焊接电弧

• 1. 1.1 电弧的导电机理 4，最小电压原理(Steenbeck 最小值原理)
1 焊接电弧
dE =0 dr 或 dE =0 dT
1 焊接电弧
• 1. 1.1 电弧的导电机理 4，最小电压原理 单位长度电弧产生的热量为IE，当I一定时，E 决定了电弧产生热量的大小。 当电弧被周围介质强迫冷却时，则电弧自动收缩 其断面，使电流密度升高，E提高。
1 焊接电弧
• 1. 1.1 电弧的导电机理 2，电弧中带电粒子的产生 2. 电极发射电子 焊接电弧中电极只能发射电子，而且只有阴 极发射的电子参与导电过程。从阳极表面发射出 来的电子因受到电场的排斥不可能参加导电过程， 只能对阳极区空间电荷的数量产生一定的影响。
1 焊接电弧
• 1. 1.1 电弧的导电机理 2，电弧中带电粒子的产生 2. 电极发射电子 溢出功Ww(eV): 使一个电子由金属表面飞出 所需的最低外加能量。 溢出电压Uw(V)
原子种类
F
Cl 3.7
O 3.8
H 0.76
Li 0.34
Na 0.08
N 0.04
电子亲和能 3.94
1 焊接电弧
• 1. 1.1 电弧的导电机理 3，电弧各区域的导电机理 电弧的组成：电弧由阴极(Cathode)区、弧柱区(Arc Column)和阳极(Anode)区组成，各区的主要功能是： 阴极区：发射0.999I电子流和接受0.001正离子流；长度 0.1-0.00001mm。 弧柱区：传输0.999I电子流和0.001正离子流，同时热电 离产生电子和正离子补充消失的带电粒子。 阳极区：接受0.999I电子流和0.001正离子流。长度0.10.00001mm。 电弧的电压是阴极电压、弧柱电压和阳极电压的和。
1 焊接电弧
• 1. 1.1 电弧的导电机理 3，电弧各区域的导电机理 阴极区的导电机理： 电场发射型阴极: 电场发射型阴极 当阴极表面温度较低，单依 靠阴极热发射不能提供足够数量的电子时，则在 靠近阴极的区域，正负电荷的平衡关系被打破， 正离子在阴极表面堆积，形成阴极压降，此压降 达到10V时，阴极区的电场强度可达到106107V/cm, 电子主要由场致发射产生。
di ua = u0 − iR − L dt
di i = (u0 − ua − L ) / R dt
1 焊接电弧
• 1.1.2 焊接电弧的负载特性 3，交流电弧的燃烧过程
当i=0时
di u a = u0 − L dt
u a < u0
1 焊接电弧
• 1.1.2 焊接电弧的负载特性 4，焊接电弧的动特性
点场中电子的优先加速： 点场中电子的优先加速 设电子和离子的初速度为0, 则经过一段无碰撞的时间 间隔后, 它们具有的速度值和能量比分别为:
ve mi = vi me
we wi
1 2 me ve mi 2 = = 1 me 2 mi vi 2
1 焊接电弧
• 1. 1.1 电弧的导电机理 3，电弧各区域的导电机理 阴极区的导电机理： 热发射型阴极区：当阴极采用W、C等高熔点材料， 热发射型阴极区 且电流较大时，由于阴极区可达到很高温度，弧柱所需 要的电子流主要依靠阴极热发射来供应，这样的阴极区 称为热发射型阴极区。如果阴极通过热发射可提供足够 数量的电子，则弧柱区与阴极之间不再存在阴极压降区 。在这种情况下，阴极除了直接发射总电流的99.9％的 电子流以外还接受0.1％的正离子流，阴极表面以外的 电弧空间与弧柱的特性完全一样，其空间电荷总和是零 ，对外界也表现为中性。
1 焊接电弧
• 1. 1.1 电弧的导电机理 2，电弧中带电粒子的产生 几种金属的溢出功(V,用溢出电压表示) 金属种类 Fe Al Cu K Ca
纯金属
4.48源自文库
4.25
4.36
2.02
2.12
表面有氧化物
3.92
3.9
3.35
0.46
1.8
1 焊接电弧
• 1. 1.1 电弧的导电机理 2，电弧中带电粒子的产生 钨及其合金钨极的溢出功(V,用溢出电压表示)
1 焊接电弧
• 1.1.2 焊接电弧的负载特性 3，交流电弧的燃烧过程
ua = u0 − iR
