1、1第四篇第四篇 金属连接成形工艺主讲教师：黄安国主讲教师：黄安国 副教授副教授huang- 13396083919材料连接的方法及其基本特征材料连接的方法及其基本特征v焊接技术： 将两种或两种以上的（同种或异种）材料通过原子之间的结合造成永久性连接的工艺过程。v焊接与机械连接（如铆接）和粘接的差异： 被连接的材料不仅在宏观上建立了永久性的联系，而且在微观上建立了组织之间的内在联系。v焊接技术的主体内容： 应涵盖钎焊、熔化焊接和固相焊接三部分。2三类焊接技术特征的对比三类焊接技术特征的对比方法方法母材母材受热受热填充填充材料材料热源热源压压力力接头拆卸性接头拆卸性 结合特征结合特征熔化焊熔化焊熔
2、化熔化有或无有或无外加外加无无不可拆卸不可拆卸冶金结合冶金结合固相焊固相焊 不熔化不熔化无无内部内部或外加或外加有有不可拆卸不可拆卸冶金结合冶金结合钎焊钎焊不熔化不熔化有有外加外加无无部分可拆卸部分可拆卸 冶金结合冶金结合34焊接结构的优点（1）接头构造合理，接头工作效能高。 接头工作效能接头工作效能=接头破坏强度接头破坏强度/基本材料断基本材料断裂强度裂强度 100%（2）节省金属、重量轻567方案方案净重净重T毛重毛重T消耗钢材消耗钢材T占用机床占用机床H成本对比成本对比%整锻整锻47.31102001400100铸焊铸焊47.366132130070.6铸焊铸焊47.3531021000
3、50.3v（3）水密性好和气密性好v（4）厚度无限制v（5）设计简单v（6）制造周期短8v（1）整体性强v（2）残余应力与变形v（3）性能不均匀v（4）制造工艺对结构性能有重大影响v（5）材料对成形各种缺陷的敏感性焊接结构的特点9 第10章: 金属连接成形的主要工艺 第11章: 焊接新技术及相关技术 第12章: 金属构件焊接的工艺设计 第13章: 焊接成形件的缺陷及检测 第四篇 金属连接成形工艺10第第1010章章: : 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺焊接电弧物理基础焊接电弧物理基础熔滴过渡熔滴过渡 第四篇 金属连接成形工艺11 电弧焊电弧焊Arc welding第第10章章 :
4、 金属连接成形的主要工艺 电弧能有效而简便地把电能转化为焊接过程所需要的热和机械能。带电粒子的产生：气体电离和阴极发射阴极斑点12一、焊接电弧物理基础一、焊接电弧物理基础（一）（一） 电弧的导电特性电弧的导电特性 焊接电弧是一种气体放电现象，它是带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导电电粒子通过两电极之间气体空间的一种导电过程。过程。l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。要使两电极之间的气体导电，必须具备两个条件：l两电极之间有带电粒子；l两电极之间有电场。第第10章章 金属连接成形的主要工艺 13v采用一定的物理方法，改变两电极间气体
5、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，粒子的电中性状态，产生带电荷的粒子，带电粒子在电场的作用下运动，即形成电带电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，流使两电极之间的气体空间成为导体，产生气体放电。产生气体放电。v气体放电随电流的强弱而有不同的形式，气体放电随电流的强弱而有不同的形式，如如暗放电、辉光放电、电弧放电暗放电、辉光放电、电弧放电等。等。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 14 Fig.12-2 Volt-ampere Characteristics第第10章章 金属连接成形的主要工艺 与其他气体
6、放电形式相比，电弧放电的主要特点是与其他气体放电形式相比，电弧放电的主要特点是电电流最大、电压最低、温度最高、发光最强。流最大、电压最低、温度最高、发光最强。15第第10章章 金属连接成形的主要工艺 16（二）（二）电弧中带电粒子的产生电弧中带电粒子的产生v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的两个基本物理过程。理过程。v同时还存在其它过程同时还存在其它过程:解离、激发、
7、扩散、解离、激发、扩散、复合复合等。等。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 171. 1. 电离与激励电离与激励v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。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 18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 19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 气体粒子气体粒子电离电压电离电压/V气体离子气体离子电离电压电离电压/HHeLiCNOFNaClArKCaNiCrMoCsFe13.524.5(54.2)5.4(75.3;122)11.3(24.4;48;
8、65.4)14.5(29.5;47;73;97)13.5(25;55;77)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20v当中性气体粒子受外加能
9、量作用而不足以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，这种现象称来的能级跃迁到较高的能级，这种现象称为为激励激励。v使中性粒子激励所需要的最低外加能量叫使中性粒子激励所需要的最低外加能量叫做激励能，单位为做激励能，单位为V，称为激励电压。，称为激励电压。常见气体粒子的激励电压常见气体粒子的激励电压第第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 元素元素激励电压激励电压/V元素元素激励电压激励电压/V元素元素激励电压激励电压/VHHeNeArNO10.219.316.611.62.42.0K
