材料成形工艺：第3章 金属焊接成形工艺

1、12内容提要本节主要讲述如下内容：焊接电弧的定义电弧的导电机理焊接电弧的构成及导电特性焊接电弧的产热机理3Metal joining principle:Bolt binding and riveting are mechanical joiningWelding is the most effective method of materials Joining. The joining principle is :Two parts to be joined have their surfaces matched within atomic precision ( 0.30.5 Nanome

2、ter ). Adhesive Bonding: The effected forces among molecules through chemical reaction and physical effect.4Welding is one of the most widely applied joining process in the modern (advanced) manufacturing industry.Be used in automobile and car making, ship and barge building,aerocraft (aero and spac

3、e) fabrication (such as space shuttle ), railroad car fabrication, petrochemical industry (such as pipe manufacturing), and bridge ,buildings and other large structures, electric & electronic industry .5Requirements for successful welding :A supply of energy to create union by fusion or pressure；Rem

4、oving superficial contamination from the joint face；Avoidance of atmospheric contamination or its effects；Control of weld metallurgy；6Metal joining approach：1) Heating: Break up the surface oxide Joint becomes plastic or fusion state molten pool crystal together weld bead Applied heating sources： Ga

5、s flame ；Arc heat；Resistance heat； Electron beam energy； Laser beam energy etc.782) PressureOutside force: make two parts integrate.Such as Bolt Binding, Riveting and pressure welding Sometimes pressure+heating in pressure welding3) Chemical reaction & physical effect adhesion & cohesion in Adhesive

6、 Bonding91. 电弧的导电特性 焊接电弧是一种气体放电现象，它是带电粒子通过两电极之间气体空间的一种导电过程。一般情况下，气体是良好的绝缘体其分子和原子都处于电中性状态。要使两电极之间的气体导电，必须具备两个条件： 两电极之间有带电粒子； 两电极之间有电场。第10章 金属连接成形的主要工艺 10第10章 金属连接成形的主要工艺 采用一定的物理方法，改变两电极间气体粒子的电中性状态，产生带电荷的粒子，带电粒子在电场的作用下运动，即形成电流使两电极之间的气体空间成为导体，产生气体放电。气体放电随电流的强弱而有不同的形式，如暗放电、辉光放电、电弧放电等。与其他气体放电形式相比，电弧放电的主要

7、特点是电流最大、电压最低、温度最高、发光最强。1112 Fig.12-2 Volt-ampere Characteristics第10章 金属连接成形的主要工艺 微量带电粒子崩溃二次电离，雪崩I ，辉光面积电流密度不变电弧两极间带电粒子的来源： 中性气体粒子的电离、金属电极发射电子、负离子形成等。其中气体电离和阴极发射电子是电弧中产生带电粒子的两个基本物理过程。同时还存在其它过程: 解离、激发、扩散、复合等。132 . 电弧中带电粒子的产生(1)电离与激励 定义：在外加能量作用下，使中性的气体分子或原子分离成电子和正离子的过程。实质：中性气体粒子吸收足够的外部能量，使分子或原子中的电子脱离原子

8、核束缚而成为自由电子和正离子的过程。第一电离能，第二电离能，依此类推。14(一) 气体的电离气体的电离电压的大小反映了带电粒子产生的难易程度。电离电压低-带电粒子容易产生 有利于电弧导电电离电压高-带电粒子难以产生 电弧导电困难1516第10章 金属连接成形的主要工艺 气体粒子电离电压/V气体粒子电离电压/HHeLiCNOFNaClArKCaNiCrMoCsFe13.524.5(54.2)5.4(75.3;122)11.3(24.4;48;65.4)14.5(29.5;47;73;97)13.5(25;55;77)17.4(35;63;87;114)5.1(47;50;72)13(22.5;4

9、0;47;68)15.7(28;41)4.3(32;47)6.1(12;51;67)7.6(18)7.7(20;30)7.43.9(33;35;51;58)7.8(16;30)WH2C2N2O2Cl2CONOOHH2OCO2NO2AlMgTiCu8.015.41215.512.21314.19.513.812.613.7115.967.616.817.68括号内数值依次为二次,三次,电离电压常见气体粒子的电离电压当中性气体粒子受外加能量作用而不足以使其电离时，但可能使其内部的电子从原来的能级跃迁到较高的能级，这种现象称为激励。使中性粒子激励所需要的最低外加能量叫做激励能，单位为V，则称为激励电

