焊接方法与设备-1焊接电弧讲解ppt课件

1、电弧的作用的二个：电弧的作用的二个：产力和产热产力和产热从简单的焊接系统来看从简单的焊接系统来看 弧弧 焊焊 电电 源源一、电弧的放电特点一、电弧的放电特点+-IaUa+电弧放电电弧放电非自持放电暗放电非自持放电暗放电自持放电自持放电辉光放电辉光放电(日光灯日光灯)电弧放电电弧放电(强光、高温、低压大电流强光、高温、低压大电流) 电弧是由两个电极和它们之间的气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体空间组成。电弧中的带电粒子主要依托两电极之间的气体电离和电极发射电托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，同时也伴随子两个物理过程所产生的，同时也伴随着解

2、离、鼓励、分散、复合、负离子的着解离、鼓励、分散、复合、负离子的产生等过程。产生等过程。二、电弧中带电粒子的产生二、电弧中带电粒子的产生一气体的电离一气体的电离 1.电离与鼓励电离与鼓励n电离：在一定条件下中性气体分电离：在一定条件下中性气体分子或子或 原子分别为正离子和电子的原子分别为正离子和电子的景象称为电离。景象称为电离。n主要问题：电离、电离能、多级主要问题：电离、电离能、多级电离、多组分电离、电离与电弧电离、多组分电离、电离与电弧稳定性关系。稳定性关系。1.电离与鼓励电离与鼓励+e二级电离二级电离一级电离一级电离+en鼓励鼓励n 当中性粒子接受外来能量的作当中性粒子接受外来能量的作用

3、还缺乏以使电子完全脱离气体原用还缺乏以使电子完全脱离气体原子或分子时，但能够使电子从较低子或分子时，但能够使电子从较低的能级转移到较高的能级，这种景的能级转移到较高的能级，这种景象称为鼓励。表征鼓励才干用鼓励象称为鼓励。表征鼓励才干用鼓励电压。电压。n主要问题：鼓励能、鼓励与电离关主要问题：鼓励能、鼓励与电离关系、鼓励作用系、鼓励作用1.电离与鼓励电离与鼓励2.能量传送方式能量传送方式 1-1 电弧的导电机理电弧的导电机理n碰撞传送碰撞传送n 粒子之间以相互碰撞传送能量的方粒子之间以相互碰撞传送能量的方式称为碰撞传送。式称为碰撞传送。n 弹性弹性 E1+E2=E1+E2 (低动能时低动能时)n

4、 非弹性非弹性 E1+E2=E1+E2+E (高高动能时动能时)n EW鼓励鼓励 发生鼓励发生鼓励n EW电离电离 发生电离。发生电离。 n光辐射传送光辐射传送n 中性气体粒子可以接受外界以光量中性气体粒子可以接受外界以光量子方式所施加的能量，提高其内能并改动其子方式所施加的能量，提高其内能并改动其内部构造，使气体粒子被鼓励或电离。内部构造，使气体粒子被鼓励或电离。 n比较：在电弧熄灭过程中碰撞传送是主要方比较：在电弧熄灭过程中碰撞传送是主要方式式 碰撞 1-1 电弧的导电机理电弧的导电机理 高温下气体粒子受热的作用相互碰撞而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。产生的电离称

5、为热电离。 3.电离种类电离种类mTC81087.1电离电离T1T2T1T2fv热电离热电离电场电离电场电离光电离光电离热电离热电离n电离度电离度n 影响要素：电离度随温度的升高、压力影响要素：电离度随温度的升高、压力的减小，电离电压的减少而添加。的减小，电离电压的减少而添加。 n实效电离度实效电离度n解离解离n 电弧中的多原子气体是由两个以上原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构成的气体原子在热作用下分解为原子的景象称为解离。热解离属吸热反响。子的景象称为解离。热解离属吸热反响。表征才干：解离能。表征才干：解离能。n 主要问题：概念、影响要素、与电离关系、主

6、要问题：概念、影响要素、与电离关系、作用。作用。)exp(1016. 315 . 2722kTeUTpxxin电场电离电场电离n 带电粒子从电场中获得能量，经过碰带电粒子从电场中获得能量，经过碰撞而产生的电离过程称为电场作用下的电撞而产生的电离过程称为电场作用下的电离。离。n自在行程自在行程 ：两次碰撞之间的路程长度。：两次碰撞之间的路程长度。n n n 当某一气体中同时存在中性粒子、离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子和电子时，在一定温度和压力下它们的自在行程分别为：自在行程分别为： n n EeWkgggggggienrnrnr222241:41:1:n

