电弧文档格式.docx

电弧文档格式.docx

《电弧文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电弧文档格式.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

但由于一般情况下电子脱离气体分子需要克服原子对电子和分子对电子的两层约束，因此分子状态时的气体电离电压比原子状态时的电离电压值要高一些。

当电弧空间同时存在电离电压不同的几种气体时，在外加能量的作用下，电离电压较低的气体粒子将首先被电离。

如果这种低电离电压的气体供应充分，电弧空间的带电粒子将主要依靠这种气体的电离来提供，所需外加的能量也主要是取决于这种气体的电离电压。

决定电弧气氛的电离称为实效电离

激励是当中性气体分子或原子受到外加能量的作用不足以使电子完全脱离气体分子或原子，而使电子从较低的能级转移到较高的能级的现象。

通过加热、电场作用或光辐射均可产生激励现象。

由于产生激励时电子尚未脱离分子或原子，因此气体分子或原子对外仍呈中性，但是激励状态是一种非稳定状态，它存在的时间很短暂

由于产生激励时电子尚未脱离分子或原子，因此气体分子或原子对外仍呈中性，但是激励状态是一种非稳定状态，它存在的时间很短暂。

⏹使中性气体分子或原子激励所需要的最低外加能量称为最低激励能，若以伏为单位来表示，则称为激励电压。

⏹激励电压越小，说明这种气体分子或原子越容易发生激励

（2）电离的种类

⏹根据外加能量种类的不同，电离可以分为以下三类：

1）热电离气体粒子受热的作用而产生的电离称为热电离。

其实质是气体粒子由于受热而产生高速运动和相互之间激烈碰撞而产生的一种电离。

1）热电离

这些高速运动的气体粒子相互之间频繁而激烈地碰撞，碰撞的结果有两种情况：

产生弹性碰撞或产生非弹性碰撞。

其中弹性碰撞是非破坏性的，通常在气体粒子拥有较低动能时发生。

非弹性碰撞是破坏性的，通常在气体粒子拥有较大动能时发生。

碰撞时，部分或全部动能转化为内能，被碰撞的气体粒子内部结构将发生变化。

如果此内能大于激励电压，则粒子被激励，如果此内能大于电离电压，则粒子被电离。

相互碰撞的两物体的能量传递情况与它们的质量有密切关系

2）电场电离

当气体中有电场作用时，气体中的带电粒子被加速，电能被转换为带电粒子的动能，当其动能增加到一定程度时，能与中性粒子产生非弹性碰撞，使之电离，这种电离称为电场电离（电场作用下的电离）

对于一般电弧来说，由于各个部位的温度、电场强度不同，因而所产生的电离形式不尽相同。

其中，弧柱部分的温度高达5000～30000K，而电场强度只有10V/cm左右，因此热电离是其产生带电粒子的主要途径，电场电离是次要的；

阳极压降区和阴极压降区（即阳极和阴极前面的极小区间）温度低于弧柱部分，而电场强度高达105～107V/cm，因此电场电离很显著。

3）光电离

中性粒子接受光辐射的作用而产生的电离现象称为光电离。

不是所有的光辐射都可以引发电离，气体都存在一个能产生光电离的临界波长，气体的电离电压不同，其临界波长也不同，只有当接受的光辐射波长小于临界波长时，中性气体粒子才可能被直接电离。

