《焊接电弧》PPT课件.ppt

本章将讲述有关焊接电弧的基础理论知识 包括电弧的物理本质 导电机构 电特性 产热机构和产力机构 以及影响焊接电弧稳定性的因素等 第一章焊接电弧 1 1焊接电弧的物理基础 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 1 1 1电弧的物理本质 图1 2气体放电的伏安特性曲线 图1 2是一对电极气体放电的伏安特性曲线 根据气体放电的特性 可以将其分为两个区域 即非自持放电区和自持放电区 当导电电流大于一定值时 就会产生这种自持放电 在自持放电区内 当电流数值不同时 导电机构也有差异 可以分为暗放电 辉光放电和电弧放电三种形式 其中 暗放电和辉光放电的电流较小 电压较高 发热发光较弱 而电弧放电的电流最大 电压最低 温度最高 发光最强 正是因为电弧具有这样的特点 因此在工业中广泛用来作为热源和光源 在焊接技术中成为一种不可缺少的能源 综上所述 从电弧的物理本质来看 它是一种在具有一定电压的两电极之间的气体介质中所产生的电流最大 电压最低 温度最高 发光最强的自持放电现象 两电极之间要产生气体放电必须具备两个条件 一是必须有带电粒子 二是在两极之间必须有一定强度的电场 电弧中的带电粒子指的是电子 正离子和负离子 引燃电弧和维持电弧燃烧的带电粒子是电子和正离子 这两种带电粒子主要是依靠电弧中气体介质的电离和电极的电子发射两个物理过程产生的 在电弧引燃和燃烧的过程中 除了存在电离和发射这两个过程外 还伴随有气体解离 激励 生成负离子 复合等过程 1 1 2电弧中带电粒子的产生 带电粒子的产生 无论是什么物质 能否呈现导电性 都取决于其在电场的作用下 是否拥有可自由移动的带电粒子 带电粒子的产生方式 1 气体电离 2 电极发射电子 3 形成负离子 1气体电离 a电离 中性气体分子或原子分离成电子和正离子的现象 b电离电压 电离能用电压来表示 电离电压低说明气体的电离比较容易 电弧比较稳定 1 气体的电离 两电极之间的气体受到外加能量 如外加电场 光辐射 加热等 作用时 气体分子热运动加剧 当能量足够大时 由多原子构成的气体分子就会分解为原子状态 这个过程称为解离 待删除 在外加能量的作用下 使中性气体分子或原子分离成为正离子和电子的现象称为电离 电离时 中性气体分子或原子吸收了足够的能量 使得其中的电子脱离原子核的束缚而成为自由电子 同时使原子成为正离子 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 生成的正离子称为一价正离子 所发生的电离称为一次电离 1 电离与激励 a 电离能通常以电子伏 eV 为单位 1电子伏就是1个电子通过1V电位差的空间所获得的能量 其数值为1 6 10 19J 为了便于计算 常把以电子伏为单位的能量转换为数值上相等的电压来处理 单位为伏 V 此电压称为电离电压 b 气体电离电压的大小说明电子脱离原子或分子所需要外加能量的大小 也说明某种气体电离的难易程度 在相同的外加条件下 气体电离电压低说明产生带电粒子比较容易 就此而言 有利于维持电弧稳定燃烧 c 不仅原子状态的气体可以被电离 而且分子状态的气体也可以直接被电离 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 例如氢原子为13 5V 而氢分子为15 4V 但是有些气体分子的电离电压反而比原子的电离电压低 如NO分子的电离电压为9 5V 而N原子和O氧子的电离电压分别为14 5V和13 5V d 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 例如 Fe的电离电压为7 9V 比CO2 13 7V 或Ar 15 7V 低很多 当用气体保护焊焊接钢材时 如果焊接电流足够大 电弧空间将充满由铁蒸汽电离而生成的带电粒子 外加能量相对较低 e 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 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 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 气体粒子的平均速度与温度的关系 a 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 弹性碰撞 碰撞时粒子之间只发生动能的传递和再分配 碰撞前后两个粒子的动能之和基本不变 粒子的内部结构也不发生任何变化 只能引起粒子运动速度和温度变化 这种情况通常是在气体粒子拥有的动能较低时发生的 