電弧焊接物理基礎(chǔ).ppt

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第二章電弧焊接物理基礎(chǔ) 第1節(jié)焊接電弧的導(dǎo)電機(jī)理第2節(jié)焊接電源基礎(chǔ)第3節(jié)焊接電弧的產(chǎn)熱機(jī)理第4節(jié)焊接電弧的作用力第5節(jié)熔滴過(guò)渡第6節(jié)焊縫成型 第1節(jié)焊接電弧的導(dǎo)電機(jī)理 帶電粒子的產(chǎn)生 氣體放電的基本概念物體如何導(dǎo)電 取決于在電場(chǎng)作用下能否擁有可自由移動(dòng)的帶電粒子氣體如何導(dǎo)電 氣體要導(dǎo)電必須有帶電粒子氣體產(chǎn)生帶電粒子的過(guò)程稱氣體的放電過(guò)程氣體放電有何特點(diǎn) 氣體導(dǎo)電的伏安特性與金屬不同 非線性關(guān)系氣體放電有二種形式 自持與非自持電弧是自持放電中電壓最低 電流最大 溫度最高 發(fā)光最強(qiáng)的一種氣體放電現(xiàn)象焊接電弧的定義是什么 由焊接電源供給能量 在二電極之間產(chǎn)生的強(qiáng)烈而持久的氣體放電現(xiàn)象 焊接電弧具有電壓低 電流大 溫度高 發(fā)光強(qiáng)的特點(diǎn) 帶電粒子的產(chǎn)生氣體產(chǎn)生帶電粒子的途徑有哪些 氣體的電離電極的電子發(fā)射氣體產(chǎn)生帶電粒子過(guò)程中伴隨其它物理現(xiàn)象有哪些 氣體的解離激勵(lì)擴(kuò)散復(fù)合負(fù)離子的產(chǎn)生 電流 電弧示意圖 第1節(jié)焊接電弧的導(dǎo)電機(jī)理 帶電粒子的產(chǎn)生 第1節(jié)焊接電弧的導(dǎo)電機(jī)理 帶電粒子的產(chǎn)生 電離與激勵(lì)什么叫電離在一定條件下中性氣體分子或原子分解為正離子和電子的現(xiàn)象第一電離能 電離電位 的定義是什么 使中性氣體粒子失去第一個(gè)電子所需要的最低外加能量第一電離能在普通電弧中占主導(dǎo)地位電離電位的高低決定氣體電離的難易程度多種氣體并存時(shí) 電離電位低的將首先被電離 第1節(jié)焊接電弧的導(dǎo)電機(jī)理 帶電粒子的產(chǎn)生 電離與激勵(lì)何為激勵(lì)中性粒子在外界能量作用下 不足以電離 卻可以使電子在較低的能量級(jí)別躍升到較高能量級(jí)別的現(xiàn)象激勵(lì)可以破壞中性粒子的內(nèi)部穩(wěn)定狀態(tài)雖然不能直接產(chǎn)生帶電粒子 但可以使中性粒子更易被電離激勵(lì)電位的概念是什么 激勵(lì)所需要的最低外加能量激勵(lì)電位越低越易產(chǎn)生激勵(lì) 常見氣體粒子的電離電位 第1節(jié)焊接電弧的導(dǎo)電機(jī)理 帶電粒子的產(chǎn)生 電離與激勵(lì)能量的傳遞方式有哪些碰撞傳遞彈性碰撞 氣體粒子間只產(chǎn)生動(dòng)能的再分配 內(nèi)部結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化非彈性碰撞 碰撞時(shí)部分或全部?jī)?nèi)能都轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能 使被碰撞粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化氣體的電離只發(fā)生在非彈性碰撞中光輻射傳遞以光量子形式傳遞的動(dòng)能可以全部轉(zhuǎn)換為粒子的內(nèi)能電弧本身可以產(chǎn)生多種光輻射通過(guò)光輻射形式產(chǎn)生的電離與碰撞傳遞相比 是次要的 第1節(jié)焊接電弧的導(dǎo)電機(jī)理 帶電粒子的產(chǎn)生 電離與激勵(lì)電離的種類 氣體如何才能產(chǎn)生電離 何為熱電離氣體粒子受熱作用相互碰撞而產(chǎn)生的電離氣體粒子平均運(yùn)動(dòng)速度與溫度的關(guān)系溫度越高 粒子的平均運(yùn)動(dòng)速度越高溫度一定時(shí) 