焊接方法与设备-1焊接电弧.ppt

第一章 焊接电弧,电弧的作用的二个：,产力和产热,从简单的焊接系统来看,1-1 电弧的导电机理,一、电弧的放电特点,1-1 电弧的导电机理,1-1 电弧的导电机理,电弧是由两个电极和它们之间的气体空间组成。电弧中的带电粒子主要依靠两电极之间的气体电离和电极发射电子两个物理过程所产生的，同时也伴随着解离、激励、扩散、复合、负离子的产生等过程。,二、电弧中带电粒子的产生,（一）气体的电离 1.电离与激励,1-1 电弧的导电机理,电离：在一定条件下中性气体分子或 原子分离为正离子和电子的现象称为电离。 主要问题：电离、电离能、多级电离、多组分电离、电离与电弧稳定性关系。,1.电离与激励,1-1 电弧的导电机理,激励 当中性粒子接受外来能量的作用还不足以使电子完全脱离气体原子或分子时，但可能使电子从较低的能级转移到较高的能级，这种现象称为激励。表征激励能力用激励电压。 主要问题：激励能、激励与电离关系、激励作用,1.电离与激励,2.能量传递方式,1-1 电弧的导电机理,碰撞传递 粒子之间以相互碰撞传递能量的形式称为碰撞传递。 弹性 E1+E2=E1+E2 (低动能时) 非弹性 E1+E2=E1+E2+E (高动能时) EW激励 发生激励 EW电离 发生电离。 光辐射传递 中性气体粒子可以接受外界以光量子形式所施加的能量，提高其内能并改变其内部结构，使气体粒子被激励或电离。 比较：在电弧燃烧过程中碰撞传递是主要形式,碰撞,1-1 电弧的导电机理,高温下气体粒子受热的作用相互碰撞而产生的电离称为热电离。,3.电离种类,1-1 电弧的导电机理,电离度 影响因素：电离度随温度的升高、压力的减小，电离电压的减少而增加。 实效电离度 解离 电弧中的多原子气体（是由两个以上原子构成的气体原子）在热作用下分解为原子的现象称为解离。热解离属吸热反应。表征能力：解离能。 主要问题：概念、影响因素、与电离关系、作用。,1-1 电弧的导电机理,电场电离 带电粒子从电场中获得能量，通过碰撞而产生的电离过程称为电场作用下的电离。 自由行程 ：两次碰撞之间的路程长度。 当某一气体中同时存在中性粒子、离子和电子时，在一定温度和压力下它们的自由行程分别为：,1-1 电弧的导电机理,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。 总结：热电离是弧柱部分产生带电粒子的最主要途径；在普通电弧中，弧柱因E一般 为10V/cm左右，较小，故热电离是主要形式。而阴极和阳极区因E约为105107v/cm，电场作用的电离才显著；可见光几乎对所有气体都不能直接引起光电离。电弧弧光可直接对K,Na,Ca,AL等金属产生光电离。,1-1 电弧的导电机理,（二）电极发射电子 金属表面接受一定的外加能量，自由电子冲破金属表面的约束而飞到电弧空间的现象。,1-1 电弧的导电机理,1.热发射 热发射：金属表面承受热作用而产生的电子发射现象。 热阴极-W、C 电极的最高温度不能超过沸点； 冷阴极-Fe,Cu,Al,Mg.等。 影响因素：温度、材质、表面形态,1-1 电弧的导电机理,2.电场发射 当金属表面空间存在一定强度的正电场时，金属内的自由电子受此电场静电库伦力的作用，当此力达到一定程度时，电子可飞出金属表面，这种现象称电场发射。 对低沸点材料，电场发射对阴极区提供带电粒子起重要作用。 影响因素：温度、材质、电场大小,1-1 电弧的导电机理,3.光发射 当金属表面接受光辐射时，也可使金属表面自由电子能量增加，冲破金属表面的约束飞到金属外面来，这种现象称为光发射。 he Uw ，K,Na,Ca在可见光。光发射在阴极发射中起次要作用。 4.