焊接方法与设备第章

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1、焊接方法与设备,2020/9/27,1,第一章 电弧焊基础知识,电弧焊重要性 高效 本章基本内容 电弧物理基础 工艺特性 焊丝熔化与熔滴过渡 母材熔化及焊缝成型,2020/9/27,2,杨建国,主要章节,电弧焊基本历史 焊接电弧 焊丝的熔化与熔滴过渡 母材熔化与焊缝成形,2020/9/27,3,杨建国,电弧焊基本历史,1801 迪威 电弧放电现象 1855 俄罗斯人 碳弧焊 应用：铁管及容器的制造 蒸汽机修理 问题：碳元素使金属接头变得脆硬 1891 俄罗斯人 金属极焊接法 空气中 铁电极,2020/9/27,4,杨建国,电弧焊基本历史,1907 瑞典人 焊条电弧焊 1912 瑞典人 开发出保

2、护良好的厚涂层焊条 1920 英国人 全焊接船下水 焊条电弧焊问题： 有限长度焊条,2020/9/27,5,杨建国,电弧焊基本历史,2020/9/27,6,杨建国,电弧焊基本历史,1930 埋弧焊,2020/9/27,7,杨建国,电弧焊基本历史,1930 美国 GTAW 1940 美国 成功应用该方法于焊接镁及不锈钢薄板,2020/9/27,8,杨建国,电弧焊基本历史,1945 交流GTAW焊接方法 1945 直流金属极焊接方法GMA,2020/9/27,9,杨建国,第一节 焊接电弧,焊接电弧物理基础 焊接电弧导电特性 焊接电弧工艺特性,2020/9/27,10,杨建国,焊接电弧物理基础,电弧

3、定义：电弧是一种特殊的气体放电现象，它是带电粒子通过两电极之间气体空间的一种导电过程。 实现了将电能转化为机械能、热能和光能。,2020/9/27,11,杨建国,焊接电弧物理基础,气体是良好的绝缘体 带电粒子密度10-8/m3 使气体导电的条件： 电场 带电粒子,2020/9/27,12,杨建国,焊接电弧物理基础,焊接电弧物理基础 气体电离 阴极电子发射 带电粒子消失,2020/9/27,13,杨建国,焊接电弧物理基础,金属导电符合欧姆定律 原因：导电机制没有发生变化,2020/9/27,14,杨建国,焊接电弧物理基础,非自持放电,自持放电,电流最大、电压最低、温度最高、发光最强,2020/9

4、/27,15,杨建国,焊接电弧物理基础,沿电弧方向电场强度分布不均匀 分为三个区域 阴极、阳极区尺寸很小，约为10-2-10-6 cm 电场分布的不均匀性表明电弧电阻的非线性,2020/9/27,16,杨建国,焊接电弧物理基础,金属导电机制：自由电子定向移动 电弧导电机制：电子、正离子、负离子都参与导电 是复杂的导电过程,产生机制？,2020/9/27,17,杨建国,焊接电弧物理基础,带电粒子产生来源： 中性气体粒子的电离 金属电极发射电子 负离子形成 正离子形成,基本物理过程,2020/9/27,18,杨建国,焊接电弧物理基础,气体的电离 定义：在外加能量作用下，使中性的气体分子或原子分离成

5、电子和正离子的过程 实质：中性气体粒子吸收足够的外部能量，使分子或原子中的电子脱离原子核束缚而成为自由电子和正离子的过程。,2020/9/27,19,杨建国,焊接电弧物理基础,中性气体粒子失去第一个电子所需要的最小能量成为第一电离能 失去第二个电子所需的能量称为第二电离能。 单位：电子伏（eV） 为：1.6*10-19J 电离电压,2020/9/27,20,杨建国,焊接电弧物理基础,气体的电离电压的大小反映了带电粒子产生的难易程度。 电离电压低-带电粒子容易产生 有利于电弧导电 电离电压高-带电粒子难以产生 电弧导电困难,2020/9/27,21,杨建国,焊接电弧物理基础,2020/9/27,

6、22,杨建国,焊接电弧物理基础,激励 定义：当中性气体粒子受外加能量作用而不足以使其电离时，但可能使其内部的电子从原来的能级跃迁到较高的能级，这种现象称为。 使中性粒子激励所需要的外加能量叫做激励能,2020/9/27,23,杨建国,焊接电弧物理基础,受激励的电子没有脱离原子的束缚=粒子呈中性 受激励的粒子处于不稳定状态=稳定状态时间短约为：10-2-10-8s 激励状态的粒子有两种出路 又转变为稳定状态，伴随着这个过程能量以辐射光的形式释放出来=电弧辐射光 接受外部能量电离,2020/9/27,24,杨建国,焊接电弧物理基础,当电弧空间存在电离电压（或激励电压）不同的多种气体的时候，在外加能

