焊接电弧行为及控制

有关的物理定律
（3）Richar 和Dushmann公式（热发射）
发射的电子流密度为：
WW j AT exp kT
2
通 常 j=102~106A/cm2 时 ， 就能维持电弧稳定燃烧。 1、一般高熔点金属材料如 W、C、Ta 等 能 实 现 热 发 射。熔点3500K以上：热 阴极。
熔点 3650
3300 2100 930 1800 1360
沸点 5950
4373 3273 2770 3008 2868
电流密度 497000
22000 6000 0.5 33 1
能否热发射 Yes
Yes Yes No No No
Fe和W的逸出功相近，但发射电子的能力是不同的。 由于热发射是超过费米能级的粒子，所以带走热量， 冷却电极。
Leabharlann Baidu、本课程的主要内容
1）焊接电弧物理
(气体放电、电弧导电机理、电弧能量转化)
2）自动控制理论基础
(系统建模、时域分析、频域分析、系统校正)
3）焊接过程自动控制
(电弧自身调节和弧压反馈调节)
4）熔滴过渡及其控制
(熔滴过渡形式对焊接工艺的影响)
5）焊接过程质量控制（独立课程）
（焊缝跟踪与熔透控制）
电 弧 物 理
1、电弧定义
电弧是在一定条件下电荷通过两电极间气体空间的 一种导电过程，是气体放电的一种重要形式。借助 这种气体放电形式将电能转换为热能、机械能和光 能。 2、焊接电弧定义 由焊接电源供给能量，在具有一定电压的两电极间 或电极与母材间的气体介质中产生强烈而持久的放 电现象。
电弧示意图
一、气体放电现象
mv 2 dn 4 m 2 dv v exp 2kT n 2kT
3 2
• n — 气体离子的密度（N/V）； • dn/n — 某一速度下的粒子数对全 部离子数的比，亦称存在几率； • T — 气体温度(K)； • m — 气体离子的质量； • v — 气体粒子的运动速度； • k — 玻尔兹曼常数 =1.380×1023(J/K)；
负离子的产生
在一定条件下，有些中性原子或分子能够吸附一个 电子而形成负离子。吸附过程释放的能量称电子亲 和能。 负离子主要分布在电弧周边，过多将减少电子数量， 电弧不稳定。
2、关于电极发射
阴极电子发射是电源持续向电弧供给 能量的唯一途径。
1、电源通过阴极向电弧空间提供电子，经过电弧空间 的复杂行为，再从阳极接收电子，从而形成电流回路。 2、阴极所发射电子中的相当一部分消耗在电弧中，比 如复合成中性粒子，或是再次被电离，或散失到电弧以 外空间。而阳极所接收电子中的相当一部分是由电弧中 中性粒子的电离所产生的。
1、关于气体电离
（1）热电离
中性气体粒子受热的作用而产生的电离称热电离。
（2）场致电离
中性气体粒子受电场作用而产生的电离称场致电离。
（3）光电离
中性气体粒子吸收了光射线的光子能而产生的电离。
有关的物理定律
（1）Boyle定律
所谓气体的温度T，就是从整体上观察气体粒子总动能的量 度。
mv 2 3 kT 2 2 mv 2 5 kT 2 2
能源、空间科学、材料、芯片技术、通讯及环境保护
4、电弧的应用领域
1）材料连接（热源）
2）金属冶炼（热源）
3）纳米材料制备（热源、力源）
4）垃圾处理（热源）
4）火箭推进（力源）
5）氙灯照明（光源）
焊接
纳米材料制备
手工电弧焊(SMAW)
钨极氩弧焊(TIG/GTAW)
等离子弧焊(PAW)
熔化极气体保护焊(MIG/MAG)
单原子气体
• • • •
双原子气体
m — 粒子质量； T — 气体绝对温度(K)； v — 运动速度； k — 玻尔兹曼常数 =1.380×1023(J/K)；
有关的物理定律
（2）Maxwell分布率
气体粒子在一定的温度和压力下，速度是互不相同的。由于 粒子间互相碰撞，其运动方向和速率不断变化，但气体粒子 的运动速率呈现一定的分布状态。
3、阴极电子发射是电弧产热及中性粒子电离的初始根 源，电弧中的一切现象都与阴极电子发射有密切的联系。
2、关于电极发射
