第5章-焊接电弧.

Chep.5焊接电弧5.1电弧的物理基础5.2电弧的导电机构5.3电弧的产热机构5.4电弧力及影响因素5.5交流电弧的特点5.6磁场对电弧的影响1思考题：5.1电弧的物理基础一、气体放电Chep.5焊接电弧二、带电粒子的产生三、带电粒子的消失1、电离和激励2、外部施加能量途径3、电离的种类4、电子发射5、负离子的产生1、扩散2、复合2一、气体放电金属导电－－－欧姆定律UIR带电粒子的定向移动电流3气体放电当气体中存在带电粒子，在电场作用下，也会产生导电现象，称气体放电辉光放电雷电电弧放电4气体放电规律在较小的电流区间，气体导电所需要的带电粒子不能通过导电过程本身产生，而需要外加措施来造成带电粒子。当电流大于一定数值时，在气体放电开始时需要外加措施制造带电粒子，进行诱发，一旦放电开始，取消外加诱发措施，放电过程仍可以继续下去，放电过程自身能够产生维持放电所需要的带电粒子。非自持放电5自持放电电弧电弧是在一定条件下，电荷通过两极之间气体空间的导电过程。是一种气体放电现象。能量转换器电能图2-2电弧示意图热能机械能光能特点：低电压（几～几十V）大电流（几十～千A）高温（5000～30000K）6二、带电粒子的产生在一定的条件下，中性气体分子或原子分离成电子和正离子的现象称为电离。1、电离和激励使中性气体粒子失去第一个电子所需要的最低外加能量称为第一电离能。MeMee外加能量第二电离能第三电离能。。。电离能以电子伏特来计量1911.610evj7Wi=eUi电离电压电离能电离电压金属电离电压低分子状态可直接电离电离电压的高低－产生带电粒子的难易一次电离电压低者，二次电离电压不一定低混合气体中，低电离电压者优先电离常见气体粒子的电离电压Cs3.9VH13.5VH13.5VH215.4VO13.5VO212.2VCsCa8激励当气体中性粒子受外来能量作用其数量不足以使电子完全脱离气体原子或分子，而可能使电子从较低的能级转移到较高的能级时，中性粒子的内部稳定状态被破坏，但对外仍呈电中性，这种状态称为激励。接受能量－－电离辐射－－回复稳定碰撞－－传递使中性粒子激励所需的最低外加能量成为最低激励能。激励能小于电离能，也用电压值来表示，称为激励电压。9激励电压低于电离电压2、外部施加能量途径弹性碰撞（非破坏性碰撞）中性粒子－－中性粒子只引起能量再分配，不产生电离（1）碰撞传递非弹性碰撞（破坏性碰撞）电子－－中性粒子产生电离（2）光辐射传递eehWeUiihWeU激励条件电离条件碰撞是传递能量的主要途径光辐射是能量传递的次要途径103、电离的种类（1）热电离电离度：气体中单位体积内被电离的粒子数与原始气体粒子总数的比值。MexMe（忽略二次电离）Saha公式2172.523.1610exp()1ieUxPTxKT11由于热运动而引起的碰撞，从而产生电离称为热电离TPUix实效电离度如果某气体中混有其他气体成分时，则电离后电子密度与电离前中性粒子密度之比称实效电离度。混合气体的电离电压称实效电离电压。理论与实践证明，混合气体的实效电离电压取决于低电离电压的物质例1（Fe（7.8V)+K(4.3V)例25000K,1atmCa(6.1)+Fe(7.8)+O2(12.2)+N2(15.5)222811:::1:1.7410:3.2410:6.6310CaFeoNxxxx12热解离由于弧柱温度高，电弧中多原子气体，由于热的作用，将分解为原子，称热解离。产生热解离所需要的最低能量称解离能。热解离不但影响带电粒子的产生过程，还对电弧的电性能和热性能产生影响。13电弧电离度14一般维持电弧，电子密度为1014cm-3，即实效电离度为10-4数量级（万分之一中性粒子电离）。常规电弧，电离度0.1×10-3～0.12×10-2数量级。强冷电弧或大电流，电离度10-1～1数量级。由于弧柱温度在5000～3000K,所以热电离是弧柱部分产生带电粒子的最主要途径。