《電弧物理》課件

《電弧物理》課程概述本課程深入探討電弧放電的基本物理原理,包括電弧的形成、維持和消失過(guò)程,以及電弧所涉及的熱量、電磁和化學(xué)反應(yīng)等相關(guān)機(jī)制。課程將廣泛應(yīng)用于電焊、熔煉、切割等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。M什么是電弧1定義電弧是由于兩電極之間的電壓差而產(chǎn)生的持續(xù)性電放電現(xiàn)象。2特點(diǎn)電弧具有高溫、高電流密度和強(qiáng)光輻射等特點(diǎn)。3形成條件電弧需要一定的電壓、電流和介質(zhì)條件才能形成和維持。4應(yīng)用領(lǐng)域電弧廣泛應(yīng)用于焊接、切割、熔化金屬等工業(yè)領(lǐng)域。電弧形成條件1電源電弧需要一定的電壓和電流作為驅(qū)動(dòng)力2電極電弧發(fā)生在兩個(gè)電極之間3介質(zhì)氣體電弧需要一定的氣體環(huán)境才能維持放電電弧的形成需要滿足三個(gè)基本條件:電源、電極和介質(zhì)氣體。電源需要提供一定的電壓和電流,電極需要有適合的材料和形狀,并且在電極間還需要有適合的氣體環(huán)境,這些條件缺一不可。只有當(dāng)這三者具備時(shí),電弧放電才能得以產(chǎn)生和維持。電弧的特征高溫電弧通常具有極高的溫度,可達(dá)幾萬(wàn)攝氏度,遠(yuǎn)高于普通焊接工藝。這種高溫使其具有強(qiáng)大的熔化和蒸發(fā)能力。高熱量電弧釋放大量熱量,能快速熔化和汽化金屬,從而實(shí)現(xiàn)高效的焊接、切割等加工。高電壓電弧通常需要幾百到幾千伏的高電壓來(lái)維持放電,這種高電壓使其能在復(fù)雜環(huán)境中穿透,適用于各種材料和焊接位置。高能量密度電弧能量集中在小范圍內(nèi),能量密度極高,可實(shí)現(xiàn)高效精密的加工。電弧的分類按產(chǎn)生原因分類電弧可根據(jù)產(chǎn)生原因分為熔化電弧、等離子體電弧和燃弧。熔化電弧由金屬材料熔化產(chǎn)生，等離子體電弧由高溫氣體電離產(chǎn)生，燃弧則是由燃料燃燒產(chǎn)生的。按電弧穩(wěn)定性分類電弧可分為穩(wěn)定電弧和不穩(wěn)定電弧。穩(wěn)定電弧特點(diǎn)是電流和電壓保持恒定，而不穩(wěn)定電弧容易發(fā)生跳電和熄滅。按電弧長(zhǎng)度分類電弧可分為短弧和長(zhǎng)弧。短弧的長(zhǎng)度一般在幾毫米到幾厘米之間，長(zhǎng)弧則可達(dá)幾米。不同長(zhǎng)度的電弧有著不同的特性和應(yīng)用。按電弧連續(xù)性分類電弧可分為連續(xù)電弧和斷續(xù)電弧。連續(xù)電弧連續(xù)放電，而斷續(xù)電弧則是間歇性放電。兩種電弧在工業(yè)應(yīng)用中各有用途。電弧的功率電弧的功率取決于電源電壓和電流值。低壓電弧功率較低，常用于一些小功率的焊接和切割。中壓和高壓電弧功率更大，可用于大功率焊接、切割及熔煉等工藝。不同應(yīng)用場(chǎng)景下選擇合適的電弧功率非常重要。電弧的溫度電弧溫度范圍溫度可高達(dá)30,000℃主要影響因素電流強(qiáng)度、電極材料、氣體環(huán)境等溫度分布特征電弧呈現(xiàn)顯著的徑向溫度梯度,中心溫度最高溫度測(cè)量方法利用光譜分析技術(shù)、熱電偶等進(jìn)行測(cè)量電弧溫度是電弧物理研究的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù),它反映了電弧的能量轉(zhuǎn)換和傳輸過(guò)程。高溫電弧可廣泛應(yīng)用于焊接、切割等工藝領(lǐng)域,因此對(duì)電弧溫度的精確測(cè)量和分析至關(guān)重要。