焊接导论PPT学习教案

1、会计学1焊接导论焊接导论金属导电欧姆定律UIR带电粒子的定向移动电流1 电弧的物理基础焊接导论 ppt 课件第1页/共40页 当气体中存在带电粒子，在电场作用下，也会产生导电现象，称气体放电 辉光放电雷电电弧放电焊接导论 ppt 课件第2页/共40页 在较小的电流区间，气体导电所需要的带电粒子不能通过导电过程本身产生，而需要外加措施来造成带电粒子。 当电流大于一定数值时，在气体放电开始时需要外加措施制造带电粒子，进行诱发，一旦放电开始，取消外加诱发措施，放电过程仍可以继续下去，放电过程自身能够产生维持放电所需要的带电粒子。图2-3 气体放电的伏安特性非自持放电自持放电焊接导论 ppt 课件第3

2、页/共40页 电弧是在一定条件下，电荷通过两极之间气体空间的导电过程。是一种气体放电现象。 能量转换器电能图2-2 电弧示意图热能机械能光能特点：低电压（几几十V）大电流（几十千A）高温（500030000K）焊接导论 ppt 课件第4页/共40页 在一定的条件下，中性气体分子或原子分离成电子和正离子的现象称为电离。 1、电离 使中性气体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。 MeMee 外加能量第二电离能第三电离能。Wi=eUi电离电压电离能焊接导论 ppt 课件第5页/共40页金属电离电压低分子状态可直接电离电离电压的高低产生带电粒子的难易一次电离电压低者，二次电离电压不一

3、定低混合气体中，低电离电压者优先电离常见气体粒子的电离电压 Cs 3.9VH 13.5VH 13.5VH2 15.4VO 13.5VO2 12.2VCs 3.9，33Ca 6.1，12焊接导论 ppt 课件第6页/共40页（1）热电离电离度：气体中单位体积内被电离的粒子数与原始气体粒子总数的比值。MexMe 由于热运动而引起的碰撞，从而产生电离称为热电离 如果某气体中混有其他气体成分时，则电离后电子密度与电离前中性粒子密度之比称实效电离度。混合气体的电离电压称实效电离电压。理论与实践证明，混合气体的实效电离电压取决于低电离电压的物质焊接导论 ppt 课件第7页/共40页由于弧柱温度高，电弧中多

4、原子气体，由于热的作用，将分解为原子，称热解离。产生热解离所需要的最低能量称解离能。热解离不但影响带电粒子的产生过程，还对电弧的电性能和热性能产生影响。一般维持电弧，电子密度为1014cm-3，即实效电离度为10-4数量级（万分之一中性粒子电离）。常规电弧，电离度 0.110-30.1210-2 数量级。强冷电弧或大电流，电离度 10-11数量级。焊接导论 ppt 课件第8页/共40页 当带电粒子的动能在电场的影响下，增加到足够高的程度，则可能与中性粒子产生非弹性碰撞而使之电离，称电场作用下的电离。 弧柱区弧柱区 E=10V/cm 热电离为主热电离为主两极区两极区 E=105107V/cm 电

5、场电离为主电场电离为主(3) 光电离 中性粒子接受光辐射的作用而产生电离的现象称为光电离。 光电离是电弧中产生带电粒子的次要途径光电离是电弧中产生带电粒子的次要途径。第9页/共40页 电极表面受到外加能量的作用，使其内部的电子冲破电极表面的束缚而飞到电弧空间的现象称为电子发射。 使一个电子从金属表面飞出所需要的最低外加能量称为逸出功（Ww）金属表面有氧化膜时，其逸出功降低。钨合金比纯钨逸出功低。电子发射热发射电场发射粒子碰撞发射光发射第10页/共40页金属表面承受热作用而产生电子发射现象称热发射。2exp(/)wiATeUkT(2) 电场发射 当金属表面存在一定强度的正电场时，金属内的电子承受

6、此电场静电库仑力的作用，当此力达到一定程度时，电子飞出金属表面，这种现象称电场发射。20exp()/weEiATe UkT第11页/共40页 当金属表面接受光辐射时，金属表面自由电子能量增加而冲破金属表面的约束飞到金属外面来，称光发射。(4)粒子碰撞发射wheU 高速运动的粒子碰撞金属表面时，将能量传递给金属表面的电子，使其能量增加而跑出金属表面，称光粒子碰撞发射。4、负离子的产生在一定条件下，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性粒子，其内部能量减少，减少的能量称电子亲和能。负离子的形成，导致电弧稳定性下降。负离子的形成，导致电弧稳定性下降。第12页/共40页

