第5章-焊接電弧課件

單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,Chep.5,焊接電弧,5.1,電弧的物理基礎(chǔ),5.2,電弧的導(dǎo)電機(jī)構(gòu),5.3,電弧的產(chǎn)熱機(jī)構(gòu),5.4,電弧力及影響因素,5.5,交流電弧的特點(diǎn),5.6,磁場(chǎng)對(duì)電弧的影響,1,思考題：,5.1,電弧的物理基礎(chǔ),一、氣體放電,Chep.5,焊接電弧,二、帶電粒子的產(chǎn)生,三、帶電粒子的消失,1,、電離和激勵(lì),2,、外部施加能量途徑,3,、電離的種類(lèi),4,、電子發(fā)射,5,、負(fù)離子的產(chǎn)生,1,、擴(kuò)散,2,、復(fù)合,2,一、氣體放電,金屬導(dǎo)電歐姆定律,帶電粒子的定向移動(dòng),電流,3,氣體放電,當(dāng)氣體中存在帶電粒子，在電場(chǎng)作用下，也會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)電現(xiàn)象，稱(chēng),氣體放電,輝光放電,雷電,電弧放電,4,氣體放電規(guī)律,在較小的電流區(qū)間，氣體導(dǎo)電所需要的帶電粒子不能通過(guò)導(dǎo)電過(guò)程本身產(chǎn)生，而需要外加措施來(lái)造成帶電粒子。,當(dāng)電流大于一定數(shù)值時(shí)，在氣體放電開(kāi)始時(shí)需要外加措施制造帶電粒子，進(jìn)行誘發(fā)，一旦放電開(kāi)始，取消外加誘發(fā)措施，放電過(guò)程仍可以繼續(xù)下去，放電過(guò)程自身能夠產(chǎn)生維持放電所需要的帶電粒子。,非自持放電,5,自持放電,電弧,電弧,是在一定條件下，電荷通過(guò)兩極之間氣體空間的導(dǎo)電過(guò)程。是一種氣體放電現(xiàn)象。,能量轉(zhuǎn)換器,電能,圖,2-2,電弧示意圖,熱能,機(jī)械能,光能,特點(diǎn)：,低電壓,（幾幾十,V,）,大電流,（幾十千,A,）,高溫,（,5000,30000K,）,6,二、帶電粒子的產(chǎn)生,在一定的條件下，中性氣體分子或原子分離成電子和正離子的現(xiàn)象稱(chēng)為,電離,。,1,、電離和激勵(lì),使中性氣體粒子失去第一個(gè)電子所需要的最低外加能量稱(chēng)為,第一電離能。,外加能量,第二電離能,第三電離能,。,電離能以電子伏特來(lái)計(jì)量,7,W,i,=,eU,i,電離電壓,電離能,電離電壓,金屬電離電壓低,分子狀態(tài)可直接電離,電離電壓的高低產(chǎn)生帶電粒子的難易,一次電離電壓低者，二次電離電壓不一定低,混合氣體中，低電離電壓者優(yōu)先電離,常見(jiàn)氣體粒子的電離電壓,Cs 3.9V,H 13.5V,H 13.5V,H,2,15.4V,O 13.5V,O,2,12.2V,Cs,Ca,8,激勵(lì),當(dāng)氣體中性粒子受外來(lái)能量作用其數(shù)量不足以使電子完全脫離氣體原子或分子，而可能使電子從較低的能級(jí)轉(zhuǎn)移到較高的能級(jí)時(shí)，中性粒子的內(nèi)部穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，但對(duì)外仍呈電中性，這種狀態(tài)稱(chēng)為,激勵(lì),。,接受能量電離,輻射回復(fù)穩(wěn)定,碰撞傳遞,使中性粒子激勵(lì)所需的最低外加能量成為最低激勵(lì)能。