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1、1 11.焊接电弧的能量特性焊接电弧是一个将电能转换成热能、光能、机械焊接电弧是一个将电能转换成热能、光能、机械能的过程，其能量特性在三个特征区是不同的。能的过程，其能量特性在三个特征区是不同的。（1 1）弧柱区的能量特性：）弧柱区的能量特性：一般电弧焊中，弧柱的热量仅有少部分通过辐射一般电弧焊中，弧柱的热量仅有少部分通过辐射传给了焊丝或工件，而是通过弧柱散热损失了；传给了焊丝或工件，而是通过弧柱散热损失了；等离子弧焊接中焊丝或工件的加热熔化主要靠弧等离子弧焊接中焊丝或工件的加热熔化主要靠弧柱的热量。弧柱区能够产生的能量主要是弧柱中柱的热量。弧柱区能够产生的能量主要是弧柱中正离子和电子的动能。
2、正离子和电子的动能。第1页/共48页2 2 弧柱区的热能在一般情况下不能直接作用于电弧柱区的热能在一般情况下不能直接作用于电弧柱区的热能在一般情况下不能直接作用于电弧柱区的热能在一般情况下不能直接作用于电极或母材极或母材极或母材极或母材,主要是通过对流、辐射和传导散失在周围主要是通过对流、辐射和传导散失在周围主要是通过对流、辐射和传导散失在周围主要是通过对流、辐射和传导散失在周围气体中。一般电弧焊时气体中。一般电弧焊时气体中。一般电弧焊时气体中。一般电弧焊时,对流损失约占总损失的对流损失约占总损失的对流损失约占总损失的对流损失约占总损失的80%80%80%80%以上，辐射损失为以上，辐射损失为
3、以上，辐射损失为以上，辐射损失为10%10%10%10%左右，而传导的损失是很少的。左右，而传导的损失是很少的。左右，而传导的损失是很少的。左右，而传导的损失是很少的。当采用等离子弧焊接、切割或钨极氩弧焊时，则可当采用等离子弧焊接、切割或钨极氩弧焊时，则可当采用等离子弧焊接、切割或钨极氩弧焊时，则可当采用等离子弧焊接、切割或钨极氩弧焊时，则可以利用弧柱的热量来加热焊丝和焊件。以利用弧柱的热量来加热焊丝和焊件。以利用弧柱的热量来加热焊丝和焊件。以利用弧柱的热量来加热焊丝和焊件。（1 1）弧柱区的能量特性：）弧柱区的能量特性：1.焊接电弧的能量特性第2页/共48页3 3（2）阴极区能量特性：阴极区
4、产生的能量可以直接用来加热焊丝和工件，阴极区产热为：PK=I（UK Uw UT）UK-阴极压降Uw-逸出电压UT-与弧柱温度相当的电压1.焊接电弧的能量特性第3页/共48页4 4（3）阳极区的能量特性阳极区产生的能量可以直接用来加热焊丝和工件，阳极区产热为：PA=I（UA+Uw+UT）UA-阴极压降Uw-逸出电压UT-与弧柱温度相当的电压1.焊接电弧的能量特性第4页/共48页5 52.焊接电弧的温度分布钢焊条焊接工件时，阳极区温度约为2600 K，阴极区温度约为2400 K，电弧中心区温度最高，可达60008000 K。由于电弧截面的特点所以电流密度及能量密度在弧柱区较低。第5页/共48页6
5、62 2 焊接电弧的温度分布焊接电弧的温度分布1)1)焊接电弧轴向温度分布焊接电弧轴向温度分布焊接电弧轴向温度分布焊接电弧轴向温度分布 焊接电弧沿轴向的温度分布如图焊接电弧沿轴向的温度分布如图焊接电弧沿轴向的温度分布如图焊接电弧沿轴向的温度分布如图1-61-6所示。所示。所示。所示。图中还给出了能量密度与电流密度是相对应的图中还给出了能量密度与电流密度是相对应的图中还给出了能量密度与电流密度是相对应的图中还给出了能量密度与电流密度是相对应的,即阴极区和阳极区的电流密度和能量密度均高于即阴极区和阳极区的电流密度和能量密度均高于即阴极区和阳极区的电流密度和能量密度均高于即阴极区和阳极区的电流密度和
6、能量密度均高于弧柱区。弧柱区。弧柱区。弧柱区。第6页/共48页7 72 2 焊接电弧的温度分布焊接电弧的温度分布图图1-6 1-6 电弧的温度、电流密度和能量密度的轴向分布示意图电弧的温度、电流密度和能量密度的轴向分布示意图第7页/共48页8 8 许多研究表明许多研究表明许多研究表明许多研究表明,一般电弧焊时，阴极和阳极产一般电弧焊时，阴极和阳极产一般电弧焊时，阴极和阳极产一般电弧焊时，阴极和阳极产生的热量相近生的热量相近生的热量相近生的热量相近,但由于阴极发射电子消耗的能量较多但由于阴极发射电子消耗的能量较多但由于阴极发射电子消耗的能量较多但由于阴极发射电子消耗的能量较多,故其温度比阳极低一
