焊接电弧物理基础.ppt

第一章 焊接电弧基础知识,焊接电弧,焊接电弧的物理基础,1.1,1.2,焊接电弧特性,1.3,1.4,焊接电弧的引弧与稳定性,焊接电弧导电机构,本章提示,本章重点：电弧导电的原理；焊接电弧的引弧；焊接电弧构造；焊接电弧特性；焊接电弧稳定性；本章难点：焊接电弧的电特性、热学特性及力学特性。学习方法建议：重在掌握基本概念，从能量源的角度理解电弧的基本特性，体会电弧稳定性对焊接过程的作用。对于涉及到的物理学知识，不必追求过深、过细。,1.1 焊接电弧的物理基础,气体钨电弧,气体金属熔化电弧,焊接电弧概念定义:在一定条件，两电极间的气体发生强而有力、持久的放电现象。电弧的特点：低电压、大电流、温度高、亮度大,焊接电弧的分类及其特点（1）按电流种类可分为：交流电弧、直流电弧和脉冲电弧(包括高频脉冲电弧)。（2）按电弧状态可分为：自由电弧和压缩电弧。（3）按电极材料可分为：熔化极电弧和不熔化极电弧。,不熔化极电弧 熔化极电弧,电极本身在焊接过程中不熔化，没有金属熔滴过渡，通常都采用惰性气体(如氩气、氦气等)保护，电极多采用钨极或钨极掺有少量稀土金属，如钍或铈等。,作为电弧一个极，在焊接电弧燃烧过程中是不断熔化并过渡到熔池中去；明弧的电极也有两种，一种是在金属丝表面敷有涂料，如焊条，另一种是光焊丝)。埋弧焊采用的是光焊丝，电弧在焊剂中燃烧，焊剂中也含有稳弧元素，电弧燃烧很稳定。,1.1 焊接电弧的物理基础,1.1 焊接电弧物理基础,电弧中带电粒子的来源 产生电弧的条件：1.有带电粒子；2.两极间必须有一定强度的电场。带电粒子产生：1.气体电离；2.电极发射。等离子体：电离气体具有与通常状态下的气体所不同的性质，被称作等离子体。等离子体由数量几乎相等的电子、离子和中性粒子组成。整体呈电中性。气隙中的中性粒子被电离产生电子和离子。电源通过电极（阴极）向电弧区发射电子。其它还有解离、激励、负离子、复合等过程。,1.1 焊接电弧物理基础,（1）电离和激励（电弧）电离：中性离子存在于电弧空间（气隙）中，当处于高能量状态时，其电子轨道上的电子脱离约束，分离成电子和离子。分子 原子 电子和正离子 激励：原子中的电子接收外部能量，从较低能级跃迁到较高能级。电离电压：气体金属 碱性金属Ui低,1.1 焊接电弧物理基础,电离的种类：a.热电离：在高温气体状态下，一部分粒子由于 碰撞而发生的电离现象。各个粒子的速度在某一瞬间是不同的 高速粒子激烈碰撞：弹性碰撞，粒子结构不变，内能守恒；非弹性碰撞，粒子结构变化，内能变化 发生电离、激励。,1.1 焊接电弧物理基础,b.场致电离：电场作用下，电子加速，与其它粒子发生碰撞而使粒子电离。电子具有大于Wi的能量，电弧中的场致电离，主要由电子和中性粒子的非弹性碰撞引起。并不是所有大于电离能Wi的电子都能使中性粒子电离，存在电离概率，电离电压越高的气体，电离概率越低。,电离概率,1.1 焊接电弧物理基础,c.光电离：中性粒子接受光辐射作用，大于其电离能时，产生的电离现象。粒子接受光辐射波长小于临界波长：0=1236/Ui 产生光辐射电离。注意：弧柱区，热电离为主要电离途径；阳极区和阴极区，场致电离为主要电离途径；光电离，产生电离次要途径。,1.1 焊接电弧物理基础,气体的电离度：电弧气氛被电离的程度，与温度、气体压力、气体电离电压等因素相关。,1.1 焊接电弧物理基础,单一气体电离度及电离平衡,等离子体电离度,单一气体电离平衡组成,1.1 焊接电弧物理基础,混合气体的电离度：混合气体的电离平衡不是各气体各自独立的，而是电离所产生的所有电子共用，并与正负两种离子相平衡，各气体的电离程度取决于Ui。电离度与引弧及燃弧稳定性的关系,1.1 焊接电弧物理基础,（2）电子发射(电极)电弧的稳定性同阴极电子发射的难易程度有关。