《熔焊方法及设备》第二版 思考题(课后).docx
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1、熔焊方法及设备第二版 思考题(课后) 熔焊方法及设备(第2版)复习思考题答案最好的沉淀绪论焊接定义:“焊接是通过加热或加压,或两者并用,并且用或不用填充材料,使工件达到结合的一种加工方法。”实际焊件,不采用一定措施的情况下,要做到原子间连接是非常困难的,原因主要有两点:(1)连接面表面粗糙度较大。(2)连接表面有氧化膜、油污和水分等。熔焊方法的物理本质可以概括为:在不施加外力的情况下,利用外加热源使母材被连接处(以及填充材料)发生熔化,使液液之间、液固之间的原子或分子紧密接触和充分地扩散,使原子间距达到rA,并通过冷却凝固将这种冶金结合保持下来的焊接方法。第1章焊接电弧1.解释下列名词:焊接电
2、弧、热电离、场致电离、光电离、热发射、场致发射、光发射、粒子碰撞发射、热阴极型电极、冷阴极型电极。答:焊接电弧:由焊接电源供给能量,在具有一定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自持放电现象。热电离:气体粒子受热的作用而产生的电离称为热电离。其实质是气体粒子由于受热而产生高速运动和相互之间激烈碰撞而产生的一种电离。场致电离:当气体中有电场作用时,气体中的带电粒子被加速,电能被转换为带电粒子的动能,当其动能增加到一定程度时,能与中性粒子产生非弹性碰撞,使之电离,这种电离称为场致电离。光电离:中性粒子接受光辐射的作用而产生的电离现象称为光电离。热发射:金属表面承受热作用而
3、产生电子发射的现象称为热发射。场致发射:当阴极表面空间有强电场存在时,金属电极内的电子在电场静电库仑力的作用下,从电极表面飞出的现象称为场致发射。光发射:当金属电极表面接受光辐射时,电极表面的自由电子能量增加,当电子的能量达到一定值时能飞出电极的表面,这种现象称为光发射。粒子碰撞发射:高速运动的粒子(电子或正离子)碰撞金属电极表面时,将能量传给电极表面的电子,使电子能量增加并飞出电极表面,这种现象称为粒子碰撞发射。热阴极型电极:当使用钨(沸点为5950K)、碳(沸点为4200K)等材料作阴极时,其熔点和沸点很高,阴极可以被加热到很高的温度(可达3500K以上),电弧的阴极区的电子可以主要依靠阴
4、极热发射来提供,这种电弧通常称为“热阴极电弧”,电极被称为“热阴极型电极”。冷阴极型电极:当使用钢(沸点为3008K)、铜(沸点为2868K)、铝(沸点为2770K)等材料作阴极时,其熔点和沸点较低,阴极温度不可能很高,热发射不能提供足够的电子,必须依靠其它方式来补充导电所需要的电子,这种电弧通常称为“冷阴极电弧”,电极被称为“冷阴极型电极”。2.试述电弧中带电粒子的产生方式。答:电弧中的带电粒子指的是电子、正离子和负离子。赖以引燃电弧和维持电弧燃烧的带电粒子是电子和正离子。这两种带电粒子主要是依靠电弧中气体介质的电离和电极的电子发射两个物理过程产生的。通过电离可以同时产生正离子和电子;通过发
