 焊接基础知识 焊接电弧 焊条电弧焊是利用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法。操作时，焊条和焊件分别作为 2 个电极，利用焊条与焊件之间产生的电弧热量来熔化焊件金属，冷却后形成焊缝。 一、焊接电弧的概念 焊接时，将焊条与焊件接触后很快拉开，在焊条端部和焊件之间立即会产生明亮的电弧（图 1—1a）。电弧是一种气体放电现象。
我们将由焊接电源供给的具有一定电压的两电极间或电极与焊件间的气体介质中所产生的强烈而持久的放电现象，称为焊接电弧。 一般情况下，由于气体的分子和原子都是呈中性的，气体中几乎没有带电质点，因此气体不能导电，电流通不过，电弧不能自发地产生。要使气体呈现导电性必须使气体电离。气体电离后，原来气体中的一些中性分子或原子转变为电子、正离子等带电质点，这样电流才能通过气体间隙形成电弧（图 1—1b）。 1.气体电离 和自然界的一切物质一样，气体原子中的电子是按一定的轨道环绕原子核运动。在常态下，原子是呈中性的。但在一定的条件下，气体原子中的电子从外面获得足够的能量，就能脱离原子核的引力成为自由电子，同时原子由于失去电子而成为正离子。这种使中性的气体分子或原子释放电子形成正离子的过程称为气体电离。 使气体电离所需要的能量称为电离电位（或电离功）。不同的气体或元素由于原子结构不同，其电离电位也不同。常见元素的电离电位见表 1—1。
在焊接时，使气体介质电离的方式主要有热电离、电场作用下的电离、光电离。 （1）热电离 气体粒子受热的作用而产生的电离称为热电离。温度越高，热电离作用越大。 （2）电场作用下的电离 带电粒子在电场的作用下，各作定向高速运动，产生较大的动能，并不断与中性粒子相碰撞，不断地产生电离。两电极间的电压越高，电场作用越大，则电离作用越强烈。 （3）光电离 中性粒子在光辐射的作用下产生的电离，称为光电离。 2.阴极电子发射 阴极的金属表面连续地向外发射出电子的现象，称为阴极电子发射。阴极电子发射也和气体电离一样，是电弧产生和维持的重要条件。 一般情况下，电子不能自由离开金属表面产生电子发射。要使电子发射，必须施加一定的能量，使电子克服金属内部正电荷对它的静电引力。所加的能量越大，阴极产生电子发射作用就越强烈。电子从阴极表面逸出所需要的最低外加能量称为逸出功，单位是电子伏特（eV）。电子逸出功的大小与阴极的成分有关。表1—2 列出了常见元素的电子逸出功。
焊接时，根据阴极吸收能量的方式不同，所产生的电子发射有以下几类∶热发射、电场发射和撞击发射等。 （1）热发射 焊接时，阴极表面的温度很高，使阴极内部的电子热运动速度增加。当电子的动能大于其逸出功时，电子即冲出阴极表面而产生热电子发射。例如，用钢焊条作电极进行焊接时，阴极温度可达2 100℃左右，热发射作用相当强烈。 （2）电场发射 当阴极表面外部空间存在强电场时，电子可获得足够的动能克服正电铈对它的静电引力，从阴极表面发射出来。两极间电压越高，则电场发射作用越大。 （3）撞击发射 高速运动的正离子撞击阴极表面时，将能量传递给阴极而产生电子发射的现象，称为撞击发射。电场强度越大，在电场中正离子运动速度越快，产生撞击发射的作用也越强烈。 二、焊接电弧的构造、电压及静特性 1.焊接电弧的构造 焊接电弧的构造可分为 3 个区域∶ 阴极区、阳极区、弧柱区（图 1—2）。
（1）阴极区 为保证电弧稳定燃烧，阴极区的任务是向弧柱区提供电子流和接受弧柱区送来的正离子流。在焊接时，阴极表面存在一个烁亮的辉点，称为阴极斑点。阴极斑点是电子发射源，也是阴极区温度最高的部分，一般为2130～3230℃，放出的热量占焊接总热量的36%左右。阴极温度的高低主要取决于阴极的电极材料，一般都低于材料的沸点。不同材料的沸点、阴极区和阳极区的温度见表1—3。此外，电极的电流密度增加，阴极区的温度也相应提高。
