焊接工艺学习题解答

第一章

1、解释下列名词：焊接电弧、热电离、场致电离、光电离、热发射、场致发射、光发射、粒子碰撞发射、热阴极型电极、冷阴极型电极。 焊接电弧：由焊接电源提供能量，在具有一定电压的两电极之间或电极与母材之间的气体介质中产生的强烈而持久的放电现象。

热电离：气体粒子受热的作用而产生电离的过程。

场致电离：在两电极间的电场作用下，气体中的带电粒子的运动被加速，最终与中性粒子发生非弹性碰撞而产生电离。

光电离：中性粒子受到光辐射的作用而产生的电离过程。

热发射：固态或者液态物质（金属）表面受热后其中的某些电子具有大于逸出功的动能而逸出表面的现象。

场致发射：当固态或者液态物质（金属）表面空间存在强电场时，会使阴极较多的电子在电场的作用下获得足够的能量而克服电荷之间的静电吸引而发射出表面。

光发射：当固态或者液态物质（金属）表面接受光射线的辐射能量时，电极表面的自由电子能量增加最后飞出电极表面的现象。

粒子碰撞发射：当高速运动的粒子（电子或正离子）会碰撞金属电极表面，将能量传给电极表面的电子，使电子能量增加并飞出电极表面的现象。

冷阴极型电极：当使用钢，铜，铝等材料作为阴极时，其熔点和沸点都较低，阴极温度不可能很高，热发射不能提供足够的电子，这种电弧称为“冷阴极电弧”，电极称为“冷阴极型电极”。

热阴极型电极：当使用钨，碳等材料作阴极时，其熔点和沸点都较高，阴极可以被加热到很高的温度，电弧阴极区的电子可以主要依靠阴极热发射来提供，这种电弧称为“热阴极电弧”，电极称为“热阴极型电极”。 2、试述电弧中带电粒子的产生方式。

答：电弧中的带电粒子指的是电子、正离子和负离子。赖以引燃电弧和维持电弧燃烧的带电粒子是电子和正离子，这两种带电粒子的产生主要依靠电弧中的气体介质的电离和电极的电子发射两个过程。

气体的电离形式有：热电离，场致电离和光电离。

电子发射方式有：热发射 场致发射 光发射 粒子碰撞发射 3、焊接电弧由哪几个区域组成？试述各区域的导电机构。

（1）焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三部分组成。 （2）阴极区的导电机构有以下三类：

A 热发射型——当采用W、C等热阴极型材料作为阴极，而且流过大电流时能发生热发散性导电。

B 场致发射型——当采用Cu、Fe、Al等冷阴极型材料作为阴极，或采用W、C等热阴极型材料作为阴极但电流比较小时，主要发生场致发射型导电。

C 等离子型——低气压钨极氩弧焊或使用冷阴极、小电流时容易产生的一种导电机构。

阳极区的导电机构——阳极区主要接受来自弧柱的电子流，同时，还要向弧柱区发射正离子流。根据电弧电流密度的大小，阳极区可以通过两种方式提供正离子。 A 场致电离——电流密度较小时 B 热电离——电流密度较大

4、何谓最小电压原理？

答：在电流和周围条件一定的情况下，稳定燃烧的电弧将自动选择一适当的断面，以保

证电弧的电场强度具有最小的数值，即在固定弧长上的电压最小。这意味着电弧总是保持最小的能量消耗。

5、什么是焊接电弧静特性？各种电弧方法的电弧静特性有什么特点？

答：指在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧时，焊接电流与电弧

电压变化的关系，也称伏-特性。

不同焊接工艺采用的电弧静特性段 TIG（等离子弧焊） MIG/MAG 埋弧焊 CO2气体保护焊 下降段 水平段 √ 上升段 √ (电流大时) √ √ √ √ 6、什么是焊接电流动特性？为什么交流电弧和电流变动的直流电弧的动特性呈回线特征？

答：焊接电弧动特性是对于一定弧长的电弧，当电弧电流发生连续快速变化时，电弧电压与电流瞬时值之间的关系。由于热惯性对电离度的影响，焊接电弧的动特性曲线不同于静特性曲线特性。当电流快速减小时，电弧温度高（电弧电离度较高），只需要较小的电弧电压就能满足需要，导致电弧电压低于静态值，伏安特性曲线低于静特性曲线。而当电流快速增加时，电弧温度低，需要电压的额外增加保证电流的增加，电弧电压高于静态值，伏安特性曲线高于静特性曲线。因此会呈现出回线特性。