等离子体(2)电场电离当带电粒子的动能在电场的影响下，增加到足够高的程度，则可能与中性粒子产生非弹性碰撞而使之电离，称电场作用下的电离。中性粒子、离子、电子自由行程之比：弧柱区E=10V/cm热电离为主两极区E=105～107V/cm电场电离为主15222111::::42:2:1442eigggggggrnrnrnkWEe带电粒子从电场中获得能量：电子中性粒子产生电离(3)光电离中性粒子接受光辐射的作用而产生电离的现象称为光电离。•可见光波长为400～700nm，不会产生光电离•电弧光波长为170～500nm，部分可引起K、Na等的电离光电离是电弧中产生带电粒子的次要途径。161,1236()iiichcheUnmeUU4、电子发射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。使一个电子从金属表面飞出所需要的最低外加能量称为逸出功（Ww）逸出电压Uw=Ww/e（V）17金属表面有氧化膜时，其逸出功降低。钨合金比纯钨逸出功低。(1)热发射电子发射热发射电场发射粒子碰撞发射光发射金属表面承受热作用而产生电子发射现象称热发射。1822eewmveU当一个电子从金属表面飞出，从电极上带走能量eUw,对金属表面产生冷气作用。带走总能量为IUw。2exp(/)wiATeUkT*1.热发射与材料表面状态有关（A）*2.材料Uw－－热发射*3.材料T－－热发射钨(5950K),碳(4200K)热阴极钢(3008K),铜(2868K),铝(2770K),镁(1375K)冷阴极(2)电场发射当金属表面存在一定强度的正电场时，金属内的电子承受此电场静电库仑力的作用，当此力达到一定程度时，电子飞出金属表面，这种现象称电场发射。正电场的存在，相当于降低了材料的逸出功。对电极的冷却比热发射弱。1920exp[()/]weEiATeUkT冷阴极时，E可达105～107V/cm,具备电场发射条件。0wweEUUwIU(3)光发射当金属表面接受光辐射时，金属表面自由电子能量增加而冲破金属表面的约束飞到金属外面来，称光发射。只能对K、Na等逸出功较低的金属产生光发射，居次要位置。光发射时，电子接受能量＝带走能量，不产生冷却作用。(4)粒子碰撞发射20wheU高速运动的粒子碰撞金属表面时，将能量传递给金属表面的电子，使其能量增加而跑出金属表面，称光粒子碰撞发射。2hi正离子碰撞阴极表面粒子动能中和释放能（电离能）一个与正粒子结合一个发射5、负离子的产生在一定条件下，有些中性原子或分子能吸附一个电子而形成负离子。中性粒子吸附电子形成负性粒子，其内部能量减少，减少的能量称电子亲和能。负离子的形成，导致电弧稳定性下降。21负离子不易形成(电子高速运动)。碱性焊条(E5015)，因含有F（萤石CaF2），消电子，工艺性差。三、带电粒子的消失1、扩散带电粒子和一般气体的分子和原子一样，如果分布密度不同，则带电粒子将从密度高的地方向密度低的地方移动，而趋于密度均匀，称扩散。电弧中心区，温度高，电子速度高，难易复合。电弧周边，温度低，有一定的复合。交流电弧过零时，温度急剧降低，复合上升。222、复合电弧空间的正、负带电粒子(正离子、负离子、电子)，在一定条件相遇而互相结合成中性粒子的过程，称复合。13DC电子向电弧周边扩散速度快。电子吸引正离子向周边扩散。5.2电弧的导电机构一、电弧各区域导电机构1、电弧的组成区域2、弧柱区的导电机构3、阴极区的导电机构4、阳极区的导电机构5、阴极斑点和阳极斑点二、最小电压原理三、电弧静特性1、电弧静特性的形状2、影响电弧静特性的因素23一、电弧各区域导电机构1、电弧的组成区域阴极区阴极压降UK阳极区阳极压降UA弧柱区弧柱压降UC电弧电压Ua24Ua＝UK＋UA＋UC阴极、阳极区在弧长方向长度：10-4～10-6cm.2、弧柱区的导电机构*1.