电弧焊基础精选文档.ppt

电弧焊基础本讲稿第一页，共八十一页第一节第一节 电弧的物理基础电弧的物理基础电弧的实质：是在一定条件下，电荷通电弧的实质：是在一定条件下，电荷通过两极之间的气体空间的一种导电现象，过两极之间的气体空间的一种导电现象，简单的说就是气体放电现象，通过电弧，简单的说就是气体放电现象，通过电弧，电能可转变为电能可转变为a、热能、热能b、机械能、机械能c、光能、光能本讲稿第二页，共八十一页1、气体放电的基本概念、气体放电的基本概念指当两电极之间存在电位差时，电荷从指当两电极之间存在电位差时，电荷从一极穿过气体介质到达另一极的导电现一极穿过气体介质到达另一极的导电现象。象。气体放电的必要条件气体放电的必要条件:a、导电机构、导电机构带电粒子；带电粒子；b、存在电场；、存在电场；本讲稿第三页，共八十一页气体导电的特点：气体导电的特点：气体放电可分为非自持放气体放电可分为非自持放电和自持放电；电和自持放电；非自持放电：带电粒子需非自持放电：带电粒子需要外加措施才能产生要外加措施才能产生自持放电：除去外力后仍自持放电：除去外力后仍可持续可持续图图2气体放电和金属导电的伏安特性气体放电和金属导电的伏安特性A)气体放电；）金属导电；气体放电；）金属导电；本讲稿第四页，共八十一页a、暗放电；、暗放电；b、辉光放电；、辉光放电；c、电弧放电；电弧放电；特点：大电流，低电压，热特点：大电流，低电压，热量多，温度高，发光强烈。量多，温度高，发光强烈。被广泛的作为热源和光源应被广泛的作为热源和光源应用。用。（电流小，电压较高，发热（电流小，电压较高，发热放光较弱）放光较弱）图图2气体放电和金属导电的伏安特性气体放电和金属导电的伏安特性A)气体放电；）金属导电；气体放电；）金属导电；自持放电根据导电机构不同分为自持放电根据导电机构不同分为 本讲稿第五页，共八十一页2、电弧的导电机构、电弧的导电机构正离子和电子正离子和电子来源：电离与激励：来源：电离与激励：本讲稿第六页，共八十一页2.1.1 电离电离在一定条件下，中性气体分子或原子分在一定条件下，中性气体分子或原子分离为正离子和电子的现象。离为正离子和电子的现象。AA+e-；电离能电离能(Wi)：使中性气体粒子失去电子所：使中性气体粒子失去电子所需的最低外加能量。需的最低外加能量。ev；1ev=1.610-19J（第一电离、第二电离（第一电离、第二电离）本讲稿第七页，共八十一页注意注意:电离电压电离电压(Ui)不同的元素具有不同的电力电压不同的元素具有不同的电力电压 分子的电离；分子的电离；电离电压普遍高，有时低（电离电压普遍高，有时低（NO 9.5V N 14.5V O 15.7V）混合气体的电离电压；混合气体的电离电压；电离电压低的气体粒子首先被电离电离电压低的气体粒子首先被电离本讲稿第八页，共八十一页2.1.2 激励激励中性粒子受外来能量的作用不足以使电子完全脱离气中性粒子受外来能量的作用不足以使电子完全脱离气体原子或分子体原子或分子,能使电子从较低的能级转移到较高的能使电子从较低的能级转移到较高的能级能级,中性粒子内部的稳定状态被破坏中性粒子内部的稳定状态被破坏,这种状态称这种状态称为激励为激励.激励存在的时间很短，一般为激励存在的时间很短，一般为10-210-8s能量的传递方式能量的传递方式碰撞传能碰撞传能光辐射传能光辐射传能本讲稿第九页，共八十一页2.2.1 碰撞传能碰撞传能包括弹性碰撞和非弹性碰撞包括弹性碰撞和非弹性碰撞;弹性碰撞弹性碰撞这种现象是当粒子的动能较低时产生这种现象是当粒子的动能较低时产生,不产不产生电离过程；生电离过程；非弹性碰撞非弹性碰撞可以产生电离过程可以产生电离过程本讲稿第十页，共八十一页例如例如设：设：m1：碰撞粒子；：碰撞粒子；m2：被碰撞粒子；：被碰撞粒子；碰撞时，碰撞时，m2所增加的能量与以下两个因素所增加的能量与以下两个因素有关：有关：A、原动能（、原动能（1/2 m1 v12）；）；B、m1：m2；当当m1远远小于远远小于m2时，时，m1能量全部传递给能量全部传递给m2当当m1=m2时，时，m1的一半能量传递给的一半能量传递给m2所以，当具有足够动能的电子与中性粒子所以，当具有足够动能的电子与中性粒子进行非弹性碰撞时，容易产生电离现象。