焊接+西工大.ppt

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1、焊接的定义 通过适当物理、化学过程两个分离的固态物体 产生原子（分子）间结合连接成一体的连接方法。被连接的两个物体：金属：同种或异种金属狭义上的焊接，冶金结合非金属：金属+陶瓷，塑料焊接，物理、化学结合第2章 焊接电弧物理基础电弧焊在焊接领域中主导地位，原因电弧能简便、有效地将电能转换为焊接能源（热能、机械能），因此，对焊接质量的控制即是对对焊接能源的控制有必要对电弧的进行深入研究。2.1 焊接电弧焊接电弧是一种气体放电形式弧光放电正常气体介质不导电产生带电粒子的过程放电2.1.1 气体放电的V-A特性非自持放电自持放电暗辉光弧光放电低弧压、大电流UI加热、光照，高频高压P237图图12-22

2、.1.2 焊接电弧常用引弧方式 引弧方式 接触非:高频高压，或脉冲高压引弧引弧三条件：阴极发射电子气体电离，形成导电能路，以及极间加有电场（电弧燃烧的电源）2.1.3电弧中带电粒子的产生焊接电弧导电特征与一般弧光放电有区别（1）介质：金属蒸汽，或保护介质（2）放电在1atm下进行（一般情况）（3）导电特征：低U，大I2.1.3电弧中带电粒子的产生两种形式：电离电子发射带电带电粒子粒子电弧导电电场（1）电离电离弧隙气体介质金属蒸汽金属蒸汽保护气：保护气：Ar,He,CO2焊剂或药皮蒸汽焊剂或药皮蒸汽光电场电场热电离的难易程度电离的难易程度电离电压电离电压(电位电位)eVV（1）电离常见气体电离电

3、位He：24.50VAr：15.76VFe：7.87VK：4.34V电电离离的的难难度度（2）电子发射电子发射阴极表面光电场电场热阴极发射电子的难易程度阴极发射电子的难易程度逸出电压逸出电压(电位电位)eVV讨论阴极表面有实讨论阴极表面有实际意义，因为其参际意义，因为其参与了导电过程。与了导电过程。（2）电子发射逸出功（电位）W 4.5VW+Zr3.1VW+ThO2 2.7VW+CeO2.7V氧化膜存在，逸出功氧化膜存在，逸出功2.1.4 带电粒子的扩散与复合带电粒子（电子、离子）有寿命产生产生消失消失动平衡过程动平衡过程扩散扩散复合复合电电离离电子电子发射发射（1）扩散扩散的动力扩散的动力：

4、带电粒子的浓度梯度。电弧中带电粒子的分布是不均匀的按扩散定律带电粒子的浓度梯度:在x方向上带电粒子密度的变化率扩散通量：单位时间内通过单位面积的带电粒子数扩散系数，反映了粒子扩散能力的大小（2）复合正、负粒子相遇结合成中性原子的过程电离、电子发射的逆过程两种复合形式：空间复合表面复合1）空间复合 复合是内能降低内能降低的过程（放热反应），所以不能在温度高的弧芯产生，一般在电弧的电弧的外缘外缘，电子和离子温温度度、速度速度都较低较低，容易相遇产生复合。+1）空间复合 但交流过零时交流过零时，电弧熄灭，温度骤然降低，在整个弧隙空间中都会产生大量的复合。2）表面复合 发生在阴极阴极、阳极阳极的表面表

5、面处I.正离子正离子撞击阴极阴极不能进入阴极拉出电子与之复合：释放释放电电离能离能II.电子电子撞击进入阳极阳极复合复合释放释放能量：相当于阳极金属的逸逸击功击功+3）复合的影响 带电粒子数导电性形成负离子影响较大（低氢型）释放大量热量热量和弧光弧光用于焊接电离能电离能逸出功逸出功2.1.5 电弧各区域导电机构带电粒子的运动形式（4种）电弧高温引起的热运动沿电场方向的迁移运动浓度不均匀引起的扩散运动电弧流体流动（主要是等离子流）引起的运动2.1.5 电弧各区域导电机构对导电有贡献的带电粒子沿电场方向的定向迁移运动因为其产生导电电流。（1）电弧的区域组成阴极区阴极区:近阴极表面宽约10-510-

6、7cm压降UK弧柱弧柱：中间部分压降UC，EC 较均匀阳极区阳极区：近阳极表面宽约10-210-3cm压降UAL LU U阴极区阴极区弧柱区弧柱区阳极区阳极区(-)(+)P218 图12-3UAUcUK电弧电弧（2）弧柱区的导电 弧柱为气体介质，其加热，不象固体、或液体受到Tm、TV 限制，可达很高T:5,00030,000K其组成为热电离为主的等离子体。（2）弧柱区的导电忽略负离子影响，则导电电流由运动方向相反的电子流与离子流组成，即I=Ie+Ii IeIeIi（1000倍）电弧弧柱中，导电主要靠电子流（99.9%）（2）弧柱区的导电通过弧柱的电子流由阴极区输送来。通过弧柱的离子流由阳极区输