（2）阳极区 阳极区的任务是接受弧柱区流过来的电子流和向弧柱区提供正离子流。在阳极表面上光亮的辉点称为阳极斑点。阳极斑点是由于电子对阳极表面撞击而形成的。一般情况下，与阴极比较，由于阳极能量只用于阳极材料的熔化和蒸发，无发射电子的能量消耗，因此在和阴极材料相同时，阳极区温度略高于阴极区（表1—3）。阳极区的温度一般为2330-3980℃，放出的热量占焊接总热量的43%左右。 （3）弧柱弧柱是处于阴极区与阳极区之间的区域。弧柱起着电子流和正离子流的导电通路的作用。弧柱的温度不受材料沸点限制，而取决于弧柱中气体介质和焊接电流。焊接电流越大，弧柱中电离程度就越大，弧柱温度也就越高。弧柱的中心温度为 5 730-7730℃，放出的热量占焊接总热量的21%左右。 2.焊接电弧的电压 通常测出的焊接电弧电压就是阴极区、阳极区和弧柱区电压降之和。当弧长一定时，电弧电压的分布如图1—3 所示。电弧电压可用公式表示∶ U弧= U阴+ U阳+ U柱=U阴+ U阴+bl弧 U弧——电弧电压，V; U阴——阴极电压降，V; U阳——阳极电压降，V; U柱——弧柱电压降，V; b——单位长度的弧柱电压降，一般为20-40v/cm; l弧——电弧长度，cm。
3.焊接电弧的静特性 在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧时，焊接电流与电弧电压变化的关系称为电弧静特性。表示它们关系的曲线叫作电弧的静特性曲线，如图 1—4所示。从图1—4 中可以看到，电弧静特性曲线呈U形。
（1）当电流较小（曲线ab 段时的电流）时，电压随着电流的增加而降低。这是电弧的下降特性区（一般为钨极氩弧焊小电流焊接时的特性区）。 （2）在正常焊接状态时，电流通常从几十安培到几百安培（曲线bc 段的电流）。此时，电压不随电流变化，基本保持不变。这是电弧的平特性区（一般为焊条电弧焊电流值≤500 A时的特性区）。 （3）当电流更大（曲线cd段的电流）时，电压随电流的增加而升高。这是电弧的上升特性区（一般为埋弧自动焊、细丝熔化极气体保护焊大电流密度下焊接时的特性区）。 在一般情况下，电弧电压总是和电弧长度成正比地变化，当电弧长度增加时，电弧电压升高，其静特性曲线的位置也随之上升，如图1—5.所示。
三、电弧焊的熔滴过渡 电弧焊时。焊条（或焊么） 端部在申弧高温作用下熔化成的液态金属滴。通过电弧空间不断地向熔池中过渡的过程称为熔滴过渡。 熔滴过渡的形式大致可分为 3 种∶ 滴状过渡、短路过渡、喷射过渡。熔滴过渡会出现不同的形式，这是由于作用于液态金属熔滴上的作用力不同。 1.熔滴过渡的作用力 （1）熔滴的重力 任何物体都会因自身的重力而下垂。平焊时，金属熔滴的重力促进熔滴过渡。但是立焊和仰焊时，熔滴的重力阻碍了熔滴向熔池过渡。 （2）表面张力 液态金属像其他液体一样具有表面张力。平焊时，表面张力对熔滴过渡起阻碍作用。但是在仰焊等其他位置焊接时，表面张力却有利于熔滴过渡。一是熔滴倒悬在焊缝上不易滴落;二是焊条末端熔滴与熔池接触时，熔滴容易被拉入熔池中。表面张力的大小与多种因素有关。因为焊条直径越大，焊条端部熔滴的表面张力也越大，所以气体保护焊时采用细丝，熔滴过渡稳定而顺利。因为液态金属温度越高，其表面张力越小，所以钎焊时温度较高，钎料才易于扩散到钎缝中。表面张力还与保护气体的性质有关。如果在氩气中加入少量氧气作为焊接钢的保护气体， 比用纯氩气时的熔滴过渡有利于形成细颗粒。这是因为氧气的加入降低了熔滴的表面张力。 （3）电磁力 从电工学可知，2 根平行的载流导体通以同向电流时，彼此产生相互吸引的电磁力，方向是从外向内，如图1—6 所示。电磁力的大小与2 根导体上的电流的乘积成正比，即通过导体的电流越大，电磁力越大。 焊接时，可以把带电的焊丝及熔滴看成是由许多平行载流导体所组成的，如图 1—7 所示。( P
