《电弧焊》要点总结

czcxq0408 · 发表于 2007-5-8 17:28:45

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概念

1. 等离子体：气体在电场和热场作用下产生电离，电离后所处的空间由阳离子及电子这样的带电粒子、原子、及分子这样的中性粒子所构成。含有带电粒子的电中性粒子集团成为等离子体。
2. 电弧热效率：相对于电弧功率，向母材传送的热量所占的比例成为电弧的热效率。
3. 直流分量：当电弧两个电极材料不同时，由于发射电子能力不同，电弧两种极性状态时将流过不同的电流值，即在电弧和焊接回路中出现正负半波电流不同的情况。正负半波的电流差值成为直流分量。
4. TIG焊：即钨极氩弧焊，以钨材料或钨的合金材料作为电极，在惰性气体保护下进行焊接的方法。
5. MIG焊：即熔化极氩弧焊，采用熔化极焊丝作为电弧的一极，从焊枪喷嘴中流出惰性气体对焊接区及电弧进行保护，焊丝熔化金属从焊丝端部脱落过渡到熔池，与母材熔化金属共同形成焊缝的焊接方法。
6. MAG焊：混合气体保护熔化极电弧焊。采用熔化极焊丝作为电弧的一极，从焊枪喷嘴中流出混合气体对焊接区及电弧进行保护，焊丝熔化金属从焊丝端部脱落过渡到熔池，与母材熔化金属共同形成焊缝的焊接方法。
7. 短路过渡：在较小电流低电压时，熔滴未长成大滴就与熔池短路，在表面张力及电磁收缩力作用下，熔滴向母材过渡称为短路过渡。
8. 射流过渡：对于钢系焊丝，焊丝前端在焊丝中被削成铅笔状，熔滴从其前端流出，以很细小的颗粒进行过渡，其最大过渡频度可达每秒500次，把这种过渡称为射流过渡。
9. 射滴过渡：在使用电导率和热导率较大的铝和铜进行焊接时，其熔滴尺寸接近焊丝直径，过渡频度在每秒100～200次左右，每一滴都呈现规则的过渡，这种过渡称作射滴过渡。
10. 阴极清理作用：惰性气体中的电弧在以金属板（丝）为阴极的情况下，阴极斑点在金属板（丝）上扫动，除去金属表面上的氧化膜，使其露出清洁金属面，称作电弧的阴极清理作用或氧化膜的破碎作用。
11. 最小电压原理：在给定点流与周围条件一定的情况下，电弧稳定燃烧时，其导电区的半径或温度，应使电弧电场强度具有最小的数值，即电弧具有保持最小能量消耗的作用。
12. 磁偏吹：如果由于某种原因使电弧周围磁力线分布的均匀性受到破坏，使电弧中的电荷受力不均匀，就会使电弧偏向一侧，这种现象叫做磁偏吹。
13. 解离：电弧中由两个以上原子构成的气体分子，由于热的作用，将分解成原子。这种现象叫做解离。
14. 细颗粒过渡：二氧化碳电弧焊，对于某一直径的焊丝，在电流增大到一定的数值并配以适当的电弧电压，熔滴以较小的尺寸自由飞落进入熔池，把这种现象称作二氧化碳电弧焊细颗粒过渡。
15. 电弧固有自身调节作用：在焊枪高度发生变动或出现其它干扰时，焊丝比熔化量随可见弧长的减小而增大的特性使电弧自身具有保持弧长稳定的能力，把这种特性成为电弧固有自身调节作用。
16. 焊缝成型系数：在焊缝成型中，熔宽B与熔深H之比B/H称作焊缝的成型系数。