10、FeCuH2N2O21.64.431.47.06.37.9COCO2H2OCsCa6.23.07.61.41.921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 22中性气体粒子接受外界以光量子形式所施加的能中性气体粒子接受外界以光量子形式所施加的能量，提高其内能并改变其内部结构，使气体粒量，提高其内能并改变其内部结构，使气体粒子被激励或电离。子被激励或电离。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 23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 24（3 3）电离种类）电离种类 1 1）热电离）热电离v气体粒子受热的作用而产生电离的过程称气体粒
11、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为热电离。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运动形成频繁而激烈的碰撞产生的一种电离过程。离过程。v热电离的热电离的电离度电离度与温度、气体压力及气体与温度、气体压力及气体的电离电压有关。的电离电压有关。kTeUieTPxx5 . 27221016. 31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 25 电离度与材料、温度之间的关系第第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 kTeUieTPxx5 . 27221016. 3126第第10章章 金属连接成形的主要工艺金属连
12、接成形的主要工艺 27Fe电离电压为7.8V,K电离电压为4.3V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 0.110（-3）-0.1210（-2）热电离是弧柱部分产生带电粒子的最主要途径。28电离度带电粒子数电弧稳定性第第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 kTeUieTPxx5 . 27221016. 3129 2) 2)场致电离场致电离 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。当带电粒子的动能增加到一能将转换为带电粒子的动能。当带电粒子的动能增加到一定数值时，则可能
13、与中性粒子发生非弹性碰撞而使之产生定数值时，则可能与中性粒子发生非弹性碰撞而使之产生电离，这种电离称为电离，这种电离称为场致电离场致电离。 弧柱的温度一般在弧柱的温度一般在5000-30000K之间，而电场强度仅为之间，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。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。，远高于弧柱区，因而会产生显著的场致电离现象。第
14、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 303)3)光电离光电离v中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电离过程称为电离过程称为光电离光电离。v 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，而对焊接等金属蒸气直接引起光电离，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电离。因此，光电离只是电弧中产生带电粒子的一种次要途径。粒子的一种次要途径。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 31上节课内容回顾
15、上节课内容回顾v焊接结构优点及特点焊接结构优点及特点v电弧物理基础电弧物理基础 电弧电弧导电特性导电特性 电弧中带电粒子的产生电弧中带电粒子的产生 气体电离与激励气体电离与激励 热电离、场致电离、光电离热电离、场致电离、光电离 阴极发射电子阴极发射电子第第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 322.2.阴极电子发射阴极电子发射。v从电极表面发射电子的过程在阴极和阳极皆从电极表面发射电子的过程在阴极和阳极皆有可能发生。有可能发生。v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
16、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”。v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。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 33(1)(1)电子发射与逸出功电子发射与逸出功 v阴极中的自由电子受到一定的外加能量作用时，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。从阴极表面逸出的过程称为电子发射。v 电子从阴极表面逸出需要能量，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个电子从金属表面逸出所需要
17、的最低外加能量称为低外加能量称为逸出功逸出功(Aw)，单位是电子伏。因电子电量为常数，单位是电子伏。因电子电量为常数e，故通常用故通常用逸出电压逸出电压(Uw)来表示，来表示，UwAwe，单位为，单位为V。v逸出功的大小受电极材料种类及表面状态的影响。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几种金属材料的逸出功第第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 金属种类金属种类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钨极成分钨极成分WW-CsW-B
