第5章-焊接电弧.ppt

Chep 5焊接电弧 5 1电弧的物理基础5 2电弧的导电机构5 3电弧的产热机构5 4电弧力及影响因素5 5交流电弧的特点5 6磁场对电弧的影响 1 思考题 5 1电弧的物理基础 一 气体放电 Chep 5焊接电弧 二 带电粒子的产生 三 带电粒子的消失 1 电离和激励2 外部施加能量途径3 电离的种类4 电子发射5 负离子的产生 1 扩散2 复合 2 一 气体放电 金属导电 欧姆定律 带电粒子的定向移动 电流 3 气体放电 当气体中存在带电粒子 在电场作用下 也会产生导电现象 称气体放电 辉光放电 雷电 电弧放电 4 气体放电规律 在较小的电流区间 气体导电所需要的带电粒子不能通过导电过程本身产生 而需要外加措施来造成带电粒子 当电流大于一定数值时 在气体放电开始时需要外加措施制造带电粒子 进行诱发 一旦放电开始 取消外加诱发措施 放电过程仍可以继续下去 放电过程自身能够产生维持放电所需要的带电粒子 非自持放电 5 自持放电 电弧 电弧是在一定条件下 电荷通过两极之间气体空间的导电过程 是一种气体放电现象 能量转换器 电能 图2 2电弧示意图 热能机械能光能 特点 低电压 几 几十V 大电流 几十 千A 高温 5000 30000K 6 二 带电粒子的产生 在一定的条件下 中性气体分子或原子分离成电子和正离子的现象称为电离 1 电离和激励 使中性气体粒子失去第一个电子所需要的最低外加能量称为第一电离能 外加能量 第二电离能第三电离能 电离能以电子伏特来计量 7 Wi eUi 电离电压 电离能 电离电压 金属电离电压低分子状态可直接电离电离电压的高低 产生带电粒子的难易一次电离电压低者 二次电离电压不一定低混合气体中 低电离电压者优先电离 常见气体粒子的电离电压 Cs3 9VH13 5V H13 5VH215 4V O13 5VO212 2V CsCa 8 激励 当气体中性粒子受外来能量作用其数量不足以使电子完全脱离气体原子或分子 而可能使电子从较低的能级转移到较高的能级时 中性粒子的内部稳定状态被破坏 但对外仍呈电中性 这种状态称为激励 接受能量 电离辐射 回复稳定碰撞 传递 使中性粒子激励所需的最低外加能量成为最低激励能 激励能小于电离能 也用电压值来表示 称为激励电压 9 激励电压低于电离电压 2 外部施加能量途径 弹性碰撞 非破坏性碰撞 中性粒子 中性粒子只引起能量再分配 不产生电离 1 碰撞传递 非弹性碰撞 破坏性碰撞 电子 中性粒子产生电离 2 光辐射传递 激励条件 电离条件 碰撞是传递能量的主要途径光辐射是能量传递的次要途径 10 3 电离的种类 1 热电离 电离度 气体中单位体积内被电离的粒子数与原始气体粒子总数的比值 忽略二次电离 Saha公式 11 由于热运动而引起的碰撞 从而产生电离称为热电离 实效电离度 如果某气体中混有其他气体成分时 则电离后电子密度与电离前中性粒子密度之比称实效电离度 混合气体的电离电压称实效电离电压 理论与实践证明 混合气体的实效电离电压取决于低电离电压的物质 例1 Fe 7 8V K 4 3V 例25000K 1atmCa 6 1 Fe 7 8 O2 12 2 N2 15 5 12 热解离 由于弧柱温度高 电弧中多原子气体 由于热的作用 将分解为原子 称热解离 产生热解离所需要的最低能量称解离能 热解离不但影响带电粒子的产生过程 还对电弧的电性能和热性能产生影响 13 电弧电离度 14 一般维持电弧 电子密度为1014cm 3 即实效电离度为10 4数量级 万分之一中性粒子电离 常规电弧 电离度0 1 10 3 0 12 10 2数量级 强冷电弧或大电流 电离度10 1 1数量级 由于弧柱温度在5000 3000K 所以热电离是弧柱部分产生带电粒子的最主要途径 等离子体 2 电场电离 当带电粒子的动能在电场的影响下 增加到足够高的程度 则可能与中性粒子产生非弹性碰撞而使之电离 称电场作用下的电离 中性粒子 离子 电子自由行程之比 弧柱区E 10V