焊接電弧課件

第一章焊接電弧電弧是所有電弧焊方法的熱源。其主要作用是把電能轉變?yōu)闊崮埽瑫r產(chǎn)生光輻射和響聲（電弧聲）。電弧的高熱可以用于焊接、切割和煉鋼等。電弧的弧光可用于照明。電弧聲可用于焊接過程的監(jiān)控等。1.1焊接電弧的物理基礎一.電弧的物理本質:焊接電弧是在一定條件下，兩電極間產(chǎn)生的強烈而持久的氣體放電現(xiàn)象。圖1-1電弧示意圖正常狀態(tài)下氣體（原子或分子組成）不導電。要使其導電，必須產(chǎn)生帶電粒子。氣體放電形式較多，見圖1-2。分為兩類（非自持放電，自持放電）。圖1-2氣體放電伏安特性曲線非自持放電：在較小電流區(qū)間，放電的起始必須靠外加能量條件（X射線、加熱、光照等）來激發(fā)產(chǎn)生帶電粒子而造成氣體放電。若外加能量條件取消后，放電過程就停止。自持放電：當導電電流增大到一定值和氣體發(fā)展到一定程度時，氣體放電本身就可以產(chǎn)生維持導電所需要的帶電粒子。這時即使取消了外加能量條件，放電過程仍可繼續(xù)維持下去。電弧放電是自持放電的一種基本形式。二、電弧中帶電粒子的產(chǎn)生電弧中的帶電粒子主要依靠兩電極之間的氣體電離和電極發(fā)射電子兩個物理過程所產(chǎn)生，同時伴隨解離、激勵、擴散、復合、負離子的產(chǎn)生過程。(一)氣體的電離：1.電離與激勵：⑴電離：一定條件下中性氣體分子或原子分離為正離子和電子的現(xiàn)象稱為電離。使中性氣體粒子失去第一個電子所需的最低外加能量為第一電離能（eV），常用電離電壓表示氣體電離的難易（表1-1）使其失去第二個電子需要更大的電離電壓。電離電壓低的氣體易產(chǎn)生帶電粒子。與氣體其它性能（解離性能、熱物理性能）綜合影響電弧穩(wěn)定性。幾種氣體同時存在時，帶電粒子主要由低電離電壓氣體提供。如He+Ar，Ar的電離電壓低，易使電弧穩(wěn)定。⑵激勵：使中性粒子中的電子以較低能級轉移到較高能級但未完全脫離原子或分子，稱為激勵。使中性粒子激勵所需最低外加能量--最低激勵電壓。(見表1-2)激勵狀態(tài)是一種不穩(wěn)定狀態(tài)，繼續(xù)接受能量可電離，或以輻射或與其它粒子碰撞將能量傳遞出去而恢復穩(wěn)定狀態(tài)。2.能量傳遞方式：電離與激勵需外界能量。能量傳遞給氣體粒子的方式：碰撞傳遞和光輻射傳遞。⑴氣體粒子相互碰撞傳遞能量：碰撞傳遞。碰撞有彈性碰撞和非彈性碰撞。氣體粒子動能較低時發(fā)生的是非破壞性的彈性碰撞。其結果只使粒子的運動速度發(fā)生變化并引起氣體溫度變化。不產(chǎn)生激勵或電離；當氣體粒子動能較高時，發(fā)生破壞性的非彈性碰撞。部分全部動能轉換為內能，使被碰撞粒子內部結構發(fā)生變化。此內能大于激勵電壓時發(fā)生激勵，大于電離電壓時則產(chǎn)生電離。因此，只有非彈性碰撞產(chǎn)生電離過程，形成帶電粒子。電子質量遠小于其它粒子，碰撞時其動能幾乎全部傳給中性粒子，使之激勵或電離，因而電子與氣體粒子碰撞作用最為有效。提高溫度可增加所有粒子（中性粒子、電子、離子）的動能。增大電場強度可提高帶電粒子（電子、離子）的動能。碰撞傳遞使氣體粒子電離，是電弧本身產(chǎn)生帶電粒子維持其導電的最主要方式。3.電離種類：電弧中氣體粒子的電離因外加能量和種類的不同可分為三類：熱電離、電場作用下的電離和光電離。⑴熱電離：高溫下，氣體粒子受熱的作用相互碰撞而產(chǎn)生的電離。T↑m↓→v↑→電離↑T一定，氣體粒子速度分布遵循麥克斯韋速度分布律。只有動能大于電離電壓能量的那部分粒子才引起中性粒子的電離。用電離率χ表示電離程度：即單位體積內被電離的粒子數(shù)與氣體電離前粒子總數(shù)的比值。熱平衡狀態(tài)下電離度與氣體溫度、壓力、電離電壓、的關系符合薩哈（Saha）公式（單一氣體熱電離度表達式）：