5、射只能产生电子。电弧中的电离方式有:热电离;场致电离;光电离。电弧中的发射方式有:热发射;场致发射;光发射;粒子碰撞发射。负离子的产生过程是,在电子分布密度差的推动下,电子从电弧中心部位扩散到电弧周边区域,并多次与温度较低的中性粒子碰撞,每一次碰撞都失去一部分动能,当其速度降低到一定值时,就附着于中性粒子形成了负离子。3.焊接电弧由哪几部分组成?试述各区域的导电机构。答:焊接电弧是由弧柱区、阴极区和阳极区三部分构成的。(1)弧柱区的导电机构弧柱区充满了电子、正离子、气体原子、气体分子,以及负离子。由于负离子的数量比较少,弧柱区的带电粒子主要是电子和正离子。在每个瞬间,每个单位体积内的正、负带电
6、粒子数量是相等的,因此从整体上看,弧柱是呈电中性的,这也使得电子流和正离子流通过弧柱区时,不受空间电荷电场的排斥作用,阻力小,因而使弧柱区电弧放电具有小电压降、大电流的特点(电压降仅为几伏,电流可达上千安)。但是由于正离子的质量远远大于电子的质量,在相同电场的作用下正离子的运动速度要比电子慢得多,这就导致弧柱区中的电子流远远大于正离子流。研究表明,在各种情况下弧柱区中的电子流均约占总电流的99.9%,正离子流约占0.1%。从宏观上看,弧柱区的电子流是来自阴极区,正离子流是来自阳极区,在外加电场的作用下,分别沿着相反的方向运动。但从微观上来看,弧柱中的带电粒子受电场的作用不断地被加速,并产生激烈
7、的碰撞。由于碰撞,其运动方向被打乱。还有一些带电粒子受到密度差的驱动,不断向弧柱周边扩散。这些都使弧柱中的粒子处于一种紊乱状态,平均动能大大提高,因此弧柱的温度很高,可以达到5000-50000K,能发生强烈的热电离过程,而且成为主要的电离形式。其复合过程也进行得非常激烈。复合过程主要在弧柱的周边进行。复合虽然使正、负带电粒子的数量减少,但是在弧柱中心部位激烈地进行着热电离过程,又可产生大量的电子和正离子。当电弧稳定燃烧时,这两个过程处于一种动态平衡状态。此外,弧柱区的能量也在激烈地转换,由电源提供的电能不断地转化成热能、辐射能、机械能等,当电弧稳定燃烧时,能量转换也处于一种动态平衡状态。(2
8、) 阴极区的导电机构阴极区的任务是向弧柱区提供所需要的电子流,同时接受来自弧柱区方向的正离子流。阴极区提供的电子流所占的比率与电极材料的种类、电流大小、气体介质等因素有关,当这些因素不同时,能产生不同的导电机构。主要有以下三种类型:1)热发射型当采用W, C等热阴极材料作为阴极,而且流过大电流时,能发生热发射型导电。在这种情况下,阴极表面及其前面的区域可以达到很高的温度,因此阴极表面可以产生很强烈的电子热发射。如果电流足够大,阴极通过热发射就能够提供弧柱区所需要的电子比率.阴极表面前方的区域将与弧柱区基本没有区别.其电流组成与弧柱区基本相同(电子流比率约占99.9%,离子流约占0.1%),其空
9、间电荷中电子与正离子基本平衡,对外呈中性。阴极表面导电区域的电流密度也与弧柱区相近(约为103A/cm2),此导电机构在阴极表面不形成阴极斑点,阴极区的电压降很小,甚至为零。2)场致发射型当采用Cu、 Fe、 Al等冷阴极型材料作为阴极时,受材料沸点的限制,电流不能太大,阴极表面的温度不能升得很高。因此阴极表面不可能产生强烈稳定的电子热发射。由于最初电子供应不足,使得靠近阴极的区域正负电荷处于非平衡状态,来自弧柱区的正离子数大于电子数,造成堆积,形成正的空间电荷,因而在阴极表面前面形成具有较高电场强度的阴极区。只要阴极不能发出足够的电子数量,正离子将继续堆积,电场强度将继续增加。当电场强度足够