7、些。阴极温度约为故其温度比阳极低一些。阴极温度约为故其温度比阳极低一些。阴极温度约为故其温度比阳极低一些。阴极温度约为2200-3500K2200-3500K2200-3500K2200-3500K，而阳极温度约为，而阳极温度约为，而阳极温度约为，而阳极温度约为2400-4200K2400-4200K2400-4200K2400-4200K。在相同的产热情况。在相同的产热情况。在相同的产热情况。在相同的产热情况下下下下,电极的温度受电极材料的种类、导热性、电极的电极的温度受电极材料的种类、导热性、电极的电极的温度受电极材料的种类、导热性、电极的电极的温度受电极材料的种类、导热性、电极的几何尺寸
8、影响较大。一般来说几何尺寸影响较大。一般来说几何尺寸影响较大。一般来说几何尺寸影响较大。一般来说,材料的沸点越低、导材料的沸点越低、导材料的沸点越低、导材料的沸点越低、导热性越好、电极的尺寸越大热性越好、电极的尺寸越大热性越好、电极的尺寸越大热性越好、电极的尺寸越大,电极的温度越低电极的温度越低电极的温度越低电极的温度越低,反之，反之，反之，反之，则越高。弧柱区的温度受电流大小、电极材料、气则越高。弧柱区的温度受电流大小、电极材料、气则越高。弧柱区的温度受电流大小、电极材料、气则越高。弧柱区的温度受电流大小、电极材料、气体介质、弧柱的压缩程度等因素的影响较大。体介质、弧柱的压缩程度等因素的影响
9、较大。体介质、弧柱的压缩程度等因素的影响较大。体介质、弧柱的压缩程度等因素的影响较大。2 焊接电弧的温度分布焊接电弧的温度分布第8页/共48页9 9 焊接电流增大焊接电流增大焊接电流增大焊接电流增大,弧柱区的温度增加，在常压下，弧柱区的温度增加，在常压下，弧柱区的温度增加，在常压下，弧柱区的温度增加，在常压下，当电流由当电流由当电流由当电流由1A1A1A1A至至至至1000A1000A1000A1000A变化时变化时变化时变化时,弧柱区的温度可在弧柱区的温度可在弧柱区的温度可在弧柱区的温度可在5000K5000K5000K5000K至至至至30000K30000K30000K30000K之间变
10、化；金属蒸汽的电离电压一般之间变化；金属蒸汽的电离电压一般之间变化；金属蒸汽的电离电压一般之间变化；金属蒸汽的电离电压一般比较低，当电极材料不同时，其蒸汽的电离电压不比较低，当电极材料不同时，其蒸汽的电离电压不比较低，当电极材料不同时，其蒸汽的电离电压不比较低，当电极材料不同时，其蒸汽的电离电压不同，因而对弧柱区温度的影响不同，其电离电压越同，因而对弧柱区温度的影响不同，其电离电压越同，因而对弧柱区温度的影响不同，其电离电压越同，因而对弧柱区温度的影响不同，其电离电压越低，弧柱的温度也越低；当电弧周围有高速气流流低，弧柱的温度也越低；当电弧周围有高速气流流低，弧柱的温度也越低；当电弧周围有高速
11、气流流低，弧柱的温度也越低；当电弧周围有高速气流流动时动时动时动时(如等离子弧如等离子弧如等离子弧如等离子弧)，由于气流的冷却作用，使弧柱，由于气流的冷却作用，使弧柱，由于气流的冷却作用，使弧柱，由于气流的冷却作用，使弧柱区电场强度提高区电场强度提高区电场强度提高区电场强度提高,温度上升；当气体介质中含有较多温度上升；当气体介质中含有较多温度上升；当气体介质中含有较多温度上升；当气体介质中含有较多易电离的物质易电离的物质易电离的物质易电离的物质(如碱金属、碱土金属的蒸气等如碱金属、碱土金属的蒸气等如碱金属、碱土金属的蒸气等如碱金属、碱土金属的蒸气等)时时时时,虽虽虽虽然能提高电弧的稳定性然能提
12、高电弧的稳定性然能提高电弧的稳定性然能提高电弧的稳定性,但弧柱区的温度有所降低。但弧柱区的温度有所降低。但弧柱区的温度有所降低。但弧柱区的温度有所降低。2 焊接电弧的温度分布焊接电弧的温度分布第9页/共48页1010 反之，如果介质中含有电离能较高的物质反之，如果介质中含有电离能较高的物质反之，如果介质中含有电离能较高的物质反之，如果介质中含有电离能较高的物质,特别是存在负电性元素氟时特别是存在负电性元素氟时特别是存在负电性元素氟时特别是存在负电性元素氟时,能显著地提高弧柱能显著地提高弧柱能显著地提高弧柱能显著地提高弧柱区的温度。例如区的温度。例如区的温度。例如区的温度。例如,用含氟的焊剂进行
