1、焊接方法与设备,江苏省无锡交通高等职业技术学校,第一章 电弧焊基础知识,第一章 电弧焊基础知识,本章基本内容电弧物理基础工艺特性焊丝熔化与熔滴过渡母材熔化及焊缝成型,主要章节,焊接电弧焊丝的熔化与熔滴过渡母材熔化与焊缝成形,第一节 焊接电弧,焊接电弧物理基础焊接电弧导电特性焊接电弧工艺特性,焊接电弧物理基础,电弧定义：电弧是一种特殊的气体放电现象，它是带电粒子通过两电极之间气体空间的一种导电过程。实现了将电能转化为机械能、热能和光能。,焊接电弧物理基础,气体是良好的绝缘体 带电粒子密度10-8/m3使气体导电的条件：电场带电粒子,焊接电弧物理基础,焊接电弧物理基础气体电离阴极电子发射带电粒子消
2、失,焊接电弧物理基础,沿电弧方向电场强度分布不均匀分为三个区域阴极、阳极区尺寸很小，约为10-2-10-6 cm电场分布的不均匀性表明电弧电阻的非线性,焊接电弧物理基础,金属导电机制：自由电子定向移动电弧导电机制：电子、正离子、负离子都参与导电 是复杂的导电过程,产生机制？,焊接电弧物理基础,带电粒子产生来源：中性气体粒子的电离金属电极发射电子负离子形成正离子形成,基本物理过程,焊接电弧物理基础,气体的电离定义：在外加能量作用下，使中性的气体分子或原子分离成电子和正离子的过程实质：中性气体粒子吸收足够的外部能量，使分子或原子中的电子脱离原子核束缚而成为自由电子和正离子的过程。,焊接电弧物理基础
3、,气体的电离电压的大小反映了带电粒子产生的难易程度。电离电压低-带电粒子容易产生 有利于电弧导电电离电压高-带电粒子难以产生 电弧导电困难,焊接电弧物理基础,焊接电弧物理基础,激励定义：当中性气体粒子受外加能量作用而不足以使其电离时，但可能使其内部的电子从原来的能级跃迁到较高的能级，这种现象称为。使中性粒子激励所需要的外加能量叫做激励能,焊接电弧物理基础,电离的种类：热电离场致电离光电离电离度：电弧内单位体积内电离的粒子数与气体电离前粒子总数的比值X=电离的粒子密度/电离前中性粒子密度,碰撞电离,焊接电弧物理基础,热电离定义：气体粒子受热作用而产生电离的过程实质：气体粒子的热运动形成频繁而激烈
4、的碰撞主要位置：弧柱区（温度在5000-50000K）,焊接电弧物理基础,场致电离定义：在两电极间的电场的作用下，气体中的带电粒子被加速，电能转化为带电粒子的动能，当带电粒子的动能达到一定数值时，则可能与中性粒子发生非弹性碰撞而使之电离，这种电离被称为场致电离,焊接电弧物理基础,场致电离发生的位置主要是两级区，由于在这两个区域内电场强度可达105-107V/cm而弧柱区电场强度为：10V/cm左右，电场作用不明显,焊接电弧物理基础,由于电子质量远小于其他粒子的质量，因而在电场的作用下，速度快，动能大，其余其他粒子发生非弹性碰撞，几乎将本身的动能全部传递给相应的粒子，使中性粒子发生电离或激励。因
5、而场致电离中电子起到主要的作用。,焊接电弧物理基础,光电离定义：中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电离过程范围：电弧的辐射只可能对K、Na、Ca、Al等金属蒸汽直接引起电离，而对焊接电弧气氛中的其他气体则不能直接引起电离光电离是产生带电粒子的次要途径,焊接电弧物理基础,阴极电子发射电离和阴极电子发射是电弧产生和维持不可缺少的必要条件阴极发射出的电子，在电场的加速下碰撞电弧空间的中性粒子使之电离，从而是阴极电子发射充当了维持电弧导电的原电子之源。,焊接电弧物理基础,电子发射与逸出功定义：电子发射：阴极中的自由电子受到一定的外加能量作用，从阴极表面逸出的过程逸出功：一个电子从金属表面逸出所需的最