８、焊接电弧能产生哪些电弧力？说明它们的产生原因以及影响焊接电弧力的因素。

答：①电磁收缩力 等离子流力 斑点压力 ②产生原因： 电磁收缩力：焊接电弧可以看成是由许多平行的电流线组成的导体。这些电流线之间也将产生相互吸引，使导体断面产生收缩趋势。

等离子流力：由于焊接电弧呈圆锥状，使得靠近电极处的电磁收缩力大，靠近焊件处的电磁收缩力小，因而形成沿弧柱轴线的推力。在推力作用下较小截面处的高温气体离子向焊件方向流动，同时在电极上方有不断补充的新气体进入电弧区，并加热和强烈电离，产生压力作用。

斑点压力：⑴正离子和电子对电极的撞击力:电弧焊时，阴极受到正离子的撞击，阳极受到电子的撞击。⑵电磁收缩力：当电极上形成熔滴并出现斑点时，电弧空间和熔滴中的电流线都在斑点处集中，由于电磁收缩力的方向都是由小断面指向大断面，故在斑点处产生向上的电磁力。⑶电极材料蒸发产生的反作用力：斑点上的电流密度很高，使得这个部位的温度很高，因此产生强烈的蒸发，使得金属蒸汽以一定的速度从斑点处发射出去，同时给斑点施加一个反作用力。

③影响焊接电弧的因素：焊接电流和电弧电压，焊丝直径，电极的极性，气体介质，钨极端部的几何形状，电流的脉动等。 9、试述影响焊接电弧稳定的因素。

答：①焊接电源：焊接电源的空载电压越高，电弧越稳定； ②焊接电流和电弧电压：大电流，小电压电弧更稳定；

③电流的种类和极性：直流最稳定，脉冲直流次之，交流电弧稳定性最差； ④焊条药皮和焊剂：含有较多电离能低的元素或化合物可以提高电弧稳定性； ⑤磁偏吹

⑥焊件上的铁锈，水分，油污

第二章

１、熔化极电弧焊中，焊丝熔化的热源有哪些？

答：焊丝熔化主要靠阴极区或阳极区所产生的电弧热（主要作用）和焊丝自身的电阻热（预热作用），弧柱区辐射热次要。

２、影响焊丝熔化速度的因素有哪些？是如何影响的？

答：⑴焊接电流的影响：焊接电流增加，焊丝熔化速度加快。⑵电弧电压的影响：电弧电压高时，熔化速度不受电压的影响；电弧电压小时（弧长短），散热少，热效率高，熔化速度相等时需要的电流小。⑶焊丝直径的影响：直径越细焊丝熔化速度越快。⑷焊丝伸出长度的影响：长度越长熔化速度越快。⑸焊丝材料的影响：焊丝材料不同，电阻率也会不同，所产生的电阻热就不同，因而对熔化速度影响也不同。同时材料不同还会引起焊丝熔化系数不同。⑹气体介质及焊丝极性的影响：焊丝为阴极（正接）时，气体介质的成分将直接影响焊丝熔化速度。焊丝为阴极（正接）时的融化速度总是大于焊丝为阳极（反接）时的熔化速度，并随混合气体比例不同而变化；焊丝为阳极时焊丝熔化速度基本不变。

3﹑ 熔滴在形成与过渡过程中受到哪些力的作用？

答：重力、表面张力、电磁收缩力（等离子流力、斑点压力、电弧静压力、电弧动压力）、爆破力、电弧气体吹力等。

4、 熔滴过渡有哪些常见的形式？各有什么特点？

答：⑴.自由过渡： ①.滴状过渡：

Ⅰ. 粗滴过渡：电流较小而电弧电压较高，熔滴存在时间长，尺寸大，飞溅大，电弧

的稳定性及焊缝质量都较差。

Ⅱ. 细滴过渡：电流较大，电压高，飞溅少，电弧稳定，焊缝成形较好。 Ⅲ.排斥过渡：电压高，电流小，飞溅大，电弧的稳定性及焊缝质量都较差 ②.喷射过渡： Ⅰ. 射滴过渡； Ⅱ.亚射流过渡； Ⅲ.旋转射流过渡； Ⅳ.射流过渡。