電弧的電流密度100A/mm2電弧中心電弧中心區(qū)域的電流密度可達(dá)100安培每平方毫米10A/mm2電弧邊緣電弧邊緣區(qū)域的電流密度約為10安培每平方毫米1000A/mm2焊接電弧焊接電弧的電流密度可高達(dá)1000安培每平方毫米電弧內(nèi)部的電流密度分布是非均勻的，中心區(qū)域的電流密度最高，邊緣區(qū)域相對(duì)較低。焊接電弧由于電流較大，電流密度可達(dá)到非常高的水平，這是焊接過(guò)程中產(chǎn)生高溫的主要原因之一。電弧的穩(wěn)定性電弧控制通過(guò)調(diào)節(jié)電源、電極位置等參數(shù)來(lái)維持電弧的穩(wěn)定運(yùn)行。氣體保護(hù)使用惰性氣體如氬氣包裹電弧可以增強(qiáng)電弧的穩(wěn)定性。電弧長(zhǎng)度適當(dāng)控制電弧長(zhǎng)度可以防止電弧跳動(dòng)和熄滅。電弧放電的機(jī)制電離過(guò)程高溫電弧中的氣體分子被剝離電子,形成電離等離子體。這種電離過(guò)程是電弧放電的基礎(chǔ)。電子加速電弧中的電子在電場(chǎng)作用下加速運(yùn)動(dòng),并與氣體分子發(fā)生碰撞,產(chǎn)生更多自由電子。級(jí)聯(lián)電離級(jí)聯(lián)電離過(guò)程不斷放大電子數(shù)目,最終形成可持續(xù)的電弧放電通路。熱離子發(fā)射高溫電極表面發(fā)射的熱離子也為電弧放電提供了電子載流子。陰極區(qū)放電1放電初始電弧放電始于陰極表面。電子從陰極表面被激發(fā)而發(fā)射,并向陽(yáng)極移動(dòng)。這些自由電子與氣體分子發(fā)生碰撞,引起電離,形成等離子體。2陰極熱點(diǎn)在電弧放電過(guò)程中,陰極表面會(huì)出現(xiàn)熱點(diǎn),使其溫度升高。高溫使陰極發(fā)射的電子數(shù)量增多,進(jìn)一步促進(jìn)了電離過(guò)程。3陰極坑洼隨著放電的持續(xù),陰極表面會(huì)逐漸形成坑洼,這是因?yàn)楦邷厥龟帢O物質(zhì)蒸發(fā)、熔融和噴濺造成的?？油莸男纬筛淖兞穗妶?chǎng)分布,影響了電弧穩(wěn)定性。陽(yáng)極區(qū)放電1電離過(guò)程陽(yáng)極表面發(fā)生電子的熱電子發(fā)射與離子轟擊，產(chǎn)生大量電離。2熱量輸入陽(yáng)極區(qū)吸收大量熱量,溫度急劇升高,產(chǎn)生大量熱電子。3電壓降低大量電離使得陽(yáng)極區(qū)的電阻降低,電壓也相應(yīng)下降。在電弧放電中,陽(yáng)極區(qū)是一個(gè)極為復(fù)雜的區(qū)域。陽(yáng)極表面發(fā)生大量的電子發(fā)射和離子轟擊,產(chǎn)生大量的電離。同時(shí)吸收大量的熱量,溫度急劇升高,形成了大量的熱電子。這些復(fù)雜的物理過(guò)程使得陽(yáng)極區(qū)的電阻大幅降低,從而導(dǎo)致電壓的下降。陰陽(yáng)極之間的電離1電子電離電子從陰極脫離并在電場(chǎng)作用下向陽(yáng)極移動(dòng)2電離電離氣體分子被電子撞擊而電離產(chǎn)生更多電子3陽(yáng)極區(qū)電離在陽(yáng)極區(qū)電子與氣體分子進(jìn)一步電離產(chǎn)生等離子體在陰陽(yáng)極之間形成的電弧內(nèi),存在復(fù)雜的電離過(guò)程。首先電子從陰極脫離進(jìn)入電場(chǎng),隨后與氣體分子發(fā)生碰撞電離,產(chǎn)生更多自由電子。這些電子在電場(chǎng)的作用下繼續(xù)向陽(yáng)極移動(dòng),并與更多氣體分子發(fā)生電離,形成等離子體。整個(gè)過(guò)程中充滿了電子和離子的持續(xù)碰撞和電離,維持了電弧的穩(wěn)定放電。電弧的電壓電流特性電弧的電壓電流特性展示了電流值與電壓值之間的關(guān)系。