cm热电离为主两极区E 105 107V cm电场电离为主 15 带电粒子从电场中获得能量 电子中性粒子产生电离 3 光电离 中性粒子接受光辐射的作用而产生电离的现象称为光电离 可见光波长为400 700nm 不会产生光电离电弧光波长为170 500nm 部分可引起K Na等的电离 光电离是电弧中产生带电粒子的次要途径 16 4 电子发射 电极表面受到外加能量的作用 使其内部的电子冲破电极表面的束缚而飞到电弧空间的现象称为电子发射 使一个电子从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 Ww e V 17 金属表面有氧化膜时 其逸出功降低 钨合金比纯钨逸出功低 1 热发射 电子发射 热发射电场发射粒子碰撞发射光发射 金属表面承受热作用而产生电子发射现象称热发射 18 当一个电子从金属表面飞出 从电极上带走能量eUw 对金属表面产生冷气作用 带走总能量为IUw 1 热发射与材料表面状态有关 A 2 材料Uw 热发射 3 材料T 热发射 钨 5950K 碳 4200K 热阴极钢 3008K 铜 2868K 铝 2770K 镁 1375K 冷阴极 2 电场发射 当金属表面存在一定强度的正电场时 金属内的电子承受此电场静电库仑力的作用 当此力达到一定程度时 电子飞出金属表面 这种现象称电场发射 正电场的存在 相当于降低了材料的逸出功 对电极的冷却比热发射弱 19 冷阴极时 E可达105 107V cm 具备电场发射条件 3 光发射 当金属表面接受光辐射时 金属表面自由电子能量增加而冲破金属表面的约束飞到金属外面来 称光发射 只能对K Na等逸出功较低的金属产生光发射 居次要位置 光发射时 电子接受能量 带走能量 不产生冷却作用 4 粒子碰撞发射 20 高速运动的粒子碰撞金属表面时 将能量传递给金属表面的电子 使其能量增加而跑出金属表面 称光粒子碰撞发射 正离子碰撞阴极表面 粒子动能 中和释放能 电离能 一个与正粒子结合一个发射 5 负离子的产生 在一定条件下 有些中性原子或分子能吸附一个电子而形成负离子 中性粒子吸附电子形成负性粒子 其内部能量减少 减少的能量称电子亲和能 负离子的形成 导致电弧稳定性下降 21 负离子不易形成 电子高速运动 碱性焊条 E5015 因含有F 萤石CaF2 消电子 工艺性差 三 带电粒子的消失 1 扩散 带电粒子和一般气体的分子和原子一样 如果分布密度不同 则带电粒子将从密度高的地方向密度低的地方移动 而趋于密度均匀 称扩散 电弧中心区 温度高 电子速度高 难易复合 电弧周边 温度低 有一定的复合 交流电弧过零时 温度急剧降低 复合上升 22 2 复合 电弧空间的正 负带电粒子 正离子 负离子 电子 在一定条件相遇而互相结合成中性粒子的过程 称复合 电子向电弧周边扩散速度快 电子吸引正离子向周边扩散 5 2电弧的导电机构 一 电弧各区域导电机构 1 电弧的组成区域2 弧柱区的导电机构3 阴极区的导电机构4 阳极区的导电机构5 阴极斑点和阳极斑点 二 最小电压原理 三 电弧静特性 1 电弧静特性的形状2 影响电弧静特性的因素 23 一 电弧各区域导电机构 1 电弧的组成区域 阴极区阴极压降UK阳极区阳极压降UA弧柱区弧柱压降UC 电弧电压Ua 24 Ua UK UA UC 阴极 阳极区在弧长方向长度 10 4 10 6cm 2 弧柱区的导电机构 1 温度高 5000 50000K 以热电离为主 2 带电粒子在电场作用下 定向运动 25 3 通过弧柱区的总电流由正离子流和电子流组成 负离子流忽略 由于电子质量小 运动速度快 电子流占99 9 4 单位体积内 正负带电粒子数相同 弧柱呈中性 电子流与离子流通过弧柱空间时 不受空间电荷电场的排斥作用 从而决定了电弧放电具有大电流 低电压的特点 26 5 弧柱中电场强度与电流的关系 小电流区间大电流区间 6 弧柱中的电场强度与气体种类有很大关系 图2 5弧柱电场强度与气体种类和电流的关系 3 阴极区的导电机构 