进行非弹性碰撞时，容易产生电离现象。本讲稿第十一页，共八十一页2.2.2 光辐射传递光辐射传递当气体粒子受到光的辐射时，可以直接提高其内当气体粒子受到光的辐射时，可以直接提高其内能，从而产生电离。能，从而产生电离。气体粒子电离条件：气体粒子电离条件：hWi=eUi 其中，其中，h：普朗克常数；：普朗克常数；h=6.62510-27尔格尔格.秒、秒、Wi：电离能：电离能J、：光辐射频率、：光辐射频率、Ui：电离电压：电离电压光辐射传递是次要途径，而碰撞电离才是主要的途径。光辐射传递是次要途径，而碰撞电离才是主要的途径。本讲稿第十二页，共八十一页3、电离种类、电离种类热电离热电离电场作用下的电离（场致电离）电场作用下的电离（场致电离）光电离光电离本讲稿第十三页，共八十一页3.1 热电离：热电离：热电离：气体粒子受热的作用而产生的电离；热电离：气体粒子受热的作用而产生的电离；热解离：电弧中气体分子受热作用时将首先大量热解离：电弧中气体分子受热作用时将首先大量解离成原子解离成原子,继续受热作用而产生电离继续受热作用而产生电离.热电离的实质：碰撞电离热电离的实质：碰撞电离实效电离度：混合气体中的各种气体电离程度不同，实效电离度：混合气体中的各种气体电离程度不同，电子密度与电离前中性粒子密度的比值。混合气体电子密度与电离前中性粒子密度的比值。混合气体的实效电离电压主要取决于其中电离电压较低的气的实效电离电压主要取决于其中电离电压较低的气体成分。电弧焊时，只要在电弧气氛中加入少量低体成分。电弧焊时，只要在电弧气氛中加入少量低电离压的物质就能明显提高电弧的稳定性。电离压的物质就能明显提高电弧的稳定性。Fe7.9V CO213.7V本讲稿第十四页，共八十一页3.2 电场作用下的电离电场作用下的电离带电粒子的动能在电场的作用下增加到带电粒子的动能在电场的作用下增加到足够大时足够大时,与中性粒子发生非弹性碰撞而与中性粒子发生非弹性碰撞而使之产生的电离。使之产生的电离。实质：碰撞电离；实质：碰撞电离；弧柱部分：热电离时产生带电粒子的主弧柱部分：热电离时产生带电粒子的主要途径，场致电离是次要的要途径，场致电离是次要的阳极降压区和阴极降压区场致电离很显阳极降压区和阴极降压区场致电离很显著。著。本讲稿第十五页，共八十一页3.3 光电离光电离（次要途径）（次要途径）中性粒子受到光辐射作用而产生的电离。中性粒子受到光辐射作用而产生的电离。hWi=eUi；=C/；电弧的光辐射对电弧的光辐射对K、Na、Ca、Al等金属等金属蒸气能直接引起光电离，对其他气体不蒸气能直接引起光电离，对其他气体不能直接引起光电离。当这些气体处于激能直接引起光电离。当这些气体处于激励状态时，电弧的光辐射能使其产生电励状态时，电弧的光辐射能使其产生电离。离。本讲稿第十六页，共八十一页4、电子发射、电子发射当电极表面接受一定的外加能量时，电当电极表面接受一定的外加能量时，电极内部的电子可以冲破电极表面的束缚极内部的电子可以冲破电极表面的束缚飞到电弧空间，这种现象叫做电子发射。飞到电弧空间，这种现象叫做电子发射。只有阴极发射的电子才能在电场的作用只有阴极发射的电子才能在电场的作用下参加导电过程，所以，我们只讨论阴下参加导电过程，所以，我们只讨论阴极电子发射。极电子发射。本讲稿第十七页，共八十一页逸出功逸出功逸出功：使一个电子由电极表面发射所逸出功：使一个电子由电极表面发射所需的最低外加能量。用需的最低外加能量。用Ww表示。表示。ev逸出电压：用逸出电压：用Uw表示。表示。V材料种类不同材料种类不同,逸出电压不同逸出电压不同,表面有氧化表面有氧化物时逸出电压降低物时逸出电压降低本讲稿第十八页，共八十一页电子发射的分类电子发射的分类根据外加能量的形式不同，电子发射可根据外加能量的形式不同，电子发射可分为：分为：热发射热发射电场发射电场发射光发射光发射本讲稿第十九页，共八十一页4.1热发射热发射金属表面受热的作用而产生的电子发射金属表面受热的作用而产生的电子发射现象，叫做热发射。现象，叫做热发射。