κ-玻耳茲曼常數(shù)κ=1.38×10-23J/K顯然T↑p↓Ui↓→χ↑其中溫度的影響最為顯著。圖1-3熱電離的電離度X與溫度T的關系a）金屬蒸氣電離b）氣體電離⑵電場作用下的電離（場致電離）：帶電粒子從電場中獲得能量，通過碰撞而產(chǎn)生電離過程稱為電場作用下的電離。帶電粒子一邊與氣體粒子碰撞，一邊沿電場方向作加速運動。兩次碰撞之間的路長度為粒子的自由行程。其平均值稱為平均自由行程。在相同條件下電子的平均自由程比離子大4倍而電子質量比離子小得多。在電場作用下電子獲得4倍于離子的動能與中性粒子發(fā)生非彈性碰撞產(chǎn)生電離，故電場作用下的電離主要是電子與中性粒子的非彈性碰撞引起的。這種電離是有鏈鎖反應性質，但并不是無限的。電弧中除電離外，還存在著帶電粒子復合成中性粒子的消電離過程?；≈袌鰪娸^弱（10

V/cm左右），電子獲得動能較小。此時熱電離是主要形式，場致電離是次要的，陽、陰極區(qū)場強較高（105-107V/cm）才產(chǎn)生顯著場致電離。⑶光電離：中性粒子接受光輻射的作用產(chǎn)生的電離。每種氣體都有一個產(chǎn)生光電離的臨界波長，小于它才能產(chǎn)生光電離（表1-3）波長↓→能量↑。電弧的光輻射波長在170-500nm（紅外線，可見光及紫外線），可見，只有K,Na,Ca,Al等蒸氣能直接被電離。因此，光電離是電弧中產(chǎn)生帶電粒子的一個次要途徑。㈡電極發(fā)射電子：電極表面受到外加能量的作用，使其內部的電子沖破電極表面的束縛而飛到電弧空間的現(xiàn)象稱為電子發(fā)射。以陰極發(fā)射出來的電子在電場作用下參加電弧導電過程。向弧柱提供所需電子流。使一個電子從金屬表面飛出所需的最低能量稱為逸出功（eV逸出電壓Uw）。逸出功大小與材料種類，金屬表面狀態(tài)及表面氧化物情況有關（見表1-4）?？梢姡饘俦砻鎺в醒趸飼r的逸出功減?。ˋl-4.25,Al2O3-3.9;Mg-3.78,MgO-3.31)，電弧陰極斑點具有自動尋找氧化膜的傾向。再如在鎢電極中加入釷、銫、鈰、鋯等氧化物，可改善引弧性能（提高電子發(fā)射能力），降低燒損。2．電場發(fā)射：當金屬表面存在一定強度的正電壓時，金屬內部的電子會受到電場力的作用。當此力足夠大時，電子即可飛出金屬表面，這種現(xiàn)象稱為電場發(fā)射。當電場強度足夠高時，即使溫度很低，也可發(fā)射足夠的電子傳給電弧導電的需要。如冷態(tài)引弧需較高電壓。電場發(fā)射電子帶走熱量比熱發(fā)射時要少。3．光發(fā)射：金屬表面受光能照射，使內部自由電子沖破表面約束而產(chǎn)生的電子發(fā)射稱為光發(fā)射。與光電離類似，光發(fā)射也存在一個臨界波長。焊接電弧的光量較弱。因而光發(fā)射在陰極電子發(fā)射中居次要位置。光發(fā)射時電子吸收光輻射能。不從金屬表面帶走能量，對電極沒有冷卻作用。4．粒子碰撞發(fā)射：高速運動的粒子（主要是正離子）碰撞金屬表面時。將能量傳給金屬表面的自由電子。使其能量增加而跑出金屬表面，稱為粒子碰撞發(fā)射。電弧中陰極區(qū)前聚積大量正離子，形成空間電場，使正離子沖向陰極，可能形成碰撞發(fā)射，一定條件下是陰極提供電子的主要途徑。如維弧存在對等離子主弧引燃有利。Ar+對鋁氧化膜清理。在實際焊接電弧中，當使用沸點高的材料如鎢或碳作電極時，其陰極區(qū)的帶電粒子主要靠熱發(fā)射來提供，稱之為熱陰極電弧。而使用鋁、銅、鎂等低沸點材料作陰極時，電極加熱溫度不可能太高，此時電場發(fā)射起重要作用，稱之為冷陰極電弧。