第二章 电弧物理ppt课件

1、焊接物理焊接物理 主讲教师：黄健康主讲教师：黄健康2.1、电弧概论2.2、火花放电、辉光放电2.3、电弧弧柱现象2.4、探极法2.5、阳极现象2.6、阴极现象第二章第二章 电弧物理电弧物理电弧物理电弧物理2.1.1 2.1.1 电弧电弧 电压的两电极之间或电极与母材之间的气体介质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。所谓气体放电，是中产生的强烈而持久的放电现象。所谓气体放电，是指当两电极之间存在电位差时，电荷从一极穿过气体指当两电极之间存在电位差时，电荷从一极穿过气体介质到达另一极的导电现象图介质到达另一极的导电现象图1-11-1）。但是并不是）。但是并不是所

2、有的气体放电现象都是电弧，电弧仅是其中的一种所有的气体放电现象都是电弧，电弧仅是其中的一种形式。形式。2.12.1、电弧概论、电弧概论电弧物理电弧物理2.1.1 2.1.1 电弧电弧2.12.1、电弧概论、电弧概论电弧物理电弧物理2.1.2 2.1.2 弧柱弧柱( (电弧等离子体电弧等离子体) ) 电弧温度在电弧温度在5000500050000K50000K，处于热平衡状态。弧，处于热平衡状态。弧柱中大部分双原子气体分解为原子，大的原子又电离柱中大部分双原子气体分解为原子，大的原子又电离为电子和阳离子。从宏观上看，弧柱空间呈电中性。为电子和阳离子。从宏观上看，弧柱空间呈电中性。由于电子运动速度

3、远远快于阳离子，因此电流几乎由由于电子运动速度远远快于阳离子，因此电流几乎由电子流形成。电子流形成。2.12.1、电弧概论、电弧概论电弧物理电弧物理2.1.2 2.1.2 弧柱弧柱( (电弧等离子体电弧等离子体) ) 等离子体：通常指气体粒子中至少有一部分粒子等离子体：通常指气体粒子中至少有一部分粒子化，从而由中性粒子、阳离子、电子等聚合一起所组化，从而由中性粒子、阳离子、电子等聚合一起所组成的气体或蒸汽状态。成的气体或蒸汽状态。2.12.1、电弧概论、电弧概论热收缩效应：弧柱为热收缩效应：弧柱为保持最小热损失，收保持最小热损失，收缩截面的行为。缩截面的行为。由于电弧中电流同向由于电弧中电流同

4、向并流，相互吸引，使并流，相互吸引，使得电弧内压力高于电得电弧内压力高于电弧外。弧外。阴极斑点的电流密度一阴极斑点的电流密度一般比弧柱高，因此紧挨般比弧柱高，因此紧挨阴极的弧柱部分由收缩阴极的弧柱部分由收缩力产生的压力要比离开力产生的压力要比离开阴极的弧柱高，该压力阴极的弧柱高，该压力促使气流等离子流促使气流等离子流从阴极吹向弧柱，速度从阴极吹向弧柱，速度可达可达1100m m/s s。电弧物理电弧物理2.1.3 2.1.3 阳极阳极2.12.1、电弧概论、电弧概论最短电弧路径最短电弧路径电弧物理电弧物理2.1.3 2.1.3 阳极阳极2.12.1、电弧概论、电弧概论 当采用低熔点材料作阳极时

5、当采用低熔点材料作阳极时(Fe(Fe、CuCu、A1A1等等) )，一旦阳极表面某处有熔化和蒸，一旦阳极表面某处有熔化和蒸发现象发生时，由于金属的电离能大大低于一般气体的电离能，在有金属蒸气存发现象发生时，由于金属的电离能大大低于一般气体的电离能，在有金属蒸气存在的地方，更容易产生热电离而提供正离子流，电子流也更容易从这里进入阳极，在的地方，更容易产生热电离而提供正离子流，电子流也更容易从这里进入阳极，阳极表面上的导电区将在这里集中而形成阳极斑点。阳极表面上的导电区将在这里集中而形成阳极斑点。 阳极斑点形成：金属蒸汽，电弧通过该点弧柱消耗能量较低阳极斑点形成：金属蒸汽，电弧通过该点弧柱消耗能量