（二）电子的发射

电极表面接受一定外加能量作用，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。

只有从阴极发射出的电子，在电场的作用下才能参加导电过程。

电子的发射

一般情况下，电子是不能自由地离开电极表面向外发射的。

要使电子飞出电极表面，必须给电子施予一定的能量，使它克服电极内部正电荷对它的静电引力。

使一个电子从电极表面飞出所需要的最低外加能量称为逸出功（Ww），单位为电子伏。

因电子电量e是一个常数，通常以逸出电压Uw=Ww/e来反映逸出功的大小，单位为伏。

几种金属及其氧化物的逸出电压如表1-2所示。

由表中可以看出，当金属表面附有其氧化物时，逸出电压均会减小。

根据外加能量的不同形式，电子发射有以下几种：

（1）热发射

金属表面承受热作用而产生电子发射的现象称为热发射。

电子发射时从金属电极表面带走能量，故能对金属产生冷却作用。

当电子被另外的同种金属表面接受时，将释放能量，使金属表面加热。

冷阴极电弧正是主要依靠这种方式获得足够的电子以维持电弧稳定燃烧的。

电场发射

当阴极表面空间有强电场存在时，金属电极内的电子在电场静电库仑力的作用下，从电极表面飞出的现象称为电场发射。

（3）光发射

当金属电极表面接受光辐射时，电极表面的自由电子能量增加，当电子的能量达到一定值时能飞出电极的表面，这种现象称为光发射

电子发射吸收的是光辐射能，不从金属表面带走热量，因而对电极没有冷却作用。

电弧焊时，焊接电弧发出的光能够引起电极产生光发射，但由于光亮不足够强。

因此，光发射在阴极电子发射中居于次要的地位。

（4）粒子碰撞发射

高速运动的粒子（电子或正离子）碰撞金属电极表面时，将能量传给电极表面的电子，使电子能量增加并飞出电极表面，这种现象称为粒子碰撞发射。

在实际焊接电弧中，上述几种电子发射形式常常同时存在，而且相互补充。

但是在不同的条件下，有的发射形式比较强，有的则比较弱。

当所用的电极是热阴极型且电流较大时，主要依靠热发射向电弧提供电子；

而当所用的电极是冷阴极型时，热发射不能提供足够的电子，此时电场发射起主要作用；

粒子碰撞发射是主要途径；

光发射在阴极电子发射中则居于次要地位

（三）产生负离子

电弧中的带电粒子除了电子和正离子之外，还有负离子。

负离子是在一定条件下一些中性原子或分子吸附一个电子而形成的。

中性粒子吸附电子形成负离子时，其内部的能量不是增加而是减少。

减少的这部分能量称为中性粒子的电子亲和能。

通常是以热或辐射能（光）的形式释放出来。

负离子也带有与电子相同的负电荷，但其质量比电子大得多，因此其运动速度低，不能有效地参加电弧的导电过程，特别是负离子的产生使电弧空间的电子数量减少，反而能导致电弧导电困难，使电弧的稳定性降低。

气体原子得到外加能量电子从低能级跃迁到高能级，这时原子处于“激发”状态

电子完全脱离原子核的束缚形成自由电子的过程程称为“电离”