13、埋弧焊时用含氟的焊剂进行埋弧焊时用含氟的焊剂进行埋弧焊时用含氟的焊剂进行埋弧焊时,弧弧弧弧柱区的温度可高达柱区的温度可高达柱区的温度可高达柱区的温度可高达7850K7850K7850K7850K。含氟越多，温度越高。含氟越多，温度越高。含氟越多，温度越高。含氟越多，温度越高。其原因是其原因是其原因是其原因是:氟易与电子在电弧周边容易结合形成氟易与电子在电弧周边容易结合形成氟易与电子在电弧周边容易结合形成氟易与电子在电弧周边容易结合形成负离子负离子负离子负离子F-,F-,F-,F-,使得电弧周边难以导电，电弧电流主使得电弧周边难以导电，电弧电流主使得电弧周边难以导电，电弧电流主使得电弧周边难以导
14、电，电弧电流主要从电弧中心流过，这相当于对电弧产生了压缩要从电弧中心流过，这相当于对电弧产生了压缩要从电弧中心流过，这相当于对电弧产生了压缩要从电弧中心流过，这相当于对电弧产生了压缩作用，因而使弧柱的温度提高。作用，因而使弧柱的温度提高。作用，因而使弧柱的温度提高。作用，因而使弧柱的温度提高。2 焊接电弧的温度分布焊接电弧的温度分布第10页/共48页11112)2)焊接电弧径向温度分布焊接电弧径向温度分布 在焊接电弧的横断面内在焊接电弧的横断面内,温度沿径向的温度沿径向的分布是不均匀的分布是不均匀的,中心轴温度最高中心轴温度最高,离开中心离开中心轴的温度逐渐降低轴的温度逐渐降低,如图如图1-7
15、1-7所示。这主要是所示。这主要是由于外围散热快造成的。由于外围散热快造成的。焊接电流越大焊接电流越大,电弧中心的温度越高。电弧中心的温度越高。2 焊接电弧的温度分布焊接电弧的温度分布第11页/共48页1212图图1-71-7电弧径向温度分布示意图电弧径向温度分布示意图 a)W-Cua)W-Cu电极间电弧等温线电极间电弧等温线,电流电流200A200A，电压，电压14.2v 14.2v b)200Ab)200A碳弧等温线碳弧等温线2 焊接电弧的温度分布焊接电弧的温度分布第12页/共48页1313焊接电弧燃烧时焊接电弧燃烧时,不仅能产生热，而且能产不仅能产生热，而且能产生机械作用力生机械作用力,
16、包括电磁收缩力、等离子流力、包括电磁收缩力、等离子流力、斑点压力等斑点压力等,这些力统称为焊接电弧力。焊接这些力统称为焊接电弧力。焊接电弧力对熔滴过渡、熔深尺寸、焊缝成形、电弧力对熔滴过渡、熔深尺寸、焊缝成形、飞溅大小飞溅大小,以及焊缝的外观缺陷以及焊缝的外观缺陷(如咬肉、焊如咬肉、焊瘤、烧穿等瘤、烧穿等)均产生很大的影响。均产生很大的影响。3 焊接电弧力及其影响因素焊接电弧力及其影响因素第13页/共48页1414(1)(1)焊接电弧力焊接电弧力 焊接时焊接时焊接时焊接时,焊接电弧能产生以下机械作用力焊接电弧能产生以下机械作用力焊接电弧能产生以下机械作用力焊接电弧能产生以下机械作用力:1)1)
17、1)1)电磁收缩力电磁收缩力电磁收缩力电磁收缩力 由电磁学理论可知由电磁学理论可知由电磁学理论可知由电磁学理论可知,任何一根载流导体都会在其任何一根载流导体都会在其任何一根载流导体都会在其任何一根载流导体都会在其周围产生磁场周围产生磁场周围产生磁场周围产生磁场,如果把第二根载流导体平行地置于第如果把第二根载流导体平行地置于第如果把第二根载流导体平行地置于第如果把第二根载流导体平行地置于第一根导体附近时一根导体附近时一根导体附近时一根导体附近时,则每根导体周围都有两个磁场作用则每根导体周围都有两个磁场作用则每根导体周围都有两个磁场作用则每根导体周围都有两个磁场作用,这两个磁场作用的结果会产生力。
18、这两个磁场作用的结果会产生力。这两个磁场作用的结果会产生力。这两个磁场作用的结果会产生力。3 焊接电弧力及其影响因素焊接电弧力及其影响因素第14页/共48页1515 如果两个导体通以同方向电流如果两个导体通以同方向电流如果两个导体通以同方向电流如果两个导体通以同方向电流,将产生吸引力；将产生吸引力；将产生吸引力；将产生吸引力；如果电流方向相反，则产生排斥力。这种由磁场的相如果电流方向相反，则产生排斥力。这种由磁场的相如果电流方向相反，则产生排斥力。这种由磁场的相如果电流方向相反，则产生排斥力。这种由磁场的相互作用而产生的力称为电磁力。由于两个导体电流方互作用而产生的力称为电磁力。由于两个导体电
19、流方互作用而产生的力称为电磁力。由于两个导体电流方互作用而产生的力称为电磁力。由于两个导体电流方向相同而产生的吸引力称为电磁收缩力向相同而产生的吸引力称为电磁收缩力向相同而产生的吸引力称为电磁收缩力向相同而产生的吸引力称为电磁收缩力,它的大小与它的大小与它的大小与它的大小与导体中流过的电流大小成正比导体中流过的电流大小成正比导体中流过的电流大小成正比导体中流过的电流大小成正比,与两导线间的距离成与两导线间的距离成与两导线间的距离成与两导线间的距离成反比。反比。反比。反比。焊接电弧可以看成是由许多平行的电流线组成焊接电弧可以看成是由许多平行的电流线组成焊接电弧可以看成是由许多平行的电流线组成焊接
