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1、第1章 焊接电弧第1页，此课件共47页哦正常状态下气体（原子或分子组成）不导电。要使其导电，必须产生带电粒子。气体放电形式较多，见图1-2。分为两类（非自持放电，自持放电）。图1-2 气体放电伏安特性曲线第2页，此课件共47页哦非自持放电：在较小电流区间，放电的起始必须靠外加能量条件（X射线、加热、光照等）来激发产生带电粒子而造成气体放电。若外加能量条件取消后，放电过程就停止。自持放电：当导电电流增大到一定值和气体发展到一定程度时，气体放电本身就可以产生维持导电所需要的带电粒子。这时即使取消了外加能量条件，放电过程仍可继续维持下去。电弧放电是自持放电的一种基本形式。第3页，此课件共47页哦电弧
2、放电的特点是：电弧放电的特点是：电流大（几安电流大（几安-几千安）几千安）电压低（电压低（20-50V）温度高（温度高（5000-30000K）发光强（红外线、紫外线、强可见光）。发光强（红外线、紫外线、强可见光）。第4页，此课件共47页哦二、电弧中带电粒子的产生二、电弧中带电粒子的产生n电弧中的带电粒子主要依靠两电极之间的气体电离和电极发射电子两个物理过程所产生，同时伴随解离、激励、扩散、复合、负离子的产生过程。(一一)气体的电离：气体的电离：1.电离与激励：电离与激励：电离：一定条件下中性气体分子或原子分离为正离子和电子的现象称为电离。使中性气体粒子失去第一个电子所需的最低外加能量为第一电
3、离能（eV），常用电离电压表示气体电离的难易（表1-1）第5页，此课件共47页哦第6页，此课件共47页哦使其失去第二个电子需要更大的电离电压。电离电压低的气体易产生带电粒子。与气体其它性能（解离性能、热物理性能）综合影响电弧稳定性。几种气体同时存在时，带电粒子主要由低电离电压气体提供。如He+Ar，Ar的电离电压低，易使电弧稳定。激励：使中性粒子中的电子以较低能级转移到较高能级但未完全脱离原子或分子，称为激励。使中性粒子激励所需最低外加能量-最低激励电压。(见表1-2)激励状态是一种不稳定状态，继续接受能量可电离，或以辐射或与其它粒子碰撞将能量传递出去而恢复稳定状态。第7页，此课件共47页哦2
4、.能量传递方式：能量传递方式：电离与激励需外界能量。能量传递给气体粒子的方式：碰撞传递和光辐射传递。气体粒子相互碰撞传递能量：碰撞传递。气体粒子相互碰撞传递能量：碰撞传递。碰撞有弹性碰撞和非弹性碰撞。气体粒子动能较低时发生的是非破坏性的弹性碰撞。其结果只使粒子的运动速度发生变化并引起气体温度变化。不产生激励或电离；当气体粒子动能较高时，发生破坏性的非弹性碰撞。部分全部动能转换为内能，使被碰撞粒子内部结构发生变化。此内能大于激励电压时发生激励，大于电离电压时则产生电离。因此，只有非弹性碰撞产生电离过程，形成带电粒子。电子质量远小于其它粒子，碰撞时其动能几乎全部传给中性粒子，使之激励或电离，因而电
5、子与气体粒子碰撞作用最为有效。提高温度可增加所有粒子（中性粒子、电子、离子）的动能。增大电场强度可提高带电粒子（电子、离子）的动能。碰撞传递使气体粒子电离，是电弧本身产生带电粒子维持其导电的最主要方式。第8页，此课件共47页哦光辐射传递：光辐射传递：一般焊接电弧中，以光辐射传递方式产生带电粒子与碰撞传递相比，是次要的。中性气体粒子接受外界光量子形式能量，内能提高结构改变，产生激励或电离。第9页，此课件共47页哦3.电离种类电离种类：电弧中气体粒子的电离因外加能量和种类的不同可分为三类：热电离、电场作用下的电离和光电离。热电离：高温下，气体粒子受热的作用相互碰撞而产生的电离。Tmv电离T一定，气
