1、1/54内容提要本节主要讲述如下内容：l焊接电弧的定义l电弧的导电机理l焊接电弧的构成及导电特性l焊接电弧的产热机理2/54Metal joining principle:lBolt binding and riveting are mechanical joininglWelding is the most effective method of materials Joining.The joining principle is:lTwo parts to be joined have their surfaces matched lwithin atomic precision(0.30
2、.5 Nanometer).l Adhesive Bonding:The effected forces among molecules through chemical reaction and physical effect.3/54lWelding is one of the most widely applied joining process in the modern(advanced)manufacturing industry.lBe used in automobile and car making,ship and barge building,aerocraft(aero
3、 and space)fabrication(such as space shuttle),railroad car fabrication,petrochemical industry(such as pipe manufacturing),and bridge,buildings and other large structures,electric&electronic industry.4/54Requirements for successful welding:1)A supply of energy to create union by fusion or pressure；2)
4、Removing superficial contamination from the joint face；3)Avoidance of atmospheric contamination or its effects；4)Control of weld metallurgy；5/54Metal joining approach：1)Heating:l Break up the surface oxidel Joint becomes plastic or fusion statel molten pooll crystal togetherl weld beadl Applied heat
5、ing sources：Gas flame Gas flame；Arc heatArc heat；Resistance heatResistance heat；Electron beam energy Electron beam energy；Laser beam Laser beam energy etc.energy etc.6/5472)PressurelOutside force:make two parts integrate.lSuch as Bolt Binding,Riveting and pressure welding Sometimes pressure+heating
6、in pressure welding3)Chemical reaction&physical effect adhesion&cohesion in Adhesive Bonding81.电弧的导电特性 焊接电弧是一种气体放电现象，它是焊接电弧是一种气体放电现象，它是带电粒子通过两电极之间气体空间的一种带电粒子通过两电极之间气体空间的一种导电过程。导电过程。l一般情况下，气体是良好的绝缘体其分一般情况下，气体是良好的绝缘体其分子和原子都处于电中性状态。要使两电极子和原子都处于电中性状态。要使两电极之间的气体导电，必须具备两个条件：之间的气体导电，必须具备两个条件：两电极之间有带电粒子；两电极
7、之间有带电粒子；两电极之间有电场。两电极之间有电场。第第10章章 金属连接成形的主要工艺 9第第10章章 金属连接成形的主要工艺 /54l采用一定的物理方法，改变两电极间气体粒采用一定的物理方法，改变两电极间气体粒子的电中性状态，产生带电荷的粒子，带电子的电中性状态，产生带电荷的粒子，带电粒子在电场的作用下运动，即形成电流使粒子在电场的作用下运动，即形成电流使两电极之间的气体空间成为导体，产生气体两电极之间的气体空间成为导体，产生气体放电。放电。l气体放电随电流的强弱而有不同的形式，如气体放电随电流的强弱而有不同的形式，如暗放电、辉光放电、电弧放电暗放电、辉光放电、电弧放电等。等。l与其他气体