10、压。 常见气体粒子的激励电压17元素激励电压/V元素激励电压/V元素激励电压/VHHeNeArNO10.219.316.611.62.42.0KFeCuH2N2O21.64.431.47.06.37.9COCO2H2OCsCa6.23.07.61.41.9受激励的电子没有脱离原子的束缚 粒子呈中性受激励的粒子处于不稳定状态 稳定状态时间短约为：10-2-10-8s 激励状态的粒子有两种出路又转变为稳定状态，伴随着这个过程能量以辐射光的形式释放出来 电弧辐射光接受外部能量电离18当电弧空间存在电离电压（或激励电压）不同的多种气体时，在外加能量的作用下，电离电压（或激励电压）低的气体粒子先被电离（

11、或激励），若这种气体的足以维持电弧的稳定燃烧，则整个电弧燃烧所需要的能量主要取决于这个较低的电压。因而电弧所要求的外加能量就比较低。意义：稳弧剂的作用.1920Fe电离电压为7.8V,K电离电压为4.3V(2)电离的种类：热电离场致电离光电离电离度：电弧内单位体积内电离的粒子数与气体电离前粒子总数的比值X=电离的粒子密度/电离前中性粒子密度211）热电离气体粒子受热的作用而产生电离的过程称为热电离。它实质上是由于气体粒子的热运动形成频繁而激烈的碰撞产生的一种电离过程。热电离的电离度与温度、气体压力及气体的电离电压有关。2223电离度与材料、温度之间的关系24基本规律：温度压力电离电压电离度带电

12、粒子数电弧稳定性 2) 场致电离在两电极间的电场作用下，气体中的带电粒子将加速，电能将转换为带电粒子的动能。当带电粒子的动能增加到一定数值时，则可能与中性粒子发生非弹性碰撞而使之产生电离，这种电离称为场致电离。弧柱的温度一般在5000-50000K之间，而电场强度仅为10vcm左右，所以在弧柱区热电离是产生带电粒子的主要途径，电场作用下的电离则是次要的。在电弧的阴极压降区和阳极压降区电场强度可达105107v/cm，远高于弧柱区，因而会产生显著的场致电离现象。253) 光电离中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电离过程称为光电离。 焊接电弧的光辐射只可能对K、Na、Ca、Al等金属蒸气直接引起

13、光电离，而对焊接电弧气氛中的其他气体则不能直接引起光电离。因此，光电离只是电弧中产生带电粒子的一种次要途径。26电离和阴极电子发射是电弧产生和维持不可缺少的必要条件。从阴极发射的电子，在电场的加速下碰撞电弧导电空间的中性气体粒子而使之电离，这样就使阴极电子发射充当了维持电弧导电的“原电子之源”。因此，阴极电子发射在电弧导电过程中起着特别重要的作用。27(二) 阴极电子发射(1)电子发射与逸出功 阴极中的自由电子受到一定的外加能量作用时，从阴极表面逸出的过程称为电子发射。电子从阴极表面逸出需要能量，1个电子从金属表面逸出所需要的最低外加能量称为逸出功(Aw)，单位是电子伏。因电子电量为常数e，故

14、通常用逸出电压(Uw)来表示，UwAwe，单位为V。逸出功的大小受电极材料种类及表面状态的影响。 几种金属材料的逸出功28金属种类WFeAlCuKCaMgAw/eW纯金属4.544.484.254.362.022.123.73表面有氧化物-3.923.93.850.461.83.31(2)阴极斑点 阴极表面通常可以观察到发出烁亮的区域，这个区域称为阴极斑点，它是发射电子最集中的区域，即电流最集中流过的区域。阴极斑点的形态与阴极的类型有关。热阴极：斑点固定 W C冷阴极：斑点不规则移动 Cu Fe Al由于金属氧化物的逸出功比纯金属低，因而氧化物处容易发射电子。29氧化物发射电子的同时自身被破坏

15、，因而阴极斑点有清除氧化物的作用。阴极表面某处氧化物被清除后另一处氧化物就成为集中发射电子的所在。于是，斑点游动力图寻找在一定条件下最容易发射电子的氧化物。如果电弧在惰性气体中燃烧，阴极上某处氧化物被清除后不再生成新的氧化物，阴极斑点移向有氧化物的地方，接着又将该处氧化物清除。这样就会在阴极表面的一定区域内将氧化物消除干净，显露出金属本色。这种现象称为“阴极清理”作用或“阴极破碎”作用。在铝合金焊接中作用最为明显30(3)电子发射的类型 根据外加能量形式的不同，电子发射可分为以下四种类型： 1)热发射。阴极表面因受热的作用而使其内部的自由电子热运动速度加大，动能增加，一部分电子动能达到或超出逸

