离子和负离子，这些 带电粒子主要依靠电弧气体空间的电离和电极的电子发射两个物理过程所产生，同时伴随着解离、激励、扩散、复合、负离子的产生等一些其他过程。产生电弧的两个基本条件是有带电粒子和电极之间有一定的电场强度。产生方式有解离、电离（热电离电场作用电离光电离）激励（碰撞传递光辐射传递）电子发射（热发射电场发射光发射粒子碰撞发射）。 1、最小电压原理： 在给定电流和周围条件一定的情况下，电弧稳定燃烧时其导电区的半径或温度应使电弧电场强度具有最小的数值，就是说电弧具有保持最小能量消耗的特性。 2、什么是焊接静特性：是指稳定状态下（弧长一定，稳定的保护气流量和电极）焊接电弧的 焊接电流和电弧电压特性。 3、什么是焊接动特性，为什么交流电弧和直流变动的直流电弧的动特性呈回线特性？ 是指的那个电弧的长度一定，电弧电流发生连续快速变化时，电弧电压与焊接电流瞬时值之间的关系。它反映了电弧的导电性对电流变化的响应能力。在焊接电流的上升过程中，由于电弧先前处于相对低温状态，电流的增加需要有较高的电场，因此表现出电弧电压有某种程度的增加；在电流下降过程中，由于电弧先前已处于较高温度状态，电弧等离子体的热惯性不能马上对电流降低做出反应，电弧中仍然有较多的游离带电粒子，电弧导电性仍然很强，使电弧电压处于相对较低的水平，从而形成回线状的电弧动特性。 4、试述焊接电弧的产热机构以及焊接电流T分布：焊接电流是一个能量输出很强的导体，其 能量通过电弧转换，由于弧柱、阴极区、阳极区组成，因此焊接电弧总的能量来自这三个部分。（1）阴极区的产热本质是产生电子（消耗能量）、接收正离子的过程有能量变化，这些能量的平衡结果就是产热。产热产热量是PK=I*(UK-Uw-UT),作用是用于加热阴极。（2）阳极区的产热本质是接收电子、产生A、过程中伴随能量的转换。产热量是PA=I*(UA-UK-Tt),用于加热阳极。（3）弧柱的产热机构本质是A+、e在电场下被加速，使其动能增大表现为温度升高。产热量为Pc=Ia*Ua,I及Ua的因素。 弧柱温度较高，两电极温度较低，焊接电弧径向温度分布，中间高四周低，靠近电极电弧直径小的一端，电流和能量密度高，电弧温度也高。 5、焊接电弧能产生哪几种电弧力？说明他们的产生原因以及影响焊接电弧力的因素。 焊接电弧作用力包括电弧静压力（电磁收缩力）、等离子流力（电弧电磁动压力）、斑点力、爆破力、细熔滴的冲击力。电磁收缩力：这个力的形成是由于一个导体中的电流在另一个导体周围空间形成磁场，磁场间相互作用，使导体受到电磁力。等离子流力：连续不断的气流，到达工件表面时形成附加的一种压力形成等离子流力，等离子流力是高温粒子高速流动形成的。斑点力：当电极上形成斑点时，由于斑点上导电和导热的特点，在斑点上将产生斑点力。爆破力：熔滴短路电弧瞬时熄灭，因短路时电流很大，短路金属液柱中电流密度很高，在金属液柱内产生很大的电磁收缩力，使缩颈变细，电阻热使金属液柱小桥温度急剧升高，使液柱汽化爆断。细熔滴的冲击力：熔滴在等离子流作用下以很高的加速度冲向熔池产生的，受电磁力和等离子流力的作用。影响焊接电弧力的因素有电弧电流及电弧电压、焊丝直径、电极的极性、气体介质、电流的脉动、钨极端部几何形状。 7.试述影响焊接电弧稳定性的因素 焊接电源、焊接电流和电压、电流的种类和极性、焊剂和焊条药皮、磁偏吹、及铁锈、水、油污、风等其他因素 1、熔化极电弧焊中，焊丝熔化的热源有哪些？