10、大时,就会使阴极表面的电子冲破束缚发射出来,即产生场致发射。不仅如此,从阴极发射出来的电子在比较强的电场强度作用下,在向弧柱区方向运动的过程中还被强烈地加速。当其动能大于气体的电离能Wi时,有一部分电子就能在阴极区的终端(接近弧柱区的部位)与中性粒子发生激烈碰撞并使其发生电离。电离出来的电子与从阴极直接发射的电子一起向弧柱区方向运动,使电子流的比率最终达到弧柱区电子流的比率,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。3)等离子型这是使用冷阴极材料小电流熔化焊时有可能产生的一种导电机构。在这种情况下,在阴极前方能产生一个很亮的球形高温区,温度可达
11、10000K,因此此处能产生强烈的热电离,生成大量的电子和正离子。其中,电子向弧柱运动,供给弧柱所需要的电子,正离子向阴极运动,构成正离子流,此时,即使阴极发射的电子很少,甚至不发射电子,依靠正离子也能形成阴极区电流。(2)阳极区的导电机构电弧燃烧时,阳极区的任务是接受来自弧柱区的占总电流99.9%的电子流,同时,还要向弧柱区发送约占总电流0.1%的正离子流。因为阳极不能发射正离子,正离子只能由阳极区供给。根据电弧电流密度的大小,阳极区可以通过以下两种不同的方式提供正离子:1)热电离当电弧电流密度较大时,阳极表面及其前面的区域温度都很高,阳极的温度可以达到阳极材料的沸点,因此能发生蒸发,使阳极
12、区充满大量的蒸汽。金属蒸气中原子的电离能一般都比较低,因此在高温的作用下容易发生电离。电离生成的电子与来自弧柱区的电子一起奔向阳极,而生成的正离子即可不断地向弧柱区输送。如果焊接电流足够大,阳极区的温度将很高,阳极区能通过热电离完全满足弧柱区对正离子流的需要。此时,阳极区的电压降U A可以降到很低,甚至接近于零。2)场致电离当电弧电流密度较小时,来自弧柱的电子不断向阳极飞来,并进入阳极,但是由于阳极不发射正离子,加之阳极前方难以发生热电离过程,使得阳极前方的正离子不足,正离子数少于电子数,因此在阳极前面形成具有负电性的电荷空间,就会产生阳极电压降。只要弧柱所需要的正离子得不到补充,阳极区的电子
13、数与正离子数的差值就继续增大,阳极电压降继续增大。与此同时,阳极区内的电子在电场强度的作用下被加速,动能大大提高。当阳极电压降达到一定程度时,电子获得足够的动能,就会与阳极区中的中性粒子碰撞,并产生场致电离。生成的电子与从弧柱来的电子一起进入阳极,正离子向弧柱区飞去。当这种电离生成足以满足弧柱要求的0.1%正离子时,阳极电压降不再升高而保持稳定,阳极表面的电流完全由电子流组成。4.何谓最小电压原理?答:最小电压原理的含义是: 在电流和周围条件一定的情况下,稳定燃烧的电弧将自动选择一适当的断面,以保证电弧的电场强度具有最小的数值,即在固定弧长上的电压最小。这意味着电弧总是保持最小的能量消耗。5.