激勵(lì)能小于電離能，也用電壓值來(lái)表示，稱(chēng)為,激勵(lì)電壓,。,9,激勵(lì)電壓低于電離電壓,2,、外部施加能量途徑,彈性碰撞（非破壞性碰撞）,中性粒子中性粒子,只引起能量再分配，不產(chǎn)生電離,（,1,）碰撞傳遞,非彈性碰撞（破壞性碰撞）,電子中性粒子 產(chǎn)生電離,（,2,）光輻射傳遞,激勵(lì)條件,電離條件,碰撞是傳遞能量的主要途徑,光輻射是能量傳遞的次要途徑,10,3,、電離的種類(lèi),（,1,）熱電離,電離度：,氣體中單位體積內(nèi)被電離的粒子數(shù)與原始?xì)怏w粒子總數(shù)的比值。,（忽略二次電離）,Saha,公式,11,由于熱運(yùn)動(dòng)而引起的碰撞，從而產(chǎn)生電離稱(chēng)為,熱電離,T,P,U,i,x,實(shí)效電離度,如果某氣體中混有其他氣體成分時(shí)，則電離后電子密度與電離前中性粒子密度之比稱(chēng),實(shí)效電離度,。,混合氣體的電離電壓稱(chēng),實(shí)效電離電壓,。,理論與實(shí)踐證明，混合氣體的實(shí)效電離電壓取決于低電離電壓的物質(zhì),例,1,（,Fe,（,7.8V)+K(4.3V),例,2 5000K,1atm,Ca(6.1)+Fe(7.8)+O,2,(12.2)+N,2,(15.5),12,熱解離,由于弧柱溫度高，電弧中多原子氣體，由于熱的作用，將分解為原子，稱(chēng),熱解離,。,產(chǎn)生熱解離所需要的最低能量稱(chēng),解離能,。,熱解離不但影響帶電粒子的產(chǎn)生過(guò)程，還對(duì)電弧的電性能和熱性能產(chǎn)生影響,。,13,電弧電離度,14,一般維持電弧，電子密度為,10,14,cm,-3,，即實(shí)效電離度為,10,-4,數(shù)量級(jí)（萬(wàn)分之一中性粒子電離）。,常規(guī)電弧，電離度,0.1×10,-3,0.12×10,-2,數(shù)量級(jí)。,強(qiáng)冷電弧或大電流，電離度,10,-1,1,數(shù)量級(jí),。,由于弧柱溫度在,5000,3000K,所以熱電離是弧柱部分產(chǎn)生帶電粒子的最主要途徑。,等離子體,(2),電場(chǎng)電離,當(dāng)帶電粒子的動(dòng)能在電場(chǎng)的影響下，增加到足夠高的程度，則可能與中性粒子產(chǎn)生非彈性碰撞而使之電離，稱(chēng),電場(chǎng)作用下的電離。,中性粒子、離子、電子自由行程之比：,弧柱區(qū),E=10V/cm,熱電離為主,兩極區(qū),E=10,5,10,7,V/cm,電場(chǎng)電離為主,15,帶電粒子從電場(chǎng)中獲得能量：,電子 中性粒子,產(chǎn)生電離,(3),光電離,中性粒子接受光輻射的作用而產(chǎn)生電離的現(xiàn)象稱(chēng)為,光電離,。,可見(jiàn)光波長(zhǎng)為,400,700nm,，不會(huì)產(chǎn)生光電離,電弧光波長(zhǎng)為,170,500nm,，部分可引起,K,、,Na,等的電離,光電離是電弧中產(chǎn)生帶電粒子的次要途徑。,16,4,、電子發(fā)射,電極表面受到外加能量的作用，使其內(nèi)部的電子沖破電極表面的束縛而飛到電弧空間的現(xiàn)象稱(chēng)為,電子發(fā)射,。,使一個(gè)電子從金屬表面飛出所需要的最低外加能量稱(chēng)為,逸出功,（,Ww,）,逸出電壓,Uw,=,Ww,/,e,（,V,）,17,金屬表面有氧化膜時(shí)，其逸出功降低。,鎢合金比純鎢逸出功低,。