7、光电离光电离n 中性粒子接受光辐射的作用而产生的电中性粒子接受光辐射的作用而产生的电离景象称为光电离。离景象称为光电离。n n 总结：热电离是弧柱部分产生带电粒子总结：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，弧柱因的最主要途径；在普通电弧中，弧柱因E普通普通 为为10V/cm左右，较小，故热电离是主左右，较小，故热电离是主要方式。而阴极和阳极区因要方式。而阴极和阳极区因E约为约为105107v/cm，电场作用的电离才显著；可见光，电场作用的电离才显著；可见光几乎对一切气体都不能直接引起光电离。几乎对一切气体都不能直接引起光电离。电弧弧光可直接对电弧弧光可直接对K,Na,Ca,A

8、L等金属产生等金属产生光电离。光电离。 n ieUh00ciU112360n二电极发射电子二电极发射电子 n金属外表接受一定的外加能量，金属外表接受一定的外加能量，自在电子冲破金属外表的约束而自在电子冲破金属外表的约束而飞到电弧空间的景象。飞到电弧空间的景象。电子发射电子发射热发射热发射电场发射电场发射光发射光发射碰撞发射碰撞发射n1.热发射热发射n热发射：金属外表接受热作用而产生的热发射：金属外表接受热作用而产生的电子发射景象。电子发射景象。n 热阴极热阴极-W、C 电极的最高温度不能电极的最高温度不能超越沸点；超越沸点；n 冷阴极冷阴极-Fe,Cu,Al,Mg.等。等。 n影响要素：温度、

9、材质、外表形状影响要素：温度、材质、外表形状)exp(2kTeUATiwn2.电场发射电场发射n当金属外表空间存在一定强度的正当金属外表空间存在一定强度的正电场时，金属内的自在电子受此电电场时，金属内的自在电子受此电场静电库伦力的作用，当此力到达场静电库伦力的作用，当此力到达一定程度时，电子可飞出金属外表，一定程度时，电子可飞出金属外表，这种景象称电场发射。这种景象称电场发射。n对低沸点资料，电场发射对阴极区对低沸点资料，电场发射对阴极区提供带电粒子起重要作用。提供带电粒子起重要作用。n影响要素：温度、材质、电场大小影响要素：温度、材质、电场大小)(exp02kTeEUeATiwn3.光发射光

10、发射n 当金属外表接受光辐射时，也可使金当金属外表接受光辐射时，也可使金属外表自在电子能量添加，冲破金属外表属外表自在电子能量添加，冲破金属外表的约束飞到金属外面来，这种景象称为光的约束飞到金属外面来，这种景象称为光发射。发射。n he Uw ，K,Na,Ca在可见光。在可见光。光发射在阴极发射中起次要作用。光发射在阴极发射中起次要作用。 n4.粒子碰撞发射粒子碰撞发射n 高速运动的粒子电子或离子碰撞高速运动的粒子电子或离子碰撞金属外表时，将能量传给金属外表的自在金属外表时，将能量传给金属外表的自在电子，使其能量添加而跑出金属外表，这电子，使其能量添加而跑出金属外表，这种景象称为粒子碰撞发射。

11、种景象称为粒子碰撞发射。n 在一定条件下，粒子碰撞发射是电弧在一定条件下，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。阴极区提供导电所需电子的主要途径。wU112360n三带电粒子的消逝三带电粒子的消逝 wihwww2消电离消电离负离子构成负离子构成分散分散复合复合n1.负离子构成负离子构成n 在一定条件下，有些中性原子或分在一定条件下，有些中性原子或分子能吸附一个电子而构成负离子，构成子能吸附一个电子而构成负离子，构成过程中放出热量。表征构成负离子的才过程中放出热量。表征构成负离子的才干，用电子亲和能表示，常见元素的亲干，用电子亲和能表示，常见元素的亲和能见和能见P17表表1-7，从

12、表中可看到，电，从表中可看到，电弧中卤族元素，氧的亲和能大。亲和能弧中卤族元素，氧的亲和能大。亲和能大，电弧气氛中构成的负离子就多，电大，电弧气氛中构成的负离子就多，电弧的导电才干就差。负离子构成普通发弧的导电才干就差。负离子构成普通发生在电弧的外围温度低的区域，中性原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。子或分子捕获运动动能较低的电子。n主要问题：亲和能、影响要素、作用。主要问题：亲和能、影响要素、作用。n2.分散分散n带电粒子由密度高向密度低的地方挪动，带电粒子由密度高向密度低的地方挪动，并趋向密度均匀化，这种景象称为带电并趋向密度均匀化，这种景象称为带电粒子的

