《焊接电弧》PPT课件.ppt

l 1电弧的物理基础 l 2焊接电弧的产生及温度分布 1 3电弧力及影响因素 1 4交流电弧的特点 第一章焊接电弧 l 1电弧的物理基础一 气体放电的基本概念 一 气体放电的基本概念 l 1电弧的物理基础 正常状态下 气体中不含带电粒子 由中性分子或原子组成 它们虽可自由移动 但不会受电场作用而产生定向运动 故气体是不导电的 因此要使正常状态的气体导电 就必须先有一个产生带电粒子的过程 然后才能呈现导电性能 金属中的自由电子可以移动 但金属中的离子则不能自由移动 而气体中所有的组成粒子 皆可自由移动 故气体的导电过程和规律 与金属有明显的不同 二 电弧中带电粒子的产生过程 电弧 由两个电极和它们之间导电的气体空间所组成 电弧中的带电粒子 主要依靠气体的电离和电极的电子发射这两个物理过程所产生 同时还伴随一些其它过程 如 解离 激励 扩散 复合 负离子的产生等 二 电弧中带电粒子的产生过程 1 电离 1 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 称力电离 常态下的气体粒子 分于或原子 受外来能量的作用 失去一个或多个电子后则成为正离子 一个气体分子或原子 常态下由数量相等的正电荷 原子核 和负电荷 电子 构成 对外界呈中性 因而不导电 要使其电离而导电 就需要对其施加外来能量 使其发生电离 使中性气体粒于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 eV 为单位 若以伏表示则为电离电压 生成的正离子称为一价正离子 这种电离称为一次电离 一个电子伏 eV 就是一个电子迈过一伏电位差空间所取得的能量 能量传递 1 碰撞传递 2 光辐射传递 1 碰撞传递气体粒子 在空间总是处于不规则的运动状态 只有在热力学温度为0K时 气体粒子将停止运动 各个粒子以某一速度运动时 就具有一定的动能 而且可能互相频繁地碰撞 粒子在相互碰撞时将伴随能量的转移 粒子以这种形式传递能量方式称为碰撞传递 2 光辐射传递向气体粒子传递能量的另一种途径是光辐射 也就是说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 2 电离种类 1 热电离 2 电离种类 电弧中气体粒子的电离 根据所施加的外部能量种类的不同 而分为三类 1 热电离中性气体粒子受热的作用而产生的电离称为热电离 因为根据气体分子运动理论 气体的温度高低意味着气体粒子 包括中性粒子 电子和离子 总体动能的大小 亦即气体粒子平均运动速度的快慢 3 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 当气体中有电场作用时 带电粒子除了作无规则的热运动外 尚产生一个受电场影响的定向运动 正 负带电粒子定向运动方向相反 电场对带电粒子在电场方向的运动起加速作用 会将电能转换为带电粒子的动能 当其动能增加到足够的数值 则可能与中性粒子产生非弹性碰撞而使之电离 这种电离称为电场作用下的电离 也可认为碰撞电离 2 电场作用下的电离 3 光电离 电弧中起导电作用的带电粒子 除依靠电离过程产生外 还要从电极表面发射出来 在焊接电弧中 电极只能发射电子而不能发射离子 从电极表面发射电子的过程 在阴极和阳极皆可能产生 当阴被或阳极表面接受一定外加能量作用时 电极中的电子可能冲破金属电极表面的约来而飞到电弧空间 这种现象称为电子发射 但是只有自阴极发射出来的电子在电场作用下参加导电过程 而自阳极发射出来的电子因受到电场的排斥 不可能参加导电过程 3 电子发射 金属内部的电子 只有在接受外加能量作用后 其能量超出退出功时 才能冲破金属表面而发射到外部空间 由于外加能量形式不同 电子发射机构可分为如下四种 1 热发射金属表面因承受热作用而产生电子发射的现象称为热发射 因为金属内部的自由电子受热作用后其热运动速度增加 当其动能满足一定条件时 则即可飞出金属表面 1 热发射 2 电场发射 3 光发射 4 粒子碰撞发射 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 3 光发射当金质表面接受光辐射时 也可使金属表面自由电子能量的增加 致使冲破金属表面的制约 飞到金属表面外 这种现象称光发射 4 粒子碰撞发射高速运动的粒了 电子或离子 撞击金属表面时 将能量传给金属表面的电子 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 前面所谈到的 都是有关中性粒子产生带电粒子 电子和正离子 的过程 实际上电弧中还可能产生另一种带电粒子 负离子 