《焊接电弧》PPT课件

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1、第一章焊接电弧电弧是所有电弧焊方法的热源。其主要作用是把电能转变为热能，同时产生光辐射和响声（电弧声）。电弧的高热可以用于焊接、切割和炼钢等。电弧的弧光可用于照明。电弧声可用于焊接过程的监控等。1.1焊接电弧的物理基础一.电弧的物理本质:焊接电弧是在一定条件下，两电极间产生的强烈而持久的气体放电现象。图1-1电弧示意图正常状态下气体（原子或分子组成）不导电。要使其导电，必须产生带电粒子。气体放电形式较多，见图1-2。分为两类（非自持放电，自持放电）。图1-2气体放电伏安特性曲线非自持放电：在较小电流

2、区间，放电的起始必须靠外加能量条件（X射线、加热、光照等）来激发产生带电粒子而造成气体放电。若外加能量条件取消后，放电过程就停止。自持放电：当导电电流增大到一定值和气体发展到一定程度时，气体放电本身就可以产生维持导电所需要的带电粒子。这时即使取消了外加能量条件，放电过程仍可继续维持下去。电弧放电是自持放电的一种基本形式。电弧放电的特点是：①电流大（几安--几千安）②电压低（20--50V）③温度高（5000--30000K）④发光强（红外线、紫外线、强可见光）。二、电弧中带电粒子的产生电弧中的带电粒

3、子主要依靠两电极之间的气体电离和电极发射电子两个物理过程所产生，同时伴随解离、激励、扩散、复合、负离子的产生过程。(一)气体的电离：1.电离与激励：⑴电离：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称为电离。使中性气体粒子失去第一个电子所需的最低外加能量为第一电离能（eV），常用电离电压表示气体电离的难易（表1-1）使其失去第二个电子需要更大的电离电压。电离电压低的气体易产生带电粒子。与气体其它性能（解离性能、热物理性能）综合影响电弧稳定性。几种气体同时存在时，带电粒子主要由低电离电压气体

4、提供。如He+Ar，Ar的电离电压低，易使电弧稳定。⑵激励：使中性粒子中的电子以较低能级转移到较高能级但未完全脱离原子或分子，称为激励。使中性粒子激励所需最低外加能量--最低激励电压。(见表1-2)激励状态是一种不稳定状态，继续接受能量可电离，或以辐射或与其它粒子碰撞将能量传递出去而恢复稳定状态。2.能量传递方式：电离与激励需外界能量。能量传递给气体粒子的方式：碰撞传递和光辐射传递。⑴气体粒子相互碰撞传递能量：碰撞传递。碰撞有弹性碰撞和非弹性碰撞。气体粒子动能较低时发生的是非破坏性的弹性碰撞。其结果

5、只使粒子的运动速度发生变化并引起气体温度变化。不产生激励或电离；当气体粒子动能较高时，发生破坏性的非弹性碰撞。部分全部动能转换为内能，使被碰撞粒子内部结构发生变化。此内能大于激励电压时发生激励，大于电离电压时则产生电离。因此，只有非弹性碰撞产生电离过程，形成带电粒子。电子质量远小于其它粒子，碰撞时其动能几乎全部传给中性粒子，使之激励或电离，因而电子与气体粒子碰撞作用最为有效。提高温度可增加所有粒子（中性粒子、电子、离子）的动能。增大电场强度可提高带电粒子（电子、离子）的动能。碰撞传递使气体粒子电离，

6、是电弧本身产生带电粒子维持其导电的最主要方式。⑵光辐射传递：一般焊接电弧中，以光辐射传递方式产生带电粒子与碰撞传递相比，是次要的。中性气体粒子接受外界光量子形式能量，内能提高结构改变，产生激励或电离。3.电离种类：电弧中气体粒子的电离因外加能量和种类的不同可分为三类：热电离、电场作用下的电离和光电离。⑴热电离：高温下，气体粒子受热的作用相互碰撞而产生的电离。T↑m↓→v↑→电离↑T一定，气体粒子速度分布遵循麦克斯韦速度分布律。只有动能大于电离电压能量的那部分粒子才引起中性粒子的电离。用电离率χ表示电

7、离程度：即单位体积内被电离的粒子数与气体电离前粒子总数的比值。热平衡状态下电离度与气体温度、压力、电离电压、的关系符合萨哈（Saha）公式（单一气体热电离度表达式）：κ-玻耳兹曼常数κ=1.38×10-23J/K显然T↑p↓Ui↓→χ↑其中温度的影响最为显著。图1-3热电离的电离度X与温度T的关系a）金属蒸气电离b）气体电离混合气体的电离度称为实效电离度：电子密度与电离前中性粒子密度的比值。其电离电压称为实效电离电压，主要决定于电离电压较低的气体成分，低电离电压气体的电离过程是提供电弧所需带电粒子的

8、关键。因此为提高电弧稳定性，在电弧气氛中只需加少量的低电离电压物质则可取得显著效果。一般焊接电弧中的电离度只有0.1×10-3-0.12×10-2数量级。弧柱的温度一般在5000-30000K，电弧中的多原子气体在热作用下分解为原子的现象称为热解离，产生热解离所需的最低能量称为解离能（eV）气体的解离能均低于电离能。解离过程伴随吸热作用。影响带电粒子的产生及电弧的电及热性能。例如：CO2,N2保护，弧压，弧温高于Ar保护。因CO2,N2要发生解离，吸热使电弧收缩。⑵电