20、电弧可以看成是由许多平行的电流线组成的导体。这些电流线之间也将产生相互吸引力的导体。这些电流线之间也将产生相互吸引力的导体。这些电流线之间也将产生相互吸引力的导体。这些电流线之间也将产生相互吸引力,使导使导使导使导体断面产生收缩趋势体断面产生收缩趋势体断面产生收缩趋势体断面产生收缩趋势,如图如图如图如图1-81-81-81-8所示。如果导体是固体所示。如果导体是固体所示。如果导体是固体所示。如果导体是固体,这种收缩力不能改变导体的外形这种收缩力不能改变导体的外形这种收缩力不能改变导体的外形这种收缩力不能改变导体的外形,而如果导体是气体而如果导体是气体而如果导体是气体而如果导体是气体或液体或液体
21、或液体或液体,则将产生收缩，如图则将产生收缩，如图则将产生收缩，如图则将产生收缩，如图1-91-91-91-9所示。所示。所示。所示。（1 1）焊接电弧力）焊接电弧力）焊接电弧力）焊接电弧力1)1)电磁收缩力电磁收缩力电磁收缩力电磁收缩力第15页/共48页1616图图1-8 1-8 导体的电磁力导体的电磁力图图 1-91-9液态导体电磁力的收缩效应液态导体电磁力的收缩效应3 3 焊接电弧力及其影响因素焊接电弧力及其影响因素焊接电弧力及其影响因素焊接电弧力及其影响因素第16页/共48页1717 焊接电弧是断面直径变化的圆锥状的气体导体焊接电弧是断面直径变化的圆锥状的气体导体焊接电弧是断面直径变化
22、的圆锥状的气体导体焊接电弧是断面直径变化的圆锥状的气体导体,其模型其模型其模型其模型如图如图如图如图1-101-10所示，这是因为电极直径限制了导电区的扩展所示，这是因为电极直径限制了导电区的扩展所示，这是因为电极直径限制了导电区的扩展所示，这是因为电极直径限制了导电区的扩展,而而而而焊件上电弧可以扩展得比较宽的缘故。由下式可知焊件上电弧可以扩展得比较宽的缘故。由下式可知焊件上电弧可以扩展得比较宽的缘故。由下式可知焊件上电弧可以扩展得比较宽的缘故。由下式可知,直径不直径不直径不直径不同将引起压力差同将引起压力差同将引起压力差同将引起压力差,从而产生由电弧指向焊件的推力从而产生由电弧指向焊件的推
23、力从而产生由电弧指向焊件的推力从而产生由电弧指向焊件的推力F Fp(电磁静电磁静电磁静电磁静压力压力压力压力)，其方程为其方程为其方程为其方程为:F F F Fp p p p=KI=KI=KI=KI2 2 2 2ln(Rln(Rln(Rln(Rb b b b/R/R/R/Ra a a a)式中，式中，式中，式中，R R R Ra a a a 和和和和R R R Rb b b b 分别分别分别分别是锥形弧柱上底面和下底面半径；是锥形弧柱上底面和下底面半径；是锥形弧柱上底面和下底面半径；是锥形弧柱上底面和下底面半径；是锥形弧柱半径。是锥形弧柱半径。是锥形弧柱半径。是锥形弧柱半径。K K K K是系
24、数（是系数（是系数（是系数（K K K K /4/4/4/4,为介质磁导率），为介质磁导率），为介质磁导率），为介质磁导率），I I I I是电流是电流是电流是电流。3 3 焊接电弧力及其影响因素焊接电弧力及其影响因素焊接电弧力及其影响因素焊接电弧力及其影响因素第17页/共48页1818图图1-10 1-10 焊接电弧模型焊接电弧模型3 焊接电弧力及其影响因素焊接电弧力及其影响因素力大第18页/共48页1919(2)(2)(2)(2)等离子流力等离子流力等离子流力等离子流力 (电磁动压力电磁动压力电磁动压力电磁动压力)由于焊接电弧呈圆锥状由于焊接电弧呈圆锥状由于焊接电弧呈圆锥状由于焊接电弧呈圆
25、锥状,使得靠近电极处的电使得靠近电极处的电使得靠近电极处的电使得靠近电极处的电磁收缩力大磁收缩力大磁收缩力大磁收缩力大,靠近焊件处的电磁收缩力小靠近焊件处的电磁收缩力小靠近焊件处的电磁收缩力小靠近焊件处的电磁收缩力小,因而形成因而形成因而形成因而形成沿弧柱轴线的推力沿弧柱轴线的推力沿弧柱轴线的推力沿弧柱轴线的推力F F F F推推推推。在。在。在。在F F F F推推推推的作用下的作用下的作用下的作用下,较小截面处较小截面处较小截面处较小截面处(如图如图如图如图1-111-111-111-11中中中中A A A A点处点处点处点处)的高温粒子向焊件方向的高温粒子向焊件方向的高温粒子向焊件方向的