温度越高温度越高越易热发射；逸出功越小越易热发射；逸出功越小越易热发射；越易热发射；本讲稿第二十页，共八十一页热阴极与冷阴极热阴极与冷阴极热阴极：电极材料的沸点大于热阴极：电极材料的沸点大于3500K，这种电极，这种电极可以承受高温，它的电弧的阴极区主要以热发射可以承受高温，它的电弧的阴极区主要以热发射提供电子。提供电子。常见的热阴极有：常见的热阴极有：W（5950K）；）；C（4200K）冷阴极：电极材料的沸点小于冷阴极：电极材料的沸点小于3500K如如 Fe（3008K）、）、Cu（2868K）、）、Al（2700K）、）、Mg（1375K）对于冷阴极电弧，必须依靠其他方式来补充发射电子对于冷阴极电弧，必须依靠其他方式来补充发射电子本讲稿第二十一页，共八十一页4.2电场发射电场发射当金属表面空间存在一个正电场时，阴当金属表面空间存在一个正电场时，阴极内的电子因受电场力的作用而飞出电极内的电子因受电场力的作用而飞出电极表面的现象。极表面的现象。温度很低的时候，也可以从电极发射大温度很低的时候，也可以从电极发射大量的电子流，因此冷阴极电弧主要依靠量的电子流，因此冷阴极电弧主要依靠这种方好似获得足够的电子以维持电弧这种方好似获得足够的电子以维持电弧稳定燃烧的。稳定燃烧的。本讲稿第二十二页，共八十一页4.3光发射光发射电极表面因受光辐射的作用而使电子冲电极表面因受光辐射的作用而使电子冲破电极表面的束缚飞出的现象。破电极表面的束缚飞出的现象。光发射的条件：光发射的条件：heUw电弧焊时：电弧焊时：吸收的是光辐射能量对电极没有冷却作用吸收的是光辐射能量对电极没有冷却作用电弧光能够引起光发射，但不够强，因此光电弧光能够引起光发射，但不够强，因此光发射居次要地位。发射居次要地位。本讲稿第二十三页，共八十一页4.4 碰撞发射碰撞发射当高速运动的粒子碰撞电极表面时，将其能量传递当高速运动的粒子碰撞电极表面时，将其能量传递给电极表面的电子，使其能量增加而脱离电极表面给电极表面的电子，使其能量增加而脱离电极表面的束缚飞出的现象。的束缚飞出的现象。焊接点湖中正离子撞击印记表面产生电子发射是焊接点湖中正离子撞击印记表面产生电子发射是典型的碰撞发射。典型的碰撞发射。当正离子撞击阴极时，要使阴极发射一个电子，当正离子撞击阴极时，要使阴极发射一个电子，必须对阴极表面施加两倍的逸出功。必须对阴极表面施加两倍的逸出功。本讲稿第二十四页，共八十一页5、负离子的产生、负离子的产生在一定的条件下，有些中性的原子或分在一定的条件下，有些中性的原子或分子能吸附一个电子，从而形成负离子，子能吸附一个电子，从而形成负离子，同时释放出电子亲和能。同时释放出电子亲和能。负离子一般存在于电弧的周边地区等低负离子一般存在于电弧的周边地区等低温地带。温地带。负离子的产生一般会使电弧中的带电粒负离子的产生一般会使电弧中的带电粒子减少子减少,使电弧的稳定性下降（质量大，使电弧的稳定性下降（质量大，运动速度慢，吸收电子）。运动速度慢，吸收电子）。本讲稿第二十五页，共八十一页6、带电粒子的扩散与复合、带电粒子的扩散与复合当电弧稳定燃烧时，带电粒子不断产生当电弧稳定燃烧时，带电粒子不断产生和运动的同时也不断的消失，即处于一和运动的同时也不断的消失，即处于一种动态的平衡状态。种动态的平衡状态。消失的途径有：扩散和复合；消失的途径有：扩散和复合；本讲稿第二十六页，共八十一页6.1 扩散扩散带电粒子离开他们原来的地方，逃逸到带电粒子离开他们原来的地方，逃逸到电弧的四周，不参加放电过程电弧的四周，不参加放电过程扩散的作用扩散的作用,使电弧的热量和带电粒子损使电弧的热量和带电粒子损失失.为维持热平衡为维持热平衡,电弧要有一定的电场强电弧要有一定的电场强度度.本讲稿第二十七页，共八十一页6.2 复合复合:正的带电粒子与负的带电粒子结合成中正的带电粒子与负的带电粒子结合成中性的原子或分子。性的原子或分子。A+eA+Wi本讲稿第二十八页，共八十一页7、电弧中的各区域及电压分布、电弧中的各区域及电压分布阴极区阴极区：阴极附近的：阴极附近的微小区域，其电压叫微小区域，其电压叫做阴极压降做阴极压降UK；阳极区阳极区：阳极附近的：阳极附近的微小区域，其电压叫微小区域，其电压叫做阳极压降做阳极压降UA；弧柱区弧柱区：阴极区与阳：阴极区与阳极区中间的部分，其极区中间的部分，其电压叫做弧柱压降电压叫做弧柱压降UC；电弧电压电弧电压U=UK+UA+UC本讲稿第二十九页，共八十一页7.1 弧柱区特点：弧柱区特点：温度高达温度高达500050000K；因为温度较高，所以带电粒子的产生因为温度较高，所以带电粒子的产生以热电离为主，并伴有扩散和复合与之以热电离为主，并伴有扩散和复合与之平衡。