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1、清华大学 机械工程系 Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University问题问题焊接电弧的能量转换？焊接电弧的能量转换？清华大学 机械工程系 Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University焊接电弧能量转换焊接电弧能量转换? ?焊接电弧燃烧过程中，电能被转换为光能、热能和焊接电弧燃烧过程中，电能被转换为光能、热能和 机械能机械能? ?焊接时，主要利用电弧的热能和机械能来达到连接焊接时，主要利用电弧的热能和机械能来达到连接 金属之目的金属之目的清华大学 机械工程系 D
2、epartment of Mechanical Engineering, Tsinghua University问题问题焊接电弧热量如何产生？焊接电弧热量如何产生？清华大学 机械工程系 Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University焊接电弧热量的产生? ?焊接电源输出的电能通过电弧转换为热能焊接电源输出的电能通过电弧转换为热能? ?具有不同导电机理的电弧弧柱、阴极区、阳极区，具有不同导电机理的电弧弧柱、阴极区、阳极区， 其产热机理也不相同其产热机理也不相同清华大学 机械工程系 Department of Mechanical
3、Engineering, Tsinghua University弧柱产热机理弧柱产热机理? ?弧柱空间的电子在电场作用下定向运动，不断地与正离弧柱空间的电子在电场作用下定向运动，不断地与正离 子或中性粒子碰撞，其散乱运动的动能就是电子的热能。子或中性粒子碰撞，其散乱运动的动能就是电子的热能。? ?在弧柱中，外加电场能量大部分转变为热能。单位弧柱在弧柱中，外加电场能量大部分转变为热能。单位弧柱 长度的电能为长度的电能为IEIE，其值就代表了弧柱产热能量的大小。，其值就代表了弧柱产热能量的大小。? ?弧柱产热能量与热损失相平衡。弧柱的热能对流占弧柱产热能量与热损失相平衡。弧柱的热能对流占80%80
4、% 以上，传导和辐射约为以上，传导和辐射约为10%10%左右。左右。? ?一般电弧焊接过程中，弧柱的热量中只能有很少一部分一般电弧焊接过程中，弧柱的热量中只能有很少一部分 通过辐射传给焊条（丝）和工件。当电流较大而有等离子流产通过辐射传给焊条（丝）和工件。当电流较大而有等离子流产 生时，等离子流将把弧柱的一部分热量带到工件。生时，等离子流将把弧柱的一部分热量带到工件。清华大学 机械工程系 Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University阴极区产热机理阴极区产热机理? ?在阴极区，电子在阴极压降的作用下逸出阴极并受到加在阴极区，电
5、子在阴极压降的作用下逸出阴极并受到加 速作用，获得的总能量为速作用，获得的总能量为IUIUK K。电子从阴极表面逸出时，克服。电子从阴极表面逸出时，克服 阴极表面的束缚而消耗能量为阴极表面的束缚而消耗能量为IUIU 。电子流离开阴极区进入弧。电子流离开阴极区进入弧 柱区时，它具有与弧柱温度相应的热能，电子流离开阴极区带柱区时，它具有与弧柱温度相应的热能，电子流离开阴极区带 走的这部分能量为走的这部分能量为IUIUT T。根据上述分析，电子流离开阴极区时。根据上述分析，电子流离开阴极区时 能量平衡为：能量平衡为：P PK K= I= I（U UK K U U U UT T）? ?阴极区产热主要用