熔化极电弧焊中，焊丝的加热熔化主要靠阴极区(电流正接时)或阳极区（电流反接时）所产生的热量及焊丝自身的电阻热，弧柱区产生的热量对焊丝熔化居次要地位。热源主要包括焊丝的电弧热和电阻热。 2、影响焊丝融化速度因素有哪些？是如何影响的？ （1）焊接电流对熔化速度的影响。焊丝的电弧热与焊接电流成正比，电阻热与电流平方成正比，同一电流中，焊丝直径越细，伸出长度越长，熔化速度越快。 （2）电弧电压对熔化速度的影响。电弧电压较高时电弧电压基本上对焊丝熔化速度影响不大。电弧电压较低时，当电弧长度减小时，要熔化一定数量的焊丝所需要的电流减小，弧压变小，反而使焊丝熔化速度增加。 （3）焊丝直径对熔化速度的影响。电流一定时，焊丝直径越细，电流密度也越大，使焊丝熔化速度增大。
焊接电弧特性 焊接电弧的电特性包括焊接电弧的静态伏安特性（静特性）和动态伏安特性（动特性）。 一、电弧静特性曲线 图1-1普通电阻静特性与电弧静特性曲线 1—普通电阻静特性曲线2—电弧静特性曲线 一定长度的电弧在稳定燃烧状态下，电弧电压与电弧电流之间的关系称为焊接电弧的静态伏安特性，简称伏安特性或静特性，也称为U曲线。 1）电弧静特性曲线。焊接电弧是焊接回路中的负载，它与普通电路中的普通电阻不同，普通电阻的电阻值是常数，电阻两端的电压与通过的电流成正比（U=IR），遵循欧姆定律，这种特性称为电阻静特性，为一条直线，如图1-1中的曲线1所示。 焊接电弧也相当于一个电阻性负载，但其电阻值不是常数。电弧两端的电压与通过的焊接电流不成正比关系，而呈U形曲线关系，如图1-1中的曲线2所示。 电弧静特性曲线分为三个不同的区域，当电流较小时（图1-1中的ab区），电弧静特性属下降特性区，即随着电流增加电压减小;当电流稍大时（图1-1中的bc区），电弧静特性属平特性区，即电流变化时，而电压几乎不变;当电流较大时（图1-1中的cd区），电弧静特性属上升特性区，电压随电流的增加而升高。 2）电弧静特性曲线的应用。由于不同的焊接方法，其焊接中所取的电流范围有限，因此对于特定焊接方法，根据其电流适用范围，其电弧静特性曲线只是整个U曲线的某一部分。 焊条电弧焊、埋弧焊一般工作在静特性的平特性区，即电弧电压只随弧长而变化，与焊接电流关系很小。 ◆焊条电弧焊、埋弧焊多半工作在静特性水平段。 ◆一般的钨极氩弧焊、等离子弧焊的焊接电弧也工作在水平段， ◆当电流很小时，如微束等离子弧焊、微束TIG焊工作在下降段 ◆细丝熔化极气体保护焊基本上工作在上升段。
1、根据电流种类如何划分焊接电弧类型?掌握每类焊接电弧的应用特 点。答：直流电弧、交流电弧，脉冲电弧。直流电弧的极性对于熔化极电弧焊来说，由于受熔滴过渡稳定性的影响，通常是直流反接时的电弧稳定性好于直流正接。对于钨极氩弧焊来说，直流正接时的电弧稳定性好于直流反接时的稳定性。 2、什么是电极斑点?形成阴（阳）极斑点的条件有何异同?答：在电弧 燃烧时，电极表面很小很亮的斑点。阴极斑点形成的条件：1、该点应具有氧化物2、电弧通过该点时能量消耗较小。阳极斑点形成条件： 1、该点有金属蒸发 2、电弧通过该点时弧柱消耗能量较低。 3、形成电弧磁偏吹的实质是什么?举例说明。答：实质：电弧周围磁场 分布的均匀性受到破坏，使焊接电弧偏离焊丝或焊条的轴线而向某一方向偏吹。比如：平行电弧间产生的磁偏吹、地线接线位置产生的磁偏吹、电弧一侧铁磁物体引起的磁偏吹。 4、焊接电弧的引弧方式有哪些?各有何特点?