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所需要的电压 则粒子被电离 随着 T升高 P减小 Ui减小 X增大 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 电子的质量远远小于气体原子 分子或离子 因此当具有足够动能的电子与中性粒子进行非弹性碰撞时 它的动能几乎可以全部传给中性粒子 转换为中性粒子的内能 使其激励或电离 b 电离度X 2 场致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 这种电离称为场致电离 a 连锁反应电离b 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 弧柱部分 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 场致电离是次要的 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 因此场致电离很显著 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 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 电弧的光辐射波长170 500nm 对K Na Ca Al能直接引起光电离 光电离是产生带电粒子的次要途径 2 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 电子发射在阴极和阳极皆可能发生 但是从阳极发射出来的电子因受到电场的排斥 不能参加导电过程 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 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 4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 表1 4几种金属及其氧化物的逸出功 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 过程 金属电极内部的自由电子受到热作用以后 热运动加剧 动能增加 当自由电子的动能大于该金属的电子逸出功时 就会从金属电极表面飞出 参加电弧的导电过程 能量 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 影响电子流密度的因素 温度 T升高 i增大 材料 热阴极电弧 W 5950k C 4200K 主要依靠热发射 冷阴极电弧 钢 3008K 铜 2868K 铝 2770K 须依靠其它方式补充发射电子 2 场致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场致发射 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 电子从阴极带走的热量减少 对阴极的冷却作用降低 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 但有时候由于光亮不足够强 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 焊接电弧中正离子撞击阴极表面产生的电子发射是很典型的粒子碰撞发射 过程 电场加速正离子 获得动能 撞击阴极表面 将动能WK传给阴极 从阴极夺取一个电子与其复合 释放出电离能Wi 夺取电子消耗逸出功Ww 剩余的能量 Wk Wi Ww发射电子的条件Wk Wi 2Ww 热发射 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 场致发射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 此时场致发射起主要作用 碰撞发射由于焊接电弧的阴极区前面有大量正离子聚集 形成具有一定强度的电场 能使正离子加速撞击阴极 因而在一定条件下 粒子碰撞发射能够成为向电弧提供导电所需电子的主要途径 光发射 在阴极电子发射中则居于次要地位 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 a 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 b 电子亲和能 F Cl Br I 大 易形成负离子 O