电弧焊基础(第一章)焊接电弧基础.

《电弧焊基础》第一章、焊接电弧基础第一节焊接电弧机理及电弧特性一、气体放电现象与焊接电弧（一）气体的导电现象气体的导电条件：1、外加电场；2、带电质点。气体的导电特点：1、U-I呈复杂的非线性关系；2、除电子导电外，离子也参与导电。电弧和气体放电示意图弧柱直流放电形式及电流与电压的关系电弧放电气体放电的伏安特性气体的导电种类：1、非自持放电2、自持放电：暗放电、辉光放电和电弧放电。（二）焊接电弧：是自持放电中电压最低、电流最大、温度最高、发光最强的一种气体放电现象。一、气体放电现象与焊接电弧二、电弧中带电粒子的形成和消失过程电弧导电过程：电离电子发射电弧中带电粒子消失过程：正负带电粒子复合。解离、激励、扩散、负离子的产生等过程。（一）、气体的电离1、概念：2、电离能（电离电压）：H=13.5VAr=15.7VK=4.3VFe=7.8VCO2=13.7VAl=5.96V3、电离的种类：①热电离②电场电离③光电离表1-1原子电离电压原子的电离电压，惰性气体的Ui高，碱性金属的Ui低①热电离概念：热电离的电离度：电弧中弧柱温度最高,一般在5000～30000K范围1)-(1exp5.271016.3212kTeUiTPxx是弧柱电离的主要形式②电场电离概念：作用：电场强度：弧柱为阴极区阳极区弧柱中电场电离是次要的105～107V/cm10V/cm电场电离是重要的③光电离概念：产生条件：hγ≥eUi影响：光电离是次要的（二）、电极金属的电子发射1、概念：金属表面吸收外加能量使电子从表面溢出的现象。2、逸出功：eUω3、电子发射的种类：①热发射②电场发射③光发射④碰撞发射①热发射概念：热发射电子流密度：热阴极电弧：钨或碳作阴极。冷阴极电弧：铜、铁（钢）、铝、镁、镍等材料作阴极。2)-(1exp2kTeUATi热发射是主要的热发射不能提供足够的电子②电场发射概念：电场发射电子流密度：3)-(1exp20kTeEUeATi③光发射概念：产生光发射的条件：hγ≥eUω光发射是次要的。④碰撞发射概念：产生碰撞发射的条件：Wh+Wi=2Wω电子发射时因从金属表面带走热量所以对金属表面有冷却作用。其中，热发射时带走的热量最多，电场发射次之。（三）、负离子的产生概念：中性原子或分子能吸附电子而形成负离子。产生区域及影响：①电弧的周边形成；②有消电离作用。（四）、热解离概念：电弧中的多原子气体由于热的作用将分解为原子，这种现象称为热解离。例如：CO2焊，影响：热解离是吸热反应→对电弧产生重要影响。三、电弧的导电机构（一）、电弧的构造和电弧电压阴极区、阳极区、弧柱区Anode,Cathode,Arccolumn/arcplasma阴极压降、阳极压降、弧柱压降CathodeVoltageDrop,AnodeVoltageDrop,PositiveColumnVoltageDropUa=Uc+Up+UA（二）电弧的导电机构1、阴极区和阴极斑点⑴阴极区①概念：指阴极外紧靠阴极表面的导电区，其长度约为10-2～10-6cm。②任务：向弧柱区提供所需要的电子流。③阴极区导电机构的类型：a、热发射型：阴极为C、W，大电流.正离子流=总电流的0.1%。b、电场发射型产生条件：阴极为C、W，小电流；或阴极为Fe、Al等。特点：正离子流要＞总电流的0.1%；阴极表面存在阴极斑点。阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱●●●●●●●●●●●●阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱●●●●●●●●●●●●阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱●●●●●●●●●●●●阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱●●●●●●●●●●●●阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱●●●●●●●●●●●●阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱●●●●●●●●●●●●阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱●●●●●●●●●●●●阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱●●●●●●●●●●●●阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱●●●●●●●●●●●●阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱●●●●●●●●●●●●阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱●●●●●●●●●●●●阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱●●●●●●●●●●●●阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱●●●●●●●●●●●●阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱●●●●●●●●●●●●阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱●●●●●●●●●●●●阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱●●●●●●●●阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱●●●●●●●●●●●阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱●●●●●●●●●●●阴极压降的形成过程阴极阳极弧柱●●●●●●●●●●●⑵阴极斑点①概念：指阴极表面局部出现的发光强、电流密度很高（可达5×105~107A/cm2）的现象。②产生条件：Al、Cu、Fe等作阴极时，或W、C等作阴极时，小电流时。③特点：阴极斑点由许多小斑点组成；存在较大的斑点压力；自动寻找氧化膜。⑵阴极斑点铝合金电子发射能力低，本身导热性能好，对电弧能量的消耗大，不利于熔池的形成由于表面氧化膜的存在，氧化物与纯金属相比，电子逸出功低，更具备电子发射的能力，电弧导电点更多集中在有氧化膜的地方，从而形成阴极斑点在焊丝作为阴极时也有表现（钢焊丝或铝焊丝等）。正离子撞击破碎氧化膜从阴发射的电子对阴极由冷却作用(逸出功)电子汽化带走热量反极性:电子冷却阴极也就是冷却了工件阳极受热将会熔化焊丝(在焊接过程中送进)有利于填充坡口熔滴过渡频率可以达到100滴/秒焊条电弧焊采用此极性接法(工件为阳极)GTAW是焊接铝合金最常用的方法术语欧洲:TIG=tungsteninertgas,MIG=metalinertgas美国:GTAW和GMAW2、弧柱区特点：弧柱温度较高，约为5000～30000K；弧柱中电子流占99.9%，正离子流占0.1%；弧柱周围有扩散和复合而消失的带电粒子将由弧柱自身的热电离来补偿；整体上看弧柱空间保持电中性。以热电离为主Pc=ELI，产热=散热当采用He,H2作为气体介质，质量轻，速度快，散热大，产热相应增大，E增加。多原子气体做为介质时也有同样现象，Ar为单原子气体，重量大，散热小，E较小。2、弧柱区最小电压原理当散热增加，产热需要增加，而弧柱本身又要维持其电压最小的特性，因此要收缩其截面，增加产热，维持热平衡电弧形态小电流时，弧柱截面较大大电流时，由于有电磁收缩效应，弧柱变成紧缩的形状。碳极电弧的临界值为80A.小电流电流密度：10-300A/cm2，温度低于7000K；而大电流可达103-104A/cm2，温度超过10000K3、阳极区和阳极斑点⑴阳极区概念：指阳极外紧靠阳极表面的导电区,其长度约为10-2～10-6cm。任务：接受电子流；提供正离子流。正离子的来源：阳极区电场作用下的电离；阳极区的热电离。