6、低外加能量。单位电子伏或者逸出电压逸出功的大小受电极材料及表面状态的影响(氧化物)。,焊接电弧物理基础,阴极斑点定义：阴极表面经常可以看到发出闪烁的区域，这个区域称为 电子发射最集中的区域 电流最集中流过的区域热阴极：斑点固定 W C冷阴极：斑点不规则移动 Cu Fe Al,焊接电弧物理基础,阴极清理作用（阴极破碎）在铝合金焊接中作用最为明显,焊接电弧物理基础,电子发射的类型热发射场致发射光发射粒子碰撞发射实际焊接过程中常常是几种发射形式共存,焊接电弧物理基础,热发射（对电极有冷却作用）定义：阴极表面受热，自由电子动能加大，一部分电子达到或超过逸出功而产生的电子发射现象热发射强弱受到阴极材料沸
7、点的影响，沸点高的钨或碳做阴极时，电极可以被加热到比较高的温度，通过热发射可以提供足够多的电子,焊接电弧物理基础,场发射定义：阴极表面空间存在一定强度的正电场时，阴极内部的电子将受到电场力的作用，当力达到一定程度电子就会逸出阴极表面，这种电子发射现象冷阴极主要是这种发射电子的机理,焊接电弧物理基础,光发射（对电极无冷却作用）粒子碰撞发射正离子堆积-正离子加速-碰撞-电子发射,焊接电弧物理基础,带电粒子的消失动态平衡：电弧稳定燃烧时，带电粒子的产生与消失处于动态平衡主要形式：扩散、复合及负离子形成,焊接电弧物理基础,扩散（浓度梯度）定义：电弧空间中如果带电粒子的分布不均匀，则带电粒子将从浓度高的
8、地方向浓度低的地方迁移，而使浓度趋于均匀，这种现象称为带电粒子的扩散。总趋势：从弧柱中心向周围扩散电子轻 速度快 外围浓度上升 阻碍进一步扩散 并吸引正离子结果：电弧中带电粒子减少 并带走部分热量,焊接电弧物理基础,复合定义：电弧空间的正负带电粒子在一定条件下相遇而结合成为中性粒子的过程位置：在电弧的周边（速度慢）影响以辐射和热能的形式释放出部分能量电弧复燃困难,焊接电弧物理基础,负离子位置：电弧周边中性粒子吸附电子形成负离子其内能减少，以热和辐射光的形式释放能量，该能量称为中性粒子的亲和能。中性粒子亲和能大，则表明该粒子吸附电子后系统内能下降幅度大，系统稳定。,焊接电弧导电特性,焊接电弧的导
9、电特性是指参与电荷的运动并形成电流的带电粒子在电弧中产生、运动和消失的过程，在焊接电弧的弧柱区、阴极区和阳极区其相应的导电特性也是不同。,焊接电弧导电特性,弧柱区导电特性弧柱温度：500050000K弧柱呈电中性弧柱是包含大量电子、正离子等带电粒子和中性粒子聚合在一起的气体状态，被称为电弧等离子体。弧柱电阻较小,焊接电弧导电特性,弧柱电流（主要是电子电流99.9%）负离子数量少，作用被忽略正离子在电场作用下，运动速度远小于电子但正离子的作用非常大，保证了电弧放电的低电压大电流的特点。,焊接电弧导电特性,弧柱电场强度（E）：弧柱单位长度上的电压降意义：E的大小表征电弧弧柱的导电能力。电场强度E和
10、电流I的乘积EI相当于电源供给单位弧长的电功率，他与弧柱的热损失相平衡。,焊接电弧导电特性,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（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。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,焊接电弧导电特性,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，是消耗的能量增多，违反最小电压原理。面积增大面积减小,焊接电
11、弧导电特性,阴极区的导电特性阴极区接收正离子，发射电子热发射型和电场发射型,焊接电弧导电特性,热发射型（热阴极、大电流）阴极斑点在电极表面十分稳定，其面积较大且十分均匀，在此位置弧柱不呈收缩状态，阴极区电流密度与弧柱区相近，阴极电压降较小。,焊接电弧导电特性,电子带走的热量的补充途径正离子的碰撞正离子的复合，放出电离能电阻热,焊接电弧导电特性,电场发射型（冷阴极或者热阴极小电流）电荷过剩=正电场=场致发射=电子加速=场致电离=形成电流正离子的作用正电场撞击阴极，加强热发射,焊接电弧导电特性,冷阴极中存在热发射和场发射，其所占的份额受以下因素影响电极种类（沸点高或逸出功小，热发射主导，阴极压降小
