第二章电弧物理.ppt

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1、焊接物理,主讲教师：黄健康,2.1、电弧概论 2.2、火花放电、辉光放电 2.3、电弧弧柱现象 2.4、探极法 2.5、阳极现象 2.6、阴极现象,第二章 电弧物理,2.1.1 电弧 电压的两电极之间或电极与母材之间的气体介质中产生的强烈而持久的放电现象。所谓气体放电，是指当两电极之间存在电位差时，电荷从一极穿过气体介质到达另一极的导电现象（图1-1）。但是并不是所有的气体放电现象都是电弧，电弧仅是其中的一种形式。,2.1、电弧概论,2.1.1 电弧,2.1、电弧概论,2.1.2 弧柱(电弧等离子体) 电弧温度在500050000K，处于热平衡状态。弧柱中大部分双原子气体分解为原子，大的原子又

2、电离为电子和阳离子。从宏观上看，弧柱空间呈电中性。由于电子运动速度远远快于阳离子，因此电流几乎由电子流形成。,2.1、电弧概论,2.1.2 弧柱(电弧等离子体) 等离子体：通常指气体粒子中至少有一部分粒子化，从而由中性粒子、阳离子、电子等聚合一起所组成的气体或蒸汽状态。,2.1、电弧概论,热收缩效应：弧柱为保持最小热损失，收缩截面的行为。 由于电弧中电流同向并流，相互吸引，使得电弧内压力高于电弧外。,阴极斑点的电流密度一般比弧柱高，因此紧挨阴极的弧柱部分由收缩力产生的压力要比离开阴极的弧柱高，该压力促使气流（等离子流）从阴极吹向弧柱，速度可达100m/s。,2.1.3 阳极,2.1、电弧概论,

3、最短电弧路径,2.1.3 阳极,2.1、电弧概论,当采用低熔点材料作阳极时(Fe、Cu、A1等)，一旦阳极表面某处有熔化和蒸发现象发生时，由于金属的电离能大大低于一般气体的电离能，在有金属蒸气存在的地方，更容易产生热电离而提供正离子流，电子流也更容易从这里进入阳极，阳极表面上的导电区将在这里集中而形成阳极斑点。 阳极斑点形成：金属蒸汽，电弧通过该点弧柱消耗能量较低,2.1.4 阴极,2.1、电弧概论,2.1.4 阴极,2.1、电弧概论,电离出来的正离子与从弧柱区来的正离子一起向阴极运动,使正离子流占阴极区总电流的比率大大增加。阴极区的电子流和正离子流比率的变化如图1-7所示。,2.1.4 阴极

4、 阴极放电形式： 1.热阴极型，大电流，钨、炭 2.等离子阴极型，一般焊接电弧 3.冷阴极型，铜、铁,2.1、电弧概论,2.1.4 电弧各种形态,2.1、电弧概论,2.1.4 电弧各种形态,2.1、电弧概论,2.2.1 自持放电 自持放电：不依赖外界电离条件，仅由外施电压作用即可维持的一种气体放电。,2.2、火花放电、辉光放电,即使在普通状态下，大气中也存在一些阴离子、阳离子、电子。OA电流随电压增加而增大，BC为饱和状态，自然产生的离子和电子都已全部流向电极。在DE段加速的高速粒子撞击中性气体粒子电离产生一对新的电子和阳离子,为非自持放电。,气体放电的形成需要具备两个基本条件： 一是外施电压

5、，它使电极间隙的空间范围内呈现一定强度的电场； 二是外界电离因素，它在电极间隙中形成初始带电粒子。,2.2.1 自持放电 汤森德理论,2.2、火花放电、辉光放电,均匀电场中，气体间隙的击穿主要由电子的碰撞电离和正离子撞击阴极表面造成的表面电离所引起。电子碰撞电离是气体放电的主要原因，二次电子来源于正离子撞击阴极表面使得阴极表面逸出电子，逸出电子是维持气体放电的必要条件。,2.2.1 自持放电,2.2、火花放电、辉光放电,电场强度不变,2.2.1 自持放电 要实现自持放电不需存在由阳离子引起的电离。原因有： (a)阳离子和气体离子的碰撞电离（一般称为作用） (b)阳离子撞击阴极使之发射电子（一般

