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1、1 1材料加工工程材料加工工程材料科学与工程学院材料科学与工程学院主讲教授：李远才、刘顺洪、周华民、王新云主讲教授：李远才、刘顺洪、周华民、王新云HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE&TECHNOLOGY2 2第四篇第四篇 金属连接成形工艺主讲教授：刘顺洪主讲教授：刘顺洪3 3 第10章:金属连接成形的主要工艺 第11章:焊接新技术及相关技术 第12章:金属构件焊接的工艺设计 第13章:焊接成形件的缺陷及检测 第三讲 金属连接成形工艺4 4第第10章章:金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺重点重点:1.电弧焊电弧焊2.电阻焊电阻焊 第三讲 金属连接成形工艺5 5
2、 电弧焊电弧焊Arc welding第第10章章:金属连接成形的主要工艺 6 6一、焊接电弧物理基础一、焊接电弧物理基础1.电弧的导电特性电弧的导电特性l 焊焊接接电电弧弧是是一一种种气气体体放放电电现现象象，它它是是带带电电粒粒子子通通过过两两电电极极之之间间气气体体空空间间的的一一种种导导电电过程。过程。一般情况下，气体是良好的绝缘体其分子和原子都处于电中性状态。要使两电极之间的气体导电，必须具备两个条件：两电极之间有带电粒子；两电极之间有带电粒子；两电极之间有电场。两电极之间有电场。第第10章章 金属连接成形的主要工艺 7 7第第10章章 金属连接成形的主要工艺 8 8v采用一定的物理方
3、法，改变两电极间气体采用一定的物理方法，改变两电极间气体粒子的电中性状态，产生带电荷的粒子，粒子的电中性状态，产生带电荷的粒子，带电粒子在电场的作用下运动，即形成电带电粒子在电场的作用下运动，即形成电流使两电极之间的气体空间成为导体，流使两电极之间的气体空间成为导体，产生气体放电。产生气体放电。v气体放电随电流的强弱而有不同的形式，气体放电随电流的强弱而有不同的形式，如如暗放电、辉光放电、电弧放电暗放电、辉光放电、电弧放电等。与其等。与其他气体放电形式相比，电弧放电的主要特他气体放电形式相比，电弧放电的主要特点是点是电流最大、电压最低、温度最高、发电流最大、电压最低、温度最高、发光最强。光最强
4、。第第10章章 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 9 9 Fig.12-2 Volt-ampere Characteristics第第10章章 金属连接成形的主要工艺 10102.电弧中带电粒子的产生电弧中带电粒子的产生v电弧两极间带电粒子的来源：电弧两极间带电粒子的来源：中性气体粒子的电离、金属电极发射电子、中性气体粒子的电离、金属电极发射电子、负离子形成等。其中负离子形成等。其中气体电离气体电离和和阴极发射阴极发射电子是电弧中产生带电粒子的两个基本物电子是电弧中产生带电粒子的两个基本物理过程。理过程。v同时还存在其它过程同时还存在其它过程:解离、激发、扩散、解离、激发、扩散、复
5、合复合等。等。第第10章章 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 1111(一一)气体的电离气体的电离(1)电离与激励电离与激励 定义：在外加能量作用下，使中性的气体分定义：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子或原子分离成电子和正离子的过程v实质：中性气体粒子吸收足够的外部能量，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。成为自由电子和正离子的过程。v第一电离能，第二电离能，依此类推。第一电离能，第二电离能，依此类推。第第10章章 金属连接成形的主要工艺金属连接成
6、形的主要工艺 1212v气体的电离电压的大小反映了带电粒子产气体的电离电压的大小反映了带电粒子产生的难易程度。生的难易程度。l l电离电压低电离电压低电离电压低电离电压低-带电粒子容易产生带电粒子容易产生带电粒子容易产生带电粒子容易产生l l 有利于电弧导电有利于电弧导电有利于电弧导电有利于电弧导电l l电离电压高电离电压高电离电压高电离电压高-带电粒子难以产生带电粒子难以产生带电粒子难以产生带电粒子难以产生l l 电弧导电困难电弧导电困难电弧导电困难电弧导电困难第第10章章 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 1313第第10章章 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 气体
