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1、1-11-1电弧物理基础电弧物理基础一）一）电弧的基本概念电弧的基本概念1、电弧电弧：电弧是一种气体放电气体放电 现象，通过放电将电能转变为热能与机械能。2、气体放电气体放电：两极间的气体被击穿而导电的过程。非自持放电：放电本身不能产生导电所需的带电粒子（A+、e）。自持放电：放电本身能产生导电所需的带电粒子（A+、e）；有暗放电、辉光放电、电弧放电等三种。第1页/共51页+-电弧UaIa电弧放电辉光放电暗放电暗放电自持放电非自持放电UI导体导电第2页/共51页二）二）带电粒子的产生过程带电粒子的产生过程产生方式：电离：气体中性原子或分子（A）分离为一价正离子 （A+）和电子（e）的过程。电子
2、发射：金属表面逸出电子的现象（一）电离与激励1、电离：在一定条件下中性原子分离成A+及e的现象。A A+e-Wi电离能：原子或分子电离所需要的能量 单位为ev 或J电子伏：一个电子被1V的电压所加速得到的能量。电离电压：电离能/电子带电量。一次电离：AA+e二次电离：A+A+en次电离：A（n-1）+An+eA+Ae第3页/共51页2、激励：气体原子得到的一定的能量，虽然小于Wi，但可使电子从低能级跃迁到高能级。这种现象叫激励。激励能：所需的最小外加能量叫激励能We。激励能电压：激励能We/e。3、能量传递方式1）碰撞：粒子间通过相互碰撞而交换能量弹性碰撞：仅发生动能再分配非弹性碰撞：交换的能
3、量势能，从而导致电离或激励。2）光幅射：在光的辐射下，中性粒子直接吸收光量子的能量。AA+A-eAAeh eUi第4页/共51页4、电离的分类：1）热电离：气体粒子受热的作用而产生电离实质：中性粒子通过与电子碰撞，接收电子能量而电离。电离度：电离了的粒子数量与电离前离子数量之比。0.1%热解离：在热量的作用下，多原子分子分解为原子。解离能：分子热解离所需要的能量2）电场作用下的电离：A+、e在电场作用下被加速、与A碰撞使其电离的过程。主要是e的作用：电子获得的能量是A+的4倍。3）光电离：A直接捕捉光量子并吸收其能量而电离。波长越小越易促进光电离，电弧波长包括红外线、紫外线可见光、可使AI、K
4、、Na原子光电离。但不能使Ar、He、Fe等电离。第5页/共51页（二）电子发射（二）电子发射1、基本概念1）电子发射：电子从金属表面逸出的现象。对电弧导电起作用的主要是阴极的发射。2）逸出功（Ww）：电子发射所需的最小能量。3）逸出电压：Ww/e物理意义：Ww越小，引弧越容易，电弧稳弧性越好。4）主要影响因素：材料，K、Na之Ww较低。表面状态：有氧化物时，逸出功降低加入杂质，例如，钍、铈及镧等可降低Ww。-第6页/共51页2、分类1）热发射：在热量的作用下产生的发射产生条件：阴极温度足够高特点：对阴极有冷却作用，这一点对TIG焊具有重要意义。可提高W极的载流能力。2）电场发射：金属表面的电
5、子在电场力的作用下逸出的现象。特点：对阴极的冷却作用较小。3）光发射：光幅射作用下产生的发射。实际电弧中产生光发射的可能性很小。4）粒子碰撞发射：高速运动的A+碰撞到阴极上导致的发射。库仑力第7页/共51页（三）负离子的产生（三）负离子的产生中性离子与电子结合的过程，是一个放热过程，所放出的热被成为电子亲和能。A+e A-+W注意：1）亲和能高的原子易形成A-，但高温下不利于放热反应。2）交流电弧过零时，易形成。3）易在电弧周边形成。4）不利于电弧稳定。（四）扩散与复合扩散：电弧中心处A+、e较多，e易向周边运动。当周边电子浓度达到一定值后，在e吸引下，A+也向周边运动。从而在周边复合A+eA
6、+WiA+A2A+WiA-Ae+A-+AAe第8页/共51页三）三）电弧各区域的导电机构电弧各区域的导电机构（一）区域组成（一）区域组成由阴极区、阳极区、弧柱三部分组成。1、阴极区：长度极短、电压较大、E（电场强度）极高2、阳极区：长度也极短、电压较大、E极高3、弧柱区长度基本上等于电弧长度，E较小UAUCUK阳极区阴极区弧柱-+10-5 10-6cm10-2 10-4cm第9页/共51页（二）弧柱区的导电机构（二）弧柱区的导电机构所谓导电机构就是指带电粒子产生、运动方式。1、带电粒子的产生1）电离：热电离热电离光电离电场作用的电离2）阴极区注入的电子3）阳极区注入的正离子2、带电离子的运动A