6、体粒子速度分布遵循麦克斯韦速度分布律。只有动能大于电离电压能量的那部分粒子才引起中性粒子的电离。用电离率表示电离程度：即单位体积内被电离的粒子数与气体电离前粒子总数的比值。热平衡状态下电离度与气体温度、压力、电离电压、的关系符合萨哈（Saha）公式（单一气体热电离度表达式）：-玻耳兹曼常数=1.3810-23J/K显然T pUi 其中温度的影响最为显著。第10页，此课件共47页哦图1-3 热电离的电离度X与温度T的关系a）金属蒸气电离b）气体电离第11页，此课件共47页哦混合气体的电离度称为实效电离度：电子密度与电离前中性粒子密度的比值。其电离电压称为实效电离电压，主要决定于电离电压较低的气体
7、成分，低电离电压气体的电离过程是提供电弧所需带电粒子的关键。因此为提高电弧稳定性，在电弧气氛中只需加少量的低电离电压物质则可取得显著效果。一般焊接电弧中的电离度只有0.110-3-0.1210-2数量级。弧柱的温度一般在5000-30000K，电弧中的多原子气体在热作用下分解为原子的现象称为热解离，产生热解离所需的最低能量称为解离能（eV）气体的解离能均低于电离能。解离过程伴随吸热作用。影响带电粒子的产生及电弧的电及热性能。例如：CO2,N2保护，弧压，弧温高于Ar保护。因CO2,N2要发生解离，吸热使电弧收缩。第12页，此课件共47页哦电场作用下的电离（场致电离）：电场作用下的电离（场致电离
8、）：带电粒子从电场中获得能量，通过碰撞而产生电离过程称为电场作用下的电离。带电粒子一边与气体粒子碰撞，一边沿电场方向作加速运动。两次碰撞之间的路长度为粒子的自由行程。其平均值称为平均自由行程。在相同条件下电子的平均自由程比离子大4倍而电子质量比离子小得多。在电场作用下电子获得4倍于离子的动能与中性粒子发生非弹性碰撞产生电离，故电场作用下的电离主要是电子与中性粒子的非弹性碰撞引起的。这种电离是有链锁反应性质，但并不是无限的。电弧中除电离外，还存在着带电粒子复合成中性粒子的消电离过程。弧柱中场强较弱（10V/cm左右），电子获得动能较小。此时热电离是主要形式，场致电离是次要的，阳、阴极区场强较高（
9、105-107V/cm）才产生显著场致电离。第13页，此课件共47页哦光电离光电离：中性粒子接受光辐射的作用产生的电离。每种气体都有一个产生光电离的临界波长，小于它才能产生光电离（表1-3）波长能量。电弧的光辐射波长在170-500nm（红外线，可见光及紫外线），可见，只有K,Na,Ca,Al等蒸气能直接被电离。因此，光电离是电弧中产生带电粒子的一个次要途径。第14页，此课件共47页哦电极发射电子：电极发射电子：电极表面受到外加能量的作用，使其内部的电子冲破电极表面的束缚而飞到电弧空间的现象称为电子发射。以阴极发射出来的电子在电场作用下参加电弧导电过程。向弧柱提供所需电子流。使一个电子从金属表
10、面飞出所需的最低能量称为逸出功（eV逸出电压Uw）。逸出功大小与材料种类，金属表面状态及表面氧化物情况有关（见表1-4）。可见，金属表面带有氧化物时的逸出功减小（Al-4.25,Al2O3-3.9;Mg-3.78,MgO-3.31)，电弧阴极斑点具有自动寻找氧化膜的倾向。再如在钨电极中加入钍、铯、铈、锆等氧化物，可改善引弧性能（提高电子发射能力），降低烧损。第15页，此课件共47页哦由于外加能量形式不同，电子发射机构可分为热发射、电场发射、光发射和粒子碰撞发射四种类型：1热发射：热发射：由于金属表面受热作用，使其内部的自由电子热运动加剧，当自由电子的动能大于逸出功时，则飞出金属表面参加电弧的导