7、粒子气体粒子电离电压电离电压/V气体离子气体离子电离电压电离电压/HHeLiCNOFNaClArKCaNiCrMoCsFe13.524.5(54.2)5.4(75.3;122)11.3(24.4;48;65.4)14.5(29.5;47;73;97)13.5(25;55;77)17.4(35;63;87;114)5.1(47;50;72)13(22.5;40;47;68)15.7(28;41)4.3(32;47)6.1(12;51;67)7.6(18)7.7(20;30)7.43.9(33;35;51;58)7.8(16;30)WH2C2N2O2Cl2CONOOHH2OCO2NO2AlMgTi
8、Cu8.015.41215.512.21314.19.513.812.613.7115.967.616.817.68括号内数值依次为二次,三次,电离电压常见气体粒子的电离电压1414v当中性气体粒子受外加能量作用而不足以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，这种现象称来的能级跃迁到较高的能级，这种现象称为为激励激励。v使中性粒子激励所需要的最低外加能量则使中性粒子激励所需要的最低外加能量则称为最低激励电压，单位为称为最低激励电压，单位为V。常见气体粒子的最低激励电压常见气体粒子的最低激励电压第第10
9、章章 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 元素元素激励电压激励电压/V元素元素激励电压激励电压/V元素元素激励电压激励电压/VHHeNeArNO10.219.316.611.62.42.0KFeCuH2N2O21.64.431.47.06.37.9COCO2H2OCsCa6.23.07.61.41.91515v受激励的电子没有脱离原子的束缚受激励的电子没有脱离原子的束缚 粒子粒子呈中性呈中性v受激励的粒子处于不稳定状态受激励的粒子处于不稳定状态 稳定状态稳定状态时间短约为：时间短约为：10-2-10-8s v激励状态的粒子有两种出路激励状态的粒子有两种出路l l又转变为稳定状态，伴随
10、着这个过程能量以辐又转变为稳定状态，伴随着这个过程能量以辐又转变为稳定状态，伴随着这个过程能量以辐又转变为稳定状态，伴随着这个过程能量以辐射光的形式释放出来射光的形式释放出来射光的形式释放出来射光的形式释放出来 电弧辐射光电弧辐射光电弧辐射光电弧辐射光l l接受外部能量电离接受外部能量电离接受外部能量电离接受外部能量电离第第10章章 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 1616v当当电电弧弧空空间间存存在在电电离离电电压压（或或激激励励电电压压）不不同同的的多多种种气气体体时时，在在外外加加能能量量的的作作用用下下，电电离离电电压压（或或激激励励电电压压）低低的的气气体体粒粒子子先先
11、被被电电离离（或或激激励励），若若这这种种气气体体的的足足以以维维持持电电弧弧的的稳稳定定燃燃烧烧，则则整整个个电电弧弧燃燃烧烧所所需需要要的的能能量量主主要要取取决决于于这这个个较较低低的的电电压压。因因而电弧所要求的外加能量就比较低。而电弧所要求的外加能量就比较低。v意义：稳弧剂的作用意义：稳弧剂的作用.第第10章章 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 1717Fe电离电压为7.8V,K电离电压为4.3V第第10章章 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 1818v电离的种类：电离的种类：l l热电离热电离热电离热电离l l场致电离场致电离场致电离场致电离l l光电离光电
12、离光电离光电离v电离度：电弧内单位体积内电离的粒子数电离度：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与气体电离前粒子总数的比值X=X=电离的粒子密度电离的粒子密度电离的粒子密度电离的粒子密度/电离前中性粒子密度电离前中性粒子密度电离前中性粒子密度电离前中性粒子密度第第10章章 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 1919(2)电离种类电离种类 1）热电离）热电离v气体粒子受热的作用而产生电离的过程称气体粒子受热的作用而产生电离的过程称为热电离。它实质上是由于气体粒子的热为热电离。它实质上是由于气体粒子的热运动形成频繁而激烈的碰撞产生的一种电运动形成频繁而激烈的碰撞产生的