氣體粒子的質(zhì)量越小 其運(yùn)動(dòng)速度越高電離度單位體積內(nèi)被電離的離子數(shù)與氣體粒子總數(shù)之比當(dāng)幾種氣體混合時(shí) 混合氣體的電離電壓稱為實(shí)效電離電壓 它取決于混合氣體中電離電壓較低的氣體弧柱的溫度高達(dá)5000 30000K 熱電離是弧柱中產(chǎn)生帶電粒子的最主要途徑 第1節(jié)焊接電弧的導(dǎo)電機(jī)理 帶電粒子的產(chǎn)生 電離與激勵(lì)熱解離電弧中的多原子氣體在熱作用下分解為原子的現(xiàn)象熱解離是吸熱反應(yīng)解離需要的最低外加能量為解離能 ev 解離能低于電離能幾種氣體的解離能H2 4 4 H2O 4 7 O2 5 1 CO2 5 5NO 6 1N2 9 1 第1節(jié)焊接電弧的導(dǎo)電機(jī)理 帶電粒子的產(chǎn)生 電離與激勵(lì)何為電場(chǎng)電離 帶電粒子從電場(chǎng)中獲得能量 通過(guò)碰撞而產(chǎn)生電離的過(guò)程帶電粒子運(yùn)動(dòng)路線是折線 但是沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)電場(chǎng)作用下的電離主要是電子與中性粒子的非彈性碰撞而引起強(qiáng)電場(chǎng)作用的電離具有鎖鏈效應(yīng)場(chǎng)電離不是弧柱中的主要電離形式由于弧柱的電場(chǎng)強(qiáng)度較小 故電子在自由行程中所獲得的動(dòng)能較小 較之通過(guò)熱能獲得的動(dòng)能小的多陰極與陽(yáng)極壓降區(qū)可能產(chǎn)生很強(qiáng)烈的場(chǎng)電離 第1節(jié)焊接電弧的導(dǎo)電機(jī)理 帶電粒子的產(chǎn)生 電離與激勵(lì)何為光電離 中性粒子接受光幅射的作用而產(chǎn)生的電離現(xiàn)象光電離的產(chǎn)生條件是什么 中性粒子所接受的光幅射波長(zhǎng)小于其臨界波長(zhǎng)時(shí) 中性粒子可以直接被電離幾乎所有氣體都不能直接進(jìn)行光電離光電離是電弧中產(chǎn)生帶電粒子的一個(gè)次要途徑 第1節(jié)焊接電弧的導(dǎo)電機(jī)理 帶電粒子的產(chǎn)生 電子發(fā)射概念是什么 自由電子脫離金屬表面的約束飛到電弧空間的現(xiàn)象它是電弧空間帶電粒子的一個(gè)重要產(chǎn)生途徑電極只能發(fā)射電子而不能發(fā)射離子逸出功的概念使一個(gè)電子脫離金屬表面所需要的最低外加能量逸出功越低的金屬 電子發(fā)射越容易 第1節(jié)焊接電弧的導(dǎo)電機(jī)理 帶電粒子的產(chǎn)生 電子發(fā)射何為熱發(fā)射 概念金屬表面受熱作用而產(chǎn)生的電子發(fā)射現(xiàn)象熱發(fā)射的產(chǎn)生條件meve 2 eUw使用高熔點(diǎn)材料的電極 熱發(fā)射是主要的電子發(fā)射形式使用低熔點(diǎn)材料的電極 熱發(fā)射不能提供全部的電子 還的其它發(fā)射形式 第1節(jié)焊接電弧的導(dǎo)電機(jī)理 帶電粒子的產(chǎn)生 電子發(fā)射何為電場(chǎng)發(fā)射 金屬表面電子受空間電場(chǎng)的作用而飛到電弧空間的現(xiàn)象電場(chǎng)強(qiáng)度越大 電子發(fā)射越強(qiáng)烈當(dāng)冷陰極時(shí) 電場(chǎng)發(fā)射是提供電子的重要途徑何為光發(fā)射 金屬表面接受光幅射使電子飛到電弧空間的現(xiàn)象光量較弱 在各種發(fā)射中居次要位置 第1節(jié)焊接電弧的導(dǎo)電機(jī)理 帶電粒子的產(chǎn)生 電子發(fā)射粒子碰撞發(fā)射電極表面自由電子接受粒子的碰撞而飛到電弧空間的現(xiàn)象產(chǎn)生條件離子到達(dá)陰極 中和一個(gè)電子 再使其發(fā)射一個(gè)電子 則需要2倍的逸出功在陰極區(qū) 一定條件下 碰撞發(fā)射也可能是陰極帶電粒子產(chǎn)生的主要途徑 