【正文】 建國 焊接電弧導(dǎo)電特性 ? 熱發(fā)射型 （熱陰極、大電流） ? 陰極斑點(diǎn)在電極表面十分穩(wěn)定 ， 其面積較大且十分均勻 ， 在此位置弧柱不呈收縮狀態(tài) ， 陰極區(qū)電流密度與弧柱區(qū)相近 ，陰極電壓降較小 。 2023/3/17 55 楊建國 焊接電弧導(dǎo)電特性 ? 影響弧柱電場強(qiáng)度的因素 – 弧柱氣體介質(zhì)（ HHe；單元子、多原子） – 弧柱的熱損失（強(qiáng)迫氣流冷卻等） 2023/3/17 56 楊建國 焊接電弧導(dǎo)電特性 ? 最小電壓原理：電弧在穩(wěn)定燃燒時(shí)，有一種使其自身能量消耗最小的特性，即當(dāng)電流和電弧周圍的條件（氣體介質(zhì)、溫度、壓力）一定時(shí)，穩(wěn)定燃燒的電弧將選擇一個(gè)確定的導(dǎo)電截面，使電弧的能量消耗最少。 2023/3/17 54 楊建國 焊接電弧導(dǎo)電特性 ? 弧柱電場強(qiáng)度（ E）：弧柱單位長度上的電壓降 ? 意義： E的大小表征電弧弧柱的導(dǎo)電能力。 2023/3/17 52 楊建國 焊接電弧導(dǎo)電特性 ? 弧柱區(qū)導(dǎo)電特性 ? 弧柱溫度： 5000~50000K ? 弧柱呈電中性 ? 弧柱是包含大量電子 、 正離子等帶電粒子和中性粒子聚合在一起的氣體狀態(tài) ，被稱為電弧等離子體 。 2023/3/17 49 楊建國 焊接電弧物理基礎(chǔ) ? 大多數(shù)粒子親和能比較小 ， 不易形成負(fù)離子 ? F、 Cl、 O OH、 NO等離子親和能比較大 ，易于形成負(fù)離子 。 ? 總趨勢：從弧柱中心向周圍擴(kuò)散 ? 電子輕 速度快 外圍濃度上升 阻礙進(jìn)一步擴(kuò)散 并吸引正離子 ? 結(jié)果：電弧中帶電粒子減少 并帶走部分熱量 2023/3/17 47 楊建國 焊接電弧物理基礎(chǔ) ? 復(fù)合 ? 定義：電弧空間的正負(fù)帶電粒子在一定條件下相遇而結(jié)合成為中性粒子的過程 ? 位置：在電弧的周邊（速度慢） ? 影響 –以輻射和熱能的形式釋放出部分能量 –電弧復(fù)燃困難 2023/3/17 48 楊建國 焊接電弧物理基礎(chǔ) ? 負(fù)離子 ? 位置：電弧周邊 ? 中性粒子吸附電子形成負(fù)離子其內(nèi)能減少，以熱和輻射光的形式釋放能量，該能量稱為中性粒子的親和能。單位電子伏或者逸出電壓 ? 逸出功的大小受電極材料及表面狀態(tài)的影響。 2023/3/17 34 楊建國 焊接電弧物理基礎(chǔ) 2023/3/17 35 楊建國 焊接電弧物理基礎(chǔ) ? 光電離 ? 定義：中性氣體粒子受到光輻射的作用而產(chǎn)生的電離過程 ? 范圍：電弧的輻射只可能對 K、 Na、 Ca、Al等金屬蒸汽直接引起電離 ， 而對焊接電弧氣氛中的其他氣體則不能直接引起電離 ? 光電離是產(chǎn)生帶電粒子的次要途徑 2023/3/17 36 楊建國 焊接電弧物理基礎(chǔ) ? 陰極電子發(fā)射 ? 電離 和 陰極電子發(fā)射 是電弧產(chǎn)生和維持不可缺少的必要條件 ? 陰極發(fā)射出的電子，在電場的加速下碰撞電弧空間的中性粒子使之電離，從而是陰極電子發(fā)射充當(dāng)了維持電弧導(dǎo)電的原電子之源。 ? 意義：穩(wěn)弧劑的作用 2023/3/17 25 楊建國 焊接電弧物理基礎(chǔ) Fe電離電壓為 ,K電離電壓為 2023/3/17 26 楊建國 焊接電弧物理基礎(chǔ) ? 電弧的電離與激勵(lì)同時(shí)存在 ? 電離與激勵(lì)所需的最低能量為固定值 2023/3/17 27 楊建國 焊接電弧物理基礎(chǔ) ? 電離的種類： –熱電離 –場致電離 –光電離 ? 電離度：電弧內(nèi)單位體積內(nèi)電離的粒子數(shù)與氣體電離前粒子總數(shù)的比值 X=電離的粒子密度 /電離前中性粒子密度 碰撞電離 2023/3/17 28 楊建國 焊接電弧物理基礎(chǔ) ? 