05熔化极惰性气体保护电弧焊基础,熔化极电弧焊

熔化极电弧焊

 发布于: 2013/4/27 18:05:39

     熔化极电弧 焊是电弧焊的第二种基本方法。焊接过程上,电极发生熔化,而熔化的液态金属进入熔池中。通过使送丝速度等于熔化速度,焊丝端部与熔池之间的电弧长度可保持不变。     熔化极电弧焊包括手工电弧焊、熔化极气体保护焊、药芯焊丝电弧焊、气电焊和埋弧焊等。     熔化极电弧的主要作用是产生加热焊丝和工件的热量,另外还产生强烈的弧光、噪声和离子轰击作用。离子轰击作用能够去除工件表面的的氧化膜。熔化极电弧(也称金属极电弧)实际上是工件与焊丝端部之间的高温气体的持续放电,具有低电压、大电流的特点。     图6.1示出了熔化的焊丝端部与熔池之间的稳定电弧。焊丝连续送到电弧中,并被电弧热量熔化。熔化的焊丝金属穿过电弧空间进入熔池,凝固后形成焊缝金属。这种复杂的物理现象至今仍未完全研究清楚。

熔化极电弧

     熔化极电弧事实上是焊丝与熔池之间的一段高温导电气休(有时称为等离子体),由受到电、热双重激励的气体原子和电离了的原子组成。其传导的电流在几安培到几百安培之间,可以是直流也可以是交流。而电压降通常在10~50V的范围内。温度大约会6000℃(10000°F)。熔化极电弧通常呈锥形。图6.2示出了电弧的各个区域。

熔化极电弧的各个区域

    在熔化极电弧中,高温等离子体中的气体原子电离成正离子和电子,电子从阴极向阳极运动,而正离子从阳极向阴极运动,采用直流反极性接法(DCEP)时(熔化极电弧焊通常采用的这种接法),电子从工件向焊丝运动,正离子从焊丝向工件运动。电子是电流的主要载体,电子流占电流的绝大多数。传统电流方向是从焊丝指向工件。    沿电弧轴向的电位梯度是不均匀的,根据电位梯度的不同,电弧沿轴向分为三个区域;阳极区弧柱区和阴极区(图6.2)。阳极区和阴极区的长度极短,但电位梯度却比弧大得多。电弧电压是这三个区域的电压之和。电弧热功率的理论值等于焊接电流和电弧电压之积。在电弧区中,还有一个电位降,即焊丝干伸长度上的电位降,该电位降又称为焊丝电阻压降。电流流过伸出导电嘴之外的那段焊丝(干伸长度)时会产生电阻热,该电阻热的大小决定于焊接电流、焊丝成分直径,可利用下式计算:E=I2R,式中,I为焊接电流,R为焊丝干伸长度上的电阻。该电阻热对于焊丝的熔化速度 具有重要的影响。

    焊接电流和电弧电压之间的关系并不是线性关系,图6.3示出了熔化极电弧焊焊接电流与电弧电压之间的关系曲线,即伏安特性曲线。在小电流区域,电弧电压随着电流的增大而降低,曲线的斜率是负的,电弧呈南负阻特性;,在电流较大的区域,电弧电压基本不随电流的变化而变化。通常情况下,焊接电流在可达500A以上。    电弧长度影响电弧电压。可稳定燃烧的最短弧长大约等于焊丝直径,电弧电压最小;而可稳定燃烧的最长弧长大约为最短弧长的5倍,电弧电压最高。弧长过长,电弧不稳定,飞溅大;而弧长断续增大到一定程度时电弧会熄灭。不过,电流越大,可维持的弧长也越长。如果弧长过短,电弧也会熄灭。利用涂药焊条时,可在较大的电流下维持较短的弧长。

    电弧气氛影响电弧电压。图6.4示出了铝合金焊接时不同保护气体对电弧电压的影响。    电弧气氛对电弧电压的这种影响规律也适合于其他金属的焊接。图6.5示出了采用纯氩气、氩 气+5%氧气和氦气焊接时焊接电流和电弧电压之间的关系曲线。通过选择适当的保护气体来提高电弧电压,可提高电弧的温度,增大电弧的携热量,并提高焊丝的熔化速度。但保护气体并不是影响焊丝熔化速度的主要因素。

    焊接质量最好坏和生产率的高低主要取决于熔深能力和焊丝熔化速度这两个因素。图6.6(a)(b)分别示出了熔化极气体保护焊和手工电弧焊的极性接法对热量分配的影响。手工电弧焊各个极区的产热量均受电弧气氛的影响。

    手工电弧焊的电弧气氛取决于焊条药皮的成分,阴极区的产热量是三个区域中最大的。使用E6012焊条进行焊接时,通常采用直流正极性接法(DCEN),焊条为阴极,熔化速度很高,但熔深较浅,使用E6010焊条进行焊接时,通常采用直流反极性接法(DCEP),阴极区的产热大于阳极区产热,工件为阴极,因此熔深大。    利用裸焊条在空气气氛中焊接钢时,阳极区的产热大于阴极区,因此早期的裸焊条焊接总是采用直流正极性接法(DCEN),以保证足够的熔深。采用交流进行焊接时,工件和母材上的产热量是相等的。    熔化极气体保护焊和焊条电弧焊具有类似的特点,一般采用直流正极性接法。只有采用能够促进电子发射作用的活性焊丝时才使用直流正极性接法(DCEN),这种方法在美国很少使用,因为焊丝活性层的有效存储寿命很短。

