1电弧物理基础

1一、焊接电弧的物理基础（一）电弧及其电场强度分布电弧:一种气体放电现象，它是带电粒子通过两电极之间气体空间的一种导电过程。电弧的实质：气体放电（导电）气体导电必须具备两个条件：①两电极之间有带电粒子；②两电极之间有电场。带电粒子在电场作用下运动形成电流，从而使两电极之间的气体空间成为导体，也就形成了电弧。电弧的特点：低电压、大电流、高温度、可移动等第一节焊接电弧2沿电弧长度方向，电场强度分布不均匀！3获得电弧的途径：气体电离+电子发射（二）电弧中带电粒子的产生1、电离的种类：热电离场致电离光电离电离能及其与引弧的关系2、（阴极）电子发射热发射场致发射光发射粒子碰撞发射逸出功及其与引弧的关系4（三）带电粒子的消失带电粒子通过扩散、复合和电子结合成负离子等的过程消失。电弧稳定“燃烧”时，带电粒子的产生和消失处于动平衡状态。负离子的存在对电弧稳定性的影响。5二、焊接电弧的导电特性参与电荷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。（一）区域组成由阴极区、阳极区、弧柱区三部分组成。UaUcUk阳极区阴极区弧柱区-+10-510-6cm10-210-4cm1、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6（二）弧柱区的导电特性IA+IeI1、带电粒子的产生（1）电离：热电离光电离场电离（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+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%I（Me》MA+）3、特点：（1）电中性；（2）E小、Uc小7（三）阴极区的导电特性1、阴极区在导电过程中的作用2、热发射型（1）产生弧柱区导电所需要电子流Ie=0.999I（2）接收弧柱区来的正离子流IA+=0.001I（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射来产生的阴极。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：阴极压降很小83、电场发射型（1）条件：a.W、C阴极、且I较小b.Al、Fe、Cu作阴极（2）带电离子产生方式a.场发射b.场电离c.热发射d.碰撞发射（3）特点：a.阴极附近存在—正电性区—阴极区b.阴极区断面收缩c.阴极表面上产生阴极斑点9++++++++++++++++++++++------+++++-----Uk阴极区弧柱区电场发射型阴极热发射场发射碰撞发射场电离0.999I10（四）阳极区的导电机构1、阳极区在导电过程中的作用（1）接收弧柱区来的电子流Ie=0.999I（2）产生弧柱区所需的正离子流IA+=0.001I2、热电离（1）产生条件：I较大（2）带电粒子产生方式：热电离（3）特点：a.阳极压降小，甚至为0b.不存在阳极斑点。3、场致电离（1）产生条件：I较小（2）带电粒子的产生方式：场电离（3）特点：a.有阳极区，发生收缩b.Ua较大c.有阳极斑点11----------------++-++++++++++++------------Ua阳极区弧柱区阳极压降的形成+12（五）阴极斑点与阳极斑点1、阴极斑点：阴级上导通电流的一些灼亮的弧立点。（1）产生条件：a.W、C阴极且I很小b.AI、Fe、Cu作阴极（2）某点充当阴极斑点的条件a.电弧通过该点时耗能最小b.该点能发射电子（3）特点a.电流密度大、温度高b.跳跃性及粘着性c.存在斑点力：蒸发反力、A+的撞击力d.自动寻找氧化膜，对于铝、镁及其合金的焊接非常重要，起到阴极雾化作用。13---A焊接方向粘着性焊接方向-+AB跳跃性142、阳极斑点（1）产生条件：I很小（2）点充当阳极斑点的条件a.通过该点导通电流时，耗能最小b.易蒸发，产生金属蒸气（3）特点：a.电流密度大、温度高b.粘着性、跳跃性c.避开氧化膜d.