平衡。呈电中性，即在数目上：呈电中性，即在数目上：e+A-=A+弧柱具有低电压和较大的电流。弧柱具有低电压和较大的电流。I弧柱弧柱=99.9%I电子电子+0.1%I正离子正离子本讲稿第三十页，共八十一页7.2 阴极区特点：阴极区特点：区间很小，仅为区间很小，仅为10-410-6cm；阴极区的主要任务：发射电子，向弧柱提供所需的阴极区的主要任务：发射电子，向弧柱提供所需的电子，同时接收弧柱区来的正离子流。电子，同时接收弧柱区来的正离子流。电极电极当阴极采用当阴极采用W、C等高熔点材料且电流较大时，以热发等高熔点材料且电流较大时，以热发射为主。射为主。当阴极采用当阴极采用Fe、Al、Cu等熔点较低材料或用等熔点较低材料或用W、C等高等高熔点材料但电流较小时，以电场发射为主。熔点材料但电流较小时，以电场发射为主。阴极斑点阴极斑点本讲稿第三十一页，共八十一页阴极区空间电场形成示意图阴极区空间电场形成示意图本讲稿第三十二页，共八十一页阴极斑点阴极斑点电弧放电时，负电极表面上集中发射电子的微小电弧放电时，负电极表面上集中发射电子的微小区域，该区域具有明显的光的特点，叫做阴极斑区域，该区域具有明显的光的特点，叫做阴极斑点。点。特点：特点：它是集中发射电子的地方，它的温度高，热量集中。它是集中发射电子的地方，它的温度高，热量集中。阴极斑点具有阴极斑点具有“粘着粘着”和和“跳跃跳跃”特性。特性。阴极斑点有自动寻找温度高、发射能力强的物质；（阴极阴极斑点有自动寻找温度高、发射能力强的物质；（阴极斑点有自动寻找氧化膜的倾向）斑点有自动寻找氧化膜的倾向）本讲稿第三十三页，共八十一页 x-原斑点位置原斑点位置 y-新斑点位置新斑点位置阴极斑点的粘着作用阴极斑点的粘着作用本讲稿第三十四页，共八十一页7.3 阳极区特点阳极区特点:区间也很小，在区间也很小，在10-210-3cm范围；范围；主要任务：接收由弧柱流来的电子流，向弧柱主要任务：接收由弧柱流来的电子流，向弧柱提供正离子流；提供正离子流；阳极本身不发射正离子，正离子由阳极区以电离阳极本身不发射正离子，正离子由阳极区以电离的形式产生：的形式产生：当电弧的电流较小时，阳极区产生电场作用下的电当电弧的电流较小时，阳极区产生电场作用下的电离离当电流较大，阳极温度较高时，阳极区产生热电离。当电流较大，阳极温度较高时，阳极区产生热电离。阳极斑点阳极斑点本讲稿第三十五页，共八十一页阳极斑点阳极斑点电弧放电时，正电极表面集中接受电子的微小区电弧放电时，正电极表面集中接受电子的微小区域，该区域也有明显的光的特点，叫做阳极斑点。域，该区域也有明显的光的特点，叫做阳极斑点。特点：特点：阳极斑点是热量集中、温度高、易产生金属蒸汽的阳极斑点是热量集中、温度高、易产生金属蒸汽的地方。地方。阳极斑点也有阳极斑点也有“粘着粘着”和和“跳跃跳跃”特性；特性；阳极斑点有自动寻找纯金属而避开氧化膜的倾向。阳极斑点有自动寻找纯金属而避开氧化膜的倾向。金属蒸汽的电离能大大低于一般气体的电离能金属蒸汽的电离能大大低于一般气体的电离能,电电子流容易从这里进入阳极子流容易从这里进入阳极本讲稿第三十六页，共八十一页阳极压降示意图阳极压降示意图本讲稿第三十七页，共八十一页8、最小电压原理、最小电压原理为什么空载电压为什么空载电压U0=7090V 比较高，而一旦燃烧，比较高，而一旦燃烧，电弧电压就会下降（电弧电压就会下降（U2030V）？）？在电流不变和周围条件一定的情况下，稳定燃烧的电在电流不变和周围条件一定的情况下，稳定燃烧的电弧将自动选择一个确定的导电断面（其大小可用直径弧将自动选择一个确定的导电断面（其大小可用直径来表示），以便在此条件下电弧的电场强度最低，亦来表示），以便在此条件下电弧的电场强度最低，亦即在固定长度上的电压最小，确保电弧在此条件下单即在固定长度上的电压最小，确保电弧在此条件下单位长度上的能量损耗最小。位长度上的能量损耗最小。