8、放电形式相比，电弧放电的主要与其他气体放电形式相比，电弧放电的主要特点是特点是电流最大、电压最低、温度最高、发电流最大、电压最低、温度最高、发光最强。光最强。1011 Fig.12-2 Volt-ampere Characteristics第第10章章 金属连接成形的主要工艺 微量带电粒子崩溃二次电离，雪崩I，辉光面积电流密度不变/54l电弧两极间带电粒子的来源：电弧两极间带电粒子的来源：中性气体粒子的电离、金属电极发射电子、中性气体粒子的电离、金属电极发射电子、负离子形成等。其中负离子形成等。其中气体电离气体电离和和阴极发射阴极发射电子是电弧中产生带电粒子的两个基本物电子是电弧中产生带电粒子
9、的两个基本物理过程。理过程。l同时还存在其它过程同时还存在其它过程:解离、激发、扩散、解离、激发、扩散、复合复合等。等。122.电弧中带电粒子的产生/54(1)(1)电离与激励电离与激励 l第一电离能，第二电离能，依此类推。第一电离能，第二电离能，依此类推。13(一)气体的电离/541415第第10章章 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 气体粒子电离电压/V气体粒子电离电压/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
10、)17.4(35;63;87;114)5.1(47;50;72)13(22.5;40;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括号内数值依次为二次,三次,电离电压常见气体粒子的电离电压/54l当中性气体粒子受外加能量作用而不足以使其电离时，但当中性气体粒子受外加能量作用而不足以使其电离
11、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，这种现象称为种现象称为激励激励。l使中性粒子激励所需要的最低外加能量叫做激励能，单位使中性粒子激励所需要的最低外加能量叫做激励能，单位为为V V，则称为激励电压。，则称为激励电压。常见气体粒子的激励电压16元素激励电压/V元素激励电压/V元素激励电压/VHHeNeArNO10.219.316.611.62.42.0KFeCuH2N2O21.64.431.47.06.37.9COCO2H2OCsCa6.23.07.61.41.9/5417/5418/5419Fe电离电压为7.8V,K电离电压为
12、4.3V/54(2)20/541）热电离l气体粒子受热的作用而产生电离的过程称为气体粒子受热的作用而产生电离的过程称为热电离。它实质上是由于气体粒子的热运动热电离。它实质上是由于气体粒子的热运动形成频繁而激烈的碰撞产生的一种电离过程。形成频繁而激烈的碰撞产生的一种电离过程。l热电离的热电离的电离度电离度与温度、气体压力及气体的与温度、气体压力及气体的电离电压有关。电离电压有关。21kTeUiTPxx5.27221016.31/54 22电离度与材料、温度之间的关系23电离度带电粒子数电弧稳定性/54 2)场致电离在两电极间的电场作用下，气体中的带电粒子将加速，电能将转换为带电粒子的动能。当带电
13、粒子的动能增加到一定数值时，则可能与中性粒子发生非弹性碰撞而使之产生电离，这种电离称为场致电离。弧柱的温度一般在5000-50000K之间，而电场强度仅为10vcm左右，所以在弧柱区热电离是产生带电粒子的主要途径，电场作用下的电离则是次要的。在电弧的阴极压降区和阳极压降区电场强度可达105107v/cm，远高于弧柱区，因而会产生显著的场致电离现象。24/543)光电离l中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电离过程称为离过程称为光电离光电离。l 焊接电弧的光辐射只可能对焊接电弧的光辐射只可能对K、Na、Ca、Al等金属蒸气直接引起光电离，而对焊接电等金属蒸气
14、直接引起光电离，而对焊接电弧气氛中的其他气体则不能直接引起光电离。弧气氛中的其他气体则不能直接引起光电离。因此，光电离只是电弧中产生带电粒子的一因此，光电离只是电弧中产生带电粒子的一种次要途径种次要途径。25/54。l从阴极发射的电子，在电场的加速下碰撞电从阴极发射的电子，在电场的加速下碰撞电弧导电空间的中性气体粒子而使之电离，这弧导电空间的中性气体粒子而使之电离，这样就使阴极电子发射充当了维持电弧导电的样就使阴极电子发射充当了维持电弧导电的“原电子之源原电子之源”。l因此，阴极电子发射在电弧导电过程中起着因此，阴极电子发射在电弧导电过程中起着特别重要的作用。特别重要的作用。26(二)阴极电子