7、送来。为维持弧柱区带电粒子数目的恒定，由消电离丧失的带电粒子，由电弧空间的高温热电离来补偿。（3）阴极区的导电 阴极区的作用：（1）向弧柱区输送电子流（99.9%）（2）接受弧柱送来的正离子流（0.1%）即拉出0.1%的电子与之复合，所以，（-）+EK+阴极表面的电流，完全由电子流组成阴极表面的电流，完全由电子流组成（4）阳极区的导电作用：接受接受弧柱流入的电子流电子流（99.9%）向弧柱提供提供正离子流离子流（0.1%）（+）0.1%99.9%导电机构：导电机构：阳极不能发射正离子阳极不能发射正离子，靠，靠阳极区的阳极区的气体电离气体电离来向弧来向弧柱提供正离子流柱提供正离子流+（4）阳极区

8、的导电依靠阳极区电离，向弧柱提供提供正离子流离子流（0.1%），电离出的电子流加阳极，所以阴极表面的电流，完全由电子流组成阴极表面的电流，完全由电子流组成（5）电极表面导电现象斑点：电极表面集中导电的区域通过高速摄影观察，电极斑点常处在高速而杂乱的运动状态之中，时而相聚，时而分散。影响电弧的导电与传热过程。阴极阴极斑点斑点阳极阳极斑点斑点1）阴极斑点形成热阴极：由热发射提供足够的电子流，不形成。（不熔化极，大I）冷阴极：热电场发射（熔化极），UK为了减小发射电子的能量消耗，阴斑占据Ww，或局部EK部位（微观不均匀），从而使导电截面收缩阴斑游动正离子在UK作用下，加速撞击阴斑，不能进入阴极，沉积

9、在氧化膜表面（这里Uw），形成微电容，积累，EK，击穿，氧化膜破碎阴极清理（雾化）作用显露金属表面（Uw）寻找氧化膜分散与游动阴极雾化的影响优点：去去除氧化膜膜焊Al等活泼金属用AC-TIG阴极雾化的影响缺点（MIG焊时）：电弧游动不稳，扰乱保护气流，降低保护效果焊缝成形质量，如咬边边缘不齐焊道凸起阴极雾化的影响大时，F，起皱，要控制：熔化极气体保护焊钢时，Ar+O2,或Ar+CO2，使熔池产生轻微氧化，只要氧化与清理达到平衡，就能够抑制阴斑游动，改善焊缝成形2）阳极斑点低熔点阳极低熔点阳极工件作为阳极时，DCSP热输入，熔池熔池，电弧电弧易钉钉在熔化的、T区域（蒸发点蒸发点），而形成阳斑。金

10、属蒸气Ui，优先电离而成为电弧的主要介质。2）阳极斑点高熔点作阳极高熔点作阳极时如TIG焊、DCRP，阳极不熔化靠阳极区气体热电离向弧柱提供离子流，不形成阳斑。阳斑游动与阳极表面各处是否容易蒸发有关，蒸发点变，阳斑跳动。区别阴斑：电子发射，Uw寻找氧化膜分散与游动Randomwalk.阳斑：阳极区电离，Ui寻找纯金属固定在蒸发点跳动关于极性以工件的极性为准工件接正：正极性，TIG，PAW工件接负：反极性，MIG，CO2可正反或交流：SAW，SMAWDCSP:DirectCurrentStraightPolarityDCRP:DirectCurrentReversedPolarity2.1.6

11、最小电压原理在I 及周围条件一定时，电弧稳定燃烧，其弧柱半径R，应使电弧的电场强度E具有最小值。即电弧具有保持最小的能量消耗特性。当I一定，电弧自动确定一合适弧柱半径R，以保持最小U。解释电弧稳定燃烧时，电弧的产热和耗热互平衡这时弧柱要自动确定一个合适的直径D，或半径R，以使保证弧压U最低。比如，这时D偏离了自动确定的值：接触面积热消耗热输入要求产热而I一定，于是U。违背了最小电压原理。J电弧电阻U。同样违背了最小电压原理。利用最小电压原理说明电弧的自动调节（1）（1）电弧介质的变化若对加强电弧冷却，如加入导热如He，多原子如H2、N2，Q利用最小电压原理说明电弧的自动调节（2）则热消耗热输入

12、，电弧通过两个途径来减小消耗，达到新的平衡：(i)、收缩电弧的截面积，收缩电弧的加热范围，以减小热消耗热缩效应(ii)、U以提高电弧的热输入（I一定）利用最小电压原理说明电弧的自动调节（3）（2）I 的变化的变化若I 热输入热消耗，同样：降低热输入的增加幅度，通过D,以保持J不变，或增加很小弧柱扩展，这时加热面积同时增大，热消耗增大。U不变或增加较小,因为不变。2.1.7 焊接电弧的负载特性在弧源系统中，电弧是电源的负载。负载特性是指：电弧稳定燃烧时，I与U的关系也称为电弧的伏-安特性。根据使用的电流种类不同可分为：电弧的静特性动特性（1）电弧的静特性是指一定弧长一定弧长下，电弧稳定燃烧稳定燃

13、烧时，I与与U的关系的关系（1）电弧的静特性(一)静特性形状：U形小电流的负阻区（下降特性）AB段中电流等压区（平特性）BC段大电流正阻区（上升特性）CD段ABCDIU分三个区分三个区（1）电弧的静特性每一条静特性曲线，代表一定弧长；ABCDI（J）U弧长增加弧长增加（1）电弧的静特性不同的焊接方法所处的区段不同，一般无法覆盖全特性和电流密度有关I（J）UL TIG中小电流中小电流/SAW下降下降/平直区平直区I（J）UL MIG/CO2/PAW/TIG大电流大电流上升区上升区（1）电弧的静特性1）小电流（密度）负阻区此时，此时，J低低、T低低、x低低，导电率导电率 随随I T x 导电率导电

