【正文】 離中電子起到主要的作用 。 2023/3/17 37 楊建國(guó) 焊接電弧物理基礎(chǔ) ? 電子發(fā)射與逸出功 ? 定義： –電子發(fā)射：陰極中的自由電子受到一定的外加能量作用，從陰極表面逸出的過(guò)程 –逸出功：一個(gè)電子從金屬表面逸出所需的最低外加能量。 2023/3/17 38 楊建國(guó) 焊接電弧物理基礎(chǔ) 金屬表面存在氧化物時(shí)逸出功會(huì)減小 2023/3/17 39 楊建國(guó) 焊接電弧物理基礎(chǔ) ? 陰極斑點(diǎn) ? 定義：陰極表面經(jīng)?？梢钥吹桨l(fā)出閃爍的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域稱為 ? 電子發(fā)射最集中的區(qū)域 ? 電流最集中流過(guò)的區(qū)域 ? 熱陰極 ：斑點(diǎn)固定 W C ? 冷陰極 ：斑點(diǎn)不規(guī)則移動(dòng) Cu Fe Al 2023/3/17 40 楊建國(guó) 焊接電弧物理基礎(chǔ) ? 陰極清理作用（陰極破碎） ? 在鋁合金焊接中作用最為明顯 2023/3/17 41 楊建國(guó) 焊接電弧物理基礎(chǔ) ? 電子發(fā)射的類型 –熱發(fā)射 –場(chǎng)致發(fā)射 –光發(fā)射 –粒子碰撞發(fā)射 ? 實(shí)際焊接過(guò)程中常常是幾種發(fā)射形式共存 2023/3/17 42 楊建國(guó) 焊接電弧物理基礎(chǔ) ? 熱發(fā)射（對(duì)電極有冷卻作用） ? 定義：陰極表面受熱，自由電子動(dòng)能加大，一部分電子達(dá)到或超過(guò)逸出功而產(chǎn)生的電子發(fā)射現(xiàn)象 ? 熱發(fā)射強(qiáng)弱受到陰極材料沸點(diǎn)的影響，沸點(diǎn)高的鎢或碳做陰極時(shí)，電極可以被加熱到比較高的溫度，通過(guò)熱發(fā)射可以提供足夠多的電子 2023/3/17 43 楊建國(guó) 焊接電弧物理基礎(chǔ) ? 場(chǎng)發(fā)射 ? 定義：陰極表面空間存在一定強(qiáng)度的正電場(chǎng)時(shí)，陰極內(nèi)部的電子將受到電場(chǎng)力的作用，當(dāng)力達(dá)到一定程度電子就會(huì)逸出陰極表面，這種電子發(fā)射現(xiàn)象 ? 冷陰極主要是這種發(fā)射電子的機(jī)理 2023/3/17 44 楊建國(guó) 焊接電弧物理基礎(chǔ) ? 光發(fā)射（對(duì)電極無(wú)冷卻作用） ? 粒子碰撞發(fā)射 – 正離子堆積 〉 正離子加速 〉 碰撞 〉 電子發(fā)射 2023/3/17 45 楊建國(guó) 焊接電弧物理基礎(chǔ) ? 帶電粒子的消失 ? 動(dòng)態(tài)平衡：電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)，帶電粒子的產(chǎn)生與消失處于動(dòng)態(tài)平衡 ? 主要形式：擴(kuò)散、復(fù)合及負(fù)離子形成 2023/3/17 46 楊建國(guó) 焊接電弧物理基礎(chǔ) ? 擴(kuò)散（濃度梯度） ? 定義：電弧空間中如果帶電粒子的分布不均勻，則帶電粒子將從濃度高的地方向濃度低的地方遷移，而使?jié)舛融呌诰鶆?，這種現(xiàn)象稱為帶電粒子的擴(kuò)散。 ? 