根据上述电磁效应原理，焊丝及熔滴上受到四周向中心的电磁压缩力。电磁压缩力对焊条端部液态金属径向的压缩作用，会促使熔滴很快形成。尤其是熔滴的细颈部分电流密度最大，电磁压缩力作用也最大。这使熔滴很容易脱离焊条端部向熔池过渡。 焊接电流较小时，焊条端部的液态金属主要受到的是表面张力和重力，电磁力影响很小。因此，当熔滴的重力克服表面张力的时候，熔滴脱离焊条端部落向熔池。这种情况下，熔滴的尺寸较大，常出现电弧短路，产生较大的飞溅，电弧不稳。 焊接电流较大时，电磁力也比较大，相比之下重力所起的作用很小，液态熔滴主要是在电磁压缩力的作用下，以较小的熔滴向熔池过渡。而且，其方向性较强，不论是平焊或仰焊位置，总是沿着电弧轴线自焊丝向熔池过渡。 焊接时，一般焊条或焊丝的电流密度都比较大，因此电磁力是熔滴过渡的主要作用力。在气体保护焊时，常常通过调整焊接电流的大小来控制熔滴尺寸。 焊接时，电磁力还会产生另外一种作用力。由于焊条端部的电弧导电截面小，而焊件端部的电弧导电截面大，因此焊条的电流密度大于焊件的电流密度，从而在焊条上所产生的磁场强度要大于焊件上所产生的磁场强度。这样就产生一个沿焊条纵向指向焊件的电场力。该电场力无论焊缝的空间位置如何，总是有利于溶滴向熔池过渡。 （4）斑点压力 焊接电弧中的电子和正离子在电场的作用下向两极运动，撞击两极的斑点而产生机械压力，这个力称为斑点压力。它是阻碍熔滴过渡的力。若选用直流焊机负极接焊钳时，阻碍熔滴过渡的是正离子的压力;若正极接焊钳时，阻碍熔滴过渡的是电子的压力。由于正离子比电子的质量大，所以正离子流的压力要比电子流的压力大，即阴极的斑点压力比阳极的斑点压力大。因此，反接时熔滴过渡较正接时容易。 （5）气体的吹力 在焊条电弧焊时，焊条药皮的熔化稍落后于焊芯的熔化，在焊条末端形成一个套管。在套管内，大量药皮造气剂分解产生的气体及焊芯中碳元素氧化生成的 CO 气体，被电弧加热到高温时体积急剧膨胀，并顺着套管方向，以稳定的气流冲出，把熔滴"吹"到熔池中去。不论焊缝空间位置如何，气体的吹力均有利于熔滴的过渡。 2.熔滴过渡的形式 （1）滴状过渡 滴状过渡分为粗滴过渡和细滴过渡。粗滴过渡是熔滴呈粗大颗粒状向熔池自由过渡的形式，如图 1—8a 所示。当电流较小时，熔滴主要依靠重力的作用克服表面张力的束缚而下落，此时熔滴尺寸较大，呈粗滴过度。由于粗滴过渡飞溅较大，电弧不稳定，通常不采用。当电流较大时，电磁力随之增大，使熔滴细化，过演频率提高，飞溅减小，电弧较稳定，这种过渡形式称为细滴过渡。焊丝直径为φ1.6mm的CO，气体保护焊，焊接电流达400 A 以上时，即为细滴过渡，在生产中广泛应用。焊条电弧焊时，使用酸性焊条也多为细滴过渡。
（2）中监由于强烈过热和磁收缩的作用使焊条或焊丝端部的熔滴爆断，直接向熔池过的形为短路过渡，如图 1—8b 所示。采用小电流焊接的同时降低电弧电压，可实现电弧信定、飞溅较小，形成良好的短路过渡。细丝（焊丝直径为 φ0.8～φ1.2 mm） C0。体保护焊时，常采用短路过渡形式。焊条电弧焊时，碱性焊条在大电流范围内可呈滴状过渡和短路过渡。 （3）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，射过波，如图1—8c所示。采用氩气或富氩气气体保护焊反极性焊接时，随着焊接电大。熔滴尺寸略有减小，当焊接电流达到某一临界电流值时，即出现喷射过渡状指出的是，除要求一定的电流密度外，产生喷射过渡还必须有一定的电弧长度（即电弧电压）。如果电弧的弧长太短（即电弧电压太低），即使电流数值较大，也不可能产生喷射过渡。 喷射过渡的特点是∶ 过渡频率高，熔滴以极细的颗粒沿电弧轴线高速射向熔池，发出"咝咝"声。喷射过渡具有电弧稳定、飞溅小、焊缝成形美观等优点。 |
|
|