6、称为作用） (c)阳离子同阴离子复合时释放光能而引起的阴极电子发射。 (d)在阴极附近，阳离子造成空间电荷增多，由其形成电场所引起的场致发射。 (e)阳离子轰击阴极时的能量加热阴极，使之发射热电子。,2.2、火花放电、辉光放电,自持放电条件：,为一个阳离子撞击阴极时，从阴极飞出的电子数，,一个电子从阴极到阳极，将为增殖个数,2.2.2 火花放电 火花放电：是一种击穿电极间绝缘后向辉光或电弧等稳定放电状态转变的过渡现象。,2.2、火花放电、辉光放电,火花放电即将发生之前的电极间电压，一般称着火电压 。,2.2.2 火花放电,2.2、火花放电、辉光放电,He、Ne、Ar气体中电离电位高，但着火电压

7、远低于空气的着火电压，因此更容易进行高频引弧。,电晕放电:气体介质在不均匀电场中的局部自持放电,主要是由于电晕放电时空间电荷的积累和分布状况不同所造成的。,2.2.3 空间电荷的影响,2.2、火花放电、辉光放电,放电空间要产生阳离子和电子，这些带电粒子沿电场力作用方向移动，其结果要改变电荷分布的状态，从而出现局部为正或者为负的空间电荷。,2.2.4 辉光放电,2.2、火花放电、辉光放电,辉光放电是稀薄气体中的自激导电现象。其物理机制是：放电管两极的电压加大到一定值时，稀薄气体中的残余正离子被电场加速，获得足够大的动能去撞击阴极，产生二次电子，经簇射过程形成大量带电粒子，使气体导电。 特点是电流

8、密度小，温度不高，放电管内产生明暗光区，管内的气体不同，辉光的颜色也不同。,2.2.4 辉光放电,2.2、火花放电、辉光放电,2.2.5 辉光放电的伏安特性,2.2、火花放电、辉光放电,正常辉光区,异常辉光区,亚正常辉光区,电压相同的对应点上，电子和阳离子均处于同样的运动状态。,正常辉光的阴极压降区长度d是和压力P成反比的： P X d=常数,2.2.6 辉光放电的正柱,2.2、火花放电、辉光放电,正柱区,2.2.7 辉光放电向电弧放电的过渡,2.2、火花放电、辉光放电,从阳离子撞击阴极发射电子 到 热电子发射,阳离子,辉光放电到电弧放电原因之一是金属蒸汽进入了正柱区,2.3.1 弧柱中的电子

9、流和离子流 沿着弧长方向的任意位置x处的电位是V，电位梯度是X，电荷密度是，满足泊松方程：,2.3、电弧弧柱现象,在空间中电子和阳离子构成的总电荷密度为零：,2.3.1 弧柱中的电子流和离子流 因此弧柱中的电流由电子流（Ie）和阳离子流（Ii）构成。总电流为 I= Ie + Ii 阳离子运动速度比电子速度小的多 IIe,2.3、电弧弧柱现象,电子流约为阳离子的1000倍 热运动电流约为电场电流的100倍,2.3.2 弧柱热量的输入和耗散 热损失形式有：传导、对流和发射,2.3、电弧弧柱现象,重力、浮力、对流,2.3.3 弧柱的电流 大气中电弧的弧柱往往与外围有一个比较分明的边界，距发亮部分几m

10、m处的温度几乎与环境温度一样。,2.3、电弧弧柱现象,2.3.4 弧柱温度,2.3、电弧弧柱现象,大气中炭极电弧，当电流50A尚未产生自收缩现象时，中性温度大约是7000K，当电流大于80A将产生自收缩现象，温度可超过10000K。,2.3.5 弧柱的温度分布,2.3、电弧弧柱现象,2.3.5 弧柱的温度分布,2.3、电弧弧柱现象,2.3.6 气体电弧和蒸汽电弧 2.3.7 焊接电弧的温度 2.3.8 弧柱的电导率和导热率 电流密度有：,2.3、电弧弧柱现象,电导率有：,2.3.8 弧柱的电导率和导热率,2.3、电弧弧柱现象,低温时,高温时,2.3.8 弧柱的电导率和导热率,2.3、电弧弧柱现

11、象,在800010000K附近急剧升高，这是因为在该温度范围内电流急剧进行所致。,2.3.8 弧柱的电导率和导热率,2.3、电弧弧柱现象,在分子分解为原子的温度附近，分解后的原子要向“冷”的部分扩散，而“冷”的部分的分子也要扩散过来，从而造成这一部分的分解吸热，所以要增强传导作用。包括电离过程也是这样。,2.3.9 弧柱径向温度分布的考察,2.3、电弧弧柱现象,2.3.9 弧柱径向温度分布的考察,2.3、电弧弧柱现象,2.3.10 大电流高温弧柱的特性 2.3.11 弧柱径向电场-弧柱的扩展,2.3、电弧弧柱现象,2.3.12 最小电压原理 最小电压原理：电弧在稳定燃烧时，有一种使其自身能量消