6、于加热阴极和阴极区的散热损失。焊阴极区产热主要用于加热阴极和阴极区的散热损失。焊 接过程中直接加热焊条（丝）或工件的热量主要由此提供。阴接过程中直接加热焊条（丝）或工件的热量主要由此提供。阴 极区的热量直接影响焊丝熔化或焊缝熔深极区的热量直接影响焊丝熔化或焊缝熔深 。清华大学 机械工程系 Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University阳极区产热机理阳极区产热机理? ?电子到达阳极时将带给阳极三部分能量：电子经阳极电子到达阳极时将带给阳极三部分能量：电子经阳极 压降区被压降区被UAUA加速而获得的动能加速而获得的动能IUIUA
7、A，电子发射时在阴极吸收，电子发射时在阴极吸收 的逸出功又供给阳极的逸出功又供给阳极IUIU ，从弧柱带来的与弧柱温度相对应，从弧柱带来的与弧柱温度相对应 的热能的热能IUIUT T。因此阳极区的能量平衡为：。因此阳极区的能量平衡为：P PA A= I= I（U UA A+ U+ U + U+ UT T）? ?阳极产生的热量主要用于阳极的加热、熔化和散热损阳极产生的热量主要用于阳极的加热、熔化和散热损 失。这也是焊接过程中可以直接利用的能量。失。这也是焊接过程中可以直接利用的能量。清华大学 机械工程系 Department of Mechanical Engineering, Tsinghua
8、 University焊接电弧的温度分布焊接电弧的温度分布? ?沿焊接电弧轴向的温度分布情况为：弧柱的温度较沿焊接电弧轴向的温度分布情况为：弧柱的温度较 高，两个电极上温度较低。高，两个电极上温度较低。? ?这是因为电极温度的升高受到电极材料导热性能、这是因为电极温度的升高受到电极材料导热性能、 熔点和沸点限制的结果。一般情况下，阳极的温度高于阴熔点和沸点限制的结果。一般情况下，阳极的温度高于阴 极的温度，而阴极与阳极的温度低于电极材料的沸点。极的温度，而阴极与阳极的温度低于电极材料的沸点。清华大学 机械工程系 Department of Mechanical Engineering, Tsi
9、nghua University问题问题焊接电弧的温度值？焊接电弧的温度值？清华大学 机械工程系 Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University焊接电弧的温度焊接电弧的温度? ?焊接电流大小直接改变弧柱的能量密度，从而影响弧柱焊接电流大小直接改变弧柱的能量密度，从而影响弧柱 温度的高低。焊接电流增大，弧柱温度增加。在常压下，当电温度的高低。焊接电流增大，弧柱温度增加。在常压下，当电 流由流由1 11000A1000A变化时，弧柱温度可在变化时，弧柱温度可在5000500030000K30000K变化。变化。? ?电弧空间的温度
10、，还受金属蒸气成分的影响。焊条药皮电弧空间的温度，还受金属蒸气成分的影响。焊条药皮 中含有易电离的中含有易电离的K K、NaNa等稳弧剂，电弧中有等稳弧剂，电弧中有K K、NaNa蒸气，电弧蒸气，电弧 电离度增加，弧柱场强较低，其温度亦降低。电离度增加，弧柱场强较低，其温度亦降低。? ?当电弧周围有高速气体流动时，如等离子弧，由于气流当电弧周围有高速气体流动时，如等离子弧，由于气流 的冷却作用，使弧柱电场强度提高，温度上升。电弧周围气氛的冷却作用，使弧柱电场强度提高，温度上升。电弧周围气氛 是多原子气体时，如是多原子气体时，如COCO2 2、O O2 2、N N2 2、H H2 2、H H2
11、2O O等，由于气体解等，由于气体解 离吸热，也会使电弧温度升高。离吸热，也会使电弧温度升高。清华大学 机械工程系 Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University钨和铜电极之间的电弧纵断面等温线钨和铜电极之间的电弧纵断面等温线清华大学 机械工程系 Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University问题问题? ?焊接电弧力及其作用焊接电弧力及其作用？清华大学 机械工程系 Department of Mechanical Engineering, Tsinghua U