电弧具有保持最小能量消耗的特性。电弧具有保持最小能量消耗的特性。本讲稿第三十八页，共八十一页最小电压原理最小电压原理断面增大断面增大,散失的热量增大散失的热量增大,断面减小断面减小,电流密度增加电流密度增加,在在较小断面里通过相同数量的带电粒子较小断面里通过相同数量的带电粒子,电阻率增加电阻率增加,要维要维持同样电流要求持同样电流要求E增加单位长度电弧上产生的热量增加单位长度电弧上产生的热量等于等于IE（I电弧电流，电弧电流，E电弧电场强度），它与热电弧电场强度），它与热消耗的能量相平衡。消耗的能量相平衡。当电流一定时，电场强度的大小即代表了电弧产热量的当电流一定时，电场强度的大小即代表了电弧产热量的大小，因此，能量消耗最小时的电场强度最低，就是在大小，因此，能量消耗最小时的电场强度最低，就是在固定弧长上的电压最小，这就是固定弧长上的电压最小，这就是最小电压原理最小电压原理。正是这一原理（特性），使得电弧在一定条件下有正是这一原理（特性），使得电弧在一定条件下有一确定的断面一确定的断面直径，否则，电弧就无法处于稳定燃直径，否则，电弧就无法处于稳定燃烧的动平衡状态。烧的动平衡状态。本讲稿第三十九页，共八十一页9、电弧的静特性：、电弧的静特性：定义：在电极材料、气体介质和弧长一定义：在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧时，焊接电定的情况下，电弧稳定燃烧时，焊接电流与焊接电压之间的变化关系，叫做电流与焊接电压之间的变化关系，叫做电弧的静特性，也称为伏弧的静特性，也称为伏安特性；安特性；本讲稿第四十页，共八十一页有三个区域：有三个区域：A区：当电流很小时，电弧区：当电流很小时，电弧呈负阻特性，呈负阻特性，I U；B区：当电流中等时，电弧区：当电流中等时，电弧呈平特性，呈平特性，I U不变；不变；C区：当电流较大时，电弧区：当电流较大时，电弧呈上升特性，呈上升特性，I U；图图117电弧的静特性电弧的静特性静特性曲线，简称静特性曲线，简称“U”曲线；曲线；本讲稿第四十一页，共八十一页9.2 影响电弧静特性的因素：其中UC弧柱压降；IC弧柱电流，弧柱密度；s弧柱的截面积；j弧柱的电流密度；l弧长；本讲稿第四十二页，共八十一页内因：内因：弧长的影响弧长的影响电弧介质的影响：电弧介质的影响：气体介质的电离电压；气体介质的电离电压；气体介质的热物理性能：气体介质的热物理性能：分解吸热及发生热解离吸热对电弧的冷却加强分解吸热及发生热解离吸热对电弧的冷却加强,使热损失使热损失增加增加,所以必须加大所以必须加大E来增加产热量平衡来增加产热量平衡.电弧的长度对电弧静特性的影响电弧的长度对电弧静特性的影响本讲稿第四十三页，共八十一页外因：外因：电弧周围压力的影响：电弧周围压力的影响：P U 周围温度：周围温度：T U 本讲稿第四十四页，共八十一页思考题：思考题：什么是电离，什么是电子发射？什么是什么是电离，什么是电子发射？什么是电离能和逸出功？电离能和逸出功？电子发射、电离有什么区别？哪个需要电子发射、电离有什么区别？哪个需要的能量大？的能量大？电离和电子发射各有哪些类型？电离和电子发射各有哪些类型？如果阳极和阴极表面有氧化膜存在，那如果阳极和阴极表面有氧化膜存在，那么阳极斑点和阴极斑点哪个稳定？为什么阳极斑点和阴极斑点哪个稳定？为什么？么？本讲稿第四十五页，共八十一页第二节焊接电弧的热与力第二节焊接电弧的热与力焊接电弧既是热源又是力源，都是焊接电弧既是热源又是力源，都是由电能转变而来的。由电能转变而来的。本讲稿第四十六页，共八十一页1、电弧热、电弧热由于电弧三个部分的导电机构不同，所以由于电弧三个部分的导电机构不同，所以三个部分的产热机构也不同。三个部分的产热机构也不同。