1、12內(nèi)容提要本節(jié)主要講述如下內(nèi)容：焊接電弧的定義電弧的導(dǎo)電機(jī)理焊接電弧的構(gòu)成及導(dǎo)電特性焊接電弧的產(chǎn)熱機(jī)理3Metal joining principle:Bolt binding and riveting are mechanical joiningWelding is the most effective method of materials Joining. The joining principle is :Two parts to be joined have their surfaces matched within atomic precision ( 0.30.5 Nanome

2、ter ). Adhesive Bonding: The effected forces among molecules through chemical reaction and physical effect.4Welding is one of the most widely applied joining process in the modern (advanced) manufacturing industry.Be used in automobile and car making, ship and barge building,aerocraft (aero and spac

3、e) fabrication (such as space shuttle ), railroad car fabrication, petrochemical industry (such as pipe manufacturing), and bridge ,buildings and other large structures, electric & electronic industry .5Requirements for successful welding :A supply of energy to create union by fusion or pressure；Rem

4、oving superficial contamination from the joint face；Avoidance of atmospheric contamination or its effects；Control of weld metallurgy；6Metal joining approach：1) Heating: Break up the surface oxide Joint becomes plastic or fusion state molten pool crystal together weld bead Applied heating sources： Ga

5、s flame ；Arc heat；Resistance heat； Electron beam energy； Laser beam energy etc.782) PressureOutside force: make two parts integrate.Such as Bolt Binding, Riveting and pressure welding Sometimes pressure+heating in pressure welding3) Chemical reaction & physical effect adhesion & cohesion in Adhesive

6、 Bonding91. 電弧的導(dǎo)電特性 焊接電弧是一種氣體放電現(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。一般情況下，氣體是良好的絕緣體其分子和原子都處于電中性狀態(tài)。要使兩電極之間的氣體導(dǎo)電，必須具備兩個(gè)條件： 兩電極之間有帶電粒子； 兩電極之間有電場。第10章 金屬連接成形的主要工藝 10第10章 金屬連接成形的主要工藝 采用一定的物理方法，改變兩電極間氣體粒子的電中性狀態(tài)，產(chǎn)生帶電荷的粒子，帶電粒子在電場的作用下運(yùn)動(dòng)，即形成電流使兩電極之間的氣體空間成為導(dǎo)體，產(chǎn)生氣體放電。氣體放電隨電流的強(qiáng)弱而有不同的形式，如暗放電、輝光放電、電弧放電等。與其他氣體放電形式相比，電弧放電的主要

7、特點(diǎn)是電流最大、電壓最低、溫度最高、發(fā)光最強(qiáng)。1112 Fig.12-2 Volt-ampere Characteristics第10章 金屬連接成形的主要工藝 微量帶電粒子崩潰二次電離，雪崩I ，輝光面積電流密度不變電弧兩極間帶電粒子的來源： 中性氣體粒子的電離、金屬電極發(fā)射電子、負(fù)離子形成等。其中氣體電離和陰極發(fā)射電子是電弧中產(chǎn)生帶電粒子的兩個(gè)基本物理過程。同時(shí)還存在其它過程: 解離、激發(fā)、擴(kuò)散、復(fù)合等。132 . 電弧中帶電粒子的產(chǎn)生(1)電離與激勵(lì) 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

8、核束縛而成為自由電子和正離子的過程。第一電離能，第二電離能，依此類推。14(一) 氣體的電離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。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1516第10章 金屬連接成形的主要工藝 氣體粒子電離電壓/V氣體粒子電離電壓/HHeLiCNOFNaClArKCaNiCrMoCsFe13.524.5(54.2)5.4(75.3;122)11.3(24.4;48;65.4)14.5(29.5;47;73;97)13.5(25;55;77)17.4(35;63;87;114)5.1(47;50;72)13(22.5;4

