哈工大电弧焊复习要点

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压力的分布是中心轴上的压力高于周边 2）电弧动压力（等离子流力） 焊接电弧呈非等截面的近椎体，电磁收缩力在其内部各处分布不均匀，不同截面处存在压力 梯度，靠近电极处的压力大，靠近工件处压力小，形成电弧静压力。电弧中的静压力差使较 小截面处的高温粒子（中性粒子为主）向工件方向母材流动，并有更小截面处的气体粒子补 充到该截面上来，以及保护气氛不断进入电弧空间，从而形成连续不断的气流，称作等离子 气流，到达工件表面时形成附加的一种压力，称作等离子流力。与电流值、电弧长度、电弧 形态、电极状态有关 3）斑点力 ①带点粒子对电极的冲击力 正离子质量大，阴极压降大，斑点力在阴极表现大 ②电磁收缩力 当电极上形成熔滴并出现斑点时，熔滴和电弧空间的电流线都在斑点处集中， 由于电磁力合力的方向是由小截面指向大截面，所以在斑点处产生向上的电磁收缩力，阻碍 熔滴下落。通常阴极斑点比阳极斑点的收缩程度大，所以阴极斑点力也大于阳极斑点力。 ③电极材料蒸发的反作用力 高电流密度，导致高温度，形成金属蒸气，蒸气发射给斑点反 作用，阴极斑点电流密度高，反射强烈，力大 4）爆破力 爆破力存在于短路电弧焊接，当熔滴与熔池发生短路时，电弧瞬间熄灭，因短路时电流很大
第一章 焊接电弧基础 1.1 焊接电弧机理 1.1.1 气体放电与焊接电弧 放电分类：电流超过 10-8～10-10A 后，自持放电（取消最初的诱发措施，气体导电过程本 身可以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）。电弧放电是气 体放电的最终形式，在所有放电形态中电压最低、电流最大、温度最高的特征通常伴随有熔 化和蒸发现象。电弧空间的气体被电离，由阳离子及电子这样的带电粒子、原子及分子这样 的中性粒子所构成，与通常状态下的气体所不同的性质，被称作等离子体(Plasma)，以高导 电性为其特征。气体放电的表现是电流在气体中流动，而电流是因电子、离子的流动而形成。 1.1.2 电弧中的带电粒子 1）阴极电子发射 阴极电子发射是电源持续向电弧供给能量的唯一途径。 热发射：金属中的自由电子能量分布遵从费米分布。提高温度后，运动能量超过费米能量（温 度 0K 时的最大运动能量）的电子数增加。与周围自由空间相比，金属内的自由电子在能量 上处于更稳定状态，同时在阴极金属表面存在电势壁垒，阻碍电子进入自由空间。要想把金 属内部的电子吸引到自由空间需要较大的能量（功）-功函数Ф(eV)，逸出电压 UW(V)。当 温度达到足够高（3×103K）时，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。 场致发射：如果对阴极表面施加电场，电势壁垒就会变薄，一部分自由电子穿过电势壁垒渗 透出来（隧道现象）。各个温度下，当提高电场强度时，电子电流密度都会增大。当电场强 度足够大时，电子电流密度增加的倾向性有所改变。之前，电极达到高温时，热电子发射变 得活跃起来。之后，当电场处于高强度领域时，电场发射居于主导地位，与温度无关。在温 度及电场强度完全一致时，阴极材料的功函数越小，所得到的电流密度越大。 光发射：金属表面受到光照射后，其中的电子接受某一特定波长光子能量后提高自身的能量 所产生的电子逸出。通常发生在放电空间浮游的金属尘埃或者微粒的表面，可以忽略不计。 碰撞发射：是指高速运动的外部粒子碰撞金属表面后，把其自身动能传递给金属中的电子促 成其逸出金属表面，在电弧条件下表现为正离子对阴极的碰撞（二次电子发射）。 2）中性粒子的电离(Ionize) 电离：存在于电弧空间中性粒子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。使中性粒子产生电离所需要的能量亦电离能（eV）、电离电压 Ui(V)。 热电离：高温下，高能量粒子直接电离成电子和正离子。 碰撞电离：粒子之间相互碰撞，传递（接受）能量而产生电离。（低温领域的等离子体形成） 场致电离：电场的作用下，电子加速，与其他粒子发生碰撞而使粒子电离 光电离：光量子具有能量当能量大于电离能的时候，可能使中性粒子电离 外加电场或提高温度，会增大电离，当粒子场的平均能量等于电离能时，气体几乎全部电离。 