11、电过程。电子从金属表面逸出时要带走热量，对金属表面产生冷却作用，当其被金属表面接收时，会释放能量，使金属表面加热，带走和释放的能量在数值上均为IUw（其中I为发射的总电子流，Uw逸出电压）。如热态引弧较容易。第16页，此课件共47页哦2电场发射：电场发射：当金属表面存在一定强度的正电压时，金属内部的电子会受到电场力的作用。当此力足够大时，电子即可飞出金属表面，这种现象称为电场发射。当电场强度足够高时，即使温度很低，也可发射足够的电子传给电弧导电的需要。如冷态引弧需较高电压。电场发射电子带走热量比热发射时要少。3光发射光发射：金属表面受光能照射，使内部自由电子冲破表面约束而产生的电子发射称为光发
12、射。与光电离类似，光发射也存在一个临界波长。焊接电弧的光量较弱。因而光发射在阴极电子发射中居次要位置。光发射时电子 吸收光辐射能。不从金属表面带走能量，对电极没有冷却作用。第17页，此课件共47页哦4粒子碰撞发射粒子碰撞发射：高速运动的粒子（主要是正离子）碰撞金属表面时。将能量传给金属表面的自由电子。使其能量增加而跑出金属表面，称为粒子碰撞发射。电弧中阴极区前聚积大量正离子，形成空间电场，使正离子冲向阴极，可能形成碰撞发射，一定条件下是阴极提供电子的主要途径。如维弧存在对等离子主弧引燃有利。Ar+对铝氧化膜清理。在实际焊接电弧中，当使用沸点高的材料如钨或碳作电极时，其阴极区的带电粒子主要靠热发
13、射来提供，称之为热阴极电弧。而使用铝、铜、镁等低沸点材料作阴极时，电极加热温度不可能太高，此时电场发射起重要作用，称之为冷阴极电弧。第18页，此课件共47页哦负离子的产生：负离子的产生：电弧中除产生电子和正离子外，还会产生另一种带电粒子-负离子。即在一定条件下，有些中性原子或分子会吸附一个电子形成负离子。中性粒子吸附电子形成负离子时，其内部能量不是增加而是减小，减小的这部分能量称为中性粒子的电子亲和能。并以热或光辐射能的形式释放出来。电子亲和能越大的元素形成负离子的倾向越大。由于形成负离子是放热反应，电子在高温区运动速度较高，因而负离子在高温区不易稳定存在，多分布在周边上。虽然负离子所带的电荷
14、与电子相同，但因其质量比电子大得多，不能有效参加电弧导电过程，故若电弧中产生大量的负离子。则必然会引起电弧导电困难使其稳定性降低。第19页，此课件共47页哦带电粒子的扩散与复合：带电粒子的扩散与复合：在电弧导电过程中，带电粒子的增加是有一定限度的。这是因为在带电粒子形成的过程中，同时存在着带电粒子消失的过程，两者处于动平衡状态。带电粒子在电弧空间的消失过程除与上述负离子的消电离作用有关外，还与扩散与复合过程密切相关。1扩散扩散：带电粒子分布密度不同，则带电粒子从密度高向密度低的地方移动，并趋向密度均匀化，称为带电粒子的扩散，它是由热运动引起的。电子平均自由程比正离子大，扩散系数也高。弧柱中心比
15、周边温度高且带电粒子密度高。电子比正离子易于从弧心向电弧周边扩散。结果：中心过剩正离子。周边过剩电子，形成宏观内电场，又促使正离子从弧心向周边扩散。最终导致中心带电粒子减少。且将一部分热量带到电弧周边，影响了电弧的导电性和增大热损失，因此，电弧必须再多产生一部分带电粒子和热量以弥补上述损失（IE）。第20页，此课件共47页哦2复合复合：电弧空间（正离子、负离子、电子），在一定条件下相遇而互相结合成中性粒子的过程。包括电子与正离子及正离子与负离子的复合。存在空间复合和表面复合两种形式。总之，电弧正是通过上述带电粒子的产生（解离、激励、电离及电子发射）和消亡（负离子、扩散、复合）等一系列物理过程，