温度高，5000～50000K，以热电离为主。*2.带电粒子在电场作用下，定向运动。25MeMee正离子电子阴极阳极*3.通过弧柱区的总电流由正离子流和电子流组成(负离子流忽略)。由于电子质量小，运动速度快，电子流占99.9%.100%eiIII99.9%0.1%*4.单位体积内，正负带电粒子数相同，弧柱呈中性。电子流与离子流通过弧柱空间时，不受空间电荷电场的排斥作用，从而决定了电弧放电具有大电流、低电压的特点。26*5.弧柱中电场强度与电流的关系。小电流区间大电流区间IEIE*6.弧柱中的电场强度与气体种类有很大关系。图2-5弧柱电场强度与气体种类和电流的关系3、阴极区的导电机构阴极区的任务ie:ii=99.9:0.11)热发射型*1W、C等高熔点材料做阴极。向弧柱区提供电子流ie接受弧柱区的正离子流ii27*6阴极能量补充途径：*2大电流区间。a.接受0.1%I正离子流，动能转热能b.正离子与电子中和，释放电离能c.阴极处产生电阻热I2R*3电子流全部靠热发射。*4阴极区性质同弧柱区，无阴极压降，对外呈中性。*5热发射使阴极得到强烈冷却，带走能量为IUW。*7大电流钨极氩弧焊即为此情况。2)、电场发射型*1、阴极材料为高熔点材料但电流小，或低熔点材料。28*2、热发射不足，阴极区电平衡打破，正电荷堆积。*3、阴极区呈正电性，阴极压降UK。*4、电子在电场的帮助下，产生电离。*5、阴极区长10-6～10-4cm，UK＝10VE=105～107V/cm足以产生电场电离4、阳极区的导电机构接受电子流很容易，电子到达阴极，释放逸出功UW。29阴极区的任务向弧柱区提供流正离子ii接受弧柱区的电子流ie1）热电离型*1大电流区间。*2阳极温度高，金属蒸发。*3金属蒸汽直接热电离。*4阳极压降很小，阳极区呈中性。2)电场电离型*1小电流区间。30一般电弧焊，当电流达到一定程度，阳极区热电离占相当大比例，其阳极压降都比较小。*2电子在阳极区堆积，形成UA。*3电子受UA加速*4当UAUi时，电子碰撞中性粒子产生电离。5、阴极斑点和阳极斑点当阴极材料熔点较低，沸点也较低，并导热性能很强时，如Fe、Al、Cu，即使阴极温度达到材料的沸点，也不足以产生热发射，阴极将进一步缩小其导电面积，在阴极区前形成密度很大的正离子空间，产生很大的阴极压降，产生较强的电场发射，以补充热发射的不足，以维持电弧的燃烧，这种面积很小，电流密度很大的导电斑点称阴极斑点。1）阴极斑点特点：*1阴极斑点面积小，温度高，电流密度大，j=5×105～107A/cm231*2阴极受大量正离子冲击，金属蒸发，对阴极形成压力，斑点压力对熔滴过渡起阻碍作用（焊条为阴极时）。特点：32*3具有粘着特性。*5金属氧化物逸出功低，阴极斑点自动寻找氧化膜。*6阴极材料为Fe、Al、Cu，或W、C小电流时。*7电弧不稳定。*4具有跳跃特性。阴极斑点具有去除氧化膜作用。2）阳极斑点当Fe、Al、Cu等作阳极时，由于熔点低，阳极表面有熔化及蒸发现象，在金属蒸汽大量存在的地方更容易形成热电离，电流更容易从此处进入，导电区在此处集中，称阳极斑点。特点：33*1电流密度小，j=102～103A/cm2，阳极斑点力小。*2存在金属蒸发。*3具有粘着特性和跳跃特性。*4若有氧化膜，斑点自动寻找纯金属。Al熔点658℃Al2O32050℃熔化焊，一般为直流反接直流正接－－－－工件接正（DCSP）DCstraightpolarity直流反接－－－－工件接负（DCRP）DCreversedpolarity二、最小电压原理34自由电弧为一气体导电体，其断面可以自由收缩。在给定电流和周围条件一定的情况下，电弧稳定燃烧时，其导电区的，应使电弧电场强度具有最小的数值。即电弧具有保持最小能量消耗的特性。假设在一定条件下，电弧确定一导电面积ΦΦ增加－－电弧与周围接触增加－－散