第一章电弧焊基础知识第一章电弧焊基础知识一、教学目的：能正确认识焊接电弧中带电粒子的产生原理了解焊接电弧的工艺特性及电弧力的种类了解阴极斑点及阳极斑点的定义了解熔滴上的作用力掌握熔滴过渡的主要形式及其特点能正确认识焊缝形成过程了解焊接工艺参数对焊缝成形的影响了解焊缝成形缺陷的产生及防止二、教学重点：焊接电弧中带电粒子的产生原理熔滴过渡的主要形式及其特点焊接工艺参数对焊缝成形的影响三、教学难点：电离和激励极斑点及阳极斑点最小电压原理焊缝成形缺陷的产生及防止四、参考学时数：4～6学时五、主要教学内容：第一节焊接电弧一、焊接电弧的物理基础（一）电弧及其电场强度分布电弧是一种气体放电现象，它是带电粒子通过两电极之间气体空间的一种导电过程。
电弧有三个部分构成：阴极区、阳极区、弧柱区。
（二）电弧中带电粒子的产生1、气体的电离在外加能量作用下，使中性的气体分子或原子分离成电子和正离子的过程称为气体电离。
其本质是中性气体粒子吸收足够的能量，使电子脱离原子核的束缚而成为自由电子和正离子的过程。
电离种类：（1）热电离气体粒子受热的作用而产生电离的过程称为热电离。
其本质为粒子热运动激烈，相互碰撞产生的电离。
（2）场致电离带电粒子在电场中加速，和其中的中性粒子发生非弹性膨胀而产生的电离。
电离程度：电离度：单位体积内电离的粒子数浴气体电离前粒子总数的比值称为电离度。
（3）光电离中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电离过程称为光电离。
2、阴极电子发射（1）电子发射：阴极中的自由电子受到外加能量时从阴极表面逸出的过程称为电子发射。
其发射能力的大小用逸出功A w表示。
（2）阴极斑点阴极表面光亮的区域称为阴极斑点。
阴极斑点具有“阴极清理”（“阴极破碎”）作用，原因：由于氧化物的逸出功比纯金属低，因为阴极斑点会移向有氧化物的地方，将该氧化物清除。
（3）电子发射类型1）热发射阴极表面受热引起部分电子动能达到或超过逸出功时产生的电子发射。
热阴极以热发射为主要的发射形式。
2）场致发射阴极表面受到电场力的影响，当电场力达到某一程度时电子逸出阴极表面形成电子发射。
冷阴极以场致发射为主要的发射形式。
3）光发射阴极表面受到光辐射的作用使自由电子能量达到一定程度而逸出金属表面形成发射。
4）粒子碰撞发射电弧中高速运动的正离子碰撞阴极时使表面自由电子得到能量而逸出阴极表面的现象。
（三）带电粒子的消失1、扩散带电粒子从密度高的中心部位向密度低的周边迁移的现象。
2、复合电弧周边正负粒子结合成中性粒子的现象。
3、负离子的形成部分中性粒子吸附电子而形成负离子的过程。
二、焊接电弧的导电特性（一）弧柱区的导电特性弧柱是包含大量电子、正离子等带电粒子和中性粒子等聚合在一起的气体状态，这种对外呈电中性的状态称为电弧等离子体。
最小电压原理：弧柱在稳定燃烧的时候，有一种使自身能量消耗最小的特性，即当电流和电弧周围条件一定时，稳定燃烧的电弧将自动选择一个确定的导电截面，使电弧的能量消耗最小。
当电弧长度也为定值时，电场强度的大小即代表了电弧产热量的大小，因此，能量消耗最小时的电场强度最低，即在固定弧长上的电压降最小，这就是最小电压原理。
（二）阴极区的导电特性作用有：接受由弧柱传来的正离子流；向弧柱区提供电弧导电所需的电子流。