第1節(jié)焊接電弧的導(dǎo)電機(jī)理 帶電粒子的產(chǎn)生 負(fù)離子產(chǎn)生過(guò)程在一定的條件下 有些中性原子或分子可以吸附一個(gè)電子而形成負(fù)離子電子親和能中性粒子形成負(fù)離子所減少的內(nèi)能負(fù)離子帶電 但質(zhì)量大 不能有效轉(zhuǎn)送電荷負(fù)離子消耗電子 對(duì)電弧穩(wěn)定不利負(fù)離子的形成只在電弧的周邊地區(qū)進(jìn)行 第1節(jié)焊接電弧的導(dǎo)電機(jī)理 帶電粒子的產(chǎn)生 帶電粒子的擴(kuò)散現(xiàn)象帶電粒子由高密度的電弧中心區(qū)域向低密度的電弧周邊地區(qū)轉(zhuǎn)移而使帶電粒子密度趨于均勻化的現(xiàn)象擴(kuò)散現(xiàn)象的結(jié)果降低電弧的有效電流密度降低了弧心的溫度對(duì)電弧的穩(wěn)定燃燒是不利的 第1節(jié)焊接電弧的導(dǎo)電機(jī)理 帶電粒子的產(chǎn)生 復(fù)合電弧空間的正負(fù)帶電粒子在一定條件下結(jié)合成中性粒子的過(guò)程電弧中心溫度高使所有粒子運(yùn)動(dòng)速度很高 不可能產(chǎn)生復(fù)合 在電弧周邊溫度低粒子的活動(dòng)能力小 且此處有擴(kuò)散來(lái)的電子和正離子 則可能產(chǎn)生復(fù)合交流電弧過(guò)零時(shí)也有大量復(fù)合現(xiàn)象發(fā)生使再引燃困難 復(fù)合現(xiàn)象使電弧空間帶電粒子減少而不利于電弧的穩(wěn)定燃燒 第1節(jié)焊接電弧的導(dǎo)電機(jī)理 電弧各區(qū)的組成 電弧如何構(gòu)成 陰極區(qū) 陽(yáng)極區(qū) 弧柱區(qū)弧柱區(qū)5000 50000K 電流密度為103 cm任務(wù) 導(dǎo)通電流完成任務(wù)的途徑 以熱電離為主注意 通過(guò)的電流是由離子流和電子流組成 但電子與離子的比例是99 9 0 1 但每瞬間 每單位體積內(nèi)正負(fù)帶電粒子數(shù)相同 使弧柱對(duì)外界呈現(xiàn)中性 具有焊接要求的大電流低電壓的特點(diǎn) 第1節(jié)焊接電弧的導(dǎo)電機(jī)理 電弧各區(qū)的組成 陰極區(qū)導(dǎo)電機(jī)構(gòu)任務(wù) 向弧柱區(qū)提供所需要的電子流 接受弧柱來(lái)的正離子流 完成任務(wù)的途徑陰極區(qū)導(dǎo)電機(jī)構(gòu)可有三種不同形式 熱發(fā)射型陰極區(qū)導(dǎo)電機(jī)構(gòu) 當(dāng)采用W C等高熔點(diǎn)材料且電流較大時(shí) 弧柱所需要的電子主要是由熱發(fā)射來(lái)提供的 電場(chǎng)發(fā)射型導(dǎo)電機(jī)構(gòu) W C為電極 但電流較小時(shí) 或低熔點(diǎn)材料電極時(shí) 主要以電場(chǎng)發(fā)射為主產(chǎn)生電子 等離子流型導(dǎo)電機(jī)構(gòu) 陰極不能熱發(fā)射時(shí) 前面出現(xiàn)一高溫區(qū) 產(chǎn)生熱電離 使陰極不發(fā)射電子而接受正離子 向弧柱區(qū)提供電子的任務(wù)由熱電離完成 第1節(jié)焊接電弧的導(dǎo)電機(jī)理 電弧各區(qū)的組成 陽(yáng)極區(qū)導(dǎo)電機(jī)構(gòu)任務(wù) 接受電子 向弧柱提供正離子 完成任務(wù)的途徑 陽(yáng)極區(qū)電場(chǎng)作用下的電離 陽(yáng)極區(qū)的熱電離 當(dāng)電流密度大時(shí) 陽(yáng)極溫度高而發(fā)生強(qiáng)烈蒸發(fā) 高溫的金屬蒸氣產(chǎn)生熱電離以提供正離子 陰 陽(yáng)極斑點(diǎn)定義是什么 陰 陽(yáng)極表面電流密度大 面積小的集中導(dǎo)通電流的區(qū)域 第1節(jié)焊接電弧的導(dǎo)電機(jī)理 電弧各區(qū)的組成 關(guān)于 陰極斑點(diǎn) 當(dāng)陰極材料熔點(diǎn) 