第一章焊接电弧.ppt

1、熔焊方法及设备,主讲教师：林文光,第一章 焊接电弧,本章将讲述有关焊接电弧的基础理论知识，包括电弧的物理本质、导电机构、电特性、产热机构和产力机构，以及影响焊接电弧稳定性的因素等。,1.1焊接电弧的物理基础,1.1.1电弧的物理本质 电弧是一种气体放电现象。是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。 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介质到达另一极的导电现象（图1-1）。,图1-1 电弧示意图,图1-2 气体放电的伏安特性曲线,非自持放电区和自持放电区。 非自持放电:参加导电的带电粒子是外界直接输入或外加措施造成,取消外加措施放电停止.导电本身

2、不能产生带电粒子. 自持放电:导电过程本身可以产生带电粒子,只需在放电开始时需要外加措施,进行点燃一旦放电开始,取消外加措施放电过程仍可继续进行.,在自持放电区间,有三种放电形式:暗放电,辉光放电,电弧放电. 从电弧的物理本质来看，它是一种在具有一定电压的两电极之间的气体介质中所产生的电流最大、电压最低、温度最高、发光最强的自持放电现象。,1.1.2 电弧中带电粒子的产生,两电极之间要产生气体放电必须具备两个条件，一是必须有带电粒子，二是在两极之间必须有一定强度的电场。 带电粒子的产生：主要是依靠电弧中气体介质的电离和电极的电子发射两个物理过程产生的。,1.气体的电离,电离：在外加能量的作用下

3、，使中性气体分子或原子分离成为正离子和电子的现象 电离能：中性的气体粒子失去电子所需的最低外加能量 电离能通常以电子伏（eV）为单位，1电子伏就是1个电子通过1V电位差的空间所获得的能量，其数值为1.610-19J。为了便于计算，常把以电子伏为单位的能量转换为数值上相等的电压来处理，单位为伏（V），此电压称为电离电压。电弧气氛中常见气体的电离电压如表1-1所示。,表1-1 常见气体的电离电压,续表1-1,注：括号内的数字依次为二次、三次、电离电压。,一次电离：原子（分子）失去第一个电子，所发生的电离称为一次电离。 第一电离能：使中性气体粒子失去第一个电子所需要的最低外加能量。,激励:当中性气体

4、分子或原子受到外加能量的作用不足以使电子完全脱离气体分子或原子，而使电子从较低的能级转移到较高的能级的现象。 通过加热、电场作用或光辐射均可产生激励现象。由于产生激励时电子尚未脱离分子或原子，因此气体分子或原子对外仍呈中性，但是激励状态是一种非稳定状态，它存在的时间很短暂。,激励电压:使中性气体分子或原子激励所需要的最低外加能量称为最低激励能，若以伏为单位来表示，则称为激励电压。 表1-2是常见气体粒子的最低激励电压。激励电压越小，说明这种气体分子或原子越容易发生激励。,能量传递途径,碰撞传递:气体粒子通过碰撞而传递能量的途径. 弹性碰撞:粒子之间不发生内能的交换,碰撞的结果只发生速度的改变.

5、 非弹性碰撞:粒子之间有内能的交换.当中性粒子之间进行非弹性碰撞时,由于它们的质量相近,最多将原动能的一半传递给对方.当电子与原子,分子进行非弹性碰撞时,电子的动能几乎可以全部传递给原子或分子,可能引起对方发生电离或激励. 光辐射传递:中性气体粒子直接接受外界以光量子的形式所施加的能量.,（2）电离的种类 根据外加能量种类的不同，电离可以分为以下三类 1）热电离 气体粒子受热的作用而产生的电离称为热电离。 其实质是气体粒子由于受热而产生高速运动和相互之间激烈碰撞而产生的一种电离。,电离度,电离度:单位体积内被电离的粒子数与气体电离前粒子总数的比. X=电离后的电子或离子的密度/电离前的中性粒子