7、+冲向阴极正离子流IA+e冲向阳极电子流IeI=IA+Ie其中：IA+=0.1%IIe=99.9%I3、特点：1）电中性；2）E小、Ua小IA+IeI第10页/共51页三）、阴极区的导电机构1、阴极区在导电过程中的作用1)产生弧柱区导电所需要电子流 Ie=0.999I2)接收弧柱区来的正离子流IA+=0.001I2、热发射型1）产生条件：W、C阴极，且电流很大2）带电粒子的产生方式：热发射热阴极：弧柱导电所需要的电子可完全由热发生来产生的阴极。冷阴极：热发射能力不足的阴极。热阴极材料：熔点高的材料冷阴极材料：熔点低的材料。3）特点：无阴极区、无阴极压降Vk第11页/共51页3、电场发射型导电机
8、构1)条件：（a）W、C阴极、且I较小（b）AI、Fe、Cu作阴极2)带电离子产生方式（1）场发射（2）场电离（3）热发射（4）碰撞发射第12页/共51页+-+-Uk阴极区弧柱区电场发射型导电机构阴极热发射场发射碰撞发射场电离0.999I第13页/共51页c)特点：（1）阴极附近存在正电荷区阴极区（2）fe0.001I（3）阴极区断面收缩（4）阴极表面上产生阴极斑点3）等离子型导电机构A、条件：1）W、C阴极，且I较小：或AI、Fe、Cu阴极；且2）气压较小，UkL1纯ArAr+20%H2UaIa电离电压Ar15.7eVH13.5eVH215.5eV弧长影响物理性能：热分解、导热系数第23页/
9、共51页1-21-2焊接电弧的产热及温度分布焊接电弧的产热及温度分布 一）、焊接电弧的产热机构一）、焊接电弧的产热机构（一）弧柱的产热机构电能热能1、本质：A+、e在电场作用下被加速、使其动能增大的过程。其宏观表现即为温度上升产热由于运动速度，自由程度不同，A+、e得到的能量不同，TA+、Te、TA有可能不同。电子动能：定向运动动能Ie散乱运动动能热运动，表现为热能。2、产热量Pc=IaUa主要用于散热损失对流、幅射、传导。第24页/共51页3影响因素不仅取决于电流。凡是影响Ua的因素均影响弧柱的产热。（二）阴极区的产热1本质：产生电子、接受正离子的过程中有能量变化，这些能量的平衡结果就是产热
10、，由三部分组成：1）电子逸出阴极时消耗能量：-IUw2）电子进入弧柱前被电场（Ek）加速得到一部分能量：+IaUk3）电子进入弧柱时带走的能量：-IUT（温度等效电压）2、产热公式Pk=I（Uk-Uw-UT）3、作用：用于加热阴极第25页/共51页（三）阳极区的产热机构1、本质：接受电子、产生A+过程中伴随的能量转换，由三部分组成：1）e被UA加速所得到的能量：+eUA2）电子带来的逸出功：+IUw3）电子带来的相当于弧柱温度那部分能量+IUw2、产热公式PA=I（UA+Uw+UT）3、作用用于加热阳极第26页/共51页二）、焊接电弧的热效率及能量密度二）、焊接电弧的热效率及能量密度（一）电弧
11、总产热Pa=PC+PA+PK=I（UC+UK+UA）=IaUa（二）有效功率、热效率系数1有效功率：用于加热工件和焊丝的功率QE2热效率系数：=QE/Pa3影响的因素：1）焊接方法：TIG焊低、MIG、SAW高2）焊接规范：3）外部条件（三）能量密度1单位有效加热面积上的热功率，单位为w/cm22功率密度越高H/B越大，焊接变形及HAZ越小。气焊电弧焊激光电子束1-10102-104106-107 106-108 第27页/共51页三）、电弧的温度分布三）、电弧的温度分布（一）电弧的轴向温度分布影响温度分布的因素：1、功率密度2、电极材料3、高熔点氧化物（二）弧柱温度分布1、轴向1）二电极尺寸