熱電離 ? 定義：氣體粒子受熱作用而產(chǎn)生電離的過程 ? 實(shí)質(zhì)：氣體粒子的熱運(yùn)動(dòng)形成頻繁而激烈的碰撞 ? 主要位置：弧柱區(qū) （ 溫度在 500050000K） 2023/3/17 29 楊建國 焊接電弧物理 電離 電離度與材料、溫度之間的關(guān)系 2023/3/17 30 楊建國 焊接電弧物理基礎(chǔ) ? 基本規(guī)律： 溫度 壓力 電離電壓 電離度 帶電粒子數(shù) 電弧穩(wěn)定性 2023/3/17 31 楊建國 焊接電弧物理基礎(chǔ) ? 場致電離 ? 定義：在兩電極間的電場的作用下，氣體中的帶電粒子被加速，電能轉(zhuǎn)化為帶電粒子的動(dòng)能，當(dāng)帶電粒子的動(dòng)能達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，則可能與中性粒子發(fā)生非彈性碰撞而使之電離，這種電離被稱為場致電離 2023/3/17 32 楊建國 焊接電弧物理基礎(chǔ) ? 場致電離發(fā)生的位置 –主要是兩級區(qū)，由于在這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)電場強(qiáng)度可達(dá) 105107V/cm –而弧柱區(qū)電場強(qiáng)度為： 10V/cm左右，電場作用不明顯 2023/3/17 33 楊建國 焊接電弧物理基礎(chǔ) ? 由于電子質(zhì)量遠(yuǎn)小于其他粒子的質(zhì)量 ，因而在電場的作用下 ， 速度快 ， 動(dòng)能大 ，其余其他粒子發(fā)生非彈性碰撞 ， 幾乎將本身的動(dòng)能全部傳遞給相應(yīng)的粒子 ， 使中性粒子發(fā)生電離或激勵(lì) 。 ? 使中性粒子激勵(lì)所需要的外加能量叫做激勵(lì)能 2023/3/17 23 楊建國 焊接電弧物理基礎(chǔ) ? 受激勵(lì)的電子沒有脫離原子的束縛 =粒子呈中性 ? 受激勵(lì)的粒子處于不穩(wěn)定狀態(tài) =穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)間短約為： 102108s ? 激勵(lì)狀態(tài)的粒子有兩種出路 –又轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)，伴隨著這個(gè)過程能量以輻射光的形式釋放出來 =電弧輻射光 –接受外部能量電離 2023/3/17 24 楊建國 焊接電弧物理基礎(chǔ) ? 當(dāng)電弧空間存在電離電壓 （ 或激勵(lì)電壓 ）不同的多種氣體的時(shí)候 ， 在外加能量的作用下 ， 電離電壓 （ 或激勵(lì)電壓 ） 低的氣體粒子先被電離 （ 或激勵(lì) ） ， 若這種氣體的足以維持電弧的穩(wěn)定燃燒 ， 則整個(gè)電弧燃燒所需要的能量主要取決于這個(gè)較低的電壓 。 ? …… ? 單位：電子伏（ eV） 為： *1019J 電離電壓 2023/3/17 20 楊建國 焊接電弧物理基礎(chǔ) ? 氣體的電離電壓的大小反映了帶電粒子產(chǎn)生的難易程度。 2023/3/17 11 楊建國 焊接電弧物理基礎(chǔ) ? 氣體是良好的絕緣體 帶電粒子密度108/m3 ? 使氣體導(dǎo)電的條件： –電場 –帶電粒子 2023/3/17 12 楊建國 焊接電弧物理基礎(chǔ) ? 焊接電弧物理基礎(chǔ) –氣體電離 –陰極電子發(fā)射 –帶電粒子消失 2023/3/17 13 楊建國 焊接電弧物理基礎(chǔ) ? 金屬導(dǎo)電符合歐姆定律 –原因：導(dǎo)電機(jī)制沒有發(fā)生變化 2023/3/17 14 楊建國 焊接電弧物理基礎(chǔ) 非自持放電 自持放電 電流最大、電壓最低、溫度最高、發(fā)光最強(qiáng) 2023/3/17 15 楊建國 焊接電弧物理基礎(chǔ) ? 