7、量的作用下，电离电压（或激励电压）低的气体粒子先被电离（或激励），若这种气体的足以维持电弧的稳定燃烧，则整个电弧燃烧所需要的能量主要取决于这个较低的电压。因而电弧所要求的外加能量就比较低。 意义：稳弧剂的作用,2020/9/27,25,杨建国,焊接电弧物理基础,Fe电离电压为7.8V,K电离电压为4.3V,2020/9/27,26,杨建国,焊接电弧物理基础,电弧的电离与激励同时存在 电离与激励所需的最低能量为固定值,2020/9/27,27,杨建国,焊接电弧物理基础,电离的种类： 热电离 场致电离 光电离 电离度：电弧内单位体积内电离的粒子数与气体电离前粒子总数的比值 X=电离的粒子密度/电离

8、前中性粒子密度,碰撞电离,2020/9/27,28,杨建国,焊接电弧物理基础,热电离 定义：气体粒子受热作用而产生电离的过程 实质：气体粒子的热运动形成频繁而激烈的碰撞 主要位置：弧柱区（温度在5000-50000K）,2020/9/27,29,杨建国,焊接电弧物理-电离,电离度与材料、温度之间的关系,2020/9/27,30,杨建国,焊接电弧物理基础,基本规律： 温度 压力 电离电压,电离度,带电粒子数,电弧稳定性,2020/9/27,31,杨建国,焊接电弧物理基础,场致电离 定义：在两电极间的电场的作用下，气体中的带电粒子被加速，电能转化为带电粒子的动能，当带电粒子的动能达到一定数值时，则

9、可能与中性粒子发生非弹性碰撞而使之电离，这种电离被称为场致电离,2020/9/27,32,杨建国,焊接电弧物理基础,场致电离发生的位置 主要是两级区，由于在这两个区域内电场强度可达105-107V/cm 而弧柱区电场强度为：10V/cm左右，电场作用不明显,2020/9/27,33,杨建国,焊接电弧物理基础,由于电子质量远小于其他粒子的质量，因而在电场的作用下，速度快，动能大，其余其他粒子发生非弹性碰撞，几乎将本身的动能全部传递给相应的粒子，使中性粒子发生电离或激励。因而场致电离中电子起到主要的作用。,2020/9/27,34,杨建国,焊接电弧物理基础,2020/9/27,35,杨建国,焊接电

10、弧物理基础,光电离 定义：中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电离过程 范围：电弧的辐射只可能对K、Na、Ca、Al等金属蒸汽直接引起电离，而对焊接电弧气氛中的其他气体则不能直接引起电离 光电离是产生带电粒子的次要途径,2020/9/27,36,杨建国,焊接电弧物理基础,阴极电子发射 电离和阴极电子发射是电弧产生和维持不可缺少的必要条件 阴极发射出的电子，在电场的加速下碰撞电弧空间的中性粒子使之电离，从而是阴极电子发射充当了维持电弧导电的原电子之源。,2020/9/27,37,杨建国,焊接电弧物理基础,电子发射与逸出功 定义： 电子发射：阴极中的自由电子受到一定的外加能量作用，从阴极表面逸出的

11、过程 逸出功：一个电子从金属表面逸出所需的最低外加能量。单位电子伏或者逸出电压 逸出功的大小受电极材料及表面状态的影响。,2020/9/27,38,杨建国,焊接电弧物理基础,金属表面存在氧化物时逸出功会减小,2020/9/27,39,杨建国,焊接电弧物理基础,阴极斑点 定义：阴极表面经常可以看到发出闪烁的区域，这个区域称为 电子发射最集中的区域 电流最集中流过的区域 热阴极：斑点固定 W C 冷阴极：斑点不规则移动 Cu Fe Al,2020/9/27,40,杨建国,焊接电弧物理基础,阴极清理作用（阴极破碎） 在铝合金焊接中作用最为明显,2020/9/27,41,杨建国,焊接电弧物理基础,电子