6、较低电弧物理电弧物理2.1.4 2.1.4 阴极阴极2.12.1、电弧概论、电弧概论电弧物理电弧物理2.1.4 2.1.4 阴极阴极2.12.1、电弧概论、电弧概论 电离出来的电离出来的正离子与从弧柱正离子与从弧柱区来的正离子一区来的正离子一起向阴极运动起向阴极运动, ,使正离子流占阴使正离子流占阴极区总电流的比极区总电流的比率大大增加。阴率大大增加。阴极区的电子流和极区的电子流和正离子流比率的正离子流比率的变化如图变化如图1-71-7所所示。示。电弧物理电弧物理2.1.4 2.1.4 阴极阴极阴极放电形式：阴极放电形式： 1. 1.热阴极型，大电流，钨、炭热阴极型，大电流，钨、炭 2. 2.

7、等离子阴极型，一般焊接电弧等离子阴极型，一般焊接电弧 3. 3.冷阴极型，铜、铁冷阴极型，铜、铁2.12.1、电弧概论、电弧概论电弧物理电弧物理2.1.4 2.1.4 电弧各种形态电弧各种形态2.12.1、电弧概论、电弧概论电弧物理电弧物理2.1.4 2.1.4 电弧各种形态电弧各种形态2.12.1、电弧概论、电弧概论电弧物理电弧物理2.2.1 2.2.1 自持放电自持放电 自持放电：不依赖外界电离条件，仅由外施电压自持放电：不依赖外界电离条件，仅由外施电压作用即可维持的一种气体放电。作用即可维持的一种气体放电。2.22.2、火花放电、辉光放电、火花放电、辉光放电 即使在普通状态下，大气中也存

8、在一些阴离子、阳离子、电子。即使在普通状态下，大气中也存在一些阴离子、阳离子、电子。OOA电流随电压增加而增大，电流随电压增加而增大，BCC为饱和状态，自然产生的离子和电子都为饱和状态，自然产生的离子和电子都已全部流向电极。在已全部流向电极。在D DE段加速的高速粒子撞击中性气体粒子电离产段加速的高速粒子撞击中性气体粒子电离产生一对新的电子和阳离子生一对新的电子和阳离子,为非自持放电。为非自持放电。气体放电的形成需要具备两个基本条件： 一是外施电压，它使电极间隙的空间范围内呈现一定强度的电场； 二是外界电离因素，它在电极间隙中形成初始带电粒子。 电弧物理电弧物理2.2.1 2.2.1 自持放电

9、自持放电 汤森德理论汤森德理论2.22.2、火花放电、辉光放电、火花放电、辉光放电 均匀电场中，气体间隙的击穿主均匀电场中，气体间隙的击穿主要由电子的碰撞电离和正离子撞击阴要由电子的碰撞电离和正离子撞击阴极表面造成的表面电离所引起。电子极表面造成的表面电离所引起。电子碰撞电离是气体放电的主要原因，二碰撞电离是气体放电的主要原因，二次电子来源于正离子撞击阴极表面使次电子来源于正离子撞击阴极表面使得阴极表面逸出电子，逸出电子是维得阴极表面逸出电子，逸出电子是维持气体放电的必要条件。持气体放电的必要条件。电弧物理电弧物理2.2.1 2.2.1 自持放电自持放电2.22.2、火花放电、辉光放电、火花放

10、电、辉光放电 电场强度不变电场强度不变电弧物理电弧物理2.2.1 2.2.1 自持放电自持放电 要实现自持放电不需存在由阳离子引起的电离。要实现自持放电不需存在由阳离子引起的电离。原因有：原因有：(a)(a)阳离子和气体离子的碰撞电离一般称为阳离子和气体离子的碰撞电离一般称为作用）作用）(b)(b)阳离子撞击阴极使之发射电子一般称为阳离子撞击阴极使之发射电子一般称为作用）作用）(c)(c)阳离子同阴离子复合时释放光能而引起的阴极电阳离子同阴离子复合时释放光能而引起的阴极电子发射。子发射。(d)(d)在阴极附近，阳离子造成空间电荷增多，由其形在阴极附近，阳离子造成空间电荷增多，由其形成电场所引起