阴极区的任务 ie ii 99 9 0 1 1 热发射型 1W C等高熔点材料做阴极 27 6阴极能量补充途径 2大电流区间 a 接受0 1 I正离子流 动能转热能b 正离子与电子中和 释放电离能c 阴极处产生电阻热I2R 3电子流全部靠热发射 4阴极区性质同弧柱区 无阴极压降 对外呈中性 5热发射使阴极得到强烈冷却 带走能量为IUW 7大电流钨极氩弧焊即为此情况 2 电场发射型 1 阴极材料为高熔点材料但电流小 或低熔点材料 28 2 热发射不足 阴极区电平衡打破 正电荷堆积 3 阴极区呈正电性 阴极压降UK 4 电子在电场的帮助下 产生电离 5 阴极区长10 6 10 4cm UK 10VE 105 107V cm足以产生电场电离 4 阳极区的导电机构 接受电子流很容易 电子到达阴极 释放逸出功UW 29 阴极区的任务 1 热电离型 1大电流区间 2阳极温度高 金属蒸发 3金属蒸汽直接热电离 4阳极压降很小 阳极区呈中性 2 电场电离型 1小电流区间 30 一般电弧焊 当电流达到一定程度 阳极区热电离占相当大比例 其阳极压降都比较小 2电子在阳极区堆积 形成UA 3电子受UA加速 4当UA Ui时 电子碰撞中性粒子产生电离 5 阴极斑点和阳极斑点 当阴极材料熔点较低 沸点也较低 并导热性能很强时 如Fe Al Cu 即使阴极温度达到材料的沸点 也不足以产生热发射 阴极将进一步缩小其导电面积 在阴极区前形成密度很大的正离子空间 产生很大的阴极压降 产生较强的电场发射 以补充热发射的不足 以维持电弧的燃烧 这种面积很小 电流密度很大的导电斑点称阴极斑点 1 阴极斑点 特点 1阴极斑点面积小 温度高 电流密度大 j 5 105 107A cm2 31 2阴极受大量正离子冲击 金属蒸发 对阴极形成压力 斑点压力对熔滴过渡起阻碍作用 焊条为阴极时 特点 32 3具有粘着特性 5金属氧化物逸出功低 阴极斑点自动寻找氧化膜 6阴极材料为Fe Al Cu 或W C小电流时 7电弧不稳定 阴极斑点具有去除氧化膜作用 2 阳极斑点 当Fe Al Cu等作阳极时 由于熔点低 阳极表面有熔化及蒸发现象 在金属蒸汽大量存在的地方更容易形成热电离 电流更容易从此处进入 导电区在此处集中 称阳极斑点 特点 33 1电流密度小 j 102 103A cm2 阳极斑点力小 2存在金属蒸发 3具有粘着特性和跳跃特性 4若有氧化膜 斑点自动寻找纯金属 Al熔点658 Al2O32050 熔化焊 一般为直流反接直流正接 工件接正 DCSP DCstraightpolarity直流反接 工件接负 DCRP DCreversedpolarity 二 最小电压原理 34 自由电弧为一气体导电体 其断面可以自由收缩 在给定电流和周围条件一定的情况下 电弧稳定燃烧时 其导电区的 应使电弧电场强度具有最小的数值 即电弧具有保持最小能量消耗的特性 假设在一定条件下 电弧确定一导电面积 三 电弧静特性 1 电弧静特性的形状 电弧静特性 电弧燃烧时 两极间稳定的电压和电流的关系曲线 A段负特性B段平特性C段正特性 35 电弧动特性 电弧燃烧时 两极间变化状态的电压和电流的关系曲线 解释 A段负特性 焊接中较少采用 B段平特性 小I的TIG 36 左右平衡 在一段电流范围内 呈平特性 C段正特性 CO2焊 MIG焊 2 影响电弧静特性因素 1 电弧长度 37 2 周围气体介质压力 3 周围气体种类 气体的导热系数 主要因素 气体的电离能 次要因素 UiAr15 7VH215 4VHe24 5V 4 电极种类 38 热阴极UK几乎为0冷阴极UK很大 5 3电弧的产热机构 一 弧柱的产热二 阴极区的产热三 阳极区的产热四 电弧的热效率五 电弧的温度分布 39 一 弧柱区的产热 单位长度外加能量为IE 即弧柱的产热 与散热相平衡 40 一般电弧 只有很少一部分能量传递给工件或焊条 大电流有等离子流时 部分热量带到工件 二 阴极区的产热 阴极区长度10 4 10 6cm 相当于电子的自由行程 