1. 各种焊接方法的特点

2. 各种焊接方法的焊接工艺参数及其对焊缝成型的影响

3. 各种焊接设备的组成及其作用

4. 叙述电弧导电的机理

5. 电弧的构造及电弧电压分布
电弧由阴极区、阳极区和弧柱区构成。
阴极前面存在由阳离子构成的正空间电荷区域，称作阴极压降区，产生的压降称作阴极压降；阳极前面存在自由电子构成的负空间电荷区，称作阳极压降区。产生的压降称作阳极压降。阴极压降区和阳极压降区的尺寸相当薄，在电弧长度变化时几乎不产生变化，但压降值很高，在电弧总体电压降中占有相当比例。两极区以外的部分称作弧柱区，以很平缓的形式呈现线性电压降，称作弧柱区压降。电弧电压是上述各电压降之和：
Ua=UA+UP+UC

6. 电弧的温度分布及其影响因素
在电弧两极受材料熔点即承受温度能力的影响，电弧温度呈现下降的特点，在电极正下方电极轴线上具有最高的温度值，在电弧轴线上随电弧断面形态的扩展，等温线逐步分散，在接近阳极表面时又产生较小收缩。
影响因素：
⑴电弧电流：电弧电流增加，电弧最高温度值增大。
⑵电极斑点：当电极上出现电极斑点（阴极斑点或阳极斑点）时，电极斑点处的温度明显升高。
⑶电弧长度：电弧长度变化一般不会影响电弧的最高温度，只是随着电弧的拉上或者缩短，电弧的温度分布更为扩展或者更为集中。
⑷阳极材料：作为母材时，阳极材料和状态将影响阳极表面附近的温度值。
⑸保护气成分：在混合气环境下，电弧形态扩展更为明显。
⑹环境条件：电弧温度和温度分布受到环境冷却条件、环境气压条件等的影响。

7. 叙述电弧力的主要来源及其产生
电弧力的来源有：①电弧静压力②电弧动压力③斑点力④爆破力⑤熔滴冲击力；其产生的原因分别如下：①因为电极直径限制了导电区的扩展，而在工件上电弧可以扩展的比较宽，所以电极前端电弧截面直径小，接近工件端电弧截面直径大，直径不同引起压力差，从而产生由电极指向工件的推力，即为电弧静压力；②电弧中的压力差使较小截面处的高温粒子向工件方向流动，并有更小截面处的气体粒子补充到该截面上来，以及保护气氛不断进入电弧空间，从而形成连续不断的气流，称作等离子气流，到达工件表面时形成附加的一种压力称作等离子流力，即电弧动压力；③电极上形成斑点时，由于斑点上导电和导热的特点，在斑点上将产生斑点力；④当熔滴与熔池发生短路时，电弧瞬间熄灭，因短路时电流很大，短路液柱中电流密度很高，在金属液柱中产生很大的电磁收缩力，使液柱中部变细，产生劲缩，使液柱汽化爆破；⑤熔化极富氩保护射流过渡焊接时，焊丝前端熔化金属形成连续细滴沿焊丝轴线方向射向熔池，形成熔滴冲击力。

czcxq0408 · 发表于 2007-5-8 17:29:42

8. 影响电弧力的因素有哪些
⑴气体介质
⑵电流和电压（弧长）
⑶电极（焊丝）直径
⑷电极（焊丝）极性
⑸钨极端部几何形状
⑹脉冲电流的影响。

9. 用钨极氩弧焊焊铝时为什么要采用交流？
因为电弧阳极产热高于阴极，当钨极接正时对钨极烧损严重且热量不能充分用来熔化金属，生产效率低。但是在焊接铝时由于电弧的阴极清理作用可以去除铝表面的氧化膜，所以综合以上原因采用交流电源更为合适。

10. 电弧静特性及其影响因素
稳定状态下焊接电弧的电流、电压特性，称作电弧静特性曲线。
电弧静特性的特征：
⑴在小电流区，电弧电压随电流的增大而减小，呈现负阻特性。
⑵当电流稍大时，电弧电压自动维持一定的数值，保证产热量与散热量的平衡，在电弧静特性曲线上出现一定区间内的平特性特征。
⑶在大电流区间，电弧电压随电流的增加而增加，呈现正特性。
影响电弧静特性及电弧电压的因素：
⑴电弧长度
⑵保护气成分
⑶电极条件
⑷母材情况
⑸保护气流量、环境温度、焊接电流形式

