【正文】 一章 焊接電弧 焊接電弧的靜特性 焊接電弧的靜特性是指在電極材料、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，也稱伏 安特性。 包含 下降特性、平特性和上升特性 三個(gè)階段： 下降特性區(qū) ：電流小，電弧電壓隨著電流的增大而下降，呈負(fù)阻性； 平特性區(qū) ：電流中等，電弧電壓在電流變化時(shí)可近似地看成不變； 上升特性區(qū) 電流大，電弧電壓隨電流的增大而增大，呈正阻性。 SMAW—— shielded metal arc welding—— 焊條電弧焊 鎢極氬弧焊（ TIG)的電弧靜特性曲線一般都能明顯地表現(xiàn)出三個(gè)階段 鋁合金熔化極惰性氣體保護(hù)焊的電弧靜特性曲線在小電流區(qū)幾乎看不到下降特性，在可用電流以上區(qū)域都呈現(xiàn)上升特性； 埋弧焊電弧靜特性曲線呈下降趨勢。所以電流越小電壓越高。 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 在 B區(qū) ： 電流稍大，電極溫度提高， 陰極 熱發(fā)射能力增強(qiáng)，陰極電壓 降低；陽極蒸發(fā)加劇， 陽極電壓 降低。 電弧電壓自動(dòng)的維持一定的數(shù)值，保證產(chǎn)熱和散熱的平衡。 一般埋弧焊、手工焊、大電流 TIG焊等都工作在平特性段。 MIG焊的電弧一般工作在上升段。正是這種性能，使焊接電弧成為一種非常重要的熱源被應(yīng)用于熔焊方法中，并構(gòu)成了熔焊方法中的一個(gè)重要分支，即電弧焊方法。單位時(shí)間焊接電源向陰極區(qū)、弧柱區(qū)和陽極區(qū)提供的總能量 P可以用下式表示： P = IUk +IUc +IUA ＝ I（ Uk +Uc +UA） (110) 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 陰極區(qū)電流 I是由電子和正離子兩種帶電粒子組成的。 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 陰極區(qū)單位時(shí)間獲得的能量有 : （ 1）電子從陰極表面發(fā)射后 ,電子流穿過陰極區(qū)時(shí)被陰極壓降 UK加速 ,在單位時(shí)間里獲得的能量； （ 2）向陰極運(yùn)動(dòng)的正離子流在到達(dá)陰極前，被陰極壓降 UK加速，在單位時(shí)間里獲得的能量； （ 3）正離子在陰極表面與電子復(fù)合釋放出原來電離時(shí)所吸收的能量。 陰極區(qū)單位時(shí)間得到的熱能 PK為 : PK = I (UKUWUT) (111) 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 陽極接受電子流時(shí)可得到以下三部分能量 : （ 1）電子流穿過陽極區(qū)時(shí)被陽極壓降 UA加速，在單位時(shí)間里獲得的能量 IUA； （ 2）電子流被拉進(jìn)陽極時(shí) ,單位時(shí)間釋放出的逸出功 IUw； （ 3）電子流從弧柱帶來的與弧柱溫度相對應(yīng)的熱能 IUT。兩者之和為 IUc； （ 2）從陰極區(qū)進(jìn)入弧柱區(qū)的電子流 (占 %)單位時(shí)間帶來的熱能 % IUT； （ 3）弧柱區(qū)周邊發(fā)生的正、負(fù)粒子復(fù)合所釋放出的電離能 Wi。 弧柱區(qū)單位時(shí)間里得到的熱能為 : Pc =IUc (113) 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 弧柱區(qū)的熱能在一般情況下不能直接作用于電極或母材 ,主要是通過對流、輻射和傳導(dǎo)散失在周圍氣體中。當(dāng)采用等離子弧焊接、切割或鎢極氬弧焊時(shí)，則可以利用弧柱的熱量來加熱焊絲和焊件。 陰極和陽極產(chǎn)生的熱量相近， 但陰極發(fā)射電子消耗的較多，溫度比陽極低。 