中性粒子親和能大 ， 則表明該粒子吸附電子后系統(tǒng)內(nèi)能下降幅度大 ， 系統(tǒng)穩(wěn)定 。 ? 放熱過(guò)程 ， 在高溫下不易穩(wěn)定存在 ? 影響： –電子數(shù)量減少 ， 導(dǎo)電困難 ， 電弧穩(wěn)定性降低 –負(fù)離子運(yùn)動(dòng)速度慢 ， 不能很好的導(dǎo)電 –易于正離子復(fù)合 2023/3/17 50 楊建國(guó) 焊接電弧物理基礎(chǔ) 2023/3/17 51 楊建國(guó) 焊接電弧導(dǎo)電特性 ? 焊接電弧的導(dǎo)電特性是指參與電荷的運(yùn)動(dòng)并形成電流的帶電粒子在電弧中產(chǎn)生 、運(yùn)動(dòng)和消失的過(guò)程 ， 在焊接電弧的 弧柱區(qū) 、 陰極區(qū) 和 陽(yáng)極區(qū) 其相應(yīng)的導(dǎo)電特性也是不同 。 ? 弧柱電阻較小 2023/3/17 53 楊建國(guó) 焊接電弧導(dǎo)電特性 ? 弧柱電流（主要是電子電流 %） –負(fù)離子數(shù)量少，作用被忽略 –正離子在電場(chǎng)作用下，運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于電子 ? 但正離子的作用非常大，保證了電弧放電的低電壓大電流的特點(diǎn)。 ? 電場(chǎng)強(qiáng)度 E和電流 I的乘積 EI相當(dāng)于電源供給單位弧長(zhǎng)的電功率，他與弧柱的熱損失相平衡。當(dāng)電弧長(zhǎng)度也是定值的時(shí)候，電場(chǎng)強(qiáng)度的大小即代表了電弧產(chǎn)熱量的大小，因此，能量消耗最小的時(shí)候電場(chǎng)強(qiáng)度最低，即在固定弧長(zhǎng)上的電壓降最小，這就是最小電壓原理 2023/3/17 57 楊建國(guó) 焊接電弧導(dǎo)電特性 ? 電流和電弧周圍條件一定時(shí) ， 如果電弧截面面積大于或小于其自動(dòng)確定的截面 ，就會(huì)引起電場(chǎng)強(qiáng)度的增大 ， 是消耗的能量增多 ， 違反最小電壓原理 。 2023/3/17 60 楊建國(guó) 焊接電弧導(dǎo)電特性 ? 電子帶走的熱量的補(bǔ)充途徑 –正離子的碰撞 –正離子的復(fù)合，放出電離能 –電阻熱 2023/3/17 61 楊建國(guó) 焊接電弧導(dǎo)電特性 ? 電場(chǎng)發(fā)射型 （冷陰極或者熱陰極小電流） ? 電荷過(guò)剩 =正電場(chǎng) =場(chǎng)致發(fā)射 =電子加速 =場(chǎng)致電離 =形成電流 ? 正離子的作用 –正電場(chǎng) –撞擊陰極，加強(qiáng)熱發(fā)射 2023/3/17 62 楊建國(guó) 焊接電弧導(dǎo)電特性 ? 冷陰極中存在熱發(fā)射和場(chǎng)發(fā)射，其所占的份額受以下因素影響 –電極種類（沸點(diǎn)高或逸出功小，熱發(fā)射主導(dǎo)，陰極壓降?。? –電流大小（電流大，熱發(fā)射主導(dǎo)，陰極壓降?。? –氣體介質(zhì)（不易于電離，熱發(fā)射主導(dǎo)，陰極壓降?。? 2023/3/17 63 楊建國(guó) 焊接電弧導(dǎo)電特性 ? 陽(yáng)極區(qū)的導(dǎo)電特性 ? 接收電子，提供正離子 ? 陽(yáng)極斑點(diǎn)電流密度比陰極斑點(diǎn)小 ， 其形態(tài)與電極材料和電流大小有關(guān) 。 