手工电弧焊基础知识.pdf

清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University问题问题你对电弧焊接了解你对电弧焊接了解多少？多少？清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University关于关于“电弧焊接电弧焊接”?电弧焊是应用最为广泛的金属焊接方法电弧焊是应用最为广泛的金属焊接方法?熔化极电弧焊和非熔化极电弧焊熔化极电弧焊和非熔化极电弧焊?交流电弧焊、直流电弧焊、脉冲电弧焊交流电弧焊、直流电弧焊、脉冲电弧焊?直流正接和直流反接直流正接和直流反接清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University电弧焊接电弧焊接清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University电弧焊接电弧焊接清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University电弧焊接电弧焊接清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University问题问题焊接电弧的物理焊接电弧的物理本质和特性？本质和特性？清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University焊接电弧的本质和特点?焊接电弧是一种气体放电现象。在一定条件下电荷焊接电弧是一种气体放电现象。在一定条件下电荷（带电粒子）通过两电极之间气体空间的导电过程。（带电粒子）通过两电极之间气体空间的导电过程。?为维持电弧燃烧，必须不断输送电能给电弧。为维持电弧燃烧，必须不断输送电能给电弧。?在焊接电弧燃烧过程中，呈现出电压低、电流大、在焊接电弧燃烧过程中，呈现出电压低、电流大、温度高、发光强的特点。温度高、发光强的特点。清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University焊接电弧的本质和特点清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University焊接电弧的本质和特点清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University问题问题焊接电弧中的带电粒焊接电弧中的带电粒子是怎样产生的？子是怎样产生的？清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University带电粒子的产生途径带电粒子的产生途径?正常状态下的气体是由中性分子或原子所组成，正常状态下的气体是由中性分子或原子所组成，不含有带电粒子。不含有带电粒子。?电弧空间的中性气体分子或原子的电离电弧空间的中性气体分子或原子的电离?电极的电子发射电极的电子发射?同时还伴随着一些其它过程：解离、激发、扩同时还伴随着一些其它过程：解离、激发、扩散、复合、负离子产生等散、复合、负离子产生等清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University气体粒子的电离气体粒子的电离?在一定条件下中性气体分子或原子分离成正离子和在一定条件下中性气体分子或原子分离成正离子和电子的现象称为电离。电子的现象称为电离。?焊接电弧中气体粒子的电离方式包括：热电离、电焊接电弧中气体粒子的电离方式包括：热电离、电场作用下的电离、光电离。场作用下的电离、光电离。?电离能、电离电压电离能、电离电压清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University电极的电子发射电极的电子发射?电弧放电过程中，电极表面接受一定外加能量作用电弧放电过程中，电极表面接受一定外加能量作用时，其电子可能冲破金属电极表面的约束而飞到电弧空间。时，其电子可能冲破金属电极表面的约束而飞到电弧空间。?电子发射的主要方式包括：热发射和电场发射等。电子发射的主要方式包括：热发射和电场发射等。?金属及其氧化物的逸出功金属及其氧化物的逸出功清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University焊接电弧空间区域焊接电弧空间区域清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University焊接电弧空间区域焊接电弧空间区域?阴极区、阳极区、弧柱区阴极区、阳极区、弧柱区?