14、什么是焊接电弧静特性?各种弧焊方法的电弧静特性有什么特点?答:焊接电弧的静特性是指在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下,电弧稳定燃烧时,焊接电流与电弧电压变化的关系,也称伏-安特性。焊接电弧的静特性曲线受气体介质的成分和压力、电极材料、电弧的约束等因素的影响很大,不同的弧焊方法,其曲线的形状存在较大的差异。其中,钨极氩弧焊的电弧静特性曲线一般都能明显地表现出下降特性、平特性和上升特性三个阶段;铝合金熔化极惰性气体保护焊的电弧静特性曲线在小电流区几乎看不到下降特性,在可用电流以上区域都呈现上升特性;埋弧焊电弧静特性曲线则呈下降趋势。6.什么是焊接电弧动特性?它反映了焊接电弧的何种特性?答:焊接
15、电弧动特性是指对于一定弧长的电弧,当电弧电流发生连续快速变化时,电弧电压与电流瞬时值之间的关系。它反映了焊接电弧的导电性对电流变化的响应能力。7.试述焊接电弧的产热机构以及焊接电弧的温度分布。答:焊接电弧的产热机构:焊接电弧的热能来自于焊接电源。单位时间焊接电源向焊接电弧提供的总能量P等于阴极区得到的电能IU K、弧柱区得到的电能IU C和阳极区得到的电能IU A之和,其中绝大部分转变为热能。(1)阴极区的产热阴极区单位时间获得的能量有:1)在阴极电压降U K的作用下,电子逸出阴极后,穿过阴极区时被加速,在单位时间里获得的能量fIU K;2)在阴极电压降U K的作用下,正离子流穿过阴极时被加速
16、,在单位时间里获得的能量(1-f)IU K;3)正离子在阴极表面与电子复合释放出原来电离时所吸收的能量(1-f)IUi(注Ui 为电离电压)。阴极区在单位时间失去的能量有:1)阴极表面发射电子流在单位时间消耗的逸出功fIUw(注Uw为逸出电压);2)正离子在阴极表面拉出电子与之复合,单位时间消耗的逸出功(1-f)IUw;3)在阴极区的终端(邻近弧柱区),中性粒子电离成电子和正离子时单位时间消耗的电离能(1-f)IUi;4)从阴极区的终端进入了弧柱区的电子流应具有与弧柱区温度相对应的热能,这部分热能由阴极区提供,其功率为IU T(注:U T为弧柱区温度的等效电压)。由以上分析即可得到阴极区单位时
17、间得到的能量P K为:P K = I (U K-U W-U T) (1-11) 上述分析忽略了阴极表面产生的化学反应热(如氧化反应),来自弧柱区的传导热、辐射热等。在焊接过程中,阴极区所得到的热能主要用于加热、熔化用作阴极的母材或焊丝,并有一部分通过对流、辐射、传导等散失在周围的气体中(2)阳极区的产热在单位时间里阳极获得的能量有:1)在阳极电压降U A的作用下,电子流穿过阳极区时被加速,在单位时间里获得的能量IU A;2)电子流被拉进阳极时,单位时间释放出的逸出功IUw;3)电子流从弧柱带来的与弧柱温度相对应的热能IU T。因此,单位时间阳极区所得到的能量P A为:P A =I(U A+U
18、W+U T) (1-12) 在这里也是忽略了阳极表面的化学反应热,来自弧柱区的传导热、辐射热等。在焊接过程中,阳极区所得到的热能主要用于加热、熔化用作阳极的母材或焊丝,并有一部分通过对流、辐射、传导等散失在周围的气体中。(3)弧柱区的产热弧柱区单位时间获得的能量主要有:(1)在弧柱压降Uc的作用下,电子流被加速,在单位时间里获得的能量99.9%IUc,以及正离子流被加速,在单位时间里获得的能量0.1% IUc。两者之和为IUc;(2)从阴极区进入弧柱区的电子流(占99.9%)单位时间带来的热能99.9% IU T;(3)弧柱区周边发生的正、负粒子复合所释放出的电离能Wi。弧柱区单位时间失去的能
19、量主要有:(1)离开弧柱区进入阳极区的电子流(占99.9%)单位时间带走的热能99.9% IU T;(2)弧柱中心部位发生的中性粒子电离消耗的电离能,其值与周边正、负粒子复合时释放的电离能Wi基本相等。由上述分析,可以得到弧柱区单位时间里得到的能量为:Pc =IUc。一般电弧焊接过程中,弧柱的热量只有很少一部分通过辐射传给焊丝和焊件。当采用等离子弧焊接、切割或钨极氩弧焊时,则可以利用弧柱的部分热量来加热焊丝和焊件。焊接电弧的温度分布:(1)焊接电弧轴向温度分布两电极区的温度较低,弧柱区的温度较高。这是因为电极受到电极材料的熔点和沸点的限制,温度不能太高,而弧柱区中的气体和金属蒸气不受这一限制,