12、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弧产热量的大小，因此，能量消耗最小的时候电场强度最低，即在固定弧长上的电压降最小，这就是最小电压原理 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。,2.3、电弧弧柱现象,2.3.12 最小电压原理 电流和电弧周围条件一定时，如果电弧截面面积大于或小于其自动确定的截面，就会引起电场强度的增大，是

13、消耗的能量增多，违反最小电压原理。 面积增大 面积减小 最小能量原理,2.3、电弧弧柱现象,对于并联的电阻，回路中流过电流时，电流将以产生电损失为最小的方式分流流过（能量最小原理），这和最小电压原理的含义是一样的。,2.3.13 铝MIG焊的弧柱温度,2.3、电弧弧柱现象,金属蒸汽 小,电离气体 大,金属蒸汽 大,电离气体 小,2.4、探极法,2.4、探极法,2.4、探极法,2.4、探极法,2.4、探极法,2.5、阳极现象,2.5.1 阳极压降区场致电流和热电离 炭极压降在50A，表面温度4000K压降电压19V，区域长度3.4X10(-3)cm.电流增加，阳极压降将降低。,在电离区，由于长度

14、小于电子平均自由程，几乎所有电子直接进入阳极，只有0.1%的电子成功发生碰撞电离。,2.5、阳极现象,2.5.2 阳极压降VA,2.5、阳极现象,2.5.3 以TIG电弧伏安特性研究VA,2.5、阳极现象,2.5.5 阳极输入功率 产生于阳极的电弧热能： 2.5.6 阳极温度阳极的熔化和蒸发 碳电极的阳极温度：电流密度80A/CM2，实际温度为39004200K， 金属电极的温度：阳极比阴极高,2.5、阳极现象,2.5.4 阳极斑点及其电流密度 2.5.7 阳极斑点的不连续移动,2.5、阳极现象,2.5.4 阳极斑点及其电流密度 2.5.7 阳极斑点的不连续移动,2.5、阳极现象,2.5.8

15、炭极电弧阳极斑点的收缩和虚声弧的产生,当电弧电流增加时，阳极斑点电流密度达50000A/CM2，阳极斑点做不规则的高速游动，电弧发出“嘘嘘”声，电弧电压发生突将，频率为10002000次/秒，范围在35 60V。,2.6、阴极现象,2.6.1 阴极区概论 2.6.2 阴极压降 碰撞电离 热电离 场致电离 (低势垒材料：铜，冷阴极),2.6、阴极现象,2.6.1 阴极区概论 2.6.2 阴极压降,VK随着电流的增加而减小，但在大电流时，阴极压降与气压无关，为一定值：6.50.75V。,2.6、阴极现象,2.6.3 阴极斑点及其电流密度,阴极斑点的形成条件: 1）具有发射电子的条件（场发射和热发射

16、） 2）电弧通过该点时弧柱能量消耗最小,阴极斑点的特点： 1)热阴极在小电流情况下,冷阴极在较大电流,时出现阴极斑点。 2)清除氧化膜：工件接阴极，自动寻找氧化膜（逸出功小） 3)阻碍熔滴过渡：斑点压力（包括金属蒸汽流反作用力和正离子撞击力），在直流正接熔化极焊接时阻碍熔滴过渡。 4)粘着特性：根据IELc最小的原则（注：IELc实际上是电弧功率，即 I( (U/Lc)Lc= =IU）,2.6、阴极现象,2.6.3 阴极斑点及其电流密度,炭极阴极斑点的温度，在小电流时：3200K，在大电流时达到蒸发温度4000K。 在阴极斑点电流密度较低的状态，钨极温度为3000K。,2.6、阴极现象,2.6.6 阴极前电子流与阳离子流的比率,电子流对总电流的比率：,阳离子中和后能量：,阴极热平衡：,2.6、阴极现象,2.6.7 阴极产热阴极的热平衡,电弧总功率：,阳极与阴极功率和：,2.6、阴极现象,2.6.8 焊接电弧阴极能量的平衡,2.6、阴极现象,2.6.12 阴极前的收缩区阳离子流理论,2.6、阴极现象,2.6.1 炭极电弧阳极斑点的收缩和虚声弧的产生,