阴极斑点、阳极斑点阴极斑点、阳极斑点?U Ua a=a a+b b l lC C其中其中 a a=U UA A+U UK K清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University关于关于“阴极斑点阴极斑点”当阴极材料熔点、沸点较低、导热性很强时，即使阴当阴极材料熔点、沸点较低、导热性很强时，即使阴极温度达到材料的沸点，此温度也不足以通过热发射产生极温度达到材料的沸点，此温度也不足以通过热发射产生足够数量的电子，阴极将进一步自动缩小其导电面积，直足够数量的电子，阴极将进一步自动缩小其导电面积，直至阴极导电面积前面形成密度很大的正离子空间电荷和很至阴极导电面积前面形成密度很大的正离子空间电荷和很大的阴极压降，足以产生较强的电场发射，补充热发射的大的阴极压降，足以产生较强的电场发射，补充热发射的不足，向弧柱提供足够的电子流。此时阴极将形成面积更不足，向弧柱提供足够的电子流。此时阴极将形成面积更小、电流密度更大（达小、电流密度更大（达5 5 10105 510107 7A/cmA/cm2 2）的斑点来导通电）的斑点来导通电流，这种导电斑点称阴极斑点。流，这种导电斑点称阴极斑点。实验证实上述现象。实验证实上述现象。清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University关于关于“阴极斑点阴极斑点”?用高熔点材料（用高熔点材料（C C、WW等）作阴极时，只有在电流等）作阴极时，只有在电流很小、阴极温度很低的情况下，才可能产生这种阴极斑很小、阴极温度很低的情况下，才可能产生这种阴极斑点。而当用低熔点材料（点。而当用低熔点材料（AlAl、CuCu、FeFe等）作阴极时，大等）作阴极时，大小电流时均属会产生阴极斑点。小电流时均属会产生阴极斑点。?阴极表面将由许多分离的斑点组成阴极斑点区。这阴极表面将由许多分离的斑点组成阴极斑点区。这些斑点在阴极斑点区以很高的速度跳动，自动选择有利些斑点在阴极斑点区以很高的速度跳动，自动选择有利于场发射和热发射条件的点。电弧通过这些点提供电子于场发射和热发射条件的点。电弧通过这些点提供电子时，阴极消耗的能量最低。时，阴极消耗的能量最低。清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University关于关于“阴极斑点阴极斑点”?由于阴极斑点电流密度很高，又受到大量正离子的撞由于阴极斑点电流密度很高，又受到大量正离子的撞击，斑点上将积聚大量的热能，温度很高甚至达到材料的沸击，斑点上将积聚大量的热能，温度很高甚至达到材料的沸点，从阴极班点产生大量的金属蒸气以一定速度射出。点，从阴极班点产生大量的金属蒸气以一定速度射出。?这种金属蒸气流的反作用力及正离子对阴极的撞击力，这种金属蒸气流的反作用力及正离子对阴极的撞击力，对斑点产生一定的压力，称为阴极斑点压力。对斑点产生一定的压力，称为阴极斑点压力。?在在“直流正接（直流正接（DCSPDCSP）型）型”熔化极焊接时，工件为阳极，熔化极焊接时，工件为阳极，焊丝或焊条为阴极，这种斑点压力对熔滴过渡将起阻碍作用。焊丝或焊条为阴极，这种斑点压力对熔滴过渡将起阻碍作用。清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University关于关于“阴极斑点阴极斑点”?阴极表面上热发射性能较强的物质有吸引电弧的作用，阴极表面上热发射性能较强的物质有吸引电弧的作用，阴极斑点有自动跳向温度高、热发射性强物质上的性能。阴极斑点有自动跳向温度高、热发射性强物质上的性能。?如果金属表面有低逸出功的氧化膜存在时，阴极斑点有如果金属表面有低逸出功的氧化膜存在时，阴极斑点有自动寻找氧化膜的倾向。铝合金焊接时去除氧化膜作用，就自动寻找氧化膜的倾向。铝合金焊接时去除氧化膜作用，就是由阴极斑点的这种特性决定的。是由阴极斑点的这种特性决定的。清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University关于关于“阳极斑点阳极斑点”?当采用低熔点材料（当采用低熔点材料（FeFe、CuCu、AlAl等）作为阳极，一旦等）作为阳极，一旦阳极表面某处有熔化和蒸发现象产生时，由于金属蒸气的电阳极表面某处有熔化和蒸发现象产生时，由于金属蒸气的电离能大大低于一般气体的电离能，在有金属蒸气存在的地离能大大低于一般气体的电离能，在有金属蒸气存在的地方，更容易产生热电离而提供正离子流，电子流更容易从这方，更容易产生热电离而提供正离子流，电子流更容易从这里进入阳极，阳极上的导电区将在这里集中而形成阳极斑里进入阳极，阳极上的导电区将在这里集中而形成阳极斑点。阳极斑点电流密度的数量级一般点。