O2 OH NO H2O Li等可形成负离子 惰性气体不能形成 c 在温度较低的电弧周边形成 原因 电弧中心 电子速度快 形成过程是发热过程 d 质量大 速度低 抵消电子数量 降低电弧稳定性 3 产生负离子 1 1 3电弧中带电粒子的消失 电弧导电过程中不仅有带电粒子的产生过程 而且有带电粒子的消失过程 而且 当电弧稳定燃烧时这两个过程处于动态平衡状态 即在单位时间内产生的带电粒子数目等于消失的带电粒子的数目 主要有两种方式 扩散 即带电粒子离开它们原来的地方 而逃逸到电弧的四周 不再参加放电过程 复合 即正的带电粒子和负的带电粒子结合成中性的原子或分子 这里既有电子与正离子的复合 也有负离子与正离子的复合 在复合的过程中释放出大量的热和光 包括 空间复合和电极表面复合 空间复合 电弧中心 带电粒子数量多 温度高 速度大 复合几率小 电弧周边 温度低 速度低 可以产生复合 中心正离子受周边负离子的吸引 在电弧周边可能复合 交流电弧 由于电流瞬间熄灭 温度降低 带点粒子大量复合 引弧困难 电极表面复合 正离子撞击阴极 并从阴极夺取一个电子与其复合 剩余的能量 Wk Wi Ww若Wk Wi 2Ww则还可能发射一个电子 1 1 4 焊接电弧的极性 焊接电弧的极性 直流焊接时电弧的两极与电源的连接方式称为电弧的极性 直流正接 正极性 直流反接 负极性 使用酸性焊条焊接时 采用直流正接法焊接厚板 可以获得较大熔深 保证焊透 而采用直流反接法焊薄板 可防止烧穿 使用碱性低氢型焊条时 采用直流反接 可以减少氢气孔的产生 1 2焊接电弧的产生过程 电弧焊时 仅仅把焊接电源电压加到电极和焊件两端是不能产生电弧的 首先需要在电极和焊件之间提供一个导电的通道 才能引燃电弧 两种引弧方式 接触式引弧和非接触式引弧 1 2 1接触式引弧 接触式引弧亦称为短路引弧 常用于焊条电弧焊 埋弧焊 熔化极气体保护电弧焊等 操作方法 将焊条 或焊丝 和焊件分别接通于弧焊电源的两极 将焊条 或焊丝 与焊件轻轻地接触 然后迅速提拉或焊丝自动爆断 这样就能在焊条 或焊丝 端部与焊件之间产生一个电弧 这是一种最常见的引弧方式 焊接电弧虽然是在一瞬间产生的 但实际上包含了短路 分离和燃弧三个阶段 1 短路阶段 当焊条 或焊丝 一经接触焊件 便发生了短路 短路时电压等于零 而电流急剧增大 由于焊条 或焊丝 端部表面和焊件表面都不可能是绝对平整光洁的 因此 它们之间只是在几个突出的点上接触 电流也只是从这些点流过 见图1 4 由于接触点的面积很小 因此流过这些点的电流密度极大 这导致在接触点上产生大量的电阻热 使接触点处的温度骤然升高并发生熔化 形成液态金属间层 图1 4焊丝与焊件短路时的接触状态 2 分离阶段 在焊条 或焊丝 与焊件短路后 如果是焊条电弧焊或埋弧焊 一般是迅速将焊条 或焊丝 从焊件上稍稍提起 这使液态金属横截面减小 电流密度急剧增大 温度猛烈升高和电磁收缩力增大 因而使液态金属很快断开 如果是熔化极气体保护电弧焊 由于焊丝直径一般较细 液态金属则会发生爆断 在焊条 或焊丝 与焊件分离的瞬间 一方面焊条 或焊丝 与焊件之间的电场强度急剧增大 另一方面两极之间能产生大量电离势较低的金属蒸汽和药皮蒸汽 3 燃弧阶段 当两极之间既具有足够强的电场作用 又具有足够多的带电粒子时 就会引燃电弧 电弧引燃后 温度继续升高 还产生了弧光 各种形式的发射和电离均得到加强 正 负粒子分别跑向两极 在这个过程中 带电粒子的产生和消失交织在一起 各种能量的释放和消耗交织在一起 经过短暂的调整 带电粒子的产生和消失 能量的释放和消耗达到动态平衡 焊接电弧就进入了稳定燃烧阶段 在燃弧阶段 由于电极为冷阴极 电子发射仍以场致发射为主 1 2 2非接触式引弧 非接触式引弧是指在电极与焊件之间存在一定间隙 施以高电压击穿间隙 使电弧引燃的方法 常用于钨极氩弧焊 等离子弧焊等 为了避免钨极被污染或造成焊缝夹钨 一般不允许钨极与焊件接触 此时只能采用非接触式引弧 非接触式引弧有两种方式 高频高压引弧 电压峰值一般为2000 3000V 每次振荡频率为150 260KHZ 高压脉冲引弧 电压峰值一般为3000 5000V 频率为50HZ或100HZ 引弧施加方式有并联和串连两种 并联方式是直接把引弧电压接到钨极和焊件两端 串联方式是把引弧电压串联到焊接回路中 通过高频输出变压器和旁路电容加到钨极和焊件上 串联方式主回路构成简单 而且引弧效果好 目前用的比较多 图1 5高频和脉冲引弧示意图a 引弧器接入方式b 高频高压引弧电压波形c 高压脉冲引弧电压波形Uyh 引弧电压t 时间 非接触式引弧只包含激发和燃弧两个阶段 激发阶段 在钨极和焊件之间除了施加焊接电源的空载电压外 还施加了高频高压引弧电压或高压脉冲引弧电压 