高级焊工技术培训(焊接电弧)

质量管理部（焊接电弧）张明录高级焊工技术培训目录一.焊接电弧二.焊接电弧中的能量平衡及电弧力三.直流及交流电弧的特点四.磁场对电弧的作用2质量管理部焊接电弧基本知识一.基本要求熟悉焊接电弧的概念，理解并掌握最小电压原理、电弧力。了解电弧各个区域的组成、导电机构、产热机构、交流电弧的特点以及阴极斑点的特点及其对焊接质量的影响。二.基本概念电弧、气体放电、电离、电子发射、阴极斑点、阳极斑点、刚直性、磁偏吹、电离能、逸出功、电离电压、逸出电压质量管理部三.难点1.最小电压原理2.电弧的导电机构四.重点1.电弧、电离、气体放电、刚直性、磁偏吹等一些基本概念。2.电弧力。3.电弧的产热机理。4.阴极斑点的特点。5.最小电压原理。质量管理部一.焊接电弧1.电弧的基本概念1）电弧：电弧是一种气体放电现象，通过放电将电能转变为热能与机械能。2）气体放电：两极间的气体被击穿而导电的过程。（1）非自持放电：放电本身不能产生导电所需的带电粒子（A+、e）。（2）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。质量管理部电弧A+e+-UaIa电弧放电辉光放电暗放电自持放电非自持放电UI导体导电质量管理部2.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）分离为正离子（A+）和电子（e）的过程。电子发射：金属表面逸出电子的现象A++Ae质量管理部3.电离与激励1）电离：在一定条件下中性原子或分子分离成A+及e的现象。A→A++e-Wi（1）电离能：原子或分子电离所需要的能量单位为J或ev（2）电子伏：一个电子被1V的电压所加速得到的能量。质量管理部（3）电离电压：电离能/电子带电量。一次电离：A→A++e二次电离：A+→A+++en次电离：A（n-1）+→An++e多原子分子的电离：多原子分子电离能小于对应原子的电离能，因此，一般先分解为原子后再电离。只有NO的电离能小于N和O的电离能，因此可直接电离。质量管理部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。（1）激励能：所需的最小外加能量叫激励能We。（2）激励能电压：激励能We/e。质量管理部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：交换的能量→势能，从而导致电离或激励。Ae（2）光幅射：在光的辐射下，中性粒子直接吸收光量子的能量。质量管理部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。a)电离度：电离了的粒子数量与电离前离子数量之比。0.01%0.12%b)热解离：在热量的作用下，多原子分子分解为原子。c)解离能：分子热解离所需要的能量质量管理部（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、Na原子光电离。但不能使Ar、He、Fe等电离。质量管理部5）电子发射分类（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。质量管理部（2）电场发射：金属表面的电子在电场力的作用下逸出的现象。特点：对阴极的冷却作用很小。（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—质量管理部6）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。④Ww主要影响因素：材料种类，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。-质量管理部7）负离子的产生中性粒子与电子结合的过程，是一个放热过程，所放出的热量被称为电子亲和能。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。因此电弧中含有F、Cl等元素时，电弧不稳定。A-Ae+质量管理部8）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++e→A+WiA++A－→2A+WiA＋+AAe质量管理部9）电弧各区域的导电机构（1）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阳极区阴极区弧柱区-+10-510-6cm10-210-4cm质量管理部10）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+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（3）特点：1）电中性；2）E小、Ua小IA+IeI质量管理部11）、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+=0.001I由于阴极材料种类、电流大小以及电弧气体介质不同，阴极区可分为：质量管理部（2）热发射型导电机构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质量管理部12）电场发射型导电机构（1)条件：（a）W、C阴极、且I较小（b）Al、Fe、Cu作阴极c)特点：①阴极附近存在—正电荷区—阴极区②阴极区断面收缩③阴极表面上产生阴极斑点质量管理部电场发射型导电机构++++++++++++++++++++++------+++++-----Uk阴极区弧柱区阴极热发射场发射碰撞发射场电离0.999I质量管理部（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（3）等离子型导电机构A、条件：①W、C阴极，且I较小：或AI、Fe、Cu阴极；②电压较小，且UkUiB、带电粒子产生方式：热电离质量管理部（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=0.999I②产生弧柱区所需要的正离子流IA+=0.001I（2）热电离①产生条件：I较大②带电离子产生方式：热电离③特点：a)阳极压降小，甚至为0b)不存在阳极斑点。13）阳极区的导电机构质量管理部（3）电场作用下的电离①产生条件：I较小②带电粒子的产生方式：热电离、场电离③特点：a）有阳极区，发生收缩b)Ua较大c)有阳极斑点质量管理部----------------++-++++++++++++------------UA阳极区弧柱区阳极压降的形成+质量管理部（1）阴极斑点：阴极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14）阴极斑点与阳极斑点质量管理部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，该点对于铝、镁及其合金的焊接是非常重要的，见后面的阴极雾化作用。质量管理部--+焊接方向-+AAB焊接方向粘着性跳跃性质量管理部15）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，阳极斑点力小于阴极斑点力质量管理部16）最小电压原理电流一定、周围条件一定时，稳定燃烧的电弧各导电区的半径（温度）应使电弧电场强度最小，即电弧电压最小。ErR*E*该原理有两个方面的含义：（1）电场强度是温度或电弧断面半径的函数E=f（T）E=f（r）（2）电弧半径稳定值r*由E的最小值E*确定质量管理部二.焊接电弧中的能量平衡及电弧力1.焊接电弧的产热机构1）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。（2）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。质量管理部（3）产热量Pc=IaUa主要用于散热损失—对流、幅射、传导。（4）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。质量管理部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：①电子逸出阴极时消耗能量：-IUw②电子进入弧柱前被电场（Ek）加速得到一部分能量：+IaUk③电子进入弧柱时带走的能量：-IUT（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。质量管理部3）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：①e被UA加速所得到的能量：+eUA②电子带来的逸出功：+IUw③电子带来的相当于弧柱温度那部分能量+IUw（2）产热公式PA=I（UA+Uw+UT）（3）作用用于加热阳极质量管理部4）焊接电弧的热效率及能量密度（1）电弧总产热Pa=PC+PA+PK=I（UC+UK+UA）=Ia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QE②热效率系数：=QE/Pa③影响的因素：a）焊接方法：TIG焊低、MIG、SAW高b）焊接规范：c）外部条件质量管理部5）能量密度（1）单位有效加热面积上的热功率，单位为w/cm2（2）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1-10102-104106-107106-108质量管理部6）电弧的温度分布（1）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高熔点氧化物温度电流密度功率密度质量管理部7）弧柱温度分布（1）轴向1）二电极尺寸相等时，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。（2）径向中心轴附近温度高，周边低。质量管理部（1）电流，Ia↑T↑。（2）气体介质：导热系数↑，热解离↑T↑。（3）电极材料。（4）拘束度。8）影响弧柱温度的因素质量管理部9）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，对电弧或熔滴起着压缩作用，该力被称为电磁收缩力。①圆柱形电弧)(2242rRRIkPr电弧压力式中：I-电流，R-电弧半径，K-系数质量管理部流态导体中电磁收缩力的影响柱形导体中的电磁收缩力质量管理部ALF推焊丝锥形电弧母材质量管理部（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，周边小质量管理部（3）斑点力由以下三部分组成，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：小质量管理部等离子流力等离子流力的分布FP质量管理部FF斑Fmg斑点力质量管理部（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。质量管理部10）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）