i = (u0 − ua ) / R
1 焊接电弧
• 1.1.2 焊接电弧的负载特性 3，交流电弧的燃烧过程
当i=0时
u a = u0
1 焊接电弧
• 1.1.2 焊接电弧的负载特性 3，交流电弧的燃烧过程
1 焊接电弧
• 1. 1.1 电弧的导电机理 3，电弧各区域的导电机理 阳极区的导电机理： 阳极区的热电离： 大电流密度时， 阳极温度高，以 热电离为主，阳 极压降很小，甚 至接近0。
1 焊接电弧
• 1. 1.1 电弧的导电机理 3，电弧各区域的导电机理 阴极斑点(Spots)： 电流密度小、温 度低时，阴极区 通过微小的斑点 发射电子时，斑 点上的电流密度、 温度和亮度很高， 称为阴极斑点。
1 焊接电弧
• 1. 1.1 电弧的导电机理 3，电弧各区域的导电机理 弧柱区的导电机理：
弧柱区的温度较高(5000-50000K)，弧柱区的气体因 热电离产生正离子和电子，弥补带电粒子的消失，同时 使弧柱区成为导体，传输来自阴极的电子流和阳极的正 离子流。正离子流向阴极，电子流向阳极，形成正粒子 流和电子流。电子流占99.9%, 正离子流只占0.1%，但正 离子保证了弧柱区正、负电荷的平衡，使弧柱区整体保 持电中性，电子和离子通过弧柱区时不受电荷电场的排 斥作用，使得弧柱区电压低(几伏)、电流大。
1 焊接电弧
• 1. 1.1 电弧的导电机理 2，电弧中带电粒子的产生 常见气体粒子的解离能(eV)
解离过程
H2 → H + H
解离能 4.4 9.1 5.4 4.7
解离过程
NO → N + O
解离能 6.1 5.5 10
N2 → N + N
O2 → O + O H 2 O → OH + H
CO 2 → CO + O CO → C + O
钨极成分
W
W-Cs
W-Ba
W-Th
W-Zr
W-Ce
纯金属
4.54
1.36
1.56
2.63
3.14
2.7
1 焊接电弧
• 1. 1.1 电弧的导电机理 2，电弧中带电粒子的产生 2. 电极发射电子 热发射 场致发射 光发射 离子碰撞发射
1 焊接电弧
• 1. 1.1 电弧的导电机理 2，电弧中带电粒子的产生 3. 负离子的产生 几种原子的电子亲和能(eV)
1 焊接电弧
• 1. 1.1 电弧的导电机理 3，电弧各区域的导电机理 阴极区的导电机理：
• 1. 1.1 电弧的导电机理 3，电弧各区域的导电机理 阳极区的导电机理： 阳极区电场作用 下的电离： 由于 阳极不发射正离子， 阳极前面的电子数 必将大于正离子数， 造成阳极前面电子 的堆积，形成阳极 区。
1 焊接电弧
• 1. 1.1 电弧的导电机理 3，电弧各区域的导电机理
点场中电子的优先加速：在电场E作用下,电子和等电 点场中电子的优先加速 荷量的粒子受到的力为:
F = qE = eE
电子和离子所获得的加速度与其质量成反比
ae mi = ai me
1 焊接电弧
• 1. 1.1 电弧的导电机理 3，电弧各区域的导电机理
1 焊接电弧
1，焊接电弧的静特性
• 1.1.2 焊接电弧的负 载特性
E= J
σ
=
I π r 2σ
J: 电流密度 σ：电导率 I：电流 r: 电弧半径
1 焊接电弧
• 1.1.2 焊接电弧的负载特性 1，焊接电弧的静特性 电弧静特性曲线的形状 小电流时，电弧静特性呈负特性。电流密度J ＝C，弧柱截面A将随电流I的增加而按比例增 加(I=A×J)。I增加4倍，A增加4倍，而弧柱周 长(S)只增加2倍，使电弧空间散失热量也只增 加2倍，使电弧温度和电离度增加，电弧的电导 率σ增加,电场强度E下降，电压降有下降趋势。
1 焊接电弧
• 1. 1.1 电弧的导电机理 3，电弧各区域的导电机理 阳极斑点： 电极熔点低且产生 金属蒸气时，电子 流从产生金属蒸气 的地方进入阳极， 如果产生金属蒸气 的区域很小，则形 成阳极斑点。
1 焊接电弧
1 焊接电弧
