5金屬焊接電弧

焊接電弧思考題：焊接電弧的導電機理焊接電弧的產(chǎn)熱電弧力及影響因素一、焊接電弧的導電特點金屬導電－－－歐姆定律帶電粒子的定向移動電流5.1焊接電弧的導電機理氣體放電

當氣體中存在帶電粒子，在電場作用下，也會產(chǎn)生導電現(xiàn)象，稱氣體放電

輝光放電雷電電弧放電氣體放電規(guī)律

在較小的電流區(qū)間，氣體導電所需要的帶電粒子不能通過導電過程本身產(chǎn)生，而需要外加措施來造成帶電粒子。

當電流大于一定數(shù)值時，在氣體放電開始時需要外加措施制造帶電粒子，進行誘發(fā)，一旦放電開始，取消外加誘發(fā)措施，放電過程仍可以繼續(xù)下去，放電過程自身能夠產(chǎn)生維持放電所需要的帶電粒子。圖2-3氣體放電的伏安特性非自持放電自持放電電弧

電弧是在一定條件下，電荷通過兩極之間氣體空間的導電過程。是一種氣體放電現(xiàn)象。

能量轉(zhuǎn)換器電能圖2-2電弧示意圖熱能機械能光能特點：低電壓（幾～幾十V）大電流（幾十～千A）高溫（5000～30000K）二、帶電粒子的產(chǎn)生

在一定的條件下，中性氣體分子或原子分離成電子和正離子的現(xiàn)象稱為電離。

1、電離

使中性氣體粒子失去第一個電子所需要的最低外加能量稱為第一電離能。

外加能量第二電離能第三電離能。。。電離能以電子伏特來計量Wi=eUi電離電壓電離能電離電壓金屬電離電壓低分子狀態(tài)可直接電離電離電壓的高低－產(chǎn)生帶電粒子的難易一次電離電壓低者，二次電離電壓不一定低混合氣體中，低電離電壓者優(yōu)先電離常見氣體粒子的電離電壓

Cs3.9VH13.5VH13.5VH215.4VO13.5VO212.2VCsCa2、電離的種類（1）熱電離電離度：氣體中單位體積內(nèi)被電離的粒子數(shù)與原始氣體粒子總數(shù)的比值。（忽略二次電離）Saha公式

由于熱運動而引起的碰撞，從而產(chǎn)生電離稱為熱電離

TPUix實效電離度如果某氣體中混有其他氣體成分時，則電離后電子密度與電離前中性粒子密度之比稱實效電離度。混合氣體的電離電壓稱實效電離電壓。理論與實踐證明，混合氣體的實效電離電壓取決于低電離電壓的物質(zhì)例1（Fe（7.8V)+K(4.3V)例25000K,1atmCa(6.1)+Fe(7.8)+O2(12.2)+N2(15.5)熱解離由于弧柱溫度高，電弧中多原子氣體，由于熱的作用，將分解為原子，稱熱解離。產(chǎn)生熱解離所需要的最低能量稱解離能。熱解離不但影響帶電粒子的產(chǎn)生過程，還對電弧的電性能和熱性能產(chǎn)生影響。電弧電離度一般維持電弧，電子密度為1014cm-3，即實效電離度為10-4數(shù)量級（萬分之一中性粒子電離）。常規(guī)電弧，電離度0.1×10-3～0.12×10-2

數(shù)量級。強冷電弧或大電流，電離度10-1～1數(shù)量級。由于弧柱溫度在5000～3000K,所以熱電離是弧柱部分產(chǎn)生帶電粒子的最主要途徑。等離子體(2)電場電離

當帶電粒子的動能在電場的影響下，增加到足夠高的程度，則可能與中性粒子產(chǎn)生非彈性碰撞而使之電離，稱電場作用下的電離。

中性粒子、離子、電子自由行程之比：弧柱區(qū)E=10V/cm熱電離為主兩極區(qū)E=105～107V/cm

電場電離為主帶電粒子從電場中獲得能量：電子中性粒子產(chǎn)生電離(3)光電離

中性粒子接受光輻射的作用而產(chǎn)生電離的現(xiàn)象稱為光電離。

可見光波長為400～700nm，不會產(chǎn)生光電離電弧光波長為170～500nm，部分可引起K、Na等的電離光電離是電弧中產(chǎn)生帶電粒子的次要途徑。3、電子發(fā)射

