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1、第1章 电弧物理基础1.电弧：在一定条件下通过两电极间气体的一种导电过程。或一种气体放电现象。2.等离子体态：由于电离气体整体行为表现为电中性，即电离气体内正负电荷数相等，所以称这种气体状态为等离子态。焊接电弧本质是一种等离子体。3.气体粒子的碰撞：弹性：气体粒子只产生动能的传递和再分配，碰撞后粒子动能之和不变。非弹性：部分或全部转化为内能，如果此内能大于激励电压则粒子被激励，如果此能量大于电离电压时也产生电离。只有非弹性碰撞才产生电离过程，为气体空间制造带电粒子。4. 气体的电离：按是否需要外界电离源来维持放电，分为自持放电、非自持放电。非自持放电：带电粒子由外界电离源所引起，呈暗放电状态，
2、外界电离源取消后，放电立刻停止。自持放电：当电流大于一定数值时，气体导电过程本身可以产生所需带电粒子，放电过程可以维持，成为自持放电。自持放电区间：自持暗放电、辉光放电、电弧放电。5. 电弧放电特点：1）电流密度大，2）阴极电压低，3）高温（非常适合焊接需要）6. 电离：在一定条件下，中性气体分子或原子分离为正离子或电子的现象称电离。7. 第一电离能：使中性气体粒子失去第一个电子所需要的最低外加能量为第一电离能，eV为单位。8. 电离种类：热电离、电场电离、光电离。热电离：高温下气体粒子受热作用，在热运动中相互碰撞产生的。电场电离：带电粒子从电场中获得能量，通过碰撞而产生的电离过程。光电离：中
3、性粒子接受光辐射的作用而产生的电离现象。9. 电子发射：热发射、电场发射、热发射、粒子碰撞发射。电子发射：阴极表面的分子或原子，接受外界能量而释放自由电子到电弧空间的现象。逸出功：产生电子发射需要的最低外加能量。金属表面带有氧化物，逸出功小。热发射：金属表面承受热作用，电子具有大于逸出功而产生电子发射的现象。电场发射：金属表面温度不高，但存在强电场并在表面附近形成加大电位差时，金属内自由电子受库仑力，到一定程度时，阴极有较多电子发射出来，这种现象为电场发射，或自发射。光发射：金属表面接受光辐射时，也可使金属表面自由电子能量增加，冲破金属表面的制约飞到金属外面来的现象。条件粒子碰撞发射：高速运动
4、粒子碰撞金属表面时，将能量传给金属表面的电子，使得其能量增加而跑出金属表面的现象。10.热阴极材料：热发射为主（沸点高的钨做阴极材料）冷阴极材料：电场发射为主（钢、铜、铝、铁做阴极）（热发射不能提供足够电子，需要其他方式补充）11.电弧三个区域：阴极区、弧柱区、阳极区。电弧与电源负极所接的一端为阴极区，电压为阴极压降。与正极相接一端阳极区，阳极压降。12. 电弧的辐射：黑体辐射、激发辐射、复合辐射、轫致辐射第2章 焊接电弧的特性1. 焊接电弧静特性：一定长度电弧在稳定状态下，电弧电压Uf与电弧电流If之间的关系为焊接电弧的静态伏安特性，简称静特性。下降特性：当电流较小时，电弧电压随着电流的增加
5、而减小，电弧具有负阻特性。平特性：电流增大一定值后，电流再增加，电压几乎不变，呈平特性。上升特性：电流较大时，电压随电流增加而升高，呈上升特性。2. 影响电弧静特性的因素：1） 电弧长度的影响：电流一定时，弧长增加电弧电压随之增加。2） 气体介质成分的影响：电离电压较高的气体不易电离，电流一定时 ，需要较高的电场强度，从而使电弧电压升高。导热性好的气体及多原子气体热解离能高，冷却作用强，要求大电弧能量，所以一定时场强E必增加，因而电弧电压升高。3） 气体介质压力的影响：其他条件一定，气体压力增加，气体粒子密度增加，带走热量增加，电弧截面将收缩，使弧柱场强及电弧电压均增大。焊条电弧焊、埋弧焊-水