斑点力，小于阴极斑点力（六）最小电压原理电流与周围条件一定时，电弧稳定燃烧时，会自动选择一个确定的导电截面，使电弧电场强度最小，能耗最小，固定弧长上电压降最小。15（一）电弧的热能特性1、电弧热的形成机构电能→热能（1）弧柱的产热①本质：A+、e在电场作用下被加速、动能增大的过程。宏观表现为温度上升→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产热量主要用于散热损失—对流、幅射、传导。三、焊接电弧的工艺特性16③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。（2）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，由三部分组成：②产热公式：Pk=I（Uk-Uw-UT）③作用：阴极的加热，阴极散热损失a.电子逸出阴极时消耗能量：-IUwb.电子进入弧柱前被电场（Ek）加速得到的能量：+IUkc.电子进入弧柱时带走的能量：-IUT17（3）阳极区的产热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：②产热公式：Pa=I（Ua+Uw+UT）③作用：阳极的加热，阳极散热损失a.e被Ua加速所得到的能量：+eUab.电子带来的逸出功：+IUwc.电子带来的相当于弧柱温度那部分能量+IUT182、电弧的温度分布温度电流密度功率密度（1）弧柱温度分布①轴向两极区低弧柱区高a.二电极尺寸相等时，轴向温度分布均匀b.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。②径向：中心大四周小193、焊接电弧的热效率及能量密度（1）电弧总产热PQ=Pc+Pa+Pk=I（Uc+Uk+Ua）=IUA（2）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PQ′②有效热效率系数：=PQ′/PQ③影响因素：a.焊接方法：TIG焊低、SAW焊高b.焊接工艺参数：c.外部条件（3）能量密度①单位面积上的有效热功率，单位：w/cm2②越高,H/B越大，焊接变形及HAZ越小。气焊电弧焊激光电子束1-10102-104106-107106-108201、电弧力及作用（二）电弧的力学特性（1）电磁收缩力---电弧静压力由于电磁收缩效应使可变导体（气、液）所受的力，对熔池形成压力，又叫电弧静压力，使熔池下凹，产生搅拌，利于细化晶粒，有利排气排炸，改善焊缝质量。流态导体中电磁收缩力柱形导体中的电磁收缩力21ALF推焊丝锥形电弧母材22（2）等离子流力---电弧动压力F推引起的高温等离子流高速运动产生对熔池的附加压力。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）斑点力由三部分组成，阴极斑点力大于阳极斑点力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：小阻碍熔滴过渡，直流反接可减小影响。23等离子流力等离子流力的分布FP24FF斑Fmg斑点力25（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，产生飞溅。（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。爆破力262、影响因素（1）气体介质介质种类不同，影响不同。导热好，易解离的气体，电弧力，特别是斑点力较大。（2）焊接电流及电弧电压：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。27(三)焊接电弧的稳定性1、电源（1）电源特性：要与电弧燃烧要求相符；（2）电源种类：直流稳定性大于交流；（3）电源空载电压：高，引弧容易，燃烧稳定，但不安全。是保证焊缝质量的重要因素，除与操作技术有关，还与：焊接电流与电弧电压一定，电弧放电可在长时间内连续且稳定燃烧的性能。