举例说明其应用。答：接 触式引弧：焊条或焊丝和焊件分别接通于弧焊电源的两极，将焊条或焊丝与焊件轻轻地接触，然后迅速提拉，这样就使焊丝或焊条与焊件之间产生了一个电弧。焊条电弧焊、埋弧焊等。非接触式引弧：在电极和焊件之间存在一定间隙，施以高电压击穿间隙使电弧引燃。钨极氩弧焊、等离子弧焊等。 5、什么是最小电压原理？并利用该原理解释为什么用风扇对着电弧吹 时电弧会收缩。答：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。电弧收缩，断面面积减小，也就减少了电弧表面散失的热量，从而使电场强度增加的幅度减小。焊丝熔化与熔滴过渡 1、何谓焊丝的干伸长度?干伸长度与焊丝熔化有怎样的关系? 答：导 电嘴的接触点到电弧端头的一段焊丝的长度，即焊丝的伸出长度。 其他条件不变，干伸长度越长，焊丝速度越快。 2、何谓焊丝熔化速度?影响焊丝熔化速度的主要因素有哪些?答：单 位时间内焊丝的熔化长度或熔化质量。因素：1、电流增大，焊丝熔化速度越快；2、电弧电压对焊丝熔化速度几乎没影响3、焊丝直径越细，焊丝熔化速度越快4、焊丝伸出长度越长，熔化速度越快5、电阻率大的材料，焊丝熔化速度越快6、气体介质和焊丝极性 3、何谓熔敷效率、熔敷系数、熔化系数、飞溅率?答：熔敷效率：过 渡到焊缝中的金属质量与使用焊丝金属质量之比。熔敷系数：指单位时间、单位电流所熔敷到焊缝中的焊丝金属质量。熔化系数：单位时间、单位电流熔化焊丝金属的质量。飞溅率：飞溅损失的金属与熔化的焊丝金属的质量百分比。
激光焊接电弧高速摄像技术中 提要: 建立了以激光为背景光源的高速摄像系统, 该系统包括焊接平台、焊接设备和摄像装置三部分。介绍了电弧高速摄像的关键技术,包括光路的设计、背景光源的选择和弧光的消除等。利用此系统可在线观测和监控焊接过程。 关键词: 激光应用; 电弧; 高速摄像 焊接电弧及熔滴过渡对焊接质量的影响起决定作用, 因此, 对焊接电弧及熔滴过渡的研究始终是焊接领域的重要课题, 由于电弧燃烧时发出强烈的光,肉眼无法观察, 必须借助于高速摄像机进行观察。本文建立了一套新的电弧高速摄像系统,特点是以激光作为背景光源, 使用方便、成本低。重点介绍了高速摄像关键技术。 1 高速摄像系统组成 高速摄像系统由三部分组成: 焊接平台: 焊接设备: 摄像装置。 1 . 1 焊接平 图 1 HGT - 3 ( A, B) 精密焊接工作台 焊接平台采用已有的成都电焊机研究所的HG T - 3 ( A,B ) 精密焊接工作台, 如图1 所示。该工作台可与 MI G/ MA G焊机、 TIG 焊机、微束等离子焊机组成全自动环缝焊接系统和圆管纵缝焊接系统。在配备专用夹具时, 还可以进行薄板对接焊接。工作台可以对 320 以内的管子进行施焊。实验管材如图 2 所示, 其结构尺寸为16 0 14 245。用三爪卡盘和尾座顶丝将管子对中固定, 调节焊矩位置。通过管子的周向转动, 而焊矩位置固定来达到对管子环焊缝进行施焊的目的。 图 2 实验管材 1 . 2 焊接设备 焊接设备采用北京时代科技股份有限公司的产品: WSM- 400 ( P NE21 - 40 0P) 数控脉冲氩弧焊机。该焊机是基于DSP、模糊控制、波形控制及自适应控制技术的全
各种焊接方法简明教程