喷射过渡特点：喷射过渡时，熔滴速度高，过渡频率快，飞溅少，电弧稳定，热量集中，对焊件的穿透力强。焊缝中心部位熔深大，适合焊接厚度较大（δ＞3mm）的焊件，不适宜焊接薄板。③爆炸过渡。 ⑵.接触过渡：

①.短路过渡：细丝、短弧、小电流，燃弧和短路交替进行，平均电流小，峰值电流大，电流密度大，焊接速度快，焊件质量高，过程稳定，飞溅大 ②.搭桥过渡

⑶.渣壁过渡：熔化的液态金属沿渣壁或套筒落入熔池。 5、 解释：熔敷效率、熔敷系数和损失率。

答：熔敷效率：过渡到焊缝中的金属质量与使用的焊丝（条）金属质量之比叫做熔敷效率。

熔敷系数：单位电流，单位时间内，焊芯（或焊丝）熔敷在焊件上的金属量，它标志着焊接过程的生产效率。

损失率：焊丝（条）在焊接时没能过渡到焊缝金属中的质量占焊丝（条）金属质量之比。

第三章

1、解释焊缝成形系数、焊缝熔合比的概念。

答：焊缝成形系数是指焊缝熔宽B和焊缝熔深H之比。

焊缝熔合比是指焊缝截面上熔化母材的面积与焊缝的总面积之比。

2、分析焊缝成形系数的大小对焊接质量的影响规律，说明常用电弧方法的焊缝成形系数的取值范围。

答：焊缝系数是否合理对焊缝质量能产生很大影响。例如，焊缝熔深H是对接接头焊缝很重要的尺寸，它直接影响接头的承载能力。焊缝成形系数φ的大小能影响熔池中气体逸出的难易程度、熔池金属的结晶方向、焊缝金属中心偏析程度等，因而对焊缝产生裂纹和气孔的敏感性、熔池的冶金条件等均能产生影响。在能保证焊缝充分熔透的情况下，较小的焊缝成形系数φ，可以缩小焊缝宽度方向的无效加热范围，进而可以提高热效率及减小热影响区。但过小的焊缝成形系数φ，使焊缝截面过窄，熔池中的气体不易逸出，在焊缝中容易产生气孔，结晶条件也恶化，加大焊缝中产生夹渣及裂纹的倾向。不同的焊接方法对焊缝成形系数的要求不同。实际焊接时，在保证焊透的前提下要求匹配合适的φ值。对于常用的电弧焊方法，一般取1.3~2；堆焊时，为了保证堆焊层的成分和高的堆焊生产率，要求熔深浅，焊缝宽度大，成形系数可达10。

３、分析电弧集中系数k、工件表面电弧轴线上的比热流值qm两个参数的大小对焊缝成形的影响规律，说明电弧弧长、焊接电流等参数对比热流分布的影响情况。

答：电弧集中系数k越大，则分布半径ra越小。在热输入功率P一定时，电弧集中系数k越大，则qm越大。

电弧弧长对比热流分布的影响：电弧长度增加时，电弧电压增加，电弧功率及阳极功率也增加，电弧输入焊件的热量也增加。但是，由于弧长增加导致散热增加，所以电弧的热效率减小，故热输入功率增加值较小;同时焊件表面的加热斑点面积扩大，ra增大，即电弧集中系数k减小，所以比热流qm减小。

焊接电流对比热流的影响：电弧电流增加时，电弧功率及阳极功率增加，热输入功率增加，qm有所增大；同时弧柱也扩张，分布半径ra增大，但电弧集中系数k有所减小。 ４、分析熔池所受的力及其对焊缝成形的影响规律。

答：①重力。水平位置焊接时，熔池金属的重力有利于熔池的稳定性；空间位置焊时，

熔池的重力可能破坏熔池的稳定性，使焊缝成形变坏。

②表面张力。表面张力将阻止熔池金属在电弧力或熔池金属重力作用下的流动， ③焊接电弧力。促使熔池金属流动，在熔池中心形成漩涡现象。金属流动时，由于熔池中心的高温金属能把热量带向熔池底部，因而会使熔深加大。电弧静压力作用于熔池液体表面，使熔池形成下凹的形态。当电弧动压力比较明显时，也对焊缝形成较大的影响。 ④熔滴的冲击力。富氩气体保护熔化极电弧焊射流过渡时，焊丝前端融化金属以较小的熔滴及很高的速度沿焊丝轴向冲向熔池，对熔池形成较大的冲击力，因此也容易形成指状熔深。