13、一种电离过程。离过程。v热电离的热电离的电离度电离度与温度、气体压力及气体与温度、气体压力及气体的电离电压有关。的电离电压有关。第第10章章 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 2020电离度与材料、温度之间的关系第第10章章 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 2121v基本规律：基本规律：温度温度压力压力电离电压电离电压电离度带电粒子数电弧稳定性第第10章章 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 2222 2)场致电离场致电离在两电极间的电场作用下，气体中的带电粒子将加速，电在两电极间的电场作用下，气体中的带电粒子将加速，电能将转换为带电粒子的动能。当带电粒子的
14、动能增加到一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，这种电离称为电离，这种电离称为场致电离场致电离。弧柱的温度一般在弧柱的温度一般在5000-50000K之间，而电场强度仅为之间，而电场强度仅为10vcm左右，所以在弧柱区热电离是产生带电粒子的主要途左右，所以在弧柱区热电离是产生带电粒子的主要途径，电场作用下的电离则是次要的。径，电场作用下的电离则是次要的。在电弧的阴极压降区和阳极压降区电场强度可达在电弧的阴极压降区和阳极压降区电场强度可达105107v/cm，远高于弧柱区，因而
15、会产生显著的场致电离现象。，远高于弧柱区，因而会产生显著的场致电离现象。第第10章章:金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 23233)光电离。光电离。v中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电离过程称为电离过程称为光电离光电离。v 焊接电弧的光辐射只可能对焊接电弧的光辐射只可能对K、Na、Ca、Al等金属蒸气直接引起光电离，而对焊接等金属蒸气直接引起光电离，而对焊接电弧气氛中的其他气体则不能直接引起光电弧气氛中的其他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。粒子的一种次要途径。第第
16、10章章 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 2424(二二)阴极电子发射阴极电子发射v电离电离和和阴极电子发射阴极电子发射是电弧产生和维持不是电弧产生和维持不可缺少的必要条件可缺少的必要条件。v从阴极发射的电子，在电场的加速下碰撞从阴极发射的电子，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，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这样就使阴极电子发射充当了维持电弧导电的电的“原电子之源原电子之源”。v因此，阴极电子发射在电弧导电过程中起因此，阴极电子发射在电弧导电过程中起着特别重要的作用。着特别重要的作用。第第10章章 金属连接成形的主
17、要工艺金属连接成形的主要工艺 2525(1)电子发射与逸出功电子发射与逸出功 v阴极中的自由电子受到一定的外加能量作用时，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。从阴极表面逸出的过程称为电子发射。v电子从阴极表面逸出需要能量，电子从阴极表面逸出需要能量，1个电子从金属表面逸出所需要的最个电子从金属表面逸出所需要的最低外加能量称为低外加能量称为逸出功逸出功(Aw)，单位是电子伏。因电子电量为常数，单位是电子伏。因电子电量为常数e，故通常用故通常用逸出电压逸出电压(Uw)来表示，来表示，UwAwe，单位为，单位为V。v逸出功的大小受电极材料种类及表面状态的影响。
18、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几种金属材料的逸出功第第10章章 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 金属种类金属种类WFeAlCuKCaMgAw/eW纯金属4.544.484.254.362.022.123.73表面有氧化物-3.923.93.850.461.83.312626(2)阴极斑点阴极斑点 阴极表面通常可以观察到发出烁亮的区域，这个阴极表面通常可以观察到发出烁亮的区域，这个区域称为阴极斑点，它是发射电子最集中的区域，区域称为阴极斑点，它是发射电子最集中的区域，即电流最集中流过的区域。阴极斑点的形态与阴即电流最集中流过的区域。阴极斑点的形态与
