《電弧焊與電渣焊》第1章 焊接電弧

電弧焊與電渣焊第1章焊接電弧

本章將講述有關焊接電弧的根底理論知識，包括電弧的物理本質(zhì)、導電機構、電特性、產(chǎn)熱機構、和產(chǎn)力結(jié)構，以及影響焊接電弧穩(wěn)定性的因素等。1.氣體放電現(xiàn)象:氣體放電是指氣體電離。電離氣體具有與通常狀態(tài)下的氣體所不同的性質(zhì)，被稱作等離子體。繼固體、液體、氣體之后的物質(zhì)的第四種存在狀態(tài)，以高導電性為其特征。電弧的本質(zhì)是氣體放電。§1.1焊接電弧的物理根底一、電弧的物理本質(zhì)2.氣體放電形式1)非自持放電特點：需要外加能量2)自持放電特點：不需要外加能量暗放電輝光放電電弧放電特點：電流最大；電壓最低；溫度最高；發(fā)光最強。應用：工業(yè)中廣泛應用來作為熱源和光源。三種形式3.放電形式與電流、電壓的關系二、電弧中帶電離子的產(chǎn)生產(chǎn)生電弧的兩個根本條件：1.有帶電離子2.兩電極之間有一定的電場強度帶電粒子種類正離子負離子電子帶電粒子來源電極的電子發(fā)射擴散及復合電弧中氣體介質(zhì)的電離〔一〕陰極電子發(fā)射陰極電子發(fā)射是電源持續(xù)向電弧供給能量的唯一途徑，也是電弧產(chǎn)熱及中性粒子電離的初始根源。陰極電子發(fā)射種類：1.熱電子發(fā)射〔1〕定義：金屬外表承受熱作用而產(chǎn)生的電子發(fā)射?！?〕過程描述〔3〕熱陰極〔W、C〕和冷陰極〔鋼、Cu及Al等〕2.場致發(fā)射〔1〕定義：陰極外表空間有強電場存在并到達一定程度時，電子獲得足夠能量而沖破電極外表飛入電弧空間?！?〕特點電場存在相當于減小了逸出電壓，所以在較低溫度下可發(fā)射電子。3.光發(fā)射金屬外表受到光照射后，其電子接受某一特定波長光子的能量后提高了自身的能量所產(chǎn)生的電子逸出。高速運動的外部粒子碰撞金屬外表后，把其自身動能傳遞給金屬中的電子，促使其逸出金屬外表，在電弧條件下表現(xiàn)為正離子對陰極的碰撞。4.粒子碰撞發(fā)射2.分類〔根據(jù)外加能量種類〕熱電離場電離光電離〔二〕氣體電離1.定義在外加能量的作用下，使中性氣體分子或原子別離成為正離子和電子的現(xiàn)象。1.帶電粒子的擴散帶電粒子在定向運動過程中出現(xiàn)從電弧內(nèi)部向外部周邊區(qū)域的移動；在電弧形態(tài)上表現(xiàn)出擴展形態(tài)；不會造成電弧整體電荷密度的均一分布；擴散使得電弧中帶電粒子的分布處于相對的動平衡狀態(tài)。2.帶電離子的復合電子與正離子相遇后重新結(jié)合成中性粒子；主要出現(xiàn)在電弧溫度較低的區(qū)域,以電弧外圍區(qū)域表現(xiàn)更為頻繁；是一項重要的電弧行為,對電弧熱量平衡和導電性造成影響；帶走熱量?！踩畴娀≈袔щ婋x子的消失§1.2焊接電弧的產(chǎn)生過程

電弧焊時，僅僅把焊接電源電壓加到電極與焊件兩端是不能產(chǎn)生電弧的，首先需要在電極與焊件之間提供一個導電的通道，才能引燃電弧。兩種引弧方式:

接觸式引弧非接觸式引弧1.定義2.引弧的三階段〔1〕短路階段〔2〕別離階段〔3〕燃弧階段3.應用一、接觸式引弧焊條與焊件短路時的接觸狀態(tài)1.定義2.引弧的兩階段〔1〕激發(fā)階段〔2〕燃弧階段3.引弧高壓種類〔1〕高頻高壓〔2〕高壓脈沖4.應用二、非接觸式引弧高頻高壓引弧電壓波形高壓脈沖引弧電壓波形§1.3焊接電弧的構造及導電機構一、焊接電弧的構造：陰極區(qū)、陽極區(qū)和弧柱1、陰極區(qū)：長度極短、電壓較大、E〔電場強度〕極高2、陽極區(qū)：長度也極短、電壓較大、E極高3、弧柱區(qū)長度根本上等于電弧長度，E較小二、陰極區(qū)的導電機構

所謂導電機構就是指帶電粒子產(chǎn)生、運動方式?！惨弧酬帢O區(qū)在導電過程中的作用1、產(chǎn)生弧柱區(qū)導電所需要電子流Ⅰe=0.999Ⅰ2、接收弧柱區(qū)來的正離子流Ⅰ+=0.001Ⅰ〔二)陰極區(qū)在導電機構分類1、熱發(fā)射型2、場至發(fā)射型3、等離子型1.熱發(fā)射型〔1〕產(chǎn)生條件：W、C陰極，且電流很大〔2〕帶電粒子的產(chǎn)生方式：熱發(fā)射熱陰極：弧柱導電所需要的電子可完全由熱發(fā)生來產(chǎn)生的陰極。冷陰極：熱發(fā)射能力缺乏的陰極。熱陰極材料：熔點高的材料

冷陰極材料：熔點低的材料?！?〕特點：無陰極區(qū)、無陰極壓降Uk。2.場致發(fā)射型〔1〕條件：〔a〕W、C陰極、且Ⅰ較小 〔b〕AI、Fe、Cu作陰極〔2〕帶電離子產(chǎn)生方式〔a〕場發(fā)射；〔b〕場電離；〔c〕熱發(fā)射；〔d〕碰撞發(fā)射。〔3〕特點：〔a〕陰極附近存在一個正電荷區(qū)；〔b〕fe<0.999Ⅰ、f+>0.001Ⅰ；〔c〕陰極區(qū)斷面收縮；〔d〕陰極外表上產(chǎn)生陰極斑點。++++++++++++++++++++++------+++++-----Uk陰極區(qū)弧柱區(qū)陰極熱發(fā)射場發(fā)射碰撞發(fā)射場電離0.999I電場發(fā)射型導電機構〔1〕條件：〔a〕W、C熱陰極，且I較?。夯駻I、Fe、Cu冷陰極；〔b〕氣壓較小，Uk<Ui?！?〕帶電粒子產(chǎn)生方式：熱電離〔3〕特點：〔a〕陰極附近存在一個正電荷區(qū)；〔b〕fe<0.999Ⅰ、f+>0.001Ⅰ；〔c〕陰極區(qū)斷面收縮；〔d〕陰極外表上產(chǎn)生陰極斑點。3.等離子型導電機構三、弧柱區(qū)的導電機構1.帶電粒子的產(chǎn)生〔1〕電離：熱電離、光電離和場致電離〔2〕陰極區(qū)注入的電子〔3〕陽極區(qū)注入的正離子2.帶電離子的運動〔1〕A+沖向陰極→正離子流IA+〔2〕e沖向陽極→電子流Ie I=IA++Ie 其中：IA+=0.1%I；Ie=99.9%I3.特點： 〔1〕電中性；〔2〕E小、Ua小。四、陽極區(qū)的導電機構〔一〕陽極區(qū)在導電過程中的作用1.接收弧柱區(qū)來的電子流Ie=0.999I2.產(chǎn)生弧柱區(qū)所需要的正離子流IA+=0.001I〔二〕電離方式1.熱電離2.場致電離1.熱電離〔1〕產(chǎn)生條件：I較大〔2〕帶電離子產(chǎn)生方式：熱電離〔3〕特點：〔a〕陽極壓降小，甚至為0〔b〕不存在陽極斑點。2.場致電離〔1〕產(chǎn)生條件：I較小〔2〕帶電粒子的產(chǎn)生方式：熱電離、場電離〔3〕特點：〔a〕有陽極區(qū)，發(fā)生收縮；〔b〕Ua較大；〔c〕有陽極斑點。陽極區(qū)帶電粒子的運動情況和電位分布示意圖五、最小電壓原理1.定義電流一定和周圍條件一定時，穩(wěn)定燃燒的電弧各導電區(qū)的半徑〔溫度〕應使電弧電場強度最小，即電弧電壓最小。2.含義〔1〕電場強度是溫度或電弧斷面半徑的函數(shù)E=f〔T〕 E=f〔r〕〔2〕電弧半徑穩(wěn)定值r*由E的最小值E*確定§1.4焊接電弧的電特性焊接電弧的電特性主要指的是焊接電弧的靜特性和焊接電弧的動特性。一、焊接電弧靜特性1.定義在某一弧長的條件下，在穩(wěn)定的保護氣流量和電極條件下，改變電弧電流數(shù)值，在電弧到達穩(wěn)定狀態(tài)下，所對應的電弧電壓曲線。焊接電弧的靜特性曲線是一條呈U型的曲線，分三個區(qū)：下降特性區(qū)〔小電流，負阻性〕、平特性區(qū)〔中等電流，電壓不變〕和上升特性區(qū)〔大電流，正阻性〕。2.負載特性—非線性負載〔U型曲線〕3.各區(qū)電壓降Uc弧柱區(qū)電壓降與焊接電流關系UA陽極區(qū)電壓降與焊接電流關系AK陰極區(qū)電壓降與焊接電流關系二、焊接電弧的動特性1.定義：