11、的场致发射。成电场所引起的场致发射。(e)(e)阳离子轰击阴极时的能量加热阴极，使之发射热阳离子轰击阴极时的能量加热阴极，使之发射热电子。电子。2.22.2、火花放电、辉光放电、火花放电、辉光放电 (1)1de自持放电条件：自持放电条件：为一个阳离子撞击阴极时，从阴极飞出的电子数，为一个阳离子撞击阴极时，从阴极飞出的电子数， de一个电子从阴极到阳极，将为增殖个数一个电子从阴极到阳极，将为增殖个数 电弧物理电弧物理2.2.2 2.2.2 火花放电火花放电 火花放电：是一种击穿电极间绝缘后向辉光或电火花放电：是一种击穿电极间绝缘后向辉光或电弧等稳定放电状态转变的过渡现象。弧等稳定放电状态转变的过

12、渡现象。2.22.2、火花放电、辉光放电、火花放电、辉光放电 火花放电即将发生之前的电极间电压，火花放电即将发生之前的电极间电压，一般称着火电压一般称着火电压 。电弧物理电弧物理2.2.2 2.2.2 火花放电火花放电 2.22.2、火花放电、辉光放电、火花放电、辉光放电 HeHe、NeNe、ArAr气体中电离电气体中电离电位高，但着火电压远低于位高，但着火电压远低于空气的着火电压，因此更空气的着火电压，因此更容易进行高频引弧。容易进行高频引弧。电晕放电电晕放电: :气体介质在不均匀电场中的局部自持放电气体介质在不均匀电场中的局部自持放电, ,主要是由于电晕放电时空间电荷的积累和分布状况主要是

13、由于电晕放电时空间电荷的积累和分布状况不同所造成的。不同所造成的。电弧物理电弧物理2.2.3 2.2.3 空间电荷的影响空间电荷的影响 2.22.2、火花放电、辉光放电、火花放电、辉光放电 放电空间要产生阳离子和电子，这些带电放电空间要产生阳离子和电子，这些带电粒子沿电场力作用方向移动，其结果要改粒子沿电场力作用方向移动，其结果要改变电荷分布的状态，从而出现局部为正或变电荷分布的状态，从而出现局部为正或者为负的空间电荷。者为负的空间电荷。电弧物理电弧物理2.2.4 2.2.4 辉光放电辉光放电 2.22.2、火花放电、辉光放电、火花放电、辉光放电 辉光放电是稀薄气体中的自激导电现象。辉光放电是

14、稀薄气体中的自激导电现象。其物理机制是：放电管两极的电压加大到一定其物理机制是：放电管两极的电压加大到一定值时，稀薄气体中的残余正离子被电场加速，值时，稀薄气体中的残余正离子被电场加速，获得足够大的动能去撞击阴极，产生二次电子，获得足够大的动能去撞击阴极，产生二次电子，经簇射过程形成大量带电粒子，使气体导电。经簇射过程形成大量带电粒子，使气体导电。 特点是电流密度小，温度不高，放电管内特点是电流密度小，温度不高，放电管内产生明暗光区，管内的气体不同，辉光的颜色产生明暗光区，管内的气体不同，辉光的颜色也不同。也不同。电弧物理电弧物理2.2.4 2.2.4 辉光放电辉光放电 2.22.2、火花放电

15、、辉光放电、火花放电、辉光放电 电弧物理电弧物理2.2.5 2.2.5 辉光放电的伏安特性辉光放电的伏安特性 2.22.2、火花放电、辉光放电、火花放电、辉光放电 正常辉光区正常辉光区异常辉光区异常辉光区亚正常辉光区亚正常辉光区电压相同的对应点上，电子和电压相同的对应点上，电子和阳离子均处于同样的运动状态。阳离子均处于同样的运动状态。 正常辉光的阴极压降区长度正常辉光的阴极压降区长度d是和压力是和压力P成反比的：成反比的： P X d=常数常数电弧物理电弧物理2.2.6 2.2.6 辉光放电的正柱辉光放电的正柱 2.22.2、火花放电、辉光放电、火花放电、辉光放电 正柱区电弧物理电弧物理2.2