15、发射/54(1)电子发射与逸出功 l阴极中的自由电子受到一定的外加能量作用时，从阴极表面逸出的过程称为电子发射。l电子从阴极表面逸出需要能量，1个电子从金属表面逸出所需要的最低外加能量称为逸出功(Aw)，单位是电子伏。因电子电量为常数e，故通常用逸出电压(Uw)来表示，UwAwe，单位为V。l逸出功的大小受电极材料种类及表面状态的影响。几种金属材料的逸出功27金属种类WFeAlCuKCaMgAw/eW纯金属4.544.484.254.362.022.123.73表面有氧化物-3.923.93.850.461.83.31/54(2)阴极斑点 阴极表面通常可以观察到发出烁亮的区域，这个区域称为阴极
16、斑点，它是发射电子最集中的区域，即电流最集中流过的区域。阴极斑点的形态与阴极的类型有关。l由于金属氧化物的逸出功比纯金属低，因而氧化物处容易发射电子。28/54l氧化物发射电子的同时自身被破坏，因而阴极斑点有清除氧化物的作用。l阴极表面某处氧化物被清除后另一处氧化物就成为集中发射电子的所在。于是，斑点游动力图寻找在一定条件下最容易发射电子的氧化物。如果电弧在惰性气体中燃烧，阴极上某处氧化物被清除后不再生成新的氧化物，阴极斑点移向有氧化物的地方，接着又将该处氧化物清除。这样就会在阴极表面的一定区域内将氧化物消除干净，显露出金属本色。这种现象称为“阴极清理”作用或“阴极破碎”作用。29/54(3)
17、电子发射的类型 根据外加能量形式的不同，电子发射可分为以下四种类型：1)1)热发射。热发射。阴极表面因受热的作用而使其内部的自阴极表面因受热的作用而使其内部的自由电子热运动速度加大，动能增加，一部分电子由电子热运动速度加大，动能增加，一部分电子动能达到或超出逸出功时产生的电子发射现象称动能达到或超出逸出功时产生的电子发射现象称为热发射。为热发射。热发射的强弱受材料沸点的影响。当采用高沸点热发射的强弱受材料沸点的影响。当采用高沸点的钨或碳作阴极时的钨或碳作阴极时(其沸点分别为其沸点分别为5950K5950K和和4200K)4200K)，电极可被加热到很高的温度电极可被加热到很高的温度(一般可达一
18、般可达3500K3500K以以上上)此时，通过热发射可为电弧提供足够的电子。此时，通过热发射可为电弧提供足够的电子。30/54 2)2)场致发射。场致发射。当阴极表面中间存在一定强度的正电场当阴极表面中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。当此力时，阴极内部的电子将受到电场力的作用。当此力达到一定程度时电子便会逸出阴极表面，这种电子达到一定程度时电子便会逸出阴极表面，这种电子发射现象称为场致发射。发射现象称为场致发射。当采用钢、钢、铝等低沸点材料作阴极当采用钢、钢、铝等低沸点材料作阴极()时时(其沸点分别为其沸点分别为3013K3013K、2868K2868K和和2770
19、K)2770K)，阴极加热，阴极加热温度受材料沸点限制不可能很高，热发射能力较弱，温度受材料沸点限制不可能很高，热发射能力较弱，此时向电弧提供电子的主要方式是场致发射电子。此时向电弧提供电子的主要方式是场致发射电子。实际上，电弧焊时纯粹的场致发射是不存在的，只实际上，电弧焊时纯粹的场致发射是不存在的，只不过是在采用冷阴极时以场致发射为主，热发射为不过是在采用冷阴极时以场致发射为主，热发射为辅而已。辅而已。31/543)3)光发射。光发射。当阴极表向受到光辐射作用时，当阴极表向受到光辐射作用时，阴极内的自由电子能量达到逸出阴极表面的阴极内的自由电子能量达到逸出阴极表面的现象称为光发射。光发射在阴
20、极电子发射中现象称为光发射。光发射在阴极电子发射中居次要地位。居次要地位。32/544)4)粒子碰撞发射。粒子碰撞发射。电弧中电弧中高速运动的粒子（主要高速运动的粒子（主要是正离子）碰撞阴极时是正离子）碰撞阴极时把能量传递给阴极表面把能量传递给阴极表面的电子，使电子能量增的电子，使电子能量增加而逸出阴极表面的现加而逸出阴极表面的现象称为粒子碰撞发射。象称为粒子碰撞发射。33/54l电弧导电过程中，在产生带电粒子的同时，电弧导电过程中，在产生带电粒子的同时，伴随着带电粒子的消失过程。在电弧稳定伴随着带电粒子的消失过程。在电弧稳定燃烧时，二者是处于动平衡状态的。带电燃烧时，二者是处于动平衡状态的。
21、带电粒子在电弧空间的消失主要有粒子在电弧空间的消失主要有扩散、复合扩散、复合两种形式和电子结合成负离子两种形式和电子结合成负离子等过程等过程。34353.焊接电弧的构成及其特性(1)焊接电弧的构成焊接电弧的构成36 阳极区和阴极区占整个电弧长度的尺寸阳极区和阴极区占整个电弧长度的尺寸皆很小，约为皆很小，约为10-210-6cm，故可近似认，故可近似认为弧柱长度即为电弧长度。电弧的这种为弧柱长度即为电弧长度。电弧的这种不均匀的电场强度分布，说明电弧各区不均匀的电场强度分布，说明电弧各区域的电阻是不同的，即电弧电阻是非线域的电阻是不同的，即电弧电阻是非线性的性的。/54(2)(2)焊接电弧的导电特