1） 焊接電流增大 2） 金屬蒸汽的電離電壓 3)當(dāng)電弧周圍有 高速氣流 流動(dòng)時(shí) (如等離子弧 )，由于氣流的冷卻作用，使弧柱區(qū)電場強(qiáng)度提高 ,溫度上升； 4)當(dāng)氣體介質(zhì)中含有較多易 電離的物質(zhì) 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 在焊接電弧的橫斷面內(nèi) ,溫度沿徑向的分布是不均勻的 ,中心軸溫度最高 ,離開中心軸的溫度逐漸降低 ,如圖 122所示。焊接電流越大 ,電弧中心的溫度越高 ,如圖 123所示。焊接電弧力對熔滴過渡、熔深尺寸、焊縫成形、飛濺大小 ,以及焊縫的外觀缺陷 (如咬肉、焊瘤、燒穿等 )均產(chǎn)生很大的影響。在 F推 的作用下 ,較小截面處 (如圖 127中 A點(diǎn)處 )的高溫粒子向焊件方向 (如圖 127中 B點(diǎn)處 )流動(dòng) ,同時(shí)在電極上方不斷補(bǔ)充新的氣體進(jìn)入電弧區(qū) ,并被加熱和強(qiáng)烈電離 ,從而形成連續(xù)不斷的等離子氣流，并沖向焊件表面 ,產(chǎn)生壓力作用。 圖 127 電弧等離子氣流的產(chǎn)生 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 斑點(diǎn)力 斑點(diǎn)是陰極發(fā)射電子或陽極導(dǎo)入電子的導(dǎo)電點(diǎn) ， 斑點(diǎn)力是電弧施加在電極上的作用力 。 斑點(diǎn)壓力可以是 正離子或電子對電極的撞擊力 ， 也可以是 電磁收縮力 或 電極材料蒸發(fā)的反作用力 等 。 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 （ 1） 正離子和電子對電極的撞擊力 電弧焊時(shí) ,陰極受到正離子的撞擊 ,陽極受到電子的撞擊 , 因正離子的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子的質(zhì)量 ,而陰極壓降UK又大于陽極壓降 UA,因此撞擊力在 陰極上較大 ,而在陽極上較小。電弧空間和熔滴中的電流線都在斑點(diǎn)處集中 ,由于電磁力合成的方向都是由小斷面指向大斷面 ,故在斑點(diǎn)處產(chǎn)生向上的電磁力 ,阻礙熔滴過渡。 F? F斑 Fmg 斑點(diǎn)力 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 圖 129 斑點(diǎn)的電磁收縮力 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 （ 3） 電極材料蒸發(fā)產(chǎn)生的反作用力 斑點(diǎn)上的電流密度很高 ,使這個(gè)部位的溫度很高 ,因而產(chǎn)生強(qiáng)烈的蒸發(fā) ,使金屬蒸氣以一定的速度從斑點(diǎn)處發(fā)射出來 ,同時(shí)給斑點(diǎn)施加一個(gè)反作用力。 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 焊接電弧力的影響因素 影響焊接電弧力大小的主要因素有 : 1 焊接電流和電弧電壓 當(dāng)增大焊接電流時(shí) ,電弧力顯著增加 (見圖 130)，這主要與電磁收縮力和等離子流力顯著增加有關(guān)。 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 圖 130 MIG電弧的電弧力與電流的關(guān)系 圖 131 電弧力與弧長的關(guān)系 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 當(dāng)焊接電流相同時(shí) , 焊絲直徑越小 ,電流密度越大 ,因此電弧電磁力越大。 圖 132 電弧力 F與焊絲直徑的關(guān)系 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 3. 電極的極性 電極的極性對不同焊接方法的電弧力的影響不同。 