沸點(diǎn)較低 導(dǎo)熱性很強(qiáng)時(shí) 即使陰極溫度達(dá)到材料的沸點(diǎn) 此溫度也不足以通過(guò)熱發(fā)射產(chǎn)生足夠數(shù)量的電子 陰極將進(jìn)一步自動(dòng)縮小其導(dǎo)電面積 直至陰極導(dǎo)電面積前面形成密度很大的正離子空間電荷和很大的陰極壓降 足以產(chǎn)生較強(qiáng)的電場(chǎng)發(fā)射 補(bǔ)充熱發(fā)射的不足 向弧柱提供足夠的電子流 此時(shí)陰極將形成面積更小 電流密度更大 達(dá)5 105 107A cm2 的斑點(diǎn)來(lái)導(dǎo)通電流 這種導(dǎo)電斑點(diǎn)稱陰極斑點(diǎn) 用高熔點(diǎn)材料 C W等 作陰極時(shí) 只有在電流很小 陰極溫度很低的情況下 才可能產(chǎn)生這種陰極斑點(diǎn) 而當(dāng)用低熔點(diǎn)材料 Al Cu Fe等 作陰極時(shí) 大小電流時(shí)均屬會(huì)產(chǎn)生陰極斑點(diǎn) 第1節(jié)焊接電弧的導(dǎo)電機(jī)理 電弧各區(qū)的組成 陰極表面將由許多分離的斑點(diǎn)組成陰極斑點(diǎn)區(qū) 這些斑點(diǎn)在陰極斑點(diǎn)區(qū)以很高的速度跳動(dòng) 自動(dòng)選擇有利于場(chǎng)發(fā)射和熱發(fā)射條件的點(diǎn) 電弧通過(guò)這些點(diǎn)提供電子時(shí) 陰極消耗的能量最低 陰極表面上熱發(fā)射性能較強(qiáng)的物質(zhì)有吸引電弧的作用 陰極斑點(diǎn)有自動(dòng)跳向溫度高 熱發(fā)射性強(qiáng)物質(zhì)上的性能 如果金屬表面有低逸出功的氧化膜存在時(shí) 陰極斑點(diǎn)有自動(dòng)尋找氧化膜的傾向 鋁合金焊接時(shí)去除氧化膜作用 就是由陰極斑點(diǎn)的這種特性決定的 第1節(jié)焊接電弧的導(dǎo)電機(jī)理 電弧各區(qū)的組成 關(guān)于 陽(yáng)極斑點(diǎn) 當(dāng)采用低熔點(diǎn)材料 Fe Cu Al等 作為陽(yáng)極 一旦陽(yáng)極表面某處有熔化和蒸發(fā)現(xiàn)象產(chǎn)生時(shí) 由于金屬蒸氣的電離能大大低于一般氣體的電離能 在有金屬蒸氣存在的地方 更容易產(chǎn)生熱電離而提供正離子流 電子流更容易從這里進(jìn)入陽(yáng)極 陽(yáng)極上的導(dǎo)電區(qū)將在這里集中而形成陽(yáng)極斑點(diǎn) 陽(yáng)極斑點(diǎn)電流密度的數(shù)量級(jí)一般102 103A cm2 低熔點(diǎn)陽(yáng)極材料形成陽(yáng)極斑點(diǎn)的條件 首先是該點(diǎn)有金屬的蒸發(fā) 其次是電弧通過(guò)該點(diǎn)時(shí)弧柱消耗能量較低 當(dāng)金屬表面覆蓋氧化膜時(shí) 與陰極斑點(diǎn)的情況相反 陽(yáng)極斑點(diǎn)有自動(dòng)尋找純金屬表面而避開氧化膜的傾向 因?yàn)榇蠖鄶?shù)金屬氧化物的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)皆高于純金屬 且金屬氧化物的電離電壓較高 第1節(jié)焊接電弧的導(dǎo)電機(jī)理 焊接電弧屬性及特點(diǎn) 電弧最小電壓原理是什么 在給定電流和周圍條件的一定的情況下 電弧穩(wěn)定燃燒時(shí) 其導(dǎo)電區(qū)的半徑 或溫度 應(yīng)使電弧電場(chǎng)強(qiáng)度具有最小的數(shù)值 就是說(shuō)電弧具有保持最小能量消耗的特性 這已為理論推導(dǎo)及許多實(shí)際現(xiàn)象所證明 最小電壓原理也決定著電弧其它區(qū)域 陰極區(qū) 陽(yáng)極區(qū) 的E 溫度及導(dǎo)電端面的自行調(diào)節(jié)作用 以達(dá)到在一定條件下向外界散失熱量最小 利用最小電壓原理可以解釋電弧過(guò)程中的許多現(xiàn)象 