,(1),熱發(fā)射,電子發(fā)射,熱發(fā)射,電場(chǎng)發(fā)射,粒子碰撞發(fā)射,光發(fā)射,金屬表面承受熱作用而產(chǎn)生電子發(fā)射現(xiàn)象稱(chēng),熱發(fā)射,。,18,當(dāng)一個(gè)電子從金屬表面飛出，從電極上帶走能量,eU,w,對(duì)金屬表面產(chǎn)生冷氣作用。帶走總能量為,IU,w,。,*,1.,熱發(fā)射與材料表面狀態(tài)有關(guān)（,A,）,*,2.,材料,U,w,熱發(fā)射,*,3.,材料,T,熱發(fā)射,鎢,(5950K),碳,(4200K),熱陰極,鋼,(3008K),銅,(2868K),鋁,(2770K),鎂,(1375K),冷陰極,(2),電場(chǎng)發(fā)射,當(dāng)金屬表面存在一定強(qiáng)度的正電場(chǎng)時(shí)，金屬內(nèi)的電子承受此電場(chǎng)靜電庫(kù)侖力的作用，當(dāng)此力達(dá)到一定程度時(shí)，電子飛出金屬表面，這種現(xiàn)象稱(chēng),電場(chǎng)發(fā)射,。,正電場(chǎng)的存在，相當(dāng)于降低了材料的逸出功。,對(duì)電極的冷卻比熱發(fā)射弱。,19,冷陰極時(shí)，,E,可達(dá),10,5,10,7,V/cm,具備電場(chǎng)發(fā)射條件。,(3),光發(fā)射,當(dāng)金屬表面接受光輻射時(shí)，金屬表面自由電子能量增加而沖破金屬表面的約束飛到金屬外面來(lái)，稱(chēng),光發(fā)射,。,只能對(duì),K,、,Na,等逸出功較低的金屬產(chǎn)生光發(fā)射，居次要位置。,光發(fā)射時(shí)，電子接受能量帶走能量，不產(chǎn)生冷卻作用。,(4),粒子碰撞發(fā)射,20,高速運(yùn)動(dòng)的粒子碰撞金屬表面時(shí)，將能量傳遞給金屬表面的電子，使其能量增加而跑出金屬表面，稱(chēng),光粒子碰撞發(fā)射,。,正離子碰撞陰極表面,粒子動(dòng)能,中和釋放能,（電離能）,一個(gè)與正粒子結(jié)合,一個(gè)發(fā)射,5,、負(fù)離子的產(chǎn)生,在一定條件下，有些中性原子或分子能吸附一個(gè)電子而形成負(fù)離子,。,中性粒子吸附電子形成負(fù)性粒子，其內(nèi)部能量減少，減少的能量稱(chēng),電子親和能,。,負(fù)離子的形成，導(dǎo)致電弧穩(wěn)定性下降。,21,負(fù)離子不易形成,(,電子高速運(yùn)動(dòng),),。,堿性焊條,(E5015),，因含有,F,（螢石,CaF,2,），消電子，工藝性差。,三、帶電粒子的消失,1,、擴(kuò)散,帶電粒子和一般氣體的分子和原子一樣，如果分布密度不同，則帶電粒子將從密度高的地方向密度低的地方移動(dòng)，而趨于密度均勻，稱(chēng),擴(kuò)散,。,電弧中心區(qū)，溫度高，電子速度高，難易復(fù)合。,電弧周邊，溫度低，有一定的復(fù)合。,交流電弧過(guò)零時(shí)，溫度急劇降低，復(fù)合上升。,22,2,、復(fù)合,電弧空間的正、負(fù)帶電粒子,(,正離子、負(fù)離子、電子,),，在一定條件相遇而互相結(jié)合成中性粒子的過(guò)程，稱(chēng),復(fù)合,。,電子向電弧周邊擴(kuò)散速度快。,電子吸引正離子向周邊擴(kuò)散。