9、0;47;68)15.7(28;41)4.3(32;47)6.1(12;51;67)7.6(18)7.7(20;30)7.43.9(33;35;51;58)7.8(16;30)WH2C2N2O2Cl2CONOOHH2OCO2NO2AlMgTiCu8.015.41215.512.21314.19.513.812.613.7115.967.616.817.68括號內(nèi)數(shù)值依次為二次,三次,電離電壓常見氣體粒子的電離電壓當(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)象稱為激勵(lì)。使中性粒子激勵(lì)所需要的最低外加能量叫做激勵(lì)能，單位為V，則稱為激勵(lì)電

10、壓。 常見氣體粒子的激勵(lì)電壓17元素激勵(lì)電壓/V元素激勵(lì)電壓/V元素激勵(lì)電壓/VHHeNeArNO10.219.316.611.62.42.0KFeCuH2N2O21.64.431.47.06.37.9COCO2H2OCsCa6.23.07.61.41.9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：10-2-10-8s 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18當(dāng)電弧空間存在電離電壓（或激勵(lì)電壓）不同的多種氣體時(shí)，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（

11、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。因而電弧所要求的外加能量就比較低。意義：穩(wěn)弧劑的作用.1920Fe電離電壓為7.8V,K電離電壓為4.3V(2)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211）熱電離氣體粒子受熱的作用而產(chǎn)生電離的過程稱為熱電離。它實(shí)質(zhì)上是由于氣體粒子的熱運(yùn)動(dòng)形成頻繁而激烈的碰撞產(chǎn)生的一種電離過程。熱電離的電離度與溫度、氣體壓力及氣體的電離電壓有關(guān)。2223電離度與材料、溫度之間的關(guān)系24基本規(guī)律：溫度壓力電離電壓電離度帶電

12、粒子數(shù)電弧穩(wěn)定性 2) 場致電離在兩電極間的電場作用下，氣體中的帶電粒子將加速，電能將轉(zhuǎn)換為帶電粒子的動(dòng)能。當(dāng)帶電粒子的動(dòng)能增加到一定數(shù)值時(shí)，則可能與中性粒子發(fā)生非彈性碰撞而使之產(chǎn)生電離，這種電離稱為場致電離?；≈臏囟纫话阍?000-50000K之間，而電場強(qiáng)度僅為10vcm左右，所以在弧柱區(qū)熱電離是產(chǎn)生帶電粒子的主要途徑，電場作用下的電離則是次要的。在電弧的陰極壓降區(qū)和陽極壓降區(qū)電場強(qiáng)度可達(dá)105107v/cm，遠(yuǎn)高于弧柱區(qū)，因而會(huì)產(chǎn)生顯著的場致電離現(xiàn)象。253) 光電離中性氣體粒子受到光輻射的作用而產(chǎn)生的電離過程稱為光電離。 焊接電弧的光輻射只可能對K、Na、Ca、Al等金屬蒸氣直接引起

13、光電離，而對焊接電弧氣氛中的其他氣體則不能直接引起光電離。因此，光電離只是電弧中產(chǎn)生帶電粒子的一種次要途徑。26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。從陰極發(fā)射的電子，在電場的加速下碰撞電弧導(dǎo)電空間的中性氣體粒子而使之電離，這樣就使陰極電子發(fā)射充當(dāng)了維持電弧導(dǎo)電的“原電子之源”。因此，陰極電子發(fā)射在電弧導(dǎo)電過程中起著特別重要的作用。27(二) 陰極電子發(fā)射(1)電子發(fā)射與逸出功 陰極中的自由電子受到一定的外加能量作用時(shí)，從陰極表面逸出的過程稱為電子發(fā)射。電子從陰極表面逸出需要能量，1個(gè)電子從金屬表面逸出所需要的最低外加能量稱為逸出功(Aw)，單位是電子伏。因電子電量為常數(shù)e，故

14、通常用逸出電壓(Uw)來表示，UwAwe，單位為V。逸出功的大小受電極材料種類及表面狀態(tài)的影響。 幾種金屬材料的逸出功28金屬種類WFeAlCuKCaMgAw/eW純金屬4.544.484.254.362.022.123.73表面有氧化物-3.923.93.850.461.83.31(2)陰極斑點(diǎn) 陰極表面通?？梢杂^察到發(fā)出爍亮的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域稱為陰極斑點(diǎn)，它是發(fā)射電子最集中的區(qū)域，即電流最集中流過的區(qū)域。陰極斑點(diǎn)的形態(tài)與陰極的類型有關(guān)。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由于金屬氧化物的逸出功比純金屬低，因而氧化物處容易發(fā)射電子。29氧化物發(fā)射電子的同時(shí)自身被破壞