14、率 ，于是虽虽I 但要求的驱动但要求的驱动U ,表现为负阻特性负阻特性电离度电离度）中电流（密度）等压区此时，I足够大、T足够高、x接近饱和，导电率变化已不大，随I靠来维持const,于是，不随变化，表现为平特性）大电流（密度）上升特性I很大，弧柱磁缩效应，I时，电弧扩展受限，J。于是，电弧电阻率，需要U，来维持足够的I，表现为上升特性）弧长对静特性的影响LU，静特性上移。所以，其它条件一定，每一根静特性代表一定弧长（）电弧的动特性交流，脉冲等电弧焊时，i、u，随t 而变，表达三者关系曲线动特性（动态VA特性）电弧的动特性交流电弧的u-i波形与动特性曲线PQRSTui动特性动特性PQ RSTi

15、utU-i波形波形回线的PQR高于RST 因为i、u随 t 交 替变化，使电弧中T、x、形态等交变，但电弧存在热容而具有热惯性变化滞后一定时间：iT、x滞后与平衡状态下相比，T、x偏低，为维持足够的导电电流uPQR高i T、x滞后与平衡状态下相比，T、x偏高，维持导电电流要求的 uRST低.1.8焊接电弧的产热电功率的热当量来表示:P=I Ua将电弧分为三个区，则P=IUa=I（UK+UA+UC）=IUK+IUA+IUC阴极热、阳极热和弧柱热。（1）弧柱区产热PC=IUC1.TC 带电粒子（主要是电子），在弧柱电场中吸收电场能动能，碰撞传能均匀使各种粒子动能相等（1）弧柱区产热2.弧柱中不断送

16、入冷的电弧介质（保护气等），经电子碰撞传能，部分电离，产生带电粒子，用以补充带电粒子流失或消失带来的损失。弧柱热弧柱热主要用于维持维持弧柱高温高温和热电离热电离，维持维持弧隙导电导电。（1）弧柱区产热弧柱热只部分传给电极或工件，但在这两种情况下，要注意弧柱传热的影响：大电流PAW，弧柱深入熔池大电流MIG，等离子流流动传热，熔滴过渡传热（2）阴极区的产热阴极热=电子吸收的阴极电场能，但要扣除发射电子消耗的逸出功PK=IUK IUW=I(UK UW)发射电子对电极有冷却作用（2）阴极区的产热PK主要用来加热加热熔化和蒸发阴极阴极金属材料，以保持足够的温度,维持电子发射维持电子发射。（）阳极区产热

17、PA=IUA+IUW=I(UA+UW )UW 是常数，UA变化不大，特别是大I 时很小，可忽略，所以阳极热一般变化较小。（）阳极区产热PA主要用于阳极金属的加热熔化和阳极区气体介质的电离.1.9电弧换热（电能 热能）的物理本质定向迁移定向迁移吸收电场能电子发射电子发射电场电场加速动能动能T，热电子碰碰撞撞.1.9电弧换热（电能 热能）的物理本质碰碰撞撞电子原子传能非弹性非弹性弹性弹性均匀均匀电离电离传递动能（热传导）传递内能复合放热复合放热.1.9电弧换热（电能 热能）的物理本质电子发射定向迁移吸收电场能，加速（动能），T 碰撞传能，（1）弹性碰撞：各粒子温度均匀化（热传导）；（2）非弹性碰撞

18、：变内能，产生电离（动能变化学能）复合放热2.1.10 焊接电弧的热效率及能量密度（1）热效率Qe=Qa:热效率（有效热功率系数）（1）热效率手弧焊手弧焊.65.85SAW.80.90 TIG.65.70MIG.70.80CO2.75.90P240埋弧、渣保护，埋弧、渣保护，热散失小热散失小电弧潜入熔池，熔电弧潜入熔池，熔滴过渡传热滴过渡传热短路过渡、短弧焊，短路过渡、短弧焊，热散失小热散失小（2）能量密度q(热流密度，或功率密度)工作表面单位面积上的热功率，/cm2气焊：110/cm2电弧焊：102104等离子：104105激光：104106电子束:104106（）热流分布，q与Jrq(r)

19、,W/cm2J(r)，/cm2+-电极斑点电极斑点（阴斑，或阳斑）（阴斑，或阳斑）加热斑点加热斑点q影响焊缝形状与尺寸焊接方法不同，q 分布不同，焊缝形状尺寸不同：酒杯状如PAW蘑菇状如MIG扁豆状如TIG2.1.11 电弧的温度分布阴、阳极温度：受Tm,TV 限制，不超过TV弧柱温度：无Tm,TV 限制，5,00030,000K弧柱温度rTTlCu(+)W(-)16 103K14 103K12 103K10 103K径向从中轴线向径向从中轴线向外外T 热交换热交换轴向靠电极处T高D,J2.1.12电弧中的力电弧是能源电弧是能源，具有热热和力力两重能量特性能量特性电弧热电弧热电弧力电弧力电弧力