,5.2,電弧的導(dǎo)電機(jī)構(gòu),一、電弧各區(qū)域?qū)щ姍C(jī)構(gòu),1,、電弧的組成區(qū)域,2,、弧柱區(qū)的導(dǎo)電機(jī)構(gòu),3,、陰極區(qū)的導(dǎo)電機(jī)構(gòu),4,、陽(yáng)極區(qū)的導(dǎo)電機(jī)構(gòu),5,、陰極斑點(diǎn)和陽(yáng)極斑點(diǎn),二、最小電壓原理,三、電弧靜特性,1,、電弧靜特性的形狀,2,、影響電弧靜特性的因素,23,一、電弧各區(qū)域?qū)щ姍C(jī)構(gòu),1,、電弧的組成區(qū)域,陰極區(qū) 陰極壓降,U,K,陽(yáng)極區(qū) 陽(yáng)極壓降,U,A,弧柱區(qū) 弧柱壓降,U,C,電弧電壓,U,a,24,U,a,U,K,U,A,U,C,陰極、陽(yáng)極區(qū)在弧長(zhǎng)方向長(zhǎng)度：,10,-4,10,-6,cm.,2,、弧柱區(qū)的導(dǎo)電機(jī)構(gòu),*,1.,溫度高，,5000,50000K,，以熱電離為主。,*,2.,帶電粒子在電場(chǎng)作用下，定向運(yùn)動(dòng)。,25,正離子,電子,陰極,陽(yáng)極,*,3.,通過(guò)弧柱區(qū)的總電流由正離子流和電子流組成,(,負(fù)離子流忽略,),。由于電子質(zhì)量小，運(yùn)動(dòng)速度快，電子流占,99.9%.,100%,99.9%,0.1%,*,4.,單位體積內(nèi)，正負(fù)帶電粒子數(shù)相同，弧柱呈中性。,電子流與離子流通過(guò)弧柱空間時(shí)，不受空間電荷電場(chǎng)的排斥作用，從而決定了電弧放電具有,大電流、低電壓,的特點(diǎn)。,26,*,5.,弧柱中電場(chǎng)強(qiáng)度與電流的關(guān)系。,小電流區(qū)間,大電流區(qū)間,*,6.,弧柱中的電場(chǎng)強(qiáng)度與氣體種類(lèi)有很大關(guān)系。,圖,2-5,弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度與氣體種類(lèi)和電流的關(guān)系,3,、陰極區(qū)的導(dǎo)電機(jī)構(gòu),陰極區(qū)的任務(wù),i,e,:,i,i,=99.9:0.1,1),熱發(fā)射型,*,1 W,、,C,等高熔點(diǎn)材料做陰極。,向弧柱區(qū)提供電子流,i,e,接受弧柱區(qū)的正離子流,i,i,27,*,6,陰極能量補(bǔ)充途徑：,*,2,大電流區(qū)間。,a.,接受,0.1%,I,正離子流，動(dòng)能轉(zhuǎn)熱能,b.,正離子與電子中和，釋放電離能,c.,陰極處產(chǎn)生電阻熱,I,2,R,*,3,電子流全部靠熱發(fā)射。,*,4,陰極區(qū)性質(zhì)同弧柱區(qū)，無(wú)陰極壓降，對(duì)外呈中性。,*,5,熱發(fā)射使陰極得到強(qiáng)烈冷卻，帶走能量為,IU,W,。,*,7,大電流鎢極氬弧焊即為此情況。,2),、電場(chǎng)發(fā)射型,*,1,、陰極材料為高熔點(diǎn)材料但電流小，或低熔點(diǎn)材料。,28,*,2,、熱發(fā)射不足，陰極區(qū)電平衡打破，正電荷堆積。,*,3,、陰極區(qū)呈正電性，陰極壓降,U,K,。,*,4,、電子在電場(chǎng)的幫助下，產(chǎn)生電離。,*,5,、陰極區(qū)長(zhǎng),10,-6,10,-4,cm,，,U,K,10V,E,=10,5,10,7,V/cm,足以產(chǎn)生電場(chǎng)電離,4,、陽(yáng)極區(qū)的導(dǎo)電機(jī)構(gòu),接受電子流很容易，電子到達(dá)陰極，釋放逸出功,U,W,。,29,陰極區(qū)的任務(wù),向弧柱區(qū)提供流正離子,i,i,接受弧柱區(qū)的電子流,i,e,1,）熱電離型,*,1,大電流區(qū)間。