12、）电流大小（电流大，热发射主导，阴极压降小）气体介质（不易于电离，热发射主导，阴极压降小）,焊接电弧导电特性,阳极区的导电特性接收电子，提供正离子阳极斑点电流密度比阴极斑点小，其形态与电极材料和电流大小有关。由于金属蒸汽的电离电压比周围气体介质的低，因而电离易在金属蒸汽处发生，如果阳极表面某一区域产生均匀的金属熔化和蒸发，或蒸发比其他区域强烈，则此区域为阳极导电区。,焊接电弧导电特性,纯金属熔点沸点低于相应氧化物，所以纯金属容易蒸发，阳极斑点自动寻找纯金属而避开氧化物。因而出现阳极斑点的跳跃现象。,焊接电弧导电特性,阳极不能发射正离子，弧柱所需要的正离子是通过阳极区电离提供的。阳极区导电形式（
13、场致电离、热电离）场致电离（电弧电流小）电子数大于正离子数，形成负的空间电场，从而电子加速，碰撞到中性粒子产生电离。,焊接电弧导电特性,热电离（大电流）阳极过热程度剧烈，金属发生蒸发，阳极区也有很高的温度，阳极区的电离方式由金属蒸汽的热电离取代高能量电子的碰撞产生的场致电离，完成阳极区向弧柱提供正离子流的作用。这种情况下，阳极区的压降较低。,焊接电弧的工艺特性,焊接电弧与热能及机械能有关的工艺特性，主要包括电弧的热能特性、电弧的力学特性和电弧的稳定性等。,焊接电弧的工艺特性,电弧热的形成机构弧柱产热阴极区产热阳极区产热,焊接电弧的工艺特性,弧柱产热：带电粒子在电场的作用下，将电能转化成为热能。
14、电子的运动速度比正离子运动速度大得多，因而从电源吸取电能转化为热能的作用几乎完全由电子来承担，进而将电能转化为热能。,焊接电弧的工艺特性,阴极区的产热阴极区靠近电极或者工件，其产热直接影响焊接过程中电极或者工件所受到的热的作用。阴极区有两种粒子：电子和正离子。这两种粒子不断的产生，运动和消失，同时伴随着能量转换与传递。,焊接电弧的工艺特性,阳极区的产热特性Pa=IUk+IUw+IUT热量主要用于对阳极的加热和阳极的热量损失，这部分热量也可以用于加热填充材料或者焊件。,焊接电弧的工艺特性,能量密度：采用特定的焊接方法的时候，单位面积上的有效热功率称为，单位为：W/cm2.同一种方法，在不同的位置
15、上的能量密度也是不同的,焊接电弧的工艺特性,能量密度大的时候，可有效的利用热源熔化金属，并减少热影响区，获得窄而深的焊缝，有利于提高焊接生产率。,焊接电弧的工艺特性,电弧的力学特性电弧的机械能以电弧力的形式表现出来电弧力影响着熔深及熔滴的过渡，而且影响到熔池的搅拌、焊缝成形及金属的飞溅等电弧力主要包括：电磁收缩力、等离子流力、斑点力等,焊接电弧的工艺特性,电磁收缩力电磁力：电流流经距离不远的两根平行导线时，电流同向相吸，异向相斥。他的大小与流过的电流大小成正比，与两根导线之间的距离成反比。,焊接电弧的工艺特性,电磁收缩效应：如果为可变形导体，电磁力将使导体产生收缩。产生电磁收缩效应的力称为电磁
16、收缩力。,焊接电弧的工艺特性,电弧为气态导体，在电流的作用下，也产生电磁收缩效应。电弧被看作圆锥形气态导体，电极端直径小，焊件端直径大。,力大,力小,焊接电弧的工艺特性,电磁静压力：电弧轴向推力在电弧横截面上分布不均匀，弧柱轴线处最大，向外逐渐减小，在焊件上表现为对熔池形成的压力结果：碗状熔深焊缝形状。电磁搅拌（细化晶粒，排出气体及熔渣）,焊接电弧的工艺特性,电弧静压力作用高温气体推向焊件电极上方气体补充新进入气体电离,焊接电弧的工艺特性,等离子流力：高温气流的高速运动，持续的冲向焊件，对熔池形成附加压力。也称为电磁动压力。电弧中等离子气流具有很高的速度和加速度，可达数百米/秒。电弧中心线上等离子流力最大。电流越大，中心线上的动应力幅值越大，分布区域越小。,焊接电弧的工艺特性,斑点力：电极上形成斑点时，由于斑点受到带电粒子的撞击，或金属蒸汽的反作用而对斑点产生的压力，称为，或斑点压力。,焊接电弧的工艺特性,阴极斑点力大于阳极斑点力原因：正离子的质量远大于电子的质量 阴极斑点电流密度大，蒸汽反作 用力也大,焊接电弧的工艺特性,斑点力阻碍熔滴过渡利用阳极斑点压力小的特点，直流焊接时，采用直