20、是个综合概念 包括：电磁力电磁力等离子流力等离子流力斑点压力斑点压力喷流反作用力喷流反作用力爆破力爆破力过渡熔滴冲力过渡熔滴冲力（1）电磁静压力p电流通过一导体电流线吸引（1）固体导体难影响；（2）柔性电弧（或熔滴）导电截面收缩现象磁缩效应（1）电磁静压力p磁缩效应引起的电弧（熔滴）内部静压力电磁静压力（注：没有方向）（1）电磁静压力p+pl等离子流等离子流（1）电磁静压力p锥形电弧的锥形电弧的静压力静压力沿沿轴向轴向由由电电极极（锥顶）（锥顶）到工件到工件（锥面）（锥面）逐逐渐降低渐降低，形成，形成静压力梯度静压力梯度，造，造成电弧成电弧等离子体等离子体的的流动流动，形成，形成等离子流等离子

21、流，方向方向由由电极指向工电极指向工件件。（）等离子流力等离子流作用在熔滴，熔池，或弧柱上的附加动压力等离子流力,FP（）等离子流力产生：静压力梯度造成等离子体流动方向：由电极指向工件作用：熔滴、熔池、弧柱（）等离子流力等离子流力作用（1）不断吸进冷气热缩EC；同时，增加电弧的挺直性指向性（作用在电弧弧柱上的FP）+ArAr+（）等离子流力（2）冲击挖掘熔池，H（作用在熔池上的FP）+Fp熔池熔池（）等离子流力（3）使保护气体由焊丝末端切向吸入（吸泵作用），促进熔滴过渡。（作用在熔滴上的FP）+-FpArAr焊丝熔滴（3）斑点压力FB带电粒子冲击电极斑点,将动量转化为力（3）斑点压力FB离子阴

22、极EK=105107V/cm电子阳极EA 102V/cmmi me阴斑压力阳斑压力（3）斑点压力FBFB 作用在焊丝的末端，作用在焊丝的末端，阻碍熔滴过渡阻碍熔滴过渡熔化极电弧焊常用熔化极电弧焊常用DCRP的原因的原因之一。之一。（4）金属蒸汽喷流的反作用力金属蒸汽喷流的反作用力电极斑点处，J，局部可加热到接近TV，产生猛烈蒸发膨胀，形成金属蒸汽喷流，对电极斑点施加一定的反作用力。与FB相似。JF：斑点面积F（）爆破力FIF短路过渡时，液桥在电磁收缩力作用下短路过渡时，液桥在电磁收缩力作用下变细，最后气化爆断，对熔池与熔滴形变细，最后气化爆断，对熔池与熔滴形成冲力，飞溅成冲力，飞溅（6）过渡熔

23、滴冲力发生在大电流MIG焊喷射过渡等离子流加速高速冲向熔池产生的冲力a=4050g深入挖掘熔池，2.1.13焊接电弧的可压缩性电弧是一种柔性气体导体受外界条件作用（拘束）可产生形变改变形态或性质。（）电弧的三大压缩作用热缩作用（冷却电弧外围）磁缩作用（电磁收缩力）机械拘束EJ，T（）电弧的三大压缩作用三者具加形成压缩电弧等离子弧等离子弧形成基本条件（焊炬特点）：1.用水冷带压缩孔道的铜喷咀；2.钨极内缩到孔道内；3.孔道内通离子气。等离子弧形成过程示意钨极水水冷冷铜铜喷喷咀咀+-+Ar等离子弧形成过程孔道限制，使电弧不能自由扩展机械压缩；等离子弧形成过程通Ar及水冷Cu喷咀在弧柱外缘与孔道内壁

24、间产生强烈换热热缩J磁缩同时，使这一环状空间形成x、T的冷气膜，相当于位障，建立起冷气膜位障阻碍了等离子弧向喷咀孔壁传热与导电形成气稳定。等离子弧特性 压缩电弧JT24,00050,000K;TIG:10,00024,000Kq105W/cm2TIG d射滴dD d射流dD d/2CO2焊TIG焊填丝埋弧焊手弧焊分类分类不同电弧焊方法的不同电弧焊方法的熔滴过渡形式熔滴过渡形式 手弧焊手弧焊（SMAWShieldedMetalArcWelding）酸性焊条酸性焊条含SiO2,TiO2多，接触界面渣壁浸润性好L小时部分沿套筒壁过渡，部分直接过渡L大时过渡力大，直接细滴过渡。碱性焊条碱性焊条含SiO

25、2,TiO2少，接触界面，不呈渣壁过渡，过渡稳定性差L小时呈短路过渡L长时呈滴状过渡。不同电弧焊方法的不同电弧焊方法的熔滴过渡形式熔滴过渡形式埋弧焊埋弧焊SAWSubmerged Arc Welding大部分呈渣壁过渡，少部分呈细滴过渡。不同电弧焊方法的不同电弧焊方法的熔滴过渡形式熔滴过渡形式气体保护焊气体保护焊GasShieldedArcWelding短路过渡CO2短弧焊细滴过渡CO2中电流、长弧焊喷射过渡MIG焊（1）滴状过渡）滴状过渡MIG/MAG焊采用中、小I和高U（长弧）时，过渡力小，将形成大滴过渡，其焊接工艺性是很差的，通常不用。（2）喷射过渡）喷射过渡长弧焊时，对于一定的焊丝和气