19、阴极的类型有关。极的类型有关。v热阴极热阴极：斑点固定：斑点固定 W Cv冷阴极冷阴极：斑点不规则移动：斑点不规则移动 Cu Fe Alv由于金属氧化物的逸出功比纯金属低，因而氧化由于金属氧化物的逸出功比纯金属低，因而氧化物处容易发射电子。物处容易发射电子。第第10章章 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 2727v氧化物发射电子的同时自身被破坏，因而阴极斑氧化物发射电子的同时自身被破坏，因而阴极斑点有清除氧化物的作用。阴极表面某处氧化物被点有清除氧化物的作用。阴极表面某处氧化物被清除后另一处氧化物就成为集中发射电子的所在。清除后另一处氧化物就成为集中发射电子的所在。于是，斑点游动力
20、图寻找在一定条件下最容易发于是，斑点游动力图寻找在一定条件下最容易发射电子的氧化物。如果电弧在惰性气体中燃烧，射电子的氧化物。如果电弧在惰性气体中燃烧，阴极上某处氧化物被清除后不再生成新的氧化物，阴极上某处氧化物被清除后不再生成新的氧化物，阴极斑点移向有氧化物的地方，接着又将该处氧阴极斑点移向有氧化物的地方，接着又将该处氧化物清除。这样就会在阴极表面的一定区域内将化物清除。这样就会在阴极表面的一定区域内将氧化物消除干净，显露出金属本色。这种现象称氧化物消除干净，显露出金属本色。这种现象称为为“阴极清理阴极清理”作用或作用或“阴极破碎阴极破碎”作用。作用。v在铝合金焊接中作用最为明显在铝合金焊接
21、中作用最为明显第第10章章 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 2828(3)电子发射的类型电子发射的类型 根据外加能量形式的不同，电子发射可分为以下根据外加能量形式的不同，电子发射可分为以下四种类型：四种类型：1)热发射热发射。阴极表面因受热的作用而使其内。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，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出逸出功时产生一部分电子动能达到或超出逸出功时产生的电子发射现象称为热发射。的电子发射现象称为热发射。热发射的强弱受材料沸点的影响。当采用高沸点的钨或碳热发射的强弱受材料沸点的影响。当采用高沸点的钨或碳作
22、阴极时作阴极时(其沸点分别为其沸点分别为5950K和和4200K)，电极可被加热，电极可被加热到很高的温度到很高的温度(一般可达一般可达3500K以上以上)此时，通过热发射此时，通过热发射可为电弧提供足够的电子。可为电弧提供足够的电子。第第10章章:金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 2929 2)场致发射场致发射。当阴极表面中间存在一定强度。当阴极表面中间存在一定强度的正电场时，阴极内部的电子将受到电场的正电场时，阴极内部的电子将受到电场力的作用。当此力达到一定程度时电子便力的作用。当此力达到一定程度时电子便会逸出阴极表面，这种电子发射现象称为会逸出阴极表面，这种电子发射现象称为场
23、致发射。场致发射。当采用铜、钢、铝等低沸点材料作阴极当采用铜、钢、铝等低沸点材料作阴极(冷阴极冷阴极冷阴极冷阴极)时时(其沸点其沸点分别为分别为3013K、2868K和和2770K)，阴极加热温度受材料沸，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，此时向电弧提供电点限制不可能很高，热发射能力较弱，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。射为主，热发射为辅而已。第第10章章 金属连接成形
24、的主要工艺金属连接成形的主要工艺 30303)光发射光发射。当阴极表向受到光辐射作用时，。当阴极表向受到光辐射作用时，阴极内的自由电子能量达到逸出阴极表面阴极内的自由电子能量达到逸出阴极表面的现象称为光发射。光发射在阴极电子发的现象称为光发射。光发射在阴极电子发射中居次要地位。射中居次要地位。第第10章章 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 31314)粒子碰撞发射粒子碰撞发射。电弧。电弧中高速运动的粒子中高速运动的粒子（主要是正离子）碰（主要是正离子）碰撞阴极时把能量传递撞阴极时把能量传递给阴极表面的电子，给阴极表面的电子，使电子能量增加而逸使电子能量增加而逸出阴极表面的现象称出阴