各种焊接方法简明教程 ㈠手弧焊（STICK） 焊条手弧焊，英文是Shielded Arc Welding （缩写SMAW）， 其原理是：在药皮焊条和母材间产生电弧，利用电弧热融化焊条和母材的焊接方法。焊条外层覆盖焊药，遇热融化，具有使电弧稳定、形成溶渣、脱氧、精炼等作用。 焊条手弧焊焊接原理图 焊接电源使用具有下降特性的交流电弧焊机或直流电弧焊机。一般使用交流电弧焊机，特别要求电弧稳定性时使用直流电弧焊机。 主要特点： ①焊接操作简单
②焊钳轻，移动方便， ③适用作业范围广 ㈡熔化极气保焊（CO2/MAG/MIG） ⒈消耗电极式气体保护焊接，英文是 Gas metal Arc Welding（缩写 GMAW） ⒉MAG 焊接： metal Active Gas Welding(Active Gas: 活性气体) ⒊MIG 焊接： metal Inert Gas Welding,(Inert Gas: 惰性气体) 根据保护气体的种类，大体分为MAG焊接和MIG焊接。MAG焊接使用CO2、或在氩气内混合C02或氧气（这些称为活性气体）。只是使用CO2气体的焊接习惯被称为CO2电弧焊接，与MAG焊接相区别。 MIG焊接使用氩气、氦气等惰性气体。 其原理是：在细径消耗电极（焊丝）和母材间产生电弧，用保护气体密封周围，熔化母材和焊丝的焊接方法。广泛应用于作业者手持焊枪的半自动焊接以及机器人焊接和自动焊接领域。 消耗电极式气体保护焊接原理图
CO2焊接的特点： ①焊接速度快 ②引弧效率高 ③熔池深 ④熔敷效率高 ⑤一种焊丝可适用多种板厚 ⑥焊接品质好 ⑦焊后变形小 ⑧一种焊丝可适用多种母材 MAG焊接的特点： ①除具有CO2焊接的优点之外 ②焊缝外观美观 ③飞溅少 ④双面成形焊接、全方位焊接容易
焊接电弧的基础知识 电弧是一切电弧焊焊接方法的能源，电弧是一种气体放电现象。 1. 电弧的物理特性 焊接电弧是由焊接电源供电的、具有一定电压的两电极间或电极与焊件间气体介质产生的强烈而持久的放电现象。通常情况下，气体的分子和原子呈中性，气体中没有带电粒子，即使在电场作用下，也不会产生气体导电现象，电弧不能自发产生。要使电弧引弧并稳定地燃烧，就必须使两电极间的气体电离产生导电粒子。 2. 焊接电弧的结构 （1）电弧结构：焊接电弧在长度方向上，由于其气体导体粒子的特性变化，电弧的阻抗也发生变化。通常将电弧分成三个区域，靠近阴、阳极分别为阴极区和阳极区，中间的部分为弧柱区（图1-1）。阴极区的长度非常小，只-5-6-3-4，而cm10～10，阳极区的长度也只有cm10～10有． 弧柱区则占据电弧的主要长度。在电弧电压的分布上，阴，10-30V)～20v，弧柱区的压降(U为)极区的压降(U为10CK 2～3V。)而阳极区的压降(U为A
1-1 电弧压降分布图）电弧中温度及能量的分布：根据焊接电弧的结构2（特点，焊接电弧中各区域温度及能量分布也不均匀。 焊接电弧的溫度结构特点，电极材料、气体种类、焊接电流 大小、焊接方法不同而不同。—般情况下，弧柱区的温度较 高，两电极温度较低，这主要是由于电极温度受到电极的材 料种类、焊接性能以及熔点和沸点的限制，而弧柱区则． 没有。 （3）电弧周围的磁场：电弧实际上是一种气态导体，从宏 观上看呈中性，而在其内部，正、负电荷分离并以一定的方