13、分散景象。粒子的分散景象。 n3.复合复合n电弧空间的正负带电粒子正离子、负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相离子、电子，在一定条件下相遇而相互结合成中性粒子的过程称为复合，放互结合成中性粒子的过程称为复合，放热反响。热反响。 dxdnDqcD31 1-1 电弧的导电机理电弧的导电机理n复合条件复合条件n n 在电弧中心部分由于温度较高，一切粒在电弧中心部分由于温度较高，一切粒子的热运动能量很高，不能够产生复合。在子的热运动能量很高，不能够产生复合。在电弧周边由于粒子温度较低，动能较小，由电弧周边由于粒子温度较低，动能较小，由于分散作用而存在一部分电子和负离子，假

14、于分散作用而存在一部分电子和负离子，假设这里有正离子分散出来，就能够产生正负设这里有正离子分散出来，就能够产生正负粒子的复合过程。交流电弧时，电流过零的粒子的复合过程。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，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。也将大量产生正负粒子的复合。 0423ekTn三、电弧各区域的导电机构三、电弧各区域的导电机构n一电弧的组成区域一电弧的组成区域 n 阴极区阴极区 10-410-6cmn 弧柱区弧柱区n 阳极区阳极区 10-210-3cmn二弧柱的导电机构二弧柱的导电机构n弧柱温度弧柱温度500050000K热电热电离离

15、n电子质量小，在同样电子质量小，在同样 eE作用下，作用下，速度高，载流才干强，速度高，载流才干强，99.9%，电中性电中性I=0.999Ie+0.001Ii，负离子流可忽略。负离子流可忽略。 e-+n三阴极区的导电机构三阴极区的导电机构n义务：向弧柱提供义务：向弧柱提供0.999Ie ,接接受受0.001II。n阴极区的构成：阴极发射阴极区的构成：阴极发射Iec Ie柱柱 0.999I，那么在阴极，那么在阴极附近构成正电荷集积。附近构成正电荷集积。 弧柱-Iec-+-热发射型热发射型电场发射型电场发射型等离子型等离子型阴极导电机构阴极导电机构n1.热发射型导电机构热发射型导电机构n热阴极大电

16、流，热发射使得热阴极大电流，热发射使得Iec=0.999Ie , 那么那么Uk可以很小，甚至为可以很小，甚至为0。n2.电场发射型导电机构电场发射型导电机构n热阴极小电流，这时靠热发射热阴极小电流，这时靠热发射Iec0.999Ien冷阴极产生较大的冷阴极产生较大的Uk 。-IicIec弧柱-Iec-+-Iicn3.等离子型导电机构等离子型导电机构n 热阴极小电流热阴极小电流 辉光放电辉光放电n 冷阴极冷阴极 Iec0,IicI辉光放电区辉光放电区n四阳极区的导电机构四阳极区的导电机构n义务：向弧柱提供义务：向弧柱提供0.001I=Ii,接纳接纳0.999I的电子的电子n阳极区构成：阳极只能接纳

17、电子阳极区构成：阳极只能接纳电子,普普通不能发射阳离子，使得在导电过通不能发射阳离子，使得在导电过程中在阳极附近程中在阳极附近10-210-3cm出现电子堆积，出现电子堆积，UA。 电场作用下的电离电场作用下的电离热电离热电离阳极导电机构阳极导电机构n1.阳极区电场作用下的电离阳极区电场作用下的电离n 热阴极小电流热阴极小电流 辉光放电辉光放电n 冷阴极冷阴极 Iec0,IicIn2.阳极区热电离阳极区热电离n电流密度大，阳极温度高，阳极发生蒸发，在阳极电流密度大，阳极温度高，阳极发生蒸发，在阳极附近产生热电离提供附近产生热电离提供0.001I的阳离子和的阳离子和0.001I的电的电子流，这时

18、子流，这时UA0。 0.999I0.001I0.001I弧柱n五斑点导电机构五斑点导电机构n1.阴极斑点阴极斑点n阴极经过微小的斑点发射电子，这阴极经过微小的斑点发射电子，这些斑点上的电流密度很高，称为阴些斑点上的电流密度很高，称为阴极斑点。电流密度：极斑点。电流密度：5105107A/cm 2。 n构成条件：阴极上存在热发射和构成条件：阴极上存在热发射和电场收射才干较高的微区电场收射才干较高的微区n 在这些微区导电电弧在这些微区导电电弧耗费能量最小耗费能量最小 n构成阴极斑点的条件决议了焊接过构成阴极斑点的条件决议了焊接过程中一些景象的产生，即阴极外表程中一些景象的产生，即阴极外表上的热发射