16、出功时产生的电子发射现象称为热发射。热发射的强弱受材料沸点的影响。当采用高沸点的钨或碳作阴极时(其沸点分别为5950K和4200K)，电极可被加热到很高的温度(一般可达3500K以上)此时，通过热发射可为电弧提供足够的电子。31 2)场致发射。当阴极表面中间存在一定强度的正电场时，阴极内部的电子将受到电场力的作用。当此力达到一定程度时电子便会逸出阴极表面，这种电子发射现象称为场致发射。当采用钢、钢、铝等低沸点材料作阴极(冷阴极)时(其沸点分别为3013K、2868K和2770K)，阴极加热温度受材料沸点限制不可能很高，热发射能力较弱，此时向电弧提供电子的主要方式是场致发射电子。实际上，电弧焊时

17、纯粹的场致发射是不存在的，只不过是在采用冷阴极时以场致发射为主，热发射为辅而已。323)光发射。当阴极表向受到光辐射作用时，阴极内的自由电子能量达到逸出阴极表面的现象称为光发射。光发射在阴极电子发射中居次要地位。334)粒子碰撞发射。电弧中高速运动的粒子（主要是正离子）碰撞阴极时把能量传递给阴极表面的电子，使电子能量增加而逸出阴极表面的现象称为粒子碰撞发射。34电弧导电过程中，在产生带电粒子的同时，伴随着带电粒子的消失过程。在电弧稳定燃烧时，二者是处于动平衡状态的。带电粒子在电弧空间的消失主要有扩散、复合两种形式和电子结合成负离子等过程。35363. 焊接电弧的构成及其特性 焊接电弧的构成37

18、 阳极区和阴极区占整个电弧长度的尺寸皆很小，约为10-210-6cm，故可近似认为弧柱长度即为电弧长度。电弧的这种不均匀的电场强度分布，说明电弧各区域的电阻是不同的，即电弧电阻是非线性的。(2) 焊接电弧的导电特性1) 弧柱区的导电特性弧柱温度：500050000K弧柱呈电中性弧柱是包含大量电子、正离子等带电粒子和中性粒子聚合在一起的气体状态，被称为电弧等离子体。弧柱电阻较小38电弧等离子体虽然对外呈现电中性，但由于其内部有大量电子和正离子等带电粒子，所以具有良好的导电性能。带电粒子在电场的作用下运动，就形成了弧柱中的电流。弧柱中的电流由向阴极运动的正离子流和向阳极运动的电子流组成。由于电子和

19、正离子在同一电场中所受的电场力相同，而电子的质量正离子的速度，因此弧柱中的电流主要由电子流构成。3940第10章 : 金属连接成形的主要工艺 弧柱电场强度（E）：弧柱单位长度上的电压降意义：E 的大小表征电弧弧柱的导电能力。 显然，当弧柱中通过大电流时，电离度提高，E值将减少。电场强度 E与电流 I 的乘积 EI，相当于电源供给每单位弧长的电功率，它与弧柱的热损失相平衡。41影响弧柱电场强度的因素弧柱气体介质（H2、He；单元子、多原子）弧柱的热损失（强迫气流冷却等）42由此可见：电场强度 E 的大小与电弧的气体介质有关； E 的大小将随弧柱的热损失情况而自行调整。弧柱在稳定燃烧时，有一种使自

20、身能量消耗最小的特性。当电流和电弧周围条件(如气体介质种类、温度、压力等)一定时，稳定燃烧的电弧将自动选择一个确定的导电截面使电弧的能量消耗最小。当电弧长度也为定值时，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，即在固定弧长上的电压降最小，这就是最小电压原理。432) 阴极区的导电特性阴极区是指靠近阴极的很小一个区域，在电弧中，它有两方面的作用：阴极区接收正离子，发射电子由于电极材料种类及工作条件(电流大小、气体介质等因素)不同，阴极区的导电形式和特性也不同。热发射型和电场发射型441热发射型热阴极,大电流时 ,阴极区可加热到很高的温度。 阴极主要靠热发射提供电

21、子流来满足弧柱导电的需要。 阴极斑点在电极表面十分稳定，其面积较大而且比较均匀，紧挨阴极表面的弧柱不呈收缩状态。阴极区的电流密度与弧柱区也相近。阴极区电压降很小。45电子带走的热量的补充途径正离子的碰撞正离子的复合，放出电离能电阻热大电流钨极电弧焊时，这种热发射型导电占主导地位。462电场发射型（冷阴极或者热阴极小电流）电荷过剩 正电场 场致发射 电子加速 场致电离 形成电流正离子的作用正电场撞击阴极，加强热发射47冷阴极中存在热发射和场发射，其所占的份额受以下因素影响电极种类（沸点高或逸出功小，热发射主导，阴极压降小）电流大小（电流大，热发射主导，阴极压降小）气体介质（不易于电离，热发射主导，阴极压降小）483) 阳极区的导电特性阳极区是指靠近阳极的很小一个区域，在电弧中主要是接受