6、的密度 电弧焊时为提高电弧稳定性,只需加少量低电离电压物质则可获得显著的效果.,热解离,热解离:气体分子在热的作用下分解为原子的现象. 解离能:气体分子产生热解离所需要的最低能量。 解离能小于电离能 先解离,后电离,是吸热反应.,2）场致电离 当气体中有电场作用时，气体中的带电粒子被加速，电能被转换为带电粒子的动能，当其动能增加到一定程度时，能与中性粒子产生非弹性碰撞，使之电离，这种电离称为场致电离。,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。 光电离是产生带电粒子的次要途径,2.电子的发射,电子发射：电极表面接受一定外加能量作用，使其内部的电子冲破电极表面的束缚而飞到电

7、弧空间的现象。 逸出功：使一个电子从电极表面飞出所需要的最低外加能量（Ww）， 几种金属及其氧化物的逸出电压如表1-4所示。,表1-4 几种金属及其氧化物的逸出功,由表中可以看出，当金属表面附有其氧化物时，电子逸出功均会减小,根据外加能量的不同形式，电子发射有以下几种： （1）热发射 金属表面承受热作用而产生电子发射的现象称为热发射。 （2）场致发射 当阴极表面空间有强电场存在时，金属电极内的电子在电场静电库仑力的作用下，从电极表面飞出的现象称为场致发射。,（3）光发射 当金属电极表面接受光辐射时，电极表面的自由电子能量增加，当电子的能量达到一定值时能飞出电极的表面，这种现象称为光发射。 （4

8、）粒子碰撞发射 高速运动的粒子（电子或正离子）碰撞金属电极表面时，将能量传给电极表面的电子，使电子能量增加并飞出电极表面，这种现象称为粒子碰撞发射。,3产生负离子,负离子：在一定条件下一些中性原子或分子吸附一个电子而形成负离子。 (1) 内部的能量不是增加而是减少 (2)电弧边缘易形成负离子 （3）负离子较多，电弧的 稳定性降低,（1）扩散 扩散方向：电弧中心电弧边缘 扩散结果：弧柱中心区带点粒子减少 （2）复合 正的带电粒子和负的带电粒子结合成中性的原子或分子 a电子与正离子的复合 b负离子与正离子的复合,4. 电弧中带电粒子的消失,1.2焊接电弧的产生过程,两种引弧方式： 接触式引弧和非接

9、触式引弧。,接触式引弧,三个阶段： 短路阶段 分离阶段 燃弧阶段,非接触式引弧,非接触式引弧是指在电极与焊件之间存在一定间隙，施以高电压击穿间隙，使电弧引燃的方法，常用于钨极氩弧焊、等离子弧焊等。,1.3 焊接电弧的构造及其导电机构,一、 焊接电弧的构造 焊接电弧是由阴极区、阳极区和弧柱区三部分构成的。,对于每一个焊接电弧,电弧的电压Ua都等于阴极电压降UK 、弧柱电压降UC和阳极电压降VA之和,即 Ua=Uk+Uc+UA,2.弧柱区的导电机构,1 弧柱区的 温度 500050000K 2 弧柱电流的组成 电子、正离子和负离子，负离子比例很小可忽略 弧柱电流由电子流和正离子流组成,弧柱中，电子

10、和正离子的空间密度是相等的 弧柱中,电子流和离子流所占的比例是不同的,电子流大约占99.9%,而正离子流仅占0.1%左右。 弧柱中正离子的存在对弧柱的性质有决定性的作用。,三、阴极区的导电机构,阴极附近的区域称阴极极区. 任务:向弧柱区提供所需的电子流,接受有弧柱送来的正离子流. 阴极区的导电机构分为三大类: 热发射型阴极区导电机构, 电场发射型阴极导电机构 等离子阴极导电机构.,1.热发射型阴极区导电机构,特点: (1)向弧柱提供的电子流主要依靠热发射. (2)没有阴极斑点.(无亮点,阴极表面导电区域的电流密度与弧柱区相近) (3)阴极压降小.,2.场致发射型阴极导电机构,小电流的钨和碳电极