由原子形成正离子所需要的能量称为电离能

三焊接电弧的构造及其导电机构

1焊接电弧的构造

焊接电弧是由阴极区、阳极区和弧柱区三部分构成的。

这三部分尺寸不同,电压降也不同,一般情况下如图1-4所示。

阳极斑点

弧柱区是阴极区和阳极区之间的区域,它的长度很长,可以看成整个电弧的长度,而其电压降UC比前两者均小,因此其电场强度也比较小，通常只有5～10V/cm。

在弧柱长度方向上,带电粒子的分布是均匀的,因此电压降UC与电弧长度成正比,而在其径向方向上,中心的带电粒子密度大，而周围的小。

对于每一个焊接电弧,电弧的电压Ua都等于阴极电压降UK、弧柱电压降UC和阳极电压降UA之和,即

Ua=Uk+Uc+UA

1）弧柱区的导电机构

弧柱区充满了电子、正离子、气体原子、气体分子,以及负离子。

由于负离子的数量比较少,弧柱区的带电粒子主要是电子和正离子。

研究表明,弧柱区的总电流是由约占99.9%的电子流和约占0.1%的正离子流组成的。

在每个瞬间，每个单位体积内的正、负带电粒子数量是相等的，因此从整体上看，弧柱是呈电中性的。

从宏观上看,弧柱区的电子流是来自阴极区,正离子流是来自阳极区，在外加电场的作用下,分别沿着相反的方向运动。

但从微观上来看,弧柱内粒子的碰撞、扩散、解离、激励、电离、复合等过程都进行得非常激烈。

弧柱的温度很高,可以达到5000-50000K。

其电离和复合过程也进行得非常激烈。

复合过程主要在弧柱的周边进行，由于复合,虽然使正、负带电粒子的数量减少，但是在弧柱中心部位激烈地进行着电离过程，又可产生大量的电子和正离子。

当电弧稳定燃烧时,这两个过程处于一种动态平衡状态。

弧柱区的能量也在激烈地转换，由电源提供的电能不断地转化成热能、辐射能、机械能等，当电弧稳定燃烧时,能量转换也处于一种动态平衡状态。

弧柱单位长度上的电压降即为弧柱的电场强度E。

E的大小反映了弧柱的导电性能,E值越小,说明弧柱的导电性能越好。

E的大小与电弧的气体种类、电流大小等因素密切相关。

2）阴极区的导电机构

阴极区的总电流是由电子流和正离子流共同组成的。

其中电子流主要来自阴极发射,正离子来自弧柱区和阴极区自身气体的电离。

电子流占总电流的比率取决于电极材料的种类、电流大小、气体介质等工作条件。

阴极区的导电机构三类:

（1）热发射型

（2）电场发射型

（3）等离子型

（ⅰ）热发射型当采用W,C等热阴极材料作为阴极,而且流过大电流时,能发生热发射型导电。

如果电流足够大，阴极通过热发射就能够提供弧柱区所需要的电子比率。

阴极表面以外的区域将与弧柱区没有区别。

其电流组成与弧柱区相同（电子流比率约占99.9%），其空间电荷总和为零,对外呈中性,弧柱的断面一直到阴极表面不发生很大变化，不产生收缩。

阴极表面导电区域的电流密度也与弧柱区相近（约为103A/cm2）,阴极表面不再存在阴极斑点，阴极区的电压降很小，甚至为零。

在大电流钨极氬弧焊时这种阴极导电机构占主要地位。

（ⅱ）电场发射型

当采用Cu、Fe、Al等冷阴极型材料作为阴极,或采用W、C等热阴极型材料作为阴极但电流比较小时,将主要发生电场发射型导电。

冷阴极型电极受材料沸点的限制，其表面的温度不能升得很高.因此阴极表面不可能产生强烈的电子热发射。

当电场强度足够大时,就会使阴极表面的电子冲破束缚发射出来,即产生电场发射。

在电场发射型导电时,阴极表面有阴极斑点。

当用W、C等材料作阴极且电流比较小时,阴极斑点是固定不动的,电流密度较低,即使是交流电弧也很稳定。

当用Cu、Fe、Al等材料做阴极时,阴极斑点是游动的,电弧自动选择最有利于电场发射的点作为阴极斑点,阴极斑点可能是一个,也可能是多个,电流密度较高，在交流情况下电弧不稳定。

这种形式的导电机构是熔化极电弧焊常见的导电机构。

在通常的情况下电场发射型和热发射型两种导电机构并存。

当电极材料的熔点较高或逸出功较小时,热发射的比例较大，电场发射的比例较小；

反之,热发射的比例较小,电场发射的比例较大,阴极压降也比较大。

当焊接电流增大时,一般热发射的比例增大,电场发射的比例减小,阴极压降也减小。

（ⅲ）等离子型这是低气压钨极氩弧焊或使用冷阴极、小电流时容易产生的一种导电机构。

在这种情况下,在阴极的前方会出现一个很亮的球形区域,温度很高,有时甚至接近10000℃,在此处能产生强烈的热电离。

电弧燃烧时,阳极区主要接受来自弧柱的占总电流99.9%的电子流，同时，还要向弧柱区发送约占总电流0.1%的正离子流。

每一个电子到达阳极时，将向阳极释放出相当于电子逸出功的能量。

但是，阳极向弧柱区提供正离子流相对复杂一些，因为阳极不能发射正离子,正离子只能由阳极区供给。

根据电弧电流密度的大小，阳极区可以通过两种不同的方式提供正离子。

3）阳极区的导电机构

（ⅰ）电场电离当电流密度较小时,在阳极区难以发生热电离过程,阳极前面的正离子不足,正离子数少于电子数,因此阳极前方能形成负的空间电荷和空间电场,因此能产生一定的阳极压降UA。

