第1章 焊接电弧

第1章焊接电弧1.1电弧的物理基础一电弧的概念及研究电弧的必要性1电弧的概念电弧是通过两电极之间的气体所产生的强力的自持放电现象。电弧放电的特点：电压低、电流大、温度最高、发光最强。2研究电弧的必要性电弧是所有电弧焊方法的能源。到目前为止，电弧焊之所以能在焊接方法中占据主要地位，一个重要的原因就是电弧能有效而简便地把弧焊电源输送的电能转换成焊接过程所需要的热能和机械能。因此，为了认识和发展电弧焊方法，首先就必须弄清楚电弧是怎样实现这种能量转换和焊接中是如何利用这种能源的，这就需要深入了解焊接电弧的物理本质和各种特性。二气体放电基本概念1气体放电及类型电弧是一种气体放电现象，它是带电粒子通过两电极之间气体空间的一种导电过程。要使两电极之间的气体导电必须具备两个条件：(1)两电极之间有带电粒子；(2)两电极之间有电场非自持放电：气体导电所需要的带电粒子不能通过导电过程本身产生，而需要外加措施来产生带电粒子（加热、施加一定能量的光子）。电弧放电辉光放电暗放电自持放电非自持放电I(A)U(V)I/A100010-41自持放电：当电流大于一定值时，一旦放电开始，气体导电过程本身就可以产生维持导电所需要的带电粒子。自持放电类型：暗放电（电池）、辉光放电（日光灯）、电弧放电（焊接电弧）。2气体导电与金属导电的区别金属：I=U/R，电流与电压之间满足线性关系，原因：金属中有大量可以自由移动的带电粒子（电子）。气体：电流与电压之间为非线性关系，原因：在正常状态下，气体中不含带电粒子（正离子、负离子、电子）。三电弧中带电粒子的产生两电极空间的气体电离、电极的电子发射。（一）气体的电离1电离的概念：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。2电离能及其表示方法：概念：中性气体粒子失去第一个电子所需的最小外加能量称为第一电离能，失去第二个电子所需的能量称为第二电离能，依此类推表示方法：电离能通常以电子伏(eV)为单位。1电子伏就是指的1个电子通过电位差为1伏的两点间所需做的功，其数值为1.6×10-19J。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离电压来表示。注意：1）气体电离电压的高低说明了该种气体产生带电粒子的难易。2）电弧焊中的气体粒子电离现象主要是一次电离。3）当电弧空间同时存在电离电压不同的几种气体时，在外加能量的作用下，电力电压低的气体粒子将先电离；如果这种气体供应充足，则电弧空间的带电粒子将主要由该种气体产生。结果？4)激励：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，这种现象称为激励。３电离种类1)热电离a.定义：气体粒子受热的作用，发生非弹性碰撞而产生电离的过程。b.电离度：单位体积内电离的粒子数与气体电离前粒子总数的比值，用X表示，即：X＝电离后的中性粒子密度／电离前的中性粒子密度具体计算公式如下：式中：X为电离度，P为气压，T为温度，e为电子电量，ui为气体电离电压，K为玻尔兹曼常数。电弧中带电粒子数的多少对电弧的稳定起着重要作用。注意：当气体为混合气体时，电离电压ui应采用混合气体电离电压，理论和实际都证明：混合气体电离电压主要取决于电离电压低的气体，即使该种气体只占较小的比例。改善电弧稳定性的措施。电弧弧柱温度一般在5000～30000K范围，因此，热电离是弧柱部分产生带电粒子最主要的途径。c.热解离：电弧中的多原子气体由于热的作用将分解成原子，这种现象称为热解离。热解离是吸热反应，因此热解离影响着带电粒子的产生，还影响着电弧的电和热性能。)(1016.3132722TKueEXPTPXXi２）电场作用下的电离a.定义：在两电极间的电场作用下，气体中的带电粒子被加速，电能将转换为带电粒子的动能。当带电粒子的动能增加到一定数值时，则可能与中性粒子发生非弹性碰撞而使之产生电离。b.电场作用下的电离主要是电子与中性粒子的碰撞产生。