19、性能强的物质有吸引电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。度高、热收射强的物质上的性能。假设金属外表有低逸出功的氧化膜假设金属外表有低逸出功的氧化膜存在时，阴极斑点有自动寻觅氧化存在时，阴极斑点有自动寻觅氧化膜的倾向。膜的倾向。 阴极斑点阴极斑点阳极斑点阳极斑点斑点导电斑点导电n2.阳极斑点阳极斑点n 阳极上经过微小斑点传导电流，这阳极上经过微小斑点传导电流，这些斑点电流密度高，斑点区域产生金属些斑点电流密度高，斑点区域产生金属的蒸发。电流密度为的蒸发。电流密度为102103A/cm 2 。n ：阳极上某些点产生

20、金属的蒸发。：阳极上某些点产生金属的蒸发。n 电弧经过这些点可使弧柱耗费电弧经过这些点可使弧柱耗费的能量最少。的能量最少。n 由于阳极斑点的构成条件之一是由于阳极斑点的构成条件之一是金属的蒸发，因此金属外表覆盖氧化膜金属的蒸发，因此金属外表覆盖氧化膜时，同阴极斑点的情况相反，阳极斑点时，同阴极斑点的情况相反，阳极斑点那么有避开氧化膜而去自动寻觅纯金属那么有避开氧化膜而去自动寻觅纯金属外表的倾向。外表的倾向。 构成构成条件条件n四、最小电压原理四、最小电压原理n最小电压原理：对一个与轴线对最小电压原理：对一个与轴线对称的电弧，在电流一定，周围条称的电弧，在电流一定，周围条件一定时，处于稳定熄灭形

21、状的件一定时，处于稳定熄灭形状的电弧，其弧柱直径电弧，其弧柱直径D或温度或温度T应使弧柱的电场强度应使弧柱的电场强度E具有最小值。最小电压原理阐明具有最小值。最小电压原理阐明了电弧在稳定熄灭时，电弧的形了电弧在稳定熄灭时，电弧的形状与其物理参数之间的关系，同状与其物理参数之间的关系，同时也给出了在电流值坚持一定，时也给出了在电流值坚持一定，与其周围条件发生变化时电弧形与其周围条件发生变化时电弧形状和物理参数发生变化的趋向。状和物理参数发生变化的趋向。阴极斑点跳动n一、电弧的产热机构一、电弧的产热机构n一弧柱一弧柱n热源是因带电粒子龙其是电子在外热源是因带电粒子龙其是电子在外加电场的作用下运动，

22、将位能电场能加电场的作用下运动，将位能电场能转变为热能、动能。转变为热能、动能。n普通电弧焊接过程中，弧柱的热量只能普通电弧焊接过程中，弧柱的热量只能有很少一部分热量经过辐射转达给焊条有很少一部分热量经过辐射转达给焊条和工件。当电流较大有等离子流产生时，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等离子流将把弧柱的一部分热量带到工件，添加工件的热量。件，添加工件的热量。 zzIUPn二阴极区的产热机构二阴极区的产热机构n 阴极区的产热量主要用于阴极的加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

23、件的热量主接加热阴极如焊丝或工件的热量主要由这部分能量提供。要由这部分能量提供。 fIKK(1-f)IfI(1-f)I)()()1 ()()(1 (TwkiTTkiwkwkUUUIUUIfIUUfIUUUffIUP 1-2 电弧的产热及温度分布电弧的产热及温度分布n三阳极区的产热机构三阳极区的产热机构n n 阳极产生的热量主要用于阳极的加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。中可以直接利用的能量。 I(UA+UW)-(1-f)I(UT+Ui)I f UT阳极弧柱)()(1 ()(TWAiTTwAAUUUIUUfI

24、UWUIPn二、电弧的热效率二、电弧的热效率n热效率热效率n能量密度：单位有效面积上的热功率能量密度：单位有效面积上的热功率 w/cm2aIUP PP加热工件和焊丝电弧电弧 102104火焰火焰 110 w/cm2电子束电子束 106107 举例举例n三、电弧的温度分布三、电弧的温度分布 金属金属CWFeNiCuAl阴极（阴极（K）350030002400240022003400阳极（阳极（K）420042002600240024003400熔点（熔点（K）3683181217281356933沸点（沸点（K）62033013300328682333n三、电弧的温度分布三、电弧的温度分布n三、

