手工电弧焊.doc

手工电弧焊
手工电弧焊是融化焊中基本的一种焊接方法。
手工电弧焊按电极材料的不同可分为融化极手工电弧焊和非融化极手工电弧焊（如手工钨极焊）两种。
融化极手工电弧焊（简称手弧焊）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两个电极，利用焊条与焊件之间产生的电弧热量融化焊件金属，冷却后形成焊缝。
手弧焊使用的设备简单，操作方便，灵活，适用于各种条件下的焊接特别是用于结构形状复杂，零件小，焊缝短小或弯曲的焊件或各种空间位置的焊缝的焊接，因此，当前手弧焊仍是我国各个工业部门在焊接工作中应用最广泛的焊接方法。
六焊接电弧
电弧具有两个特性，它能放出强烈的光和大量的热，电弧发出的光和热被广泛的应用于工业中，如电弧是所有电弧焊接方法的能源。
目前，电弧焊在焊接方法中其所以占据着主要地位，它的重要原因就是因为电弧能有效而简便地把电能转换成融化焊接过程所需要的热能和机械能。
教学目的：
在教学过程中：为了认识和掌握电弧焊方法，必须弄清电弧的性质，掌握电弧的基础知识，从理论上对电弧的性质及作用进行分析，通过学习，能把焊接电弧知识应用到焊接工作中，从而达到提高焊接质量的目的。
§6—1焊接电弧的引热过程
一焊接电弧的概念
焊接时，将焊条与焊件接触后形成短路，瞬时拉开，在焊条端部和焊件之间立即会产生明亮的电弧。电弧是一种气体放电现象。

我们在日常生活中是经常可以看到气体放电现象，当每次我们切断电源的时候，在闸刀刚刚离开接触处的瞬间，往往会产生明亮的火花，这就是气体放电现象，但它与焊接电弧相比较，焊接电弧不但能量大，而且连续持久。因此可以说：“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在气体介质中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，电流也通不过，电弧就不能自发得产生。
要是气体呈现导电性必须使气体电离。
气体电离后，原来气体中一些中性分子和原子转变为电子，正离子等带电质点，这样电流才能通过气体间隙而形成电弧。

1气体电离：
气体和自然界的一切物质一样，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而成为自由电子，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，由于原子构造不同，其电离电位也不同。
常用元素的电离电位表
元素
钾
钠
钡
钙
钛
锰
铁
氢
氧
氮
氩
氟
氖
氦
电离电位（ev）
4.33
5.11
5.19
6.10
6.80
7.40
7.83
13.5
13.6
14.5
15.7
16.9
21.5
24.5
注：在物理学中，常用电子伏特作为能量单位。Iev的能量就是一个电子在通过电势差等于1v的一段路程上所需要或得到的能量1ev=1.6×10erg
在焊接时，使气体介质电离的这种类主要有热离子，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，当不断与中性粒子相碰撞时，则不断产升电离。如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
阴极金属表面连续地向外发射出电子的现象，称阴极电子发射。
焊接时，气体的电离是产生电弧的重要条件，但如果只有气体电离而阴极不能发射电子，没有电流通过，那么电弧还是不能形成。因此阴极电子发射也和气体电离一样，两者都是电弧产生和维持的必要条件。
一般情况下，电子是不能自由离金属表面向外发射的，要使电子逸出电极金属表面而产生电子发射，就必须加给电子一定的能量。使它克服电极金属内部正电荷对它的静电引力。所加的能量越大，促使阴极产生电子发射作用就越强烈。
电子阴极金属表面所逸出所需要的能量称为逸出功。
电子逸出功的大小与阴极成分有关。
某些元素的电子逸出功
元素名称
电子逸出功
元素名称
电子逸出功
钾
2.26
锰
3.76
钠
2.33
铁
4.18
钙
2.90
碳
4.34
钛
3.92
镁
3.74
铝
4.25
钨
5.36
焊接时，根据阴极所吸收的能量不同，所产生的电子发射有以下几类：热发射，电场发射，撞击发射等。
阴极发射电子后，又从焊接电源获得新的电子。
（1） 热发射：焊接时，阴极表面温度很高，阴极中的电子运动速度很快，当电子的功能大于阴极内部正电荷的吸引力时，电子即冲出阴极表面，产生热发射。温度越高，则热发射作用越强烈。
（2） 电场发射：在强电场的作用下，由于电场对阴极表面电子的吸引力，电子可以获得足够的动能，从阴极表面发射出来。当两电极的电压越高，金属的逸出功小，则电场发射作用越大。
（3） 撞击发射：当运动速度较高，能量较大的正离子撞击阴极表面时，将能传递给阴极而产生电子发射现象，叫做撞击发射。如果电场强度越大，在电场的作用下正离子的运动速度也越快，则产生的撞击发射作用也越强烈。
实际上在焊接时，以下几种电子发射作用常常是同时存在，相互促进的，但在不同条件下，它们所起到的作用可能稍有差异。例如：在引弧过程中，热发射和电场发射起着主要作用，电弧正常燃烧时，如采用熔点较高的材料（钨或碳）作阴极，则热发射作用较显著，若用铜或铝等作阴极时，撞击发射和电场发射就起主要影响，而钢作阴极时，则和热发射，撞击发射，电场发射都有关系。
二焊接电弧的引燃过程
气体电离及阴极电子发射，是电弧燃烧的必要条件。把造成两电极间气体发生电离及阴极电子发射而引起电弧燃烧的过程叫电弧引燃。
电弧的引燃是先将通上焊接电源的焊条末端与焊件表面相接触。然后很快地将焊条拉开至与焊件表面距离3～4mm的间隙，则电弧就在焊条与焊件的间隙燃烧了。焊接时，为什么首先要将焊条与焊件相接触，然后很快拉开至3～4mm电弧才能引燃呢？它的理论依据是什么呢？下面我们针对这个问题来进行分析。
当焊条末端与焊件表面相接触时，焊接回路就发生了短路，这时可使回路电流增大到最大值。