由于引弧电压很高 在阴极表面能产生非常强烈的场致发射 因此能为电极空间提供大量的电子 这些电子在强电场的作用下被加速运动 能撞击中性原子 因此也能产生强烈的场致电离 使带电粒子数量进一步增加 燃弧阶段 1 3焊接电弧的构造及其导电机构 焊接电弧 阴极区 狭窄 10 5 10 6 cm UK大 场强大 阴极斑点阳极区 稍宽 10 2 10 3 cm UA较小 场强较小 阳极斑点弧柱区 很长 Uc小 场强很小在长度方向上 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 其径向方向上 中心的带电粒子密度大 而周围的小 1 3 1焊接电弧的构造 图1 6电弧各区的电压分布 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 3 2焊接电弧的导电机构 组成 阴极区的总电流是由电子流和正离子流共同组成的 电子流占总电流的比率 60 80 取决于电极材料的种类 电流大小 气体介质等工作条件 1 阴极区的导电机构 导电机构三类 1 热发射型 2 场致发射型 3 等离子型 比例非常少 1 热发射型条件 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 在这种情况下 阴极区可以达到很高的温度 因此可以产生很强烈的电子热发射 特点 a 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 b 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力 阴极区的电压降很小 甚至为零 c 在大电流钨极氬弧焊时这种阴极导电机构占主要地位 2 场致发射型条件 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 将主要发生场致发射型导电 导电机构 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 由于最初电子供应不足 使得靠近阴极的区域正负电荷处于非平衡状态 正离子过剩并造成堆积 形成正的空间电荷 因而在阴极表面前面形成局部较高的电场 只要阴极不能发出足够的电子数量 正离子将继续堆积 电场强度将继续增加 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 即产生场致发射 W C阴极 小电流Fe Al Cu等冷阴极热发射不够 造成正离子在阴极前的堆积 从而形成正电场 在电场作用下电极通过电场发射形式发射电子 所以热发射和电场发射同时存在 从阴极发射的电子被该电场加速 当动能大于气体的电离能时 就会在阴极区的终端与中性粒子碰撞并电离 电离出来的正离子与从弧柱区来的正离子一起向阴极运动 使正离子流占阴极区总电流的比率大大增加 阴极区的电子流和正离子流比率的变化如图1 7所示 图1 7阴极压降区的电子流和离子流 特点 在场致发射型导电时 阴极表面有阴极斑点 a 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 b 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场致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 特点 a 场致谢发射的导电机构是熔化极电弧焊常见的导电机构 b 在通常的情况下场致发射型和热发射型两种导电机构并存 c 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 场致发射的比例较小 反之 热发射的比例较小 场致发射的比例较大 阴极压降也比较大 d 当焊接电流增大时 一般热发射的比例增大 场致发射的比例减小 阴极压降也减小 3 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100000C 在此处能产生强烈的热电离 2 弧柱区的导电机构 组成 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 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 3 阳极区的导电机构 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 阳极区可以通过两种不同的方式 场致电离 热电离 提供正离子 1 