22、性焊接电弧的导电特性1)弧柱区的导电特性弧柱区的导电特性37/54l电弧等离子体虽然对外呈现电中性，但由于电弧等离子体虽然对外呈现电中性，但由于其内部有大量电子和正离子等带电粒子，所以其内部有大量电子和正离子等带电粒子，所以具有良好的导电性能。带电粒子在电场的作用具有良好的导电性能。带电粒子在电场的作用下运动，就形成了弧柱中的电流。下运动，就形成了弧柱中的电流。l弧柱中的电流由向阴极运动的正离子流和向弧柱中的电流由向阴极运动的正离子流和向阳极运动的电子流组成。由于电子和正离子在阳极运动的电子流组成。由于电子和正离子在同一电场中所受的电场力相同，而电子的质量同一电场中所受的电场力相同，而电子的质
23、量正离子的速正离子的速度，因此弧柱中的电流主要由电子流构成。度，因此弧柱中的电流主要由电子流构成。3839第第10章章:金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 /54 显然，当弧柱中通过大电流时，电离度提高，显然，当弧柱中通过大电流时，电离度提高，E值将减少。值将减少。l电场强度电场强度 E与电流与电流 I 的乘积的乘积 EI，相当于电源供，相当于电源供给每单位弧长的电功率，它与弧柱的给每单位弧长的电功率，它与弧柱的热损失相热损失相平衡平衡。40/5441/54l由此可见：电场强度 E 的大小与电弧的气体介质有关；E 的大小将随弧柱的热损失情况而自行调整。l弧柱在稳定燃烧时，有一种使自身
24、能量消耗最小的特性。l当电流和电弧周围条件当电流和电弧周围条件(如气体介质种类、温度、如气体介质种类、温度、压力等压力等)一定时，稳定燃烧的电弧将自动选择一个一定时，稳定燃烧的电弧将自动选择一个确定的导电截面使电弧的能量消耗最小。当电确定的导电截面使电弧的能量消耗最小。当电弧长度也为定值时，电场强度的大小即代表了电弧长度也为定值时，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弧产热量的大小。因此，能量消耗最小时的电场强度最低，即在固定弧长上的电压降最小，这就强度最低，即在固定弧长上的电压降最小，这就是是最小电压原理最小电压原理。42/542)2)阴极区的导电特性阴极区的导
25、电特性l阴极区是指靠近阴极的很小一个区域，在电阴极区是指靠近阴极的很小一个区域，在电弧中，它有两方面的作用：弧中，它有两方面的作用：l由于电极材料种类及工作条件由于电极材料种类及工作条件(电流大小、电流大小、气体介质等因素气体介质等因素)不同，阴极区的导电形式不同，阴极区的导电形式和特性也不同。和特性也不同。43/541 1热发射型热发射型l热阴极热阴极,大电流时大电流时 ,阴极区可加热到很高的温阴极区可加热到很高的温度。度。阴极主要靠热发射提供电子流来满足阴极主要靠热发射提供电子流来满足弧柱导电的需要。弧柱导电的需要。阴极斑点在电极表面十阴极斑点在电极表面十分稳定，其面积较大而且比较均匀，紧
26、挨阴分稳定，其面积较大而且比较均匀，紧挨阴极表面的弧柱不呈收缩状态。阴极区的电流极表面的弧柱不呈收缩状态。阴极区的电流密度与弧柱区也相近。密度与弧柱区也相近。l阴极区电压降很小。阴极区电压降很小。44/54n大电流钨极电弧焊时，这种热发射型导电大电流钨极电弧焊时，这种热发射型导电占主导地位占主导地位。45/542 2电场发射型电场发射型46/5447/543)3)阳极区的导电特性阳极区的导电特性l阳极区是指靠近阳极的很小一个区域，在电阳极区是指靠近阳极的很小一个区域，在电弧中主要是接受弧柱区送来的电子流，同时弧中主要是接受弧柱区送来的电子流，同时间弧柱区提供所需要的正离子流。间弧柱区提供所需要
27、的正离子流。48/541阳极斑点在阳极表面可看到烁亮的区域，这个区域称为阳极斑点；弧柱中送来的电子流，集中在此处进入阳极，再经电源返回阴极。阳极斑点的电流密度比阴极斑点的小，它的形态与电极材料及电流大小有关。由于金属蒸气的电离电压比周围气体介质的低，因而电离易在金属族气处发生。成为阳极导电区。在大气或氧化性气氛中燃烧的电弧，由于金属阳极有氧化物存在，而一般金属的熔点与沸点皆低于金属氧化物的熔点和沸点，所以纯金属处比金属氧化物处更容易产生蒸发。阳极斑点使会自动寻找纯金属而避开氧化物，因而在阳极表面跳跃移动.49/542阳极区导电形式l阳极不能发射正离子，弧柱所需要的正离子流是由阳极区的电离提供的
28、。由于条件不同，阳极区的导电形式有两种：(a)阳极区的场致电离l 当电弧电流较小时，阳极前面的电子数必将大于正离子数形成负的空间电场，并使阳极与弧柱之间形成一个负电性区阳极区。只要弧柱的正离子得不到补充这个负电场就继续增大。阳极区内的带电粒子被这个电场加速，使其在阳极区内与中性粒子碰撞产生场致电离，直到这种电离生成的正离子能满足弧柱需要时，阳极区的电场强度才不再继续增大。电离生成的正离子流向弧柱，产生的电子流向阳极。这种导电方式中阳极区压降较大。50第10章:金属连接成形的主要工艺 /54(b)阳极区的热电离 l 当电弧电流较大时，阳极的过热程度加剧，金属产生蒸发，阳极区温度也大大提高。阳极区内的电离方式将由金属蒸气的热电离取代高能量电子的碰撞产生的场致电离，完成阳极区向弧柱提供正离子流的作用。这种情况下阳极区的压降较低。大电流钨极氩弧焊时属于这种阳极区导电机构。51