6、平段 | TIG、微束等离子弧焊、等离子弧焊-水平段电流很小，微束等离子弧焊、TIG-下降段| 熔化极气保焊、水下焊-上升段3. 电弧动特性：焊接电流增大过程中,由于焊接电弧此前处于相对低的温度状态,电流的增加需要有较强的电场进行驱动,因此表现出电弧电压有某种程度的增加;在焊接电流减小的过程中,由于焊接电流此前已处于较高的温度状态,电弧的热惯性不能立即对电流减小作出反应,电弧中仍然有较多游离的带电粒子,电弧导电性仍然很强,使电弧电压处于相对较低的水平,从而形成了回线状的电弧动特性曲线。4. 焊接电弧产热机构：1） 弧柱的产热机构：从电源吸收点能转化为热能的作用几乎完全由电子来承担，在弧柱中，外
7、加电能大部分将转化为热能。2） 阴极区产热机构：阴极区电子和正离子不断产生、运动、消失，同时伴随能量转换与传递阴极区产热总能量PK；阴极区压降UK;逸出电压UW；弧柱温度等效电压UT3） 阳极区产热机构：电子流、正离子流。;PA阳极产热总能量；UA阳极区压降5. 焊接电弧热效率：电弧焊中，电能转化的热能并不能全部用来加热融化焊丝与焊件，一部分会因为热损失而做无用功。用于加热、熔化焊丝与焊件的电弧热功率称为有效热功率。6. 电弧力及其作用：1） 电弧收缩力：当电流流过导体时，电流可以看成是有许多相距很近的平行同向电流线组成，这些电流线之间相互吸引。如果是可变形导体，将使导体收缩，该现象称为电磁收
8、缩效应。流体中各方向压力相同，因此这个电压将产生由电弧小直径端指向大直径端。电磁静压力：轴向推力弧柱轴线处最大，沿径向向外逐渐降低，在焊件上此力表现为对熔池的压力称为电磁静压力。2） 等离子流力：电磁中等离子流具有很高的速度，这种等离子气流高速运动形成的力称为等离子流力。等离子流力可以增大电弧的刚直性；促使熔滴轴向过渡，减少飞溅；对熔池产生附加动压力，可增大熔深和对熔池的搅拌作用。3） 斑点压力：正离子和电子对电极的撞击力电磁收缩力电极材料蒸发的反作用力细熔滴的冲击力短路过渡时局部气体膨胀产生的冲击力7. 电弧力的影响因素：气体介质、电流和电弧电压、焊丝直径、电极、钨极端部几何形状、电流的脉动
9、。8. 焊接电弧种类：直流电弧、交流电弧、脉冲电弧第3章 焊材的熔化与熔滴过渡1. 电弧引燃后，焊芯立即被加热熔化，随后焊条引弧端的药皮由与焊芯相接触的内层开始被加热和熔化，并迅速向药皮外层扩展。药皮熔化内层超过外层，一段时间后，焊条端部形成套筒。2. 加热熔化焊条的能量：（1）电弧热 利用气体介质中放电过程所产生的热能作为焊接热源（2）化学热一利用可燃气体或铝、镁热剂进行化学反应时所生的热能作为焊接热源（3）电阻热一利用电流通过导体时产生的电阻热作为焊接热源。3.稳弧剂、造渣剂、脱氧剂、造气剂、合金剂、增塑剂、粘结剂。4.焊条熔滴过渡形态：粗熔滴过度、渣壁过渡、喷射过渡、爆炸过渡。粗熔滴过度
10、特点：一是熔滴尺寸大，二是在正常弧长是，熔滴过渡时发生桥接短路，并会爆炸飞溅，三是熔滴过渡频率低。5. 焊丝熔滴过渡三大类：自由过渡、接触过渡、渣壁过渡。自由过渡：熔滴脱离焊丝末端前不与熔池接触接触过渡：焊丝末端熔滴与熔池表面接触成过桥而过渡的渣壁过渡：渣保护时的形式，熔滴沿熔渣的空腔壁形成过渡6. 短路过渡：特点：1） 燃弧、短路交替进行2）焊接电流小3）采用细焊条，焊接速度快，加热集中4）若电源动特性不佳，短路过度会伴随大量金属飞溅7. 滴状过渡：粗滴过渡、细滴过渡8. 射流过渡临界电流值影响因素：焊丝成分、焊丝直径、焊丝伸出长度、气体介质、电源极性射滴过渡包括四种过渡形式 射滴过渡是介于