圖 133 MIG焊電弧力與焊絲 極性的關(guān)系 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 對于鎢極氬弧焊 ,由于通常情況下陰極區(qū)收縮的程度比陽極區(qū)大 ,因此當(dāng)采取正接時(shí)將形成錐度較大的錐形電弧 ,產(chǎn)生的軸向推力大 ,電弧壓力也大 ,如圖134所示。導(dǎo)熱性強(qiáng)的氣體，或分子是由多原子組成的氣體消耗的熱能多 ,能引起電弧的收縮 ,因而導(dǎo)致電弧力的增加 ,如圖135所示。 圖 135 電弧力與氣體介質(zhì)的關(guān)系 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 何形狀 鎢極端部的幾何形狀與電弧作用在熔池上的力有密切關(guān)系。 圖 136 電弧力與電極端部角度的關(guān)系 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 焊接電弧的穩(wěn)定性及其影響因素 焊接電弧的穩(wěn)定性是指焊接時(shí)電弧保持穩(wěn)定燃燒的程度。而當(dāng)焊接電弧的穩(wěn)定性差時(shí) ,電弧電壓和焊接電流波動(dòng)很大 ,常常使焊接過程無法進(jìn)行 ,不僅能惡化焊縫成形 ,而且能大大降低焊縫的內(nèi)在質(zhì)量。此外，焊接電源的外特性還必須與焊接電弧的靜特性相匹配 ,而且還應(yīng)具有合適的動(dòng)特性 ,只有這樣，才能使焊接電弧穩(wěn)定地燃燒。電弧電壓增大意味著電弧的長度增大 ,當(dāng)電弧過長時(shí) ,電弧會(huì)發(fā)生劇烈擺動(dòng) ,使電弧的穩(wěn)定性下降。其中，以直流電弧為最穩(wěn)定 ,脈沖直流次之 ,交流電弧穩(wěn)定性最差。 對于 鎢極氬弧焊 來說 ,由于鎢屬于熱陰極材料，可以流過較大的電流 ,而電流越大，越有利于電子熱發(fā)射和熱電離 ,因此直流正接時(shí)的電弧穩(wěn)定性好于直流反接時(shí)的穩(wěn)定性。 但是當(dāng)藥皮或焊劑中含有較多電離能比較高的氟化物 (如 CaF2)、氯化物 (如 KCl、 NaCl)時(shí) ,由于能降低電弧氣氛的電離程度 ,因而降低電弧的穩(wěn)定性。當(dāng)采用直流電焊接時(shí)能產(chǎn)生嚴(yán)重的磁偏吹，而采用交流電焊接時(shí)要弱得多。能夠引起磁偏吹的情況有以下幾種 : 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 （ 1）地線接線位置 偏向電弧一側(cè) 如圖 139所示 . 地線接線的位置在電弧移動(dòng)方向的左側(cè),焊接時(shí) ,除焊接電弧能產(chǎn)生磁場外 ,焊件上接地線一側(cè)的母材由于流過電流，也產(chǎn)生磁場 ,因而加大了電弧左側(cè)的磁場 ,使電弧向右側(cè)偏吹。 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 圖 140 電弧一側(cè)鐵磁物體引起的磁偏吹 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 （ 3）平行電弧之間 當(dāng)兩個(gè)平行電弧的電流方向相同時(shí)，相互之間產(chǎn)生吸引；當(dāng)電流方向相反時(shí)，相互之間產(chǎn)生排斥，如圖 141所示。在露天 ,特別是在野外大風(fēng)中焊接時(shí) ,由于空氣的流速快 ,也會(huì)對焊接電弧的穩(wěn)定性產(chǎn)生有害影響。 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 復(fù)習(xí)思考題 1 解釋下列名詞：焊接電弧、熱電離、場致電離、光電離、熱發(fā)射、場致發(fā)射、光發(fā)射、粒子碰撞發(fā)射、熱陰極型電極、冷陰極型電極。 3 焊接電弧由哪幾部分組成？試述各區(qū)域的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)。 8 焊接電弧能產(chǎn)生哪些電弧力？說明它們的產(chǎn)生原因以及影響焊接電弧力的因素。