16、.7 2.2.7 辉光放电向电弧放电的过渡辉光放电向电弧放电的过渡 2.22.2、火花放电、辉光放电、火花放电、辉光放电 从阳离子撞击阴极发射电子从阳离子撞击阴极发射电子到到热电子发射热电子发射阳离子阳离子辉光放电到电弧放电原因之一是金辉光放电到电弧放电原因之一是金属蒸汽进入了正柱区属蒸汽进入了正柱区电弧物理电弧物理2.3.1 2.3.1 弧柱中的电子流和离子流弧柱中的电子流和离子流 沿着弧长方向的任意位置沿着弧长方向的任意位置x x处的电位是处的电位是V V，电位梯，电位梯度是度是X X，电荷密度是，电荷密度是，满足泊松方程：，满足泊松方程： 2.32.3、电弧弧柱现象、电弧弧柱现象24VX

17、xx 在空间中电子和阳离子构成的总电荷密度为零：在空间中电子和阳离子构成的总电荷密度为零：0VXaxVaxb电弧物理电弧物理2.3.1 2.3.1 弧柱中的电子流和离子流弧柱中的电子流和离子流 因此弧柱中的电流由电子流因此弧柱中的电流由电子流IeIe和阳离子流和阳离子流IiIi构成。总电流为构成。总电流为 I= Ie + Ii I= Ie + Ii 阳离子运动速度比电子速度小阳离子运动速度比电子速度小的多的多 IIe IIe 2.32.3、电弧弧柱现象、电弧弧柱现象电子流约为阳离子的电子流约为阳离子的10001000倍倍热运动电流约为电场电流的热运动电流约为电场电流的100100倍倍电弧物理电

18、弧物理2.3.2 2.3.2 弧柱热量的输入和耗散弧柱热量的输入和耗散 热损失形式有：传导、对流和发射热损失形式有：传导、对流和发射2.32.3、电弧弧柱现象、电弧弧柱现象重力、浮力、对流重力、浮力、对流电弧物理电弧物理2.3.3 2.3.3 弧柱的电流弧柱的电流 大气中电弧的弧柱往往与外围有一个比较分明的大气中电弧的弧柱往往与外围有一个比较分明的边界，距发亮部分几边界，距发亮部分几mmmm处的温度几乎与环境温度一样。处的温度几乎与环境温度一样。2.32.3、电弧弧柱现象、电弧弧柱现象电弧物理电弧物理2.3.4 2.3.4 弧柱温度弧柱温度 2.32.3、电弧弧柱现象、电弧弧柱现象 大气中炭极

19、电弧，当电流大气中炭极电弧，当电流50A50A尚未产生尚未产生自收缩现象时，中性温度大约是自收缩现象时，中性温度大约是7000K7000K，当，当电流大于电流大于80A80A将产生自收缩现象，温度可超将产生自收缩现象，温度可超过过10000K10000K。电弧物理电弧物理2.3.5 2.3.5 弧柱的温度分布弧柱的温度分布 2.32.3、电弧弧柱现象、电弧弧柱现象电弧物理电弧物理2.3.5 2.3.5 弧柱的温度分布弧柱的温度分布 2.32.3、电弧弧柱现象、电弧弧柱现象电弧物理电弧物理2.3.6 2.3.6 气体电弧和蒸汽电弧气体电弧和蒸汽电弧2.3.7 2.3.7 焊接电弧的温度焊接电弧的

20、温度2.3.8 2.3.8 弧柱的电导率和导热率弧柱的电导率和导热率电流密度有：电流密度有： 2.32.3、电弧弧柱现象、电弧弧柱现象2/8/eeeeeeeje n KXe nXe nXmktmCe1=,nneiQn Qn Q为有效截面积221/8/8/eeenneie nmkte nmktn Qn Q电导率有：电导率有：/ j X电弧物理电弧物理2.3.8 2.3.8 弧柱的电导率和导热率弧柱的电导率和导热率 2.32.3、电弧弧柱现象、电弧弧柱现象22221/8/8/1/1/8/8/11/=nneieeenneiennnneieeenneieeiin Qn Qe nmkte nmktn Q