自由电子：金属中的电子可以在离子晶格内自由、无规则移动。使一个电子飞出金属表面所需要的最低外加能量，即逸出功：Ww，对应的电压成为逸出电压：Uw。其中：Ww=eUw 引弧稳弧,1.1 焊接电弧物理基础,电子发射的种类：a.热发射：当温度升高时，金属表面的自由电子克服吸引力逸出到金属外部的现象。b.场致发射：电场作用下，电极表面自由电子获得能量克服静电引力逸出金属的现象。c.光发射：当金属电极表面接受光量子，使自由电子能量增加致飞出电极表面。电弧焊时，光发射为次要因素。不带走金属表面能量，对电极无冷却作用。,1.1 焊接电弧物理基础,d.碰撞发射：电子或正离子从外部高速撞击阴极表面，把能量传递给金属内部自由电子，致电子能量增加而发射出来，也称二次电子发射。正离子碰撞阴极引起电子发射必要条件：Wk+Wi2Ww,1.1 焊接电弧物理基础,（3）负离子的产生 中性粒子捕捉电子形成负离子。温度越低越有利于负离子形成，因此负离子多存在于电弧的外围。负离子质量大、运动速度低，不能有效参与导电。负离子的产生使电子数量减少，不利于电弧导电、电弧稳定。例：交流电弧电流过零。,1.1 焊接电弧物理基础,1.1.3 带电粒子的消失 带电粒子通过扩散、复合等过程消失。复合多发生在温度较低的电弧空间。例：交流电弧电流过零的电弧稳定性。电弧稳定“燃烧”时，带电粒子的产生和消失处于动平衡状态。,1.2 焊接电弧导电机构,1.2.1 焊接电弧的构造 焊接电弧由三部分组成：阴极区、阳极区、弧柱区。电弧电压、阴极压降、弧柱压降、阳极压降。Ua=UK+UC+UA,1.2 焊接电弧导电机构,1.2.2 焊接电弧的导电机构（1）弧柱区导电机构 温度处于5000K50000K之间，处于热平衡状态；以热电离为主；产热=散热，电能转化为热能、光能、机械能。,1.2 焊接电弧导电机构,弧柱中的全部或大部分双原子气体分子分解为原子，其中较大比例的原子又进一步分解为电子和阳离子，电子被中性粒子捕捉成为少量负离子。弧柱空间呈现为电中性；弧柱的电流由上述带电粒子的移动形成，电子流占99.9%，离子流占0.1%；最小电压原理：在电流和周围条件一定时，稳定燃烧的电弧会自动选择最适合的断面，保持能量消耗最小。P=ELI 通过最小电压原理可以解释电弧过程中许多现象。如：冷却 散热增加 收缩断面 维持热平衡。断面过小 电流密度大 电场强度增加 能量过高 断面扩展。,1.2 焊接电弧导电机构,（2）阴极区导电机构 阴极发射电子，产生电子流，接收弧柱正离子流。其中，电子流比率占总电流60%以上。,1.2 焊接电弧导电机构,阴极区导电类型：a.热发射型：对于钨、碳等高熔点的阴极，电流大时，温度高，热发射占主导地位，向弧柱区提供电子（阴极外区域电子流比率与弧柱相同99.9%），空间电荷总和为零，呈电中性，阴极表面电流密度与弧柱相近103A/cm2，此种导电机构不形成阴极斑点，阴极区电压降很小。,1.2 焊接电弧导电机构,b.场致发射型：对于Fe、Cu等低熔点的阴极，阴极温度低，热发射不足，阴极区形成正离子堆积，产生强电场，导致场致发射，电子被加速，撞击弧柱的中性粒子，使其电离。阴极形成阴极斑点。,阴极压降区的电子流和离子流,1.2 焊接电弧导电机构,c.等离子型：低气压钨极或冷阴极、小电流时，在阴极前面形成高亮度空间，在该空间以热电离形式为主。过程：阴极前方产生高温区，粒子电离 正离子撞击阴极并与电子复合，释放大量能量 阴极电离，复合的中性粒子被弹回，继续提高阴极前方温度，形成辉点 电子进入弧柱区，形成电子流。