26、体介质，随I，过渡f,d(V)，当I ICR时，f,d发生突变，同时电弧形态也发生改变形成喷射过渡。（2）喷射过渡）喷射过渡f VIP252图图12-21ICRI ICR弧根上爬弧根上爬到焊丝的侧壁到焊丝的侧壁critical（2）喷射过渡）喷射过渡Ar或富Ar，E小，弧根容易扩展。Id，弧根上爬，当II临，（1）弧根上爬到焊丝侧壁，封罩熔滴，在强大的等离子流力切削作用下，细小的熔滴以很高的速度过渡；i 射流过渡射流过渡流束型黑线流束型黑线圆锥形烁圆锥形烁亮区亮区钟罩形暗红钟罩形暗红色弧焰色弧焰射流过渡电弧形态，北京工业大学焊接研究所焊钢时，焊丝端部形成液锥，如同削尖的铅笔焊钢时，焊丝端部形成

27、液锥，如同削尖的铅笔i 射流过渡射流过渡电弧分三层，轮廓清晰中心：流束型黑线，由过渡频率和速度很高的细小熔滴组成。二层：圆锥形烁亮区，主要导电区域，由高温、高度电离的金属蒸汽组成。外层：钟罩形暗红色弧焰。x，Tii 射滴过渡Al,Cu材料，导热，不易形成液锥，呈射滴过渡。射滴过渡电弧形态，北京工业大学焊接研究所iii 喷射过渡工艺特点（i）电弧功率大(I200A)、挺度，热、力适合焊大厚度构件（3mm）iii 喷射过渡工艺特点（ii）熔滴在等离子流力作用下加速，a=(3050)g，冲击挖掘熔池，使焊缝中心部位的熔深明显增大焊缝截面呈蘑菇形。iii 喷射过渡工艺特点（iii）规范恒稳，保护好，飞

28、溅小，焊缝表面成形好，鱼鳞纹细，余高小，平稳咝咝声。iii 喷射过渡工艺特点（iv）焊钢:Ar+少量（57%）CO2稳定阴斑，同时ICR；但加多使I临：CO2多原子，吸热弧根收缩 iii 喷射过渡工艺特点（v）缺点电弧功率大，热输入大，造成（i）熔深大熔深大不能焊薄板；（ii）熔池体积大体积大全位置焊困难；（iii）HAZ宽宽不能焊热敏感材料解决：用脉冲电流代替连续电流。（3）脉冲喷射过渡原理实现的原理与连续喷射过渡相似，区别：用脉动电流代替连续恒定直流，电流组成：基值电流+脉冲电流（3）脉冲喷射过渡ttPtbiIPIbI（3）脉冲喷射过渡IP加热熔化焊丝，形成喷射过渡；同时，加热、熔化母材形

29、成熔池。Ib维持弧隙导电，预热焊丝，熔池在冷凝。（3）脉冲喷射过渡在IP导通时，IP IPCR（形成条件）形成脉冲喷射过渡由于加热不够集中，要求的IPCR 要高一些。呈射滴过渡。（3）脉冲喷射过渡三种过渡状态一个脉冲过渡23滴规范匹配宽，脉冲能量偏大；一个脉冲过渡1滴脉冲能量选得正好，规范匹配窄；二个以上脉冲过渡1滴脉冲能量过小，不合适。（3）脉冲喷射过渡电弧与加热特性（i）宏观电弧形态与连续喷射相似，微观上电弧形态是脉动的微观上电弧形态是脉动的随电流的变化而变化。焊丝与熔池的熔化主要靠IP，Ib 时，熔池还在冷凝。所以，（ii）加热也是脉动的加热也是脉动的。（3）脉冲喷射过渡工艺优点对于既定

30、焊丝，可用的规范范围宽（i）扩大了应用）扩大了应用，可焊厚、薄；且（ii）平均I 小，热输入小，变形小变形小，可焊热可焊热敏感材料敏感材料；再者，（iii）可精确控制规范，减小熔池体积，实实现全位置焊现全位置焊。（4）短路过渡特性）短路过渡特性（i）短路过渡的应用特征用于DCRP细丝CO2焊d1.6mm；规范特征小电流、低弧压；L短，熔滴未长得很大时，即短路形成液桥过渡；焊接钢铁薄壁零件和全位置焊接。（4）短路过渡特性）短路过渡特性短路过渡过程分析 四个阶段:燃弧、短路、缩颈脱落、复燃。短路过渡过程P254短路过渡电弧与加热=t燃+t短电弧脉动，在内只在t燃内对焊丝加热加热是脉动的平均来讲，电

31、弧功率小、热输入小。因而，熔深浅、变形小、HAZ小。适于焊薄板和全位置焊。Heat Affected Zone热影响区热影响区短路过渡频率P254短路过渡稳定性在一定的d 下，过渡稳定性可用f短来评定f短高，稳定。通过U0和vf来调整。短路过渡稳定性短路过渡稳定性焊丝直径ddd熔滴f短,稳定性差一些:使用细丝的原因注意：并非粗丝就不稳定。短路过渡稳定性短路过渡稳定性焊丝成分焊丝成分若细化熔滴f短气体成分气体成分电弧静特性短路过渡稳定性短路过渡稳定性规范参数规范参数小、低，匹配合适I（vf）U以保证一定（静特性上升）短路过渡稳定性短路过渡稳定性电源动特性电源动特性存在两个极限过程：燃弧短路：U0