18、aW-ThW-Zr逸出功Aw/eW4.541.361.562.633.14钨及其合金钨极的逸出功钨及其合金钨极的逸出功34(2)(2)电子发射的类型：电子发射的类型：根据外加能量形式不同根据外加能量形式不同 1)1)热发射。热发射。阴极表面因受热的作用而使其内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，部的自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为热发射。的电子发射现象称为热发射。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
19、极时(其沸点分别为其沸点分别为5950K和和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(一般可达一般可达3500K以以上上)此时，通过热发射可为电弧提供足够的电此时，通过热发射可为电弧提供足够的电子。子。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 35 2)2)场致发射。场致发射。当阴极表面中间存在一定强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。当此力达到一定程度时电子场力的作用。当此力达到一定程度时电子便会逸出阴极表面，这种电子发射现象称便会逸出阴极表面，这种电子发射现象称为场致发射。为
20、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(其沸点其沸点分别为分别为3013K、2868K和和2770K)，阴极加热温度受材料沸，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，此时向电弧提供电点限制不可能很高，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。实际上，电弧焊时纯粹的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，只不过是在采用冷阴极时以场致发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，热发射为辅而已。射为主，热发射为辅而已。 热阴极电弧、冷阴极电弧及冷却。热阴极电弧、冷阴极电弧及
21、冷却。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 363)3)光发射。光发射。当阴极表面受到光辐射作用时，阴当阴极表面受到光辐射作用时，阴极内的自由电子能量达到逸出阴极表面的现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。象称为光发射。 不同材料产生光发射所要求的临界波长为：不同材料产生光发射所要求的临界波长为： 0=1236/Uw 光发射在阴极电子发射中居次要地位。光发射在阴极电子发射中居次要地位。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 374)4)粒子碰撞发射。粒子碰撞发射。电弧电弧中高速运动的粒子中高速运动的粒子（主要是正离子）碰（主要是正离子）
22、碰撞阴极时把能量传递撞阴极时把能量传递给阴极表面的电子，给阴极表面的电子，使电子能量增加而逸使电子能量增加而逸出阴极表面的现象称出阴极表面的现象称为粒子碰撞发射。为粒子碰撞发射。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 383.3.带电粒子的消失：扩散、复合以及形成负离子带电粒子的消失：扩散、复合以及形成负离子 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。在电弧稳定燃烧时，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。二者是处于动平衡状态的。（1 1）负离子的产生）负离子的产生 在一定情况下，有些
23、中性原子或分子能吸附一个电在一定情况下，有些中性原子或分子能吸附一个电子而形成负离子。中性粒子吸附电子形成负离子时，其子而形成负离子。中性粒子吸附电子形成负离子时，其内部能量不是增加而是减少，减少的这部分能量称为中内部能量不是增加而是减少，减少的这部分能量称为中性粒子的电子亲和能。性粒子的电子亲和能。 电子亲和能越大的元素形成负离子的倾向越大。卤电子亲和能越大的元素形成负离子的倾向越大。卤族元素电子亲和能最大，惰性气体不形成负离子。族元素电子亲和能最大，惰性气体不形成负离子。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 393.3.带电粒子的消失：扩散、复合以及形成负离子带电粒子
24、的消失：扩散、复合以及形成负离子（2 2）带电粒子的扩散和复合）带电粒子的扩散和复合第第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 1 1）扩散：电子从中心向周边扩散）扩散：电子从中心向周边扩散2 2）复合）复合电弧中心部分由于温度较高，不会产生复合。电弧中心部分由于温度较高，不会产生复合。40（三）焊接电弧的构成及导电机构（三）焊接电弧的构成及导电机构第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 1.1.焊接电弧的区域组成焊接电弧的区域组成阳极区，阳极电压降阳极区，阳极电压降阴极区，阴极电压降阴极区，阴极电压降弧柱区，弧柱电压降弧柱区，弧柱电压降电弧长度方向上的电电弧长度方向上的电场
25、强度不均匀。场强度不均匀。41第第12章章 : : 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 阳极区和阴极区占整阳极区和阴极区占整个电弧长度的尺寸皆个电弧长度的尺寸皆很小，约为很小，约为10-210-6cm。电弧的这种不均匀的电弧的这种不均匀的电场强度分布，说明电场强度分布，说明电弧各区域的电阻是电弧各区域的电阻是不同的，即电弧电阻不同的，即电弧电阻是非线性的是非线性的。422.2.焊接电弧的导电特性焊接电弧的导电特性（1 1）弧柱区的导电特性）弧柱区的导电特性v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同一电场中所受的电场力相同，而电子的质量正离子的速