粒子碰撞发射 高速运动的粒子（电子或离子）碰撞金属表面时，将能量传给金属表面的自由电子，使其能量增加而跑出金属表面，这种现象称为粒子碰撞发射。 在一定条件下，粒子碰撞发射是电弧阴极区提供导电所需电子的主要途径。,1-1 电弧的导电机理,（三）带电粒子的消失,1-1 电弧的导电机理,1.负离子形成 在一定条件下，有些中性原子或分子能吸附一个电子而形成负离子，形成过程中放出热量。表征形成负离子的能力，用电子亲和能表示，常见元素的亲和能见P17表1-7，从表中可看到，电弧中卤族元素，氧的亲和能大。亲和能大，电弧气氛中形成的负离子就多，电弧的导电能力就差。负离子形成一般发生在电弧的外围温度低的区域，中性原子或分子捕获运动动能较低的电子。 主要问题：亲和能、影响因素、作用。,1-1 电弧的导电机理,2.扩散 带电粒子由密度高向密度低的地方移动，并趋向密度均匀化，这种现象称为带电粒子的扩散现象。 3.复合 电弧空间的正负带电粒子（正离子、负离子、电子），在一定条件下相遇而互相结合成中性粒子的过程称为复合，放热反应。,1-1 电弧的导电机理,复合条件 在电弧中心部分由于温度较高，所有粒子的热运动能量很高，不可能产生复合。在电弧周边由于粒子温度较低，动能较小，由于扩散作用而存在一部分电子和负离子，如果这里有正离子扩散出来，就可能产生正负粒子的复合过程。交流电弧时，电流过零的瞬时，电弧熄灭，电弧空闪温度显著降低，也将大量产生正负粒子的复合。,1-1 电弧的导电机理,三、电弧各区域的导电机构 （一）电弧的组成区域 阴极区 10-410-6cm 弧柱区 阳极区 10-210-3cm （二）弧柱的导电机构 弧柱温度500050000K热电离 电子质量小，在同样 eE作用下，速度高，载流能力强，99.9%，电中性I=0.999Ie+0.001Ii，负离子流可忽略。,1-1 电弧的导电机理,（三）阴极区的导电机构 任务：向弧柱提供0.999Ie ,接受0.001II。 阴极区的形成：阴极发射Iec Ie柱（ 0.999I），则在阴极附近形成正电荷集积。,1-1 电弧的导电机理,1.热发射型导电机构 热阴极大电流，热发射使得Iec=0.999Ie , 则Uk可以很小，甚至为0。 2.电场发射型导电机构 热阴极小电流，这时靠热发射Iec0.999Ie 冷阴极产生较大的Uk 。,1-1 电弧的导电机理,3.等离子型导电机构 热阴极小电流 辉光放电 冷阴极 Iec0,IicI,1-1 电弧的导电机理,（四）阳极区的导电机构 任务：向弧柱提供0.001I=Ii,接收0.999I的电子 阳极区形成：阳极只能接收电子,一般不能发射阳离子，使得在导电过程中在阳极附近（10-210-3cm）出现电子堆积，UA。,1-1 电弧的导电机理,1.阳极区电场作用下的电离 热阴极小电流 辉光放电 冷阴极 Iec0,IicI 2.阳极区热电离 电流密度大，阳极温度高，阳极发生蒸发，在阳极附近产生热电离提供0.001I的阳离子和0.001I的电子流，这时UA0。,1-1 电弧的导电机理,（五）斑点导电机构 1.阴极斑点 阴极通过微小的斑点发射电子，这些斑点上的电流密度很高，称为阴极斑点。电流密度：5105107A/cm 2。 形成条件：阴极上存在热发射和电场收射能力较高的微区 在这些微区导电电弧消耗能量最小 形成阴极斑点的条件决定了焊接过程中一些现象的产生，即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、热收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。,阴极斑点 阳极斑点,斑点导电,1-1 电弧的导电机理,2.阳极斑点 阳极上通过微小斑点传导电流，这些斑点电流密度高，斑点区域产生金属的蒸发。