32、，IImax短路复燃：UUmax，I动特性匹配要合适对电源特性要求（1）电源外特性等速送丝等速送丝匹匹配配平平或或缓降缓降外特性外特性，以获得稳定工作点灵敏的弧长调节特性较大的短路电流。对电源特性要求（2）电源动特性三个Imax短路电流峰值，Imax=(23)Idu/dt电压恢复速度，慢则复燃难。经验：25V/0.05sec上两项由焊机设计决定。di/dt短路I 增长速度，为可调参数可调参数，影响到过渡稳定性与飞溅。对电源特性要求di/dt I增长慢，Fc，不能迅速产生缩颈，t短短，于是粗大液桥严重过热爆断飞溅；同时，焊丝仍在等速送进固体插入大段爆断大颗粒金属飞溅，电弧出现剧烈的噼啪声断弧。冷

33、态引弧困难。对电源特性要求di/dt I增长太快，造成接触点接触点严重过热爆断过热爆断，冲击熔池和熔滴，引起大量细颗粒飞溅。不严重时会出现所谓的点爆点爆现象。对电源特性要求di/dt调节方法应按d来匹配选定：d小，则熔滴小，短路速度快，周期短，di/dt可快一些。对电源特性要求di/dt 的调节手段之一:水平主回路中串一可调电感L电源Uo+LdidtU2.3焊缝成形和引、收弧控制焊缝成形和引、收弧控制2.3.2焊缝成焊缝成形形2.3.2.1 基基本本概概念念XTLBaHv熔池的形状尺寸H，B，L，a熔深熔深熔深熔深加强高加强高焊缝尺寸BaH图图12-12 P247对焊缝尺寸的要求对焊缝尺寸的要

34、求焊缝截面H、B、a焊缝成形系数（宽深比）：P72=B/H应保持在1.32，国外常用深宽比宽深比 过小过小焊缝深而窄，易产生气孔和热裂 过大过大以及a过大应力集中对承受动载荷不利。加强高TIG、PAW不填丝下凹，控制TIG、PAW填丝，MIG、SAW要求a不要过高以影响承受动载。焊缝，接头，焊道2.3.2.2电弧对母材的热、力作用电弧对母材的热、力作用（1）热的作用）热的作用考虑三个方面的作用（i）热输入热输入B,H（1）热的作用）热的作用（ii）热流密度q(r)沿径向呈正态分布中心qH外围qH（1）热的作用）热的作用（iii）电弧形态弧体细,J中心T，H弧焰分散,T外围H，若存在斑点游动加热

35、分散H，B（iv）电弧下方液体层厚度电弧下方液体层厚度液层薄电弧热继续作用固体金属H（1）热的作用）热的作用（2）电弧力的作用）电弧力的作用作用在熔池上的力主要有（i）电磁静压力（ii）电磁动压力（等离子流力）（iii）斑点压力，如果是熔化极还有（iv）喷射过渡熔滴冲力，等（2）电弧力的作用）电弧力的作用共同作用在熔池的表面，使下凹，形成一定熔深。F H 力的作用方向力的作用方向的影响 如vF不垂直分解为垂直力H水平力avF其它力其它力的影响a、熔池的重力重力大小大小与体积体积有关，影响决定于空间空间位置位置成形变坏成形变坏的重要因素。其它力其它力的影响b、表面张力表面张力影响流体金属在电弧力

36、作用下的流动流动&边界的润湿润湿，温度梯度大时，作用明显a,B其它力其它力的影响c、电磁力电磁力熔池中电流线发散Fc在斑点处最大涡流，有利于成分均匀、气体析出强制对流对底部传热H2.3.2.3 焊接条件对焊缝成形尺寸焊接条件对焊缝成形尺寸的影响的影响（1）焊焊接接规规范范的的影响影响（i）I 的影响的影响I 热、力力H；DB；对于熔化极，vma（ii）弧压的影响弧压的影响UL加热范围B，a；散热，工件表面q，H（iii）焊接速度影响）焊接速度影响v线能量H，B，a线能量线能量=IU/v单位：单位：J/m（2）焊接工艺因素的形影响）焊接工艺因素的形影响（i）电流种类与极性）电流种类与极性TIG焊

37、焊DCSP：热发射，电弧稳定，热与力相对集中H，BDCRP：阴斑游动，电弧发散，加热面积宽、不集中H，B目前已较少使用（i）电流种类与极性）电流种类与极性AC：介于SP与RP之间用于焊有色金属。（ii）熔滴过渡）熔滴过渡MIG/MAG：DCRP，取决于熔滴过渡形式短路过渡（细丝CO2焊）IH熔池浅a喷射过渡IH，B（iii）焊枪倾角）焊枪倾角前倾焊前倾焊电弧指向未焊处，预热B，液金属向未熔处排液层H后倾焊后倾焊电弧指向已焊焊缝液金属向后排a，液层挖掘H预B略v后倾焊v前倾焊（iv）工件倾斜）工件倾斜分上坡、下坡焊，分析同上。（v）坡口与间隙）坡口与间隙开坡口与留间隙相当于焊缝位置下沉同规范下H