11、,熔点较低的铜铁等电极多属此类. 如果阴极的热电子发射不足,当然会在阴极附近造成阳离子过剩,产生正的空间电荷.使离阴极表面非常近的地方形成较高的电场强度. 正电场的作用： a.由于正电场的存在,可使阴极产生电场发射,向弧柱提供电子流. b.设阴极压降为Uk,从阴极跑出的电子在阴极区的终端降得到大小为Uk的动能,碰撞中性粒子就会发生电离,电离产生的电子同初始形成的电子一起向弧柱运动,而正离子则向阴极运动. c.正离子到达阴极,把它的能量传给阴极,使阴极表面能量增加,进一步加强阴极的热发射.,3.等离子型阴极导电机构,低气压钨极氩弧焊或使用冷阴极、小电流时容易产生的一种导电机构。 阴极的温度低不能

12、热发射,当电弧空间压力低时,阳极压降区大,使阴极电场强度下降. 在这种情况下,在阴极的前方会出现一个很亮的球形区域,温度很高,有时甚至接近10000K,在此处能产生强烈的热电离。,四.阳极区的导电机构,1.任务:接受弧柱流过来的0.999I的电子流.并接受弧柱提供0.001I的正离子流. 2.阳极区是如何提供正离子的? a.阳极区的场致电离. b. 阳极区的热电离. 当电流超过50安时,阳极压降可降到很小数值.,五. 阴极斑点和阳极斑点,1.阴极斑点 阴极上电流密度集中的地方出现的光亮斑点 特点: a.电流密度很高,温度很高. b.阴极斑点有自动跳向温度高,热发射强的物质上的性能.,2. 阳极

13、斑点,阳极上电流集中的地方出现的光亮斑点称阳极斑点. 形成条件:该点有金属的蒸发.电弧通过该点进入阳极时,消耗最低的能量. 特点:阳极斑点有自动避开氧化模的倾向.,五 最小电压原理 最小电压原理的含义是: 在电流和周围条件一定的情况下,稳定燃烧的电弧将自动选择一适当的断面,以保证电弧的电场强度具有最小的数值,即在固定弧长上的电压最小。这意味着电弧总是保持最小的能量消耗。,1.4 焊接电弧的电特性,焊接电弧的电特性主要指的是焊接电弧的静特性和焊接电弧的动特性。,1. 焊接电弧的静特性,焊接电弧的静特性是指在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧时，焊接电流与电弧电压变化的关系，也称伏

14、-安特性。 当焊接电流在很大范围内变化时，焊接电弧的静特性曲线是一条呈U型的曲线，也称为U型特性。图1-10是实测的钨极氩弧焊的静特性曲线。,图1-10 W电极-CU 母材之间的TIG电弧静特性曲线,2.影响电弧静特性的因素,(1)电弧长度的影响:弧长增大Ua要增大. (2)周围气体种类的影响: 包括气体的电离电压和气体的导热系数. 电离电压增大E增大U也增大 导热系数增大E增大U也增大. 相比之下,气体导热系数的影响更为显著,3.焊接电弧的动特性,焊接电弧动特性的定义：对于一定弧长的电弧，当电弧电流发生连续快速变化时，电弧电压与电流瞬时值之间的关系，称为焊接电弧的动特性。它反映了电弧的导电性

15、对电流变化的响应能力。 当焊接电弧燃烧时，恒定不变的直流电弧不存在动特性问题，只有交流电弧和电流变动的直流电弧（如脉冲电流，脉动电流，高频电流等）存在动特性问题。,1.5.1 焊接电弧的产热机构,1.5 焊接电弧的产热及温度分布,1.阴极区的产热 由于弧柱区进入阴极区的正离子流很小,只有0.001I,可将它忽略。 阴极区提供的电子流占弧柱总电流的99.9%.可认为Ie =I,阴极区得到的能量:一个电子从阴极发射出来通过阴极压降所获得的能量是Uk 。从阴极发射出来的这些电子获得的总能量为 IUk 。 阴极区消耗的能量:从阴极表面逸出一个电子要消耗一个电子逸出功的能量Uw, 从阴极发射出来这些电子