㈢負離子的產(chǎn)生：電弧中除產(chǎn)生電子和正離子外，還會產(chǎn)生另一種帶電粒子--負離子。即在一定條件下，有些中性原子或分子會吸附一個電子形成負離子。中性粒子吸附電子形成負離子時，其內部能量不是增加而是減小，減小的這部分能量稱為中性粒子的電子親和能。并以熱或光輻射能的形式釋放出來。電子親和能越大的元素形成負離子的傾向越大。由于形成負離子是放熱反應，電子在高溫區(qū)運動速度較高，因而負離子在高溫區(qū)不易穩(wěn)定存在，多分布在周邊上。雖然負離子所帶的電荷與電子相同，但因其質量比電子大得多，不能有效參加電弧導電過程，故若電弧中產(chǎn)生大量的負離子。則必然會引起電弧導電困難使其穩(wěn)定性降低。2．復合：電弧空間（正離子、負離子、電子），在一定條件下相遇而互相結合成中性粒子的過程。包括電子與正離子及正離子與負離子的復合。存在空間復合和表面復合兩種形式?？傊?，電弧正是通過上述帶電粒子的產(chǎn)生（解離、激勵、電離及電子發(fā)射）和消亡（負離子、擴散、復合）等一系列物理過程，不斷把電能轉換成熱、光和機械能，以滿足焊接和其它工業(yè)應用的需要。1.2焊接電弧的產(chǎn)生過程圖1-4圖1-5一.接觸式引弧(熔化極):短路-分離-燃弧二.非接觸式引弧(非熔化極):高頻高壓引弧(150~260kHz,2~3kV);高壓脈沖引弧(工頻,3~5kV)1.3焊接電弧的構造及其導電機構一.焊接電弧的構造:焊接電弧由三個不同電場強度的區(qū)域，即陽極區(qū)、陰極區(qū)和弧柱區(qū)構成（圖1-6）。其中弧柱區(qū)電壓降較?。?0V左右）而長度較大（約為電弧長度）。說明阻抗較小電場強度較低；兩個極區(qū)沿長度方向尺寸較小（陰極區(qū)約為電子平均自由程10-5~10-6cm，陽極區(qū)約為10-2~10-3cm）而電壓降較大（Uk一般為10~15V，UA低于Uk。）可見其阻抗較大，電場強度較高（如陰極區(qū)可高106~107V/cm）。且Ua=Uk+Uc+UA。電弧這種特性是由于各區(qū)導電機構不同所決定的。圖1-6電弧各區(qū)的電壓分布2．電場發(fā)射型導電機構：當陰極材料為W.C，但電流較小或陰極材料采用熔點較低的Fe、Al、Cu時，陰極表面的溫度受電流或材料沸點的限制，不能產(chǎn)生較強的熱發(fā)射以供給所需的電子流。由于電子供應不足，使得鄰近陰極區(qū)的弧柱處正負電荷的平衡首先遭到破壞。造成過剩的正離子堆積，形成正電場。熱發(fā)射越弱，則正電場越強。在這一正電場作用下、使陰極產(chǎn)生電場發(fā)射。同時加速電子運動，在陰極區(qū)產(chǎn)生碰撞電離，共同向弧柱提供所需的電子流。這種形式的導電機構也稱為冷陰極導電機構，是熔化極電弧焊和小電流鎢極氬弧焊常見的導電機構。在通常情況下，熱發(fā)射和電場發(fā)射兩種陰極導電機構并存，且根據(jù)電極材料，電流大小和氣體介質不同而自動調節(jié)。當電極材料熔點較高或逸出功較小時，熱發(fā)射比例較大，電場發(fā)射比例較小，陰極壓降較低；反之，電場發(fā)射比例增大，陰極壓降也隨之提高。3．等離子型陰極區(qū)導電機構：在冷陰極小電流或低氣壓鎢極氬弧焊時，由于陰極的溫度低，熱發(fā)射能力弱；當電弧空間氣壓低時，陰極壓降區(qū)大，使電場強度下降，場致發(fā)射的能力也不強，但仍具有一定的能量和電場強度，在陰極區(qū)前面形成一個輝光明亮的高溫區(qū)，區(qū)內的中性粒子產(chǎn)生電離，生成的電子在電場作用下向弧柱運動，而正離子跑向陰極，即稱為等離子型陰極區(qū)導電機構。