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1、第一章 电弧焊基础,电弧是电弧焊接的能源，电弧能有效而简便的将电能转换为焊接过程所需的热能和机械能。第一节 电弧的物理基础电弧的实质：是在一定条件下，电荷通过两极之间的气体空间的一种导电现象，简单的说就是气体放电现象，如图1-1所示；通过电弧，电能可转变为：a、热能 b、机械能 c、光能,1、气体放电的基本概念：1.1 气体放电的必要条件:a、导电机构带电粒子；b、存在电场；,2、气体导电的特点：如图1-2；从图中可知，气体放电可分为非自持放电和自持放电；而自持放电又包括：a、暗放电；b、辉光放电；c、电弧放电；特点：大电流，低电压，热量多，温度高，发光强烈。被广泛的作为热源和光源应用。,图2
2、气体放电和金属导电的伏安特性A)气体放电；）金属导电；,2、电弧的导电机构：正离子和电子,2.1 电离：2.1.1 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。AA+e-；电离能(Wi)：使中性气体粒子失去电子所需的最低外加能量。ev；1ev=1.610-19J注意:电离电压(Ui)；分子的电离；混合气体的电离电压；,2.2 能量的传递方式:,2.2.1 碰撞传能:包括弹性碰撞和非弹性碰撞;弹性碰撞:这种现象是当粒子的动能较低时产生,不产生电离过程；非弹性碰撞:可以产生电离过程;设：m1：碰撞粒子；m2：被碰撞粒子；碰撞时，m2所增加的能量与以下两个因素有关：A、原动能（1
3、/2 m1 v12）；B、m1：m2；当m1远远小于m2时，m1能量全部传递给m2当m1=m2时，m1的一半能量传递给m2,所以，当具有足够动能的电子与中性粒子进行非弹性碰撞时，容易产生电离现象。,2.2.2 光辐射传递：当气体粒子受到光的辐射时，可以直接提高其内能，从而产生电离。气体粒子电离条件：hWi=eUi 其中，h：普朗克常数；h=6.62510-27尔格.秒、Wi：电离能J、：光辐射频率、Ui：电离电压次要途径，而碰撞电离才是主要的途径。,3、电离种类：热电离、电场作用下的电离、光电离；,3.1 热电离：气体粒子受热的作用而产生的电离；热电离的实质：碰撞电离；3.2 电场作用下的电离
4、:带电粒子的动能在电场的作用下增加到足够大时,与中性粒子发生非弹性碰撞而使之产生的电离。实质：碰撞电离；3.3 光电离：中性粒子受到光辐射作用而产生的电离。hWi=eUi；=C/；,4、电子发射：当电极表面接受一定的外加能量时，电极内部的电子可以冲破电极表面的束缚飞到电弧空间，这种现象叫做电子发射。,只有阴极发射的电子才能在电场的作用下参加导电过程，所以，我们只讨论阴极电子发射。逸出功：使一个电子由电极表面发射所需的最低外加能量。用Ww表示。ev 逸出电压：用Uw表示。V,根据外加能量的形式不同，电子发射可分为：4.1热发射：金属表面受热的作用而产生的电子发射现象，叫做热发射。,温度越高越易热
5、发射；逸出功越小越易热发射；热阴极：电极材料的沸点大于3500K，这种电极可以承受高温，它的电弧的阴极区主要以热发射提供电子。常见的热阴极有：W（5950K）；C（4200K）冷阴极：电极材料的沸点小于3500K，如 Fe（3008K）、Cu（2868K）、Al（2700K）、Mg（1375K）,4.2电场发射：当金属表面空间存在一个正电场时，阴极内的电子因受电场力的作用而飞出电极表面的现象。,4.3光发射：电极表面因受光辐射的作用而使电子冲破电极表面的束缚飞出的现象。光发射的条件：heUw光发射居次要地位。,4.4 碰撞发射：当高速运动的粒子碰撞电极表面时，将其能量传递给电极表面的电子，使其