其发射形式主要有：1、热发射型2、电场发射型（三）阳极区的导电特性1、阳极斑点在阳极表面可看到的烁亮发光的区域，称为阳极斑点。
阳极斑点会自动寻找熔点比较低的纯金属表面而避开氧化物，在金属表面游走。
2、阳极区的导电形式（1）场致电离（2）热电离三、焊接电弧的工艺特性（一）电弧的热能特性1、弧柱的产热电流密度小，温度高，能量主要由粒子碰撞产生，热能损失严重。
2、阴极区的产热电流密度大，温度低，能量主要用来对阴极加热和阴极区的散热损失，还可用来加热填充材料或焊件。
3、阳极区的产热电流密度大，温度低，能量主要用于对阳极的加热和散失，也可用来加热填充材料或焊件。
（二）电弧的力学特性电弧力影响到焊件的熔深及熔滴过渡，熔池的搅拌、焊缝成形以及金属飞溅，因此电弧力直接影响着焊缝质量。
1、电弧力及其作用（1）电磁收缩力产生原因：电弧电流线之间产生的相互吸引力。
由于电极两端的直径不同，因此电弧呈倒锥形状。
电弧轴向推力在电弧横截面上分布不均匀，弧柱轴线处最大，向外逐渐减小，在焊件上此力表现为对熔池形成的压力，称为电磁静压力。
作用效果：使熔池下凹；对熔池产生搅拌作用，细化晶粒；促进排除杂质气体及夹渣；促进熔滴过渡；约束电弧的扩展，使电弧挺直，能量集中。
（2）等离子流力电磁轴向静压力推动电极附近的高温气流（等离子流）持续冲向焊件，对熔池形成附加的压力，这个压力就称为等离子流力（电磁动压力）。
作用效果：等离子流力可增大电弧的挺直性；促进熔滴过渡；增大熔深并对熔池形成搅拌作用。
（3）斑点力电极上形成斑点时，由于斑点处受到带电粒子的撞击或金属蒸发的反作用而对斑点产生的压力，称为斑点压力或斑点力。
斑点力的方向总是和熔滴过渡方向相反，因此总是阻碍熔滴过渡，产生飞溅。
一般来说，阴极斑点力比阳极斑点力大。
2、电弧力的主要影响因素（1）焊接电流和电弧电压（2）焊丝直径（3）电极的极性（4）气体介质（三）焊接电弧的稳定性概念：焊接电弧的稳定性是指电弧保持稳定燃烧的程度。
电弧的稳定性除了和操作人员的熟练程度有关之外，还与其他因素有关。
1、焊接电源（电源的空载电压；电源的极性；电源的接法）2、焊条药皮或焊剂3、焊接电流4、磁偏吹5、电弧长度6、焊前清理7、其他第二节焊丝的熔化与熔滴过渡一、焊丝的加热和熔化特定（一）焊丝的热源电弧焊时，用于加热、熔化焊丝的热源是电弧热和电阻热。
1、电弧热阴极区及阳极区两个区域的产热功率可表达为：P k＝IU k－IU w－IU TP a＝IU a＋IU w＋IU T2、电阻热在熔化极电弧焊时，焊丝伸出导电嘴的部分有电流流过，产生电阻热，电阻热的大小与电流大小及焊丝伸出长度有关。
产生的电阻热对焊丝有预热作用。
P R＝I2R S（二）焊丝的熔化特性焊丝在电弧热和电阻热的共同作用下加热熔化，焊丝的熔化速度即指在单位时间内熔化的焊丝长度。
焊丝的熔化特性则是指焊丝的熔化速度v m和焊接电流I之间的关系。
一般焊丝的电阻率和熔化系数越大，焊丝熔化速度越快。
当然，并不是焊丝熔化速度越快越好，焊丝的熔化速度必须等于送丝速度，才能建立稳定的焊接过程。
二、熔滴上的作用力熔滴的形成：电弧焊时，在电弧热作用下焊丝或焊条端部受热熔化形成了熔滴。
熔滴上的作用力直接影响到熔滴过渡及焊缝成形。
其作用力有：1、重力重力在平焊时促进熔滴过渡；而在立焊及仰焊位置则阻碍熔滴过渡。
2、表面张力表面张力在平焊是阻碍熔滴过渡，但在其他位置焊接时，表面张力对熔滴过渡有利。