    图6.7示出了熔化极电弧焊焊丝熔化速度和电弧极性接法之间的关系,采用直流反极性接法(DCEP)时,焊丝的熔化速度小于采用直流正极性接法(DCEN)时。    图6.7(a)为埋弧焊时电弧极性接法对焊丝熔化速度 的影响,图6.7(b)为熔化极气体保护焊时电弧极性接法对焊丝熔化速度的影响,图中示出的曲线是焊丝直径为3/32in的钢焊丝、弧长大约为1/4in(5.4mm)时的情况。采用直流正极性接法时,焊丝的熔化速度比反极性接法最多可提高50%。埋弧焊既可采用直流反极性接法,也可采用直流正极性接法及交流。熔化极气体保护焊一般采用直流反极性接法,直流正极性接法一般不用,仅仅用于药芯焊丝电弧焊。而无论是熔化极气体保护焊还药芯焊丝电弧焊均不采用正弦交流电弧。    焊接电流增大时,焊丝熔化速度增大,这是由于电弧热量或焊丝所在极区之产热随着电流的增大而增大。图6.8示出了熔化极电弧焊电流与焊丝熔化速度的关系。

    电弧的热功率等于焊接电流和电弧电压之积。该热量用于熔化工件和焊丝。另个还使电弧周围的氛、焊枪、喷嘴和导电嘴的温度升高。    熔化速度 是指单位时间内熔化的焊丝重量。而熔敷速度指单位时间内熔敷到焊缝中的焊丝金属重量,不包括熔渣和飞溅损失。熔化速度 的影响因素很多,最重要的因素是焊接电流以及焊丝材料的成分、直径及熔点等。    铝的熔点低、电阻率低,熔化速度 和焊接电流呈线性开关。由于材料的质量取决一起密度,因此利用“Ib(kg)/h”作单位时,高的送丝速度(m/h为单位)并不意味着高的熔化速度。钢的电阻率大、熔点高,熔化速度和电流之间的关系不呈线性。因此,焊丝的速度最好定义为单位时间内熔化的焊丝长度,以“ft(m)/h"为单位。图6.9给出了不同直径的各种焊丝的熔化速度 和电流的关系。    焊丝的直径对熔化速度也有很大的影响。这是由于焊丝直径影响电流密度,电流密度是指单位焊丝横截面积通过的焊接电流。图6.10给出了焊丝直径对电流密度的影响。另外,焊丝直径还影响焊丝干伸长度上的电阻热。在同样的焊接电流下,焊丝直径越小,电流密度越大。而电流越大,熔化速度越快,这就是不同焊丝直径下具有不同熔化速度-电流曲线的原因。另外,焊丝直径还影响熔深。

    焊丝干伸长度也影响熔化速度。这是由于焊丝干伸长度上的电阻热会随着干伸长度的变化而变化。该热量对焊丝有预热作用,干伸长度越大,电阻热越大,预热温度越高,熔化速度越大。图6.11示出了不同焊接电流下干伸长度与熔化速度 之间的关系。

    焊丝干伸长度也影响熔化速度。这是由于焊丝干伸长度上的电阻热会随着干伸长度的变化而变化。该热量对焊丝有预热作用,干伸长度越大,电阻热越大,预热温度越高,熔化速度越大。图6.11示出了不同焊接电流下干伸长度与熔化速度 之间的关系。    焊丝干伸长度上的电阻热很大时,伸长导电嘴之外的焊丝(干伸焊丝)易失去刚性,这种情况下应采用特殊的喷嘴适配器或加长导电嘴。这些装置其实都是进行了绝缘处理的导丝管,电流仍通过导电嘴进入焊丝,但加长部分可保护焊丝沿着正确方向送进。焊丝的预热量过大会显著降低电弧 的熔深能力。干伸焊丝上的电阻热对于药芯焊丝电弧焊是非常有利的,因为其预热作用能使药芯中的水分提前蒸发出来,从而避免氢气进入焊接区。直流正极性接法的自保护药芯焊丝电弧焊通常采用专用喷嘴。    实际焊接过程中要求电弧稳定。对于熔化极电弧焊来说,只有在焊丝熔化速度等于送丝速度 的情况下才能保持电弧稳定。手工电弧焊时焊条的送进速度也要等于其熔化速度 才能保证焊接过程稳定。

    焊丝干伸长度也影响熔化速度。这是由于焊丝干伸长度上的电阻热会随着干伸长度的变化而变化。该热量对焊丝有预热作用,干伸长度越大,电阻热越大,预热温度越高,熔化速度越大。图6.11示出了不同焊接电流下干伸长度与熔化速度 之间的关系。    焊丝干伸长度上的电阻热很大时,伸长导电嘴之外的焊丝(干伸焊丝)易失去刚性,这种情况下应采用特殊的喷嘴适配器或加长导电嘴。这些装置其实都是进行了绝缘处理的导丝管,电流仍通过导电嘴进入焊丝,但加长部分可保护焊丝沿着正确方向送进。焊丝的预热量过大会显著降低电弧 的熔深能力。干伸焊丝上的电阻热对于药芯焊丝电弧焊是非常有利的,因为其预热作用能使药芯中的水分提前蒸发出来,从而避免氢气进入焊接区。直流正极性接法的自保护药芯焊丝电弧焊通常采用专用喷嘴。    实际焊接过程中要求电弧稳定。对于熔化极电弧焊来说,只有在焊丝熔化速度等于送丝速度 的情况下才能保持电弧稳定。手工电弧焊时焊条的送进速度也要等于其熔化速度 才能保证焊接过程稳定。

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