6、能量增加而脱离电极表面的束缚飞出的现象。当正离子撞击阴极时，要使阴极发射一个电子，必须对阴极表面施加两倍的逸出功。,5、负离子的产生：在一定的条件下，有些中性的原子或分子能吸附一个电子，从而形成负离子，同时释放出电子亲和能。负离子一般存在于电弧的周边地区等低温地带。负离子的产生一般会使电弧的稳定性下降。6、带电粒子的扩散与复合：当电弧稳定燃烧时，带电粒子不断产生和运动的同时也不断的消失，即处于一种动态的平衡状态。消失的途径有：扩散和复合；6.1 扩散:6.2 复合:A+eA+Wi,7、电弧中的各区域及电压分布：根据电弧各个部位的物理特性和作用，可将其分为三个区域：阴极区、阳极区和弧柱区；,阴极
7、区：阴极附近的微小区域，其电压叫做阴极压降UK；阳极区：阳极附近的微小区域，其电压叫做阳极压降UA；弧柱区：阴极区与阳极区中间的部分，其电压叫做弧柱压降UC；电弧电压U=UK+UA+UC,7.1 弧柱区：,特点：温度高达500050000K；因为温度较高，所以带电粒子的产生以热电离为主，并伴有扩散和复合与之平衡。呈电中性，即在数目上：e+A-=A+弧柱具有低电压和较大的电流。I弧柱=99.9%I电子+0.1%I正离子,7.2 阴极区：,特点：区间很小，仅为10-410-6cm；阴极区的主要任务：发射电子，向弧柱提供所需的电子，同时接收弧柱区来的离子流。当阴极采用W、C等高熔点材料且电流较大时，
8、以热发射为主。当阴极采用Fe、Al、Cu等熔点较低材料或用W、C等高熔点材料但电流较小时，以电场发射为主。原因：见书P21图1-11；,阴极斑点：电弧放电时，负电极表面上集中发射电子的微小区域，该区域具有明显的光的特点，叫做阴极斑点。,特点：它是集中发射电子的地方，它的温度高，热量集中。阴极斑点具有“粘着”和“跳跃”特性。见书P24图1-14；阴极斑点有自动寻找温度高、发射能力强的物质；（阴极斑点有自动寻找氧化膜的倾向）,x-原斑点位置 y-新斑点位置,图114阴极斑点的粘着作用,7.3 阳极区:,特点:区间也很小，在10-210-3cm范围；主要任务：接收由弧柱流来的电子流，向弧柱提供正离子
9、流；阳极本身不发射正离子，正离子由阳极区以电离的形式产生：当电弧的电流较小时，阳极区产生电场作用下的电离，如图1-12；当电流较大，阳极温度较高时，阳极区产生热电离。,阳极斑点：电弧放电时，正电极表面集中接受电子的微小区域，该区域也有明显的光的特点，叫做阳极斑点。特点：阳极斑点是热量集中、温度高、易产生金属蒸汽的地方。阳极斑点也有“粘着”和“跳跃”特性；阳极斑点有自动寻找纯金属而避开氧化膜的倾向。(大多数氧化物的熔点均高于纯金属),8、最小电压原理：,为什么空载电压U0=7090V比较高，而一旦燃烧，电弧电压就会下降（U2030V）？在电流不变和周围条件一定的情况下，稳定燃烧的电弧将自动选择一
10、个确定的导电断面（其大小可用直径来表示），以便在此条件下电弧的电场强度最低，亦即在固定长度上的电压最小，确保电弧在此条件下单位长度上的能量损耗最小。电弧具有保持最小能量消耗的特性。,单位长度电弧上产生的热量等于IE（I电弧电流，E电弧电场强度），它与热消耗的能量相平衡。当电流一定时，电场强度的大小即代表了电弧产热量的大小，因此，能量消耗最小时的电场强度最低，就是在固定弧长上的电压最小，这就是最小电压原理。正是这一原理（特性），使得电弧在一定条件下有一确定的断面直径，否则，电弧就无法处于稳定燃烧的动平衡状态。,9、电弧的静特性：,9.1 定义：在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧
11、时，焊接电流与焊接电压之间的变化关系，叫做电弧的静特性，也称为伏安特性；表示这种特性的曲线叫做静特性曲线，简称“U”曲线；如图P26图1-17所示；,有三个区域：A区：当电流很小时，电弧呈负阻特性，IU；B区：当电流中等时，电弧呈平特性，IU不变；C区：当电流较大时，电弧呈上升特性，IU；,图117电弧的静特性,9.2 影响电弧静特性的因素：,内因：弧长的影响：其中UC：弧柱压降；IC：弧柱电流，：弧柱密度；s：弧柱的截面积；j：弧柱的电流密度；l：弧长；如图P26图1-18电弧介质的影响：气体介质的电离电压；气体介质的热物理性能：,图118电弧的长度对电弧静特性的影响,外因：电弧周围压力的影
12、响：PU周围温度：TU(冷却作用增强),思考题：什么是电离，什么是电子发射？什么是电离能和逸出功？电子发射、电离有什么区别？哪个需要的能量大？电离和电子发射各有哪些类型？如果阳极和阴极表面有氧化膜存在，那么阳极斑点和阴极斑点哪个稳定？为什 么？5.最小电压原理？,第二节焊接电弧的热与力,焊接电弧既是热源又是力源，都是由电能转变而来的。1、电弧热：由于电弧三个部分的导电机构不同，所以三个部分的产热机构也不同。1.1 弧柱区的热:由两种方式转换而来：复合产生；碰撞产生的动能以热能形式释放；弧柱的热量只有很少一部分通过辐射传递给焊材，大部分热量以对流、传导、辐射的形式损失了，其中，对流损失占80%，
13、而传导和辐射占1020%；,1.2 阴极的热：,阴极的产热公式：PK=I（UK-UW-UT）其中，PK：阴极区的总能量；UK：阴极压降；UW：逸出电压；UT：弧柱温度的等效电压；PK主要用于：加热或熔化阴极；散热损失；,1.3 阳极区的热：,阳极产热公式：PA=I（UA+UW+UT）其中，PA：阳极区的总热量；UA：阳极压降；PA一般用于阳极的加热和熔化，或散失了；一般情况下，PAPK；,2、电弧的有效功率和能量密度：,2.1 电弧的有效功率：电弧的总功率Q0：Q0=IU；电弧的有效功率Q：Q=IU这里：电弧的有效功率系数，它与焊接方法、焊接规范及周围条件有关，如书P29表1-9所示，埋弧焊的
14、=0.800.90，较大；,表19各种弧焊方法的热效率系数,2、电弧的温度分布：如图P30图1-21所示；弧柱的温度最高；一般情况下，阳极温度高于阴极温度；在弧柱中，总是靠近电极电弧直径小的一端温度高。影响电弧温度主要因素：I：IT；气体介质Ui：UiT；,3、电弧力及影响电弧力的因素：电弧产生的机械作用力与焊缝的熔深、熔池的搅拌、熔滴过渡以及焊缝的成型有直接的关系。,3.1 电弧力：3.1.1电磁力：分为径向力和轴向力；径向力（电磁收缩力）：我们知道：两根距离不远的平行导线若电流同向，则两线相互吸引；两根距离不远的平行导线若电流反向，则两线排斥，如图1-22所示；电磁收缩效应：认为电弧为圆柱
15、体，电流可以看成是许多相互平行的电流线组成，它们相互吸引，使导体断面有收缩倾向，这种现象叫做电磁收缩效应。由此而产生的力叫做电磁收缩力Fr；,图1-22 两平行导线之间的电磁力示意图同向电流产生吸引力 异向电流产生排斥力,其中，K：系数,而：介质磁导率Fr：径向合力,图1-23,轴向力：实际电弧形状并不是圆柱体，而是断面直径变化的圆锥状的气态导体，锥顶在焊条一端，锥底在工件一端。,轴向力（F推）：由于直径不同，在焊接电弧轴向各处之间将引起压力差，从而产生从焊条指向工件的推力。F推=其中，Rb：锥形弧柱的下底半径；Ra：锥形弧柱的上底半径；F推：方向始终是由小断面指向大断面，即指向工件；电磁力是