26、度，因此弧柱中的电流主要由电子流构成（约占99.9%）。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 43v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。带电粒子在电场的以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。作用下运动，就形成了弧柱中的电流。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 44 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
27、。v电场强度电场强度E与电流与电流I的乘积的乘积EI，相当于电源供给每，相当于电源供给每单位弧长的电功率，它与弧柱的单位弧长的电功率，它与弧柱的热损失相平衡热损失相平衡。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 45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。46最小电压原理最小电压原理v在给定电流和周围条件一定时，电弧在稳定燃烧在给定电流和周围条件一定时，电弧在稳定燃烧时，其导电区的半径（或温度），应使电弧电场强时，其导电区的半径（或温度），应使电弧电场强度具有最小的
28、数值。度具有最小的数值。v当电流和电弧周围条件(如气体介质种类、温度、压力等)一定时，稳定燃烧的电弧将自动选择一个确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。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 47（2 2）阴极区的导电特性）阴极区的导电特性v阴极区是指靠近阴极的很小一个区域，在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：电弧中，它有两方面的作用：v由于电极材料种
29、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。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 481 1）热发射型）热发射型v热阴极，大电流时，阴极区可加热到很高热阴极，大电流时，阴极区可加热到很高的温度。阴极主要靠热发射提供电子流的温度。阴极主要靠热发射提供电子流（99.9%）来满足弧柱导电的需要。）来满足弧柱导电的需要。 v如果阴极通过热发射可提供足够数量的电如果阴极通过热发射可提供足够数量的电子，则弧柱区与阴极之间不再存在阴极压子，则弧柱区与阴极之间不再
30、存在阴极压降区，阴极区的电流密度与弧柱区也相近。降区，阴极区的电流密度与弧柱区也相近。弧柱断面直到阴极表面都不发生很大变化。弧柱断面直到阴极表面都不发生很大变化。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 49l大电流钨极电弧焊时，这种热发射型导大电流钨极电弧焊时，这种热发射型导电占主导地位电占主导地位。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 热阴极：与冷阴极相对。502 2）电场发射型）电场发射型第第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 51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 52阴
31、极斑点阴极斑点 阴极表面通常可以观察到发出烁亮的区域，阴极表面通常可以观察到发出烁亮的区域，这个区域称为阴极斑点，它是发射电子最这个区域称为阴极斑点，它是发射电子最集中的区域，即电流最集中流过的区域。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。阴极斑点的形态与阴极的类型有关。v由于金属氧化物的逸出功比纯金属低，因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。而氧化物处容易发射电子。v斑点压力斑点压力第第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 53v氧化物发射电子的同时自身被破坏，因而阴极斑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
32、化物的作用。阴极表面某处氧化物被点有清除氧化物的作用。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。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，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
33、，显露出金属本色。这种现象称氧化物消除干净，显露出金属本色。这种现象称为为“阴极清理阴极清理”作用或作用或“阴极破碎阴极破碎”作用。作用。第第12章章 金属连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 543 3）等离子型导电机构）等离子型导电机构第第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 55（3 3）阳极区的导电特性）阳极区的导电特性v阳极区是指靠近阳极的很小一个区域，在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，电弧中主要是接受弧柱区送来的电子流，同时向弧柱区提供所需要的正离子流。同时向弧柱区提供所需要的正离子流。第第10章章 : : 金属