11. 阴极斑点、阳极斑点及其成因
根据阴极材料性质及所处状态的不同，在某些场合下，电弧导电通道将主要集中在一个较小的区域，该区域电流密度、温度、发光强度远高于其它区域，称为阴极斑点区。
阴极斑点的形成有如下几种情况：
⑴非熔化极材料作为阴极，、惰性气体保护时，在电流值较小的情况下出现阴极斑点。
⑵低熔点材料作为阴极（焊丝）时，也就是冷阴极情况下，如果使用氧化性气氛作为保护气，保护气对电弧（包括阴极和阴极区）有较强的冷却作用，电弧电场强度较高，从自身较小能量消耗的角度，电弧更趋于集中，难以全面积包围焊丝熔化金属（熔滴），电弧导电通道集中在熔滴下方较小的区域。
⑶惰性气体保护下母材作为阴极时，受母材尺寸大、导热量大等条件的影响，表面上容易形成阴极斑点。

当电弧燃烧不能在阳极表面所覆盖的全面积上形成均匀的电流通道时，将在阳极上的某一局部区域形成主要的电流通道，大部分电子通过该通道进入阳极，即为阳极斑点区。
阳极斑点区一般在以下情况下产生：
⑴小电流焊接，母材作为阳极，如果母材上不能形成连续的熔化，将会在母材上电弧后面形成阳极斑点。
⑵大电流焊接，母材作为阳极，虽然形成了较大的熔池，但由于熔池运动或表面波动频繁也可能是熔池中各处蒸发情况的变迁，或由于合金元素的蒸发将在熔池内部形成阳极斑点。

12. 电弧产生磁偏吹的原因以及如何减小或消除？
只有电弧周围的磁场是均匀的，磁力线分布相对电弧轴线是对称的，电弧才能保持轴向对称。如果某种原因使磁力线的均匀性受到破坏，使电弧中的电荷受力不均匀，就会使电弧偏向一侧。这种现象称作电弧磁偏吹。
电弧磁偏吹总是表现为电磁力把电弧从磁力线密集的一侧推向磁力线稀疏的一侧。
⑴导线接线位置引起的磁偏吹
⑵电弧附近的铁磁性物质引起的磁偏吹
⑶电弧处于工件端部时产生的磁偏吹
⑷平行电弧间的磁偏吹
⑸交流电弧的磁偏吹
取消和减小磁偏吹的方法：
⑴采用较短的弧长进行焊接，电弧越短，磁偏吹越小
⑵对工件采取分布式接地方法，比如两侧接地或多点接地
⑶操作中调整焊枪或焊条角度
⑷避免铁磁性物质的影响
⑸考虑采用脉冲焊或高频电弧焊
⑹考虑采用交流焊接等

13. 保护气体成分对焊缝成型的影响，重点：Ar+He, Ar+CO2, Ar+O2
Ar+He ：He的特点是传热系数大，在相同的电弧长度下，电弧电压高，电弧温度高。Ar的优点是电弧燃烧稳定，进行熔化极焊接时焊丝金属容易呈轴向射流过渡，飞溅极小。以Ar为气体基体，加入一定数量的He可获得两者所具有的优点。
Ar+CO2：它既具有氩气的特点，如电弧稳定、飞溅少、容易获得轴向射流过渡等，又因具有氧化性，克服了纯氩气焊接时阴极斑点漂移现象及焊缝成型不良等问题。
Ar+O2：加入1％的氧气到Ar中，阴极斑点漂移现象便可克服。另外，加入氧气后有利于金属熔滴的细化，降低了射流过渡的临界电流值。加入20％的氧气的强氧化性气体可以用来焊接碳素钢及低合金结构钢，除具有较高的生产率外，抗气孔性能比加20％的二氧化碳及纯二氧化碳都好，焊缝韧性也有所提高。