12、相等时，轴向温度分布均匀2）二电极尺寸不等，轴向温度分布不均匀，靠近尺寸较小的一端，温度较高。温度电流密度功率密度第28页/共51页2、径向中心轴附近温度高，周边低（三）影响弧柱温度的因素1、电流，IaT2、气体介质：导热系数，热解离T3、电极材料4、拘束度2、径向中心轴附近温度高，周边低（三）影响弧柱温度的因素1、电流，IaT2、气体介质：导热系数，热解离T3、电极材料4、拘束度：越大，电弧温度越高_第29页/共51页+-弧柱的温度分布TTrL第30页/共51页1-31-3 电弧力及其影响因素电弧力及其影响因素一）、电弧力1、电磁收缩力通过电弧（熔滴）的电流线之间的相互吸引力，对电弧或熔滴起
13、着压缩作用，该力被称为电磁收缩力。1）圆柱形电弧电弧压力电弧推力式中：I-电流，R-电弧半径，K-系数第31页/共51页流态导体中电磁收缩力的影响柱形导体中的电磁收缩力第32页/共51页流体中压力各个方向相同，因此作用于焊条及工作上的轴向力为：2）锥形电弧压力 锥形电弧中沿轴向存在压力差，导至一轴向推力：式中：I-电流，Rb-锥形弧柱下底面半径，Ra-锥形弧柱上底面半径第33页/共51页ALF推焊丝锥形电弧母材第34页/共51页2、等离子流力F推引起的高温气体流（等离子流）所形成的力叫等离子流力作用：1）促进熔滴过渡2）导致指状熔深分布：轴线处大，周边小3、斑点力由以下三部分组成,阴极斑点力大
14、于阳极斑点力1）带电粒子撞击力阴：A+撞击大阳：e撞击：小2）蒸发反力阴：T高，力大阳：T低力小3）电磁收缩力阴：大阳：小第35页/共51页等离子流力等离子流力的分布FP第36页/共51页FF斑Fmg斑点力第37页/共51页4、爆破力仅产生于短路过渡中，短路小桥汽化爆断所产生的力5、细熔滴的冲击力仅产生于MIG焊射流过渡，熔滴以很大的加速度冲击熔池，形成冲击力二）、影响因素1、气体介质导热好，易解离的气体，电弧力，特别是斑点力较大。2、电弧电流及电压 电流增大，电弧力增大；电压增大，电弧力减小。3、W极或焊丝直径 直径越小，力越大4、极性：TIG焊时，DCSP大；而MIG焊正好相反。第38页/
15、共51页爆破力第39页/共51页第40页/共51页1-31-3 交流电弧的特点交流电弧的特点 一）、交流电弧电流为50H正弧波的电弧被称为交流电弧。方波交流电弧。1、特点：1）周期性地过0点2）再引燃再引燃电压Ur：再引燃所需的电压。小于引燃烧电压。2、交流电弧的燃烧过程1）纯阻性回路电弧阻性元件，因此a、ia同相位，有熄弧时间te，当te较大时，难以引燃2）感性回路利用电感的续流，蓄能作用，可将te降为0第41页/共51页交流电源teU0UaIa纯阻性回路第42页/共51页t电源电压电弧电压电弧电流电源电压电弧电压电弧电流交流电源电感性回路第43页/共51页3、交流电弧稳定燃烧的条件在回路中
16、串一合适的电感二）、交流电弧的加热及力的特点1、加热Pa不断变化，对工件的加热效果用有效热功率表示。Wa=UaIa-波形修正系数Ua、Ia-电压及电流有效值2、电弧力的特点介于DCSP与DCRP之间，不易导致指状熔深.3、保护在相同的条件下，保护效果较差。第44页/共51页1-5刚直性及磁偏吹刚直性及磁偏吹 一）、刚直性所谓刚直性是指电弧作为一柔软的导体抵抗外界干扰，力求保持电流沿轴向流动的能力。电弧的刚直性是由电弧的电磁场决定的，即电磁收缩力决定的。各运动的带电质点均受到指向焊条中心的力，该力使质点保持沿轴线流动。影响刚直性的因素：1）电流越大，刚直性越大；2）拘束度越大，刚直性大3）热解离导热性大刚直性大第45页/共51页+-FF自身磁场对刚直性的影响刚直性第46页/共51页二）、磁偏吹1、偏吹：电弧因周围磁力线不对称而偏向一侧的现象.偏向：磁力线疏的一侧2、引起磁偏吹的原因1）导线接法不合适2）铁磁性物质3）交流电弧的磁偏吹较较小原因：（1）涡流，涡流磁场低消原磁场（2）电弧偏吹运动为机械运动，而交流电弧的不均恒磁场以50Hz的频率变化。第47页/共51页+-+-电流+F左F右磁偏吹第48页/共51页+-+-电流+F左F右接线位置引起的磁偏吹+-+-+第49页/共51页+-+-电流+F左F右磁性物质引起的磁偏吹-+第50页/共51页感谢观看！感谢观看！第51页/共51页