例如當(dāng)電弧被周圍介質(zhì)強(qiáng)迫冷卻時(shí) 因周圍環(huán)境從電弧取走更多熱量 要求電弧產(chǎn)生更多熱量來(lái)補(bǔ)償 按最小電壓原理 電弧要自動(dòng)縮小斷面 減少散熱 使之與外界散熱相平衡 但斷面又不能收縮得過(guò)小 否則電流密度大而使E增加太多 電弧自動(dòng)調(diào)整可使E增加到最小數(shù)值 電弧靜特性物理意義是什么 電弧穩(wěn)定燃燒時(shí) 電流與電壓間的關(guān)系 第1節(jié)焊接電弧的導(dǎo)電機(jī)理 焊接電弧屬性及特點(diǎn) 影響電弧靜特性的因素電弧長(zhǎng)度的影響當(dāng)電流一定時(shí) 電弧長(zhǎng)度增加 電弧電壓隨之增加周圍氣體介質(zhì)的影響氣體的電離電位不同 氣體的熱物理性能不同 周圍氣體介質(zhì)壓力的影響其它條件不變 氣體介質(zhì)的壓力增加使粒子密度增加 氣體粒子能過(guò)散亂運(yùn)動(dòng)從電弧帶走的熱量增加 對(duì)電弧的冷卻作用增加 而使電弧電壓增加 第1節(jié)焊接電弧的導(dǎo)電機(jī)理 焊接電弧屬性及特點(diǎn) 第1節(jié)焊接電弧的導(dǎo)電機(jī)理 焊接電弧屬性及特點(diǎn) 焊接電弧的動(dòng)特性焊接電弧動(dòng)態(tài)伏安特性是指對(duì)于一定長(zhǎng)度的電弧 當(dāng)電流快速連續(xù)變化時(shí) 電弧電壓和電流瞬態(tài)值之間的關(guān)系 焊接電弧動(dòng)特性曲線 第1節(jié)焊接電弧的導(dǎo)電機(jī)理 焊接電弧屬性及特點(diǎn) 交流電弧的特點(diǎn) 何為弧焊電源 將電網(wǎng)電能進(jìn)行適當(dāng)轉(zhuǎn)換并提供給焊接電弧的系統(tǒng)裝置稱為弧焊電源 何為電源的外特性 在穩(wěn)定狀態(tài)下 弧焊電源輸出電壓與輸出電流的關(guān)系曲線稱為弧焊電源外特性 常見的有 恒壓 平特性和下降特性兩大類 下降外特性又分為緩降 陡降 垂直陡降 恒流 特性 第2節(jié)弧焊電源基礎(chǔ)知識(shí) 第2節(jié)弧焊電源基礎(chǔ)知識(shí) 焊接電弧 弧焊電源 系統(tǒng)穩(wěn)定工作條件 tg a tg p 0即 在電弧靜特性與電源外特性曲線交點(diǎn)處 前者斜率大于后者 這是 電弧 電源 系統(tǒng)穩(wěn)定工作的條件 也是確定弧焊電源外特性形狀的依據(jù) 第2節(jié)弧焊電源基礎(chǔ)知識(shí) 弧焊電源的空載電壓有何作用 有利于焊條與工件的高阻接觸表面形成導(dǎo)電通路為氣體電離和電子發(fā)射提供場(chǎng)能有利于電弧穩(wěn)定燃燒為了獲得所需要的外特性形狀短路電流有何作用有利于引弧理想值應(yīng)在焊接電流的1 25 2倍動(dòng)態(tài)品質(zhì)有何意義指輸出電流與電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性保持電弧過(guò)程順暢快速調(diào)節(jié)規(guī)范參數(shù) 第3節(jié)焊接電弧產(chǎn)熱機(jī)理 電弧熱量是如何產(chǎn)生的 焊接電源輸出的電能通過(guò)電弧轉(zhuǎn)換為熱能弧柱區(qū)的產(chǎn)熱機(jī)理是怎樣的 電子與正離子或中性粒子碰撞 其散亂運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能就是電子的熱能 在弧柱中 外加電場(chǎng)能量大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?