38、，a，作用之一调整余高。钝边高度钝边高度Thickness of root face根部间隙根部间隙Root gap坡口角度坡口角度groove angle（vi）材料与厚度）材料与厚度母材的热物理性能的影响，如比热容CH导热率H2mmSUS140A,Cu200A熔点TmH熔化潜热H厚度H密度液金属排出难H（vii）焊接材料（气体或焊剂）焊接材料（气体或焊剂）气体热缩E，挺度H，B2.3.3 焊接过程起弧与收弧质量控制焊接过程起弧与收弧质量控制（1）引弧质量控制）引弧质量控制引弧质量要求：（1）电弧启动性能好，保证一次可靠引燃电弧启动性能好，保证一次可靠引燃。（2）引弧处熔透，成形好，避免出现

39、冶金缺引弧处熔透，成形好，避免出现冶金缺陷陷（气孔等）。（i）不熔化极不熔化极采用高频高压或脉冲高压引弧采用高频高压或脉冲高压引弧电弧引燃后预热（延时）电弧引燃后预热（延时）以保证熔透。（ii）熔化极熔化极焊丝作电极，接触短路引弧要保证一次接触短路要保证一次接触短路引燃电弧引燃电弧+BCA常用措施常用措施(a)引弧前将焊丝末端剪尖RA；常用措施常用措施(b)用缓送丝引弧，v引=3050%vfRA下降速度减慢。多用在粗丝等速送丝的场合。常用措施常用措施(c)用回抽引弧用于变速送丝，人为造成小间隙，从而可靠引燃。粗丝SAW常用措施常用措施(d)采用带启动补偿的弧焊电源，引弧时，提供大的di/dt和

40、Imax，保证A点先熔断。（2）改善引弧段成形质量 i、脉冲焊可加大引弧时tp（脉宽）值热输入然后切换为正常值。ii、可采取工艺补偿的办法半自动焊时，合理地选择引弧点纵长缝可用引弧板，焊后切除。iii、多层焊，先TIG焊封底，保证熔透，再用熔化极盖面。（3）收弧质量控制收弧质量要求：（1）良好地填满弧坑（crater），（2）收弧处不应出现冶金缺陷气孔blowhole:pinhole针状,porosity密集,wormhole条虫（3）熔化极防止粘丝（工件或导电咀）或返烧电弧烧坏导电咀。（i）不熔化极）不熔化极加焊丝填满弧坑易不加丝收弧衰减热、力熔池排出的液态金属回流入弧坑，（很难填满）；大电

41、流PAW还衰减离子气。I 衰减方案有四种P87图3-22（ii）熔化极 不同方法采取不同措施。（a）回烧焊丝收弧用于等速送丝匹配平特性。先停送丝，电弧回烧，LI到一定弧长时断弧填满弧坑简单易行。但易烧坏导电咀；收弧时间无法调节。（a）回烧焊丝收弧LIUI（b）回抽焊丝收弧 收弧时，强迫送丝电机反转回抽焊丝，I，焊丝尚能继续熔化填满弧坑。当拉长到一定长度时，切断电弧，收弧结束。（c）衰减I用于脉冲焊引入板引出板（d）加引弧板加引弧板2.4 焊接规范的自动调节2.4.1 电弧自身调节系统电弧自身调节系统调节的必要性调节的必要性 自动电弧焊过程,保证焊缝成形质量的重要条件是控制热入，影响参数：I,U

42、,vw要求要求 L 波动后能自动恢复波动后能自动恢复保持规范稳定保持规范稳定规范自动调节的必要性。规范自动调节的必要性。自动调节系统自动调节系统给定值给定值执行机构执行机构被控对象被控对象开环开环给定值给定值执行机构执行机构被控对象被控对象检测与反馈检测与反馈闭环闭环在焊接中的应用开环用于焊接设备的顺序控制程序开关元器件接触器、电磁阀信号有去无回。Sequence control在焊接中的应用闭环用于焊接规范的控制：恒值稳定设定值；适应优化参数，达到最佳规范匹配。信号有去有回：检测偏差，纠正偏差，抗干扰能力强。恒温恒温恒流恒流恒压恒压等离子焊小孔等离子焊小孔自适应控制自适应控制在焊接中的应用在

43、熔化极自动电弧焊过程中，当选定vf引燃电弧后若电弧燃烧稳定，电弧参量不变L=const必然存在:vm=vf当L波动，工作点发生改变，引起电弧静特性上移或下移，从而规范发生变化.LIvmvm vf 焊丝下送L：恢复原定弧长,即发生了电弧自身调节作用OOIIUUUI（1）电弧自身调节过程LL（2）调节实质）调节实质L波动引起规范（I&U）的变化vm变化通过瞬时vm vf使焊丝上提,或下送L恢复参数保持稳定。根据自身调节原理制成等速送丝自动焊机（3）电弧自身调节系统静特性曲线）电弧自身调节系统静特性曲线等熔特性曲线C曲线L1L2L3L4CUI图12-7 P242O1O2O3O4实验测得。短路过渡区亚

44、射流过渡区自由飞渡区细丝，上升特性细丝，上升特性匹配平外特性匹配平外特性（4）等熔特性曲线的特点）等熔特性曲线的特点（i）上的任何一点都是电弧稳定燃烧工作点。（ii）上的任何一点都满足vm=vf=const,所以,C曲线就是在特定条件下的该焊丝的等速熔化特性曲线（4）等熔特性曲线的特点）等熔特性曲线的特点（iii）上的任何一点，都是三条曲线的交点反映了熔化极自动电弧焊时，电弧稳定工作，I,U,vf 应保持的匹配关系（4）等熔特性曲线的特点）等熔特性曲线的特点（iv）在一般情况下，该曲线略向右倾，表明UL热损失略I 略。（v）特定的d 下测得，条件改变则曲线的形状、位置都将发生改变。（5）影响）