2023/3/17 64 楊建國(guó) 焊接電弧導(dǎo)電特性 ? 純金屬熔點(diǎn)沸點(diǎn)低于相應(yīng)氧化物，所以純金屬容易蒸發(fā)，陽(yáng)極斑點(diǎn)自動(dòng)尋找純金屬而避開(kāi)氧化物。 2023/3/17 65 楊建國(guó) 焊接電弧導(dǎo)電特性 ? 陽(yáng)極不能發(fā)射正離子，弧柱所需要的正離子是通過(guò)陽(yáng)極區(qū)電離提供的。 2023/3/17 66 楊建國(guó) 焊接電弧導(dǎo)電特性 ? 熱電離 （ 大電流 ） 陽(yáng)極過(guò)熱程度劇烈 ，金屬發(fā)生蒸發(fā) ， 陽(yáng)極區(qū)也有很高的溫度 ，陽(yáng)極區(qū)的電離方式由金屬蒸汽的熱電離取代高能量電子的碰撞產(chǎn)生的場(chǎng)致電離 ，完成陽(yáng)極區(qū)向弧柱提供正離子流的作用 。 2023/3/17 67 楊建國(guó) 焊接電弧的工藝特性 ? 焊接電弧與熱能及機(jī)械能有關(guān)的工藝特性，主要包括電弧的熱能特性、電弧的力學(xué)特性和電弧的穩(wěn)定性等。 ? 電子的運(yùn)動(dòng)速度比正離子運(yùn)動(dòng)速度大得多，因而從電源吸取電能轉(zhuǎn)化為熱能的作用幾乎完全由電子來(lái)承擔(dān)，進(jìn)而將電能轉(zhuǎn)化為熱能。 ? 電流一定時(shí) ， 單位長(zhǎng)度的弧柱的熱量由E決定 ， 而 E的數(shù)值由最小電壓原理自動(dòng)調(diào)節(jié) 。 ? 一般電弧焊，弧柱損失的熱量中，對(duì)流損失占 80%以上，傳導(dǎo)與輻射損失占10%，僅有很少的一部分能量通過(guò)輻射傳遞給焊件和焊絲。 ? 陰極區(qū)有兩種粒子：電子和正離子。 2023/3/17 74 楊建國(guó) 焊接電弧的工藝特性 ? 由于電子流占整個(gè)電流的 99%以上，所以電子流對(duì)于陰極產(chǎn)熱影響很大。 2023/3/17 75 楊建國(guó) 焊接電弧的工藝特性 ? 陰極壓降為 Uk ? 電子電流越為 I ? 電子逸出功 IUw ? 進(jìn)入弧柱的的電子本身具有一定的能量，IUT ? 所以陰極區(qū)產(chǎn)熱功率 : Pk=IUkIUwIUT 獲得的總能量為 IUk 2023/3/17 76 楊建國(guó) 焊接電弧的工藝特性 ?陽(yáng)極區(qū)的產(chǎn)熱特性 Pa=IUk+IUw+IUT 熱量主要用于對(duì)陽(yáng)極的加熱和陽(yáng)極的熱量損失，這部分熱量也可以用于加熱填充材料或者焊件。 2023/3/17 79 楊建國(guó) 焊接電弧的工藝特性 ? 焊接方法對(duì)熱效率的影響 ? 焊接參數(shù)中電壓的影響比較大 焊接方法 焊條電弧 埋弧焊 CO2焊 熔化極 鎢極氬弧焊 熱效率系數(shù) 2023/3/17 80 楊建國(guó) 焊接電弧的工藝特性 ? 能量密度：采用特定的焊接方法的時(shí)候 ， 單位面積上的有效熱功率稱為 ~，單位為： W/cm2. ? 同一種方法 ， 在不同的位置上的能量密度也是不同的 2023/3/17 81 楊建國(guó) 焊接電弧的工藝特性 ? 能量密度大的時(shí)候，可有效的利用熱源熔化金屬，并減少熱影響區(qū)，獲得窄而深的焊縫，有利于提高焊接生產(chǎn)率。他的大小與流過(guò)的電流大小成正比，與兩根導(dǎo)線之間的距離成反比。