電極表面受到外加能量的作用，使其內(nèi)部的電子沖破電極表面的束縛而飛到電弧空間的現(xiàn)象稱為電子發(fā)射。

使一個電子從金屬表面飛出所需要的最低外加能量稱為逸出功（Ww）逸出電壓Uw=Ww/e（V）

金屬表面有氧化膜時，其逸出功降低。鎢合金比純鎢逸出功低。(1)熱發(fā)射電子發(fā)射熱發(fā)射電場發(fā)射粒子碰撞發(fā)射光發(fā)射金屬表面承受熱作用而產(chǎn)生電子發(fā)射現(xiàn)象稱熱發(fā)射。當一個電子從金屬表面飛出，從電極上帶走能量eUw,對金屬表面產(chǎn)生冷氣作用。帶走總能量為IUw。*1.熱發(fā)射與材料表面狀態(tài)有關（A）*2.材料Uw

－－熱發(fā)射*3.材料T

－－熱發(fā)射鎢(5950K),碳(4200K)

熱陰極鋼(3008K),銅(2868K),鋁(2770K),鎂(1375K)冷陰極(2)電場發(fā)射

當金屬表面存在一定強度的正電場時，金屬內(nèi)的電子承受此電場靜電庫侖力的作用，當此力達到一定程度時，電子飛出金屬表面，這種現(xiàn)象稱電場發(fā)射。正電場的存在，相當于降低了材料的逸出功。對電極的冷卻比熱發(fā)射弱。冷陰極時，E可達105～107V/cm,具備電場發(fā)射條件。(3)光發(fā)射

當金屬表面接受光輻射時，金屬表面自由電子能量增加而沖破金屬表面的約束飛到金屬外面來，稱光發(fā)射。只能對K、Na等逸出功較低的金屬產(chǎn)生光發(fā)射，居次要位置。光發(fā)射時，電子接受能量＝帶走能量，不產(chǎn)生冷卻作用。(4)粒子碰撞發(fā)射

高速運動的粒子碰撞金屬表面時，將能量傳遞給金屬表面的電子，使其能量增加而跑出金屬表面，稱光粒子碰撞發(fā)射。正離子碰撞陰極表面粒子動能中和釋放能（電離能）一個與正粒子結(jié)合一個發(fā)射4、負離子的產(chǎn)生在一定條件下，有些中性原子或分子能吸附一個電子而形成負離子。中性粒子吸附電子形成負性粒子，其內(nèi)部能量減少，減少的能量稱電子親和能。負離子的形成，導致電弧穩(wěn)定性下降。負離子不易形成(電子高速運動)。堿性焊條(E5015)，因含有F（螢石CaF2），消電子，工藝性差。三、電弧各區(qū)域?qū)щ姍C構(gòu)1、電弧的組成區(qū)域陰極區(qū)陰極壓降UK陽極區(qū)陽極壓降UA弧柱區(qū)弧柱壓降UC電弧電壓Ua圖2-4電弧的區(qū)域組成Ua＝UK＋UA＋UC陰極、陽極區(qū)在弧長方向長度：10-4～10-6cm.2、弧柱區(qū)的導電機構(gòu)*1.溫度高，5000～50000K，以熱電離為主。*2.帶電粒子在電場作用下，定向運動。正離子電子陰極陽極*3.通過弧柱區(qū)的總電流由正離子流和電子流組成(負離子流忽略)。由于電子質(zhì)量小，運動速度快，電子流占99.9%.100%99.9%0.1%*4.單位體積內(nèi)，正負帶電粒子數(shù)相同，弧柱呈中性。

電子流與離子流通過弧柱空間時，不受空間電荷電場的排斥作用，從而決定了電弧放電具有大電流、低電壓的特點。*5.弧柱中電場強度與電流的關系。小電流區(qū)間大電流區(qū)間*6.弧柱中的電場強度與氣體種類有很大關系。圖2-5弧柱電場強度與氣體種類和電流的關系3、陰極區(qū)的導電機構(gòu)陰極區(qū)的任務ie:ii=99.9:0.11)熱發(fā)射型*1W、C等高熔點材料做陰極。向弧柱區(qū)提供電子流ie接受弧柱區(qū)的正離子流ii*6陰極能量補充途徑：*2大電流區(qū)間。a.接受0.1%I正離子流，動能轉(zhuǎn)熱能b.正離子與電子中和，釋放電離能c.陰極處產(chǎn)生電阻熱I2R*3電子流全部靠熱發(fā)射。*4陰極區(qū)性質(zhì)同弧柱區(qū)，無陰極壓降，對外呈中性。*5熱發(fā)射使陰極得到強烈冷卻，帶走能量為IUW。