(四)電極表面導電現(xiàn)象--陰極斑點與陽極斑點：1．陰極斑點：電弧放電時，負電極表面上集中發(fā)射電子的光亮極小區(qū)域(其電流密度高達103~107A/cm2)。當采用高熔點材料作陰極、電流較小時或采用低熔點、低沸點材料作陰極時，熱發(fā)射不足，陰極自動收縮其導電截面，直至形成密度很大的正離子空間電荷，造成很大的陰極壓降，產(chǎn)生強電場發(fā)射，來補充熱發(fā)射的不足，維持電弧的燃燒。當采用熔點較低的材料作陰極時，有時陰極表面會產(chǎn)生幾個分離的陰極斑點。這些分離的斑點在陰極斑點區(qū)域內以很高速度（104-105cm/s）跳動，自動尋找最有利于電場發(fā)射和熱發(fā)射的點。因此，陰極斑點形成的條件：首先該點具有可能發(fā)射電子的條件（主要是電場發(fā)射和熱發(fā)射），其次是電弧通過該點時弧柱能量消耗較小。所以，陰極斑點有自動跳向溫度高、熱發(fā)射強等物質上去的趨勢。當金屬表面有低逸出功的氧化膜存在時，陰極斑點將自動尋找氧化膜。在鋁合金焊接中，靠“陰極破碎”（陰極霧化、陰極濺射）作用清除氧化膜就是一例。2．陽極斑點：電弧放電時，正電極表面上集中接收電子的光亮微小區(qū)域。從弧柱飛來的電子，大部分都是從斑點進入陽極。但陽極斑點的范圍比陰極斑點大，故此處的電流密度一般比陰極斑點的電流密度小得多（約為102-103A/cm2）。由此看來，對于低熔點的陽極材料其陽極斑點的形成條件：首先是該點有金屬蒸發(fā)，其次是電弧通過該點時，弧柱的能量消耗較低。因而陽極斑點有尋找純金屬表面而避開氧化膜的傾向。這是因為大多數(shù)金屬氧化物的熔點和沸點均高于純金屬。當鋁合金焊接時，若工件接到陽極，就沒有去除氧化膜的作用。四、電弧的最小能量消耗特性--最小電壓原理：最小電壓原理是：對一個和軸線對稱的電弧，在給定的電流和邊界條件下，當電弧處于穩(wěn)定狀態(tài)時，其弧柱半徑或溫度應使弧柱的電場強度具有最小值。由于弧柱的電場強度可用單位長度弧柱上的能量消耗或電弧電壓的大小來表示，故最小電壓原理的可簡化為：電弧具有保持最小能量消耗的特性，而當電弧電流一定時，電弧要保持最小電壓降。最小電壓原理說明了電弧在穩(wěn)定燃燒時，電弧的形態(tài)與其物理參數(shù)之間的關系及電流保持一定，當其周圍條件發(fā)生變化時電弧狀態(tài)和物理參數(shù)發(fā)生變化的趨向。電弧過程中的許多現(xiàn)象都可利用最小電壓原理來解釋，例如：當電弧被周圍介質強迫冷卻時，則電弧將自動收縮其斷面并使電流密度升高，電場強度E提高，溫度T也升高。因為據(jù)最小電壓原理，電弧有自動使E增加到最小限度的傾向，即有使此條件下的熱損失最小的傾向，故電弧斷面將自動收縮，減小散熱面使在此條件下E增加得最小。又如：電弧斑點的跳動，是電弧在不斷更新位置的條件下，按照最小電壓原理的準則在新的幾何位置上建立新的平衡。電弧每移到一個新的位置時，工件上都會有一些供選擇的點來建立新的電極斑點，但必然選擇弧長最短、電壓最小、能量消耗最少的點來確定新的斑點位置。剛剛確定的點，又要隨著電弧的移動而重新選擇。如此不斷更新，不斷選擇，便造成了陰極斑點或陽極斑點的頻繁跳動。同時，工件上不斷更換著的電極斑點位置大多滯后焊絲（或鎢極）中心線所指位置的后面。被稱為電極斑點的“粘著”作用。這種粘著作用一般認為是由焊接電弧的熱慣性所造成的。1-4焊接電弧的電特性--電弧靜特性和動特性電弧是一種非線性的電阻負載，其導電率不是常數(shù)，且與弧柱的溫度和電流大小密切相關。一、焊接電弧的靜特性：一定長度的電弧穩(wěn)定燃燒時，其電弧電壓與焊接電流之間的關系曲線。㈠電弧靜特性曲線的形狀：U形曲線。