16、共消耗IUw 。 电子流离开阴极进入弧柱区时,他要具有与弧柱温度相适应的热能,设 UT 为电弧弧柱温度的等效电压。即一电子从阴极区进入弧柱区后它所带走的能量为 UT ,共带走能量为IUT 。 阴极区的能量平衡 PK = I (UK-UW-UT) (1-11) Pk是阴极区的总能量; Uk是阴极压降; Uw是电子逸出功;,2.阳极区的产热 阳极接受电子流时可得到以下三部分能量: （1）电子流穿过阳极区时被阳极压降UA加速，获得的能量IUA； （2）电子流被拉进阳极时,释放出的逸出功IUw； （3）电子流从弧柱带来的与弧柱温度相对应的热能IUT。 因此,阳极区所得到的热能PA为： PA =I(UA

17、+UW+UT) (1-12),3.弧柱区的产热 可以认为，从电场吸收能量并转换成热能这个工作几乎全是电子做的 宏观温度 带电粒子的运动 一般大气中的电弧放电，由碰撞进行的能量交换已很充分 能量问题： PC=IUC,弧柱区的热能在一般情况下不能直接作用于电极或母材,主要是通过对流、辐射和传导散失在周围气体中。一般电弧焊时,对流损失约占总损失的80%以上，辐射损失为10%左右，而传导的损失是很少的。 当电流一定时，弧柱的产热量因热损失的大小而自行调整。,1.5.2 焊接电弧的温度分布,1. 焊接电弧轴向温度分布 焊接电弧轴向温度分布： 焊接电弧径向温度分布: 电弧纵断面等温线：,图1-22电弧径向

18、温度分布示意图 a)w-cu电极间电弧等温线,电流200A，电压14.2v b)200A碳弧等温线,图1-23 不同电流时电弧径向温度分布,1.6 焊接电弧力及其影响因素 焊接电弧燃烧时,不仅能产生热，而且能产生机械作用力,包括电磁收缩力、等离子流力、斑点压力等,这些力统称为焊接电弧力。焊接电弧力对熔滴过渡、熔深尺寸、焊缝成形、飞溅大小,以及焊缝的外观缺陷(如咬肉、焊瘤、烧穿等)均产生很大的影响。,1.6.1 焊接电弧力 焊接时,焊接电弧能产生以下机械作用力: 1.电磁收缩力 任何一根载流导体都会在其周围产生磁场, 把第二根载流导体平行地置于第一根导体附近时,每根导体周围都有两个磁场作用, 这

19、两个磁场作用的结果会产生力。,如果两个导体通以同方向电流,将产生吸引力； 如果电流方向相反，则产生排斥力。 由磁场的相互作用而产生的力称为电磁力。 由于两个导体电流方向相同而产生的吸引力称为电磁收缩力, 焊接电弧可以看成是由许多平行的电流线组成的导体。这些电流线之间也将产生相互吸引力,使导体断面产生收缩趋势,如图1-24, 1-25所示,图1-24 导体的电磁力,图 1-25 液态导体电磁力的收缩效应,假设电流为圆柱体:同时假设其电流均匀分布。导体内任一半径处的电磁力为 Pr =K(I2/R4)（R2-r2） （1-14） 公式先求出r处的磁场强度。然后用安培定律求出电磁力。 r Pr r=R

20、 时， Pr=0 导体中心轴上的径向压力为P0=K（I2/R2）,焊接电弧是断面直径变化的圆锥状的气体导体,其模型如图1-26所示， 由式(1-14)可知,直径不同将引起压力差,从而产生由电弧指向焊件的推力F推,其方程为: F推 =KI2ln(Rb/Ra) 式中，Rb是锥形弧柱下底面半径；Ra是锥形弧柱上底面半径。,图1-26 焊接电弧模型,2. 等离子流力 (电弧动压力) 由电弧推力引起的等离子气流高速运动所形成的力称为等离子流力,也称为电弧动压力。,图1-28 电弧等离子气流的产生,影响因素: 离电弧轴心越近等离子流力越大。 电流越大中心线上的等离子流力越大。 当钨极氩弧焊的钨极锥角较小、