單位弧柱長(zhǎng)度的電能為IE就代表了弧柱產(chǎn)熱能量的大小 弧柱產(chǎn)熱能量與熱損失相平衡 弧柱的熱能對(duì)流占80 以上 傳導(dǎo)和輻射約為10 左右 一般電弧焊接過(guò)程中 弧柱的熱量中只能有很少一部分通過(guò)輻射傳給焊條 絲 和工件 當(dāng)電流較大而有等離子流產(chǎn)通過(guò)輻射傳給焊條 絲 和工件 陰極區(qū)產(chǎn)熱機(jī)理如何 在陰極區(qū) 電子在陰極壓降的作用下逸出陰極并受到加速作用 獲得的總能量為IUK 電子從陰極表面逸出時(shí) 克服陰極表面的束縛而消耗能量為IUw 電子流離開陰極區(qū)進(jìn)入弧柱區(qū)時(shí) 它具有與弧柱溫度相應(yīng)的熱能 電子流離開陰極區(qū)帶走的這部分能量為IUT 根據(jù)上述分析 電子流離開陰極區(qū)時(shí)能量平衡為 PK I UK Uw UT 陰極區(qū)產(chǎn)熱主要用于加熱陰極和陰極區(qū)的散熱損失 焊接過(guò)程中直接加熱焊條 絲 或工件的熱量主要由此提供 陰極區(qū)的熱量直接影響焊絲熔化或焊縫熔深 陽(yáng)極區(qū)產(chǎn)熱機(jī)理是怎樣的電子到達(dá)陽(yáng)極時(shí)將帶給陽(yáng)極三部分能量 電子經(jīng)陽(yáng)極壓降區(qū)被UA加速而獲得的動(dòng)能IUA 電子發(fā)射時(shí)在陰極吸收的逸出功又供給陽(yáng)極IUw 從弧柱帶來(lái)的與弧柱溫度相對(duì)應(yīng)的熱能IUT 因此陽(yáng)極區(qū)的能量平衡為 PA I UA Uw UT 陽(yáng)極產(chǎn)生的熱量主要用于陽(yáng)極的加熱 熔化和散熱損失 這也是焊接過(guò)程中可以直接利用的能量 焊接電弧的溫度分布有何特點(diǎn) 沿焊接電弧軸向的溫度分布情況為 弧柱的溫度較高 兩個(gè)電極上溫度較低 這是因?yàn)殡姌O溫度的升高受到電極材料導(dǎo)熱性能 熔點(diǎn)和沸點(diǎn)限制的結(jié)果 一般情況下 陽(yáng)極的溫度高于陰極的溫度 而陰極與陽(yáng)極的溫度低于電極材料的沸點(diǎn) 焊接電弧的溫度是如何分布的 焊接電流大小直接改變弧柱的能量密度 從而影響弧柱溫度的高低 焊接電流增大 弧柱溫度增加 在常壓下 當(dāng)電流由1 1000A變化時(shí) 弧柱溫度可在5000 30000K變化 電弧空間的溫度 還受金屬蒸氣成分的影響 當(dāng)電弧周圍有高速氣體流動(dòng)時(shí) 如等離子弧 由于氣流的冷卻作用 使弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度提高 溫度上升 電弧周圍氣氛是多原子氣體時(shí) 如CO2 O2 N2 H2 H2O等 由于氣體解離吸熱 也會(huì)使電弧溫度升高 第4節(jié)焊接電弧的作用力 電弧上主要的作用力電磁收縮力當(dāng)電流在一個(gè)導(dǎo)體中流過(guò)時(shí) 整個(gè)電流可看成是由許多平行的電流線組成 這些電流線間將產(chǎn)主相互吸引力 斷面有收縮的傾向 電磁靜壓力實(shí)際焊接電弧是斷面直徑變化的近似圓錐狀的氣態(tài)導(dǎo)體 直徑不同引起壓力差 從而產(chǎn)生由焊條指向工件的推力 被稱為電弧的電磁靜壓力 電磁動(dòng)壓力熔池受到的由物質(zhì)的高速運(yùn)動(dòng) 等離子體流動(dòng) 引起的壓力 所以稱為電弧的電磁動(dòng)壓力 等離子流力焊接電弧呈錐形 使電磁收縮力在電弧各處分布是不均勻的 具有一定的壓力梯度 靠近焊絲處的壓力大 靠近工件處的壓力小 形成沿軸線的推力 電弧中的壓力差將使靠近焊條處的高溫氣體向工件方向流動(dòng) 高溫氣體流動(dòng)時(shí)要求從焊絲上方補(bǔ)充新的氣體 形成有一定速度的連續(xù)氣流進(jìn)入電弧區(qū) 新加入的氣體被加熱和部分電離后 受推力作用繼續(xù)沖向工件 對(duì)熔池形成附加的壓力 在電弧中 由于電弧推力引起高溫氣流的運(yùn)動(dòng)所形成的壓力稱等離子流力 斑點(diǎn)壓力當(dāng)電極上形成斑點(diǎn)時(shí) 將受到壓力作用 包括 陽(yáng)極承受電子的撞擊 陰極承受正離子的撞擊 因?yàn)檎x子的質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子的質(zhì)量 