隨著電流的增加,電弧電壓也隨之升高。了解這一特性對(duì)于電弧焊等應(yīng)用至關(guān)重要,可幫助調(diào)整和控制焊接過(guò)程。電弧模型與理論物理模型電弧物理過(guò)程的物理模型是描述電弧行為的重要基礎(chǔ)。模型包括熱力學(xué)、電磁學(xué)、流體力學(xué)等多個(gè)物理學(xué)派別的理論。理論分析基于物理模型，對(duì)電弧的電流、電壓、溫度等參數(shù)進(jìn)行深入的理論分析和推導(dǎo),為電弧的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)電弧物理模型進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)修正和完善,提高模型的準(zhǔn)確性和適用性。電弧的電磁場(chǎng)電弧的磁場(chǎng)電弧周圍存在著復(fù)雜的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu),由電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)影響電弧的形狀和穩(wěn)定性。電磁感應(yīng)效應(yīng)電弧中的導(dǎo)電電流會(huì)產(chǎn)生渦流,導(dǎo)致電磁感應(yīng)效應(yīng),從而引起復(fù)雜的電磁場(chǎng)分布。洛倫茲力電弧中的電磁力作用會(huì)產(chǎn)生洛倫茲力,引起電弧的運(yùn)動(dòng)和變形,加劇了電磁場(chǎng)的復(fù)雜性。電弧的熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)過(guò)程電弧產(chǎn)生的高溫會(huì)通過(guò)熱傳導(dǎo)傳遞到周圍的金屬表面和內(nèi)部,使焊接區(qū)域溫度迅速升高。這種熱量傳遞過(guò)程對(duì)于焊縫成型和金屬組織變化至關(guān)重要。熱量分布特征焊接區(qū)域的熱量分布呈現(xiàn)出不均勻的特點(diǎn),熱量主要集中在電弧中心區(qū)域,向外逐漸降溫。這種熱量分布模式影響了焊縫形狀和金屬組織變化。金屬熱導(dǎo)率影響焊接材料的熱導(dǎo)率是影響熱量傳導(dǎo)過(guò)程的關(guān)鍵因素。不同金屬的熱導(dǎo)率差異會(huì)造成熱量傳遞速度和分布的差異,從而影響焊縫質(zhì)量。電弧的輻射能量釋放電弧會(huì)產(chǎn)生大量的熱量,這些熱量會(huì)以輻射的形式從電弧中心向外傳播。電弧輻射的能量可達(dá)到幾十兆瓦,是一個(gè)非常強(qiáng)大的能量來(lái)源。輻射頻率電弧輻射涵蓋了從紫外到紅外的廣泛頻譜,包括可見(jiàn)光、紫外線和紅外線。不同溫度的電弧會(huì)產(chǎn)生不同的輻射頻譜。對(duì)環(huán)境的影響強(qiáng)烈的電弧輻射可能對(duì)人體和周圍環(huán)境產(chǎn)生不利影響,需要采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施。合理控制電弧功率和距離是降低輻射危害的關(guān)鍵。應(yīng)用與利用電弧輻射在工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用,如電弧焊接、等離子切割和輻射治療等。利用電弧輻射的特性可實(shí)現(xiàn)很多創(chuàng)新性應(yīng)用。電弧的對(duì)流1熱對(duì)流電弧放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高溫氣體,這些熱量通過(guò)對(duì)流傳播到周圍環(huán)境,從而影響焊接過(guò)程。