21、电流较大时,或熔化极氩弧焊采用射流过渡工艺时, 等离子流力很显著,容易形成如图1-29b所示的指状熔深焊缝。,图1-29 焊缝形状示意图 a)主要由电弧静压力决定的碗状熔深 b) 主要由电弧动压力决定的指状熔深,3. 斑点压力 当电极上形成斑点时,由于斑点上导电和导热的特点，在斑点上将产生斑点压力。斑点压力包括以下几种力:,（1） 正离子和电子对电极的撞击力,(2）电磁收缩力,（3） 电极材料蒸发产生的反作用力,图1-29 斑点的电磁收缩力,综上,在通常情况下阴极斑点压力大于阳极斑点压力。,1.6.2 焊接电弧力的影响因素,1 焊接电流和电弧电压 当增大焊接电流时,电弧力显著增加， 电弧电压升

22、高时,意味着电弧长度增加,使电弧力降低,图1-30 MIG电弧的电弧力与电流的关系,图1-31 电弧力与弧长的关系,2.焊丝直径 当焊接电流相同时, 焊丝直径越小,电流密度越大,因此电弧电磁力越大。同时,造成电弧锥形越明显,等离子流力越大,使总的电弧力增大,如图1-32所示。,图1-32 电弧力F与焊丝直径的关系,3. 电极的极性 不同焊接方法对电弧力的影响不同。 熔化极气体保护焊,当采用直流正接时,电弧力较小 焊丝接负,电弧中正离子对熔滴的冲击比较大,有较大的斑点压力作用在熔滴上,不利于熔滴过渡,且熔滴容易长大,但不能形成很强的电磁力和等离子流力,因此电弧力较小,如图1-33所示。,图1-3

23、3 MIG焊电弧力与焊丝极性的关系,对于钨极氩弧焊,由于通常情况下阴极区收缩的程度比阳极区大,因此当采取正接时将形成锥度较大的锥形电弧,产生的轴向推力大,电弧压力也大,如图1-34所示。,图1-34 钨极氩弧焊电弧力与电极极性的关系,4.气体介质 导热性强的气体，或分子是由多原子组成的气体消耗的热能多,能引起电弧的收缩,因而导致电弧力的增加,如图1-35所示。 气体流量增加时，也会引起电弧收缩,导致电弧力增加。,图1-35 电弧力与气体介质的关系,5.钨极端部的几何形状 如图1-36所示,当角度为45度时具有最大的电弧压力。,图1-36 电弧力与电极端部角度的关系,6.电流的脉动 当电流以某一

24、规律变化时,电弧压力也相应的发生变化。低频脉冲焊时,电弧压力随电流的变化而变化,如图1-37所示。对于工频交流钨极氩弧焊,其电弧压力低于直流正接时的压力,而高于直流反接时的压力。,图 1-37 脉冲电流下电弧力的变化,1.7 焊接电弧的稳定性及其影响因素,1.7.1焊接电弧的稳定性 焊接电弧的稳定性是指焊接时电弧保持稳定燃烧的程度,1.7.2 焊接电弧稳定性的影响因素 影响焊接电弧稳定性的因素很多,除了操作人员技术熟练程度以外，还有以下因素: 1.焊接电源 焊接电源的空载电压越高，越有利于场致发射和场致电离,因此电弧的稳定性越高。,2.焊接电流和电弧电压 焊接电流大时电弧更为稳定。 电弧电压增大意味着电弧的长度增大, 使电弧的稳定性下降。,3.电流的种类和极性 焊接电流可分为直流、交流和脉冲直流三种类型。其中，以直流电弧为最稳定,脉冲直流次之,交流电弧稳定性最差。,4.焊条药皮和焊剂 当焊条药皮或焊剂中含有较多电离能低的元素(如K、Na、Ca等)或它们的化合物时, 可以提高电弧的稳定性,但是当药皮或焊剂中含有较多电离能比较高的氟化物(如CaF2)、氯化物(如KCl、NaCl)时,由于能降低电弧气氛的电离程度,因而降低电弧的稳定性。,5.磁偏吹 所谓磁偏吹，是指焊接时由于某种原因使电弧周围磁场分布的均匀性受到破坏，从而导致焊接电弧偏离焊丝(或焊条)的轴