同時(shí)陰極壓降一般又大于陽(yáng)極壓降 所以陰極斑點(diǎn)壓力通常較大 陽(yáng)極斑點(diǎn)壓力較小 當(dāng)電極上形成熔滴并出現(xiàn)斑點(diǎn)時(shí) 熔滴和電弧空間的電流線都在斑點(diǎn)處集中 電磁力的合力方向是由小斷面指向大斷面 所以斑點(diǎn)處將受到向上的電磁收縮力 阻礙熔滴下落 通常陰極斑點(diǎn)比陽(yáng)極斑點(diǎn)的收縮程度大 受力亦較大 由于斑點(diǎn)上電流密度及局部溫度很高 從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的蒸發(fā) 使金屬蒸氣以一定速度由斑點(diǎn)發(fā)射出來(lái) 它將施加給斑點(diǎn)一定的反作用力 由于陰極斑點(diǎn)的電流密度比陽(yáng)極斑點(diǎn)的高 發(fā)射要更強(qiáng)烈 因此受力更大 爆破力焊接過(guò)程中出現(xiàn)熔滴短路 電弧瞬時(shí)熄滅 當(dāng)短路電流很大時(shí) 短路金屬液柱中電流密度很高 在金屬液柱內(nèi)產(chǎn)生很大的電磁收縮力 使縮頸變細(xì) 電阻熱使金屬液柱小橋溫度急劇升高 使液柱汽化爆斷 此爆破力可能使液體金屬形成飛濺 液柱爆斷后電弧重新點(diǎn)燃 電弧空間的氣體突然受高溫加熱而膨脹 局部壓力驟然升高 對(duì)熔池和焊絲端頭的液態(tài)金屬會(huì)形成較大的沖擊力 嚴(yán)重時(shí)也會(huì)造成飛濺 細(xì)滴沖擊力用富氬氣體保護(hù)以射流過(guò)渡焊接時(shí) 熔化金屬形成連續(xù)細(xì)滴沿焊絲軸向射至熔池 這些熔滴在等離子流力作用下 以很高的加速度 可達(dá)重力加速度的50倍以上 沖向熔池 到達(dá)熔池時(shí)其速度可達(dá)每秒幾百米 盡管每個(gè)熔滴重量?jī)H幾十毫克 但這些細(xì)滴具有很大的動(dòng)能 形成細(xì)熔滴對(duì)熔池的沖擊力 影響電弧力的因素氣體介質(zhì)導(dǎo)熱性強(qiáng)或多原子氣體皆能引起弧柱收縮 導(dǎo)致電弧力的增加 保護(hù)氣體流量或電弧空間氣體壓力增加 也會(huì)引起電弧收縮并使電弧壓力增加 同時(shí)引起斑點(diǎn)收縮進(jìn)一步加大了斑點(diǎn)壓力 這將阻止熔滴過(guò)渡 使熔滴顆粒增大而過(guò)渡困難 焊接電流與電壓焊接電流增大時(shí)電磁收縮力和等離子流皆增加 故電弧力也增大 而電弧電壓升高亦即電弧長(zhǎng)度增加時(shí) 使電弧壓力降低 焊絲直徑焊絲直徑越細(xì) 電流密度越大 電磁力越大 造成電弧錐形越明顯 則等離子流力越大 使電弧的總壓力增大 電源極性鎢極氬弧焊 當(dāng)鎢極接負(fù)時(shí) 允許通過(guò)的電流大 陰極導(dǎo)電區(qū)收縮的程度大 將形成錐度較大電弧 產(chǎn)生的軸向推力較大 電弧壓力也大 反之鎢極接正 則形成較小的電弧壓力 工頻交流TIG焊時(shí) 電弧壓力介于二者之間 對(duì)于熔化極氣體保護(hù)焊 也要考慮熔滴過(guò)渡形式 直流正接 焊絲受到較大的斑點(diǎn)壓力 使熔滴長(zhǎng)大不能順利過(guò)渡 不能形成很強(qiáng)的電磁力與等離子流力 因此電弧壓力小 直流反接 焊絲端部熔滴受到的斑點(diǎn)壓力小 形成細(xì)小熔滴 有較大的電磁力與等離子流力 電弧壓力較大 電極形狀鎢極端頭角度越小 尖 使電極上的導(dǎo)電區(qū)縮小 加大了電磁收縮力 則電弧力越大 另外 焊條端頭有尖角可減少補(bǔ)充氣流的阻力 有利于提高等離子流的流速 從而提高電弧的電磁動(dòng)壓力 脈沖電流當(dāng)電流以某一規(guī)律變化時(shí) 電弧壓力也變化 高頻脈沖鎢極氬弧焊接時(shí) 脈沖電流的頻率達(dá)到幾千赫茲以上 在同樣平均電流條件下 由于高頻電磁效應(yīng) 電弧壓力隨電流脈沖頻率的增加而增大 磁場(chǎng)對(duì)電弧的作用帶電粒子動(dòng)力受電磁力影響而向電弧軸線集中如果磁力線不均勻則出現(xiàn)磁偏吹現(xiàn)象 