14. 成型系数对母材结晶（焊缝成型）有何影响？为什么？
在厚板非完全熔透焊接中，对接头承载能力有重要影响的是熔深H，对薄件通常进行完全熔透焊接，熔宽B对焊缝性能亦有影响，B与H之比（B/H）称作焊缝的成型系数，其大小还会影响熔池中气体逸出的难易、熔池的结晶方向、成分偏析、裂纹倾向等。

czcxq0408 · 发表于 2007-5-8 17:31:12

15. 熔池金属对流驱动力有哪些？为什么？
电弧作用下熔池内金属对流驱动力有以下4种：
⑴电弧等离子气流作用下产生的熔池金属的对流。
电弧等离子气流以电弧压力的形式作用于熔池，使熔池的中心区出现凹陷，同时又从熔池的中心区向周边区流动，把熔池表面从中心区向周边区拉伸，对熔池表面金属形成从熔池中心向熔池周边区的流动。
⑵熔池表面上的表面张力差产生的表面张力流。
焊接情况下，熔池表面存在着从固液界面处的熔点温度到中心高温区的温度差，通常情况下，熔化金属的表面张力依赖于温度值，由于温度差使得熔池表面的各部位出现了表面张力差。表面张力差出现后，熔化金属就出现了向表面张力高的部位拉伸的表面张力流。
⑶熔池内部流动着的电流产生的电磁对流。
从电弧进入熔池的电流在电弧正下方有着较高的电流密度，从熔池到母材内部，电流密度是逐渐降低的。电流与其自身产生的磁场之间相互作用而产生了电磁力，该电磁力指向电流发散方向，由此产生了电磁对流。电磁对流的方向是向着电流发散的方向即从电弧正下方熔池中心区向熔池底部流动。
⑷熔池内部熔化金属密度差引起的浮力流。
焊接情况下，熔池内部的温度是从电弧正下方的高温区向固液界面处的熔点温度变化着的，形成了熔池内部的空间温度场，液态金属是温度越高密度越低，密度低的部分受到浮力的作用向着重力的反方向运动。

16. 叙述表面张力流对焊缝成型的影响
表面张力在熔化焊接中起到重要作用。表面张力与熔滴过渡、熔池形成及其内部的流动都有密切的关系。
对于表面活性元素较少的材料，表面张力随温度的升高而减小，由此原因，电极正下方熔池表面温度较高处的表面张力低于表面温度较低的熔池周边区的表面张力，从而产生了从熔池中心区向周边区的流动，即形成外向表面张力流，并获得较浅的熔深。
对于表面活性元素较多的材料，表面张力随温度的上升而增大，从而产生从熔池周边区向中心区的流动，即形成内向表面张力流，而电极正下方熔池中心区的熔化金属具有较高的温度，被液流直接传向熔池底部时，也带去较多的热量，从而使熔深增加，也可以表述为熔化效率提高。

17. 影响焊丝融化速度的因素有哪些？为什么？
当材质一定时，焊丝熔化速度基本上是由电流、焊丝直径、干伸长决定。但焊丝极性、保护气种类、可见弧长、熔滴过渡形态等也有很大影响。
在焊丝接正时，焊丝熔化速度与混合气种类无关，几乎成定值。在焊丝接负时，与焊丝接正时相比，其熔化量显著提高。

18. 熔滴过渡时熔滴上受哪些作用力？
使焊丝端部的熔滴产生脱落、过渡的力主要是重力、表面张力、电磁力、摩擦力4项。

19. 直流氩弧焊采用哪些极性，为什么？
TIG焊时，反极性焊接只有在焊接薄件铝、镁及其合金时才会采用。因为此时电弧在工件上的产热少，焊缝熔深浅而熔宽大，生产效率低。故一般采用正极性焊接。
MIG焊接一般采用焊丝为阳极的接法，而把焊丝接负或采用交流的很少。
其原因有两项：一是要充分利用电弧对母材的清理作用，另一原因是为了使熔滴细化，并且形成平稳过渡。

20. 熔化极氩弧焊工艺参数有哪些？

21. TIG焊时提高焊接速度，增加焊缝熔深的方法有哪些？
提高焊接速度的方法：
⑴增加焊接的热输入
⑵改变电极的前端形状，电极前端磨出一定的平台
⑶在氩气中混入氦气
⑷采用电极倾斜方式进行焊接
增加焊接熔深的方法：
⑴增加焊接热输入
⑵减小电弧长度
⑶在氩气中混入氦气