,*,2,陽(yáng)極溫度高，金屬蒸發(fā)。,*,3,金屬蒸汽直接熱電離。,*,4,陽(yáng)極壓降很小，陽(yáng)極區(qū)呈中性。,2),電場(chǎng)電離型,*,1,小電流區(qū)間。,30,一般電弧焊，當(dāng)電流達(dá)到一定程度，陽(yáng)極區(qū)熱電離占相當(dāng)大比例，其陽(yáng)極壓降都比較小。,*,2,電子在陽(yáng)極區(qū)堆積，形成,U,A,。,*,3,電子受,U,A,加速,*,4,當(dāng),U,A,>,U,i,時(shí)，電子碰撞中性粒子產(chǎn)生電離。,5,、陰極斑點(diǎn)和陽(yáng)極斑點(diǎn),當(dāng)陰極材料熔點(diǎn)較低，沸點(diǎn)也較低，并導(dǎo)熱性能很強(qiáng)時(shí)，如,Fe,、,Al,、,Cu,，即使陰極溫度達(dá)到材料的沸點(diǎn)，也不足以產(chǎn)生熱發(fā)射，陰極將進(jìn)一步縮小其導(dǎo)電面積，在陰極區(qū)前形成密度很大的正離子空間，產(chǎn)生很大的陰極壓降，產(chǎn)生較強(qiáng)的電場(chǎng)發(fā)射，以補(bǔ)充熱發(fā)射的不足，以維持電弧的燃燒，這種面積很小，電流密度很大的導(dǎo)電斑點(diǎn)稱(chēng),陰極斑點(diǎn),。,1,）陰極斑點(diǎn),特點(diǎn)：,*,1,陰極斑點(diǎn)面積小，溫度高，電流密度大，,j,=5×10,5,10,7,A/cm,2,31,*,2,陰極受大量正離子沖擊，金屬蒸發(fā)，對(duì)陰極形成壓力，,斑點(diǎn)壓力,對(duì)熔滴過(guò)渡起阻礙作用（焊條為陰極時(shí)）。,特點(diǎn)：,32,*,3,具有粘著特性。,*,5,金屬氧化物逸出功低，陰極斑點(diǎn)自動(dòng)尋找氧化膜。,*,6,陰極材料為,Fe,、,Al,、,Cu,，或,W,、,C,小電流時(shí)。,*,7,電弧不穩(wěn)定。,*,4,具有跳躍特性。,陰極斑點(diǎn)具有去除氧化膜作用。,2,）陽(yáng)極斑點(diǎn),當(dāng),Fe,、,Al,、,Cu,等作陽(yáng)極時(shí)，由于熔點(diǎn)低，陽(yáng)極表面有熔化及蒸發(fā)現(xiàn)象，在金屬蒸汽大量存在的地方更容易形成熱電離，電流更容易從此處進(jìn)入，導(dǎo)電區(qū)在此處集中，稱(chēng),陽(yáng)極斑點(diǎn),。,特點(diǎn)：,33,*,1,電流密度小，,j,=10,2,10,3,A/cm,2,，陽(yáng)極斑點(diǎn)力小。,*,2,存在金屬蒸發(fā)。,*,3,具有粘著特性和跳躍特性。,*,4,若有氧化膜，斑點(diǎn)自動(dòng)尋找純金屬。,Al,熔點(diǎn),658,Al,2,O,3,2050,熔化焊，一般為直流反接,直流正接工件接正（,DCSP,）,DC,straight,polarity,直流反接工件接負(fù)（,DCRP,）,DC,reversed polarity,二、最小電壓原理,34,自由電弧為一氣體導(dǎo)電體，其斷面可以自由收縮。,在給定電流和周?chē)鷹l件一定的情況下，電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)，其導(dǎo)電區(qū)的，應(yīng)使電弧電場(chǎng)強(qiáng)度具有最小的數(shù)值。即電弧具有保持最小能量消耗的特性。