26、高温粒子向焊件方向(如图如图如图如图1-1-1-1-11111111中中中中B B B B点处点处点处点处)流动流动流动流动,同时在电极上方不断补充新的气体同时在电极上方不断补充新的气体同时在电极上方不断补充新的气体同时在电极上方不断补充新的气体进入电弧区进入电弧区进入电弧区进入电弧区,并被加热和强烈电离并被加热和强烈电离并被加热和强烈电离并被加热和强烈电离,从而形成连续不从而形成连续不从而形成连续不从而形成连续不断的等离子气流，并冲向焊件表面断的等离子气流，并冲向焊件表面断的等离子气流，并冲向焊件表面断的等离子气流，并冲向焊件表面,产生压力作用。产生压力作用。产生压力作用。产生压力作用。这种
27、由电弧推力引起的等离子气流高速运动所形成这种由电弧推力引起的等离子气流高速运动所形成这种由电弧推力引起的等离子气流高速运动所形成这种由电弧推力引起的等离子气流高速运动所形成的力称为等离子流力的力称为等离子流力的力称为等离子流力的力称为等离子流力,也称为电弧动压力。也称为电弧动压力。也称为电弧动压力。也称为电弧动压力。3 3 焊接电弧力及其影响因素焊接电弧力及其影响因素焊接电弧力及其影响因素焊接电弧力及其影响因素第19页/共48页2020图图1-11 1-11 电弧等离子气流的产生电弧等离子气流的产生3 3 焊接电弧力及其影响因素焊接电弧力及其影响因素焊接电弧力及其影响因素焊接电弧力及其影响因素
28、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第20页/共48页2121 等离子流力与等离子气流的速度、焊接电流等离子流力与等离子气流的速度、焊接电流等离子流力与等离子气流的速度、焊接电流等离子流力与等离子气流的速度、焊接电流值、电极状态、电弧形态、电弧长度等均有密切关值、电极状态、电弧形态、电弧长度等均有密切关值、电极状态、电弧形态、电弧长度等均有密切关值、电极状态、电弧形态、电弧长度等均有密切关系。电弧中等离子气流的速度很大，可以达到每秒系。电弧中等离子气流的速度很大，可以达到每秒系。电弧中等离子气流的速度很大，可以达到每秒系。电弧中等离子气流的速度很大，可以达到每秒数百米数
29、百米数百米数百米,其中电弧中心线上的速度最大其中电弧中心线上的速度最大其中电弧中心线上的速度最大其中电弧中心线上的速度最大,因此电弧中因此电弧中因此电弧中因此电弧中心线上的动压力大于周边的动压力；焊接电流越大，心线上的动压力大于周边的动压力；焊接电流越大，心线上的动压力大于周边的动压力；焊接电流越大，心线上的动压力大于周边的动压力；焊接电流越大，中心线上的动压力越大中心线上的动压力越大中心线上的动压力越大中心线上的动压力越大,而分布的区间越小。当钨极而分布的区间越小。当钨极而分布的区间越小。当钨极而分布的区间越小。当钨极氩弧焊的钨极锥角较小、电流较大时氩弧焊的钨极锥角较小、电流较大时氩弧焊的钨
30、极锥角较小、电流较大时氩弧焊的钨极锥角较小、电流较大时,或熔化极氩弧或熔化极氩弧或熔化极氩弧或熔化极氩弧焊采用射流过渡工艺时焊采用射流过渡工艺时焊采用射流过渡工艺时焊采用射流过渡工艺时,等离子流力很显著等离子流力很显著等离子流力很显著等离子流力很显著,容易形容易形容易形容易形成如图成如图成如图成如图1-12b1-12b1-12b1-12b所示的指状熔深焊缝。所示的指状熔深焊缝。所示的指状熔深焊缝。所示的指状熔深焊缝。3 3 焊接电弧力及其影响因素焊接电弧力及其影响因素焊接电弧力及其影响因素焊接电弧力及其影响因素第21页/共48页2222图图1-12 1-12 焊缝形状示意图焊缝形状示意图a)a
31、)主要由电弧静压力决定的碗状熔深主要由电弧静压力决定的碗状熔深 b)b)主要由电弧动压力决定的指状熔深主要由电弧动压力决定的指状熔深3 3 焊接电弧力及其影响因素焊接电弧力及其影响因素焊接电弧力及其影响因素焊接电弧力及其影响因素第22页/共48页2323(3)(3)斑点压力斑点压力 当电极上形成斑点时当电极上形成斑点时,由于斑点上导电由于斑点上导电和导热的特点，在斑点上将产生斑点压力。和导热的特点，在斑点上将产生斑点压力。斑点压力包括以下几种力斑点压力包括以下几种力:1 1）正离子和电子对电极的撞击力正离子和电子对电极的撞击力 2 2）电磁收缩力）电磁收缩力3 3）电极材料蒸发产生的反作用力电