电流密度:(37)x 104A/cm2,1.2 焊接电弧导电机构,热阴极：W、C等高熔点阴极，大电流，电流密度103A/cm2；冷阴极：Fe、Cu、Al等低熔点阴极，产生阴极斑点；阴极斑点：当阴极属于场致发射型时，在阴极表面，电弧会自动寻找最有利的区域发射电子，该区域电流密度、温度、发光强度远高于其它区域，称作阴极斑点区，或阴极斑点；,1.2 焊接电弧导电机构,阴极斑点跳动：寻找最小逸出电压区域，即氧化膜附着区；热阴极斑点不动，冷阴极跳动。阴极清理作用（阴极雾化作用）：阴极斑点总是趋向于寻找逸出功最小的区域，即氧化膜区，使正离子撞击破碎氧化膜，露出洁净光亮金属。,阴极斑点跳动,1.2 焊接电弧导电机构,（3）阳极区导电机构 接受来自弧柱的占电流99.9%的电子流，发送占电流0.1%的正离子流；,阳极区带电粒子运动和电位分布,1.2 焊接电弧导电机构,阳极本身不发射正离子，主要通过热电离、场致电离提供正离子；热电离：大电流密度时，金属蒸发，电离能减小，阳极区热电离增加；场致电离：小电流密度时，UA增大，阳极区场致电离增加；阳极斑点：电弧燃烧时，阳极表面集中接受电子的光亮区域，称作阳极斑点区，或阳极斑点.,1.2 焊接电弧导电机构,实例：GMAW焊接的直流反极性接法：工件接负极，电极即焊丝接正极的接法。有利于阳极受热熔化焊丝；有利于熔滴过渡；对于焊接铝合金等有色金 属，有利于利用阴极清理作用 破碎高熔点氧化膜；,直流反极性接法,1.3 焊接电弧特性,焊接电弧的电特性（1）电弧静特性：焊接电弧静特性是指在某一电弧长度、稳定的保护气流量和电极条件下（还应包括其它稳定条件），改变电弧电流数值，在电弧达到稳定燃烧状态时所对应的电弧电压变化。,电弧静特性曲线,GTA焊接电弧,1.3 焊接电弧特性,静特性曲线分区：下降特性区、平特性区、上升特性区。下降特性区：小电流区间 平特性区：中等电流区间 上升特性区：大电流区间原理：主要是由阴极区压降Uk+阳极区压降UA+弧柱压降Uc之和。,1.3 焊接电弧特性,注意：电弧静特性曲线与电弧自身形态、电弧燃烧环境、电弧产热与散热平衡、电极材料等因素相关。不同条件下，曲线形状差异巨大。如钨极氩弧焊具有明显的三个阶段；铝合金熔化极惰性气体保护焊几乎看不到下降特性；埋弧焊呈下降特性。,1.3 焊接电弧特性,（2）焊接电弧动特性：对于一定弧长的电弧，当电弧电流发生连续快速变化时，电弧电压与电流瞬时值之间的关系，称为焊接电弧动特性。反映电弧的导电性能对电流变化的响应能力。直流电弧的动特性,直流脉动焊接电流,直流脉动电流动特性,1.3 焊接电弧特性,交流电弧动特性,1.3 焊接电弧特性,1.3.2 焊接电弧的热学特性 电弧燃烧的能量转变：P=PC+Pk+PA=IUC+IUk+IUA 或 P=IUa=I（UC+Uk+UA）（1）电弧的产热机构 电弧的弧柱、阴极区、阳极区产热特性各不相同,1.3 焊接电弧特性,a.阴极区的产热特性能量获得:1.电子从阴极表面发射后,电子流穿过阴极区被阴极压降Uk加速，在单位时间里获得的能量fIUk。f为电子流比率。2.正离子流到达阴极前，被阴极压降Uk加速，单位时间内获得（1-f）IUk。3.正离子在阴极表面与电子复合释放出原来电离时所吸收的能量（1-f）IUi。能量消耗：1.阴极表面发射电子流在单位时间消耗的逸出功fIUw。Uw为逸出电压。2.正离子在阴极表面拉出电子与之复合，单位时间消耗的逸出功（1-f）IUw。3.在阴极区终端，中性粒子电离成电子和正离子时单位时间内消耗的电离能（1-f）IUi。4.从阴极区的终端进入弧柱区的电子流应具有与弧柱区温度相对应的热能，这部分有阴极区提供，其功率为IUT。阴极区单位时间内得到的热能Pk=I（Uk-UW-UT）阴极区得到的能量用于熔化阴极，并有一部分散失在周围气体中。,1.3 焊接电弧特性,b.阳极区的产热特性 由于阳极区向弧柱区输送的正离子流只占总电流的0.1%左右，所以阳极区主要是由电子组成，特别是在阳极表面的电流由100%电子流组成，因此，阳极区只考虑阳极接受电子所产生的能量转换。