第5節(jié)熔滴過(guò)渡 焊絲金屬的熔化焊絲的熔化主要是靠陰極區(qū) 正接 或陽(yáng)極區(qū) 反接 所產(chǎn)生的熱量 而弧柱的幅射熱居次要地位 同時(shí)有外伸長(zhǎng)處的電阻熱 細(xì)絲熔化極電氣焊接時(shí) 正接時(shí)的產(chǎn)熱要大于反接 熔化速度單位時(shí)間內(nèi)焊絲熔化的重量 熔化系數(shù)單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位電流時(shí)熔化金屬的重量當(dāng)焊接電流 焊絲直徑和外伸長(zhǎng)一定時(shí) 焊絲成分 電流極性 氣體介質(zhì)和熔滴過(guò)渡形態(tài)等都會(huì)影響熔化速度 熔滴上的作用力表面張力保持熔滴的主要作用力重力在平焊位置下使熔滴脫離的力 重力大于表面張力時(shí) 則熔滴脫離焊絲電磁收縮力當(dāng)大電流焊接時(shí) 泫經(jīng)焊絲端部液滴的電流所產(chǎn)生的電磁收縮力 是影響熔滴脫落的主要作用力 此時(shí) 重力與其相比較小 當(dāng)電流流經(jīng)熔滴時(shí) 其導(dǎo)體截面是變化的 將產(chǎn)生電磁力的軸向分力 其方向總是由小截面指向大截面的等離子流力電弧直徑由焊絲向工件逐漸增大 在電弧中產(chǎn)生軸向推力 建立起指向工件的氣流金屬蒸氣的反作用力 熔滴過(guò)渡的主要形式及特點(diǎn)自由過(guò)渡顆粒過(guò)渡滴狀過(guò)渡 上撓過(guò)渡射流過(guò)渡噴滴型 集束型爆發(fā)過(guò)渡接觸過(guò)渡短路過(guò)渡 搭橋過(guò)渡渣壁過(guò)渡沿熔渣殼過(guò)渡 沿藥皮壁過(guò)渡 過(guò)渡的熔滴直徑小于焊絲直徑時(shí)稱為射流過(guò)渡 過(guò)渡的熔滴直徑大于焊絲直徑時(shí)稱為顆粒過(guò)渡 熔滴過(guò)渡的主要形式及特點(diǎn)自由過(guò)渡顆粒過(guò)渡滴狀過(guò)渡 上撓過(guò)渡射流過(guò)渡噴滴型 集束型爆發(fā)過(guò)渡接觸過(guò)渡短路過(guò)渡 搭橋過(guò)渡渣壁過(guò)渡沿熔渣殼過(guò)渡 沿藥皮壁過(guò)渡 通過(guò)燃燒著的電弧空間進(jìn)行的過(guò)渡 由于氣體爆破而完成過(guò)渡的過(guò)渡形式 由于熔滴和熔池接觸而完成過(guò)渡的過(guò)渡形式 熔滴沿著熔渣的壁面流動(dòng)而過(guò)渡 顆粒過(guò)渡根據(jù)電流大小 極性和保護(hù)氣體的種類的不同 顆粒過(guò)渡的特點(diǎn)也不同 在電流較小時(shí) 一般以大顆粒過(guò)渡 由于顆粒大而影響電弧穩(wěn)定 焊縫成型不好 這時(shí)熔滴的尺寸決定于表面張力和熔滴重力的平衡 當(dāng)電流增加時(shí) 斑點(diǎn)面積也增加 電磁收縮力由阻力轉(zhuǎn)為推力 熔滴細(xì)化 過(guò)渡頻率增加 成型改善 CO2氣體保護(hù)焊為什么不能軸向過(guò)渡 主要由于保護(hù)氣體對(duì)電弧的冷卻作用所致 射流過(guò)渡容易出現(xiàn)在氬和富氬氣體保護(hù)焊中 熔滴過(guò)渡穩(wěn)定 成型好 短路過(guò)渡在較小電流時(shí) 如果弧長(zhǎng)減少 即低電壓時(shí) 則出現(xiàn)短路過(guò)渡 得到電弧穩(wěn)定 飛濺較小的焊接過(guò)程 用于焊接薄板和全位置焊接 短路過(guò)渡過(guò)程在燃燒電弧的熱作用下 焊絲形成熔滴 隨著焊絲繼續(xù)熔化和焊絲的送進(jìn) 焊絲端部與熔池接觸形成短路并造成熄弧 隨后由于作用在各種力的作用下熔滴又形成電弧空間 電弧重新引燃 如此不斷重復(fù)這一過(guò)程形成穩(wěn)定的短路過(guò)渡過(guò)程 短路過(guò)渡的穩(wěn)定性 1 合適的短路電流上升速度 以達(dá)到小橋的柔順過(guò)渡 2 合適的短路電流峰值3 空載電壓恢復(fù)速度快