场致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场致电离 生成的电子与从弧柱来的电子共同组成阳极电流进入阳极 生成的正离子向弧柱区输送 当通过场致电离提供给弧柱的正离子流达到总电流的0 1 时 阳极压降UA不再继续升高 而保持稳定 图1 9阳极区带电粒子的运动情况和电位分布示意图 2 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 使阳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 如果电流足够大 阳极区的温度很高 阳极区完全能通过电离满足弧柱区对正离子流的需要 此时 阳极区压降很低 可接近于零 1 3 3最小电压原理含义 在电流和周围条件一定的情况下 稳定燃烧的电弧将自动选择一适当的断面 以保证电弧的电场强度具有最小的数值 即在固定弧长上的电压最小 这意味着电弧总是保持最小的能量消耗 E r R E 电弧半径的稳定值由电场的最小值决定 根据最小电压原理 在电流和周围条件一定时 电弧的断面既不能大于其自动确定的值 也不能小于其自动确定的值 如果断面大了 电弧与周围介质的接触面将增大 电弧向周围介质散失的热量要增加 必须增加电场强度 以产生更多的热量才能与其相平衡 在这种情况下 电弧会自动缩小其断面积 以减小能量损耗 如果断面小了 电弧的电流密度要增加 即在较小的断面里要通过相同数量的带电粒子 使电阻率增加 要维持相同的电流也必须增加电场强度 在这种情况下 电弧会自动增大其断面 以减少能量损耗 1 4焊接电弧的电特性 焊接电弧的电特性主要指的是焊接电弧的静特性和焊接电弧的动特性 1 4 1焊接电弧的静特性焊接电弧的静特性是指在电极材料 气体介质和弧长一定的情况下 电弧稳定燃烧时 焊接电流与电弧电压变化的关系 也称伏 安特性 影响因素 弧长 气体介质 电极材料 图1 10W电极 CU母材之间的TIG电弧静特性曲线 当焊接电流在很大范围内变化时 焊接电弧的静特性曲线是一条呈U型的曲线 故也称为U型特性 包含下降特性 平特性和上升特性三个阶段 下降特性区 电流小 电弧电压随着电流的增大而下降 呈负阻性 平特性区 电流中等 电弧电压在电流变化时可近似地看成不变 上升特性区电流大 电弧电压随电流的增大而增大 呈正阻性 各种电弧焊方法的电弧静特性 图1 15钨极氩弧焊电弧静特性曲线 图1 16铝合金MIG焊电弧静特性曲线 图1 17埋弧焊电弧静特性曲线 SAW submergedarcwelding 埋弧焊 SMAW shieldedmetalarcwelding 焊条电弧焊钨极氩弧焊 TIG 的电弧静特性曲线一般都能明显地表现出三个阶段铝合金熔化极惰性气体保护焊的电弧静特性曲线在小电流区几乎看不到下降特性 在可用电流以上区域都呈现上升特性 埋弧焊电弧静特性曲线呈下降趋势 Ua Ia 小电流TIGSAW TIG MIGMAG 在A区 电流较小 电弧热量较低 电离度低 电弧的导电性较差 需要有较高的电场推动电荷运动 电弧阴极区 由于电极温度低 电子提供能力较差 不能实现大量的电子发射 会形成比较强的阴极电压降 所以电流越小电压越高 TIG焊小电流成下降特性 在B区 电流稍大 电极温度提高 阴极热发射能力增强 阴极电压降低 阳极蒸发加剧 阳极电压降低 也就是说电弧中产生和运动等量的电荷不需要更强的电场 电弧电压自动的维持一定的数值 保证产热和散热的平衡 成平特性 一般埋弧焊 手工焊 大电流TIG焊等都工作在平特性段 在C区 电流更大时 金属蒸汽的发射及等离子流的冷却作用进一步加强 同时由于电磁力的作用 电弧截面不能成比例增加 电弧的电导率减小 要保证较大的电流通过相对比较小的截面 需要更高的电场 MIG焊的电弧一般工作在上升段 1 4 2焊接电弧的动特性焊接电弧动特性的定义 对于一定弧长的电弧 当电弧电流发生连续快速变化时 电弧电压与电流瞬时值之间的关系 称为焊接电弧的动特性 它反映了电弧的导电性对电流变化的响应能力 当焊接电弧燃烧时 恒定不变的直流电弧不存在动特性问题 只有交流电弧和电流变动的直流电弧 如脉冲电流 脉动电流 高频电流等 存在动特性问题 1 交流电弧的动特性PQR是电流从零增加到最大值期间的电弧电压曲线 RST是电流从最大值减小至零期间的电弧电压曲线 从图1 18b可以看出PQR曲线段的电弧电压要比RST曲线段的电弧电压高 交流电弧的动特性是回线形状 图1 18交流电弧动特性曲线 交流电弧的动特性是回线形状的原因 交流电弧的电流每半周要改变一次流动方向 在转换之际电流等于零 电弧熄灭 再引燃时 电流方向转换 如果原来是阳极 则变为阴极 重新发射电子 而且 上半周内在电极附近所形成的负的电荷要向另一极运动 