在阳极压降的作用下,来自弧柱区的电子被加速,其动能大大提高。

此时,电子不仅拥有弧柱区给予的动能,而且增加了阳极区给予的动能。

当阳极压降UA增加到一定程度时，其中有一部分电子与中性粒子发生碰撞后产生电场电离。

（ⅱ）热电离当电流密度较大时,阳极表面及其前面的温度都很高,阳极的温度可以达到阳极材料的沸点,因此能发生蒸发,使阴极区充满大量的蒸汽。

金属蒸气中原子的电离能一般都比较低,因此在高温的作用下容易发生电离。

3．焊接电弧的电特性

（一）、焊接电弧的静特性

在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧时，焊接电流和电弧电压变化的关系，又称伏安特性。

Ⅰ段：

电弧电压随电流的增加而下降，是下降特性段

Ⅱ段：

呈等压特性，即电弧电压不随电流的变化而变化，是平特性段

Ⅲ段：

电弧电压随电流的增加而上升，是上升特性段

焊接电弧静特性的应用

对于不同的焊接方法，电弧静特性曲线有所不同。

静特性下降段电弧燃烧不稳定而很少采用。

焊条电弧焊、埋弧焊多半工作在静特性水平段。

熔化极气体保护焊、微束等离子弧焊、等离子弧焊也多半工作在水平段，当焊接电流很大时才工作在上升段。

熔化极气体保护焊和水下焊接基本上工作在上升段。

（二）、焊接电弧的动特性

焊接电弧的动特性，是指在一定弧长下，当电弧电流很快变化时，电弧电压和电流之间的关系：

Uf=f（if），由于热惯性对电离度的影响，焊接电弧的动特性曲线不同于静特性曲线特性

1.焊接电弧的能量特性

（1）弧柱区的能量特性：

一般电弧焊中，弧柱的热量仅有少部分通过辐射传给了焊丝或工件，而是通过弧柱散热损失了；

等离子弧焊接中焊丝或工件的加热熔化主要靠弧柱的热量。

弧柱区能够产生的能量主要是弧柱中正离子和电子的动能。

弧柱区的热能在一般情况下不能直接作用于电极或母材,主要是通过对流、辐射和传导散失在周围气体中。

一般电弧焊时,对流损失约占总损失的80%以上，辐射损失为10%左右，而传导的损失是很少的。

当采用等离子弧焊接、切割或钨极氩弧焊时，则可以利用弧柱的热量来加热焊丝和焊件。

3）阳极区的能量特性

阳极区产生的能量可以直接用来加热焊丝和工件，阳极区产热为：

PA=I（UA+Uw+UT）

UA-阴极压降

Uw-逸出电压

UT-与弧柱温度相当的电压

2.焊接电弧的温度分布

钢焊条焊接工件时，阳极区温度约为2600K，阴极区温度约为2400K，电弧中心区温度最高，可达6000～8000K。

由于电弧截面的特点所以电流密度及能量密度在弧柱区较低。

1）焊接电弧轴向温度分布

焊接电弧沿轴向的温度分布如图1-6所示。

图中还给出了能量密度与电流密度是相对应的,即阴极区和阳极区的电流密度和能量密度均高于弧柱区。

2焊接电弧的温度分布

许多研究表明,一般电弧焊时，阴极和阳极产生的热量相近,但由于阴极发射电子消耗的能量较多,故其温度比阳极低一些。

阴极温度约为2200-3500K，而阳极温度约为2400-4200K。

在相同的产热情况下,电极的温度受电极材料的种类、导热性、电极的几何尺寸影响较大。

一般来说,材料的沸点越低、导热性越好、电极的尺寸越大,电极的温度越低,反之，则越高。

弧柱区的温度受电流大小、电极材料、气体介质、弧柱的压缩程度等因素的影响较大。

焊接电流增大,弧柱区的温度增加，在常压下，当电流由1A至1000A变化时,弧柱区的温度可在5000K至30000K之间变化；