3）带电粒子的扩散与复合 电弧空间的带电粒子在电场作用下总体进行着定向运动，由于密度分布的差异进行着扩散运 动，方向：密度高》密度低，从电弧轴线中心向外部周边区域扩散。中心区域的温度很高， 产生大量的带电粒子，扩散并不会造成电荷密度的均一分布，而处于相对稳定的动平衡状态。 复合：电子与正离子相遇后重新结合成中性粒子，同时释放出相当于电离能的能量。复合主 要出现在电弧温度较低的区域，以电弧外围区域表现更为频繁。复合后的粒子或是在电弧空 间重新被电离，参与导电过程，或是随气体介质的运动而散失到电弧以外的空间。 1.1.3 电弧导电机构 1）维持电弧放电条件：放电气隙内带电粒子的生成；保持阴极、阳极、电弧间电的连续性
②热效率：埋弧焊》MIG、MAG、焊条》TIG》等离子熔入型》小孔型 4）焊接电弧温度分布 ①电弧温度连续，电弧两极受材料熔点影响，温度呈下降。TIG 电弧钨极正下方轴线上温度 最高，在轴向随电弧断面形态的扩展，等温线逐步分散，在接近阳极表面产生收缩（受到阳 极上导电通道拘束效应的影响） ②电弧温度及分布的影响： 电弧电流 电流增加，最高温度值增大，到一定程度不再增加，只是等温线有扩散（温度上 升受到氩气导电率的制约）； 电极斑点：包括阳极和阴极斑点，斑点处温度明显升高（电流通道集中）； 电弧长度：一般不影响最高温度，电弧的拉长或收缩，温度分布扩展或集中； 阳极材料：作母材时，材料及状态影响阳极表面温度； 保护气成分：最高值无影响，混合气电弧形态扩展； 环境条件：冷却条件、气压条件 ③铝材料 GMA 由于铝蒸气导致中心区域等温线拉长 1.1.5 电弧压力与等离子气流 1）电弧静压力（电磁收缩力） ①电流的同向吸引作用，导致液体截面收缩，称电磁收缩效应，力即为电磁收缩力（CO2
（短路电流有一个上升的过程），短路液柱中电流密度很高，在金属液柱中产生很大的电磁 收缩力，使液柱产生颈缩，电阻热使金属液柱小桥温度急剧升高，使液柱汽化爆断，可能使 液柱金属形成飞溅。液柱爆断后电弧重新引燃，电弧空间的气体突然受高温加热而膨胀，局 部压力骤然升高，对熔池和焊丝端头的液态金属形成较大的冲击力，严重时也会造成飞溅。 5）熔滴冲击力 熔滴在等离子气流驱动下，以很高的加速度冲向熔池，对熔池金属形成强烈的冲击 6）电弧力影响因素 ①气体介质的不同，物理性能不同 ②电流和电压 电流大，力变大（电磁收缩力和等离子流力起主要作用），电弧电压升高亦即 电弧长度增加时，电弧力降低（电弧范围扩展）。 ③电极（焊丝）直径 焊丝直径越细，电流密度越大，电磁力越大，同时电弧呈现锥形越明 显，等离子流力增大，使电弧的总压力增加。（钨极端部角度为 45°，具有最大的电弧压力） ④电极（焊丝）极性：GTA，钨极接负时允许流过较大的电流，阴极区收缩的程度大，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。钨极接正则形成较小的电弧压 力，一是需要使用较粗的钨极，同时电弧在钨极上的覆盖面积较大，形成的电磁力和等离子 流力小。对于 GMA 焊，当焊丝接负时，熔滴受到正离子冲击，较大的斑点力作用在熔滴上， 使熔滴长大，不能顺利过渡，也不能形成很强的电磁力和等离子流力，电弧力小。在焊丝接 正，所受到的斑点力小，易形成细小的熔滴，有较大的电磁力和等离子流力，电弧压力较大。 ⑤钨极端部几何形状 脉动电流的影响：当电流以某一规律变化时，电弧压力也相应变化。 1.1.6 直流电弧与交流电弧 1）直流电弧 是指电弧（电极）极性不发生变化的电弧，最大特点是稳定性好。 2）交流电弧 电弧（电极）极性随时间交替变化的电弧 ①交流电弧燃烧特点 交流电弧每半个周波极性反转一次，当产生极性转换时，都存在电流 过零问题，此时电弧瞬时熄灭，造成电弧不稳定。当电弧两个电极材料不同时，由于电子发 射能力的不同，电弧两种极性状态时将流过不同的电流值，在电弧和焊接回路中出现正负半 波电流不同的情况，其差值直流分量，铝合金焊接中正半波加热负半波清理氧化膜保护阴极。 ②电弧产热与电弧力特性 介于直流与交流之间，钨电极作阳极的热输入量大，但易熔化 1.2 焊接电弧特性 1.2.1 焊接电弧静特性 1）电弧静特性变化特征 静特性曲线是在某一电弧长度数值下，在稳定的保护气流量和电极条件下，改变电弧电流数 值，在电弧达到稳定燃烧状态时所对应的电弧电压曲线，呈现降特性区（负阻特性区）、平 特性区、上升特性区，由电弧自身性质决定，与电弧自身形态、所处环境、电弧产热散热平 衡有关。 在小电流区，电弧电压随电流增大而减小，呈现负阻特性。原因：电流较小时，电弧温度较 低，粒子电离度低，电弧导电性较差，需要有较高的电场推动电荷运动；在阴极区，由于温 度较低，电子提供能力较差，不能实现大量的热电子发射，会形成较强的阴极压降，这样在