焊接电弧的引热过程
另外，由于电极表面的不平整（图a）因而在接触部分通过的电流密度非常大，根据焦耳·楞次定律（Q=0.24IRT）可以知道由于电流的热作用，使接触部分的金属温度剧烈地升高而融化，甚至部分发生蒸发而变成金属蒸汽（图b）。当很快的提起焊条时，在焊条离开焊件的瞬间（图c）,强大的电流只能从融化金属的细颈通过，由大电流密度而产生的热作用突然增大，使细颈部分液体金属的温度猛烈升高，甚至像“保险丝”气化爆裂那样，使两极液体金属迅速分开（图d）。由于短路时强大电流的热作用及金属蒸汽的存在，促使焊条与焊件的间隙中气体温度增高。在热与电场的作用下，这些高温气体就会发生电离，这样，在焊条与焊件的的气体间隙中就充满了带电粒子，电子及正离子，因此就具备了电弧在这里燃烧的条件，同时当焊条与焊件接触而发生短路时，数值很大的短路电流使电源电压急剧的降低，几乎达到零值。但当焊条提起离开焊件的瞬间，焊接回路中的电流就急剧减小。焊条与焊件之间的电压很快的增高到能满足电弧燃烧所需要的电压值（一般18～24V）。而且在电压恢复的瞬间，由于两极间电场强度很大，于是电场发射电子和两极间气体微粒连续地发出电离和中和的过程，并在电场的作用下，带电粒子各自作定向告诉运动，电弧便引燃起来了。
在焊接过程中，电源电压由短路时的零值增到电弧复燃的电压值所需要的时间称为电压恢复时间。电压恢复时间对于焊接电弧的复燃以及焊接过程中电弧的稳定性具有重大的实际意义。这个时间的长或短，是由弧焊机的特性来决定的。在电弧焊接时，对电压恢复时间要求越短越好，一般不超过0.05s如果电压恢复时间太长，则电弧就不容易引燃及造成焊接过程不稳定。
焊接电弧引燃的顺利与否，还与如下几个因素有关：
焊接电流的强度；电弧中的电离物质；电源的空载电压及特性；
如果焊接电流大，电弧中又存在容易电离的元素，电源的空载电压高时，则电弧的引燃就容易。