1焊接工程学(第一章)-弧焊基础

当金属表面存在一定强度的正电场时，金属内 部的电子会受到电场力的作用，当电场力足够 大时电子飞出金属表面的现象。
当金属表面受光能照射时，内部自由电子冲破 表面束缚而产生电子发射的现象。
当正离子撞击阴极表面时，其动能将传递给阴 极内部的电子，从而使其逸出金属表面的发射 过程。
第一节 焊接电弧
在实际焊接电弧中，当使用沸点高的材料（如 W或C）作电极时，其阴极区的带电粒子主要靠热 发射来提供，通常称为热阴极电弧。
弧柱整体呈电中性。电弧放电具有大电流（可 达上千安培）、低电压（可为几伏）的特点。
第一节 焊接电弧
2.2 阴极区的导电特性
阴极区的作用是向弧柱区提供所需 要的电子流，并接受由弧柱区送来的正 离子流。
根据阴极材料种类、电流大小以及 电弧气体介质不同，阴极区的导电机构 可分为三种类型：
第一节 焊接电弧
粒子的激励状态是一种非稳定状态，它存在的 时间十分短暂，一般为10-2~10-8S。
第一节 焊接电弧
在粒子的激励过程中，当较高能级的激励粒子 不断接受外来能量，达到或超过电离能时则会使其 电离，否则将自己的能量以辐射能的形式释放出来， 而恢复到原来的稳定状态。
低能级的激励粒子也可能通过碰撞将能量传递 给其他粒子而恢复到稳定状态。
第一节 焊接电弧
✓ 正常状态下，气体由中性分子或原子组成，不含 带电离子，在外电场作用下，不产生定向运动。
✓ 为使正常状态下的气体导电，必须首先产生带电 离子，气体中的带电离子在外电场的作用下，产 生定向运动，导致气体导电。
✓ 气体导电时，电流与电压的关系不遵循欧姆定律。
第一节 焊接电弧
气体放电的伏—安特性
使用沸点很低的材料（如钢、Cu、Al、Mg） 作电极时，由于其沸点低，电极加热温度受沸点限 制不可能很高，热发射不能提供足够的带电粒子， 此时电场发射起主要作用，这种电弧称为冷阴极电 弧。
第一节 焊接电弧
1.3 负离子的产生
在一定条件下，某些中性原子或分子吸附一个电 子就会形成负离子。负离子是焊接电弧中除电子和正 离子之外的另一种带电离子。
粒子的激励过程是与电离过程和电弧特性密切 相关的物理现象。
第一节 焊接电弧
碰撞传递
能量的传 输途径
光辐射 传递
第一节 焊接电弧
碰撞传递是借助于气体粒子相互碰撞时进行能量 转移和传递的方式。弹性碰撞将引起粒子温度变化， 但不能产生电离过程；非弹性碰撞不但能使被碰撞的 粒子的内部结构发生变化，还会使中性气体粒子电离 并为电弧提供带电粒子。
电弧放电区 是气体放电中电 压最低、电流最 大、温度最高、 发光最强的一个 放电区域。
第一节 焊接电弧
电弧是由两个电极和它们之间 的气体放电空间构成,电弧的带电 粒子主要由气体的电离和电极发射 电子产生。
第一节 焊接电弧
1.1 气体的电离
电离：在一定的条件下，中性气体分子或原
子分离成为电子和正离子的现象。 为了将气体电离，就必须施加足够的能量，使
电子从金属表面飞出所需要的最低外加能量称 为逸出功。逸出功（Ww）与逸出电压（Uw）、电 子电量（e(V)）的关系为：Ww=Uw·e(V)
根据外加能量的不同，电子发射可分为热发射、 电场发射、光发射和粒子碰撞发射。
第一节 焊接电弧
热发射 电场发射
光发射 碰撞发射金Fra bibliotek表面由于受热将使其内部的自由电子的热 运动加剧，当自由电子的动能大于逸出功时， 飞出金属表面参加电弧的导电现象。
前言
前言
前言
前言
前言
水下焊接
前言
焊 接 机 器 人
课程主要内容 电弧焊基础知识 常见的焊接方法
金属焊接性基础及常用工程材料的焊接 焊接结构的力学性能及断裂、疲劳理论
第一章
电弧焊基础知识
第一节 焊接电弧
第一节 焊接电弧
1. 焊接电弧的导电特点
电弧示意图
电弧是一种
气体放电现象， 即当两电极之间 存在电位差时， 电荷通过两极之 间的气体空间的 一种导电现象。
普通电弧中当焊接电流较小时，仅存在一次电 离；在大电流焊接电弧中，电弧温度很高，可能
出现二次或三次电离，但仍以一次电离为主。
电离能的单位为电子伏(eV)，1电子伏就是1个 电子通过1V电位差的空间所需要的能量。
第一节 焊接电弧
通常情况下，分子状态时的电离电压比原子状 态时的电离电压值要高。
气体电离电压的高低可以说明电子脱离原子或 分子时所需要外加能量的大小，即在某种气氛中产 生带电粒子的难易程度。相同的外加能量条件下， 气体的电离电压越低，气体产生带电粒子就越容易。
前言
明代的科学著 作《天工开物》上 关于煅焊的记载： “凡铁性逐节粘合， 涂以黄泥于接口之 上，入火挥槌，泥 滓成枵而去，取其 神气为媒合，胶合 之后，非灼红斧斩 永不可断也”。
前言
21世纪，焊接技术是机 械制造工业中的关键技术之 一，是现代先进制造技术的 一个重要组成部分。每年需 进行焊接加工使用的钢材占 钢材总量的45%左右；在航 空航天、核能利用、电子信 息、海洋钻探、现代电力、 高层建筑等方面，都利用了 现代焊接技术的先进成果。