阳极斑点电流密度的数量级一般10102 210103 3A/cmA/cm2 2。清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University关于关于“阳极斑点阳极斑点”?低熔点阳极材料形成阳极斑点的条件，首先是该点有低熔点阳极材料形成阳极斑点的条件，首先是该点有金属的蒸发，其次是电弧通过该点时弧柱消耗能量较低。金属的蒸发，其次是电弧通过该点时弧柱消耗能量较低。?当金属表面覆盖氧化膜时，与阴极斑点的情况相反，当金属表面覆盖氧化膜时，与阴极斑点的情况相反，阳极斑点有自动寻找纯金属表面而避开氧化膜的倾向。因阳极斑点有自动寻找纯金属表面而避开氧化膜的倾向。因为大多数金属氧化物的熔点和沸点皆高于纯金属，且金属为大多数金属氧化物的熔点和沸点皆高于纯金属，且金属氧化物的电离电压较高。氧化物的电离电压较高。清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University关于关于“阳极斑点阳极斑点”?由于阳极斑点往往伴随着金属的蒸发，蒸气的反作由于阳极斑点往往伴随着金属的蒸发，蒸气的反作用力对阳极表现为压力，因此一旦形成阳极斑点。也就产用力对阳极表现为压力，因此一旦形成阳极斑点。也就产生斑点压力。生斑点压力。?但由于阳极斑点的电流密度比阴极小，所以通常阳但由于阳极斑点的电流密度比阴极小，所以通常阳极斑点压力比阴极斑点压力小。熔化极焊接时，工件为阴极斑点压力比阴极斑点压力小。熔化极焊接时，工件为阴极，焊丝为阳极，阻止熔滴过渡的作用力较小，这是极，焊丝为阳极，阻止熔滴过渡的作用力较小，这是MIGMIG焊接多采用直流反接的原因之一。焊接多采用直流反接的原因之一。清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University焊接电弧最小电压原理焊接电弧最小电压原理?在给定电流和周围条件的一定的情况下，电弧稳定在给定电流和周围条件的一定的情况下，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。就是说电弧具有保持最小能量消耗的特具有最小的数值。就是说电弧具有保持最小能量消耗的特性。这已为理论推导及许多实际现象所证明。性。这已为理论推导及许多实际现象所证明。?最小电压原理也决定着电弧其它区域（阴极区、阳最小电压原理也决定着电弧其它区域（阴极区、阳极区）的极区）的E E、温度及导电端面的自行调节作用，以达到在、温度及导电端面的自行调节作用，以达到在一定条件下向外界散失热量最小。一定条件下向外界散失热量最小。清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University焊接电弧最小电压原理焊接电弧最小电压原理利用最小电压原理可以解释电弧过程中的许多现利用最小电压原理可以解释电弧过程中的许多现象。例如当电弧被周围介质强迫冷却时，因周围环境象。例如当电弧被周围介质强迫冷却时，因周围环境从电弧取走更多热量，要求电弧产生更多热量来补从电弧取走更多热量，要求电弧产生更多热量来补偿。按最小电压原理，电弧要自动缩小断面，减少散偿。按最小电压原理，电弧要自动缩小断面，减少散热，使之与外界散热相平衡。但断面又不能收缩得过热，使之与外界散热相平衡。但断面又不能收缩得过小，否则电流密度大而使小，否则电流密度大而使 E E 增加太多，电弧自动调整增加太多，电弧自动调整可使可使E E增加到最小数值增加到最小数值。清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University问题问题如何如何“引燃引燃”焊接焊接电弧？电弧？清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University接触引弧接触引弧清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University非接触高频引弧非接触高频引弧清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University交流焊接电弧的特点交流焊接电弧的特点清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University交流焊接电弧的特点交流焊接电弧的特点清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University焊接电弧的静特性焊接电弧的静特性焊接电弧静态伏安特性是指在一定弧长的焊接电弧静态伏安特性是指在一定弧长的稳定状态下电弧电压与电流的关系。稳定状态下电弧电压与电流的关系。