16、不断把电能转换成热、光和机械能，以满足焊接和其它工业应用的需要。第21页，此课件共47页哦1.2 焊接电弧的产生过程焊接电弧的产生过程图1-4图1-5一.接触式引弧(熔化极):短路-分离-燃弧二.非接触式引弧(非熔化极):高频高压引弧(150260kHz,23kV);高压脉冲引弧(工频,35kV)第22页，此课件共47页哦1.3焊接电弧的构造及其导电机构焊接电弧的构造及其导电机构一.焊接电弧的构造焊接电弧的构造:焊接电弧由三个不同电场强度的区域，即阳极区、阴极区和弧柱区构成（图1-6）。其中弧柱区电压降较小（10V左右）而长度较大（约为电弧长度）。说明阻抗较小电场强度较低；两个极区沿长度方向尺
17、寸较小（阴极区约为电子平均自由程10-510-6cm，阳极区约为10-210-3cm）而电压降较大（Uk一般为1015V，UA低于Uk。）可见其阻抗较大，电场强度较高（如阴极区可高106107V/cm）。且Ua=Uk+Uc+UA。电弧这种特性是由于各区导电机构不同所决定的。图1-6 电弧各区的电压分布第23页，此课件共47页哦二二.焊接电弧的导电机构焊接电弧的导电机构:(一一)阴极区的导电机构：阴极区的导电机构：阴极区的作用是向弧柱提供所需的电子流。接受由弧柱区送来的正离子流。由于阴极材料种类、电流大小及电弧气体介质不同，阴极区的导电机构可分为三种类型：1热发射型阴极区导电机构：热发射型阴极区
18、导电机构：当阴极采用W.C等高熔点材料，电流较大时，由于阴极区可达到很高的温度。弧柱所需的电子流主要靠阴极的热发射来提供，这样的阴极称为热发射型阴极区。如果阴极通过热发射能够提供所需要的全部电子，则阴极区不复存在，阴极压降也不存在，即阴极前面的场强和弧柱区一致。在大电流钨极氩弧焊时，这种阴极导电机构占主要地位。实际上“热阴极”是相对于“冷阴极”而言，即使大电流钨极氩弧焊，阴极区也有一定的电场发射和阴极压降，只是数值较小而已。第24页，此课件共47页哦2电场发射型导电机构：电场发射型导电机构：当阴极材料为W.C，但电流较小或阴极材料采用熔点较低的Fe、Al、Cu时，阴极表面的温度受电流或材料沸点
19、的限制，不能产生较强的热发射以供给所需的电子流。由于电子供应不足，使得邻近阴极区的弧柱处正负电荷的平衡首先遭到破坏。造成过剩的正离子堆积，形成正电场。热发射越弱，则正电场越强。在这一正电场作用下、使阴极产生电场发射。同时加速电子运动，在阴极区产生碰撞电离，共同向弧柱提供所需的电子流。这种形式的导电机构也称为冷阴极导电机构，是熔化极电弧焊和小电流钨极氩弧焊常见的导电机构。在通常情况下，热发射和电场发射两种阴极导电机构并存，且根据电极材料，电流大小和气体介质不同而自动调节。当电极材料熔点较高或逸出功较小时，热发射比例较大，电场发射比例较小，阴极压降较低；反之，电场发射比例增大，阴极压降也随之提高。
20、第25页，此课件共47页哦3等离子型阴极区导电机构：等离子型阴极区导电机构：在冷阴极小电流或低气压钨极氩弧焊时，由于阴极的温度低，热发射能力弱；当电弧空间气压低时，阴极压降区大，使电场强度下降，场致发射的能力也不强，但仍具有一定的能量和电场强度，在阴极区前面形成一个辉光明亮的高温区，区内的中性粒子产生电离，生成的电子在电场作用下向弧柱运动，而正离子跑向阴极，即称为等离子型阴极区导电机构。第26页，此课件共47页哦弧柱区的导电机构：弧柱区的导电机构：弧柱温度因气体种类和电流大小不同，一般在5000-30000K，因此弧柱气体将产生以热电离为主的导电现象。由热电离产生的带电粒子在外加电场作用下，正
