焊接电弧的能量特性以及电弧力.ppt

1.1.2 焊接电弧的能量特性以及电弧力 1.焊接电弧的能量特性 焊接电弧是一个将电能转换成热能、光能、机械能的过程，其能量特性在三个特征区是不同的。 （1）弧柱区的能量特性： 一般电弧焊中，弧柱的热量仅有少部分通过辐射传给了焊丝或工件，而是通过弧柱散热损失了；等离子弧焊接中焊丝或工件的加热熔化主要靠弧柱的热量。弧柱区能够产生的能量主要是弧柱中正离子和电子的动能。 1.焊接电弧的能量特性 弧柱区的热能在一般情况下不能直接作用于电极或母材,主要是通过对流、辐射和传导散失在周围气体中。一般电弧焊时,对流损失约占总损失的80%以上，辐射损失为10%左右，而传导的损失是很少的。当采用等离子弧焊接、切割或钨极氩弧焊时，则可以利用弧柱的热量来加热焊丝和焊件。 （2）阴极区能量特性： 阴极区产生的能量可以直接用来加热焊丝和工件，阴极区产热为： PK=I（UK – Uw – UT） UK -阴极压降 Uw -逸出电压 UT -与弧柱温度相当的电压 （3）阳极区的能量特性 阳极区产生的能量可以直接用来加热焊丝和工件，阳极区产热为： PA= I（UA+Uw+UT） UA -阴极压降 Uw -逸出电压 UT -与弧柱温度相当的电压 2.焊接电弧的温度分布 钢焊条焊接工件时，阳极区温度约为2600 K，阴极区温度约为2400 K，电弧中心区温度最高，可达6000～8000 K。 由于电弧截面的特点所以电流密度及能量密度在弧柱区较低 。 2 焊接电弧的温度分布 1)焊接电弧轴向温度分布 焊接电弧沿轴向的温度分布如图1-6所示。 图中还给出了能量密度与电流密度是相对应的,即阴极区和阳极区的电流密度和能量密度均高于弧柱区。 2 焊接电弧的温度分布 许多研究表明,一般电弧焊时，阴极和阳极产生的热量相近,但由于阴极发射电子消耗的能量较多,故其温度比阳极低一些。阴极温度约为2200-3500K，而阳极温度约为2400-4200K。在相同的产热情况下,电极的温度受电极材料的种类、导热性、电极的几何尺寸影响较大。一般来说,材料的沸点越低、导热性越好、电极的尺寸越大,电极的温度越低,反之，则越高。弧柱区的温度受电流大小、电极材料、气体介质、弧柱的压缩程度等因素的影响较大。 焊接电流增大,弧柱区的温度增加，在常压下，当电流由1A至1000A变化时, 弧柱区的温度可在5000K至30000K之间变化；金属蒸汽的电离电压一般比较低，当电极材料不同时，其蒸汽的电离电压不同，因而对弧柱区温度的影响不同，其电离电压越低，弧柱的温度也越低；当电弧周围有高速气流流动时(如等离子弧)，由于气流的冷却作用，使弧柱区电场强度提高,温度上升；当气体介质中含有较多易电离的物质(如碱金属、碱土金属的蒸气等)时,虽然能提高电弧的稳定性,但弧柱区的温度有所降低。 反之，如果介质中含有电离能较高的物质,特别是存在负电性元素氟时,能显著地提高弧柱区的温度。例如,用含氟的焊剂进行埋弧焊时,弧柱区的温度可高达7850K。含氟越多，温度越高。其原因是:氟易与电子在电弧周边容易结合形成负离子F-,使得电弧周边难以导电，电弧电流主要从电弧中心流过，这相当于对电弧产生了压缩作用，因而使弧柱的温度提高。 2)焊接电弧径向温度分布 在焊接电弧的横断面内,温度沿径向的分布是不均匀的,中心轴温度最高,离开中心轴的温度逐渐降低,如图1-7所示。这主要是由于外围散热快造成的。 焊接电流越大,电弧中心的温度越高。 焊接电弧燃烧时,不仅能产生热，而且能产生机械作用力,包括电磁收缩力、等离子流力、斑点压力等,这些力统称为焊接电弧力。焊接电弧力对熔滴过渡、熔深尺寸、焊缝成形、飞溅大小,以及焊缝的外观缺陷(如咬肉、焊瘤、烧穿等)均产生很大的影响。 (1) 焊接电弧力 焊接时,焊接电弧能产生以下机械作用力: 1)电磁收缩力 由电磁学理论可知,任何一根载流导体都会在其周围产生磁场,如果把第二根载流导体平行地置于第一根导体附近时,则每根导体周围都有两个磁场作用,这两个磁场作用的结果会产生力。 如果两个导体通以同方向电流,将产生吸引力；如果电流方向相反，则产生排斥力。这种由磁场的相互作用而产生的力称为电磁力。由于两个导体电流方向相同而产生的吸引力称为电磁收缩力,它的大小与导体中流过的电流大小成正比,与两导线间的距离成反比。 焊接电弧可以看成是由许多平行的电流线组成的导体。这些电流线之间也将产生相互吸引力,使导体断面产生收缩趋势,如图1-8所示。如果导体是固体,这种收缩力不能改变导体的外形,而如果导体是气体或液体,则将产生收缩，如图1-9所示。 焊接电弧是断面直径变化的圆锥状的气体导体,其