使带电粒子的复合加强 降低了电弧空间的导电能力 使电弧引燃困难 同时在电流增加期间由于要产生新的带电粒子 需要更多的能量 因此电压较高 电流减小区间 由于电弧的热惯性 处于较高的温度状态 电弧中有较多的带电粒子 导电性很强 需要的电弧电压较低 2 电流变动的直流电弧的动特性以图1 19所示的脉动电流电弧为例 其动特性曲线如图1 20所示 也是呈回线特征 图1 19脉动电流 图1 20电弧动特性 弧长 6 5mm 焊丝直径ds 2mm 这种现象可以作如下解释 在焊接电流增大的过程中 由于焊接电弧此前处于相对低的温度状态 电流的增加需要有较强的电场进行驱动 因此表现出电弧电压有某种程度的增加 在焊接电流减小的过程中 由于焊接电流此前已处于较高的温度状态 电弧的热惯性不能立即对电流减小作出反应 电弧中仍然有较多的游离的带电粒子 电弧导电性仍然很强 使电弧电压处于相对较低的水平 从而形成了回线状的电弧动特性曲线 图1 21脉冲电弧动特性a di dt 3600kA s b di dt 2500kA s 电弧动特性曲线的形状随电流脉冲峰值和变化速率的不同而不同 在相同弧长下 电流脉冲峰值越大 其回线越长 脉冲电流的变化速率di dt越快 由于电弧热惯性越大 其回线包围的面积越大 如图1 21所示 燃烧时能够产生热量 这是焊接电弧的一个重要的性能 正是这种性能 使焊接电弧成为一种非常重要的热源被应用于熔焊方法中 并构成了熔焊方法中的一个重要分支 即电弧焊方法 1 5焊接电弧的产热及温度分布 1 5 1焊接电弧的产热机构焊接电弧是具有很强能量的导电体 其能量来自于焊接电源 单位时间焊接电源向阴极区 弧柱区和阳极区提供的总能量P可以用下式表示 P IUk IUc IUA I Uk Uc UA 1 10 1 阴极区的产热阴极区电流I是由电子和正离子两种带电粒子组成的 在阴极区 这两种带电粒子不断地产生 消失和运动 便构成了能量的转变和传递过程 阴极区单位时间获得的能量有 1 电子从阴极表面发射后 电子流穿过阴极区时被阴极压降UK加速 在单位时间里获得的能量 2 向阴极运动的正离子流在到达阴极前 被阴极压降UK加速 在单位时间里获得的能量 3 正离子在阴极表面与电子复合释放出原来电离时所吸收的能量 阴极区在单位时间失去的能量有 1 阴极表面发射电子流在单位时间消耗的逸出功IUw 注Uw为逸出电压 2 正离子在阴极表面拉出电子与之复合 单位时间消耗的逸出功IUw 3 在阴极区的终端 邻近弧柱区 中性粒子电离成电子和正离子时单位时间消耗的电离能IUi 4 从阴极区的终端进入了弧柱区的电子流应具有与弧柱区温度相对应的热能 这部分热能由阴极区提供 其功率为IUT 注 UT为弧柱区温度的等效电压 阴极区单位时间得到的热能PK为 PK I UK UW UT 1 11 2 阳极区的产热阳极接受电子流时可得到以下三部分能量 1 电子流穿过阳极区时被阳极压降UA加速 在单位时间里获得的能量IUA 2 电子流被拉进阳极时 单位时间释放出的逸出功IUw 3 电子流从弧柱带来的与弧柱温度相对应的热能IUT 单位时间阳极区所得到的热能PA为 PA I UA UW UT 1 12 3 弧柱区的产热弧柱区单位时间获得的能量主要有 1 在弧柱压降Uc的作用下 电子流被加速 在单位时间里获得的能量99 9 IUc 以及正离子流被加速 在单位时间里获得的能量0 1 IUc 两者之和为IUc 2 从阴极区进入弧柱区的电子流 占99 9 单位时间带来的热能99 9 IUT 3 弧柱区周边发生的正 负粒子复合所释放出的电离能Wi 弧柱区单位时间失去的能量主要有 1 离开弧柱区进入阳极区的电子流 占99 9 单位时间带走的热能99 9 IUT 2 弧柱中心部位发生的中性粒子电离消耗的电离能 其值与周边正 负粒子复合时释放的电离能Wi基本相等 弧柱区单位时间里得到的热能为 Pc IUc 1 13 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 1 5 2焊接电弧的温度分布 1 焊接电弧轴向温度分布弧柱区温度高 电极受材料的熔点和沸点限制 而弧柱中的气体不受限制 金属电极导热好 热量散失多 阴极和阳极产生的热量相近 但阴极发射电子消耗的较多 温度比阳极低 阴极温度约为2200 3500K 而阳极温度约为2400 4200K 温度 电流密度 功率密度 影响因素 a电极的温度b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 1 焊接电流增大2 金属蒸汽的电离电压3 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 