能量获得：1.电子流穿过阳极区被阳极压降UA加速，单位时间内获得的能量IUA。2.电子流被拉进阳极时，单位时间内释放出的逸出功IUw。3.电子流从弧柱带来的与弧柱温度相对应的热能IUT。单位时间内阳极获得的能量：PA=I（UA+UW+UT）阳极区产热用于加热、熔化作为阳极的母材或焊丝，一部分散失在气体中。,1.3 焊接电弧特性,c.弧柱区产热特性能量获得：1.在弧柱压降Uc下电子和正离子被加速，单位时间内获得的能量IUc。2.从阴极区进入弧柱区的电子流带来99.9%IUT。3.弧柱周边发生的正负粒子复合所释放出来的电离能Wi。能量消耗：1.离开弧柱区进入阳极区的电子流所带走的能量99.9%IUT。2.弧柱中心部位发生的中性粒子电离消耗的电离能，与周边正负粒子复合释放的电离能Wi基本相等。弧柱区为主热源：Pc=IUc 弧柱产生的能量大部分通过对流、辐射和传导散失在周围气体中。只有少部分用来加热焊丝和焊件。,1.3 焊接电弧特性,（2）电弧的温度分布 a.电弧轴向温度分布 两极区低弧柱区高,1.3 焊接电弧特性,b.电弧径向温度分布 中心高四周低，主要是因为越靠外散失越强。,1.3 焊接电弧特性,d.影响电弧温度分布的因素 焊接电流：随I增大，T增大 电极斑点处：T高 弧长：影响温度分布、电弧形态 阳极材料：种类、沸点、导热性、几何尺寸。保护气成分：当气体介质里面还有较低电离能的物质（如碱金属蒸气），虽然能提高稳定性，但是温度有所降低。当含有F时，温度升高。环境条件：冷却条件、气压条件、空间散热,1.3 焊接电弧特性,（3）焊接电弧的热效率 电弧产热的一部分热量会通过对流、传导、辐射等形式散失，所以会存在热效率问题。电弧功率：P=IUa=I(UC+UA+Uk)电弧的有效功率：P=P 热效率，与焊接方法、电弧电压有关。,1.3 焊接电弧特性,常用焊接方法的大致热效率如表：,1.3 焊接电弧特性,1.3.3 焊接电弧的力学特性 电弧力与熔池形态、熔深尺寸、熔滴过渡、焊缝成形等都有密切关系。也是形成不规则焊缝、产生缺陷、造成焊接飞溅的直接原因。电弧力的类型及作用 a.电磁收缩力（电弧静压力）决定熔池轮廓，影响焊缝成形 形成原因：电磁收缩效应,平行导线的电磁力,1.3 焊接电弧特性,圆柱形电弧模型,电弧内的电磁力,液态熔滴中的电磁力收缩效应,1.3 焊接电弧特性,焊接电弧模型,实际圆锥形电弧模型,1.3 焊接电弧特性,b.等离子流力（电弧动压力）决定熔深，影响焊缝形状，促进熔滴过渡，搅拌熔池，增加电弧挺直度。形成原因：等离子气流高速运动产生的气动力。连续不断的等离子气流到达工件表面时形成一种附加的压力，称作等离子流力。,电弧等离子气流的产生,1.3 焊接电弧特性,在MIG焊中，是形成熔滴射流过渡的一项重要原因。在GTAW焊接中，因电弧收缩程度的不同对形成的熔池形状有较大影响。,电弧等离子流力对焊缝的影响,1.3 焊接电弧特性,影响等离子流力的因素：焊接电流：I增加，等离子流力增大；GTAW焊接电极端部形状：减小，等离子流力增加 焊丝直径：电弧截面增大，等离子流力减小；气体介质：例如CO2气体冷却效应下，电弧减小散热而收缩，等离子流力增大。,1.3 焊接电弧特性,c.斑点力 形成原因：斑点上的导热和导电特点。三种力组成：带电粒子对电极的撞击力 由：m正 m电 FCFA电磁收缩力 由：阴极斑点尺寸jA FCFA蒸发反作用力 由：电流密度：jCjA TC TA FCFA,1.3 焊接电弧特性,重要提示：GMAW焊接方法中，由于阳极斑点力通常比阴极斑点力小，焊丝接阳极时，阻止熔滴过渡的作用力小；焊丝接阴极时，阻止熔滴过渡的作用力大。