25、极表面的现象称为粒子碰撞发射。为粒子碰撞发射。第第10章章 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 3232v电弧导电过程中，在产生带电粒子的同时，电弧导电过程中，在产生带电粒子的同时，伴随着带电粒子的消失过程。伴随着带电粒子的消失过程。v在电弧稳定燃烧时，二者是处于动平衡状在电弧稳定燃烧时，二者是处于动平衡状态的。态的。v带电粒子在电弧空间的消失主要有带电粒子在电弧空间的消失主要有扩散、扩散、复合两种形式和电子结合成负离子复合两种形式和电子结合成负离子等过程。等过程。第第10章章 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 33333.焊接电弧的构成及其特性焊接电弧的构成及其特性第第
26、10章章:金属连接成形的主要工艺 (1)焊接电弧的构成焊接电弧的构成3434第第10章章:金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 阳极区和阴极区占整个电弧长度的尺寸阳极区和阴极区占整个电弧长度的尺寸皆很小，约为皆很小，约为10-210-6cm，故可近似认，故可近似认为弧柱长度即为电弧长度。电弧的这种为弧柱长度即为电弧长度。电弧的这种不均匀的电场强度分布，说明电弧各区不均匀的电场强度分布，说明电弧各区域的电阻是不同的，即电弧电阻是非线域的电阻是不同的，即电弧电阻是非线性的性的。35第第10章章:金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 v焊接电弧的导电特性是指参与电荷的焊接电弧的导电特
27、性是指参与电荷的运动并形成电流的带电粒子在电弧中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，在焊接电产生、运动和消失的过程，在焊接电弧的弧的弧柱区弧柱区、阴极区阴极区和和阳极区阳极区其相应其相应的导电特性也是不同。的导电特性也是不同。353636(2)焊接电弧的导电特性焊接电弧的导电特性1)弧柱区的导电特性弧柱区的导电特性v弧柱温度：弧柱温度：500050000Kv弧柱呈电中性弧柱呈电中性v弧弧柱柱是是包包含含大大量量电电子子、正正离离子子等等带带电电粒粒子子和和中中性性粒粒子子聚聚合合在在一一起起的的气气体体状状态态，被被称称为电弧等离子体。为电弧等离子体。v弧柱电阻较小弧柱电阻
28、较小第第10章章:金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 3737v电弧等离子体虽然对外呈现电中性，但由于电弧等离子体虽然对外呈现电中性，但由于其内部有大量电子和正离子等带电粒子，所其内部有大量电子和正离子等带电粒子，所以具有良好的导电性能。带电粒子在电场的以具有良好的导电性能。带电粒子在电场的作用下运动，就形成了弧柱中的电流。作用下运动，就形成了弧柱中的电流。v弧柱中的电流由向阴极运动的正离子流和向弧柱中的电流由向阴极运动的正离子流和向阳极运动的电子流组成。由于电子和正离子阳极运动的电子流组成。由于电子和正离子在同一电场中所受的电场力相同，而电子的在同一电场中所受的电场力相同，而电子的
29、质量质量正离子正离子的速度，因此弧柱中的电流主要由电子流构的速度，因此弧柱中的电流主要由电子流构成。成。第第10章章:金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 38v弧柱电流（主要是电子电流弧柱电流（主要是电子电流99.9%）l负离子数量少，作用被忽略负离子数量少，作用被忽略l正离子在电场作用下，运动速度远正离子在电场作用下，运动速度远小于电子小于电子v但正离子的作用非常大，保证了电弧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。放电的低电压大电流的特点。383939第第10章章:金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 4040v弧柱电场强度（弧柱电场强度（E）：弧柱单位
30、长度上的电）：弧柱单位长度上的电压降压降v意义：意义：E的大小表征电弧弧柱的导电能力。的大小表征电弧弧柱的导电能力。显然，当弧柱中通过大电流时，电离度提显然，当弧柱中通过大电流时，电离度提高，高，E值将减少。值将减少。v电场强度电场强度E与电流与电流I的乘积的乘积EI，相当于电源，相当于电源供给每单位弧长的电功率，它与弧柱的供给每单位弧长的电功率，它与弧柱的热热损失相平衡损失相平衡。第第10章章:金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 4141第第10章章:金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺v影响弧柱电场强度的因素影响弧柱电场强度的因素l l弧柱气体介质（弧柱气体介质（弧柱气体