在实际的电弧过程中，通过气体粒子间的碰 撞将能量传递给中性粒子并使之电离，是电弧本身 产生带电粒子以维持其导电的主要途径。而通过光 辐射传递能量来产生带电粒子则是次要途径。
第一节 焊接电弧
电弧中气体粒子的电离因外加能量的种类不同 而分为三种：由于气体粒子的热运动发生碰撞而产生 的热电离；带电粒子在电场的作用下与中性粒子产生 非弹性碰撞而产生的场电离；中性粒子由于光辐射的 作用而产生的光电离。
（1）热发射型阴极区导电机构 当阴极采用W、C等高熔点材料，电流较
大时，此时阴极区可达到很高的温度，弧柱所 需要的电子流主要由阴极的热发射来提供，此 种类型的阴极区即为热发射阴极区。
热发射型阴极区导电机构是大电流钨极氩 弧焊的主要导电机构。
第一节 焊接电弧
(2)电场发射型阴极区导电机构 当阴极材料为W、C但电流较小，或者阴
第一节 焊接电弧
如：铁的电离电压为7.9V，比二氧化 碳或氩的电离电压(13.7V、15.7V)低得多。 因此，在钢材的气体保护焊时，如果焊接 电流足够大，电弧空间将充满铁的蒸气， 带电粒子将主要由铁蒸气的电离过程来提 供，电弧气氛的电离电压也将主要由铁蒸 气的电离电压来决定。
第一节 焊接电弧
当中性气体粒子受外来能量作用，但能量不足 以使电子完全脱离气体原子或分子，而可能使电子 从较低的能级转移到较高的能级时，中性粒子内部 的稳定状态将被破坏，但对外仍呈电中性，这种状 态称为激励。使中性粒子激励所需的最低外加能量 称为最低激励能。激励能小于电离能，也用电压值 来表示，称为激励电压。
第一节 焊接电弧
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 电离电压气体供应充分，则电弧空间的带电 粒子将主要依靠这种气体的电离过程来提供， 所需的外加能量也主要由这种气体的电离电 压来决定。通常把这种决定电弧气氛的电离 电压称为实效电离电压。
前言
奥运“鸟巢”— 奥运“鸟巢”钢结 构是由无数根钢管 连接而成，其最大 跨度为343米，高度 达68米，相当于20层 楼高，整个重量达 4.2万吨，是世界上 跨度最大的多面体 钢架结构建筑。
前言
奥运“鸟巢”最 重要的建造工序就是 焊接，其钢结构的焊 接工序共有80余项施 工工艺标准，选用的 是110毫米厚的Q460高 强度钢材，其焊缝总 长达30多万米，其中 现场焊接焊缝长达6万 多米，仅进行可焊性 实验就用了5个月。
第一节 焊接电弧
2.3 阳极区的导电特性
阳极区的作用是接受由弧柱流过的电子流和向 弧柱提供所需要的正离子流。
由于阳极不能直接发射正离子，所以正离子只 能由阳极区提供。
根据电弧电流密度的大小，阳极区可由两种方 式提供正离子：
第一节 焊接电弧
当电流密度较大时，阳极温度很高， 阳极材料发生蒸发，靠近阳极前面的空间 有很高的温度。当电流密度增加到一定程 度时，聚集于此的金属蒸气将发生热电离， 生成的正离子流向弧柱，电子则流向阳极。 如果电流足够大，弧柱所需要的正离子可 全部由热电离提供。
第一节 焊接电弧
弧柱区电压降 Uc较小而长度较大， 即电场强度较低；
阳极压降UA和 阴极压降UK沿长度 方向尺寸较小而电 压降较大，即电场 强度较高。
第一节 焊接电弧
2.1 弧柱区的导电特性
由于弧柱气体的导电是以热电离为主，热电离 产生的带电粒子在外加电场的作用下，正离子向阴 极方向运动，电子向阳极方向运动而形成电流。这 种受电场作用而形成的电子流和正离子流将由阳极 区和阴极区产生相应的正离子流和电子流予以补充， 以保证弧柱带电粒子的动态平衡。
焊接工程学
Welding Engineering
前言
前言
前言
焊接是通过加热
或加压（或两者并 用），用或不用填充 材料，使两个分离的 固态物体产生原子 （分子）间结合而成 为一体的连接方法。
前言
焊接是一门古老而又新 兴的加工技术
早在公元3000年前，我 国就有焊接的使用实例：在 秦始皇陵中出土的铜车马上 就发现有煅焊和钎焊的焊缝。
电弧空间气体中被碰撞粒子质量越小，撞击粒子 的质量越大，被撞粒子获得的能量就越大。由于电子 的质量大大小于气体原子、分子或粒子的质量，当具 有足够动能的电子与中性粒子碰撞时，其动能几乎可 以全部传递给中性粒子，转换为内能，使其电离。
第一节 焊接电弧
中性气体粒子也可以通过光辐射传递能量的方 法直接接受外界所施加的能量，使其内能增加，造 成内部结构改变而电离。
随着温度的升高、电场强度的增大、光辐射的 加强，气体的电离度越高。
电弧的温度一般为5000—30000K，电场强度为 10V/cm左右。在弧柱区，由于热电离产生带电粒子 是主要途径，场电离是次要途径，光电离作用最弱。