为减少斑点力对熔滴下落的阻碍，有利于熔滴过渡，对于熔化极气保焊多采用直流反极性接法，即工件接负极，焊枪接正极。,1.3 焊接电弧特性,d.爆破力 条件：熔滴短路过渡 导致飞溅的产生 e.熔滴冲击力 条件：射流过渡 对熔池造成冲击,1.3 焊接电弧特性,电弧力的影响因素a.焊接电流和电弧电压（弧长）I增大，电弧力增加 弧长增大，即电弧电压增大，电弧力减小,MIG焊电流与电弧力的关系,MIG焊电弧电压与电弧力的关系,1.3 焊接电弧特性,b.焊丝直径 焊丝越细，电流密度越大，电磁力越大，等离子流力随之增大，总的电弧力增大。c.电极（焊丝）极性 GTAW焊接DCSP接法：钨极接负，允许通过电流大，阴极电弧收缩大，形成大锥度电弧，使电弧力增大；,GTA焊接电弧力与电极极性关系,1.3 焊接电弧特性,熔化极（焊丝）接负：斑点力大，电磁力和等离子流力弱，使电弧力较小；熔化极（焊丝）接正：斑点力小，熔滴小，电磁力和等离子流力大，使电弧力较大。,MIG焊电弧力与电积极性的关系,1.3 焊接电弧特性,d.气体介质 导热性强的气体、多原子或密度大的气体能引起电弧更大收缩，导致电弧力增加。如：CO2、Ar40%+H260%电弧力较大；Ar100%电弧力较弱；Ar5%+He95%更弱。,1.3 焊接电弧特性,e.钨极端部几何形状 端部角度减小，电弧力增大,电弧力与电极端部角度的关系,1.4 焊接电弧的引弧与稳定性,1.4.1 焊接电弧的引燃（1）接触式引弧 接触式引弧三个阶段：短路、分离、燃弧。多见于GMA焊接方法：焊条电弧焊、埋弧焊、气保护焊等。引弧过程：通电送丝接触熔断稳定 优点：简单可靠 缺点：易产生大量飞溅，甚至大面积固体爆断。,1.4 焊接电弧的引弧与稳定性,（2）非接触式引弧 常用于GTA电弧，如TIG焊、PAW焊；使用原因：不允许电极与工件接触；钨极与工件接触带来的影响：钨极被污染、烧损，影响电子发射、稳弧；焊缝夹钨，影响焊缝性能。两种方式：高频高压引弧、高压脉冲引弧；引弧过程：1）激发：强电场作用下，阴极产生场致发射，场致电离；2）燃弧：气隙击穿，电弧引燃，热发射、热电离强烈。,1.4 焊接电弧的引弧与稳定性,焊接电弧稳定性 定义：焊接电弧保持稳定燃烧的程度；特征：挺直性好，不剧烈跳动或爆破、不熄灭、不偏吹、不摇摆。对焊接的影响：使焊接过程不稳定，以致中断；危害焊接质量：形成各种缺陷、成形变差、降低焊缝内在质量。,1.4 焊接电弧的引弧与稳定性,焊接电弧稳定性的影响因素（1）焊接电源 合适的电源外特性与电弧静特性匹配，良好的动特性，合适的空载电压与短路电流，高频率，有利于焊接过程的稳定。（2）焊接电流和电弧电压 焊接电流与电弧电压的合理匹配（3）电流的种类和极性 焊接电流稳定性：直流脉冲直流交流 熔化极弧焊：直流反接直流正接 非熔化极弧焊：直流正接直流反接,1.4 焊接电弧的引弧与稳定性,（4）焊条药皮和焊剂 焊条电弧焊焊条或脉弧焊焊剂含有稳弧元素，电离能较低，能稳定电弧。酸性焊条（K，Na，Ca）碱性焊条（CaF2）。焊条电弧焊时，药皮形成套筒，药皮做工不良，含水量高。（5）气流的影响 露天风力大于5级以上或有穿堂风场所焊接，电弧容易吹偏或摇摆。（6）焊件表面 焊件表面不洁净，锈蚀、油脂、漆类，难易引燃。,1.4 焊接电弧的引弧与稳定性,（7）磁偏吹 定义：由于自身磁场不均匀对称分布而使得电弧偏离电极轴线的现象。表现特征：电弧磁偏吹总是表现为电磁力把电弧从磁力线密集的一侧推向磁力线稀疏的一侧。,电弧磁偏吹的起因,电弧磁偏吹,1.4 焊接电弧的引弧与稳定性,产生情况：地线接线位置引起,地线接线位置引起的磁偏吹,1.4 焊接电弧的引弧与稳定性,铁磁性物体引起（电弧附近）工位引起的磁偏吹（工件端部）平行电弧之间,铁磁性物体引起的磁偏吹,电弧在工件端部引起的磁偏吹,Thank You!,