3、电弧力电弧力（电磁收缩力、等离子流力、斑点力等）中，电磁收缩力及等离子流力对熔滴过渡有促进作用，斑点力阻碍熔滴过渡的顺利进行。
4、熔滴爆破力熔滴内部由于冶金反应而生成气体或气体蒸气时，在电弧高温下可能会聚集致使熔滴爆破，这中内压力称为熔滴爆破力，他是产生飞溅的原因之一。
5、电弧的气体吹力焊条电弧焊是焊条端部形成套筒，药皮中的造气剂产生的气体及CO气体在高温下膨胀并从套筒中喷出，形成一股促进熔滴过渡的推力。
三、熔滴过渡的主要形式及特点熔滴过渡的形式有：（一）自由过渡：熔滴经电弧空间自由飞行，焊丝端头与熔池不发生直接接触的过渡方式。
1、滴状过渡（1）粗滴过渡（2）细滴过渡2、喷射过渡（二）接触过渡：焊丝端部的熔滴与熔池表面通过接触而过渡的方式。
1、短路过渡2、搭桥过渡（三）渣壁过渡：渣壁过渡是熔滴沿着熔渣的壁面流入熔池的一种过渡形式。
第三节母材熔化与焊缝成形一、焊缝形成过程在电弧热的作用下焊丝与母材被熔化，在焊件上形成一个具有一定形状和尺寸的液态熔池。
随着电弧的移动熔池前端的焊件不断被熔化进入熔池中，熔池后部则不断冷却结晶形成焊缝。
熔池的体积由电弧的热作用决定，而熔池的形状则取决于电弧对熔池的作用力。
焊缝的结晶总是从熔池边缘处母材的原始晶粒开始，沿着熔池散热的相反方向进行，直至熔池中心与从不同方向结晶而来的晶粒相遇时为止。
因此，所有的结晶晶粒方向都与熔池的池壁相垂直。
二、焊缝形状与焊缝质量的关系焊缝形状即是焊件熔化区横截面的形状，我们通常用焊缝有效厚度S、焊缝宽度c和余高h三个参数来表示。
焊缝成形系数φ＝c/S余高系数ψ＝c/h熔合比γ＝A m/（A m＋A H）三、焊接工艺参数对焊缝成形的影响通常对焊缝影响较大的焊接参数有：焊接电压、焊接电流、焊接速度、热输入等。
1、焊接参数的影响（1）焊接电流I↗；φ↘；（2）电弧电压U↗；S↘，h↘；（3）焊接速度V↗；c↘，h↘，S↘；2、工艺因素的影响（1）电流种类与极性（2）焊丝直径和伸出长度焊丝直径↘；电流密度越大，对焊件加热越集中；电磁收缩力越大，焊缝厚度、余高增大。
伸出长度↗；电阻增大，电阻热增大，焊丝熔化速度加快，余高增加，焊缝厚度略微减小。
（3）电极倾角（前倾、后倾）（4）焊件倾角（上坡焊、下坡焊）3、结构因素（1）焊件材料和厚度（2）坡口和间隙四、焊缝成形缺陷的产生及防止1、焊缝外形尺寸不符合要求现象：焊缝表面高低不平、焊缝波纹粗劣、纵向宽度不均匀、余高过高或过低等。
可能原因：坡口角度不当、装配间隙不均匀、焊接参数选择不当、操作人员技术不熟练等。
2、咬边现象：由于焊接参数选择不当，或操作方法不正确，沿焊趾的母材部位产生的沟槽或凹陷。
可能原因：采用大电流焊接告诉焊接或焊角焊缝时一次焊接的焊脚尺寸过大，电压过高等都可能出现咬边现象。
3、为焊透和未熔合现象：焊接接头根部未完全熔透的现象。
可能原因：焊接电流过小、焊速过高、坡口尺寸不合适等。
4、焊瘤现象：焊接过程中，熔化的金属流淌到焊缝之外未熔化的母材上所形成的金属瘤。
可能原因：填充金属量过多、焊接速度慢、电弧电压过低，电流过大、焊丝直径过长等都会产生焊瘤。
5、焊穿及塌陷现象：焊缝上形成穿孔的现象称为焊穿。
现象：熔化的金属从焊缝背面漏出，使焊缝正面下凹、背面凸起的现象称为塌陷。
可能原因：焊接电流过大、焊接速度过小或坡口嫌隙过大等。