不发生碰撞 设 41 则 KK面 电子发射带走能量fIUW 正离子受UK加速 1 f IUK 正离子取一电子中和 1 f IUW 中和释放电离能 1 f IUi KK面能量 CC面 42 电子受UK加速fIUK 电子带到弧柱区能量fIUT 正离子在CC面热电离产生 1 f IUi 电离后电子带走能量 1 f IUiT UT弧柱温度等效电压 CC面能量 则 三 阳极区的产热 简化推导 忽略正离子流 43 电子受UK加速IUK 电子带到弧柱区能量IUT 电子逸出IUW 电子弧柱区带能量IUT 电子受UA加速IUA 电子释放逸出功IUW 两极区热量用途 加热工件或焊丝散失 四 电弧的热效率 电弧总功率 电弧有效功率 44 为电弧热效率系数 与焊接方法 焊接规范 周围条件有关 单位有效面积上的热功率称为能量密度 表示 以W cm2 五 电弧的温度分布 45 电弧各部分的导电机构决定了各部分电流密度与温度 能量的分布 Cu W电弧 炭弧 电弧空间的温度受多种因素影响 46 电弧中存在金属蒸汽 如Ar弧中有电极金属蒸发 手弧焊焊条中添加K Na等稳弧剂时 电弧温度下降 电流增大 弧柱温度升高 电弧周围有高速气流 电弧被冷却 温度升高 多原子气体 如CO2等热解离吸热 电弧温度也升高 5 4电弧力及影响因素 47 二 电弧力的影响因素 一 焊接电弧作用力 1 电磁收缩力2 等离子流力3 斑点力4 爆破力5 细熔滴的冲击力 1 气体介质2 电流 电压3 焊丝直径4 电流极性5 电极形状6 电流的脉动 一 焊接电弧作用力 1 电磁收缩力 电工知识 同向相吸异向相斥 48 当电流在一个导体中流过时 整个电流可以看作是由许多平行的电流线组成 这些电流线间将产生相互吸引力 使导体断面有收缩的倾向 若导体是可以自由变形的气态 导体将产生收缩 这种现象称为电磁收缩效应 由此而产生的力称电磁收缩力 导体任意半径r处的压力为 导体中心径向压力 在流体中各方向的压力相同 则轴向的合力为 49 1 电磁收缩力与导电面积无关 2 此作用力同时作用于工件和焊条 实际电弧常为圆锥体 断面直径不同 产生压力差 50 电磁收缩力的作用 1熔滴过渡 在此力作用下 熔滴克服焊条表面张力向母材过渡 2熔池轮廓 熔池下凹 2 等离子流力 电弧收缩力引起推力 将使靠近焊条端部气体冲向工件 新补充的气体经加热电离后在推力的作用下亦冲向工件 由于这种高温气流所形成的力称等离子流力 又称电弧动压力 51 等离子流速度的径向分布 等离子流形成的焊缝 3 斑点力 斑点力阻碍熔滴的过渡 其由几部分组成 带电粒子的撞击力 52 阴极正离子撞击质量大UK高斑点力大阳极电子撞击质量小UA低斑点力小 电磁收缩力 阴极斑点力 阳极斑点力 电极材料蒸发的反作用力 斑点温度高 局部金属蒸发 反作用力 4 爆破力 CO2短路过渡时 电弧短路 电流急剧增大 若金属液柱内有气体 急剧膨胀爆炸 53 电弧重燃 电弧对熔池金属冲击力 5 细熔滴的冲击力 富Ar气保护焊射流过渡时 熔滴很细小 几十mg 速度很高 几百米 秒 冲击力很大 易形成指状熔深 二 电弧力的影响因素 1 气体介质 54 2 电流 电压 3 焊丝 焊条 直径 4 电流极性 TIG焊 DCSP 电弧力大 55 MIG焊 DCSP 斑点力大 熔滴过渡阻力大 电磁力和等离子流力小 5 电极形状 56 6 电流的脉动 TIG焊电弧力DCRP AC DCSP PC TIG 5 5交流电的特点 一 交流电弧的燃烧过程 1 再燃电弧的难易与电弧空间残余电离度 电极热发射能力及电压上升速度有关 2 电弧空间及电极尚处于高温状态 再燃电压比冷态的引弧电压低得多 57 交流电弧50Hz电弧电流过零时电弧熄灭 下半周重燃 重新引燃电弧所需要的电压称再燃电压 1 纯阻性回路 1 电弧熄灭时间te 电弧不稳 2 若气体介质导热性好 且电极为冷阴极材料 再燃电压很高 焊接过程不能进行 2 感性回路 1 焊接回路中有足够的电感 2 电弧电压与电源有相位差别 3 电感具有续流作