4 当气体介质中含有较多易电离的物质 影响因素 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 1 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 2 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 3 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 4 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 22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 如图1 23所示 图1 23电弧径向温度分布 1 6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 6 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 柱形导体中的电磁收缩力 流态导体中电磁收缩力的影响 1 圆柱形电弧 电弧压力 中心轴上的径向压力 式中 I 电流 R 电弧半径 K 系数 流体中压力各个方向相同 因此作用于焊条及工作上的轴向力为 2 锥形电弧焊接电弧是断面直径变化的圆锥状的气体导体 其模型如图1 26所示 这是因为电极直径限制了导电区的扩展 而焊件上电弧可以扩展得比较宽的缘故 由式 1 14 可知 直径不同将引起压力差 从而产生由电弧指向焊件的推力F推 其方程为 式中 Rb是锥形弧柱下底面半径 Ra是锥形弧柱上底面半径 图1 26焊接电弧模型 2 等离子流力 电弧动压力 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 27中A点处 的高温粒子向焊件方向 如图1 27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 图1 27电弧等离子气流的产生 斑点力斑点是阴极发射电子或阳极导入电子的导电点 斑点力是电弧施加在电极上的作用力 在一定条件下将阻碍金属熔滴的过渡 斑点压力可以是正离子或电子对电极的撞击力 也可以是电磁收缩力或电极材料蒸发的反作用力等 阴极斑点力较大 而阳极的较小 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 1 正离子和电子对电极的撞击力电弧焊时 阴极受到正离子的撞击 阳极受到电子的撞击 因正离子的质量远远大于电子的质量 而阴极压降UK又大于阳极压降UA 因此撞击力在阴极上较大 而在阳极上较小 2 电磁收缩力当电极上形成熔滴并出现斑点时 焊丝 熔滴及电弧中电流线的分布如图1 29所示 电弧空间和熔滴中的电流线都在斑点处集中 由于电磁力合成的方向都是由小断面指向大断面 故在斑点处产生向上的电磁力 阻碍熔滴过渡 一般情况下 阴极斑点尺寸小于阳极斑点尺寸 故阴极斑点受到的力要大于阳极斑点受到的力 图1 29斑点的电磁收缩力 3 电极材料蒸发产生的反作用力斑点上的电流密度很高 使这个部位的温度很高 因而产生强烈的蒸发 使金属蒸气以一定的速度从斑点处发射出来 同时给斑点施加一个反作用力 通常阴极斑点的电流密度比阳极斑点大 因此 导致阴极斑点受到的反作用力大于阳极斑点 1 6 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 30 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 31所示 图1 30MIG电弧的电弧力与电流的关系 图1 31电弧力与弧长的关系 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 32所示 图1 32电弧力F与焊丝直径的关系 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 如图1 33所示 图1 33MIG焊电弧力与焊丝极性的关系 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 如图1 34所示 图1 34钨极氩弧焊电弧力与电极极性的关系 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 35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 图1 35电弧力与气体介质的关系 