對于一定弧長的電弧，當電弧電流發(fā)生連續(xù)快速變化時，電弧電壓與電流瞬時值之間的關系。反映了電弧的導電性對電流變化的響音能力。

說明：只有交流電弧和電流變動的直流電弧存在動特性問題。2.交流電弧的動特性PQR是電流從零增加到最大值期間的電弧電壓曲線；RST是電流從最大值減小到零期間的電弧電壓曲線；交流電弧動特性呈回線形狀。

PQR曲線與RST曲線越接近，反映電弧中帶電粒子濃度越穩(wěn)定，電弧的穩(wěn)定性越好。3.電流變動的直流電弧的動特性

電弧動特性呈回線形狀。電流變動的直流電弧動特性曲線的形狀隨電流脈沖峰值和變化速率變化，相同弧長下，電流脈沖峰值越大，其回線越長；脈沖電流的變化速率di/dt越大，其回線包圍的面積越大。電流峰值大，di/dt＝3600kA/s電流峰值小，di/dt＝2500kA/s§1.5焊接電弧的產(chǎn)熱及溫度分布一、焊接電弧的產(chǎn)熱機構〔一〕陰極區(qū)的產(chǎn)熱1.本質(zhì)：產(chǎn)生電子、接受正離子的過程中有能量變化，這些能量的平衡結(jié)果就是產(chǎn)熱，由三局部組成：〔1〕電子逸出陰極時消耗能量：-IUw〔2〕電子進入弧柱前被電場〔Ek〕加速得到一局部能量： +IaUk〔3〕電子進入弧柱時帶走的能量：-IUT〔溫度等效電壓〕2.產(chǎn)熱公式Pk=I〔Uk-Uw-UT〕3.作用：用于加熱陰極〔二〕陽極區(qū)的產(chǎn)熱機構1.本質(zhì)：接受電子、產(chǎn)生A+過程中伴隨的能量轉(zhuǎn)換，由三局部組成：〔1〕e被UA加速所得到的能量：+eUA〔2〕電子帶來的逸出功：+IUw〔3〕電子帶來的相當于弧柱溫度那局部能量+IUw2.產(chǎn)熱公式 PA=I〔UA+Uw+UT〕3.作用 用于加熱陽極〔三〕弧柱的產(chǎn)熱機構1.本質(zhì)：A+、e在電場作用下被加速、使其動能增大的過程。其宏觀表現(xiàn)即為溫度上升→產(chǎn)熱。由于運動速度，自由程度不同，A+、e得到的能量不同，TA+、Te、TA-有可能不同。電子動能：定向運動動能—Ie散亂運動動能—熱運動，表現(xiàn)為熱能。2.產(chǎn)熱量Pc=IaUa主要用于散熱損失：對流、幅射、傳導。3.影響因素 不僅取決于電流，但凡影響Ua的因素均影響弧柱的產(chǎn)熱。二、焊接電弧的溫度分布1.焊接電弧軸向溫度分布兩極區(qū)低弧柱區(qū)高2.焊接電弧徑向溫度分布

