1电弧物理与现代弧焊方法

电弧物理与现代焊接方法1.电弧的导电机理1.1电弧放电特点电弧是在一定条件下电荷通过两电极间气体空间的一种导电过程；实质是气体导电现象；导体---欧姆定律；绝缘体---不导电；气体导电-----气体放电；非自持放电----10-20----10-12A自持放电暗放电---------10-12----10-5A小电流、高电压（600v）；辉光放电------10-4----10-1A；小电流、高电压(300-350v)；电弧放电---------------大电流、低电压；过渡区------------------10-1A—1A电弧放电--------〉1A，一般〉10A第一章电弧物理基础1.电弧的导电机理1.1电弧放电特点第一章电弧物理基础电流电源电阻阴极阳极第一章电弧物理基础1.2电弧中带电粒子的产生电弧:阴极、阳极、弧柱；电子发射，气体电离，伴随解离、激励、扩散、复合、负离子；1.2.1气体的电离电离与激励电离：在一定条件下，中性气体分子或原子分离为正离子和电子的现象；激励：当中性粒子接受外来能量的作用，使电子从低能级跃变到较高能级，中性粒子内部稳定状态破坏，但整个粒子仍呈中性的现象。第一章电弧物理基础第一电离能---常态下，中性粒子失去第1个电子所需要的最低能量；（eV）第一电离电压—描述电离难易的参数指标，数值上等于第一电离能；较小电弧加热下，一般只有一次电离；大电流的高温使气体产生二次甚至三次电离，但仍以一次电离为主；第一章电弧物理基础第一章电弧物理基础H—13.5He—24.5Li--5.4C—11.3N—14.5O—13.5F—17.4Na--5.1Cl—13Ar—15.7K---4.3Ca—6.1NO—9.5OH—13.8H2O-12.6CO2—13.7NO2—11Ni---7.6Cr—7.7Mo—7.4Cs---3.9Fe—7.9W---8.0H2—15.4N2-15.5O2—12.2Cl2—13CO—14.1Al—5.96Mg—7.61TI--6.81Cu---7.68第一章电弧物理基础电离电压的高低表明产生带电粒子的难易程度;电离电压低有利于电弧的稳定,但电离电压不是唯一的因素;多种气体混合,电离电压主要决定于最低的电离电压但该种气体必须充分多,若不足,电离电压次低的气体加入电离,最终值将介于二者之间;第一章电弧物理基础激励电压---使中性粒子激励所需的最低外加能量称为最低激励电压(以伏为单位);H—-10.2He—19.8Ne--16.6Ar—11.6N-----2.4O----2.0K---1.6Fe---4.43Cu---1.4H2---7.0O2----7.9CO—6.2CO2-3.0H2O-7.6Cs—1.4Ca----1.9第一章电弧物理基础能量的传递方式:碰传递弹性碰撞和非弹性碰撞弹性碰撞---只能进行动能的分配,粒子温度发生变化，但不能改变粒子内部的能量，不能产生激励和电离;是在粒子动能较低时发生；非弹性碰撞---粒子内部结构发生变化，部分或全部动能转化为内能，若内能增加超过激励电压---发生激励；大于电离电压---电离；电弧空间：电子、粒子、中性粒子；第一章电弧物理基础U1U2m1m2m1*U1+m2*V2m1*V1+m2*V2动量守恒定律：m1*U1x+m2*V2x=m1*V1x+m2*V2x能量守恒定律:(1/2)m1*U1x2+(1/2)m2*V2x2=(1/2)m1*V1x2+(1/2)m2*V2x2第一章电弧物理基础若二粒子发生完全非弹性碰撞，碰撞后二粒子不再分离，以同一速度Vx运动,则有：(m1+m2)*Vx=m1*U1x+m2*U2x则Vx=(m1*U1x+m2*U2x)/(m1+m2)---(1)能量(动)损失:△Ek=(1/2)m1*U1x2+(1/2)m2*V2x2-(1/2)(m1+m2)*Vx2----(2)△Ek=m1×m2(U1x-U2x