电流密度为102103A/cm 2 。 ：阳极上某些点产生金属的蒸发。 电弧通过这些点可使弧柱消耗的能量最少。 由于阳极斑点的形成条件之一是金属的蒸发，因此金属表面覆盖氧化膜时，同阴极斑点的情况相反，阳极斑点则有避开氧化膜而去自动寻找纯金属表面的倾向。,形成条件,1-1 电弧的导电机理,四、最小电压原理 最小电压原理：对一个与轴线对称的电弧，在电流一定，周围条件一定时，处于稳定燃烧状态的电弧，其弧柱直径（D）或温度（T）应使弧柱的电场强度（E）具有最小值。最小电压原理说明了电弧在稳定燃烧时，电弧的形态与其物理参数之间的关系，同时也给出了在电流值保持一定，与其周围条件发生变化时电弧状态和物理参数发生变化的趋向。,阴极斑点跳动,1-2 电弧的产热及温度分布,一、电弧的产热机构 （一）弧柱 热源是因带电粒子（龙其是电子）在外加电场的作用下运动，将位能（电场能）转变为热能、动能。 一般电弧焊接过程中，弧柱的热量只能有很少一部分热量通过辐射转达给焊条和工件。当电流较大有等离子流产生时，等离子流将把弧柱的一部分热量带到工件，增加工件的热量。,1-2 电弧的产热及温度分布,（二）阴极区的产热机构 阴极区的产热量主要用于阴极的加热和阴极区的散热损失，焊接过程中直接加热阴极（如焊丝或工件）的热量主要由这部分能量提供。,1-2 电弧的产热及温度分布,（三）阳极区的产热机构 阳极产生的热量主要用于阳极的加热、熔化和散热损失，这也是焊接过程中可以直接利用的能量。,1-2 电弧的产热及温度分布,二、电弧的热效率 热效率 能量密度：单位有效面积上的热功率 w/cm2,1-2 电弧的产热及温度分布,三、电弧的温度分布,1-2 电弧的产热及温度分布,三、电弧的温度分布,1-2 电弧的产热及温度分布,三、电弧的温度分布,1-2 电弧的产热及温度分布,三、电弧的温度分布,1-2 电弧的产热及温度分布,三、电弧的温度分布 温度受各区产热和热平衡及电极性能决定，弧柱因散热条件差而温度高，其温度受电极的材料、气体介质、电流大小、弧柱压缩程度等影响。电极温度的升高受到电极材料导热性能、熔点和沸点限制。阳极温度一般高于阴极。,1-3 电弧力及其影响因素,在焊接过程中，电弧不仅是个热源，也是一个力源。电弧产生的机械作用力对焊缝的熔深、熔池搅拌、熔滴过渡、焊缝成形等都有直接影响。如果对电弧力控制不当，将会破坏焊接过程，使焊丝熔化金属不能过渡到熔池而形成飞溅，甚至产生焊瘤、咬肉、烧穿等缺陷。 一、电弧力 焊接电弧中的作用力统称电弧力，主要包括电磁力、等离子流力、斑点压力、短路爆破力等。,电弧力,1-3 电弧力及其影响因素,1.电磁力 当电流在一个导体中流过时，整个电流可看成是由许多平行的电流线组成，这些电流线间将产生相互吸引力，使导体断面有收缩的倾向，这种收缩现象称为电磁收缩效应，而作用的力称为电磁收缩力或电磁力。,1-3 电弧力及其影响因素,圆锥状电弧中任意点A的压力可由下式决定： 由电磁收缩力为主所决定的电弧压力作用到熔池上时，决定了熔池的熔深轮廓和焊缝的成形，这种电弧压力也称为电弧的电磁静压力。,焊条,母材,A,L,1-3 电弧力及其影响因素,2.等离子流力 等离子流力：由等离子流的高速运动产生的气动力，也称电磁动压力。 形成原因：沿电弧轴向存在电磁压力梯度，使得电弧中的高温等离子体从高电磁压力区（焊丝）向低压力区流动，形成一股等离子流，同时，又将从上方吸入新气体，被加热电离后继续向低压处流动。 等离子流力除影响焊缝形状外，它还有促进熔滴过渡、搅拌熔池、增加电弧的挺度等作用。 等离子流是由焊条与工件形成锥形电弧而引起的，因此与电流种类和极性无关，且运动方向总是由焊条指向工件。,1-3 电弧力及其影响因素,1-3 电弧力及其影响因素,二、影响电弧力的因素,1-4 磁场对电弧的