7、1、扩散 带电粒子和一般气体的分子和原子一样，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，而趋于密度均匀，称扩散。2、复合 电弧空间的正、负带电粒子(正离子、负离子、电子)，在一定条件相遇而互相结合成中性粒子的过程，称复合。第13页/共40页四、电弧各区域导电机构1、电弧的组成区域阴极区 阴极压降 UK阳极区 阳极压降 UA弧柱区 弧柱压降 UC电弧电压Ua图2-4 电弧的区域组成Ua UK UA UC阴极、阳极区在弧长方向长度：10-410-6cm.第14页/共40页*1. 温度高，500050000K，以热电离为主。*2. 带电粒子在电场作用下，定向运动。MeMee 正

8、离子电子阴极阳极*3. 通过弧柱区的总电流由正离子流和电子流组成(负离子流忽略)。由于电子质量小，运动速度快，电子流占99.9%.100%eiIII99.9%0.1%第15页/共40页 电子流与离子流通过弧柱空间时，不受空间电荷电场的排斥作用，从而决定了电弧放电具有大电流、低电压大电流、低电压的特点。*5. 弧柱中电场强度与电流的关系。小电流区间大电流区间IEIE *6. 弧柱中的电场强度与气体种类有很大关系。图2-5 弧柱电场强度与气体种类和电流的关系第16页/共40页阴极区的任务ie:ii=99.9:0.11) 热发射型W、C等高熔点材料做阴极、大电流区间，电子流全部靠热发射，阴极区性质同

9、弧柱区，无阴极压降，对外呈中性。向弧柱区提供电子流ie接受弧柱区的正离子流ii2)、电场发射型阴极材料为高熔点材料但电流小，或低熔点材料，热发射不足，电子在电场的帮助下，产生电离。第17页/共40页阴极区的任务向弧柱区提供流正离子ii接受弧柱区的电子流ie1）热电离型 大电流区间。阳极温度高，金属蒸发，金属蒸汽直接热电离，阳极压降很小。2) 电场电离型 小电流区间，电子受UA加速，电子碰撞中性粒子产生电离。一般电弧焊，当电流达到一定程度，阳极区热电一般电弧焊，当电流达到一定程度，阳极区热电离占相当大比例，其阳极压降都比较小。离占相当大比例，其阳极压降都比较小。第18页/共40页 当阴极材料熔点

10、较低，沸点也较低，并导热性能很强时，如Fe、Al、Cu，即使阴极温度达到材料的沸点，也不足以产生热发射，阴极将进一步缩小其导电面积，在阴极区前形成密度很大的正离子空间，产生很大的阴极压降，产生较强的电场发射，以补充热发射的不足，以维持电弧的燃烧，这种面积很小，电流密度很大的导电斑点称阴极斑点。1）阴极斑点特点：*1 阴极斑点面积小，温度高，电流密度大，j=5105107A/cm2*2 阴极受大量正离子冲击，金属蒸发，对阴极形成压力，斑点压力对熔滴过渡起阻碍作用（焊条为阴极时）。第19页/共40页*3 具有粘着特性。*5 金属氧化物逸出功低，阴极斑点自动寻找氧化膜。*6 阴极材料为 Fe、Al、

11、Cu，或W、C小电流时。*7 电弧不稳定。*4 具有跳跃特性。阴极斑点具有去除阴极斑点具有去除氧化膜作用。氧化膜作用。第20页/共40页当Fe、Al、Cu等作阳极时，由于熔点低，阳极表面有熔化及蒸发现象，在金属蒸汽大量存在的地方更容易形成热电离，电流更容易从此处进入，导电区在此处集中，称阳极斑点。特点：*1 电流密度小，j=102103A/cm2，阳极斑点力小。*2 存在金属蒸发。*3 具有粘着特性和跳跃特性。*4 若有氧化膜，斑点自动寻找纯金属。 Al 熔点 658Al2O3 2050熔化焊，一般为直流反接熔化焊，一般为直流反接直流正接工件接正（DCSP）DC straight polari