金属蒸汽的电离电压一般比较低，当电极材料不同时，其蒸汽的电离电压不同，因而对弧柱区温度的影响不同，其电离电压越低，弧柱的温度也越低；

当电弧周围有高速气流流动时（如等离子弧），由于气流的冷却作用，使弧柱区电场强度提高,温度上升；

当气体介质中含有较多易电离的物质（如碱金属、碱土金属的蒸气等）时,虽然能提高电弧的稳定性,但弧柱区的温度有所降低。

反之，如果介质中含有电离能较高的物质,特别是存在负电性元素氟时,能显著地提高弧柱区的温度。

例如,用含氟的焊剂进行埋弧焊时,弧柱区的温度可高达7850K。

含氟越多，温度越高。

其原因是:

氟易与电子在电弧周边容易结合形成负离子F-,使得电弧周边难以导电，电弧电流主要从电弧中心流过，这相当于对电弧产生了压缩作用，因而使弧柱的温度提高。

2）焊接电弧径向温度分布

在焊接电弧的横断面内,温度沿径向的分布是不均匀的,中心轴温度最高,离开中心轴的温度逐渐降低,如图1-7所示。

这主要是由于外围散热快造成的。

焊接电流越大,电弧中心的温度越高。

3焊接电弧力及其影响因素

焊接电弧燃烧时,不仅能产生热，而且能产生机械作用力,包括电磁收缩力、等离子流力、斑点压力等,这些力统称为焊接电弧力。

焊接电弧力对熔滴过渡、熔深尺寸、焊缝成形、飞溅大小,以及焊缝的外观缺陷（如咬肉、焊瘤、烧穿等）均产生很大的影响。

（1）焊接电弧力

焊接时,焊接电弧能产生以下机械作用力:

1）电磁收缩力

由电磁学理论可知,任何一根载流导体都会在其周围产生磁场,如果把第二根载流导体平行地置于第一根导体附近时,则每根导体周围都有两个磁场作用,这两个磁场作用的结果会产生力。

（1）焊接电弧力

如果两个导体通以同方向电流,将产生吸引力；

如果电流方向相反，则产生排斥力。

这种由磁场的相互作用而产生的力称为电磁力。

由于两个导体电流方向相同而产生的吸引力称为电磁收缩力,它的大小与导体中流过的电流大小成正比,与两导线间的距离成反比。

焊接电弧可以看成是由许多平行的电流线组成的导体。

这些电流线之间也将产生相互吸引力,使导体断面产生收缩趋势,如图1-8所示。

如果导体是固体,这种收缩力不能改变导体的外形,而如果导体是气体或液体,则将产生收缩，如图1-9所示

（2）等离子流力（电磁动压力）

由于焊接电弧呈圆锥状,使得靠近电极处的电磁收缩力大,靠近焊件处的电磁收缩力小,因而形成沿弧柱轴线的推力F推。

在F推的作用下,较小截面处（如图1-11中A点处）的高温粒子向焊件方向（如图1-11中B点处）流动,同时在电极上方不断补充新的气体进入电弧区,并被加热和强烈电离,从而形成连续不断的等离子气流，并冲向焊件表面,产生压力作用。

这种由电弧推力引起的等离子气流高速运动所形成的力称为等离子流力,也称为电弧动压力。

等离子流力与等离子气流的速度、焊接电流值、电极状态、电弧形态、电弧长度等均有密切关系。

电弧中等离子气流的速度很大，可以达到每秒数百米,其中电弧中心线上的速度最大,因此电弧中心线上的动压力大于周边的动压力；

焊接电流越大，中心线上的动压力越大,而分布的区间越小。

当钨极氩弧焊的钨极锥角较小、电流较大时,或熔化极氩弧焊采用射流过渡工艺时,等离子流力很显著,容易形成如图1-12b所示的指状熔深焊缝。

（3）斑点压力

当电极上形成斑点时,由于斑点上导电和导热的特点，在斑点上将产生斑点压力。

斑点压力包括以下几种力:

1）正离子和电子对电极的撞击力

2）电磁收缩力

3）电极材料蒸发产生的反作用力

（2）焊接电弧力的影响因素

影响焊接电弧力大小的主要因素有:

1）焊接电流和电弧电压

当增大焊接电流时,电弧力显著增加（见图1-14），这主要与电磁收缩力和等离子流力显著增加有关。

当电弧电压升高时,意味着电弧长度增加,由于电弧范围的扩展,使电弧力降低,如图1-15所示。

2）焊丝直径

当焊接电流相同时,焊丝直径越小,电流密度越大,因此电弧电磁力越大。

同时,造成电弧锥形越明显,等离子流力越大,使总的电弧力增大,如图1-16所示。

3电极的极性

电极的极性对不同焊接方法的电弧力的影响不同。

对于熔化极气体保护焊,当采用直流正接时,焊丝接负,电弧中正离子对熔滴的冲击比较大,有较大的斑点压力作用在熔滴上,不利于熔滴过渡,且熔滴容易长大,但不能形成很强的电磁力和等离子流力,因此电弧力较小

对于钨极氩弧焊,由于通常情况下阴极区收缩的程度比阳极区大,因此当采取正接时将形成锥度较大的锥形电弧,产生的轴向推力大,电弧压力也大

4）气体介质

不同种类的气体介质热物理性能不同,故对电弧力的影响也不同。

导热性强的气体，或分子是由多原子组成的气体消耗的热能多,能引起电弧的收缩,因而导致电弧力的增加,如图1-19所示。

当电弧空间气体压力增加或气体流量增加时，也会引起电弧收缩,导致电弧力增加。

5）钨极端部的几何形状

钨极端部的几何形状与电弧作用在熔池上的力有密切关系。

当钨极端部的角度变化时,电弧力也发生变化,如图1-20所示,当角度为45度时具有最大的电弧压力。

6）电流的脉动

当电流以某一规律变化时,电弧压力也相应的发生变化。

低频脉冲焊时,电弧压力随电流的变化而变化,如图1-21所示。

对于工频交流钨极氩弧焊,其电弧压力低于直流正接时的压力,而高于直流反接时的压力。

4电弧与磁场的作用

电弧的刚直性（挺直性、挺度）：

电弧抵抗外界干扰，力求保持焊接电流沿电极轴向流动的性能。

电磁力是产生电弧刚直性的主要原因。

磁偏吹

磁偏吹：

电弧在外加磁场的作用下偏离焊丝或焊条的轴线方向的现象称为磁偏吹。

磁偏吹可以造成电弧熄灭、熔滴过渡不规则、焊缝成形不良、引起未焊透、夹渣等缺陷。

磁偏吹产生原因

产生原因：

--导线连接位置

--电弧附近电磁铁

--磁性回路

--焊接位置

--异种金属焊接时磁特性不同

当采用直流电焊接时能产生严重的磁偏吹，而采用交流电焊接时要弱得多。

当电弧周围的磁场是均匀的、磁力线分布相对电弧轴线是对称的时候，电弧能轴向对称，但当电弧周围的磁场分布不均匀,使电弧一侧的电磁力大于另一侧时，电弧就要偏向一侧。

能够引起磁偏吹的情况有以下几种:

（1）地线接线位置

偏向电弧一侧如图1-25所示.地线接线的位置在电弧移动方向的左侧,焊接时,除焊接电弧能产生磁场外,焊件上接地线一侧的母材由于流过电流，也产生磁场,因而加大了电弧左侧的磁场,使电弧向右侧偏吹。

（2）电弧一侧放置铁磁物质

如图1-26所示,铁磁物质放置在电弧移动方向的右侧,由于铁磁物质磁导率大,使磁力线大部分通过铁磁物质形成回路,而使该侧空间中的磁力线数量大大减少,因此导致电弧两侧受力不平衡