34、连接成形的主要工艺金属连接成形的主要工艺 561 1）阳极区导电形式）阳极区导电形式 (a)(a)阳极区的场致电离阳极区的场致电离 当电弧电流较小时，阳极前面的电子数必将大于正当电弧电流较小时，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形成一个负电性区阳极区。只要弧柱的正离子阳极区。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
35、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。流向阳极。这种导电方式中阳极区压降较大。第10章: 金属连接成形的主要工艺 57(b)(b)阳极区的热电离阳极区的热电离 当电弧电流较大时，阳极的过热程度加剧，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极区内的电离方式将由金属蒸气
36、的热电离取代高能量电子的碰撞产生的场致电离，完成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。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。大电流钨极氩弧焊时属于这种阳极区导电机构。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 582 2）阳极斑点）阳极斑点高熔点材料作阳极，只存在阳极导电区，不产生阳高熔点材料作阳极，只存在阳极导电区，不产生阳极斑点。极斑点。采用低熔点材料作阳极，阳极表面有熔化和蒸发现采用低熔点材料作阳极，阳极表面有熔化和蒸发现象，由于金属蒸汽的电
37、离能远低于一般气体的电离象，由于金属蒸汽的电离能远低于一般气体的电离能，在有金属蒸汽的地方，更容易产生热电离而提能，在有金属蒸汽的地方，更容易产生热电离而提供正离子流，电子流更容易从这里进入阳极，阳极供正离子流，电子流更容易从这里进入阳极，阳极上的导电区将在这里集中而形成阳极斑点。在阳极上的导电区将在这里集中而形成阳极斑点。在阳极表面可看到烁亮的区域，这个区域称为阳极斑点。表面可看到烁亮的区域，这个区域称为阳极斑点。斑点压力较小斑点压力较小第第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 592 2）阳极斑点）阳极斑点 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阳极
38、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，因而电离易在金属蒸汽处发生。成为阳极导电区。的低，因而电离易在金属蒸汽处发生。成为阳极导电区。阳极斑点形成的条件之一是金属蒸发。阳极斑点形成的条件之一是金属蒸发。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。阳极沸点，所以纯金属处比
39、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跃移动.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 60上节课内容回顾上节课内容回顾电弧物理基础电弧物理基础 阴极发射电子：热发射、电场发射、光发射、粒子碰撞发阴极发射电子：热发射、电场发射、光发射、粒子碰撞发 带电粒子的消失：形成负离子、扩散和复合带电粒子的消失：形成负离子、扩散和复合焊接电弧的构成及其导电机构焊接电弧的构成及其导电机构 构成：弧柱区、阴极区、阳极区构成：弧柱区、阴极区、阳极区 各区域导电机构各区域导电机构 弧柱
40、区导电特性：最小电压原理弧柱区导电特性：最小电压原理 阴极区：热发射性、电场发射性、阴极斑点、阴极雾化阴极区：热发射性、电场发射性、阴极斑点、阴极雾化 阳极区阳极区：热电离、场致电离、阳极斑点：热电离、场致电离、阳极斑点第第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 61Volt-ampere Characteristics of welding arc（1)1)定义：定义：在焊接电弧稳在焊接电弧稳定燃烧的情况下，电弧电定燃烧的情况下，电弧电压和电流之间的关系压和电流之间的关系.（四）焊接电弧的静特性（四）焊接电弧的静特性第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 （2 2）形状）形
41、状（3 3）电弧各区域）电弧各区域U U、I I的关系的关系（4 4）影响因素）影响因素电弧长度电弧长度;周围气体种类：导热系数大的气体周围气体种类：导热系数大的气体;周围气体介质压力周围气体介质压力62第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 （5 5）不同焊接方法电弧静特性曲线）不同焊接方法电弧静特性曲线63第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 643）SAW电弧埋在焊剂层的下边，受到焊剂层的覆盖，电弧的热损失小，且没有等离子气流的存在，一般使用较粗的焊丝大电流焊接，一般为下降特性。第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 65二、焊接电弧中的能量平衡二、焊接电弧中的能量平衡电能电能(
42、through arc) 热能和光能热能和光能1.1.弧柱区弧柱区 （1 1）产热）产热: : Kinetic energy of e heat energy （2 2）特点）特点: : i) Heat energy=IELc ii) producing Heat = losing Heat a) radiation b) conduction c) convection：80%第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 （一）焊接电弧中的产热机构（一）焊接电弧中的产热机构662.2.阴极区阴极区 (1)(1)产热产热: : eunder UkIUk (2)(2)热损热损: : i)eemiss