20、而且气体介质的导热性能不如金属电极好,热量相对来说散失的少,故有较高的温度。(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。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。8.焊接电弧能产生哪些电弧力?说明它们的产生原因以及影响焊接电弧力的因素。答:焊接电弧能产生电磁收缩力、等离子流力、斑点压力等电弧力。各种电弧力产生的原因:(1)电磁收缩力由电磁学理论可知,如果两个平行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。在两个电流方向相同的导体之间产生的吸引力通常称为电磁收缩力。焊接电弧可以看
21、成是由许多并行的电流线组成的导体,因此这些电流线之间也将产生相互吸引力,即也会产生电磁收缩力,它使导体断面产生收缩趋势。由于焊接电弧不是圆柱体,而是一个圆锥状的气体导体,与焊丝相接的端面直径小,与焊件相接的端面直径大,这使得电磁收缩力不仅表现在在电弧内存在有径向压力,还表现在在电弧内存在有由焊丝端指向焊件的推力。(2)等离子流力由于焊接电弧呈圆锥状,使得靠近电极处的电磁收缩力大,靠近焊件处的电磁收缩力小,因而形成沿弧柱轴线的推力F推。在F推的作用下,较小截面处的高温气体粒子向焊件方向流动,同时在电极上方不断补充新的气体进入电弧区,并被加热和强烈电离,从而形成连续不断的等离子气流,并冲向焊件表面
22、,产生压力作用。这种由电弧推力引起的等离子气流高速运动所形成的力就是等离子流力。(3)斑点压力斑点压力包括以下几种力:1)正离子和电子对电极的撞击力电弧焊时,阴极受到正离子的撞击,阳极受到电子的撞击,因而产生撞击力。2)电磁收缩力当电极上形成熔滴并出现斑点时,熔滴中的电流线都在斑点处集中,由于电磁力合成的方向都是由小断面指向大断面,故在斑点处产生向上的电磁力,它阻碍熔滴过渡。3)电极材料蒸发产生的反作用力斑点上的电流密度很高,使这个部位的温度很高,因而产生强烈的蒸发,使金属蒸气以一定的速度从斑点处发射出来,同时给斑点施加一个反作用力。4)爆破力熔滴短路过渡时,燃弧与短路交替进行。短路时,电流很
23、大,短路金属液柱中电流密度很大,一方面在金属液柱内能产生很大的电磁收缩力,再加上熔池表面张力的作用,使颈缩变细;而电阻热使金属液柱小桥温度急剧升高,能使液柱汽化爆断。此爆破力可以使液体金属形成飞溅。即使液柱不发生爆断而被拉断,在重新燃弧时,由于电弧空间的气体突然受高温加热而膨胀,局部压力骤然升高,对熔池和焊丝端部液态金属也会形成较大的冲击力,严重时也会造成飞溅。5)细熔滴冲击力当熔化极氩弧焊熔滴采用射流过渡时,焊丝端部熔化后形成细小熔滴并沿焊丝轴线射向熔池,每个熔滴的质量只有几十毫克。在等离子流的作用下,这些熔滴加速度很高,可达重力加速度的50倍以上,到达熔池时其速度可达每秒几百米数量级,因此
24、能对熔池产生冲击力。影响焊接电弧力的因素:(1)焊接电流和电弧电压当增大焊接电流时,电弧力显著增加,这主要与电磁收缩力和等离子流力显著增加有关。当电弧电压升高时,意味着电弧长度增加,由于电弧范围的扩展,使电弧力降低。(2)焊丝直径当焊接电流相同时, 焊丝直径越小,电流密度越大,因此电弧电磁力越大。同时,造成电弧锥形越明显,等离子流力越大,使总的电弧力增大。(3)电极的极性电极的极性对不同焊接方法的电弧力的影响不同。对于熔化极气体保护焊来说,当采用直流正接时,焊丝接负,电弧中正离子对熔滴的冲击比较大,同时斑点处还有较大的电磁收缩力及金属蒸气的反作用力,其结果是有较大的斑点压力作用在熔滴上,不利于
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