32、极材料蒸发产生的反作用力3 3 焊接电弧力及其影响因素焊接电弧力及其影响因素焊接电弧力及其影响因素焊接电弧力及其影响因素第23页/共48页24241 1）正离子和电子对电极的撞击力正离子和电子对电极的撞击力 电弧焊时电弧焊时,阴极受到正离子的撞击阴极受到正离子的撞击,阳阳极受到电子的撞击极受到电子的撞击,因正离子的质量远远大因正离子的质量远远大于电子的质量于电子的质量,而阴极压降而阴极压降U UK K又大于阳极压降又大于阳极压降U UA A,因此撞击力在阴极上较大因此撞击力在阴极上较大,而在阳极上较而在阳极上较小。小。3 3 焊接电弧力及其影响因素焊接电弧力及其影响因素焊接电弧力及其影响因素焊
33、接电弧力及其影响因素第24页/共48页25252 2）电磁收缩力）电磁收缩力 当电极上形成熔滴并出现斑点时当电极上形成熔滴并出现斑点时,焊丝、焊丝、熔滴及电弧中电流线的分布如图熔滴及电弧中电流线的分布如图1-131-13所示。所示。电弧空间和熔滴中的电流线都在斑点处集中电弧空间和熔滴中的电流线都在斑点处集中,由于电磁力合成的方向都是由小断面指向大由于电磁力合成的方向都是由小断面指向大断面断面,故在斑点处产生向上的电磁力故在斑点处产生向上的电磁力,阻碍熔阻碍熔滴过渡。一般情况下滴过渡。一般情况下,阴极斑点尺寸小于阳极阴极斑点尺寸小于阳极斑点尺寸斑点尺寸,故阴极斑点受到的力要大于阳极斑故阴极斑点受
34、到的力要大于阳极斑点受到的力。点受到的力。3 3 焊接电弧力及其影响因素焊接电弧力及其影响因素焊接电弧力及其影响因素焊接电弧力及其影响因素第25页/共48页2626图图1-13 1-13 斑点的电磁收缩力斑点的电磁收缩力3 3 焊接电弧力及其影响因素焊接电弧力及其影响因素焊接电弧力及其影响因素焊接电弧力及其影响因素第26页/共48页27273 3 3 3）电极材料蒸发产生的反作用力电极材料蒸发产生的反作用力电极材料蒸发产生的反作用力电极材料蒸发产生的反作用力 斑点上的电流密度很高斑点上的电流密度很高斑点上的电流密度很高斑点上的电流密度很高,使这个部位的温度使这个部位的温度使这个部位的温度使这个
35、部位的温度很高很高很高很高,因而产生强烈的蒸发因而产生强烈的蒸发因而产生强烈的蒸发因而产生强烈的蒸发,使金属蒸气以一定的速使金属蒸气以一定的速使金属蒸气以一定的速使金属蒸气以一定的速度从斑点处发射出来度从斑点处发射出来度从斑点处发射出来度从斑点处发射出来,同时给斑点施加一个反作用同时给斑点施加一个反作用同时给斑点施加一个反作用同时给斑点施加一个反作用力。通常阴极斑点的电流密度比阳极斑点大力。通常阴极斑点的电流密度比阳极斑点大力。通常阴极斑点的电流密度比阳极斑点大力。通常阴极斑点的电流密度比阳极斑点大,因此，因此，因此，因此，导致阴极斑点受到的反作用力大于阳极斑点。导致阴极斑点受到的反作用力大于
36、阳极斑点。导致阴极斑点受到的反作用力大于阳极斑点。导致阴极斑点受到的反作用力大于阳极斑点。3 3 焊接电弧力及其影响因素焊接电弧力及其影响因素焊接电弧力及其影响因素焊接电弧力及其影响因素第27页/共48页2828焊接电弧的极性焊接电弧的极性：直流焊接时电弧的两极与电源的连接方式称为电弧的极性。直流正接，正极性直流正接，正极性直流反接，负极性直流反接，负极性第28页/共48页2929（2）焊接电弧力的影响因素焊接电弧力的影响因素 影响焊接电弧力大小的主要因素有影响焊接电弧力大小的主要因素有:1 1）焊接电流和电弧电压焊接电流和电弧电压 当增大焊接电流时当增大焊接电流时,电弧力显著增加电弧力显著增
37、加(见图见图1-141-14)，这主要与电磁收缩力和等离，这主要与电磁收缩力和等离子流力显著增加有关。当电弧电压升高时子流力显著增加有关。当电弧电压升高时,意味着电弧长度增加意味着电弧长度增加,由于电弧范围的扩展由于电弧范围的扩展,使电弧力降低使电弧力降低,如图如图1-151-15所示。所示。第29页/共48页3030图图1-14 MIG1-14 MIG电弧的电弧力与电流的关系电弧的电弧力与电流的关系图图1-15 1-15 电弧力与弧长的关系电弧力与弧长的关系（2 2）焊接电弧力的影响因素焊接电弧力的影响因素焊接电弧力的影响因素焊接电弧力的影响因素第30页/共48页31312 2 2 2）焊丝