31、介质（弧柱气体介质（HH2 2、HeHe；单原子、多原子）；单原子、多原子）；单原子、多原子）；单原子、多原子）l l弧柱的热损失（强迫气流冷却等）弧柱的热损失（强迫气流冷却等）弧柱的热损失（强迫气流冷却等）弧柱的热损失（强迫气流冷却等）42v由此可见：由此可见：电场强度电场强度E的大小与电弧的气体介质有关；的大小与电弧的气体介质有关；E的大小将随弧柱的热损失情况而自行调的大小将随弧柱的热损失情况而自行调整。整。v弧柱在稳定燃烧时，有一种使自身能量消弧柱在稳定燃烧时，有一种使自身能量消耗最小的特性。耗最小的特性。424343v当电流和电弧周围条件当电流和电弧周围条件(如气体介质种类、如气体介质
32、种类、温度、压力等温度、压力等)一定时，稳定燃烧的电弧一定时，稳定燃烧的电弧将将自动选择一个确定的导电截面自动选择一个确定的导电截面使电弧使电弧的能量消耗最小。当电弧长度也为定值时，的能量消耗最小。当电弧长度也为定值时，电场强度的大小即代表了电弧产热量的大电场强度的大小即代表了电弧产热量的大小。小。v因此，能量消耗最小时的电场强度最低，因此，能量消耗最小时的电场强度最低，即在固定弧长上的电压降最小，这就是即在固定弧长上的电压降最小，这就是最最小电压原理小电压原理。第第10章章:金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 44第第10章章:金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 v电电流
33、流和和电电弧弧周周围围条条件件一一定定时时，如如果果电电弧弧截截面面面面积积大大于于或或小小于于其其自自动动确确定定的的截截面面，就就会会引引起起电电场场强强度度的的增增大大，消消/耗的能量增多，违反最小电压原理。耗的能量增多，违反最小电压原理。vE(K)K电电导导率率 电电离离度度TE(T)(IE)l面积增大面积增大l面积减小面积减小4445452)阴极区的导电特性阴极区的导电特性v阴极区是指靠近阴极的很小一个区域，在阴极区是指靠近阴极的很小一个区域，在电弧中，它有两方面的作用：电弧中，它有两方面的作用：v阴极区接收正离子，发射电子阴极区接收正离子，发射电子v由于电极材料种类及工作条件由于电
34、极材料种类及工作条件(电流大小、电流大小、气体介质等因素气体介质等因素)不同，阴极区的导电形式不同，阴极区的导电形式和特性也不同。和特性也不同。热发射型和电场发射型热发射型和电场发射型第第10章章:金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 46461热发射型热发射型v热阴极，大电流时热阴极，大电流时，阴极区可加热到很高，阴极区可加热到很高的温度。的温度。阴极主要靠热发射提供电子流来阴极主要靠热发射提供电子流来满足弧柱导电的需要。满足弧柱导电的需要。阴极斑点在电极表阴极斑点在电极表面十分稳定，其面积较大而且比较均匀，面十分稳定，其面积较大而且比较均匀，紧挨阴极表面的弧柱不呈收缩状态。阴极紧挨
35、阴极表面的弧柱不呈收缩状态。阴极区的电流密度与弧柱区也相近。区的电流密度与弧柱区也相近。v阴极区电压降很小。阴极区电压降很小。第第10章章:金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 4747v电子带走的热量的补充途径电子带走的热量的补充途径l l正离子的碰撞正离子的碰撞l l正离子的复合，放出电离能正离子的复合，放出电离能l l电阻热电阻热l大电流钨极电弧焊时，这种热发射型导大电流钨极电弧焊时，这种热发射型导电占主导地位电占主导地位。第第10章章:金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 48482电场发射型电场发射型v（冷阴极或者热阴极小电流）（冷阴极或者热阴极小电流）v正电荷过剩正
36、电荷过剩 正电场正电场 场致发射场致发射 电电子加速子加速 场致电离场致电离 形成电子流形成电子流v正离子的作用正离子的作用l l正电场正电场正电场正电场l l撞击阴极，加强热发射撞击阴极，加强热发射撞击阴极，加强热发射撞击阴极，加强热发射第第10章章:金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 4949v冷阴极中存在热发射和场发射，其所占的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份额受以下因素影响l l电极种类（沸点高或逸出功小，热发射电极种类（沸点高或逸出功小，热发射主导，阴极压降小）主导，阴极压降小）l l电流大小（电流大，热发射主导，阴极电流大小（电流大，热发射主导，阴