21、n QnTn Qn Qn Qe nmkte nmktn Qn QnTn QTQ低温时低温时高温时高温时电弧物理电弧物理2.3.8 2.3.8 弧柱的电导率和导热率弧柱的电导率和导热率 2.32.3、电弧弧柱现象、电弧弧柱现象在在8000800010000K10000K附近急剧升高，这是因为在该温度范围内电流急剧附近急剧升高，这是因为在该温度范围内电流急剧进行所致。进行所致。电弧物理电弧物理2.3.8 2.3.8 弧柱的电导率和导热率弧柱的电导率和导热率 2.32.3、电弧弧柱现象、电弧弧柱现象在分子分解为原子的温度附近，分解后的原子要向在分子分解为原子的温度附近，分解后的原子要向“冷的部分扩散

22、，而冷的部分扩散，而“冷的部分的分子也要扩散过来，从而造成这一部分的分解吸热，所以要冷的部分的分子也要扩散过来，从而造成这一部分的分解吸热，所以要增强传导作用。包括电离过程也是这样。增强传导作用。包括电离过程也是这样。电弧物理电弧物理2.3.9 2.3.9 弧柱径向温度分布的考察弧柱径向温度分布的考察 2.32.3、电弧弧柱现象、电弧弧柱现象00222log RS22(1) PQ4TTaadTKrXIdrXI drXIrKdTrrXJrTTKr 线线电弧物理电弧物理2.3.9 2.3.9 弧柱径向温度分布的考察弧柱径向温度分布的考察 2.32.3、电弧弧柱现象、电弧弧柱现象电弧物理电弧物理2.

23、3.10 2.3.10 大电流高温弧柱的特性大电流高温弧柱的特性2.3.11 2.3.11 弧柱径向电场弧柱径向电场-弧柱的扩展弧柱的扩展 2.32.3、电弧弧柱现象、电弧弧柱现象电弧物理电弧物理2.3.12 2.3.12 最小电压原理最小电压原理 最小电压原理：电弧在稳定燃烧时，有一种使其自最小电压原理：电弧在稳定燃烧时，有一种使其自身能量消耗最小的特性，即当电流和电弧周围的条件身能量消耗最小的特性，即当电流和电弧周围的条件气体介质、温度、压力一定时，稳定燃烧的电弧气体介质、温度、压力一定时，稳定燃烧的电弧将选择一个确定的导电截面，使电弧的能量消耗最少。将选择一个确定的导电截面，使电弧的能量

24、消耗最少。当电弧长度也是定值的时候，电场强度的大小即代表当电弧长度也是定值的时候，电场强度的大小即代表了电弧产热量的大小，因此，能量消耗最小的时候电了电弧产热量的大小，因此，能量消耗最小的时候电场强度最低，即在固定弧长上的电压降最小，这就是场强度最低，即在固定弧长上的电压降最小，这就是最小电压原理最小电压原理 弧柱电场强度弧柱电场强度E E）：弧柱单位长度上的电压降）：弧柱单位长度上的电压降 意义：意义：E E的大小表征电弧弧柱的导电能力。的大小表征电弧弧柱的导电能力。 电场强度电场强度E E和电流和电流I I的乘积的乘积EIEI相当于电源供给单位弧相当于电源供给单位弧长的电功率，他与弧柱的热

25、损失相平衡。长的电功率，他与弧柱的热损失相平衡。2.32.3、电弧弧柱现象、电弧弧柱现象电弧物理电弧物理2.3.12 2.3.12 最小电压原理最小电压原理电流和电弧周围条件一定时，如果电弧截面面积大于电流和电弧周围条件一定时，如果电弧截面面积大于或小于其自动确定的截面，就会引起电场强度的增大，或小于其自动确定的截面，就会引起电场强度的增大，是消耗的能量增多，违反最小电压原理。是消耗的能量增多，违反最小电压原理。面积增大面积增大面积减小面积减小最小能量原理最小能量原理2.32.3、电弧弧柱现象、电弧弧柱现象对于并联的电阻，回路中流对于并联的电阻，回路中流过电流时，电流将以产生电过电流时，电流将

26、以产生电损失为最小的方式分流流过损失为最小的方式分流流过能量最小原理），这和最能量最小原理），这和最小电压原理的含义是一样的。小电压原理的含义是一样的。电弧物理电弧物理2.3.13 2.3.13 铝铝MIGMIG焊的弧柱温度焊的弧柱温度2.32.3、电弧弧柱现象、电弧弧柱现象金金属属蒸蒸汽汽小小电电离离气气体体大大金金属属蒸蒸汽汽大大电电离离气气体体小小电弧物理电弧物理2.42.4、探极法、探极法电弧物理电弧物理2.42.4、探极法、探极法电弧物理电弧物理2.42.4、探极法、探极法电弧物理电弧物理2.42.4、探极法、探极法电弧物理电弧物理2.42.4、探极法、探极法电弧物理电弧物理2.52