12、niversity焊接电弧作用力焊接电弧作用力? ?在焊接过程中，电弧不仅是个热源，而且也是一个在焊接过程中，电弧不仅是个热源，而且也是一个 力源力源 。? ?电弧产生的机械作用力与焊缝熔深、熔池搅拌、熔电弧产生的机械作用力与焊缝熔深、熔池搅拌、熔 滴过渡、焊缝成形等都有直接关系。如果对电弧力控制不滴过渡、焊缝成形等都有直接关系。如果对电弧力控制不 当，则会破坏焊接过程，使焊丝金属不能过渡到熔池而形当，则会破坏焊接过程，使焊丝金属不能过渡到熔池而形 成飞溅，甚至形成焊瘤、咬肉、烧穿等缺陷成飞溅，甚至形成焊瘤、咬肉、烧穿等缺陷 。清华大学 机械工程系 Department of Mechanic
13、al Engineering, Tsinghua University焊接电弧作用力焊接电弧作用力? ?当电流在一个导体中流过时，整个电流可看成是由许当电流在一个导体中流过时，整个电流可看成是由许 多平行的电流线组成，这些电流线间将产主相互吸引力，断多平行的电流线组成，这些电流线间将产主相互吸引力，断 面有收缩的倾向。如果导体是固态，此收缩力不能改变导体面有收缩的倾向。如果导体是固态，此收缩力不能改变导体 外形。如果导体是可以自由变形的液态或气态，导体将产生外形。如果导体是可以自由变形的液态或气态，导体将产生 收缩。这种现象称为电磁收缩效应，由此而产生收缩。这种现象称为电磁收缩效应，由此而产生
14、电磁收电磁收 缩力缩力。 ? ?实际焊接电弧是断面直径变化的近似圆锥状的气态导实际焊接电弧是断面直径变化的近似圆锥状的气态导 体。因为焊条直径限制了导电区的扩展，而在工件上电弧可体。因为焊条直径限制了导电区的扩展，而在工件上电弧可 以扩展得比较宽，所以接近焊条端电弧断面直径小，而接近以扩展得比较宽，所以接近焊条端电弧断面直径小，而接近 工件端弧断面直径较大。直径不同引起压力差，从而产生由工件端弧断面直径较大。直径不同引起压力差，从而产生由 焊条指向工件的推力，被称为电弧的焊条指向工件的推力，被称为电弧的电磁静压力电磁静压力。清华大学 机械工程系 Department of Mechanical
15、 Engineering, Tsinghua University焊接电弧作用力焊接电弧作用力? ?焊接电弧呈锥形，使电磁收缩力在电弧各处分布是焊接电弧呈锥形，使电磁收缩力在电弧各处分布是 不均匀的，具有一定的压力梯度，靠近焊丝处的压力大，不均匀的，具有一定的压力梯度，靠近焊丝处的压力大， 靠近工件处的压力小，形成沿轴线的推力。电弧中的压力靠近工件处的压力小，形成沿轴线的推力。电弧中的压力 差将使靠近焊条处的高温气体向工件方向流动，高温气体差将使靠近焊条处的高温气体向工件方向流动，高温气体 流动时要求从焊丝上方补充新的气体，形成有一定速度的流动时要求从焊丝上方补充新的气体，形成有一定速度的 连
16、续气流进入电弧区。新加入的气体被加热和部分电离连续气流进入电弧区。新加入的气体被加热和部分电离 后，受推力作用继续冲向工件，对熔池形成附加的压力。后，受推力作用继续冲向工件，对熔池形成附加的压力。 在电弧中，由于电弧推力引起高温气流的运动所形成在电弧中，由于电弧推力引起高温气流的运动所形成 等离子流力等离子流力。 ? ?熔池受到的这部分附加压力是由物质的高速运动熔池受到的这部分附加压力是由物质的高速运动 （等离子体流动）引起的，所以称为电弧的（等离子体流动）引起的，所以称为电弧的电磁动压力电磁动压力。清华大学 机械工程系 Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University焊接电弧作用力焊接电弧作用力? ?斑点压力斑点压力当电极上形成斑点时，将受到压力作用，包括：当电极上形成斑点时，将受到压力作用，包括：（11 ）阳极承受电子的撞击，阴极承受正离子的撞击。因为正离子的）阳极承受电子的撞击，阴极承受正离子的撞击。因为正离子的 质量远