12、ty直流反接工件接负（DCRP）DC reversed polarity第21页/共40页 自由电弧为一气体导电体，其断面可以自由收缩。 在给定电流和周围条件一定的情况下，电弧稳定燃烧时，其导电区的，应使电弧电场强度具有最小的数值。即电弧具有保持最小能量消耗的特性。第22页/共40页1、电弧静特性的形状电弧静特性：电弧燃烧时，两极间稳定的电压和电流的关系曲线。A段 负特性B段 平特性C段 正特性电弧动特性：电弧燃烧时，两极间变化状态的电压和电流的关系曲线。第23页/共40页（1）电弧长度aKCAUUUUCaLUU （2）周围气体介质压力E 压力气体粒子密度冷却第24页/共40页气体的导热系数（

13、主要因素）气体的电离能 （次要因素）UiAr 15.7VH2 15.4VHe 24.5V(4) 电极种类 热阴极 UK 几乎为0冷阴极 UK 很大 第25页/共40页一、弧柱区的产热单位长度外加能量为IE，即弧柱的产热，与散热相平衡。对流 80%传导辐射IE10%一般电弧，只有很少一部分能量传递给工件或焊条。一般电弧，只有很少一部分能量传递给工件或焊条。大电流有等离子流时，部分热量带到工件。大电流有等离子流时，部分热量带到工件。2 电弧的产热及电弧力第26页/共40页阴极产热经推导：()KKWTPI UUU阳极产热经推导：()AAWTPI UUU两极区热量用途：加热工件或焊丝散失第27页/共4

14、0页 电弧各部分的导电机构决定了各部分电流密度与温度、能量的分布。能量密度与电流密度相对应。温度分布与电流密度不相对应。两极受电极熔点限制。弧柱耗能少。CuW电弧炭弧第28页/共40页1、电磁收缩力电工知识：同向相吸同向相吸异向相斥异向相斥1 2I IFKL 当电流在一个导体中流过时，整个电流可以看作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。若导体是可以自由变形的气态，导体将产生收缩。这种现象称为电磁收缩效应，由此而产生的力称电磁收缩力。212FKI电磁收缩力的作用： *1 熔滴过渡 *2 熔池轮廓 第29页/共40页 电弧收缩力引起推力，将使靠近焊条端部

15、气体冲向工件，新补充的气体经加热电离后在推力的作用下亦冲向工件。由于这种高温气流所形成的力称等离子流力。又称电弧动压力。3、斑点力 带电粒子的撞击力 电磁收缩力 电极材料蒸发的反作用力第30页/共40页CO2短路过渡时：5、细熔滴的冲击力 富Ar气保护焊射流过渡时，熔滴很细小（几十mg），速度很高（几百米/秒），冲击力很大，易形成指状熔深。第31页/共40页1、气体介质电弧力导热性气体气体流量气体压力2、电流、电压电流电磁收缩力等离子流力电压电弧力3、焊丝（焊条）直径焊丝直径电流密度 j电弧力第32页/共40页4、电流极性MIG焊，DCSP，斑点力大，熔滴过渡阻力大，电磁力和等离子流力小。5、

16、电极形状钨极锥角电流密度利于补充气体电磁收缩力等离子流力6、电流的脉动频率 f电弧力第33页/共40页一、交流电弧的特点 交流电弧 50Hz 电弧电流过零时电弧熄灭，下半周重燃。 重新引燃电弧所需要的电压称再燃电压。1、纯阻性回路*1、电弧熄灭时间te，电弧不稳。*2、若气体介质导热性好，且电极为冷阴极材料，再燃电压很高，焊接过程不能进行。第34页/共40页*1、焊接回路中有足够的电感。*2、电弧电压与电源有相位差别。*3、电感具有续流作用。*4、电感提高了电弧的稳定性。交流电弧扰动，易卷入空气，焊接质量不如直流交流电弧扰动，易卷入空气，焊接质量不如直流。第35页/共40页1、电弧刚直性电弧作为一个柔软导体抵抗外界机械干扰，力求保持沿焊条轴向流动的性能。载电导体产生磁场有利：电弧收缩力，电弧刚性。不利：电弧磁偏吹，电弧不稳。*1、电流*2 、冷却刚直性二、 磁场对电弧的影响第36页/共40页 由于某种原因，电弧自身磁场的磁力线分布的均匀性受到破坏，则这种磁场反而要促使电弧偏离焊条轴线方向，这种现象称电弧磁偏吹。（1）导线位置（2）铁磁体方向：磁力线密的一侧推向磁力线疏一侧。第37页/共40页（4）交流电弧 交流磁偏吹是脉动的，比直流显著下降。消除和减小磁偏吹的方法：AC代DC短弧焊接多处接地线工件无剩磁厚药皮焊条避免铁磁体影响第38页