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 中性粒子吸附电子形成负离子时 其内部能量不是增加而是减少 减少的这部分能量 称为中性粒子的电子亲和能 中性粒子吸附电子时将释放出这部分电子亲和能 并以热或辐射能 光 的形式释放出来 4 负离子的产生 5 带电粒子的扩散和复合现象 带电粒子的扩散和复合现象 也是电弧中的另外两种过程 都是减少带电粒子的过程 电弧的导电 是靠电弧空间带电粒子的运动来实现的 而电弧的稳定燃烧 是带电粒子产生 运动与消失的功平衡过程 带电粒子产生后 一部分承担了导电任务 另一部分则在电弧空间消失了 带电粒子在电弧空间的消失过程主要有扩散与复合两种形式 带电粒子和一般气体分子 原子一样 如果分布密度不同 则带电粒子将从密度高的地方向密度低的地方移动而趋向密度均匀 这种现象称力带电粒子的扩散现象 带电粒子的扩散运动 也是由热运动引起的 2 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 复合过程包括电子与正离子和正离子与负离子的复合 1 扩散 2 复合 三 电弧各区域的导电机理 一 电孤的区域组成 由沿弧长方向电压降的分布图 可以看到整个电弧由三个电场强度不同的区域构成 1 阳极附近的区域为阳极区 其电压降称为阳极电压 自阳极表面深入到电弧空间10 2 10 6cm的范围内 2 阴极附近的区域为阴极区 其电压降称为阴极电压 自阳极表面深入到电弧空间10 2 10 6cm的范围内 3 中间部分为弧柱区 其电压降称为弧柱电压 五 电弧的静特性 五 电弧的静特性 曲线 电弧燃烧时 电极两端的稳态电压和稳态电流关系曲线 称为电弧静特性 而表示动态的电流与动态的电压之间关系的曲线 则称为电弧的动特性 l 2焊接电弧的产生及温度分布 一 焊接电弧的产热机构 电弧 宏观上可以看作是一个把电能转换为热能的转换器或元件 但由于电弧的导电机理与普通的发热元件不同 且三个组成部分 弧柱 阴极区 阳极区 导电机理也不相同 这就决定了电弧这三部分产热机理的不同 但不管哪一部分热量 都是由电能转换而来的 一 弧柱的产热机构 前面已经谈过 弧柱的导电主要是靠电子在电场作用下的定向运动来实现的 正离子流在整个电流中占极小的比例 但它的存在却保证了弧柱空间呈中性 决定了弧柱电压降可以很小 通过的电流可以很大 正离子的密度应等于电子的密度 而正离子的体积却显著大于电子 带电粒子在外加电场的作用下运动 位能 电场能 转变为动能 热能 产热说明 电弧中的电子 实际上是在密集的粒子之间穿梭运动 并不是由阴极直接跑向阳极 而是在不断地与正离子和中性粒子碰撞过程中 从阴极移向阳极 也正因为如此 电弧才会产生热能 因此电子运动是由两部分组成 一部分是与正离子 或中性粒子 碰撞过程的散乱微观运动 另一部分是沿电场方向的宏观定向运动 散乱运动的动能就是电子的热能 这部分能量占电子总能量的大部分 就是说 在弧柱子中外加电能大部分将转变为热能 二 阴极区的产热机构 由于阴极区的长度很小 所以阴极区发热量直接影响焊丝的熔化或母材熔化 一般情况下 阴极区是由电子与正离子两种带电粒子所构成 在阴极区 这两种带电粒子不断产生 消失和运动 同时伴随着能量的转变与传递 三 阳极区的产热机构 电子到达阳极时 将带给阳极三部分能量 第一部分是电子经阳极压降区被加速而获得的动能 第二部分为电子发射时 阴极吸收的溢出功又传给阳极 第三部分为从弧柱中带来的与弧柱温度相对应的热能 二 焊接电弧的热效率及能量密度 焊接时 电弧将电能转换为热能 利用这种热能来加热 熔化焊条 或焊丝 与工件 对于熔化极焊接方法 焊接过程中焊条 或焊丝 熔化 熔滴把加热和熔化了的焊丝热量带给熔池 对于钨极氩弧焊 电极不熔化 母材只利用一部分电弧的热量 如果用Q表示电弧热量的总功率 则有 Q IU再设Q1为加热工件和焊丝的有效热功率则 则有 Q1 nQ n为电弧热效率系数 三 电弧温度和能量密度分布 1 3电弧力及其影响因索 一 焊接电弧作用力 1 电磁收缩力 2 等离子流力 3 斑点力 1 正离子和电子对电极的撞击力 2 电磁收缩力 3 电极材料蒸发的反作用力 4 爆破力 5 细熔滴的冲击力 二 电弧力的影响因素 1 气体介质种类和特性 2 电流和电弧电压 4 焊条 焊丝 的极性 3 焊丝直径 5 非熔化极端部的几何形状 6 电流的脉动 l 4交流电弧的特点 一 交流电弧的燃烧过程 常用的交流焊接电源 电压是50Hz的正弦波 电弧电流每秒钟有100次经过零点并改变极性 不一定正弦波 电弧电流经过零点时 电流瞬时值为零 电弧瞬间熄灭 下半周必须重新引燃 重新引燃电弧所需要的电压数值 称为再引燃电压 重新引燃电弧的难易 与再引燃电弧时瞬间的电弧空间残余电离度