第二篇 机器人焊接技术篇 第一章 焊接基本知识

1.1焊接电弧

1.1.1电弧的产生

焊接时，将焊丝端部与焊件接触后很快拉开，在焊丝端部与焊件之间立即就会产生明亮的电弧，这种电弧与一般电火花在本质上是相同的，是一种气体放电现象，而且是一种自持放电过程。借助这种特殊的气体放电过程，电能转换为热能、机械能和光能。焊接时主要是利用其热能和机械能来达到连接金属的目的。电弧中的带电粒子主要是依靠电弧中的气体介质的电离和电极的电子发射两个物理过程而产生的。

1. 1.1.1电离

在一定的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。使中性粒子失去第一个电子所需要的最低外加能量称为第一电离能，通常以电子伏特（eV）为单位。若以伏特表示则为电离电位。不同的气体或元素，由于原子的构造不同，其电离电位也不同，表1.1为常用元素的电离电位。

表1.1常用元素的电离电位 元素 电离电压（V） 元素 电离电压（V） H W 13·5 8·0 He H2 24· 5 15· 4 Li C2 12 5·4 C N2 15· 5 11· 3 N O2 12·2 14·5 O Cl2 13 13· 5 F CO 14· 1 17·4 Na NO 9·5 5· 1 Ar OH 13· 8 15·7 K H2O 12·6 4· 3 Ca CO2 13· 7 6·1 Ni NO2 11 7· 6 Cr Al 5· 96 7·7 Mo Mg 7·61 7· 4 Cs Ti 6· 81 Fe Cu 3·9 68 7·8 在焊接时使气体介质电离的方式主要有三种：热电离 、碰撞电离和光电离。 热电离：在高温时气体的分子或原子的运动速度很快，它们中间的电子也以高速度运动。由于焊接电弧具有很高的温度（弧柱的温度一般在5000K—30000K的范围），这时电子的高速运动所产生的离心力大于原子核对它的吸引力，电子就脱离原子，而使原子变成阳离子和电子。温度越高，热电离作用就越大。

碰撞电离：带电质点受电场的作用而加速运动，使它具有很大的动能，当与中性的气体分子或原子碰撞时，将一部分能量传给气体分子或原子中的电子，促使其内能发生变化，从而使电子脱离原子核的吸引而成为自由电子，原子便成为阳离子。当电弧长度不变，两极间

的电压越高，带电质点的运动速度就越大，产生碰撞电离的作用就越强。

光电离：中性粒子接受光辐射的作用而产生的电离现象称为光电离。光电离是电弧中产生带电粒子的一个次要途径。

1. 1.1.2电子发射

电弧中担负导电任务的带电粒子除了依靠上述电离过程产生外，还需要从电极表面发射出来。只有从阴极表面发射的电子在电场作用下才可能参与导电过程。使一个电子由金属表面飞出所需要的最低外加能量称为逸出功，单位是电子伏特（eV），由于e是一常数，所以常用V来表示。几种金属的逸出功列于表1.2。由表2可见, 所有金属当表面存在氧化物时其逸出功皆减小。

表1.2几种金属的逸出功

W Fe Al Cu K Ca Mg 金属种类 4.54 4.48 4.25 4.36 2.02 2.12 3.78 逸出功 纯金属 （eV） 3.92 3.9 3.85 0.46 1.8 3.31 有氧化物

焊接时，根据阴极所吸收能量的性质不同，电子发射的方式可分为热电子发射、场致电子发射和碰撞电子发射。

热电子发射：焊接时，阴极表面温度很高，阴极中的电子运动速度很快，当电子的动能大于电极内部正电荷的吸引时，电子就会冲出阴极表面，而产生热电子发射作用。温度越高，热电子发射作用越强烈。

场致电子发射：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。这种发射电子的情况除了决定于电极外还决定于电场强度。

碰撞电子发射：当运动速度较高，能量较大的阳离子撞击阴极表面时，将能量传给阴极而产生电子发射。电场强度越大，阳离子的运动速度也越大，则产生的碰撞电子发射作用就越强。