2冷卻效果電弧對(duì)流能夠加速焊縫附近金屬的冷卻速度,對(duì)焊縫的成型和金屬組織有重要影響。3氣體流動(dòng)電弧產(chǎn)生的氣流流動(dòng)會(huì)帶動(dòng)焊池表面熔融金屬的運(yùn)動(dòng),從而影響焊縫外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。4應(yīng)力分布電弧對(duì)流引起的溫度梯度和金屬液體流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力分布,從而影響焊接變形和焊縫質(zhì)量。電弧熔池的動(dòng)力學(xué)1熔池形成電弧作用在工件表面,產(chǎn)生高溫熔融金屬形成熔池。熔池形狀受電弧參數(shù)、焊接速度等因素影響。2熔池流動(dòng)熔池內(nèi)部存在復(fù)雜的流體流動(dòng),如表面張力驅(qū)動(dòng)流、電磁力驅(qū)動(dòng)流等,影響焊縫成形。3熔池凝固熔池在冷卻過(guò)程中逐漸凝固,形成焊縫。凝固組織和性能取決于熔池動(dòng)力學(xué)過(guò)程。焊接電弧的流體力學(xué)1電弧柱擾動(dòng)焊接電弧受到電磁力、溫度梯度等因素的影響而發(fā)生擾動(dòng)和振蕩。2熔池流動(dòng)電弧熱量輸入導(dǎo)致熔池內(nèi)復(fù)雜的液體流動(dòng)和表面張力驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)。3氣體噴吹保護(hù)氣體的噴吹也會(huì)對(duì)電弧及熔池產(chǎn)生重要影響。焊接過(guò)程中電弧和熔池存在復(fù)雜的流體動(dòng)力學(xué)行為,如電弧柱的擾動(dòng)、熔池內(nèi)的流動(dòng)以及保護(hù)氣體的噴吹等。這些流體力學(xué)現(xiàn)象對(duì)焊接質(zhì)量和效率有重要影響,需要深入理解和模擬。焊接電弧的物理現(xiàn)象電弧結(jié)構(gòu)焊接電弧由陰極區(qū)、電離區(qū)和陽(yáng)極區(qū)三部分組成,每一部分都有獨(dú)特的物理過(guò)程。溫度分布電弧溫度從陰極到陽(yáng)極呈梯度分布,陰極區(qū)最高可達(dá)30,000攝氏度。離子化過(guò)程電弧中會(huì)發(fā)生大量原子和分子的電離,產(chǎn)生高度電離的等離子體。電磁效應(yīng)電弧周圍會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場(chǎng),影響金屬熔池的流動(dòng)和氣體的流動(dòng)。焊接電弧的電學(xué)模型電流分布模型焊接電弧可以用電流分布模型來(lái)描述,通過(guò)對(duì)電弧電流密度的分析,可以預(yù)測(cè)電弧行為并優(yōu)化焊接工藝參數(shù)。等效電路模型將焊接電弧等效為電路元件,可以建立電弧的電學(xué)模型,分析電弧的電壓-電流特性,為焊接過(guò)程的自動(dòng)化控制提供理論依據(jù)。物理過(guò)程模型電弧形成、維持和熄滅的各種物理過(guò)程,如電離、電子溫度分布、電磁場(chǎng)等,都可以用數(shù)學(xué)模型來(lái)描述和預(yù)測(cè)電弧行為。焊接電弧穩(wěn)定性分析穩(wěn)定性因素影響焊接電弧穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素包括電壓、電流、金屬蒸汽含量等。合理控制這些參數(shù)對(duì)維持電弧穩(wěn)定至關(guān)重要。