這些電流線將相互吸引。 ? 產(chǎn)生電磁收縮效應(yīng)的力稱為電磁收縮力。 ? 電弧被看作圓錐形氣態(tài)導(dǎo)體，電極端直徑小，焊件端直徑大。 ? 電磁攪拌（細(xì)化晶粒，排出氣體及熔渣） 2023/3/17 88 楊建國(guó) 焊接電弧的工藝特性 電弧靜壓力作用 高溫氣體推向焊件 電極上方氣體補(bǔ)充 新進(jìn)入氣體電離 2023/3/17 89 楊建國(guó) 焊接電弧的工藝特性 ? 等離子流力：高溫氣流的高速運(yùn)動(dòng)，持續(xù)的沖向焊件，對(duì)熔池形成附加壓力。 ? 電弧中等離子氣流具有很高的速度和加速度，可達(dá)數(shù)百米 /秒。 ? 電流越大，中心線上的動(dòng)應(yīng)力幅值越大，分布區(qū)域越小。 ? 結(jié)果：指狀熔深 。 2023/3/17 92 楊建國(guó) 焊接電弧的工藝特性 ? 陰極斑點(diǎn)力大于陽(yáng)極斑點(diǎn)力 ? 原因：正離子的質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子的質(zhì)量 陰極斑點(diǎn)電流密度大，蒸汽反作 用力也大 2023/3/17 93 楊建國(guó) 焊接電弧的工藝特性 ? 斑點(diǎn)力阻礙熔滴過(guò)渡 ? 利用陽(yáng)極斑點(diǎn)壓力小的特點(diǎn)，直流焊接時(shí)，采用 直流反接 ? 利于熔滴過(guò)渡，減小飛濺 2023/3/17 94 楊建國(guó) 焊接電弧的工藝特性 ? 電弧力的主要影響因素： –焊接電流和電壓 –焊絲直徑 –電極極性 –氣體介質(zhì) –鎢極端部幾何形狀 2023/3/17 95 楊建國(guó) 焊接電弧的工藝特性 ? 電流和電壓的影響 2023/3/17 96 楊建國(guó) 焊接電弧的工藝特性 ? 焊絲直徑的影響 ? 焊絲越細(xì)，電流密度越大，造成電弧錐形越明顯。 ? 氣體流量及電弧空間壓力增強(qiáng) ， 也會(huì)引起電弧收縮 。 ? 電弧靜特性曲線是在某一電弧長(zhǎng)度數(shù)值下，在穩(wěn)定的保護(hù)氣流量和電極條件下，改變電弧電流數(shù)值，在電弧達(dá)到穩(wěn)定燃燒狀態(tài)下，所對(duì)應(yīng)的電弧電壓曲線 2023/3/17 102 楊建國(guó) 焊接電弧的工藝特性 ? 靜特性曲線形狀 負(fù)阻特性 平特性 上升特性 熱損失小于熱輸入，提高了電弧溫度及電離度 金屬蒸汽發(fā)射 等離子流 2023/3/17 103 楊建國(guó) 焊接電弧的工藝特性 ? 負(fù)阻特性： 電流較小 ， 電弧熱量 較低 ，其間的電子 電離度低 ， 電弧的導(dǎo)電性較差 ， 需要有較高的電場(chǎng)推動(dòng)電荷運(yùn)動(dòng)；電弧陰極區(qū) ， 由于電極溫度低 ， 電子提供能力較差 ， 不能實(shí)現(xiàn)大量的電子發(fā)射 ，會(huì)形成比較強(qiáng)的陰極電壓降 。 ? 即在電極溫度和電弧溫度較高的情況下 ，電弧中產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)等量的電荷不需要更強(qiáng)的電場(chǎng) 。 2023/3/17 106 楊建國(guó) 焊接電弧的工藝特性 ? 平特性：電流進(jìn)一步增大 ， 電弧 等離子氣流 增強(qiáng) ， 除電