清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University焊接电弧静特性曲线的形状焊接电弧静特性曲线的形状清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University影响焊接电弧静特性的因素影响焊接电弧静特性的因素清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University不锈钢不锈钢TIGTIG焊时弧压与弧长的关系焊时弧压与弧长的关系（I=100AI=100A）清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University焊接电弧的动特性焊接电弧的动特性焊接电弧动态伏安特性是指对于一定长度焊接电弧动态伏安特性是指对于一定长度的电弧，当电流快速连续变化时，电弧电压和的电弧，当电流快速连续变化时，电弧电压和电流瞬态值之间的关系。电流瞬态值之间的关系。清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University焊接电弧动特性曲线焊接电弧动特性曲线清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University问问题题?何谓何谓“弧焊电源弧焊电源”？?为何需要弧焊电源？为何需要弧焊电源？清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University燃弧过程对弧焊电源的要求燃弧过程对弧焊电源的要求?将电网电能进行适当转换并提供给焊接电弧的系统将电网电能进行适当转换并提供给焊接电弧的系统装置称为弧焊电源。装置称为弧焊电源。?在稳定状态下，其输出电压与输出电流的关系曲线在稳定状态下，其输出电压与输出电流的关系曲线称为弧焊电源外特性。常见的有（恒压）平特性和下降特称为弧焊电源外特性。常见的有（恒压）平特性和下降特性两大类，下降外特性又分为缓降、陡降、垂直陡降（恒性两大类，下降外特性又分为缓降、陡降、垂直陡降（恒流）特性。流）特性。清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University燃弧过程对弧焊电源的要求燃弧过程对弧焊电源的要求?“焊接电弧焊接电弧弧焊电源弧焊电源”系统稳定工作条件：系统稳定工作条件：tgtg a a tgtg p p 0 0即：在电弧静特性与电源外特性曲线交点处，前者斜即：在电弧静特性与电源外特性曲线交点处，前者斜率大于后者。率大于后者。?这是这是“电弧电弧电源电源”系统稳定工作的条件，也是确系统稳定工作的条件，也是确定弧焊电源外特性形状的依据。定弧焊电源外特性形状的依据。清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University“焊接电弧焊接电弧弧焊电源弧焊电源”系统稳定工作条件系统稳定工作条件清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University燃弧过程对弧焊电源的要求燃弧过程对弧焊电源的要求?弧焊电源的空载电压弧焊电源的空载电压?弧焊电源的短路电流弧焊电源的短路电流?弧焊电源的静态特性弧焊电源的静态特性?弧焊电源的动态品质弧焊电源的动态品质清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University现代电力电子技术（现代电力电子技术（Power ElectronicsPower Electronics）发）发展推动了焊接设备特别是弧焊电源的进步展推动了焊接设备特别是弧焊电源的进步?整流二极管、功率三极管、普通相控型可控硅整流二极管、功率三极管、普通相控型可控硅?快速晶闸管、快速晶闸管、GTO GTO、GTRGTR、MOSFETMOSFET、IGBTIGBT?IPMIPM、MCTMCT、高压、高压ICIC 等等清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University直流弧焊电源发展历程直流弧焊电源发展历程?旋转式直流弧焊发电机旋转式直流弧焊发电机?硅整流、可控硅整流弧焊电源硅整流、可控硅整流弧焊电源?晶体管模拟式、开关式弧焊电源晶体管模拟式、开关式弧焊电源?晶闸管、晶闸管、MOSFETMOSFET、IGBTIGBT逆变式弧焊电源逆变式弧焊电源清华大学 机械工程系Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University谢谢谢谢谢谢!