５、分析焊接参数和工艺因素对焊缝成形的影响。

答：⑴焊接参数对焊缝成形的影响：

①焊接电流对焊缝成形的影响。在其他条件一定的情况下，随着电弧焊接电流的增大，焊缝的熔深和余高均增加，熔宽略有增加。由于随着电弧焊接电流的增加，作用在焊件上的电弧力增加，电弧对焊件的热输入也增加，热源位置下移，有利于热量向熔深风向传导，使熔深增大;电弧焊的焊芯或焊丝的融化速度与焊接电流成正比，由于电弧焊的焊接电流增加导致焊丝融化速度增加，焊丝融化量近似成比例的增多，而熔宽增加

减少，所以焊缝余高增大；焊接电流增加后，弧柱直径增大，但是随着电弧潜入工件的深度增大，电弧斑点移动范围受到限制，因而熔宽的增加量较小。

②电弧电压对焊缝成形的影响。在其他条件一定的情况下，提高电弧电压，电弧功率相应增加，焊件输入的热量有所增加。但是电弧电压增加时通过增加电弧长实现的，电弧长度增加使得电弧热源半径增加，电弧散热增加，输入焊件的能量密度减小，因而熔深略有减小而熔宽增大。同时，由于焊接电流不变，焊丝的熔化量基本不变，使得焊缝余高减小。

③焊接速度对焊缝成形的影响。在其他条件一定的情况下，提高焊接速度会导致焊接热输入减少，从而焊缝熔宽和熔深都减小。由于单位长度焊缝上的焊丝金属熔敷量与焊接速度成反比，所以也导致焊缝余高也减小。 ⑵工艺因素对焊缝成形的影响：

①坡口及间隙。在其他条件一定时，坡口或间隙的尺寸越大，所焊出的焊缝的余高越小。

②电极（焊丝）倾角。焊丝前倾时，电弧力对熔池金属向后排出的作用力减弱，熔池底部的液体金属层变厚，熔深减小，电弧潜入焊件的深度减小，电弧斑点移动范围扩大，熔宽增大，余高减小。焊丝后倾，相反。 ③焊件倾角。上坡焊时，重力有助于熔池金属排向熔池尾部，因而熔深大，熔宽窄，余高大。下坡焊时，熔深减小，熔宽增大，余高减小。

④焊件材质和厚度 。在焊接电流等其他条件一定的情况下，熔深和熔宽都减小。材料的密度或液体的粘度增大，则电弧对液体金属的排开越困难，熔深也越浅。焊件的厚度影响焊件内部热量的传导，在其他条件一定时，焊件厚度增加，散热增加，熔宽和熔深都减小。

⑤焊剂、焊接药皮和保护气体。当焊剂密度小、颗粒度大或堆积高度小时，电弧四周压力低，弧柱膨胀，电弧斑点移动范围大，所以熔深较小，熔宽较大，余高小。用大功率电弧焊焊接厚件时，用浮石状焊剂可降低电弧电压，减小熔深，增大熔宽。焊接熔渣应有合适的粘度和熔化温度，粘度过高和熔化温度过高使熔渣透气不良，容易在焊缝表面形成很多压坑，焊缝表面成形变差。

６、焊缝成形缺陷有哪些？说明焊缝成形缺陷的防止措施。

答：焊缝形成缺陷主要有未融合、未焊透、烧穿、塌陷、咬边、焊瘤、气孔、夹渣等。

未熔合和未焊透 为了防止这种焊接缺陷，应选择合适的焊接参数及焊接热输入量，设计合适的焊接坡口形式及装配间隙，确保焊丝对准焊缝中心进行正确的施焊过程。

烧穿 为防止这种缺陷应控制好焊接电流和焊接速度，使焊接电流不过大，焊接速度不过小。

咬边 为防止这种现象应控制好焊接速度，不应太大。横焊或角位置焊时，控制焊接电流，焊接电压，角度适宜。

焊瘤 为防止这种缺陷应选用合适的焊接电流及焊接速度，采用合适的焊条角度及焊接位置。

第四章

4、试述当电弧长度变化时电弧自身调节系统的调节过程，以及影响调节精度、调节灵敏度的因素。

答：当焊接电弧稳定燃烧时，此时，电弧能同时满足电源与电弧系统的稳定条件和焊丝送进与焊丝熔化的平衡条件。

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