中心高四周低3.影響弧柱溫度的因素〔1〕電流，Ia↑T↑；〔2〕氣體介質(zhì)：導熱系數(shù)↑，熱解離↑；T↑〔3〕電極材料；〔4〕拘束度越大，電弧溫度越高?！?.6焊接電弧力及其影響因素一、焊接電弧力1.電磁收縮力通過電弧〔熔滴〕的電流線之間的相互吸引力，對電弧或熔滴起著壓縮作用，該力被稱為電磁收縮力。導體的電磁力液態(tài)導體電磁力的收縮效應2.等離子流力〔1〕定義：連續(xù)不斷的氣流，稱作等離子氣流，到達工件外表時形成附加的一種壓力，稱作等離子流力?！?〕等離子流力與等離子氣流的速度、焊接電流值、電極狀態(tài)、電弧形態(tài)、電弧長度等有關。電弧等離子氣流的產(chǎn)生3.斑點壓力當電極外表上形成斑點時，因斑點的導電和導熱特點，在斑點上產(chǎn)生斑點壓力，包括3種力。陰極斑點力大于陽極斑點力?！?〕帶電粒子撞擊力陰極：A+撞擊大陽極：e撞擊小〔2〕蒸發(fā)反力陰極：T高，力大陽極：T低，力小〔3〕電磁收縮力陰極：大陽極：小焊絲、熔滴及電弧中電流線分布二、焊接電弧力的影響因素1.電弧電流及電弧電壓 電流增大，電弧力增大；電壓增大，電弧力減小。2.焊絲直徑 直徑越小，電弧力越大3.電極的極性

TIG焊時，電弧力大；而熔化極氣體保護焊焊正好相反。4.氣體介質(zhì)

導熱好，易解離的氣體，電弧力大，特別是斑點力較大。5.電流的脈動

工頻交流鎢極氬弧焊，其電弧力低于直流正接時的壓力，高于直流反接時的壓力。6.鎢極端部幾何形狀鎢極端部角度為45度時具有最大的電弧力?！?.7焊接電弧穩(wěn)定性及影響因素一、焊接電弧穩(wěn)定性及評判1.定義：焊接時電弧保持穩(wěn)定燃燒的程度。2.穩(wěn)定性好的評判：長時間連續(xù)燃燒，不產(chǎn)生斷弧，不產(chǎn)生漂移和磁偏吹等，電壓和電流穩(wěn)定。3.穩(wěn)定性差的表現(xiàn)：焊接過程無法進行，不僅使焊接過程無法進行，而且能大大降低焊縫的內(nèi)在質(zhì)量。二、焊接電弧穩(wěn)定性的影響因素⒈焊接電源⑴焊接電源的特性電