11、滴状过渡与连续射流过渡之间的一种熔滴过渡形式亚射流过渡是介于短路与射滴之间的一种过渡形式,主要用于铝镁及其合金的熔化极气体保护焊 射流过渡是采用纯氩或富氩保护气氛,直流反接,除保持高弧压(长弧)外,必须使焊接电流大于某一临界值 旋转射流过渡是在焊丝伸出长度较大,焊接电流比通常产生射流过渡的临界电流高出很多时(称为第二临界电流)出现的一种熔滴过渡形式 射流过渡是喷射过渡中最有代表性且用途广泛的一种过渡形式。在较强的等离子流力作用下,细小的熔滴便从液柱尖端一个接一个的以高速冲向熔池(其加速度可达重力加速度的几十倍),这种过渡形式称为射流过渡 产生跳弧现象的最小电流Ic,称为射流过渡临界电流，电流一
12、旦达到临界电流,熔滴尺寸减小,过渡频率大增加9. 渣壁过渡：焊条电弧焊和埋弧焊出现。熔滴沿渣壁流下落入熔池 口埋弧焊的熔滴过渡与焊速、极性、电弧电压和焊接电流有关。口直流反接时,如电弧电压较低,则熔渣形成的空腔较小,焊丝端头形成的熔滴较细小,沿渣壁以小滴状过渡,过渡频率较高,每秒可达几十滴 口直流正接时,焊丝端头的熔滴较大,且在阴极斑点压力的作用下不停地摆动,形成较大的空腔,呈粗滴状过渡。过渡频率较低,每秒仅10滴左右 口焊接电流对熔滴过渡频率有很大影响。熔滴过渡频率随电流的增加而增加。这种现象,直流反接时更为明显在电弧热作用下,焊丝端头的熔化金属形成熔滴,受到各种力的作用向母材过渡,称为熔滴
13、过渡。10. 渣壁过渡：熔滴上的作用力：重力、表面张力、电弧力、熔滴爆破力。 对熔滴过渡的影响取决于焊接空间位置 F=mg=4rg/3 式中,P是熔滴密度;r是熔滴半径;g是重力加速度是熔滴质量电弧力：a.电磁收缩力:作用于熔滴上的电磁收缩力具有由小导电截面指向大导电截面的特点 b.等离子流力:电弧等离子流力随着等离子气流从焊丝末端侧面切入,并冲向熔池,促进过渡 c.斑点压力:斑点压力包括正离子和电子对熔滴的撞击力、电极材料蒸发时产生的反作用力以及弧根面积很时产生的指向熔滴的电磁收缩力飞溅损失通常用飞溅率来表示,其定义为飞溅损失的金属与熔化的焊丝(条)金属的质量百分比测量焊接飞溅率有两种办法：
14、一是焊接后收集飞溅颗粒,要做到封闭区内部焊接前后态一致(特别是各部件的表面状态) 二是通过测量焊丝损失率,一定程度上表示焊接飞溅率大小第4章 母材的熔化与焊缝成形1. 焊接热源的作用模式：集中热源、平面分布热源、体积分布热源2集中热源： 集中热源是把焊接电弧热能看作集中作用在某一点(点热源)、某条线(线热源)或某个面(面热源)是对实际情况的简化描述。 对于厚大焊件表面焊接,把热源看成是集中在电弧加热斑点中心的点热源。对于薄板对接焊,把电弧热看作是施加在焊件厚度上的线热源。对于某些杆件对接焊把电弧热看作是施加在杆件断面上的面热源 4.1.3平面分布热源(1)高斯分布热源 (2)双椭圆分布热源 4
15、1.4体积分布热源 (1)半椭球体分布热源2)双椭球体分布热源(1) 电弧焊的热效率： 加热过程的功率有效系数或称热效率4.2电弧焊接熔池的形态：焊接熔池的几何形状、熔池内流体动力学状态及传热传质过程称为焊接熔池形态。熔池中的流体流动驱动力(1)表面张力梯度：表面张力是温度的函数,使流体从表面张力低的部位流向表面张力高的部位。2)电磁力：电弧焊时,焊接电流从斑点进入熔池后会产生电流线的发散,熔池内部电流同其自身的磁场相互作用就产生了电磁力(洛仑兹力)(3)浮力：浮力是由于熔池中存在温度梯度或成分梯度,从而使液态金属密度发生变化而产生(4)电弧等离子流的冲击力：电弧等离子流冲向熔池表面时,施加的是冲击力或剪切力。焊接接头使用性能：熔深H、熔宽B和余高h表示。熔深是指母材熔化的深度,熔宽是指两焊趾之间的距离,焊缝余高是指焊缝截面上两焊趾连线之上的那部分焊缝金属的最大高度 4.4.1焊接参数对焊缝成形的影响因素 (1)焊接电流：随电流的增大焊缝熔深和余高都增加,而熔宽则几乎不变或略有增加(2)电弧电压：其它条件一定时,电压增大,熔宽显著增，而熔深和余高略有减小,