21、离子向阴极方向运动，电子向阳极方向运动而形成电流。这种受电场作用而形成的电子流和正离子流将由阴极区和阳极区产生相应的电子流和正离子流予以补充。以保证弧柱带电粒子的动态平衡。从整体看，弧柱呈电中性，它由分子、原子、受激原子、正离子、负离子及电子所组成，其中带正电荷的离子与带负电荷的离子几乎相等，故又称为等离子体。带电的粒子在等离子体中定向移动，基本不消耗能量，故可在低电压条件下传输大电流。弧柱的导电性能的优劣，直接表现在弧柱导电时所需要的电场强度E的大小。E的大小与电弧气氛种类和电流大小有密切关系。如EH2ECO2E空气EAr。(见图1-8)图1-8 弧柱电场强度与电流的关系第27页，此课件共4
22、7页哦(三三)阳极区的导电机构：阳极区的导电机构：阳极区的作用是接受电子流和提供正离子流。阳极区接受电子的过程较为简单。每一个电子到达阳极时便向阳极释放相当于逸出功的能量。但由于阳极不能直接发射正离子，所以正离子只能由阳极区供给。根据电弧电流密度的大小，阳极区可由两种方式提供正离子。当电流密度较大时，阳极温度很高。阳极材料发生蒸发，靠近阳极前面的空间也加热到很高的温度。当电流密度到一定程度时，聚集在这里的金属蒸气将发生热电离，生成正离子供给弧柱的需要，电子则流向阳极。若电流足够大，弧柱所需要的正离子可全部由热电离提供，此时阳极区压降为零。当电流较小时，阳极区热电离不足，电子过剩，形成负电场和U
23、A。弧柱来的电子加速，碰撞电离向弧柱提供正离子。(见图1-9)当这种电离可以满足弧柱所需的正离子数目时。UA不再继续升高而保持稳定。在这种情况下。阳极区压降一般大于气体介质的电离电压。试验表明，大电流钨极氩弧焊及大电流熔化极焊接时，UA都很小甚至接近于零。UA除了与电流有关外，还与材料的导热性能有关。在相同条件下，阳极材料的导热性能越强，UA越大。第28页，此课件共47页哦(四四)电极表面导电现象电极表面导电现象-阴极斑点与阳极斑点：阴极斑点与阳极斑点：1阴极斑点：阴极斑点：电弧放电时，负电极表面上集中发射电子的光亮极小区域(其电流密度高达103107A/cm2)。当采用高熔点材料作阴极、电流
24、较小时或采用低熔点、低沸点材料作阴极时，热发射不足，阴极自动收缩其导电截面，直至形成密度很大的正离子空间电荷，造成很大的阴极压降，产生强电场发射，来补充热发射的不足，维持电弧的燃烧。当采用熔点较低的材料作阴极时，有时阴极表面会产生几个分离的阴极斑点。这些分离的斑点在阴极斑点区域内以很高速度（104-105cm/s）跳动，自动寻找最有利于电场发射和热发射的点。因此，阴极斑点形成的条件：首先该点具有可能发射电子的条件（主要是电场发射和热发射），其次是电弧通过该点时弧柱能量消耗较小。所以，阴极斑点有自动跳向温度高、热发射强等物质上去的趋势。当金属表面有低逸出功的氧化膜存在时，阴极斑点将自动寻找氧化膜
25、。在铝合金焊接中，靠“阴极破碎”（阴极雾化、阴极溅射）作用清除氧化膜就是一例。第29页，此课件共47页哦2阳极斑点：阳极斑点：电弧放电时，正电极表面上集中接收电子的光亮微小区域。从弧柱飞来的电子，大部分都是从斑点进入阳极。但阳极斑点的范围比阴极斑点大，故此处的电流密度一般比阴极斑点的电流密度小得多（约为102-103A/cm2）。由此看来，对于低熔点的阳极材料其阳极斑点的形成条件：首先是该点有金属蒸发，其次是电弧通过该点时，弧柱的能量消耗较低。因而阳极斑点有寻找纯金属表面而避开氧化膜的倾向。这是因为大多数金属氧化物的熔点和沸点均高于纯金属。当铝合金焊接时，若工件接到阳极，就没有去除氧化膜的作用