1.1.2电弧的构造和温度

焊接电弧可以划分为三个区域：阴极区、阳极区和弧柱区（图1.1）。阴极区和阳极区在电弧长度方向的尺寸皆很小, 约为10-4—10-6厘米。在阴极区的阴极表面有一个明亮部分, 称为阴极斑点。在阳极区的阳极表面也有一个明亮部分称为阳极斑点。

图1.1 焊接电弧的构造

阴极区：为了维持电弧的稳定燃烧，阴极区的任务是向弧柱区提供所需的电子流(Ie=0.999I，I为总电流)，接受弧柱区送来的正离子流（Ii=0.001I）。从阴极发射出来的电子受到阳极的吸引，很快离开阴极向阳极移动。但阳离子的质量比电子大，运动速度较小，所以在阴极表面每一瞬间阳离子的浓度都比电子大得多，这样就使得阴极表面附近所有阳离子的总数大大超过所有电子的总数，因而造成阴极表面附近空间电荷呈正电性。这样从阴极表面到阳离子密集的地方就形成较大的电位差，这部分电位差称为阴极压降UK。

虽然阳离子飞向阴极时，对阴极的撞击和阳离子与电子结合成中性粒子都要放出热量，这些热量传给阴极，使阴极温度升高。但由于阴极发射电子要消耗一些能量，以及阴极金属材料的熔化、蒸发要吸收很多热量，所以阴极的温度一般都低于阴极金属材料的沸点。

阳极区：阳极区的导电机构要比阴极区简单得多，为了维持电弧的导电，阳极区的任务是接受由弧柱流过来的0.999I的电子流和向弧柱提供的0.001I的正离子流。由于阳极不发射正离子，弧柱所要求的正离子流不能从阳极得到补充，阳极前面的电子数必将大于正离子数，形成负的空间电场，使阳极与弧柱之间连接着一个负电性区，这就是所谓的阳极区。阳极区两端的电压降称为阳极压降UA。由于每一个电子到达阳极时都向阳极释放相当于逸出功的能量，从而使阳极区的温度比阴极区的温度要高，如表1.3所示。

表1.3阳极区和阴极区的温度及电压降 电极材料 材料沸点 阴极区 阳极区 （℃） 温度（K） 电压降（V） 温度（K） 电压降（V） Fe 2880 2400 2600 8──12 2──4 Cu 2595 2200 2450 12──13 10──11 W 6000 3640 4250

阴极斑点：当阴极材料（Fe、Al、Cu等）的熔点和沸点较低而导热性能很强时，即使阴极温度达到材料的沸点开始蒸发，此温度也不足以使阴极通过热发射产生充分的电子来维持电弧的稳定燃烧，阴极将缩小其导电面积，甚至在阴极导电面积前面形成密度很大的正离子空间电荷，所形成很大的阴极压降值，足以产生较强的电场发射，以补充热发射的不足维持电弧的燃烧。此时阴极将形成面积更小，电流密度更大的斑点来导通电流，这种导电斑点称为阴极斑点。当用高熔点材料（C，W）作阴极时，只有在电流较小，阴极温度较低的情况下才可能产生这种阴极斑点。当用低熔点材料作阴极时，则大多属于这种情况。采用这些材料作阴极时，阴极表面将产生许多分离的阴极斑点组成的阴极斑点区。这些分离的斑点在阴极斑点区内以很高的速度跳动，自动选择最有利于部分电场发射和部分热发射的点，电弧通过这些点消耗最低的能量。由于阴极斑点处电流密度很高，受到大量正离子的撞击，斑点上将积聚大量热能，温度很高，甚至达到材料的沸点，从阴极斑点产生大量金属蒸汽，以一定速度射出。这种金属蒸气流的反作用力对斑点形成一定的压力，称为斑点压力。在直流正接的熔化极焊接时，焊丝为阴极，阴极斑点压力对熔滴的过度将起阻碍作用。

由于阴极斑点的形成有上述条件的要求，所以阴极表面上的热发射性能强的物质有吸引电弧的作用，阴极斑点有自动跳向温度高，热发射强的物质上的性能，如果金属表面有低逸出功的氧化膜存在时，阴极斑点有自动寻找氧化膜的倾向，铝合金焊接时的去除氧化膜的作用就是阴极斑点的这种作用所决定的。