（1）热发射 射现象。 当阴极表面承受热作用而产生电子发
（2）电场发射 当阴极表面附近空间存在一定强度 的正电场时，金属内的电子受电场力（静电库仑力） 的作用，使电子逸出金属表面；
（3）光发射 当阴极表面接受光辐射时，也可使金 属内的自由电子能量增加，从而冲破金属表面的束 缚而逸出的现象。 （4）粒子碰撞发射 高速运动的粒子（电子或离子） 碰撞电极表面时，将能量传给电极表面的电子，使 其能量增加而逸出金属表面的现象。
埋弧焊(SAW)
5、焊接电弧的发展历史
1）发明期 1801年电弧发明，由于能源问题一直未得到应用
1885年发明碳弧焊接法
1888年发明金属弧焊接法，由于冶金和设备原因停滞 2）发展期 1910年厚皮焊条研制成功 1920-1930期间埋弧自动焊研制成功
1930年发明惰性气体保护焊接
1943年发明等速送丝原理及焊机 1953年研制等离子喷涂焊枪 1957年开始应用等离子弧焊设备
有关的物理定律
（1）逸出功Ww（又叫功函数）
使一个电子由金属表面飞出所需要的最低外加能量。
• 逸出功Ф(eV) 逸出电压UW(V)
– 要想把金属内部的电子吸引到自由空 间需要较大的功（能量）。
• 热电子发射
– 当金属达到3×103K高温时，金属内 运动能量大于e(EF+UW）数值的电子 数目也更多，就可以离开金属表面渗 透到自由空间。 – 阴极发射出的电子电流密度是阴极材 料温度的函数；
有关的物理定律
（3）Richar 和Dushmann公式（场发射）
发射的电子流密度为：
WW e eE j AT exp kT
2
增加电场强度相当于降低 了势垒高度Wg。 当E>106V/cm2 时，费米能 级的电子可以穿过势垒直 接逸出，所以不能带走热 量，所以阴极也得不到冷 却。
人类对等离子体的认识开始于19世纪 30年代气体放电管中电离气体的研究；到了 20世纪20年代，等离子体的基本概念和特征 运动的时空尺度已基本建立；
20世纪30年代到50年代初在借鉴其它 学科研究方法的基础上建立了等离子体物理 的基本理论框架和描述方法，同时把其研究 范围从电离气体、金属中电子气拓展到电离 层和某些天体。
• • • •
k — 波尔兹曼常数； T — 绝对温度； WW — 逸出功； j — 电子流密度
2、而熔点低的金属如Fe、 Al、Cu等不能实现热发射， 以场发射为主。熔点 3500K以下：冷阴极
有关的物理定律
材料 W
Ta Th Al Fe Cu
Uw 4.54
4.05 3.10 4.25 4.48 4.36
2、电极发射
电极中的自由电子，在外界能量的作用下，冲破电 极表面的约束而逸出到电弧空间的现象
1、关于气体电离
• 中性粒子存在于电 弧空间（气隙中）， 当处于高能量状态 时，其电子轨道上 的电子脱离约束， 分离成电子和离子 • 电离能（eV）电离 电压Ui(V)
1、关于气体电离
表 1.1 原子电离电压 原子 H He Li C N O F Ne Na Mg 电离电压 Ui (V) 13.60 24.59 5.39 11.26 14.53 13.62 17.42 21.56 5.14 7.65 原子 Al Si P S Cl Ar K Ca Ti V 电离电压 Ui (V) 5.99 8.15 10.49 10.36 12.97 15.76 4.34 6.11 6.82 6.74 原子 Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ge Se Kr 电离电压 Ui (V) 6.77 7.44 7.87 7.86 7.64 7.73 9.39 7.90 9.75 14.00
3、等离子体物理应用领域 热核聚变能源研究
(高温碰撞和无碰撞等离子体)，
空间（天体）等离子体物理
(低温无碰撞等离子体和各种极端参数条件下的等离子体)，
气体放电和电弧的工业应用（电弧物理）
(低温等离子体及其与物质相互作用)
强流带电粒子束的现代高科技应用