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)利用先進(jìn)傳感技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電弧參數(shù)變化,及時(shí)調(diào)整控制系統(tǒng),可有效提高焊接過(guò)程的穩(wěn)定性。參數(shù)優(yōu)化通過(guò)對(duì)焊接電流、電壓、送絲速度等工藝參數(shù)的優(yōu)化,可達(dá)到電弧穩(wěn)定、自動(dòng)化程度高的焊接效果。電弧熔池金屬傳熱過(guò)程熱量吸收熔池表面吸收電弧產(chǎn)生的高溫?zé)崃?，使金屬達(dá)到熔融狀態(tài)。傳熱擴(kuò)散熔融金屬內(nèi)部通過(guò)傳熱擴(kuò)散機(jī)制將熱量逐步傳遞到更深層。對(duì)流換熱熔池內(nèi)部的湍流對(duì)流帶來(lái)了更有效的熱量傳遞和溫度分布。表面蒸發(fā)熔池表面會(huì)產(chǎn)生大量蒸發(fā)，帶走部分熱量并影響溫度分布。電弧焊縫成型機(jī)理熱源聚焦電弧熱源集中作用于工件表面,產(chǎn)生高溫熔融池。金屬熔融工件表面被熔融,產(chǎn)生液態(tài)金屬池。金屬流動(dòng)熔融金屬在表面張力、重力和電磁力作用下流動(dòng)成形。快速凝固熔融金屬快速凝固,形成焊縫特有的組織結(jié)構(gòu)。電弧焊材料性能分析成分分析電弧焊材料的成分分析能夠確定其化學(xué)組成,從而評(píng)估材料的強(qiáng)度、耐腐蝕性和焊接性能。這有助于選擇適合的焊材搭配母材。微觀結(jié)構(gòu)分析通過(guò)顯微鏡觀察焊縫金屬的晶粒大小、形態(tài)和排列狀況,可以了解焊接過(guò)程中的熱循環(huán)對(duì)組織的影響。力學(xué)性能測(cè)試?yán)?、沖擊、硬度等測(cè)試可以評(píng)估焊縫金屬的強(qiáng)度、韌性和硬度,從而優(yōu)化焊接工藝參數(shù)。耐腐蝕性分析通過(guò)腐蝕試驗(yàn)檢測(cè)焊縫金屬的抗腐蝕性能,確保焊接結(jié)構(gòu)在使用環(huán)境下的可靠性。電弧焊工藝參數(shù)優(yōu)化1電流和電壓調(diào)整通過(guò)精確調(diào)節(jié)焊接電流和電壓,可以控制熱輸入,從而優(yōu)化焊縫成形和金屬熔fusion。2焊槍移動(dòng)速度調(diào)整匹配合適的焊槍移動(dòng)速度,可以避免過(guò)度熔融或欠熔現(xiàn)象,提高焊縫質(zhì)量。3保護(hù)氣體流量控制精準(zhǔn)控制保護(hù)氣體流量有助于減少氣孔缺陷,確保焊縫的外觀和機(jī)械性能。4焊材選擇和預(yù)熱選用合適的焊材并進(jìn)行預(yù)熱處理,可以改善金屬的可熔性和焊縫性能。電弧焊自動(dòng)化控制數(shù)字化控制利用PLC和CNC技術(shù)實(shí)現(xiàn)電弧焊機(jī)電參數(shù)的自動(dòng)化調(diào)節(jié)和優(yōu)化。視覺(jué)伺服系統(tǒng)采用攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊縫位置并自動(dòng)調(diào)整焊槍位置,提高焊接精度。焊接過(guò)程監(jiān)控通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)焊接電流、電壓、速度等參數(shù),自動(dòng)調(diào)整工藝參數(shù)。智能焊接程序利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法優(yōu)化焊接參數(shù),實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的自動(dòng)化焊接。電弧焊工藝應(yīng)用案例電弧焊工藝可廣泛應(yīng)用于各種金屬