16、由径向力和轴向力合成而得的。,3.1.2 等离子流力（P离）：在F推的作用下，使电弧中的高温气流（等离子流）高速冲向熔池表面而形成的气流冲击力。如书P33图1-27,说明：又叫电弧的电磁动压力；方向始终是指向工件；（由小截面指向大截）上下截面差越大，则等离子流力越大；在电弧的中心线上等离子流力最大，并且电流越大，它就越大；,图1-27 等离子流形成示意图,3.1.3 斑点压力：如书P34图1-30所示；,它包括三种力：正离子与电子的撞击力；其中，阳极接受电子的撞击，阴极接受正离子的撞击。电磁收缩力：如图1-31所示；金属蒸汽的反作用力：综上所述：阴极斑点力大于阳极斑点力；,图131斑点的电磁收
17、缩力,3.1.4 爆破力：有害的力，主要产生于短路时；如书P34图1-32所示；,3.1.5 细熔滴的冲击力：主要产生在MIG焊，熔滴较细，在焊丝末端脱落进入电弧空间时，被等离子流力加速而高速向熔池过渡产生的冲击力。它的加速度是重力加速度的50倍以上。以上五种力是主要的电弧力，除此之外，还有气体吹送力、重力、表面张力等。,3.2 影响电弧力的因素：气体介质：导热性强、多原子气体、比重小的气体等均会使电弧收缩电弧力增加；电流与电压：电流增加电弧力增加；电压增加弧长增加电弧力分散电弧力减小；焊丝直径：越细电流密度增加电弧力增大；极性：电极的机性对不同焊接方法的电弧力的影响不同电极端头的几何形状：越
18、尖导电区越小电弧的收缩越大电弧力增大；电流的脉动：电流脉动热量间歇电弧的平均能量小电弧力减小；当脉冲频率越大，脉冲电流越小，则电弧力越小。但当频率大于几千HZ时，会使电弧压力增大；,第三节 磁场对电弧的作用,1、自身磁场的作用：任何流通电流的导体都会在其周围产生磁场；如图1-42；作用：1.1有利的一面：产生刚直性：电弧作为一个柔体抵抗外界的干扰，力求保持焊接电流沿焊条轴线方向流动的性能；如图1-43；产生刚直性的原因：自身磁场Fr刚直性；I越大 Fr越大刚直性越强；电弧的刚直性越强，电弧的指向性就越好，抗外界干扰的能力也越强，即使焊炬倾斜，电弧仍能沿电极轴向指向工件，如图所示。,1.2不利的
19、一面：产生磁偏吹；,磁偏吹：当某种原因使自身磁场的磁力线分布的均匀性受到破坏时产生，这种由自身磁场不对称而使电弧偏离焊条轴线的现象叫做磁偏吹。偏吹到磁力线稀疏的地方；如图所示；,1.2.1产生磁偏吹的原因：,导线的接线位置引起的磁偏吹：形成的磁偏吹使电弧远离接线一方。如果使焊条向右倾斜，如图b所示，调整一下电弧作用两侧空间的大小，使两侧的磁力线趋向平衡，可减小磁偏吹的程度。如图所示；,电弧附近的铁磁物质引起的磁偏吹：偏向铁磁物质；如图所示；铁磁物质越大，距离越近，电弧的磁偏吹程度越大。,在焊接时，当焊接电弧走到钢板的端部时，发生电弧向钢板一侧的磁偏吹现象；如图1-42所示；,电弧磁偏吹起因示意图,1.2.2交流电弧的磁偏吹：比直流电弧的磁偏吹显著减弱。,1.2.3磁偏吹的危害：使焊接过程不稳定，焊接过程难以操作，焊缝成型不良；1.2.4减小磁偏吹的方法：用交流代替直流用短弧焊对于长、大工件采用多线接地焊前消除剩磁用厚皮焊条代替薄皮焊条避免周围铁磁物质的影响,思考题：1、焊接电弧的电磁收缩力、轴向电磁推力、等离子流力是怎样形成的？2、分析焊接电弧的磁偏吹产生的原因和消除的方法？,