向运动形成电流，就像一根通电的导体。与流过电流的导体一样，电弧周围也产生自身的磁场。电流与磁场的方向由右手定则确定（图1-2）。这种自身磁场能产生一定的电磁收缩力，促使熔滴向熔池过渡，保证熔化深度，并使电弧具有一定刚度，即电弧抵抗外界干扰，力求保持沿焊条（丝）轴向流动的能力。 在焊接过程中，由于种种原因，电弧自身所产生的磁场均匀性的分布可能遭到破坏，使电弧偏离焊条（丝）的轴线方向，即产生磁偏吹现象，如图1-3所示。电流不仅在焊条与电弧的空间产生磁场，而且在流过焊件的方向产生磁场，结果使电弧偏离了焊条（丝）轴线。磁偏吹的产生还可能由于焊件上的剩磁以及焊件周围其他的磁场所引起。
§1.2 焊接电弧特性 电弧特性是指电弧在导电行为方面表现出的一些特征，其中的电弧电特性与电弧热平衡、电弧稳定性等有很深的联系，是很重要的事项。 焊接电弧静特性 焊接电弧动特性 阴极斑点和阳极斑点 电弧的阴极清理作用 最小电压原理 电弧的挺直性与磁偏吹
1. 焊接电弧静特性 1）电弧静特性曲线变化特征（与金属电阻对应理解） 电弧的电流·电压特性 左图概念性示出稳定状态下焊接电弧的电流·电压特性，称作电弧静特性曲线。静特性曲线是在①某一电弧长度数值下，在②稳定的保护气流量和③电极条件下（还应包括其他稳定条件），改变电弧电流数值，在电弧达到稳定燃烧状态时所对应的电弧电压曲线。 呈现3个区段的变化特点下降特性区（负阻特性区）平特性区上升特性区
3个特性区域的特点是由于电弧自身性质所确定的，主要和电弧自身形态、所处环境、电弧产热与散热平衡等有关 在小电流区：电弧电压随电流的增大而减小，呈现负阻特性。原因如下： 电流小时，电弧热量低，导电性差，需要较高的电场推导电荷运动； 电弧极区（特别是阴极区），温度低，提供电子能力差，会形成较强的极区电场； 电流增大：电弧中产生和运动等量的电荷不再需要更高的电场； 电弧自身性质具有保持热量动态平衡的能力 当电流稍大时：焊条金属将产生金属蒸气的发射和粒子流。 消耗能量，故E不用降低 当电流进一步增大时，金属蒸气的发射和等离子流的冷却作用进一步增强，同时由于电磁收缩力的作用，电弧断面不能随电流的增加而成比例的增加，电弧电压降升高，电弧静特性呈正特性。
埋弧焊电弧静特性曲线埋弧焊电弧的散热损失小，且电弧中基本没有GTA、GMA那样的等离子流存在，采用粗焊丝大电流，电弧特性呈下降趋势。 电弧特性反应了电弧的导电性能和变化特征，电弧种发生的许多现象都与静特性有关，也可以用于对比解释各种电弧焊方法的差别
焊接电弧的构造及静特 性 Document serial number【KKGB-LBS98YT-BS8CB-BSUT-BST108】
§6—2焊接电弧的构造及静特性 一焊接电弧的构造及温度 焊接电弧的构造可划分三个区域：阴极区，阳极区，弧株。 电弧焊是利电弧的热能来达到连接金属的目的，电弧的热能是由上述各个区域的电过程作用下产生的，由于各个区域的电过程特点不同，因此各区域所放出的能量及温度的分布也是不相同的。 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10～10cm。在阴极区的阴极表面有一个明显的光的斑点，它是电弧放电时，负电极表面上集中发射的微小区域，称为阴极斑点。 阴极区的温度一般达到2130～3230℃，放出的热量占36%左右》阴极温度的高低主要取决于阴极的电极材料而且阴极的温度一般都低于阴极金属材料的沸点。（见图表）