15、，因而陰極斑點(diǎn)有清除氧化物的作用。陰極表面某處氧化物被清除后另一處氧化物就成為集中發(fā)射電子的所在。于是，斑點(diǎn)游動(dòng)力圖尋找在一定條件下最容易發(fā)射電子的氧化物。如果電弧在惰性氣體中燃燒，陰極上某處氧化物被清除后不再生成新的氧化物，陰極斑點(diǎn)移向有氧化物的地方，接著又將該處氧化物清除。這樣就會(huì)在陰極表面的一定區(qū)域內(nèi)將氧化物消除干凈，顯露出金屬本色。這種現(xiàn)象稱為“陰極清理”作用或“陰極破碎”作用。在鋁合金焊接中作用最為明顯30(3)電子發(fā)射的類型 根據(jù)外加能量形式的不同，電子發(fā)射可分為以下四種類型： 1)熱發(fā)射。陰極表面因受熱的作用而使其內(nèi)部的自由電子熱運(yùn)動(dòng)速度加大，動(dòng)能增加，一部分電子動(dòng)能達(dá)到或超出逸

16、出功時(shí)產(chǎn)生的電子發(fā)射現(xiàn)象稱為熱發(fā)射。熱發(fā)射的強(qiáng)弱受材料沸點(diǎn)的影響。當(dāng)采用高沸點(diǎn)的鎢或碳作陰極時(shí)(其沸點(diǎn)分別為5950K和4200K)，電極可被加熱到很高的溫度(一般可達(dá)3500K以上)此時(shí)，通過熱發(fā)射可為電弧提供足夠的電子。31 2)場致發(fā)射。當(dāng)陰極表面中間存在一定強(qiáng)度的正電場時(shí)，陰極內(nèi)部的電子將受到電場力的作用。當(dāng)此力達(dá)到一定程度時(shí)電子便會(huì)逸出陰極表面，這種電子發(fā)射現(xiàn)象稱為場致發(fā)射。當(dāng)采用鋼、鋼、鋁等低沸點(diǎn)材料作陰極(冷陰極)時(shí)(其沸點(diǎn)分別為3013K、2868K和2770K)，陰極加熱溫度受材料沸點(diǎn)限制不可能很高，熱發(fā)射能力較弱，此時(shí)向電弧提供電子的主要方式是場致發(fā)射電子。實(shí)際上，電弧焊時(shí)

17、純粹的場致發(fā)射是不存在的，只不過是在采用冷陰極時(shí)以場致發(fā)射為主，熱發(fā)射為輔而已。323)光發(fā)射。當(dāng)陰極表向受到光輻射作用時(shí)，陰極內(nèi)的自由電子能量達(dá)到逸出陰極表面的現(xiàn)象稱為光發(fā)射。光發(fā)射在陰極電子發(fā)射中居次要地位。334)粒子碰撞發(fā)射。電弧中高速運(yùn)動(dòng)的粒子（主要是正離子）碰撞陰極時(shí)把能量傳遞給陰極表面的電子，使電子能量增加而逸出陰極表面的現(xiàn)象稱為粒子碰撞發(fā)射。34電弧導(dǎo)電過程中，在產(chǎn)生帶電粒子的同時(shí)，伴隨著帶電粒子的消失過程。在電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)，二者是處于動(dòng)平衡狀態(tài)的。帶電粒子在電弧空間的消失主要有擴(kuò)散、復(fù)合兩種形式和電子結(jié)合成負(fù)離子等過程。35363. 焊接電弧的構(gòu)成及其特性 焊接電弧的構(gòu)成37