37、极压降小）压降小）l l气体介质（不易于电离，热发射主导，气体介质（不易于电离，热发射主导，阴极压降小）阴极压降小）第第10章章:金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 50503)阳极区的导电特性阳极区的导电特性v阳极区是指靠近阳极的很小一个区域，在阳极区是指靠近阳极的很小一个区域，在电弧中主要是接受弧柱区送来的电子流，电弧中主要是接受弧柱区送来的电子流，同时弧柱区提供所需要的正离子流。同时弧柱区提供所需要的正离子流。v阳极斑点阳极斑点第第10章章:金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 51511阳极斑点阳极斑点在阳极表面可看到烁亮的区域，这个区域称为阳极在阳极表面可看到烁亮的
38、区域，这个区域称为阳极斑点；弧柱中送来的电子流，集中在此处进入阳极，斑点；弧柱中送来的电子流，集中在此处进入阳极，再经电源返回阴极。再经电源返回阴极。阳极斑点的电流密度比阴极斑点的小，它的形态与阳极斑点的电流密度比阴极斑点的小，它的形态与电极材料及电流大小有关。由于金属蒸气的电离电电极材料及电流大小有关。由于金属蒸气的电离电压比周围气体介质的低，因而电离易在金属族气处压比周围气体介质的低，因而电离易在金属族气处发生。成为阳极导电区。发生。成为阳极导电区。在大气或氧化性气氛中燃烧的电弧，由于金属阳极在大气或氧化性气氛中燃烧的电弧，由于金属阳极有氧化物存在，而一般金属的熔点与沸点皆低于金有氧化物存
39、在，而一般金属的熔点与沸点皆低于金属氧化物的熔点和沸点，所以纯金属处比金属氧化属氧化物的熔点和沸点，所以纯金属处比金属氧化物处更容易产生蒸发。阳极斑点使会自动寻找纯金物处更容易产生蒸发。阳极斑点使会自动寻找纯金属而避开氧化物，因而在阳极表面跳跃移动属而避开氧化物，因而在阳极表面跳跃移动.第第10章章:金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 52522阳极区导电形式阳极区导电形式v阳极不能发射正离子，弧柱所需要的正离子流是由阳极阳极不能发射正离子，弧柱所需要的正离子流是由阳极区的电离提供的。由于条件不同，阳极区的导电形式有区的电离提供的。由于条件不同，阳极区的导电形式有两种：两种：v(a)
40、阳极区的场致电离阳极区的场致电离 当电弧电流较小时，阳极前面当电弧电流较小时，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与弧柱之间形成一个负电性区阳极区。只要弧阳极区。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。
41、能满足弧柱需要时，阳极区的电场强度才不再继续增大。电离生成的正离子流向弧柱，产生的电子流向阳极。这电离生成的正离子流向弧柱，产生的电子流向阳极。这种导电方式中阳极区压降较大。种导电方式中阳极区压降较大。第10章:金属连接成形的主要工艺 5353v(b)阳极区的热电离阳极区的热电离 当电弧电流较大时，阳当电弧电流较大时，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，完成阳极区向弧柱碰撞产生的场致电离，完成阳
42、极区向弧柱提供正离子流的作用。这种情况下阳极区提供正离子流的作用。这种情况下阳极区的压降较低。大电流钨极氩弧焊时属于这的压降较低。大电流钨极氩弧焊时属于这种阳极区导电机构。种阳极区导电机构。第第10章章:金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 5454Fig.12-4 Volt-ampere Characteristics of welding arc在在焊焊接接电电弧弧稳稳定定燃燃烧烧的的情情况况下下,电电弧弧电电压压和和电电流流之之间的关系间的关系.（3）焊接电弧的静特性）焊接电弧的静特性第第10章章:金属连接成形的主要工艺 影响因素影响因素:电弧长度电弧长度;周周围气体种类围气体种
43、类;周围气体周围气体介质压力介质压力55v负阻特性：负阻特性：电流较小电流较小，电弧热量电弧热量较低，其较低，其间的电子间的电子电离度低电离度低，电弧的导电性较差，电弧的导电性较差，需要有较高的电场推动电荷运动；需要有较高的电场推动电荷运动；电弧阴电弧阴极区极区，由于电极温度低，电子提供能力较，由于电极温度低，电子提供能力较差，不能实现大量的电子发射，会形成比差，不能实现大量的电子发射，会形成比较强的阴极电压降。较强的阴极电压降。56 v v电电流流增增加加时时，弧弧柱柱温温度度增增加加，电电弧弧中中的的粒粒子子的的电电离离度度增增加加，电电弧弧的的导导电电性性增增强强，同同时时电电极极温温度