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 36所示 当角度为45度时具有最大的电弧压力 图1 36电弧力与电极端部角度的关系 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 37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 图1 37脉冲电流下电弧力的变化 当脉冲频率增加时 电弧压力的变化逐渐滞后于电流的变化 当频率高于几千赫兹时 由于高频效应增强 在平均电流值相同的情况下 随着电流脉冲频率的增加 电弧压力增大 如图1 38所示 图1 38电弧力随电流频率的变化 1 7焊接电弧的稳定性及其影响因素 1 7 1焊接电弧的稳定性焊接电弧的稳定性是指焊接时电弧保持稳定燃烧的程度 当焊接电弧的稳定性好时 电弧可在长时间内连续稳定地燃烧 不产生断弧 不产生漂移和磁偏吹等现象 而保持电弧电压和焊接电流基本不变 而当焊接电弧的稳定性差时 电弧电压和焊接电流波动很大 常常使焊接过程无法进行 不仅能恶化焊缝成形 而且能大大降低焊缝的内在质量 1 7 2焊接电弧稳定性的影响因素影响焊接电弧稳定性的因素很多 除了操作人员技术熟练程度以外 还有以下因素 1 焊接电源焊接电源的空载电压越高 越有利于场致发射和场致电离 因此电弧的稳定性越高 此外 焊接电源的外特性还必须与焊接电弧的静特性相匹配 而且还应具有合适的动特性 只有这样 才能使焊接电弧稳定地燃烧 2 焊接电流和电弧电压焊接电流大时的电弧温度比焊接电流小时高 因而电弧中的热电离比焊接电流小时强烈 能够产生更多的带电粒子 因此电弧更为稳定 电弧电压增大意味着电弧的长度增大 当电弧过长时 电弧会发生剧烈摆动 使电弧的稳定性下降 3 电流的种类和极性焊接电流可分为直流 交流和脉冲直流三种类型 其中 以直流电弧为最稳定 脉冲直流次之 交流电弧稳定性最差 直流电弧的极性对于熔化极电弧焊来说 由于受熔滴过渡稳定性的影响 通常是直流反接好于直流正接 对于钨极氩弧焊来说 由于钨属于热阴极材料 可以流过较大的电流 而电流越大 越有利于电子热发射和热电离 因此直流正接时的电弧稳定性好于直流反接时的稳定性 4 焊条药皮和焊剂当焊条药皮或焊剂中含有较多电离能低的元素 如K Na Ca等 或它们的化合物时 由于容易电离 使电弧气氛中的带电粒子增多 因此可以提高电弧的稳定性 如酸性焊条药皮常加入的长石 SiO2 Al2O3 k2O Na2O 云母 SiO2 Al2O3 k2O H2O 和烧结焊剂中常加入的大理石 CaCO3 就具有这样的作用 但是当药皮或焊剂中含有较多电离能比较高的氟化物 如CaF2 氯化物 如KCl NaCl 时 由于能降低电弧气氛的电离程度 因而降低电弧的稳定性 5 磁偏吹所谓磁偏吹 是指焊接时由于某种原因使电弧周围磁场分布的均匀性受到破坏 从而导致焊接电弧偏离焊丝 或焊条 的轴线而向某一方向偏吹的现象 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 39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 图1 39地线接线位置产生的磁偏吹 2 电弧一侧放置铁磁物质如图1 40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 使电弧向右侧偏吹 图1 40电弧一侧铁磁物体引起的磁偏吹 3 平行电弧之间当两个平行电弧的电流方向相同时 相互之间产生吸引 当电流方向相反时 相互之间产生排斥 如图1 41所示 图1 41平行电弧间产生的磁偏吹a 同向电流的电弧互相吸引b 反向电流的电弧互相排斥 6 其它因素焊件上如果有铁锈 水分以及油污等时 由于分解时需要吸热 能减少电弧的热能 因此会降低电弧的稳定性 在露天 特别是在野外大风中焊接时 由于空气的流速快 也会对焊接电弧的稳定性产生有害影响 因此 焊接时应将焊接处清理干净 如果有风 还应采取适当的挡风措施 复习思考题 1解释下列名词 焊接电弧 热电离 场致电离 光电离 热发射 场致发射 光发射 粒子碰撞发射 热阴极型电极 冷阴极型电极 2试述电弧中带电粒子的产生方式 3焊接电弧由哪几部分组成 试述各区域的导电机构 4何谓最小电压原理 5什么是焊接电弧静特性 各种弧焊方法的电弧静特性有什么特点 6什么是焊接电弧动特性 它反映了焊接电弧的何种特性 7试述焊接电弧的产热机构以及焊接电弧的温度分布 8焊接电弧能产生哪些电弧力 说明它们的产生原因以及影响焊接电弧力的因素 9试述影响焊接电弧稳定性的因素