本讲稿第四十七页，共八十一页1.1 弧柱区的热弧柱区的热 产生产生正离子带来的能量（电场能正离子带来的能量（电场能+热能）热能）电子流带来的能量（电场能电子流带来的能量（电场能+热能）热能）弧柱区周边发生的正、负粒子复合释放出的电弧柱区周边发生的正、负粒子复合释放出的电离能离能 碰撞产生的动能以热能形式释放；碰撞产生的动能以热能形式释放；弧柱的热量只有很少一部分通过辐射传递给焊弧柱的热量只有很少一部分通过辐射传递给焊材，大部分热量以对流、传导、辐射的形式材，大部分热量以对流、传导、辐射的形式损失了，其中，对流损失占损失了，其中，对流损失占80%，而传导和，而传导和辐射占辐射占1020%；总电流的总电流的99.9%电子流，电子流，0.1%的正离子流的正离子流本讲稿第四十八页，共八十一页1.2 阴极的热：阴极的热：假设：假设：0.1%正离子流，其数量相对于整个电流是很少正离子流，其数量相对于整个电流是很少的，将之忽略；所以的，将之忽略；所以I阴阴=I电电；阴极的产热公式：阴极的产热公式：PK=I（UK-UW-UT）其中，其中，PK：阴极区的总能量；：阴极区的总能量；UK：阴极压降；：阴极压降；UW：逸出电压；：逸出电压；UT：弧柱温度的等效电压；：弧柱温度的等效电压；PK主要用于：主要用于：加热或熔化阴极加热或熔化阴极散热损失；散热损失；本讲稿第四十九页，共八十一页1.3 阳极区的热：阳极区的热：同理，同理，I阳阳=I电电；阳极产热公式：阳极产热公式：PA=I（UA+UW+UT）其中其中PA：阳极区的总热量；：阳极区的总热量；UA：阳极压降；：阳极压降；PA一般用于阳极的加热和熔化，或散失了；一般用于阳极的加热和熔化，或散失了；一般情况下，一般情况下，PAPK；本讲稿第五十页，共八十一页2、电弧的有效功率和能量密度：、电弧的有效功率和能量密度：2.1 电弧的有效功率：电弧的有效功率：电弧的总功率电弧的总功率Q0：Q0=IU；电弧的有效功率电弧的有效功率Q：Q=IU这里这里：电弧的有效功率系数，它与焊接：电弧的有效功率系数，它与焊接方法、焊接规范及周围条件有关，如书方法、焊接规范及周围条件有关，如书P29表表1-9所示，埋弧焊的所示，埋弧焊的=0.800.90，较大；，较大；本讲稿第五十一页，共八十一页各种弧焊方法的热效率系数各种弧焊方法的热效率系数弧焊方法弧焊方法药皮焊条手工焊药皮焊条手工焊0.650.85埋弧自动焊埋弧自动焊0.800.90CO2气体保护焊气体保护焊0.750.90熔化极氩弧焊熔化极氩弧焊0.700.80钨极氩弧焊钨极氩弧焊0.650.70本讲稿第五十二页，共八十一页2.2 电弧的能量密度电弧的能量密度单位有效面积上的热效率，单位有效面积上的热效率，W/cm2各种焊接方法的电弧的能量密度：各种焊接方法的电弧的能量密度：气焊：气焊：110；手工电弧焊：手工电弧焊：102104；钨极氩弧焊：钨极氩弧焊：105；熔化极氩弧焊：熔化极氩弧焊：106；本讲稿第五十三页，共八十一页3、电弧的温度分布、电弧的温度分布弧柱的温度最弧柱的温度最高；高；一般情况下，一般情况下，阳极温度高于阳极温度高于阴极温度；阴极温度；在弧柱中，总在弧柱中，总是靠近电极电是靠近电极电弧直径小的一弧直径小的一端温度高。端温度高。电弧温度、电流密度电弧温度、电流密度和能量密度的轴向分布和能量密度的轴向分布 温温度度 电电流流密密度度 能能量量密密度度本讲稿第五十四页，共八十一页影响电弧温度主要因素：影响电弧温度主要因素：I：I T 气体介质气体介质Ui：Ui T；本讲稿第五十五页，共八十一页3、电弧力及影响电弧力的因素、电弧力及影响电弧力的因素电弧产生的机械作用力与焊缝的熔深、电弧产生的机械作用力与焊缝的熔深、熔池的搅拌、熔滴过渡以及焊缝的成型熔池的搅拌、熔滴过渡以及焊缝的成型有直接的关系。有直接的关系。本讲稿第五十六页，共八十一页3.1 电弧力电弧力电磁力电磁力等离子流力等离子流力斑点力斑点力爆破力爆破力细熔滴冲击力细熔滴冲击力本讲稿第五十七页，共八十一页3.1.1电磁力电磁力径向力径向力（电磁收缩力）：（电磁收缩力）：我们知道：我们知道：两根距离不远的平行导线若电流同向，两根距离不远的平行导线若电流同向，则两线相互吸引；两根距离不远的平行导线若电则两线相互吸引；两根距离不远的平行导线若电流反向，则两线排斥，流反向，则两线排斥，如图如图1-22所示；所示；电磁收缩效应电磁收缩效应：认为电弧为圆柱体，电流可以看成是许：认为电弧为圆柱体，电流可以看成是许多相互平行的电流线组成，它们相互吸引，使导体断多相互平行的电流线组成，它们相互吸引，使导体断面有收缩倾向，这种现象叫做电磁收缩效应。