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焊接电弧力及其影响因素

 fjybhk 2012-02-24
焊接电弧力及其影响因素
2012-02-20 13:12

    焊接电弧是一个热源,同时也是一个力源。电弧产生的机械作用力对焊接质量影响很人。焊接电弧的作用力统称为电弧力,主要包括电磁力、等离子流力、斑点压力和短路爆破力等。

    1. 电磁力
    由电工学可知,在两根相距不远的平行导线中,通过同方向的电流时,则产生相互吸引的力;反之,通过相反方向的电流时,则产生相互排斥的力。

    这个力的形成是由于在导体周围空间形成磁场,而两个通电导体又都处于磁场之中,受到磁场力作用,其单位长度导线受力大小与导线中流过的电流乘积成正比,与两导线间的距离成反比。

    当电流从一个导体中流过时,整个电流可看成是许多平行的电流线组成,这些电流线之间也产生相互吸引力,则导体断面有收缩的倾向。如果导体是固态不能自由变形,此收缩力不能改变导体的外形:如果导体是可以自由变形的液态和气态,导体将发生收缩,如图1-7中液态段。
    这种现象称为电磁收缩效应,由此产生的力称为电磁力或电磁收缩力。这种力在导体内将引起径向力。假设导体为圆柱体,电流线在导体中的分布是均匀的。

    因为在流体中各方向的压力相同,所以由于径向压力的产生也将产生轴向压力且大小相等。

    在焊接电弧中,F将同时作用于焊丝和工件上。
    实际上焊接电弧不是圆柱体,而是断面直径变化的圆锥状的气体导体。由于焊丝直径限制了电弧的扩展,而在工件上电弧可以扩散得比较宽,也就是从焊丝端头到工件形成锥状。直径不同将引起压力差,从而产生由焊丝指向工件的推力Fp。

    电磁压力与电流的平方成正比,与l2成反比,且与θ、ψ角有关。这种由电磁力引起的压力称为电磁静压力。其特点是靠近焊丝处和电弧中心压力大些,而相反靠近母材和电弧边缘处压力减弱。

    2.等离子流力
    焊接电弧呈锥形,靠近电极(焊丝)一端的电弧断面积比靠近工件一端的小,所以电极端电弧的电磁收缩力比工件端的大,从电极A到工件B形成一定的压力差,在该压力差的作用下,形成轴向推力Fp在电极附近电弧中的气体离子将向工件方向流动。

    高温气体流动时,将从下方吸入电弧周围的气体介质,而形成有一定速度的连续气流进入电弧区,在这里新加入的气体被加热和电离后,在电弧轴向推力作用下,冲向熔池,并对熔池产生附加压力,在电弧中,由于电弧推力引起高温气流的运动所形成的力称为等离子力,或称为等离子流力。由于该力是由电磁收缩力引起的,所以又称为电磁动压力。等离子流速度很快,其速度高达几十~几百米/秒,所以将对熔滴过渡和焊缝成形造成很大影响。

    3.斑点压力
    在焊丝端头形成斑点时,在阴极或阳极斑点处,由于电子流或离了流的冲击和金属蒸气的反作用力,对斑点所造成的压力称为斑点压力。
    斑点压力常常不是某种单一原因造成的,而是多种因素同时作用的结果。主要因素如下:

    (1)正离子流或电子流对电极的冲击力阳极接受电子流撞击或阴极接受正离子流的撞击。由于正离子的质量远远大于电子的质量,同时一般情况下阴极压降UK大于阳极压降UA,所以斑点压力在阴极上表现较大,在阳极上表现较小。

    (2)电磁收缩力当电极上形成熔滴并出现斑点。熔滴和电弧空间的电流线都是在斑点处集中。根据前面电磁收缩力产生的原理,电磁力的合力方向是由小断面指向大断面,所以在熔滴内从斑点处将产生向下的电磁收缩力,阻碍熔滴下落。

    (3)电极材料强烈蒸发的反作用力  由与斑点上的电流密度很高,局部温度也很高而造成金属材料强烈地蒸发,使金属蒸气以较高速度从斑点表而发射出来,这种物质的发射将对斑点形成反作用力。由于阴极斑点电流密度比阳极斑点的高,发射也要更强烈,所以阴极斑点压力也将比阳极斑点压力大。

    (4)爆破力在短路过渡时,熔滴与熔池金属短路,电弧熄灭,电流通过短路液态金属流过,在电磁收缩力作用下,形成液态金属小桥。随着小桥直径变细,电流密度增加。则液体金属小桥的温度急剧升高,最终使液柱气化而爆断,这种作用力称为爆破力。爆破力的大小对焊接飞溅影响很大,所以应适当控制。

 

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