2、药皮或焊剂：含低电离能物质（如K、Na、Ca的氧化物），燃烧稳定；酸性焊条稳定大于碱性；焊条偏心，保存不当，药皮局部脱落等均会使稳定性下降。3、焊接电流：I大，电弧温度高，电离、场发射增强，电弧稳定性好。28电弧作为一柔软的导体抵抗外界干扰，力求保持电流沿焊条/焊丝轴向流动的能力---刚（挺）直性。影响因素：（1）电流越大，刚直性越大；（2）拘束度越大，刚直性大4、磁偏吹（与刚直性）：因某种原因使磁力线分布均匀性破坏，电弧中电荷受力不均，使电弧由密的一侧偏向疏的一侧的现象---磁偏吹。影响因素：（1）导线接法不合适（2）铁磁性物质（3）电弧到达工件边缘时29刚直性30+++-++--电流+F左F右接线位置引起的磁偏吹++++--+-++++-++--电流+F左F右磁性物质引起的磁偏吹----++工件两端同时接地线，以消除不对称；或使用交流电源。尽可能在周围无铁磁物质处焊接。5、其它：电弧太长，电弧摆动，飞溅大；焊接处有异物；强风、气流；31焊丝端部的熔化金属以滴状受各种力经电弧空间进入熔池的过程。焊丝形成的熔滴作为填充金属与熔化的母材共同形成焊缝，因此，焊丝的加热熔化及熔滴的过渡过程将对焊接过程和焊缝质量产生直接的影响。熔滴过渡熔化的焊丝金属飞到熔池之外的现象----飞溅。第四节焊丝的熔化与熔滴过渡321、焊丝的热源电弧热（主）+电阻热（次）一、焊丝的加热和熔化特性熔化极电弧焊：焊丝的熔化主要依靠阴极区或阳极区的产热及焊丝伸出长度上的电阻热。弧柱区产热对于焊丝的加热熔化作用较小。非熔化极电弧焊：主要靠弧柱区产热熔化焊丝。（1）电弧热阴极区：Pk=IUk-IUw-IUT阳极区：Pa=IUa+IUw+IUT当弧柱温度为6000K左右，UT＜1V；当电流密度较大，Ua≈0，故：33阴极区：Pk≈IUk-IUw=I（Uk-Uw）焊丝接负时：焊丝的加热与熔化取决于（Uk-Uw）。很多因素影响阴极电子发射，即影响的Uk大小。阳极区：Pa≈IUw焊丝接正时：主要取决于材料逸出功和电流的大小。熔化极气体保护焊时，焊丝材料作为冷阴极材料，UkUw，则PkPa。所以，同种材料，相同电流的作用下，焊丝作为阴极的产热将比焊丝作为阳极时产热多。因为散热条件相近，所以焊丝接负时比焊丝接正时熔化快。34LHLs电源送丝轮导电嘴la（2）电阻热在自动和半自动焊时，从焊丝与导电嘴接触点到焊丝端头的一段焊丝（即焊丝伸出长度，用Ls表示）有焊接电流通过，所产生的电阻热对焊丝有预热作用，从而影响焊丝的熔化速度。特别是焊丝比较细和焊丝的电阻系数比较大时（如不锈钢），这种影响更加明显。35PR=I2RsRs=ρLs/S电阻热与伸出长度部分的电阻以及通过的I有关。熔化极气体保护焊时，通常伸出长度Ls=10~30mm，对于导电良好的铝和铜等金属，PR与Pa或PK相比很小，可忽略不计；而对于钢和钛等材料，电阻率高。PR与Pa或PK相比很大，不可忽略。用于加热和熔化焊丝的总热量P是单位时间内电弧热和电阻热提供的能量。材料不同，则电阻率不同，相应的电阻就会不同，相同伸出长度，相同电流条件下，电阻热也不同。P=Pa（k）+PR36区别清楚与焊丝熔化有关的几个概念：熔敷速度(kg/h)熔敷系数(g/A·h)熔敷效率(%)飞溅率(%)损失系数(%)二、焊丝的熔化速度及熔化系数焊丝的熔化速度Vm：单位时间内，焊丝的熔化量。单位：(mm/min&kg/h)焊丝的熔化特性：焊丝的Vm和I之间的关系。其主要与焊丝材料及焊丝直径有关。单位时间内，由单位电流所熔化的焊丝量（长度，重量），叫：熔化系数m，单位：g/A·S&cm/A·Sm=Vm/I37材料不同：电阻率、熔化系数不同伸出长度：电阻不同焊丝直径：电阻不同、导热能力不同38三、熔滴上的作用力熔滴上的作用力是影响熔滴过渡及焊缝成形的主要因素。1、重力2、表面张力3、电弧力（其包含几项力在内）4、熔滴爆破力5、电弧的气体吹送力391、重力：当焊丝直径较大而I较小时，在平焊位置的情况下，使熔滴脱离焊丝的力主要是重力。Fg=mg=4/3πr3ρg重力大于表面张力时，熔滴就要脱