27、.5、阳极现象、阳极现象2.5.1 2.5.1 阳极压降区阳极压降区场致电流和热电离场致电流和热电离炭极压降在炭极压降在50A50A，表面温度，表面温度4000K4000K压降电压压降电压19V19V，区域，区域长度长度3.4X10(-3)cm.3.4X10(-3)cm.电流增加，阳极压降将降低。电流增加，阳极压降将降低。在电离区，由于长度小于电子平均自由程，几乎所有电子直接进入在电离区，由于长度小于电子平均自由程，几乎所有电子直接进入阳极，只有阳极，只有0.1%0.1%的电子成功发生碰撞电离。的电子成功发生碰撞电离。电弧物理电弧物理2.52.5、阳极现象、阳极现象2.5.2 2.5.2 阳极

28、压降阳极压降VAVA电弧物理电弧物理2.52.5、阳极现象、阳极现象2.5.3 2.5.3 以以TIGTIG电弧伏安特性研究电弧伏安特性研究VAVA电弧物理电弧物理2.52.5、阳极现象、阳极现象2.5.5 2.5.5 阳极输入功率阳极输入功率产生于阳极的电弧热能：产生于阳极的电弧热能：2.5.6 2.5.6 阳极温度阳极温度阳极的熔化和蒸发阳极的熔化和蒸发碳电极的阳极温度：电流密度碳电极的阳极温度：电流密度80A/CM280A/CM2，实际温度为，实际温度为390039004200K4200K，金属电极的温度：阳极比阴极高金属电极的温度：阳极比阴极高()AAWTPVVVI电弧物理电弧物理2.

29、52.5、阳极现象、阳极现象2.5.4 2.5.4 阳极斑点及其电流密度阳极斑点及其电流密度2.5.7 2.5.7 阳极斑点的不连续移动阳极斑点的不连续移动电弧物理电弧物理2.52.5、阳极现象、阳极现象2.5.4 2.5.4 阳极斑点及其电流密度阳极斑点及其电流密度2.5.7 2.5.7 阳极斑点的不连续移动阳极斑点的不连续移动电弧物理电弧物理2.52.5、阳极现象、阳极现象2.5.8 2.5.8 炭极电弧阳极斑点的收缩和虚声弧的产生炭极电弧阳极斑点的收缩和虚声弧的产生当电弧电流增加时，阳极斑当电弧电流增加时，阳极斑点电流密度达点电流密度达50000A/CM250000A/CM2，阳极斑点做

30、不规则的高速游阳极斑点做不规则的高速游动，电弧发出动，电弧发出“嘘嘘嘘嘘声，声，电弧电压发生突将，频率为电弧电压发生突将，频率为1000100020002000次次/ /秒，范围在秒，范围在35 35 60V 60V。电弧物理电弧物理2.62.6、阴极现象、阴极现象2.6.1 2.6.1 阴极区概论阴极区概论2.6.2 2.6.2 阴极压降阴极压降 碰撞电离碰撞电离 热电离热电离 场致电离场致电离 ( (低势垒材料：铜，冷阴极低势垒材料：铜，冷阴极) )电弧物理电弧物理2.62.6、阴极现象、阴极现象2.6.1 2.6.1 阴极区概论阴极区概论2.6.2 2.6.2 阴极压降阴极压降 VKK随着电流的增加而减小，随着电流的增加而减小，但在大电流时，阴极压降与但在大电流时，阴极压降与气压无关，为一定值：气压无关，为一定值：66.50.775V。电弧物理电弧物理2.62.6、阴极现象、阴极现象2.6.3 2.6.3 阴极斑点及其电流密度阴极斑点及其电流密度阴极斑点的形成条件阴极斑点的形成条件: :1 1具有发射电子的条件场发射和热发射）具有发射电子的条件场发射和热发射）2 2电弧通过该点时弧柱能量消耗最小电弧通过该点