阳极斑点：当采用低熔点的材料作阳极时（Fe、Al、Cu等），一旦阳极表面某处有熔化和蒸发产生，由于金属蒸气的电离能大大低于一般气体的电离能，在金属蒸气大量存在的地方更容易产生热电离而提供弧柱所需要的正离子流，因此电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点。

由于阴极斑点往往伴随着金属蒸气的蒸发，其反作用力对阳极将表现为压力，因此一旦形成阳极斑点也就产生阳极斑点压力。由于条件的不同，阳极斑点的电流密度比阴极斑点要小。所以通常阳极斑点压力要比阴极斑点压力小。熔化极焊接焊丝接阳极时，则阻止熔滴过渡的作用力较小，而当焊丝接阴极时则阻止熔滴过渡的作用力较大，这也是熔化极气体保护焊多采用反接的主要原因之一。由于大多数金属氧化物的熔点和沸点皆高于纯金属，因此当金属表面覆盖氧化膜时，阳极斑点有自动寻找纯金属避开氧化膜的倾向（与阳极斑点的情况相反），铝合金焊接时，当工件为阳极时没有去除氧化膜的作用与阳极斑点的这种特点有密切的关系。

1.1.3电弧的静特性

电弧燃烧时，两个电极之间的总电压与电流之间存在一定的关系，表示电弧稳态电压与稳态电流之间关系的曲线称为电弧静特性，表示处于变化状态的电流与电压之间关系的曲线称为电弧动特性。

图1.2 焊接电弧的静特性曲线

电弧静特性曲线呈U形，分如图1.2所示的三个不同的区域。当电流较小时（A区），电弧静特性是属负特性，即随着电流的增加而电压减小。当电流稍大时（B区），电弧电压几乎不变，在此区间的电弧特性为平特性。钨极氩弧焊时，一般在小电流区域为负特性而在大电流区域为平特性。当电流进一步增大时（C区），电压随电流的增加而升高，电弧静特性属上升特性。细焊丝的熔化极气体保护焊时，一般电流密度皆较大，其电弧静特性皆为上升特性。

影响电弧静特性的因素主要有：电弧长度、周围气体种类及气体介质的压力。当电流一定时，电弧长度增加，电弧电压将随着升高，电弧静特性的位置将提高。气体种类对电弧静特性的影响主要有两方面的原因：一是气体的电离能不同；二是气体的热物理性能不同。其中第二个原因往往是主要的。气体的导热系数，气体的解离及解离能等对电弧电压都有决定性的影响。导热系数大和气体解离时要吸收大量热量，都会加强对电弧的冷却作用，热损失增加，要求较大的IE与之平衡，当I为定值时，E必然要增加，从而使电弧电压升高。其他参数不变时，气体压力的增加意味着气体粒子密度的增加，气体粒子通过散乱运动从电弧带走的总热量将增加，电弧电压将升高。

1.2熔滴过渡及焊缝成形

1.2.1焊丝的熔化

在熔化极电弧焊中，焊丝的稳定熔化并过渡到焊接熔池是影响电弧焊生产率和焊缝质量的一个重要因素。焊丝的熔化主要靠阴极区(正接）或阳极区(反接)所产生的热，而弧柱的幅射热居次要地位。除了焊丝端头处产热外，从焊丝与导电嘴的接触点到电弧端头的一段焊丝上(焊丝的干伸长LS)有焊接电流流过，也将产生电阻热，这也是焊丝熔化的一部分热源。 阴极区与阳极区的产热情况是不同的，可分别用下式表示: PA=I(UA+UW+UT) PK=I(UK-UW-UT)

其中 UA—阳极压降 UW—逸出功 UT—弧柱温度的等效电压 UK—阴极压降

很明显，焊丝端部的产热都与焊接电流成正比，它的比例常数等于式中括弧内的数值，称为焊丝熔化的等效电压，用UW表示,焊丝熔化的等效电压主要与极性、电极材料和保护介质等有关。

焊丝干伸长部分产生的电阻热为：

式中RS—LS段电阻值 ?— 焊丝的电阻率 LS—焊丝干伸长 S—焊丝横断面积 电阻热与材料种类有关。对于导电良好的铝和铜等金属，PR与R或PA相比是很小了，可忽略不计，而对钢和钛等电阻率较大的材料，特别是在细丝大电流时，干伸长越大，PR