26、。第30页，此课件共47页哦四、电弧的最小能量消耗特性四、电弧的最小能量消耗特性-最小电压原理：最小电压原理：最小电压原理是：对一个和轴线对称的电弧，在给定的电流和边界条件下，当电弧处于稳定状态时，其弧柱半径或温度应使弧柱的电场强度具有最小值。由于弧柱的电场强度可用单位长度弧柱上的能量消耗或电弧电压的大小来表示，故最小电压原理的可简化为：电弧具有保持最小能量消耗的特性，而当电弧电流一定时，电弧要保持最小电压降。最小电压原理说明了电弧在稳定燃烧时，电弧的形态与其物理参数之间的关系及电流保持一定，当其周围条件发生变化时电弧状态和物理参数发生变化的趋向。第31页，此课件共47页哦电弧过程中的许多现象
27、都可利用最小电压原理来解释，例如：当电弧被周围介质强迫冷却时，则电弧将自动收缩其断面并使电流密度升高，电场强度E提高，温度T也升高。因为据最小电压原理，电弧有自动使E增加到最小限度的倾向，即有使此条件下的热损失最小的倾向，故电弧断面将自动收缩，减小散热面使在此条件下E增加得最小。又如：电弧斑点的跳动，是电弧在不断更新位置的条件下，按照最小电压原理的准则在新的几何位置上建立新的平衡。电弧每移到一个新的位置时，工件上都会有一些供选择的点来建立新的电极斑点，但必然选择弧长最短、电压最小、能量消耗最少的点来确定新的斑点位置。刚刚确定的点，又要随着电弧的移动而重新选择。如此不断更新，不断选择，便造成了阴
28、极斑点或阳极斑点的频繁跳动。同时，工件上不断更换着的电极斑点位置大多滞后焊丝（或钨极）中心线所指位置的后面。被称为电极斑点的“粘着”作用。这种粘着作用一般认为是由焊接电弧的热惯性所造成的。第32页，此课件共47页哦1-4 焊接电弧的电特性焊接电弧的电特性-电弧静特性和动特性电弧静特性和动特性电弧是一种非线性的电阻负载，其导电率不是常数，且与弧柱的温度和电流大小密切相关。一、焊接电弧的静特性：一、焊接电弧的静特性：一定长度的电弧稳定燃烧时，其电弧电压与焊接电流之间的关系曲线。电弧静特性曲线的形状：U形曲线。影响电弧静特性的因素：1电弧长度的影响2周围气体种类影响3周围气体介质压力的影响二、焊接电
29、弧的动特性：二、焊接电弧的动特性：一定长度的电弧，当焊接电流以很快速度变化时，其焊接电流的瞬时值与电弧电压瞬时值之间的关系称为电弧的动特性。形成焊接电弧动特性曲线的原因：电弧的热惯性。交流电弧的动特性曲线可以表明电弧本身稳定性的好坏。第33页，此课件共47页哦图1-18 交流电弧的动特性曲线第34页，此课件共47页哦图1-19 脉动电流图1-20 脉动电弧动特性第35页，此课件共47页哦图1-21 脉冲电弧动特性第36页，此课件共47页哦图1-22 电弧的温度、电密和能密的轴向分布示意图第37页，此课件共47页哦图1-23 电弧径向温度分布示意图第38页，此课件共47页哦图1-24 不同电流时
30、电弧径向温度分布第39页，此课件共47页哦图1-25导体的电磁力图1-26液态导体电磁力的收缩效应第40页，此课件共47页哦图1-27焊接电弧模型图1-28电弧等离子气流的产生第41页，此课件共47页哦图1-29焊缝形状示意图a.静压力-碗状熔深b.动压力-指状熔深图1-30焊丝、熔滴及电弧中电流线分布第42页，此课件共47页哦图1-31MIG焊的电弧力与电流的关系图1-32电弧力与弧长的关系第43页，此课件共47页哦图1-34MIG焊电弧力与焊丝极性的关系图1-33电弧力与焊丝直径的关系第44页，此课件共47页哦图1-35TIG焊电弧压力与极性的关系图1-36电弧力与气体介质的关系第45页，此课件共47页哦图1-37电弧压力与电极端部角度的关系图1-38脉冲电流作用下电弧力的变化图1-39直流高频TIG焊时电弧压力与频率的关系第46页，此课件共47页哦图1-40接线位置产生的磁偏吹图1-41铁磁物质产生的磁偏吹图1-42平行电弧间产生的磁偏吹第47页，此课件共47页哦