18、 陽極區(qū)和陰極區(qū)占整個(gè)電弧長度的尺寸皆很小，約為10-210-6cm，故可近似認(rèn)為弧柱長度即為電弧長度。電弧的這種不均勻的電場強(qiáng)度分布，說明電弧各區(qū)域的電阻是不同的，即電弧電阻是非線性的。(2) 焊接電弧的導(dǎo)電特性1) 弧柱區(qū)的導(dǎo)電特性弧柱溫度：500050000K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?；≈娮栎^小38電弧等離子體雖然對外呈現(xiàn)電中性，但由于其內(nèi)部有大量電子和正離子等帶電粒子，所以具有良好的導(dǎo)電性能。帶電粒子在電場的作用下運(yùn)動(dòng)，就形成了弧柱中的電流?；≈械碾娏饔上蜿帢O運(yùn)動(dòng)的正離子流和向陽極運(yùn)動(dòng)的電子流組成。由于電子和

19、正離子在同一電場中所受的電場力相同，而電子的質(zhì)量正離子的速度，因此弧柱中的電流主要由電子流構(gòu)成。3940第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 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。 顯然，當(dāng)弧柱中通過大電流時(shí)，電離度提高，E值將減少。電場強(qiáng)度 E與電流 I 的乘積 EI，相當(dāng)于電源供給每單位弧長的電功率，它與弧柱的熱損失相平衡。41影響弧柱電場強(qiáng)度的因素弧柱氣體介質(zhì)（H2、He；單元子、多原子）弧柱的熱損失（強(qiáng)迫氣流冷卻等）42由此可見：電場強(qiáng)度 E 的大小與電弧的氣體介質(zhì)有關(guān)； E 的大小將隨弧柱的熱損失情況而自行調(diào)整。弧柱在穩(wěn)定燃燒時(shí)，有一種使自

20、身能量消耗最小的特性。當(dāng)電流和電弧周圍條件(如氣體介質(zhì)種類、溫度、壓力等)一定時(shí)，穩(wěn)定燃燒的電弧將自動(dòng)選擇一個(gè)確定的導(dǎo)電截面使電弧的能量消耗最小。當(dāng)電弧長度也為定值時(shí)，電場強(qiáng)度的大小即代表了電弧產(chǎn)熱量的大小。因此，能量消耗最小時(shí)的電場強(qiáng)度最低，即在固定弧長上的電壓降最小，這就是最小電壓原理。432) 陰極區(qū)的導(dǎo)電特性陰極區(qū)是指靠近陰極的很小一個(gè)區(qū)域，在電弧中，它有兩方面的作用：陰極區(qū)接收正離子，發(fā)射電子由于電極材料種類及工作條件(電流大小、氣體介質(zhì)等因素)不同，陰極區(qū)的導(dǎo)電形式和特性也不同。熱發(fā)射型和電場發(fā)射型441熱發(fā)射型熱陰極,大電流時(shí) ,陰極區(qū)可加熱到很高的溫度。 陰極主要靠熱發(fā)射提供電

21、子流來滿足弧柱導(dǎo)電的需要。 陰極斑點(diǎn)在電極表面十分穩(wěn)定，其面積較大而且比較均勻，緊挨陰極表面的弧柱不呈收縮狀態(tài)。陰極區(qū)的電流密度與弧柱區(qū)也相近。陰極區(qū)電壓降很小。45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，放出電離能電阻熱大電流鎢極電弧焊時(shí)，這種熱發(fā)射型導(dǎo)電占主導(dǎo)地位。462電場發(fā)射型（冷陰極或者熱陰極小電流）電荷過剩 正電場 場致發(fā)射 電子加速 場致電離 形成電流正離子的作用正電場撞擊陰極，加強(qiáng)熱發(fā)射47冷陰極中存在熱發(fā)射和場發(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)，陰極壓降小）電流大?。娏鞔?，熱發(fā)射主導(dǎo)，陰極壓降?。怏w介質(zhì)（不易于電離，熱發(fā)射主導(dǎo)，陰極壓降?。?83) 陽極區(qū)的導(dǎo)電特性陽極區(qū)是指靠近陽極的很小一個(gè)區(qū)域，在電弧中主要是接受