此外，如果增加电极中的电流密度，那么阴极区的温度也可相应提高。 阴极区和阳极去的温度 电极材料材料沸 腾℃阴极区温 度℃ 阳极区温 度℃ 碳436732273827 铁299821302330 铜230719272177 290020972177 钨592727273927 注（1）电弧中气体介质为空气。（2）阴极和阳极为同种材料 2阳极区 电弧紧靠正极的区域称为阳极区。阳极区较阴极区宽，越为10～10cm在阳极区的阳极表面也有光亮的斑点，它是电弧放电时，正电极表面上集中的接收电子的位区域，称为阳极斑点。 阳极不发射电子，消耗能量少，因此在阴极材料相同时，阳极去的温度略高于阴极。阳极区的温度一般达2330～3930℃放
焊接熔滴
1、熔滴上的作用力有哪些？ 答：焊条端头的金属熔滴受以下几个力的作用：表面张力、重力、电磁收缩力、斑点压力、等离子流力和其他力。 2、什么是熔滴和熔滴过渡？ 答：电弧焊时，在焊条（或焊丝）端部形成的，并向熔池过渡的液态金属滴即熔滴。熔滴通过电弧空间向熔池转移的过程即熔滴过渡。 3、熔滴过渡分为哪几种类型？各自的特点是什么？ 答：熔滴过渡形式大体上可分为三种类型，即自由过渡、接触过渡和渣壁过渡。 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。 接触过渡是焊丝端部的熔滴与熔池表面通过接触而过渡。在熔化极气体保护焊时，焊丝短路并重复地引燃电弧，这种接触过渡亦称为短路过渡。TIG 焊时，焊丝作为填充金属，它与工件间不引燃电弧，也称为搭桥过渡。 渣壁过渡与渣保护有关，常发生在埋弧焊时，熔滴是从熔渣的空腔壁上流下的。 4、什么是喷射过渡？它可分为哪几种过渡形式？ 答：在纯氩或富氩保护气体中进行直流负极性熔化极电弧焊时，若采用的电弧电压较高（即弧长较长），一般不出现焊丝末端的熔滴与熔池短路现象，会出现喷射过渡。熔滴呈细小颗粒并以喷射状态快速通过电弧空间向熔池过渡的形式称为喷射过渡。根据不同的焊接条件，这类过渡可分为射滴、亚射流、射流及旋转射流等形式。 5、什么是短路过渡？它有哪些焊接特点？ 答：在较小电流、低电压时，熔滴未长成大滴就与熔池短路，在表面张力及电磁收缩力的作用下，熔滴向母材过渡的过程称短路过渡。这种过渡形式电弧稳定，飞溅较小，熔滴过渡频率高，焊缝成形较好，广泛适用于薄板焊接和全位置焊接。 短路过渡的主要焊接特点有： （1）由于采用较低的电压和较小的电流，所以电弧功率小，对焊件的热输入低，熔池冷凝速度快。这种熔滴过渡方式适宜于焊接薄板，并易于实现全位置焊接。 （2）由于采用细焊丝，电流密度大。例如：直径为1.2mm的碳钢焊丝，当焊接电流为160A 时，电流密度可达141A/mm2，是通常埋弧焊电流密度的2倍多，是焊条电弧焊的8～10倍，因此对焊件加热集中，焊接速度快，可减小焊接接头的热影响区的焊接变形。短路过渡是气体保护焊的一种典型过渡方式，焊条电弧焊也常常采用。 CO 2 6、什么是渣壁过渡？焊条电弧焊时可出现哪几种过渡形式及如何选用焊条药皮厚度？ 答：渣壁过渡是指在焊条电弧焊和埋弧焊时的短路过渡形式。使用焊条电弧焊时，可以出现