38、直径）焊丝直径）焊丝直径）焊丝直径 当焊接电流当焊接电流当焊接电流当焊接电流相同时相同时相同时相同时,焊丝直焊丝直焊丝直焊丝直径越小径越小径越小径越小,电流密度电流密度电流密度电流密度越大越大越大越大,因此电弧电因此电弧电因此电弧电因此电弧电磁力越大。同时磁力越大。同时磁力越大。同时磁力越大。同时,造成电弧锥形越造成电弧锥形越造成电弧锥形越造成电弧锥形越明显明显明显明显,等离子流力等离子流力等离子流力等离子流力越大越大越大越大,使总的电弧使总的电弧使总的电弧使总的电弧力增大力增大力增大力增大,如图如图如图如图1-161-161-161-16所示。所示。所示。所示。图图1-16 1-16 电弧力
39、电弧力F F与焊丝直径的关系与焊丝直径的关系（2 2）焊接电弧力的影响因素焊接电弧力的影响因素焊接电弧力的影响因素焊接电弧力的影响因素第31页/共48页32323 3）电极的极性电极的极性 电极的极性对不同焊接方法的电弧电极的极性对不同焊接方法的电弧力的影响不同。对于熔化极气体保护焊力的影响不同。对于熔化极气体保护焊,当采用直流正接时当采用直流正接时,焊丝接负焊丝接负,电弧中正离电弧中正离子对熔滴的冲击比较大子对熔滴的冲击比较大,有较大的斑点压有较大的斑点压力作用在熔滴上力作用在熔滴上,不利于熔滴过渡不利于熔滴过渡,且熔滴且熔滴容易长大容易长大,但不能形成很强的电磁力和等但不能形成很强的电磁力
40、和等离子流力离子流力,因此电弧力较小因此电弧力较小,如图如图1-171-17所示。所示。（2 2）焊接电弧力的影响因素焊接电弧力的影响因素焊接电弧力的影响因素焊接电弧力的影响因素第32页/共48页3333图图1-17 MIG1-17 MIG焊电弧力与焊丝极性的关系焊电弧力与焊丝极性的关系（2 2）焊接电弧力的影响因素焊接电弧力的影响因素焊接电弧力的影响因素焊接电弧力的影响因素第33页/共48页3434 对于钨极氩对于钨极氩对于钨极氩对于钨极氩弧焊弧焊弧焊弧焊,由于通常情由于通常情由于通常情由于通常情况下阴极区收缩的况下阴极区收缩的况下阴极区收缩的况下阴极区收缩的程度比阳极区大程度比阳极区大程度
41、比阳极区大程度比阳极区大,因此当采取正接时因此当采取正接时因此当采取正接时因此当采取正接时将形成锥度较大的将形成锥度较大的将形成锥度较大的将形成锥度较大的锥形电弧锥形电弧锥形电弧锥形电弧,产生的产生的产生的产生的轴向推力大轴向推力大轴向推力大轴向推力大,电弧电弧电弧电弧压力也大压力也大压力也大压力也大,如图如图如图如图1-1-1-1-18181818所示。所示。所示。所示。图图1-18 1-18 钨极氩弧焊电弧力与电极极性的关系钨极氩弧焊电弧力与电极极性的关系（2 2）焊接电弧力的影响因素焊接电弧力的影响因素焊接电弧力的影响因素焊接电弧力的影响因素第34页/共48页35354 4）气体介质）气
42、体介质 不同种类的气体介质热物理性能不同不同种类的气体介质热物理性能不同,故对电弧力的影响也不同。导热性强的气故对电弧力的影响也不同。导热性强的气体，或分子是由多原子组成的气体消耗的体，或分子是由多原子组成的气体消耗的热能多热能多,能引起电弧的收缩能引起电弧的收缩,因而导致电弧因而导致电弧力的增加力的增加,如图如图1-191-19所示。当电弧空间气体所示。当电弧空间气体压力增加或气体流量增加时，也会引起电压力增加或气体流量增加时，也会引起电弧收缩弧收缩,导致电弧力增加。导致电弧力增加。（2 2）焊接电弧力的影响因素焊接电弧力的影响因素焊接电弧力的影响因素焊接电弧力的影响因素第35页/共48页3
43、636图图1-19 1-19 电弧力与气体介质的关系电弧力与气体介质的关系（2 2）焊接电弧力的影响因素焊接电弧力的影响因素焊接电弧力的影响因素焊接电弧力的影响因素第36页/共48页37375 5 5 5）钨极端部的几）钨极端部的几）钨极端部的几）钨极端部的几何形状何形状何形状何形状 钨极端部的钨极端部的钨极端部的钨极端部的几何形状与电弧几何形状与电弧几何形状与电弧几何形状与电弧作用在熔池上的作用在熔池上的作用在熔池上的作用在熔池上的力有密切关系。力有密切关系。力有密切关系。力有密切关系。当钨极端部的角当钨极端部的角当钨极端部的角当钨极端部的角度变化时度变化时度变化时度变化时,电弧力电弧力电弧
44、力电弧力也发生变化也发生变化也发生变化也发生变化,如图如图如图如图1-201-201-201-20所示所示所示所示,当角度当角度当角度当角度为为为为45454545度时具有最度时具有最度时具有最度时具有最大的电弧压力。大的电弧压力。大的电弧压力。大的电弧压力。图图1-20 1-20 电弧力与电极端部角度的关系电弧力与电极端部角度的关系（2 2）焊接电弧力的影响因素焊接电弧力的影响因素焊接电弧力的影响因素焊接电弧力的影响因素第37页/共48页3838当电流以某一规当电流以某一规当电流以某一规当电流以某一规律变化时律变化时律变化时律变化时,电弧压电弧压电弧压电弧压力也相应的发生力也相应的发生力也相