• 1. 1.1 电弧的导电机理 4，最小电压原理(Steenbeck 最小值原理) 对一个与轴线对称的电 弧，在给定电流和边界条 件的情况下，稳定状态下 电弧的载流区具有这样的 半径(r)或温度(T)值，以使 弧柱沿长度方向的电场强 度(E)具有最小值，即弧柱 电压具有最小值。即：
1 焊接电弧
• 1.1.2 焊接电弧的负载特性 1，焊接电弧的静 特性
1 焊接电弧
• 1.1.2 焊接电弧的负载特性 1，焊接电弧的静特性 影响电弧静特性的因素 电弧长度：弧长增加，电弧电压增加。
1 焊接电弧
• 1.1.2 焊接电弧的负载特性 1，焊接电弧的静特性 影响电弧静特性的因素 气体种类：
1 焊接电弧
• 1. 1.1 电弧的导电机理 2，电弧中带电粒子的产生 常见气体粒子的电离电压(V)
元素 H He O N F 17.4 Fe 7.9 Cl 13 Cu 7.7 Ar 15.7 Al 5.96 H2 15.4 Mg 7.6 N2 15.5 Ti 6.8 O2 12.2 W 8
13.5 24.5 13.5 14.5 元素 Li 5.4 Na 5.1 K 4.3 Ca 6.1
弧柱区的温度较高(5000-50000K)，弧柱区的气体因 热电离产生正离子和电子，弥补带电粒子的消失，同时 使弧柱区成为导体，传输来自阴极的电子流和阳极的正 离子流。正离子流向阴极，电子流向阳极，形成正粒子 流和电子流。电子流占99.9%, 正离子流只占0.1%，但正 离子保证了弧柱区正、负电荷的平衡，使弧柱区整体保 持电中性，电子和离子通过弧柱区时不受电荷电场的排 斥作用，使得弧柱区电压低(几伏)、电流大。
1 焊接电弧
• 1.1.3 焊接电弧的产热情况与温度分布 1，弧柱区的产热机构 弧柱区的 热量主要 来自电子 与正离子 或中性粒 子的碰撞。
1 焊接电弧
• 1.1.3 焊接电弧的产热情况与温度分布 1，弧柱区的产热机构 单位弧柱长度电能IE的大小代表了弧柱的产热能 量，它与弧柱的热损失平衡。热损失包括对流 (80%)、传导和辐射(各10%)。 一般电弧焊时，弧柱的热量只能有很少一部分通 过辐射传给焊条和工件。当电流较大有等离子流 产生时，等离子流将把弧柱的一部分热量带到工 件，增加工件的热量。
1 焊接电弧
• 1. 1.1 电弧的导电机理 1，电弧放电的特点 Electric Arc
1 焊接电弧
• 1. 1.1 电弧的导电机理 1，电弧放电的特点 电压低(几十伏)，电流大(1-10000A) ，温度高(500050000K) ，发光强
1 焊接电弧
• 1. 1.1 电弧的导电机理 2，电弧中带电粒子的产生 电弧是由两个电极和他们之间的气体空间组成。电弧 中带电粒子主要依靠两电极之间的气体电离和电极发射 电子两个物理过程所产生的。 1. 气体的电离 热电离 场致电离 光电离
1 焊接电弧
• 1. 1.1 电弧的导电机理 3，电弧各区域的导电机理
• 1. 1.1 电弧的导电机理 3，电弧各区域的导电机理 阴极发射电子， 电场加速穿过 阴极区、弧柱区
和阳极区到阳极， 阳极区产生正离 子，电场加速穿
1 焊接电弧
过部分阳极区、
弧柱区和阴极区 到阴极。
1 焊接电弧
• 1. 1.1 电弧的导电机理 3，电弧各区域的导电机理 弧柱区的导电机理：
气体的导热系数、 解离程度和解离能 等对电弧电压都有 决定性的影响。
1 焊接电弧
• 1.1.2 焊接电弧的负载特性 1，焊接电弧的静特性 影响电弧静特性的因素 气体种类：
气体的导热系数、 解离程度和解离能 等对电弧电压都有 决定性的影响。
1 焊接电弧
• 1.1.2 焊接电弧的负载特性 2，焊接电弧的动特性 当焊接电流随时间变化时，焊接电流的瞬时值与 电弧电压瞬时值之间的关系称为电弧动态伏安特 性。
1 焊接电弧
• 1.1.2 焊接电弧的负载特性 1，焊接电弧的静特性 电弧静特性曲线的形状 电流较大时，电弧静特性呈平特性。此时电流 密度和电导率随电流的增加速率相近。
1 焊接电弧
• 1.1.2 焊接电弧的负载特性 1，焊接电弧的静特性 电弧静特性曲线的形状 电流很大时，电弧静特性呈上升特性。很大电 流时,电弧温度和电导率σ随电流增加的速度小 于电流密度的增加速度。