(非中性等离子体及其与强静电、电磁波场的相互作用)
5、焊接电弧的发展历史
3）完善期 埋弧焊 单丝-多丝-窄间隙
CO2焊
细丝短路过渡-粗丝潜弧射滴过渡高速焊-无飞溅焊接
TIG焊 MIG焊 等离子
直流-交流-脉冲 直流-脉冲（1脉1滴）-双丝脉冲 焊接-喷涂-切割-微束
专用机
窄间隙、气电立焊、VPPA、全位置焊管、管板焊
电弧传感 弧长控制、焊缝跟踪、熔透控制 焊接电源 机械控制-电磁控制-电子控制-软件控制 自动化 专用设备-通用设备-柔性工作站
• 铁及铝等金属的电离电压较低， 因此，金属蒸气在电弧空间更 容易被电离
有关的物理定律
（4）平均自由程
气体空间中的带电粒子，在电场作用下做定向运动的同时， 还不断的与其它粒子发生碰撞而改变方向，在两次碰撞之间 所走过的路程称为粒子的自由行程。自由行程的平均值称为 平均自由程。
在平均自由程内电场对带电粒子所施加的最大动能为：
焊接电弧行为及控制
殷树言 教 授
陈树君 副教授
2011年2月
绪 论
1、等离子体
等离子体是由大量相互作用但仍处在非束缚 状态下的带电粒子组成的宏观体系，是和固 态、液态、气态同一层次的物质第四态。
2、等离子体物理 等离子体物理以这类多体体系呈现出的整体 形态和集体运动规律为主要研究对象，同时 也研究等离子体和其它形态物质的相互作用 过程。
• • • • • •
k — 波尔兹曼常数； T — 绝对温度； WW — 逸出功； j — 电子流密度 E — 电场强度 e — 电子电量
有关的物理定律
（3）Saha公式
气体的电离度随温度升高、压力减小和电离电压减小而增加。
eU p 2.4 10 4 T 2.5 exp i 1 x2 T x2
• • • •
x — 电离度； T — 气体温度(K)； Ui — 电离电压； p — 气体压力（mm.Hg)
Wk E e
• — 平均自由程； • E — 电场强度； • e — 电子电量；
有关的物理定律
（5）临界波长
由于气体粒子吸收辐射的光量子而引起的气体电离成为光电 离。产生光电离的条件
C h e Ui
• • • • •
C 1 h e Ui

— 临界波长； C — 光速； h — 普朗克常数； Ui — 电离电压 e — 电子电量
• 气体放电是指气体电离
– 电离气体具有与通常状态下的气体所不同的 性质，被称作等离子体(Plasma)。 – 继固体、液体、气体之后的物质的第4种存 在状态，以高导电性为其特征。 – 电弧的本质是气体放电，是气体放电的一种 表现形态。
• 电弧具备所有放电形态中电压最低、电 流最大、温度最高的特征
一、气体放电现象
• 电流超过108～10-10A后， 形成自持放电。 • 自持放电是当 放电电流达到 一定程度以后， 取消最初的诱 发措施，气体 导电过程本身 亦可以再次产 生维持导电所 需的带电粒子， 与回路电流平 衡，使放电持 续下去。
电弧中带电粒子的产生
1、气体电离
在一定条件下中性气体分子或原子分离为正离子和 电子的现象。
等离子体物理于50年代起，在受控热 聚变研究和空间技术的巨大推动下，等离 子体物理才得到充分的发展并成熟起来， 终于在70年代末成为物理界公认的一个独 立分支学科。 在此期间，以气体放电和电弧技术为 基础发展了低温等离子体物理和工艺。近 十多年来在基础工业和高技术领域中低温 等离子体科学的广泛应用，更推动了等离 子体和其它物理及基础学科、技术领域的 相互渗透和交叉，从而增强了等离子体科 学和相关技术在国民经济中的影响。
WW Wg E F
有关的物理定律
（2）Fermi-Dirac分布率
金属中自由电子的能量分布。
1 f E expE E F / kT 1
• • • • •
逸出电子可以从两方面着 手： 1、使电子的能量大于Wg
热发射、光发射、碰状发射 k — 波尔兹曼常数； T — 绝对温度； 2、降低势垒高度Wg EF — 费米能级； E — 电子能级 场发射 F(E) — 费米—狄拉克统计分布函数