12、发射的类型 热发射 场致发射 光发射 粒子碰撞发射 实际焊接过程中常常是几种发射形式共存,2020/9/27,42,杨建国,焊接电弧物理基础,热发射（对电极有冷却作用） 定义：阴极表面受热，自由电子动能加大，一部分电子达到或超过逸出功而产生的电子发射现象 热发射强弱受到阴极材料沸点的影响，沸点高的钨或碳做阴极时，电极可以被加热到比较高的温度，通过热发射可以提供足够多的电子,2020/9/27,43,杨建国,焊接电弧物理基础,场发射 定义：阴极表面空间存在一定强度的正电场时，阴极内部的电子将受到电场力的作用，当力达到一定程度电子就会逸出阴极表面，这种电子发射现象 冷阴极主要是这种发射电子的机理,

13、2020/9/27,44,杨建国,焊接电弧物理基础,光发射（对电极无冷却作用） 粒子碰撞发射 正离子堆积-正离子加速-碰撞-电子发射,2020/9/27,45,杨建国,焊接电弧物理基础,带电粒子的消失 动态平衡：电弧稳定燃烧时，带电粒子的产生与消失处于动态平衡 主要形式：扩散、复合及负离子形成,2020/9/27,46,杨建国,焊接电弧物理基础,扩散（浓度梯度） 定义：电弧空间中如果带电粒子的分布不均匀，则带电粒子将从浓度高的地方向浓度低的地方迁移，而使浓度趋于均匀，这种现象称为带电粒子的扩散。 总趋势：从弧柱中心向周围扩散 电子轻 速度快 外围浓度上升 阻碍进一步扩散 并吸引正离子 结果：电

14、弧中带电粒子减少 并带走部分热量,2020/9/27,47,杨建国,焊接电弧物理基础,复合 定义：电弧空间的正负带电粒子在一定条件下相遇而结合成为中性粒子的过程 位置：在电弧的周边（速度慢） 影响 以辐射和热能的形式释放出部分能量 电弧复燃困难,2020/9/27,48,杨建国,焊接电弧物理基础,负离子 位置：电弧周边 中性粒子吸附电子形成负离子其内能减少，以热和辐射光的形式释放能量，该能量称为中性粒子的亲和能。 中性粒子亲和能大，则表明该粒子吸附电子后系统内能下降幅度大，系统稳定。,2020/9/27,49,杨建国,焊接电弧物理基础,大多数粒子亲和能比较小，不易形成负离子 F、Cl、O2、O

15、H、NO等离子亲和能比较大，易于形成负离子。 放热过程，在高温下不易稳定存在 影响： 电子数量减少，导电困难，电弧稳定性降低 负离子运动速度慢，不能很好的导电 易于正离子复合,2020/9/27,50,杨建国,焊接电弧物理基础,2020/9/27,51,杨建国,焊接电弧导电特性,焊接电弧的导电特性是指参与电荷的运动并形成电流的带电粒子在电弧中产生、运动和消失的过程，在焊接电弧的弧柱区、阴极区和阳极区其相应的导电特性也是不同。,2020/9/27,52,杨建国,焊接电弧导电特性,弧柱区导电特性 弧柱温度：500050000K 弧柱呈电中性 弧柱是包含大量电子、正离子等带电粒子和中性粒子聚合在一起

16、的气体状态，被称为电弧等离子体。 弧柱电阻较小,2020/9/27,53,杨建国,焊接电弧导电特性,弧柱电流（主要是电子电流99.9%） 负离子数量少，作用被忽略 正离子在电场作用下，运动速度远小于电子 但正离子的作用非常大，保证了电弧放电的低电压大电流的特点。,2020/9/27,54,杨建国,焊接电弧导电特性,弧柱电场强度（E）：弧柱单位长度上的电压降 意义：E的大小表征电弧弧柱的导电能力。 电场强度E和电流I的乘积EI相当于电源供给单位弧长的电功率，他与弧柱的热损失相平衡。,2020/9/27,55,杨建国,焊接电弧导电特性,影响弧柱电场强度的因素 弧柱气体介质（H2、He；单元子、多原子） 弧柱的热损失（强迫气流冷却等）,2020/9/27,56,杨建国,焊接电弧导电特性,最小电压原理：电弧在稳定燃烧时，有一种使其自身能量消耗最小的特性，即当电流和电弧周围的条件（气体介质、温度、压力）一定时，稳定燃烧的电弧将选择一个确定的导电截面，使电弧的能量消耗最少。当电弧长度也是定值的时候，电场强度的大小即代表了电