22. 二氧化碳焊的脱氧措施有哪些？避免或减小焊缝气孔的措施有哪些？
脱氧措施：熔池脱氧，采取Si-Mn联合脱氧并合理选择焊丝中锰、硅的含量及其比例；在焊丝中适量添加Al、Ti等元素作为脱氧剂。
避免气孔措施：CO2焊气孔来源主要有N2孔、H2孔、CO气孔等。①对于N2气孔要从保护可靠性和工艺参数两方面予以排除。②氢的主要来源是焊丝、工件表面的油、锈和水分及CO2气体中的水份，由于二氧化碳气体的氧化性，使电弧空间的H的存在量减少，氢气孔产生的可能降低；作好CO2焊焊前准备工作，去除工件表面的油、铁锈及水份，并对CO2气体进行必要的干燥；采用直流反接法也是降低氢气孔的有效措施。③焊丝中含有足够的脱氧元素Si、Mn时，并限制焊丝中的含碳量，可抑制CO气孔的形成。

23. 影响二氧化碳焊短路过渡的因素有哪些？
实现熔滴短路过渡的基本条件是采取较细的焊丝，以较小的电流在低的电弧电压下进行焊接。
①电弧电压的影响
若电弧电压高于最佳值范围，短路过渡频率降低；当电弧电压低于最佳值，弧长短，熔滴与熔池短路后容易保持液柱连接状态而不易过渡；
②电源特性的影响
CO2电弧焊采取短路过渡方式焊接时，焊接电源不仅需要有平的外特性，还需要有适当的动特性指标；此外，过程结束后，电源空载电压要迅速恢复，以便即使引燃电弧。
③送丝速度的影响
调节送丝速度，可以改变短路频率、短路时间、最大短路电流、平均焊接电流等参数。

24. 减小二氧化碳焊接时飞溅的措施有哪些？
焊接材料方面：限制焊丝含碳量，选择有较多脱氧元素成分的焊丝进行焊接。另外可以采用混合气体保护进行焊接。
工艺和规范方面：
⑴正确选择焊接电流，匹配合适的电压，尽可能避免排斥过渡形式。
⑵焊枪倾角不超过20°，焊枪垂直时飞溅最小。
⑶限制焊丝干伸长。
⑷送丝速度均匀。
⑸电源直流反接时飞溅最小。
电源方面：通过回路电感使使短路过渡焊接中的电流上升速率di/dt和短路峰值电流Imax有一个合适的数值，是CO2电弧焊短路过渡焊接减少飞溅的一项重要措施。

25. MIG焊通常采用哪种接法，为什么？
MIG焊接一般采用焊丝为阳极的接法，而把焊丝接负或采用交流的很少。
其原因有两项：一是要充分利用电弧对母材的清理作用，另一原因是为了使熔滴细化，并且形成平稳过渡。

26. 焊丝接负时熔化速度比接正时快，但熔滴过渡频率反而低，试解释此现象。
焊丝接负时熔化速度约为焊丝接正时的1.5倍。焊丝接正时，焊丝的熔化速度受焊剂成分的影响较小。而焊丝接负时，因焊剂成分的改变，焊丝熔化速度要发生变化。
焊丝接负时，阴极斑点因清理作用而要上爬到焊丝的固体区，电弧以包围熔滴的形态出现，电弧力对熔滴过渡完全不起作用，即使在大电流下，熔滴过渡也主要因重力作用而进行，形成大颗粒的粗滴过渡，因而过渡频率低。

27. 影响埋弧焊熔深的因素有哪些？防止烧穿的措施有哪些？
焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊丝直径、焊丝倾角、坡口精度以及母材的倾斜都会对焊接熔深产生影响。
为防止烧穿，需要在调整焊接条件的同时，提高坡口精度。如果坡口精度没有条件提高，应采用封底焊接或使用适当的衬垫。

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