*7大電流鎢極氬弧焊即為此情況。2)、電場發(fā)射型*1、陰極材料為高熔點材料但電流小，或低熔點材料。*2、熱發(fā)射不足，陰極區(qū)電平衡打破，正電荷堆積。*3、陰極區(qū)呈正電性，陰極壓降UK。*4、電子在電場的幫助下，產(chǎn)生電離。*5、陰極區(qū)長10-6～10-4cm，UK＝10V

E=105～107V/cm

足以產(chǎn)生電場電離4、陽極區(qū)的導電機構(gòu)

接受電子流很容易，電子到達陰極，釋放逸出功UW。陰極區(qū)的任務向弧柱區(qū)提供流正離子ii接受弧柱區(qū)的電子流ie1）熱電離型*1大電流區(qū)間。*2陽極溫度高，金屬蒸發(fā)。*3金屬蒸汽直接熱電離。*4陽極壓降很小，陽極區(qū)呈中性。2)電場電離型*1小電流區(qū)間。一般電弧焊，當電流達到一定程度，陽極區(qū)熱電離占相當大比例，其陽極壓降都比較小。*2電子在陽極區(qū)堆積，形成UA。*3電子受UA加速*4當UA>Ui時，電子碰撞中性粒子產(chǎn)生電離。5、陰極斑點和陽極斑點

當陰極材料熔點較低，沸點也較低，并導熱性能很強時，如Fe、Al、Cu，即使陰極溫度達到材料的沸點，也不足以產(chǎn)生熱發(fā)射，陰極將進一步縮小其導電面積，在陰極區(qū)前形成密度很大的正離子空間，產(chǎn)生很大的陰極壓降，產(chǎn)生較強的電場發(fā)射，以補充熱發(fā)射的不足，以維持電弧的燃燒，這種面積很小，電流密度很大的導電斑點稱陰極斑點。1）陰極斑點特點：*1陰極斑點面積小，溫度高，電流密度大，j=5×105～107A/cm2*2陰極受大量正離子沖擊，金屬蒸發(fā)，對陰極形成壓力，斑點壓力對熔滴過渡起阻礙作用（焊條為陰極時）。特點：*3具有粘著特性。*5金屬氧化物逸出功低，陰極斑點自動尋找氧化膜。*6陰極材料為Fe、Al、Cu，或W、C小電流時。*7電弧不穩(wěn)定。*4具有跳躍特性。陰極斑點具有去除氧化膜作用。2）陽極斑點當Fe、Al、Cu等作陽極時，由于熔點低，陽極表面有熔化及蒸發(fā)現(xiàn)象，在金屬蒸汽大量存在的地方更容易形成熱電離，電流更容易從此處進入，導電區(qū)在此處集中，稱陽極斑點。特點：*1電流密度小，j=102～103A/cm2，陽極斑點力小。*2存在金屬蒸發(fā)。*3具有粘著特性和跳躍特性。*4若有氧化膜，斑點自動尋找純金屬。Al熔點658℃Al2O32050℃熔化焊，一般為直流反接直流正接－－－－工件接正（DCSP）DC

straight

polarity直流反接－－－－工件接負（DCRP）DC

reversedpolarity四、最小電壓原理

自由電弧為一氣體導電體，其斷面可以自由收縮。

在給定電流和周圍條件一定的情況下，電弧穩(wěn)定燃燒時，其導電區(qū)的，應使電弧電場強度具有最小的數(shù)值。即電弧具有保持最小能量消耗的特性。假設在一定條件下，電弧確定一導電面積ΦΦ增加－－電弧與周圍接觸增加－－散熱增加－－要求產(chǎn)熱增加－－IE增加－－EΦ減?。璲增加－－E

不符合最小電壓原理五、電弧靜特性1、電弧靜特性的形狀電弧靜特性：電弧燃燒時，兩極間穩(wěn)定的電壓和電流的關系曲線。A段負特性B段平特性C段正特性電弧動特性：電弧燃燒時，兩極間變化狀態(tài)的電壓和電流的關系曲線。2、影響電弧靜特性因素（1）電弧長度（2）周圍氣體介質(zhì)壓力（3）周圍氣體種類氣體的導熱系數(shù)（主要因素）氣體的電離能（次要因素）UiAr15.7VH215.4VHe24.5V(4)電極種類熱陰極UK幾乎為0冷陰極

UK很大六、交流電弧的特點*1、再燃電弧的難易與電弧空間殘余電離度、電極熱發(fā)射能力及電壓上升速度有關。*2、電弧空間及電極尚處于高溫狀態(tài)，再燃電壓比冷態(tài)的引弧電壓低得多。