)2/2(m1+m2)△Ek=m1×m2(U1x-U2x)2/2(m1+m2)若m1很小,m2很大,且粒子2在碰撞前处于静止状态,U2x=0;则△Ek=m1×m2(U1x)2/2(m2)=m1(U1x)2/2说明小粒子的动能全部全部传给了大粒子,如电子撞击中性原子、分子和正离子;中性粒子获得全部动能发生激励或电离；第一章电弧物理基础若二粒子质量相近，如m1=m2=m△Ek=m×m(U1x-U2x)2/2(m+m)若碰撞前二号粒子静止U2x=0△Ek=（1/4）×mU1x2说明2号粒子最多只能获得原动能的一半；欲通过粒子间的碰撞传递能量、产生电离和激励，关键是提高电子、离子和中性粒子的动能，尤其是提高电子的动能；电弧过程通过粒子碰撞制造带电粒子是维持导电的主要途径。第一章电弧物理基础1.2.2光辐射能量传递中性粒子能够接受外界以光量子形式所施加的能量,提高其内能并改变其内部结构,使气体粒子激励和电离。光量子能量：h×r激励的条件：h×r≧We=eUe电离的条件：h×r≧Wi=eUi激励能—We；激励电压---Ue；电离电压---Ui；h×r=eUi+(mv2)/2通过光辐射电离制造带电粒子在焊接电弧中是次要的;第一章电弧物理基础气体粒子的运动速度在一个气体体系中，气体粒子的运动速度是不相同的；气体分子运动理论：气体温度的高低意味着气体粒子总体能量的高低，也即气体粒子平均运动速度的高低。C=(3KT/m)0.5=2.03×10-8(T/m)0.5其中:C---平均速度;T---体系温度;m—粒子质量第一章电弧物理基础1.2.3气体电离的主要形式热电离:中性气体粒子受热的作用而产生的电离场致电离：中性气体离子受电场作用而产生的电离光电离：中性气体粒子吸收了光射线的光子能而产生的电离碰撞电离：高速运行的带电粒子与中性粒子发生非弹性碰撞而使之电离第一章电弧物理基础热电离---高温下，气体粒子受热的作用相互碰撞而产生的电离；气体平均运动速度：c=1.87×(T/M)0.5T--气体的热力学温度(K)；M--粒子的质量(m)电离度---单位体积内被电离的粒子数与气体电离前粒子总数的比值;第一章电弧物理基础气体中粒子的运动速度按照麦克斯威尔分布曲线,在某一温度下各粒子拥有的动能不相同,其动能超过电离电压的那部分粒子产生电离第一章电弧物理基础X=电离后的电子或离子密度/电离前中性粒子密度萨哈公式:p×x2/(1-x2)=3.16×10-7T2.5exp[-(eUi)/kT]P—气体压力;T---气体热力学温度;k—玻尔兹曼常数,1.38×10-23J/K随温度上升、压力减少、电离电压减少，电离度上升；实效电离度----混合气体的电离度常压下的焊接电弧主要带电粒子是电子，电子密度的数量级达到1014cm-3时即可维持电弧的正常导电，实效电离度达10-4cm-3时即可达到上述粒子比例。第一章电弧物理基础第一章电弧物理基础气体的解离---电弧中的多原子气体在热作用下分解为原子的现象；解离是吸热过程，所需要的最低能量称作解离能，一般解离能小于电离能第一章电弧物理基础1.2.4电场作用下的电离带电粒子从电场中获得能量，通过碰撞产生的电离过程；带电粒子在电场中的定向运动、同时与其它粒子发生碰撞，总方向保持一致，但每次碰撞后都要发生方向的变化；自由行程：两次碰撞之间的路程长度；平均自由行程λ；自由行程的平均值；第一章电弧物理基础平均自由行程内电场对带电粒子所施加的最大动能：Wk=λEe在同一种气体粒子的气体中，中性粒子、电子和粒子的平均自由行程：λg=1/(4×20.5×3.14×rg2×ng)λi=1/(4×3.14×ri2×ni)λe=1/(3.14×re2×ne)λe：λi：λg=4×20.5：20.5：1第一章电弧物理基础阴极和阳极压降区,电场强度105--107v/cm;光电离---中性粒子接受光辐射的作用而产生的电离现象;h×λ≥e×Uir0=C/λ0λ0