第２４卷第ｌ期 焊接学报ｖ。１．２４Ｎ。．１２０Ｏ３年２月ＴＲＡＮＳＡＣＴｌ０ＮＳ０ＦＴＨＥＣＨＩＮＡＷＥＬＤＩＮＧＩＮＳＴＩＴＵ研０ＮＦｅｂｎｌａｒｙ２ＯＯ３ 焊接电弧熔滴过渡特征光谱窗口的选择 杨运强“，张晓琪１，李俊岳２，李桓２ （１．株洲工学院，湖南株洲４１２００６；２．天津大学，天津３０００７２） 摘要：焊接电弧光谱是一个丰富的信息源，电弧中各种变化都能在电弧光谱中得到 体现，不同波段不同谱线的电弧光谱所包含的信息各不相同。熔滴过渡过程直接导致 电弧空间粒子浓度和分布的变化，检测相应的电弧光谱就能检测喷射过渡电弧的熔滴 过渡。文中介绍了熔化极电弧光谱分布特征，分析了窗口光谱辐射理论，提出了焊接电 弧熔滴过渡特征光谱窗口的选择原刚，并在此原则指导下选取了特征光谱窗口，对熔滴 过渡过程进行检测痢控制。试验证明，这种特征窗口光谱信息能够像光谱仪谱线信息 一样很灵敏地反映熔滴喷射过渡过程，可以利用该信号进行熔滴过渡闭环精确控制。 文中的熔滴过渡信息的检测和控制都取得了非常好的效果。 关键词：焊接电弧；光谱窗口；熔滴过渡；检测与控制；熔化极气体保护焊 中图分类号：似０３文献标识码：Ａ文章编号：０２５３—３６０ｘ（２００３）０ｌ—１４一０５杨运强 ０序言 不用光谱仪进行电弧光谱研究，必须用到光谱窗口。目前电弧光谱窗口技术在许多方面都能得到应用，如焊缝跟踪…，焊接过程监控，电弧中有害气体的检测”’等等，因此，有必要专门对光谱窗口进行研究。 研究发现，电弧光谱信息对于检测焊接电弧喷射过渡过程有着独特的优越性，信号灵敏而且信号品质高。文献［３］和文献［４］利用光谱仪成功地实现了焊接电弧熔滴过渡的检测和反馈控制，为电弧光谱信息开拓了新的应用领域，但是这种基于光谱仪的测试和控制系统不能应用于实际生产中，要实现电弧光谱信息对熔滴过渡的实时在线检测与控制，必须甩掉笨重的光谱仪，用光谱窗口代替谱线进行熔滴过渡的检测与控制。理论和实践都证明，选择光谱窗口与选择单一谱线存在明显的差异。单一谱线测试要求选择信号稳定，强度较大，周围谱线少，邻线干扰小的谱线；而光谱窗口不可避免地存在多根谱线，因此不能照搬谱线选择原则，选择光谱窗口时应考虑窗口中各光谱的强度积分效应。 作者开展了对焊接电弧熔滴过渡光谱窗口的研究，提出了熔滴过渡光谱窗口选择原则，并实际选取了光谱窗口，成功地进行了熔滴过渡的在线检测与控制。 收稿日期：２００２一（）６—１０ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５９９７５０６８） ?现在北京工业大学机电学院博士后流动站工作ｌ特征光谱检测熔滴过渡的理论基础 研究表明，焊接电弧在稳定工作时虽不能整体满足完全热力学平衡条件，但能满足局部热力学平衡的要求”Ｊ，局部热力学平衡除普朗克定律不满足外，满足完全热力学平衡其它所有定律，即粒子的速度分布服从麦克斯韦分布，激发粒子数服从波尔茨曼分布，分子、原子、粒子和电子按质量作用定律（包括歌尔培克一瓦格方程和沙哈方程）分布。 当系统处于热力学平衡态时，若某种粒子（如某种元素的原子）从高能级ｐ跃迁到低能级ｇ时，相应于某一波长的光谱发射系数（或称辐射密度ｊ‰为 １． ８ｗ２。：ｉ４月１‰“Ｐ２ －Ｊ、，，Ｆ、 寿～＾”。昂蠢“ｐ【＿嵩Ｊ，（１） 式中：Ａ。为从高能级ｐ向低能级ｑ的跃迁几率；昂为Ｐ能级上的统计权重；ｚ（ｒ）为发射该谱线的原子的配分函数；Ｅ为高能级ｐ的激发能；ｎｐ为处于ｐ能级激发态的原子数密度；Ｍ为发射该谱线的原子数密度；Ｋ为玻尔兹曼常数．ｒ为温度；＾为普朗克常数；ｖ。为谱线频率。其中，Ａ。、岛、Ｅ，对确定的原子谱线有一定的数值，ｚ（７Ｔ）可通过有关式子计算得到”】。 由此可见，光谱发射率ｓ。不仅与温度ｒ和原子数密度Ⅳ＾相联系，而且通过上述各个定律与其它 各种粒子数密度及压力Ｐ相联系，光谱强度与电孤 万方数据