2）电弧的构造和电弧电压 阴极区（Cathode）：阴极前面存在由阳离子构成的正 空间电荷区域，阴极压降（Cathode Voltage Drop）；阳 极区（Anode）：阳极前面存在由电子构成的负空间电 荷区域，阳极压降（Anode Voltage Drop）。两极区的 区域尺寸相当薄（不到 0.5mm），在电弧长度变化时几 乎不产生变化，但压降值很高。两极区以外的部分称 作弧柱区（Arc column/arc plasma），以很平缓的形式 呈现线形电压降，弧柱区压降（Positive Column Voltage Drop）。电弧全电流 I 是电子电流 Ie 与离子电流 Ii 之 和，电子流占大部分。阴极压降区因电极材料的不同， 电子发射能力存在差异，以 Fe、Al 材料作为阴极时， 离子电流可能占有一定比例，离子通过碰撞阴极使阴 极加热，有利于热电子发射。弧柱区过来的正离子，
提高了阴极前面的空间电位，受到此高电场的作用，亦能使电极发射出电子。在阳极压降区， 受电弧电流数值的影响，电流成分会有些变化，但几乎 100％是电子流。 ①阴极区导电特点 热阴极材料（钨、碳），大电流热发射起主导地位。冷阴极（Fe，Cu），热发射不足，阴极 区形成正离子（正电荷）堆积，产生的阴极区压降 UC 较大时形成强电场，导致场致发射。 当阴极表面的热电子发射量继续减少时，UC 进一步增大，处于阴极压降区中的阳离子受其 加速飞向阴极，碰撞阴极表面后产生能量转移，产生碰撞发射。在阳离子加速飞向阴极的途 中，与所遇到的中性粒子产生反复碰撞使热电离加剧，产生电子、正离子，形成更大范围的 正离子堆积区，将促进电场发射和碰撞发射的进行，起到向弧柱区提供电子的作用，被称作 等离子体阴极。等离子体阴极形成后，可以看到在阴极附近有球形的高亮度区。 ②弧柱区导电特点 电弧温度极高（5000～30,000K），处于等离子体状态，电弧整体上呈现电中性状态。作为电 流主体的电子，在较小的电位梯度下亦可以产生移动，从而能够产生大电流流动，因此弧柱 是极为良好的导电体。由于电子与阳离子相比重量极轻，即使在很小的电场下就可以高速向 阳极移动，移动途中与阳离子、中性分子及原子产生碰撞，把其动能传给对方，使得电弧等 离子体中的粒子动能整体增大，处于高温状态。高温粒子也会相互碰撞，引发热电离，产生 新的电子。高温粒子也向弧柱周边区域扩散造成热量损失，该部分热量损失由外部电源向弧 柱提供能量(弧柱电压降 UP 和电流的乘积)予以补充，从而达到一种热量平衡。弧柱既是维 持电弧持续放电所必须的电子和阳离子的产生源，也是把电能有效转变为热能的发热体。 ③阳极区导电特点 阳极区接受从弧柱过来的电子，由于阳离子不能从阳极材料表面产生，电子数目超过阳离子 数，产生负空间电荷，形成阳极压降 UA，电子受其加速，与阳极区中的中性粒子碰撞并使 其电离，产生面向弧柱区运动的阳离子。阳极压降区起到向弧柱区提供部分阳离子的作用。 当电流增大，阳极压降区处于高温下，这时即使不通过电子碰撞，而通过中性粒子自身的相 互碰撞也会产生充分的热电离，其结果是 UA 近于 0 值。在被焊件母材作为阳极时，特别是 在较大电弧电流下，电弧高温使母材产生强烈的蒸发，蒸发出的金属原子比之保护气成分具 有更低的电离电压，将先于保护气粒子而被电离，是向电弧弧柱区提供正离子的主要途径。 1.1.4 焊接电弧产热及温度分布 3）焊接电弧的热效率 ①焊接电弧热效率=热输入量/电弧功率（焊接方法、弧长因素、母材情况）
( ) 焊中熔滴短路过度），公式 Pr
=
K
I2 π R4
R2 − r2
、中心轴线上径向压力
P0
=
K
I2 π R2
、轴
向合力 F = K I 2 2
②电弧呈圆锥状，其截面直径是变化的进而将产生由点击指向工件的推力 Fa
Fa
=百度文库
KI 2
⎛ lg ⎜
⎝
Rb Ra
⎞ ⎟
（锥形弧柱上底面半径/下底面半径），弧柱中心电流密度》周边，电弧静