,假設(shè)在一定條件下，電弧確定一導(dǎo)電面積,增加電弧與周?chē)佑|增加散熱增加要求產(chǎn)熱增加,IE,增加,E,減小,j,增加,E,不符合最小電壓原理,三、電弧靜特性,1,、電弧靜特性的形狀,電弧靜特性,：,電弧燃燒時(shí)，兩極間穩(wěn)定的電壓和電流的關(guān)系曲線,。,A,段 負(fù)特性,B,段 平特性,C,段 正特性,35,電弧動(dòng)特性,：,電弧燃燒時(shí)，兩極間變化狀態(tài)的電壓和電流的關(guān)系曲線,。,解釋?zhuān)?A,段 負(fù)特性,(,焊接中較少采用）,B,段 平特性,(,小,I,的,TIG,）,36,左右平衡，在一段電流范圍內(nèi)，呈平特性,C,段 正特性,(CO,2,焊、,MIG,焊）,2,、影響電弧靜特性因素,（,1,）電弧長(zhǎng)度,37,（,2,）周?chē)鷼怏w介質(zhì)壓力,（,3,）周?chē)鷼怏w種類(lèi),氣體的導(dǎo)熱系數(shù)（主要因素）,氣體的電離能 （次要因素）,U,i,Ar,15.7V,H,2,15.4V,He 24.5V,(4),電極種類(lèi),38,熱陰極,U,K,幾乎為,0,冷陰極,U,K,很大,5.3,電弧的產(chǎn)熱機(jī)構(gòu),一、弧柱的產(chǎn)熱,二、陰極區(qū)的產(chǎn)熱,三、陽(yáng)極區(qū)的產(chǎn)熱,四、電弧的熱效率,五、電弧的溫度分布,39,一、弧柱區(qū)的產(chǎn)熱,單位長(zhǎng)度外加能量為,IE,，即弧柱的產(chǎn)熱，與散熱相平衡。,40,對(duì)流,>80%,傳導(dǎo),輻射,IE,10%,一般電弧，只有很少一部分能量傳遞給工件或焊條。,大電流有等離子流時(shí)，部分熱量帶到工件。,二、陰極區(qū)的產(chǎn)熱,陰極區(qū)長(zhǎng)度,10-,4,10-,6,cm,相當(dāng)于電子的自由行程，不發(fā)生碰撞。,設(shè),41,則,KK,面：, 電子發(fā)射帶走能量,fIU,W,正離子受,U,K,加速,(1-f)IU,K,+,正離子取一電子中和,(1-f)IU,W, 中和釋放電離能,(1-f)IU,i,KK,面能量：,CC,面：,42, 電子受,U,K,加速,fIU,K,電子帶到弧柱區(qū)能量,fIU,T, 正離子在,CC,面熱電離產(chǎn)生,(1-f)IU,i, 電離后電子帶走能量,(1-f)IU,iT,U,T,弧柱溫度等效電壓,CC,面能量：,則,三、陽(yáng)極區(qū)的產(chǎn)熱,簡(jiǎn)化推導(dǎo),：（忽略正離子流）,43, 電子受,U,K,加速,IU,K,電子帶到弧柱區(qū)能量,IU,T, 電子逸出,IU,W,電子弧柱區(qū)帶能量,IU,T,電子受,U,A,加速,IU,A, 電子釋放逸出功,IU,W,兩極區(qū)熱量用途：,加熱工件或焊絲,散失,四、電弧的熱效率,電弧總功率：,電弧有效功率：,44,為電弧熱效率系數(shù)，與焊接方法、焊接規(guī)范、周?chē)鷹l件有關(guān)。,單位有效面積上的熱功率稱(chēng)為能量密度,。表示。以,W/cm,2,。,方法,能量密度,W/cm,2,電弧,10,2,10,4,氣焊火焰,110,電子束,10,6,10,7,弧焊方法,SMAW,0.650.85,SAW,0800.90,CO,2,焊,0.750.90,MIG,0700.80,TIG,0.650.70,五、電弧的溫度分布,45,電弧各部分的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)決定了各部分電流密度與溫度、能量的分布。,能量密度與電流密度相對(duì)應(yīng)。