=hc/e×Uih---普朗克常数;r0---临界光辐射频率;λ0---临界光辐射波长λ0=1236/Ui第一章电弧物理基础1.2.4电极电子发射电子发射---金属表面接受一定的外加能量,自由电子冲破金属表面的约束而飞到电弧空间的现象;使一个电子由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;阴极发射电子参与导电过程；阳极发射电子不参与导电过程W—4.54;Fe—4.48;K—2.02;Cu—4.36;---3.92;---0.46;---3.85;电流电源电阻阴极阳极第一章电弧物理基础自阴极发射出来的电子在电场下参加导电过程;而自阳极发射出来的电子因受到电场的排斥，不可能参加导电过程，只能对阳极区空间电荷的数量产生一定的影响第一章电弧物理基础—般金属中，原子构成晶格呈紧密排列，所以离原子核较远的最外层电子也要受到周围原子核的静电力作用。因此，金属中的电子完全不同于气体粒子那样专属于某一特定原子的状态，前者可以挣脱原子核的束缚在金属原子构成的粒子晶格空间自由移动。第一章电弧物理基础电子气---自由电子在金属中运动；电子云---电子离开金属表面飞到空间，电子云到晶格的距离为r0；大于r0，对电子的作用力为镜像力--e2/4r02在偶电层内部，作用力大小假定Kn---Ke2/4r2电子逸出需克服逸出金属和克服电场力Wg=∫0r0Ke2/4x2dx+∫r0∞Ke2/4x2dx第一章电弧物理基础费米—迪拉克(Fermi-Dirac)统计规律。也就是在n个电子中，速度(即动能)介于E和E+dE之间的电子数目dn为：dn=△f(E)dE式中f(E)----费米—迪拉克统计分布函数，也称费米因子。f(E)=1/（exp[(E-EF)/KT]+1）式中K--波尔兹曼常数；T--系统的温度；EF--费米能级；E——电子能级。第一章电弧物理基础在金属中，依据电子按能级分布的函数与E的关系,可得出：1)当温度为绝对OK时，电子占据所有低于EF的能级的几率为1；而E〉EF的电子存在几率为o(EF称为费米能级)。2)当T0时，只有在费米能级EF附近较小的范围内，电子能量受到扰动。即有能量高于EF的电子，也有能量低于EF的电子；而费米能级EF的电子存在概率降为l／2。金属温度对电子分布概率的影响很大，温度越高，则能量高于EF的电子数越多，而能级低的电子(E远小于EF)的存在概率却不随温度而变化，仍为随着电子能级的降低而降低其存在的几率。3)温度变化时，费米能级EF变化很小，基本上是常数，即使在OK时，仍有较多的电子能够达到EF能级。因此为使电子逸出金属表面，不需要给出势垒高度EWg，而只需给出Wg—EF=Ww第一章电弧物理基础Ww:逸出功---其定义为使一个电子从金属表面发射出来所需要的最低外加能量，单位是电子伏(w);因电子电量是常数，故通常以Uw=Ww／e表示逸出功的大小。逸出功的大小与金属材料的种类、金属的表面状态和金属的表面氧化物质有关。几种金属及其氧化物的逸出功见表WFeAlCuKCaMg(逸出功)纯金属4.544.484.254.362.022.123.78氧化物3.923.93.850.461.83.31WW-CeW-BaW-ThW-Zr逸出功4.541.361.562.633.14可见，所有金属表面带有氧化物时其逸出功均减小,金属表面状态不同时，逸出功的数值也不一样，当钨极表面敷以Ce、Ba、Th和Zr等物质时，逸出功的数值则减小;第一章电弧物理基础金属内部的电子只有在接受外加能量作用后，其能量升高超出逸出功才能冲破金属表面的束缚而发射到外部空间，由于外加能量形式不同，电子发射机构可分为如下四种：第一章电弧物理基础主要形式热发射：金属表面承受热作用而产生电子发射现象电场发射：金属表面附近空间存在着一定强度的正电场时，金属内的电子受到电场力的作用，使电子逸出表面的现象光发射：金属表面接受光