45、影响C曲线位置的因素曲线位置的因素（i）vfvf 要保持vm=vf，要求I，曲线右移。所以，IU9001800m/hr12001500曲线实际上是曲线实际上是一组不同一组不同vf下的下的曲线簇曲线簇d=const焊丝直径vf送丝速度送丝速度（5）影响）影响C曲线位置的因素曲线位置的因素（ii）Ls,有一定的影响Ls，电阻热，（vm=vf=const）熔化同样金属所需I，C左移。焊丝外伸长度焊丝外伸长度（5）影响）影响C曲线位置的因素曲线位置的因素（iii）dd，而vf=const，m/hr,即单位时间内熔化的长度不变，熔化量却要增大。于是，要求的I，C右移。所以，不同d 下的C曲线不作在同一图

46、上！焊丝直径焊丝直径（6）电弧自身调节作用的灵敏度）电弧自身调节作用的灵敏度弧长恢复存在快慢问题灵敏度。显然，L波动引起的波动引起的 vm，恢复速恢复速度快度快，灵灵。（i）电源外特性电源外特性UIOLL I I陡降外特性平外特性L弧长缩短量O O（i）电源外特性电源外特性平特性引起的I最大，于是vm最大，灵。熔化极气体保护焊,采用平特性的重要原因。(ii)dd(J)对焊丝加热效率，vm MIG/MAG常采用细丝的另一重要原因另：F，改善熔滴过渡总结：细丝、大I、平外特性，灵焊丝直径焊丝直径（7）自身调节精度（准确度）自身调节精度（准确度）弧长波动自调恢复恢复不到原来值出现误差（8）等速送丝自

47、动焊机的规范调节）等速送丝自动焊机的规范调节范围范围调变U实际上是调变电源外特性，即调变U0，因而存在焊机的U0的调节范围U0maxU0min调变I实际上是改变vf，即C曲线的位置，因而也存在一个调节范围vfmaxvfminUILmaxvfminvfmaxLmaxU0minU0minP243图12-8（8）等速送丝自动焊机的规范调节）等速送丝自动焊机的规范调节范围范围2.4.2 弧压反馈自动调节系统简介 粗焊丝（i）采用变速送丝焊接过程中，靠弧压反馈使送丝电机正、反转实现送丝或退丝。（ii）采用下降或陡降外特性电源。（1）工作原理简介）工作原理简介UILL粗丝，平特性粗丝，平特性（1）工作原理

48、简介）工作原理简介在焊接过程中，电弧燃烧稳定，同样有vm=vf使弧长保持不变。LUvf(vm vf)焊丝下送L弧长恢复（2）弧压反馈调节静特性曲线）弧压反馈调节静特性曲线（A曲线）曲线）（1）水平略向上斜（2）UC增大A曲线上移（3）变速送丝自动焊机的规范调）变速送丝自动焊机的规范调节范围节范围由Amax（Ucmax）Amin（Ucmin）及ImaxImin围成的区域P246图12-11I 由电源外特性来调节陡降外特性，调节平外特性，调U0U由给定电压Uc来调节3）变速送丝自动焊机的规范调节范）变速送丝自动焊机的规范调节范围围Amin(Ucmin)Amax(Ucmax)UIIminImaxP2

49、46 图图12-11熔焊的保护电弧焊保护目的与方法隔离焊接区和空气接触，防止与消除空气中O2和N2对金属的有害作用（冶金）熔焊的保护保护范围：电极（焊丝）的受热部分焊接电弧（保证电弧介质不变）熔池未冷焊缝HAZHeatAffectedZone统统称称焊焊接接区区保护方法渣保护手弧焊，埋弧焊，电渣焊气TIG，MIG，CO2，PAW，激光焊气-渣：药芯焊丝真空真空钎焊，真空扩散焊，电子束焊3.1 埋弧焊SAW:Submerged Arc Welding（1）特点）特点（i）过程过程：先送丝，让末端与工件表面接触撒焊剂启动电源，同时回抽焊丝引燃正常送丝焊接。（1）特点）特点（ii）电弧电弧引燃后，金

50、引燃后，金属与焊剂蒸属与焊剂蒸汽形成汽形成气泡气泡熔融熔渣熔融熔渣焊剂焊剂vf熔池熔池（1）特点）特点电弧在里边燃烧上部被一层熔融熔渣所包围埋弧：隔绝空气保护好；飞溅；热、光辐射，看不到弧光，没有弧光照射问题。（1）特点）特点（iii）渣壁过渡渣壁过渡+少量颗粒状过渡。少量颗粒状过渡。（1）特点）特点（iv）电弧功率大，电弧功率大，E=3038V/cmI=7001000A厚板，高速（vw=3050m/hr）熔池冶金反应充分气体、熔渣析出气体、熔渣析出不开坡口，单面焊双面成形不开坡口，单面焊双面成形=20mm（1）特点）特点（v）只适于平焊，长直缝或大只适于平焊，长直缝或大曲率半径缝曲率半径缝焊