原因如下：①电子自由行程比离子大４倍左右，因此获能多，速度大。②电子与中性粒子碰撞，几乎可以把其全部能量传递给中性粒子。注意：电场作用下的电离只有在阴极压降区和阳极压降区才显著，弧柱部分由于电场强度小，电子在平均的自由行程下所获得的动能小，因此在弧柱区热电离是主要形式。３）光电离a.定义：中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电离过程称为光电离。b.电离条件：焊接电弧的光辐射只能对K、Na、Ca、A1等金属蒸气可能直接引起光电离，而对焊接电弧气氛中的其它气体则不能直接引起光电离。因此，光电离只是电弧中产生带电粒子的一种次要途径。iuehciuech气体电离小结热电离是主要的（在弧柱区和两极区）；场电离是次要的，主要发生在阴极区和阳极区；光电离再次之。原因：电场强度：弧柱：10V/cm;阴极区和阳极区：105～107V/cm（二）电极的电子发射在电弧焊中，电弧气氛中的带电粒子一方面由电离产生，另一方面则由电极电子发射获得。两者都是电弧产生和维持不可缺少的必要条件。在焊接电弧中，电极只能发射电子，不能发射离子，从阴极和阳极都可发射电子，但只有阴极发射的电子才参与导电过程，因此，只叙述阴极的电子发射。由于从阴极发射的电子，在电场的加速下碰撞电弧导电空间的中性气体粒子而使之电离，这样就使阴极电子发射充当了维持电弧导电的“原电子之源”。因此，阴极电子发射在电弧导电过程中起着特别重要的作用。1电子发射的基本概念a.定义：阴极中的自由电子受到一定的外加能量作用时，从阴极表面逸出的过程称为电子发射。b.逸出功：电子从阴极表面逸出需要的最低外加能量。1个电子从金属表面逸出所需要的最低外加能量称为逸出功(Wω)，单位是电子伏。因电子电量为常数e，故通常用逸出电压(Uω)来表示，Uω＝Wω／e，单位为V。逸出功的大小受电极材料种类及表面状态的影响。几种金属材料的逸出功由表可见，金属与其氧化物相比，其氧化物的逸出功低，因此，当金属表面存在氧化物时逸出功都会减小。2电子发射的种类型热发射、场致发射、光发射、粒子碰撞发射a.热发射:阴极表面因受热的作用而使其内部的自由电子热运动速度加大，动能增加，一部分电子动能达到或超逸出功时产生的电子发射现象称为热发射条件：式中MeVe2/2为电子动能，eUw为电子逸出功。注意:1）发射电子带走能量而对金属表面产生冷却作用．２）热阴极电弧：钨、碳等电极沸点很高，可加热到很高的温度（大于3500K），主要靠热发射来提供电子，这种电弧称为热阴极电弧。３）热阴极电弧：由于受电极沸点限制，温度不可能太高，不能靠热发射来提供足够的电子，这种电弧称为冷阴极电弧。WeeUeVM22b.场致发射：电极表面的电子受外电场的库仑力的作用而产生的电子发射现象。外电场的作用相当于降低了电子的逸出功。形成原因：当采用钢、铜、铝等低沸点材料作阴极时(其沸点分别为3013K、2868K和2770K)，阴极加热温度受材料沸点限制不可能很高，热发射能力较弱，在阴极区域电子严重不足，从而形成正离子堆积，在阴极区产生极大的静电场，此时向电弧提供电子的主要方式是场致发射电子。实际上，电弧焊时纯粹的场致发射是不存在的，只不过是在采用冷阴极时以场致发射为主，热发射为辅而已。c.光发射当阴极表面受到光辐射作用时，阴极内的自由电子能量达到一定程度而逸出阴极表面的现象称为光发射。d.粒子碰撞发射：电弧中高速运动的粒子(主要是正离子)碰撞阴极时，把能量传递给阴极表面的电子，使电子能量增加而逸出阴极表面的现象。焊接电弧中，阴极区有大量的正离子聚积，正离子在阴极区电场作用下被加速，获得较大动能，撞击阴极表面可能形成碰撞发射。在一定条件下，这种电子发射形式也是焊接电弧阴极区提供导电所需要带电粒子的主要途径之一。实际焊接过程中，上述几种电子发射形式常常是同时存在，相互促进，相互补充。只是在不同的条件下它们起的作用各不相同。