43、ionIUw ii)eto columnIUT (3)(3)能量平衡能量平衡: : Pk=I(Uk-Uw-UT)焊接中直接加热焊丝或工件的热量。焊接中直接加热焊丝或工件的热量。3.3.阳极区阳极区(1)(1)能量分量能量分量: : i)eunder UAI UA ii)efrom KIUw iii)efrom column IUT第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 (2)(2)能量平衡能量平衡: : PA=I(UA +Uw+UT)用于阳极的加热、熔化和用于阳极的加热、熔化和散热损失。散热损失。67讨论讨论: : UT=(3/2e)KT=1.2910-4T If T=6000K then
44、UT1; Thus: Pk=I(Uk-Uw), For I UA0 PA=IUw 应用应用: : 1)热阴极热阴极 Uk2Uw: Pk Uw: Pk PA第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 Pk=I(Uk-Uw-UT)PA=I(UA +Uw+UT)681.1.热效率热效率电弧热量的总功率Q0=IUa有效功率Q=Q0为电弧的热效率系数第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 （二）焊接电弧的热效率、能量密度及温度分布（二）焊接电弧的热效率、能量密度及温度分布弧焊方法弧焊方法药皮焊条电弧焊0.65-0.85埋弧自动焊0.80-0.90CO2气体保护焊0.75-0.90熔化极氩弧焊0.70-0
45、.80钨极氩弧焊0.65-0.70692.2.线能量、能量密度及电流密度分布线能量、能量密度及电流密度分布 能量密度能量密度:有效面积上的热功率有效面积上的热功率 102104w/cm2 电流密度电流密度 cathode: 1061010A/ m2 anode: 106 109A/Energy and Temperature Distribution第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 线能量线能量：Q/v=UI/v温度分布温度分布: : different from those of energy density and current density70第第10章章 : 金属连接成形的
46、主要工艺 三、电弧力及影响因素三、电弧力及影响因素电弧不仅是个热原，还是一个力源。焊接电弧力主要包括：电磁力、等离子流力、斑点压力、短路爆破力电磁力、等离子流力、斑点压力、短路爆破力等（一）各种电弧力（一）各种电弧力711.1.电磁收缩力电磁收缩力电磁收缩效应第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 三、电弧力及影响因素三、电弧力及影响因素（一）各种电弧力（一）各种电弧力721.1.电磁收缩力电磁收缩力第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 三、电弧力及影响因素三、电弧力及影响因素（一）各种电弧力（一）各种电弧力磁场对电弧的作用刚直性磁偏吹外加磁场的作用732.2.等离子流力等离子流力第第1
47、0章章 : 金属连接成形的主要工艺 三、电弧力及影响因素三、电弧力及影响因素电弧中由于电弧推力引起高温气流的运动所形成的力。电弧推力使靠近焊条处的高温气体向工件方向流动-补充新的气体-连续气流进入电弧区-对熔池形成附加压力（电弧的电磁动压力）。电弧中等离子气流速度可达每秒数百米。742.2.等离子流力等离子流力第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 三、电弧力及影响因素三、电弧力及影响因素753.3.斑点力斑点力第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 三、电弧力及影响因素三、电弧力及影响因素电极上产生斑点，由于斑点上导电和导热的特点，在斑点上将产生斑点力。（1 1）撞击力）撞击力（2 2）
48、电磁收缩力：）电磁收缩力：电极上形成熔滴并出现斑点时。（3 3）电极材料蒸发的反作用力：）电极材料蒸发的反作用力：斑点局部温度高，产生强烈的蒸发，对斑点的反作用力。764.4.爆破力爆破力熔滴短路过度引起第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 三、电弧力及影响因素三、电弧力及影响因素5.5.细熔滴的冲击力细熔滴的冲击力射流过度焊接时，引起的冲击力。77（二）电弧力的影响因素（二）电弧力的影响因素第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 三、电弧力及影响因素三、电弧力及影响因素（1 1）焊丝直径）焊丝直径78（二）电弧力的影响因素（二）电弧力的影响因素第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺
49、三、电弧力及影响因素三、电弧力及影响因素（2 2）气体介质）气体介质（3 3）电流和电弧电压）电流和电弧电压79（二）电弧力的影响因素（二）电弧力的影响因素第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 三、电弧力及影响因素三、电弧力及影响因素（4 4）焊条（焊丝）极性）焊条（焊丝）极性对于TIG焊，由于通常情况下，阴极区收缩的程度比阳极区大，因此当采取正接时，将形成锥度较大锥形电弧，产生的轴向推力大，电弧压力也大。80（二）电弧力的影响因素（二）电弧力的影响因素第第10章章 : 金属连接成形的主要工艺 三、电弧力及影响因素三、电弧力及影响因素（5 5）钨极端部的几何形状）钨极端部的几何形状（6 6
50、）电流的脉动）电流的脉动81上节课内容回顾上节课内容回顾电弧静特性电弧静特性 不同焊接方法的电弧静特性曲线不同焊接方法的电弧静特性曲线焊接电弧中的能量平衡焊接电弧中的能量平衡 转换系数、线能量、能量密度转换系数、线能量、能量密度 弧柱区：弧柱区：EILc 阴极区：阴极区：Pk=I(Uk-Uw-UT) 阳极区：阳极区：Pa=I(Uk+Uw+UT)电弧力电弧力 电磁力、等离子流力、斑点力、电磁力、等离子流力、斑点力、 爆破力、细熔滴冲击力爆破力、细熔滴冲击力电弧力影响因素电弧力影响因素 电流、电压、焊丝直径、电极电流、电压、焊丝直径、电极 极性、气体介质、电流脉动极性、气体介质、电流脉动第第10章