45、应的发生力也相应的发生变化。低频脉冲变化。低频脉冲变化。低频脉冲变化。低频脉冲焊时焊时焊时焊时,电弧压力随电弧压力随电弧压力随电弧压力随电流的变化而变电流的变化而变电流的变化而变电流的变化而变化化化化,如图如图如图如图1-211-211-211-21所示。所示。所示。所示。对于工频交流钨对于工频交流钨对于工频交流钨对于工频交流钨极氩弧焊极氩弧焊极氩弧焊极氩弧焊,其电弧其电弧其电弧其电弧压力低于直流正压力低于直流正压力低于直流正压力低于直流正接时的压力接时的压力接时的压力接时的压力,而高而高而高而高于直流反接时的于直流反接时的于直流反接时的于直流反接时的压力。压力。压力。压力。图图 1-21 1
46、-21 脉冲电流下电弧力的变化脉冲电流下电弧力的变化6 6）电流的脉动）电流的脉动）电流的脉动）电流的脉动（2 2）焊接电弧力的影响因素焊接电弧力的影响因素焊接电弧力的影响因素焊接电弧力的影响因素第38页/共48页3939 当脉冲频率增当脉冲频率增当脉冲频率增当脉冲频率增加时加时加时加时,电弧压力的电弧压力的电弧压力的电弧压力的变化逐渐滞后于电变化逐渐滞后于电变化逐渐滞后于电变化逐渐滞后于电流的变化。当频率流的变化。当频率流的变化。当频率流的变化。当频率高于几千赫兹时高于几千赫兹时高于几千赫兹时高于几千赫兹时,由于高频效应增强由于高频效应增强由于高频效应增强由于高频效应增强,在平均电流值相在平
47、均电流值相在平均电流值相在平均电流值相同的情况下，随着同的情况下，随着同的情况下，随着同的情况下，随着电流脉冲频率的增电流脉冲频率的增电流脉冲频率的增电流脉冲频率的增加，电弧压力增大加，电弧压力增大加，电弧压力增大加，电弧压力增大,如图如图如图如图1-221-221-221-22所示。所示。所示。所示。图图1-22 1-22 电弧力随电流频率的变化电弧力随电流频率的变化（2 2）焊接电弧力的影响因素焊接电弧力的影响因素焊接电弧力的影响因素焊接电弧力的影响因素第39页/共48页40404 电弧与磁场的作用电弧的刚直性（挺直性、挺度）：电弧抵抗外界干扰，力求保持焊接电流沿电极轴向流动的性能。电磁力
48、是产生电弧刚直性的主要原因。图图1-23第40页/共48页4141磁偏吹磁偏吹：电弧在外加磁场的作用下偏离焊丝或焊条的轴线方向的现象称为磁偏吹。磁偏吹可以造成电弧熄灭、熔滴过渡不规则、焊缝成形不良、引起未焊透、夹渣等缺陷。图图1-24第41页/共48页4242磁偏吹产生原因产生原因：-导线连接位置-电弧附近电磁铁-磁性回路-焊接位置-异种金属焊接时磁特性不同第42页/共48页4343当采用直流电焊接时能产生严重的磁偏吹，而采当采用直流电焊接时能产生严重的磁偏吹，而采当采用直流电焊接时能产生严重的磁偏吹，而采当采用直流电焊接时能产生严重的磁偏吹，而采用交流电焊接时要弱得多。用交流电焊接时要弱得多
49、。用交流电焊接时要弱得多。用交流电焊接时要弱得多。当电弧周围的磁场是均匀的、磁力线分布相当电弧周围的磁场是均匀的、磁力线分布相对电弧轴线是对称的时候，电弧能轴向对称，但对电弧轴线是对称的时候，电弧能轴向对称，但当电弧周围的磁场分布不均匀当电弧周围的磁场分布不均匀,使电弧一侧的电磁使电弧一侧的电磁力大于另一侧时，电弧就要偏向一侧。能够引起力大于另一侧时，电弧就要偏向一侧。能够引起磁偏吹的情况有以下几种磁偏吹的情况有以下几种:磁偏吹磁偏吹第43页/共48页4444（1 1 1 1）地线接线位置）地线接线位置）地线接线位置）地线接线位置 偏向电弧一侧偏向电弧一侧偏向电弧一侧偏向电弧一侧 如图如图如图
50、如图1-251-251-251-25所示所示所示所示.地地地地线接线的位置在电线接线的位置在电线接线的位置在电线接线的位置在电弧移动方向的左侧弧移动方向的左侧弧移动方向的左侧弧移动方向的左侧,焊接时焊接时焊接时焊接时,除焊接电弧除焊接电弧除焊接电弧除焊接电弧能产生磁场外能产生磁场外能产生磁场外能产生磁场外,焊件焊件焊件焊件上接地线一侧的母上接地线一侧的母上接地线一侧的母上接地线一侧的母材由于流过电流，材由于流过电流，材由于流过电流，材由于流过电流，也产生磁场也产生磁场也产生磁场也产生磁场,因而加因而加因而加因而加大了电弧左侧的磁大了电弧左侧的磁大了电弧左侧的磁大了电弧左侧的磁场场场场,使电弧向