焊接切割技术介绍

电弧是由3部分组成，即弧柱区、阴极区和阳极区，如图1所示。

焊接电弧的基本特点：
    （1）维持电弧稳定燃烧的电弧电压很低，只有10～50V。
    （2）在电弧中能通过很大电流，可从几安～几千安。
    （3）电弧具有很高的温度，弧柱温度是不均匀的，中心温度最高，可达到5000～30000K，而远离中心则温度降低。
    （4）电弧能发出很强的光。电弧的光辐射波长为（1.7～50）×10-7m。它包括红外线，可见光和紫外线3个部分。

短路引弧法的原理及提高引弧成功率的方法：
    熔化极气体保护电弧焊都是利用短路引弧法进行引弧，钨极氩弧焊大都采用非接触引弧法，但也有采用短路引弧法。下面以熔化极气体保护焊为例说明短路引弧法的原理。
熔化极气体保护电弧焊引弧时首先送进焊丝，并逐渐接近母材，如图2所示。  

    一旦与母材接触，电源将提供较大的短路电流，利用在A点附近的焊丝爆断，进行引弧。如果在B点爆断，则引弧失败。所以在A点爆断是引弧成功的必要条件。

小电压原理：
    最小电压原理是电弧的一种特性，用以表征电弧的最小能量消耗的性能。大家知道，自由电弧是在两个电极之间的气体放电现象，其导电截面可以自由扩大和缩小，也就是输入电弧的能量等于电弧散出的能量，于是表征电弧特性的各种物理参数，如弧柱直径（D）、弧柱温度（T）和弧柱电场强度（E）等都为确定值，其大小都遵循着能量消耗最小原则。
    最小电压原理是：对一个轴线对称的电弧，在给定的电流和边界条件下，当电弧处于稳定状态时，其弧柱直径（D）或温度（T）应使弧柱电场强度（E）具有最小值。
利用最小电压原理可以解释许多电弧现象，例如当电弧被周围介质强迫冷却时（高速气流或环境温度降低），电弧将自动收缩其断面，使其电流密度升高，电场强度和电弧温度也提高。因为电弧的散热增加，要求电弧产生更多的热量给与补偿。电弧产热为IE，如果电流I不变，则E必定要增加。根据最小电压原理，电弧有自动使E增加到最小限度的倾向，也就是热损失最小的倾向。所以在电弧被冷却时，电弧将自动收缩到某一个直径，这时电弧电场强度E增加得最小。

焊接电弧中存在的作用力及其产生机理：
    焊接电弧是一个热源，同时也是一个力源。电弧产生的机械作用力对焊接质量影响很大。接电弧的作用力统称为电弧力，主要包括电磁力、等离子流力、斑点压力和短路爆破力等。
    由电工学可知，在两根相距不远的平行导线中，通过同方向的电流时，则产生相互吸引的力；反之，通过相反方向的电流时，则产生相互排斥的力。如图6所示。   
    这个力的形成是由于在导体周围空间形成磁场，而两个通电导体又都处于磁场之中，受到磁场力作用，其单位长度导线受力大小与导线中流过的电流乘积成正比，与两导线间的距离成反比。            

                      参数含义如图8所示。

焊接电弧的温度及温度分布：
    焊接电弧是一个不均匀的导体。焊接电弧的温度与其导电机构有关，也与其电流密度分布有关，也就是与能量密度的分布有关；另一方面还与散热条件有关。电弧的温度是产热与散热能量平衡的结果。
    在弧柱部分温度的轴向分布如图19所示。温度分布与电流密度及能量密度分布相对应，但在两极却不同，在两极的能量密度很高，但由于受到电极材料沸点的限制，两个电极的温度较低。表2列出了不同电极材料为阴极和阳极时的温度数据。
表2  各种材料作为阴极与阳极时的温度
         

    可以看出，一般情况下阴极与阳极的温度要低于电极材料的沸点。阳极的温度往往高于阴极的温度。这里铝例外，由于铝表面有氧化膜，对测量温度有影响，所以铝阴极和阳极温度高于铝的沸点。
    弧柱的温度受电极材料、气体介质、电流大小和拘束程度等多种因素的影响。在常压下，当电流由1～1000A变化时，弧柱温度可在5000～30000K之间变化。钨和铜电极与碳和碳电极之间的电弧纵断面等温线如图20所示。可以看到，靠近电极小的一端（靠近焊丝或焊条）电流密度高，则电弧温度也高，而与电极极性无关。
    电弧空间的温度高低，受电弧空间金属蒸气成分的影响很大，图21表明了弧柱温度与金属蒸气电离能的关系。
    如果电弧空间无金属蒸气，由于Ar的电离势较高，电弧空间的电离度较小，则电场强度提高。当电极金属大量蒸发时，由于金属蒸气的电离能显著大于Ar，故电离度增加，则电弧温度降低。电弧周围的气氛是多原子气体，如CO2、O2、H2、H2O和N2等。由于气体解离吸热，也将使电弧温度升高。同样道理，当电弧周围有气流高速流动时，电弧温度将升高；当焊接电流增大时，弧柱温度增加。
 

融化极气体保护电弧焊极性：
    选择极性的原则首先应满足电弧稳定性，其次才是焊丝的熔化系数和焊缝成形等。通常GMAW都采用DCRP。尽管焊丝熔化系数低些，但由于电弧稳定，也就是阳极主要分布在焊丝端头，保证弧长基本不变，从而保证了焊丝熔化和熔滴过渡均匀。反之，采用DCSP接法，焊丝为阴极，这时阴极斑点沿焊丝表面上下跳动，引起电弧十分不稳定和熔滴过渡缺乏规律性。另一方面从焊透情况看，也希望采用DCRP接法。这时焊缝成形好，焊铝时又有阴极清理作用。而DCSP接法时，焊缝余高较大，熔深浅，焊缝成形不良。只有在堆焊工艺时，采用DCSP接法，为的是熔敷速度快。总之，GMAW法焊接时，通常均采用直流反极性（DCRP）。

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