沿電弧方向電場強(qiáng)度分布不均勻 ? 分為三個(gè)區(qū)域 ? 陰極 、 陽極區(qū)尺寸很小 ， 約為 102106 cm ? 電場分布的不均勻性表明電弧電阻的非線性 2023/3/17 16 楊建國 焊接電弧物理基礎(chǔ) ? 金屬導(dǎo)電機(jī)制：自由電子定向移動(dòng) ? 電弧導(dǎo)電機(jī)制： 電子、正離子、負(fù)離子都參與導(dǎo)電 是復(fù)雜的導(dǎo)電過程 產(chǎn)生機(jī)制？？？？ 2023/3/17 17 楊建國 焊接電弧物理基礎(chǔ) ? 帶電粒子產(chǎn)生來源： –中性氣體粒子的電離 –金屬電極發(fā)射電子 –負(fù)離子形成 –正離子形成 基本物理過程 2023/3/17 18 楊建國 焊接電弧物理基礎(chǔ) ? 氣體的電離 ? 定義：在外加能量作用下，使中性的氣體分子或原子分離成電子和正離子的過程 ? 實(shí)質(zhì)：中性氣體粒子吸收足夠的外部能量，使分子或原子中的電子脫離原子核束縛而成為自由電子和正離子的過程。焊接方法與設(shè)備 2023/3/17 1 楊建國 第一章 電弧焊基礎(chǔ)知識 ? 電弧焊重要性 – 高效 ? 本章基本內(nèi)容 – 電弧物理基礎(chǔ) – 工藝特性 – 焊絲熔化與熔滴過渡 – 母材熔化及焊縫成型 2023/3/17 2 楊建國 主要章節(jié) ? 電弧焊基本歷史 ? 焊接電弧 ? 焊絲的熔化與熔滴過渡 ? 母材熔化與焊縫成形 2023/3/17 3 楊建國 電弧焊基本歷史 ? 1801 迪威 電弧放電現(xiàn)象 ? 1855 俄羅斯人 碳弧焊 –應(yīng)用：鐵管及容器的制造 蒸汽機(jī)修理 –問題：碳元素使金屬接頭變得脆硬 ? 1891 俄羅斯人 金屬極焊接法 –空氣中 鐵電極 2023/3/17 4 楊建國 電弧焊基本歷史 ? 1907 瑞典人 焊條電弧焊 ? 1912 瑞典人 開發(fā)出保護(hù)良好的厚涂層焊條 ? 1920 英國人 全焊接船下水 ? 焊條電弧焊問題： –有限長度焊條 2023/3/17 5 楊建國 電弧焊基本歷史 2023/3/17 6 楊建國 電弧焊基本歷史 ? 1930 埋弧焊 2023/3/17 7 楊建國 電弧焊基本歷史 ? 1930 美國 GTAW ? 1940 美國 成功應(yīng)用該方法于焊接鎂及不銹鋼薄板 2023/3/17 8 楊建國 電弧焊基本歷史 ? 1945 交流 GTAW焊接方法 ? 1945 直流金屬極焊接方法 GMA 2023/3/17 9 楊建國 第一節(jié) 焊接電弧 ? 焊接電弧物理基礎(chǔ) ? 焊接電弧導(dǎo)電特性 ? 焊接電弧工藝特性 2023/3/17 10 楊建國 焊接電弧物理基礎(chǔ) ? 電弧定義：電弧是一種特殊的氣體放電現(xiàn)象，它是帶電粒子通過兩電極之間氣體空間的一種導(dǎo)電過程。 ? 實(shí)現(xiàn)了將電能轉(zhuǎn)化為 機(jī)械能 、 熱能 和光能。 2023/3/17 19 楊建國 焊接電弧物理基礎(chǔ) ? 中性氣體粒子失去第一個(gè)電子所需要的最小能量成為第一電離能 ? 失去第二個(gè)電子所需的能量稱為第二電離能。 –電離電壓低 帶電粒子容易產(chǎn)生 有利于電弧導(dǎo)電 –電離電壓高 帶電粒子難以產(chǎn)生 電弧導(dǎo)電困難 2023/3/17 21 楊建國 焊接電弧物理基礎(chǔ) 2023/3/17 22 楊建國 焊接電弧物理基礎(chǔ) ? 激勵(lì) ? 定義：當(dāng)中性氣體粒子受外加能量作用而不足以使其電離時(shí)，但可能使其內(nèi)部的電子從原來的能級躍遷到較高的能級，這種現(xiàn)象稱為 ~。 因而電弧所要求的外加能量就比較低 。 因而場致電