,溫度分布與電流密度不相對(duì)應(yīng)。,兩極受電極熔點(diǎn)限制。,弧柱耗能少。,Cu,W,電弧,炭弧,電弧空間的溫度受多種因素影響：,46, 電弧中存在金屬蒸汽，如,Ar,弧中有電極金屬蒸發(fā)、手弧焊焊條中添加,K,、,Na,等穩(wěn)弧劑時(shí)，電弧溫度下降。, 電流增大，弧柱溫度升高。, 電弧周?chē)懈咚贇饬?，電弧被冷卻，溫度升高。, 多原子氣體，如,CO,2,等熱解離吸熱，電弧溫度也升高。,5.4,電弧力及影響因素,47,二、電弧力的影響因素,一、焊接電弧作用力,1,、電磁收縮力,2,、等離子流力,3,、斑點(diǎn)力,4,、爆破力,5,、細(xì)熔滴的沖擊力,1,、氣體介質(zhì),2,、電流、電壓,3,、焊絲直徑,4,、電流極性,5,、電極形狀,6,、電流的脈動(dòng),一、焊接電弧作用力,1,、電磁收縮力,電工知識(shí)：,同向相吸,異向相斥,48,當(dāng)電流在一個(gè)導(dǎo)體中流過(guò)時(shí)，整個(gè)電流可以看作是由許多平行的電流線組成，這些電流線間將產(chǎn)生相互吸引力，使導(dǎo)體斷面有收縮的傾向。若導(dǎo)體是可以自由變形的氣態(tài)，導(dǎo)體將產(chǎn)生收縮。這種現(xiàn)象稱(chēng)為,電磁收縮效應(yīng),，,由此而產(chǎn)生的力稱(chēng),電磁收縮力。,導(dǎo)體任意半徑,r,處的壓力為：,導(dǎo)體中心徑向壓力：,在流體中各方向的壓力相同，則軸向的合力為：,49,*,1.,電磁收縮力與導(dǎo)電面積無(wú)關(guān)。,*,2.,此作用力同時(shí)作用于工件和焊條,。,實(shí)際電弧常為圓錐體：,斷面直徑不同，產(chǎn)生壓力差。,50,方向：焊條,工件,電磁收縮力的作用：,*,1,熔滴過(guò)渡,（在此力作用下，熔滴克服焊條表面張力向母材過(guò)渡）,*,2,熔池輪廓,（熔池下凹）,力大,2,、等離子流力,電弧收縮力引起推力，將使靠近焊條端部氣體沖向工件，新補(bǔ)充的氣體經(jīng)加熱電離后在推力的作用下亦沖向工件。由于這種高溫氣流所形成的力稱(chēng),等離子流力,。,又稱(chēng),電弧動(dòng)壓力,。,51,等離子流速度的徑向分布,等離子流形成的焊縫,3,、斑點(diǎn)力,斑點(diǎn)力阻礙熔滴的過(guò)渡，其由幾部分組成：, 帶電粒子的撞擊力,52,陰極 正離子撞擊 質(zhì)量大,U,K,高 斑點(diǎn)力大,陽(yáng)極 電子撞擊 質(zhì)量小,U,A,低 斑點(diǎn)力小, 電磁收縮力,陰極斑點(diǎn)力,>,陽(yáng)極斑點(diǎn)力, 電極材料蒸發(fā)的反作用力,斑點(diǎn)溫度高，局部金屬蒸發(fā)，反作用力。,4,、爆破力,CO2,短路過(guò)渡時(shí)：, 電弧短路，電流急劇增大，若金屬液柱內(nèi)有氣體，急劇膨脹爆炸。,53, 電弧重燃，電弧對(duì)熔池金屬?zèng)_擊力。,5,、細(xì)熔滴的沖擊力,富,Ar,氣保護(hù)焊射流過(guò)渡時(shí)，熔滴很細(xì)小（幾十,mg,），速度很高（幾百米,/,秒），沖擊力很大，易形成指狀熔深。,二、電弧力的影響因素,1,、氣體介質(zhì),54,電弧力,導(dǎo)熱性氣體,氣體流量,氣體壓力,2,、電流、電壓,電流,電磁收縮力,等離子流力,電壓,電弧力,3,、焊絲（焊條）直徑,4,、電流極性,TIG,焊，,DCSP,，電弧力大。,55,焊絲直徑,電流密度,j,電弧力,MIG,焊，,DCSP,，斑點(diǎn)力大，熔滴過(guò)渡阻力大，電磁力和等離子流力小。