由此而面有收缩倾向，这种现象叫做电磁收缩效应。由此而产生的力叫做电磁收缩力产生的力叫做电磁收缩力Fr；本讲稿第五十八页，共八十一页图图1-22 两平行导线之间的电磁力示意图两平行导线之间的电磁力示意图同向电流产生吸引力同向电流产生吸引力 异向电流产生排斥力异向电流产生排斥力本讲稿第五十九页，共八十一页其中，其中，K：系数：系数而而：介质磁导率：介质磁导率Fr：径向合力：径向合力图图1-23本讲稿第六十页，共八十一页 轴向力轴向力：实际电弧形状并不是圆柱体，而是断面直：实际电弧形状并不是圆柱体，而是断面直径变化的圆锥状的气态导体，锥顶在焊条一端，锥底径变化的圆锥状的气态导体，锥顶在焊条一端，锥底在工件一端。在工件一端。轴向力（轴向力（F推推）：由于直径不同，在焊接电弧轴向各处）：由于直径不同，在焊接电弧轴向各处之间将引起压力差，从而产生从焊条指向工件的推力。之间将引起压力差，从而产生从焊条指向工件的推力。F推推=其中，其中，Rb：锥形弧柱的下底半径；：锥形弧柱的下底半径；Ra：锥形弧柱的上底半径；：锥形弧柱的上底半径；F推推：方向始终是由小断面指向大断面，即：方向始终是由小断面指向大断面，即指向工件；指向工件；电磁力是由径向力和轴向力合成而得的。电磁力是由径向力和轴向力合成而得的。本讲稿第六十一页，共八十一页Ft图图124本讲稿第六十二页，共八十一页3.1.2 等离子流力等离子流力（P离离）：在）：在F推推的作用下，使电弧的作用下，使电弧中的高温气流（等离子流）高速冲向熔池表面而形中的高温气流（等离子流）高速冲向熔池表面而形成的气流冲击力。成的气流冲击力。如书如书P33图图1-27说明：说明：又叫电弧的电磁动压力；又叫电弧的电磁动压力；方向始终是指向工件；（由小截面指向大截）方向始终是指向工件；（由小截面指向大截）上下截面差越大，则等离子流力越大；上下截面差越大，则等离子流力越大；在电弧的中心线上等离子流力最大，并且电流越大，在电弧的中心线上等离子流力最大，并且电流越大，它就越大；它就越大；本讲稿第六十三页，共八十一页图图1-27 等离子流形成示意图等离子流形成示意图本讲稿第六十四页，共八十一页3.1.3 斑点压力：斑点压力：如书如书P34图图1-30所示；所示；它包括三种力：它包括三种力：正离子与电子的撞击力；正离子与电子的撞击力；其中，阳极接受电子的撞击，阴极接受正离子的撞其中，阳极接受电子的撞击，阴极接受正离子的撞击。击。电磁收缩力：电磁收缩力：如图如图1-31所示；所示；金属蒸汽的反作用力：金属蒸汽的反作用力：综上所述：阴极斑点力大于阳极斑点力；综上所述：阴极斑点力大于阳极斑点力；本讲稿第六十五页，共八十一页阴阴极极斑斑点点图图1-30 斑点压力示意图斑点压力示意图本讲稿第六十六页，共八十一页图图131斑点的电磁收缩力斑点的电磁收缩力本讲稿第六十七页，共八十一页3.1.4 爆破力：爆破力：有害的力，主要产生于短路时；有害的力，主要产生于短路时；如书如书P34图图1-32所示；所示；3.1.5 细熔滴的冲击力：细熔滴的冲击力：主要产生在主要产生在MIG焊，熔滴较细，在焊丝末端脱落进入焊，熔滴较细，在焊丝末端脱落进入电弧空间时，被等离子流力加速而高速向熔池过渡电弧空间时，被等离子流力加速而高速向熔池过渡产生的冲击力。产生的冲击力。它的加速度是重力加速度的它的加速度是重力加速度的50倍以上。倍以上。以上五种力是主要的电弧力，除此之外，还有气体以上五种力是主要的电弧力，除此之外，还有气体吹送力、重力、表面张力等。吹送力、重力、表面张力等。本讲稿第六十八页，共八十一页3.2 影响电弧力的因素：影响电弧力的因素：气体介质气体介质：导热性强、多原子气体、比重小的气体等均：导热性强、多原子气体、比重小的气体等均会使电弧收缩会使电弧收缩电弧力增加；电弧力增加；电流与电压电流与电压：电流增加：电流增加电弧力增加；电弧力增加；电压增加电压增加弧长增加弧长增加电弧力分散电弧力分散电弧力减小；电弧力减小；焊丝直径焊丝直径：越细：越细电流密度增加电流密度增加电弧力增大；电弧力增大；极性极性：对于不同的焊接方法有不同的影响；：对于不同的焊接方法有不同的影响；电极端头的几何形状电极端头的几何形状：越尖：越尖导电区越小导电区越小电弧的收电弧的收缩越大缩越大电弧力增大；电弧力增大；电流的脉动电流的脉动：电流脉动：电流脉动热量间歇热量间歇电弧的平均能量电弧的平均能量小小电弧力减小；电弧力减小；当脉冲频率越大，脉冲电流越小，则电弧力越小。