44、度提提高高，阴阴极极热热发发射射能能力力增增强强，阴阴极极电电压压降降低低；阳阳极极蒸蒸发发加加剧剧，阳阳极极电电压压降低。降低。v即即在在电电极极温温度度和和电电弧弧温温度度较较高高的的情情况况下下，电电弧弧中中产产生生和和运运动动等等量量的的电电荷荷不不需需要要更更强强的电场。的电场。57v对于对于弧柱区弧柱区，主要从弧柱产热和散热的平，主要从弧柱产热和散热的平衡的角度考虑：衡的角度考虑：v在在小小电电流流区区，如如果果电电流流增增加加4倍倍，假假设设电电流流密密度度一一定定，即即弧弧柱柱直直径径增增加加2倍倍，弧弧柱柱向向周周围围的的热热量量损损失失随随之之增增加加2倍倍，而而弧弧柱柱内
45、内的的热热量量却却增增加加4倍倍，这这时时如如果果电电弧弧电电压压仍仍然然保保持持不变，那么就违背了最小电压原理。不变，那么就违背了最小电压原理。58v平特性：电流进一步增大，电弧平特性：电流进一步增大，电弧等离子气等离子气流流增强，除电弧表面积增加造成的热损失增强，除电弧表面积增加造成的热损失外，等离子气流的流动对电弧产生附加的外，等离子气流的流动对电弧产生附加的冷却作用，因此在一定的电弧区间内，电冷却作用，因此在一定的电弧区间内，电弧电压自动的维持一定的数值，保证产热弧电压自动的维持一定的数值，保证产热和散热的平衡。和散热的平衡。59v上升特性：在大电流区，电弧中的等离子上升特性：在大电流
46、区，电弧中的等离子气流更加强烈，而由于气流更加强烈，而由于电弧自身磁场的作电弧自身磁场的作用用，电弧的截面不能随电流的增加而同步，电弧的截面不能随电流的增加而同步增加，电弧的电导率减小，要保证较大的增加，电弧的电导率减小，要保证较大的电流通过相对比较小的截面，需要更高的电流通过相对比较小的截面，需要更高的电场。电场。6060v电电弧弧静静特特性性的的3个个阶阶段段，并并不不是是各各种种电电弧弧中中都都能能够够表表现现出出来来，还还受受到到电电弧弧形形态态和和电电极极的的条件的影响。条件的影响。vGTA焊焊接接的的静静特特性性一一般般可可以以明明显显的的表表现现出出3个区段特性个区段特性第第10
47、章章:金属连接成形的主要工艺 6161vGMA焊接由于通常采用较细的电极焊丝，焊接由于通常采用较细的电极焊丝，可使用的电流一般在中等数值以上，电弧可使用的电流一般在中等数值以上，电弧多呈现圆锥形，等离子气流作用强烈，静多呈现圆锥形，等离子气流作用强烈，静特性一般呈现上升特性。特性一般呈现上升特性。第第10章章:金属连接成形的主要工艺 6262vSAW电弧埋在焊剂层的下边，受到焊剂层电弧埋在焊剂层的下边，受到焊剂层的覆盖，电弧的热损失小，且没有等离子的覆盖，电弧的热损失小，且没有等离子气流的存在，一般使用较粗的焊丝大电流气流的存在，一般使用较粗的焊丝大电流焊接，一般为下降特性。焊接，一般为下降特
48、性。第第10章章:金属连接成形的主要工艺 6363Fig.12-5 Volt-ampere Characteristics of power sources（4）焊接电源的动特性）焊接电源的动特性 在在稳稳定定状状态态下下弧弧焊焊电电源源的的输输出出电电压压和和输输出出电电流之间的关系流之间的关系.电弧稳定燃烧的条件电弧稳定燃烧的条件 平平-降降 or陡降陡降;升升-平平 第第10章章:金属连接成形的主要工艺 64644.焊接电弧中的能量平衡焊接电弧中的能量平衡电能电能(through arc)热能和光能热能和光能 弧柱区弧柱区 (1)产热产热:Kinetic energy of e heat
49、 energy (2)特点特点:i)Heat energy=IELc ii)producing Heat=losing Heat a)radiation b)conduction c)convection第第10章章:金属连接成形的主要工艺 6565 阴极区阴极区 产热产热:eunder UkIUk 阴极压降为阴极压降为UkUk 电子电流为电子电流为I I 热损热损:i)eemissionIUw 电子逸出功电子逸出功IUwIUw ii)eto columnIUT进入弧柱的的电子本身具进入弧柱的的电子本身具 有一定的能量，有一定的能量，IUIUT T 能量平衡能量平衡:Pk=I(Uk-Uw-UT
50、)阴极区产热功率阴极区产热功率第第10章章:金属连接成形的主要工艺 获得的总能量为IUIUk k66v 阳极区阳极区v 能量分量能量分量:i)eunder UAI UAv ii)efrom KIUw v iii)efrom column IUTv热量主要用于对阳极的加热和阳极的热量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损失，这部分热量也可以用于加热填充材料或者焊件。料或者焊件。能量平衡能量平衡:PA=I(UA+Uw+UT)6767讨论讨论:UT=(3/2e)KT=1.2910-4T If T=6000K then UTUw，则，则PkPw。所以，同种材。所以，