,5,、電極形狀,56,鎢極錐角,電流密度,利于補(bǔ)充氣體,電磁收縮力,等離子流力,6,、電流的脈動(dòng),TIG,焊電弧力,DCRP,AC,DCSP,PC,TIG,頻率,f,電弧力,5.5,交流電的特點(diǎn),一、交流電弧的燃燒過(guò)程,*,1,、再燃電弧的難易與電弧空間殘余電離度、電極熱發(fā)射能力及電壓上升速度有關(guān)。,*,2,、電弧空間及電極尚處于高溫狀態(tài)，再燃電壓比冷態(tài)的引弧電壓低得多,。,57,交流電弧,50Hz,電弧電流過(guò)零時(shí)電弧熄滅，下半周重燃。,重新引燃電弧所需要的電壓稱(chēng),再燃電壓,。,1,、純阻性回路,*,1,、電弧熄滅時(shí)間,t,e,，電弧不穩(wěn)。,*,2,、若氣體介質(zhì)導(dǎo)熱性好，且電極為冷陰極材料，再燃電壓很高，焊接過(guò)程不能進(jìn)行。,2,、感性回路,*,1,、焊接回路中有足夠的電感。,*,2,、電弧電壓與電源有相位差別。,*,3,、電感具有續(xù)流作用。,*,4,、電感提高了電弧的穩(wěn)定性。,二、交流電弧產(chǎn)熱及電弧力特點(diǎn),58,*,1,、電流、電壓波形畸變，電弧功率需修正。,*,2,、電弧產(chǎn)熱介于,DCRP,與,DCSP,之間。,*,3,、電弧力介于,DCRP,與,DCSP,之間。,*,4,、交流電弧擾動(dòng)，易卷入空氣，焊接質(zhì)量不如直流。,一、電弧自身磁場(chǎng)的作用,1,、,電弧剛直性,電弧作為一個(gè)柔軟導(dǎo)體抵抗外界機(jī)械干擾，力求保持沿焊條軸向流動(dòng)的性能,。,59,載電導(dǎo)體產(chǎn)生磁場(chǎng),有利：電弧收縮力，電弧剛性。,不利：電弧磁偏吹，電弧不穩(wěn)。,*,1,、電流,*,2,、冷卻,剛直性,5.6,磁場(chǎng)對(duì)電弧的影響,2,、電弧磁偏吹,由于某種原因，電弧自身磁場(chǎng)的磁力線分布的均勻性受到破壞，則這種磁場(chǎng)反而要促使電弧偏離焊條軸線方向，這種現(xiàn)象稱(chēng),電弧磁偏吹,。,（,1,）導(dǎo)線位置,60,（,2,）鐵磁體,方向：磁力線密的一側(cè)推向磁力線疏一側(cè)。,（,3,）平行電弧,（,4,）交流電弧,交流磁偏吹是脈動(dòng)的，比直流顯著下降。,61,消除和減小磁偏吹的方法：,AC,代,DC,短弧焊接,多處接地線,工件無(wú)剩磁,厚藥皮焊條,避免鐵磁體影響,二、外加磁場(chǎng)對(duì)電弧的影響：,1,、外加橫向交變磁場(chǎng),電弧加熱區(qū)加寬，用于堆焊。,62,2,、外加縱向磁場(chǎng),限制電弧擴(kuò)散，增加熔深。,Chep.5,焊接電弧思考題,1,、名詞：,電弧、自持放電、電離、激勵(lì)、電離度、實(shí)效電離度、熱解離、電子發(fā)射、逸出功、熱陰極、冷陰極、電子親和能、擴(kuò)散、復(fù)合、陰極斑點(diǎn)、陽(yáng)極斑點(diǎn)、最小電壓原理、電弧靜特性、再燃電壓、電弧剛直性、電弧磁偏吹,63,2,、電弧帶電粒子的產(chǎn)生有那些方式？,3,、電弧各區(qū)域的導(dǎo)電機(jī)理是什么？,4,、焊接電弧為什么具有低電壓、大電流的特點(diǎn)？,5,、為什么陰極斑點(diǎn)選擇氧化膜、陽(yáng)極斑點(diǎn)選擇純金屬？,6,、為什么陰極斑點(diǎn)的粘著特性和跳躍特性 是統(tǒng)一的？,7,、影響電弧靜特性有哪些因素？,8,、交流電弧回路中為什么要有一段的電感？,9,、減小電弧磁偏吹的措施有哪些？,END,