25、电弧的温度分布三、电弧的温度分布n三、电弧的温度分布三、电弧的温度分布n三、电弧的温度分布三、电弧的温度分布n 温度受各区产热和热温度受各区产热和热平衡及电极性能决议，弧柱平衡及电极性能决议，弧柱因散热条件差而温度高，其因散热条件差而温度高，其温度受电极的资料、气体介温度受电极的资料、气体介质、电流大小、弧柱紧缩程质、电流大小、弧柱紧缩程度等影响。电极温度的升高度等影响。电极温度的升高遭到电极资料导热性能、熔遭到电极资料导热性能、熔点和沸点限制。阳极温度普点和沸点限制。阳极温度普通高于阴极。通高于阴极。 n 在焊接过程中，电弧不仅是个热源，也是一个力在焊接过程中，电弧不仅是个热源，也是一个力源

26、。电弧产生的机械作用力对焊缝的熔深、熔池搅拌、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。假设对电弧力熔滴过渡、焊缝成形等都有直接影响。假设对电弧力控制不当，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构成飞溅，甚至产生焊瘤、咬肉、烧穿过渡到熔池而构成飞溅，甚至产生焊瘤、咬肉、烧穿等缺陷。等缺陷。n一、电弧力一、电弧力n 焊接电弧中的作用力统称电弧力，主要包括电磁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。力、等离子流力、斑点压力、短路爆破力等。电弧力电弧力电磁力电磁力

27、 等离子流力等离子流力斑点力斑点力 爆破力爆破力 细熔滴冲击力细熔滴冲击力 1-3 电弧力及其影响要素电弧力及其影响要素n 1.电磁力电磁力n 当电流在一个导体中流过时，整个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，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，这种收缩景象称体断面有收缩的倾向，这种收缩景象称为电磁收缩效应，而作用的力称为电磁为电磁收缩效应，而作用的力称为电磁收缩力或电磁力。收缩力或电磁力。 电极F1F1液态液态导电体的电磁力作用n圆锥状电弧中恣意点圆锥状电弧中恣意点A的压力可

28、由下式决议：的压力可由下式决议：n由电磁收缩力为主所决议的电弧压力作用到由电磁收缩力为主所决议的电弧压力作用到熔池上时，决议了熔池的熔深轮廓和焊缝的熔池上时，决议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成形，这种电弧压力也称为电弧的电磁静压力。力。 )2cos2cosln()cos1(2222lIP焊条母材AL 1-3 电弧力及其影响要素电弧力及其影响要素n 2.等离子流力等离子流力n等离子流力：由等离子流的高速运动产生的气动等离子流力：由等离子流的高速运动产生的气动力，也称电磁动压力。力，也称电磁动压力。n构成缘由：沿电弧轴向存在电磁压力梯度，使得构成缘由：沿电弧轴向存

29、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，构成一股等离子流，同时，又向低压力区流动，构成一股等离子流，同时，又将从上方吸入新气体，被加热电离后继续向低压将从上方吸入新气体，被加热电离后继续向低压处流动。处流动。n 等离子流力除影响焊缝外形外，它还有促进熔等离子流力除影响焊缝外形外，它还有促进熔滴过渡、搅拌熔池、添加电弧的挺度等作用。滴过渡、搅拌熔池、添加电弧的挺度等作用。n 等离子流是由焊条与工件构成锥形电弧而引起等离子流是由焊条与工件构成锥形电弧而引起的，因此与电流种类和极性无关，且运动方向总的，因此与电流种类和极性无关，

30、且运动方向总是由焊条指向工件。是由焊条指向工件。 正离子或电子撞击力正离子或电子撞击力电磁收缩力电磁收缩力金属蒸发反作用力金属蒸发反作用力构成构成富富Ar气体射流过渡焊接时，熔化金属构成延续细滴气体射流过渡焊接时，熔化金属构成延续细滴沿焊丝轴向高速射向熔池，产生很大的冲击力，此沿焊丝轴向高速射向熔池，产生很大的冲击力，此力加上电磁力、等离子流力，极易呵斥指状熔深。力加上电磁力、等离子流力，极易呵斥指状熔深。5.细熔滴冲击力细熔滴冲击力熔滴短路过渡时由电磁收缩力及液柱小桥气化爆断熔滴短路过渡时由电磁收缩力及液柱小桥气化爆断引起，促进短路过渡，但会呵斥飞溅。引起，促进短路过渡，但会呵斥飞溅。4.爆破力爆破力 这三个力中，阴极斑点力均较大；斑点力在一定这三个力中，阴极斑点力均较大；斑点力在一定条件下将妨碍焊条熔化金属的过渡。条件下将妨碍焊条熔化金属的过渡。3.斑点力斑点力n二、影响电弧力的