阳极压降的形成过程阴极阳极弧柱●●●●●●●●●●●●阳极压降的形成过程阴极阳极弧柱●●●●●●●●●●●●阳极压降的形成过程阴极阳极弧柱●●●●●●●●●●●●阳极压降的形成过程阴极阳极弧柱●●●●●●●●●●●●阳极压降的形成过程阴极阳极弧柱●●●●●●●●●●●●阳极压降的形成过程阴极阳极弧柱●●●●●●●●●●●●阳极压降的形成过程阴极阳极弧柱●●●●●●●●●●●●阳极压降的形成过程阴极阳极弧柱●●●●●●●●●●●●阳极压降的形成过程阴极阳极弧柱●●●●●●●●●●●●阳极压降的形成过程阴极阳极弧柱●●●●●●●●●●●●阳极压降的形成过程阴极阳极弧柱●●●●●●●●●●●●阳极压降的形成过程阴极阳极弧柱●●●●●●●●●●●●阳极压降的形成过程阴极阳极弧柱●●●●●●●●●●●●●●●⑵阳极斑点①概念：指阳极表面局部出现的发光强、电流密度很高的现象。②产生条件：Al、Cu、Fe等作阳极，大电流时。小电流时，电流流入阳极表面大致等于弧柱截面，不会产生阳极斑点；增大电流，金属原子的电离电压低，一旦阳极产生金属蒸汽，很容易在附近形成弧柱，电弧集中于此。同时阳极表面集中于一点，形成阳极斑点，电流密度比弧柱区高得多。⑵阳极斑点③特点：阳极斑点由许多小斑点组成；有自动寻找纯金属表面而避开氧化膜的倾向；也存在斑点压力（但较阴极斑点压力小）。（三）电弧的静特性1、概念：一定长度的电弧在稳定燃烧时，电弧电压和电弧电流之间的关系称为电弧的静特性。2、静特性曲线：（三）焊接电弧的静特性Q:解释这三种特性的原因（三）焊接电弧的静特性GTA焊接电弧静特性曲线GMA焊接电弧静特性曲线SAW焊接电弧静特性曲线3、焊接电弧的静特性的影响因素电弧长度保护气成分保护气体压力电极条件母材情况电弧长度的影响保护气成分对电弧电压的影响（四）焊接电弧的动特性焊接电弧的动特性：是指焊接电弧电流的瞬时值与电压瞬时值之间的关系。一般电流上升时的电压高于电流下降时的电弧电压（这是由于电弧热惯性造成的），电源频率越高热惯性效果越明显，电弧中温度变化越小。（四）焊接电弧的动特性直流电弧的动特性交流电弧的动特性交流电弧的电压、电流波形四、电弧的热源特性（一）电弧的总功率及能量密度1、电弧总热功率：Pa=IUa=I（Uc+Up+UA）2、电弧的有效功率：P=ηPa=ηIUa3、能量密度：指单位有效面积上的热功率称为能量密度以W/cm2来表示。电弧焊方法η电弧焊方法η手工电弧焊埋弧焊CO2电弧焊0.65～0.850.80～0.900.75～0.90熔化极氩弧焊钨极氩弧焊0.70～0.800.65～0.70焊接方法气焊电弧焊等离子弧焊电子束焊激光焊能量密度（W/cm2）1~10102~104105~106106~107106~107各种焊接方法的能量密度（二）阴极和阳极产热1、阴极区的产热：Pc=I（Uc-Uω-Up）阴极阳极弧柱阴极区阳极区2、阳极区的产热：PA=I（UA+Uω+Up）阴极阳极弧柱阴极区阳极区（二）阴极和阳极产热在电弧焊时，若弧柱温度为6000K时，Up小于1V，当电流较大时UA近似为零。阴极区产热：Pc=I（Uc-Uω）阳极区产热：PA=IUω（二）阴极和阳极产热即：阴极区和阳极区的产热主要决定于Uc和Uω。熔化极电弧焊时：∵UcUω∴PcPA。∴熔化极电弧焊时为了保证熔深，一般均采用直流反接（即工件接电源负极）。（二）阴极和阳极产热（三）电弧的温度和温度分布1、弧柱温度测定2、弧柱的温度分布氩气保护电弧温度分布3、影响温度分布的因素电弧电流：↑→最高温度↑，但存在极限。电极斑点：斑点处的温度明显升高。电弧长度：弧长变化不会影响电弧的最高温度，但影响电弧的温度分布。阳极材料：阳极材料和状态将影响阳极表面附近的温度值。保护气体成分；不同保护气体的电弧最高温度基本相同，但电弧形态不同。五、电弧的力学特性（一）电磁收缩力（电弧静压力）假设焊接电弧为圆柱体，电流线在电弧中的分布是均匀的，则电弧中任意半径r处的压力为：Rr2242PrrRRIK电弧中心轴上（r≈0）的径向压力为：220KjIRIKP轴向压力的合力为：F同时作用于焊条和工件上。22IKF实际上焊接电弧是断面直径变化的圆锥状的体导体，因此，可产生由焊条指向工件的推力F推：log2aRbRKIF推F推——指向工件的推力（二）等离子流力1、概念：电弧中由电弧推力引起高温气体的运动所形成的力称为等离子流力（也称电磁动压力）。2、影响因素：电流（I）弧长（L）3、对熔池形状的影响→会形成指状熔深。焊缝熔深示意图a）一般焊缝；b）较强等离子流形成的焊缝（三）细熔滴的冲击力（四）斑点力斑点力：带电粒子对电极的冲击力电磁收缩力电极材料蒸发的反作用力阴极斑点力要远大于阳极斑点力。熔化极电弧焊时，为使熔滴过渡顺利进行，并减少金属飞溅，一般均采用直流反接焊接（即工件接电源负极）。(五)爆破力1、熔滴呈短路过渡时2、电弧重