交流電弧50Hz電弧電流過零時電弧熄滅，下半周重燃。

重新引燃電弧所需要的電壓稱再燃電壓。1、純阻性回路*1、電弧熄滅時間te，電弧不穩(wěn)。*2、若氣體介質(zhì)導熱性好，且電極為冷陰極材料，再燃電壓很高，焊接過程不能進行。2、感性回路*1、焊接回路中有足夠的電感。*2、電弧電壓與電源有相位差別。*3、電感具有續(xù)流作用。*4、電感提高了電弧的穩(wěn)定性。*1、電流、電壓波形畸變，電弧功率需修正。*2、電弧產(chǎn)熱介于DCRP與DCSP之間。*3、電弧力介于DCRP與DCSP之間。*4、交流電弧擾動，易卷入空氣，焊接質(zhì)量不如直流。一、弧柱區(qū)的產(chǎn)熱單位長度外加能量為IE，即弧柱的產(chǎn)熱，與散熱相平衡。對流>80%傳導輻射IE10%一般電弧，只有很少一部分能量傳遞給工件或焊條。大電流有等離子流時，部分熱量帶到工件。5.2焊接電弧的產(chǎn)熱二、陰極區(qū)的產(chǎn)熱陰極區(qū)長度10-4～10-6cm,相當于電子的自由行程，不發(fā)生碰撞。簡化推導：（忽略正離子流）①電子受UK加速IUK

＋②電子帶到弧柱區(qū)能量IUT

－③電子逸出IUW

－三、陽極區(qū)的產(chǎn)熱①電子弧柱區(qū)帶能量IUT＋②電子受UA加速IUA＋③電子釋放逸出功IUW

＋兩極區(qū)熱量用途：加熱工件或焊絲散失四、電弧的熱效率電弧總功率：電弧有效功率：η為電弧熱效率系數(shù)，與焊接方法、焊接規(guī)范、周圍條件有關。

單位有效面積上的熱功率稱為能量密度。表示。以W/cm2。方法能量密度W/cm2電弧102~104氣焊火焰1~10電子束106~107弧焊方法ηSMAW0.65~0.85SAW080~0.90CO2焊0.75~0.90MIG070~0.80TIG0.65~0.70五、電弧的溫度分布

電弧各部分的導電機構(gòu)決定了各部分電流密度與溫度、能量的分布。能量密度與電流密度相對應。溫度分布與電流密度不相對應。兩極受電極熔點限制?；≈哪苌?。Cu－W電弧炭弧一、焊接電弧作用力1、電磁收縮力電工知識：同向相吸異向相斥

當電流在一個導體中流過時，整個電流可以看作是由許多平行的電流線組成，這些電流線間將產(chǎn)生相互吸引力，使導體斷面有收縮的傾向。若導體是可以自由變形的氣態(tài)，導體將產(chǎn)生收縮。這種現(xiàn)象稱為電磁收縮效應，由此而產(chǎn)生的力稱電磁收縮力。5.3電弧力及影響因素*1.電磁收縮力與導電面積無關。*2.此作用力同時作用于工件和焊條。實際電弧常為圓錐體：

斷面直徑不同，產(chǎn)生壓力差。方向：焊條工件電磁收縮力的作用：

*1熔滴過渡（在此力作用下，熔滴克服焊條表面張力向母材過渡）*2熔池輪廓（熔池下凹）力大2、等離子流力

電弧收縮力引起推力，將使靠近焊條端部氣體沖向工件，新補充的氣體經(jīng)加熱電離后在推力的作用下亦沖向工件。由于這種高溫氣流所形成的力稱等離子流力。又稱電弧動壓力。等離子流速度的徑向分布等離子流形成的焊縫3、斑點力斑點力阻礙熔滴的過渡，其由幾部分組成：①帶電粒子的撞擊力陰極正離子撞擊質(zhì)量大UK高斑點力大陽極電子撞擊質(zhì)量小UA低斑點力小②電磁收縮力陰極斑點力>陽極斑點力③電極材料蒸發(fā)的反作用力斑點溫度高，局部金屬蒸發(fā)，反作用力。4、爆破力CO2短路過渡時：①電弧短路，電流急劇增大，若金屬液柱內(nèi)有氣體，急劇膨脹爆炸。②電弧重燃，電弧對熔池金屬沖擊力。5、細熔滴的沖擊力

富Ar氣保護焊射流過渡時，熔滴很細?。◣资甿g），速度很高（幾百米/秒），沖擊力很大，易形成指狀熔深。二、電弧力的影響因素1、氣體介質(zhì)電弧力導熱性氣體氣體流量氣體壓力2、電流、電壓電流電磁收縮力等離子流力電壓電弧力3、焊絲（焊條）直徑4、電