但当当脉冲频率越大，脉冲电流越小，则电弧力越小。但当频率大于几千频率大于几千HZ时，会使电弧压力增大；时，会使电弧压力增大；本讲稿第六十九页，共八十一页本讲稿第七十页，共八十一页第三节第三节 磁场对电弧的作用磁场对电弧的作用自身磁场的作用：任何流通电流的导体都自身磁场的作用：任何流通电流的导体都会在其周围产生磁场会在其周围产生磁场电流导体周围的磁场电流导体周围的磁场 A）一般导体）一般导体 B电弧电弧本讲稿第七十一页，共八十一页自身磁场的作用自身磁场的作用有利的一面：产生刚直性有利的一面：产生刚直性电弧作为一个柔体抵抗外界的干扰，力求保电弧作为一个柔体抵抗外界的干扰，力求保持焊接电流沿焊条轴线方向流动的性能持焊接电流沿焊条轴线方向流动的性能不利的一面：产生磁偏吹不利的一面：产生磁偏吹当某种原因使自身磁场的磁力线分布的均匀当某种原因使自身磁场的磁力线分布的均匀性受到破坏时产生，这种由自身磁场不对称性受到破坏时产生，这种由自身磁场不对称而使电弧偏离焊条轴线的现象叫做磁偏吹。而使电弧偏离焊条轴线的现象叫做磁偏吹。本讲稿第七十二页，共八十一页产生刚直性的原因产生刚直性的原因自身磁场自身磁场Fr刚直性刚直性I越大越大 Fr越大越大刚直性越强刚直性越强电流通过电弧空间流动时带电电流通过电弧空间流动时带电粒子将受到自身磁场产生的粒子将受到自身磁场产生的力力F作用将它们推向作用将它们推向OA电电弧弧的的刚刚直直性性越越强强，电电弧弧的的指指向向性性就就越越好好，抗抗外外界界干干扰扰的的能能力力也也越越强强，即即使使焊焊炬炬倾倾斜斜，电电弧弧仍仍能能沿电极轴向指向工件。沿电极轴向指向工件。本讲稿第七十三页，共八十一页磁偏吹磁偏吹偏吹到磁力线稀疏的地方偏吹到磁力线稀疏的地方电弧磁偏吹起因示意图电弧磁偏吹起因示意图本讲稿第七十四页，共八十一页产生磁偏吹的原因产生磁偏吹的原因导线的接线位置引起的磁偏吹：形成的磁偏吹使导线的接线位置引起的磁偏吹：形成的磁偏吹使电弧远离接线一方。如果使焊条向右倾斜，如图电弧远离接线一方。如果使焊条向右倾斜，如图b所所示，调整一下电弧作用两侧空间的大小，使两侧的磁示，调整一下电弧作用两侧空间的大小，使两侧的磁力线趋向平衡，可减小磁偏吹的程度力线趋向平衡，可减小磁偏吹的程度b)a)本讲稿第七十五页，共八十一页电弧附近的铁磁物电弧附近的铁磁物质引起的磁偏吹：质引起的磁偏吹：偏向铁磁物质偏向铁磁物质铁磁物质越大，距离铁磁物质越大，距离越近，电弧的磁偏越近，电弧的磁偏吹程度越大。吹程度越大。产生磁偏吹的原因产生磁偏吹的原因本讲稿第七十六页，共八十一页在焊接时，当焊接电弧走到钢板的端部时，在焊接时，当焊接电弧走到钢板的端部时，发生电弧向钢板一侧的磁偏吹现象发生电弧向钢板一侧的磁偏吹现象；(磁力磁力线将力求走磁阻小的通道线将力求走磁阻小的通道)；产生磁偏吹的原因产生磁偏吹的原因本讲稿第七十七页，共八十一页焊接电弧挺度示意图焊接电弧挺度示意图 a)垂直电弧垂直电弧 b）倾斜电弧）倾斜电弧焊条焊条焊条焊条本讲稿第七十八页，共八十一页交流电弧的磁偏吹，比直流电弧的磁偏交流电弧的磁偏吹，比直流电弧的磁偏吹显著减弱。吹显著减弱。磁偏吹的危害磁偏吹的危害焊接过程不稳定，焊接过程难以操作焊接过程不稳定，焊接过程难以操作焊缝成型不良；焊缝成型不良；本讲稿第七十九页，共八十一页减小磁偏吹的方法：减小磁偏吹的方法：用交流代替直流用交流代替直流用短弧焊用短弧焊对于长、大工件采用多线接地对于长、大工件采用多线接地焊前消除剩磁焊前消除剩磁用厚皮焊条代替薄皮焊条用厚皮焊条代替薄皮焊条避免周围铁磁物质的影响避免周围铁磁物质的影响本讲稿第八十页，共八十一页思考题思考题1、焊接电弧的电磁收缩力、轴向电磁推、焊接电弧的电磁收缩力、轴向电磁推力、等离子流力是怎样形成的？力、等离子流力是怎样形成的？2、分析焊接电弧的磁偏吹产生的原因和、分析焊接电弧的磁偏吹产生的原因和消除的方法？消除的方法？本讲稿第八十一页，共八十一页