（三）对导电不利的因素1带电粒子的扩散：电弧空间中如果带电粒子的分布不均匀，则带电粒子将从密度高的地方向密度低的地方迁移而使密度趋于均匀；危害：使弧柱中心带电粒子数减少，还将中心的一部分热量带到电弧周边，影响导电。2复合：电弧空间的正负带电粒子(正离子、负离子、电子)在一定条件下相遇而结合成中性粒子的过程。3负离子的产生：在一定条件下，有些中性原子或分子能吸附电子而形成负离子；由于电弧周边温度较低，因而中性粒子易与从电弧中心扩散出来的动能较低的电子相遇而形成负离子。四焊接电弧各区域的导电机构电弧由弧柱区、阴极区、阳极区构成，但并不是任何电弧都包含三个部分。（一）弧柱区的导电机构1弧柱的功能：1)在热电离的作用下产生电子和正离子，形成电子流和正离子流，保证弧柱的导电。2）通过热电离，产生带电粒子，补充因扩散和复合而消失的带电粒子，使弧柱始终处于动平衡状态，呈电中性。2具有上述功能的原因：弧柱的温度很高（大约在5000～50000K之间），当弧柱温度很高时，可使其中的大部分中性粒子电离成电子和正离子；由于正离子和电子的空间密度相同，两者的总电荷量相等，所以宏观上看弧柱呈电中性。正因如此，才使得焊接电弧具有低电压、大电流的特点。3导电机构：热电离产生电子和正离子，形成电子流和正离子流，但电流主要是电子流（99.9%），而正离子流所占比例很小。原因？（二）阴极区的导电机构阴极区的任务：向弧柱提供电子流和接收来自弧柱的正离子流，阴极区的导电机构受气体介质、阴极材料、电流大小影响。1．热发射型1)产生条件：当采用热阴极材料（高熔点、沸点材料如钨、碳）且使用较大电流时，阴极区可加热到很高的温度，这时阴极主要靠热发射提供电子流2)特点：几乎不存在阴极区，阴极区不收缩，阴极区的电流密度与弧柱区也相近，阴极区电压降很小；不存在阴极斑点；在大电流TIG焊时这种热发射型导电占主导地位。2．电场发射型１）产生条件：当采用冷阴极（低熔点、沸点材料如铝、铁、铜等）或虽然采用热阴极但使用较小电流时。原因：不可能加热到很高的温度，不足以产生较强的热发射来提供弧柱导电所需要的电子流，则在靠近阴极的区域，正电荷过剩而形成较强的正电场，并使阴极与弧柱之间形成一个正电性区——阴极区。２）特点：存在阴极区，原因：这种形式的导电中，为了提高阴极区的电场强度，按照最小电压原理，阴极区将自动收缩截面，以提高正离子流即正电荷的密度，维持阴极的电子发射能力；存在阴极斑点；在小电流钨极氩弧焊和熔化极气保焊时，这种场致发射型导电起主要作用。在采用冷阴极或虽然采用热阴极但使用较小电流的情况下，实际上是热发射型和场致发射型两种阴极导电形式并存，而且相互补充和自动调节。阴极区的电压降，主要取决于电极材料的种类、电流大小和气体介质的成分，一般在几伏至几十伏之间。当电极材料的沸点较高或逸出功较小时，热发射型导电的比例较大，阴极压降较小，反之，则场致发射型导电的比例较大，阴极压降也较大。电流较大时，一般热发射型导电的比例增大，阴极压降减小。（三）阳极区的导电特性阳极区是指靠近阳极的很小一个区域，在电弧中，它的主要作用是接受弧柱中送来的电子流，同时向弧柱提供所需要的正离子流。1.阳极区的场致电离１）形成原因：当电弧电流较小时阳极前面的电子数必将大于正离子数，形成负的空间电场，并使阳极与弧柱之间形成一个负电性区——阳极区。只要弧柱的正离子得不到补充，这个负电场就继续增大。阳极区内的带电粒子被这个电场加速，使其在阳极区内与中性粒子碰撞产生场致电离，直到这种电离生成的正离子能满足弧柱需要时，阳极区的电场强度才不再继续增大。２）特点：电离生成的正离子流向弧柱，产生的电子流向阳极。阳极区压降较大。３）出现条件：小电流２.阳极区的热电离１）形成原因：当电弧电流较大时，阳极的过热程度加剧，金属产生蒸发，阳极区温度也大大提高。阳极区内的电离方式将由金属蒸气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。２）特点：阳极区的压降较低。３）出现条件：大电流钨极氩弧焊时（五）阴极斑点、阳极斑点1．阴极斑点1）定义：在阴极上电流集中，电流密度很高，发出