焊接電弧中的能量平衡有哪些

㈠ 斷裂的能量平衡理論

一、能量平衡原理

根據Griffith的斷裂理論可知，斷裂是由於物體內部微小裂紋引起的應力集中的結果。而能量平衡原理則給出了裂紋是否擴展的條件。當物體受力變形時，材料內部貯存有一定的彈性應變能，當裂紋擴展時貯存的這部分應變能就會釋放出來。Griffith認為：所釋放的彈性應變能如果大於形成新的裂紋表面所需要的表面能時，裂紋即開始擴展。

為了說明Griffith的能量平衡原理，現考慮一個單位厚度的平板在無窮遠處受有單向拉伸應力的作用情況，如圖1-4（a）所示，此時該平板單位體積內所貯存的應變能為

圖1-4 具有穿透裂紋的平板在無限遠處受拉應力

岩石斷裂與損傷

式中：E為材料的彈性模量。

設平板在無窮遠處的邊界是固定的，如果設想這時在平板內引入一個長為2a的裂紋，如圖1-4（b）所示，則裂紋上下兩面間的材料發生鬆弛，因而將有一部分應變能釋放出來。近似計算時可假設這個鬆弛區為橢圓形，其短軸為2a，長軸為4a，則鬆弛區域的體積為

V=π·2a·a·1=2a²π

所以，釋放出的應變能為

岩石斷裂與損傷

裂紋的形成和原有裂紋的擴展意味著產生新的表面，因此需要提供一定的能量，這種能量稱為表面能。各種材料單位面積的斷裂表面能是一個確定的數值，反映了材料的固有性質。就圖1-4所示的情況而言，單位厚度平板內長為2a的裂紋所需要的表面能為

岩石斷裂與損傷

式中：γ為單位面積的表面能。由於裂紋有兩個面，故上式中的2a·1·γ需要乘以2。

Griffith的能量平衡理論認為：裂紋的擴展決定於表面能與應變能之間的關系。如果裂紋半長度a增加一個微量da時所需表面能大於所釋放出的應變能，則裂紋是穩定的，即當時，裂紋是穩定的。

反之，如果裂紋半長度變化da時所釋放出應變能大於形成新表面的表面能，裂紋為不穩定的，即裂紋擴展所需能量可由自身提供。即當時，裂紋是不穩定的。於是平衡的臨界狀態為

岩石斷裂與損傷

根據式（1-9）、式（1-10），上式可表示為

岩石斷裂與損傷

即

岩石斷裂與損傷

因此，可求出裂紋擴展的臨界應力是

岩石斷裂與損傷

也可求出應力為σ時的臨界裂紋尺寸（半長度）：

岩石斷裂與損傷

由上可知：已知材料的E、γ、a，可求出臨界應力σ_c，σ_c正比於，而只決定於材料常數，即：在有裂紋情況下，σ_c與裂紋尺寸有關，而只與材料性質有關。這與材料力學中不考慮裂紋的存在和影響，認為σ_c只與材料性質有關的結論是不同的。

當外加應力σ＞σ_c時，裂紋開始擴展；σ<σ_c時，裂紋不擴展。

上面各式是在平面應力狀態下推導出來的，對於平面應變狀態，只需將式中E換為E/（1-μ²），其中μ為材料的泊松比。

實驗表明：Griffith理論只適用脆性材料，如玻璃、陶瓷等。對斷裂過程中伴有明顯塑性變形的一般金屬材料是不適用的。Orowan與Irwin於20世紀40年代提出用裂紋擴展每單位面積所需的塑性變形能γ_ρ與表面能γ的和代替表面能γ。

二、能量釋放率

Griffith的能量理論只考慮了裂紋體的彈性應變能和材料的表面能。Orowan指出：對於大多數材料而言，塑性變形功是不可忽略的，即：裂紋體所釋放的應變能要消耗在表面能與塑性功上，則式（1-11）可改寫為

岩石斷裂與損傷

式中：γ_ρ為裂紋擴展每單位面積所需的塑性功。

令G=2（γ+γ_ρ），則，所以

岩石斷裂與損傷

G的物理意義如下：

由於，故G表示裂紋擴展時所釋放出來的能量隨裂紋增長的變化率，稱為能量釋放率。G的單位是：N·m/m²，所以，G也可理解為：裂紋每擴展單位面積時系統所提供的能量或裂紋每擴展單位長度時系統所提供的力，故G也稱裂紋擴展驅動力。

綜上所述：由或可求出σ_c，當σ＞σ_c時，裂紋開始擴展，一般分兩種情況：

（1）裂紋的穩定擴展：隨σ的不斷增加，裂紋不斷擴展，當σ停止增加後，裂紋擴展也停止。即為「可控」的擴展。此階段σ與a保持的關系。

（2）裂紋的失穩擴展：即「失控」擴展，在σ不增加後，裂紋也將擴展，此時，G=的關系不復存在，當裂紋一旦開始失穩擴展，很快就發生材料的整體破壞。

Irwin指出：裂紋從穩定擴展到失穩擴展的轉變決定於G的大小。G隨載荷增大而增大，其臨界值G_c稱為臨界能量釋放率。臨界能量釋放率是表明材料抵抗脆性破壞能力的指標，是材料的一種性質，可通過實驗測定。所以能量釋放率斷裂判據為

岩石斷裂與損傷

已知G_c，可求出裂紋開始失穩擴展的臨界應力：

岩石斷裂與損傷

㈡ 什麼是焊接電弧的靜特性

在電極材料、氣體介質和弧長一定的情況下，電弧穩定燃燒時，焊接電流與電弧電壓變化的關系，稱為焊接電弧的靜特性。

整個靜特性曲線可分為下降段、水平段和上升段三部分。
下降段：在小電流區間，因為電弧電流較小，弧柱的電流密度基本不變，弧柱斷面將隨電流的增加而增加，若電流增加4倍，弧柱斷面也增加4倍，而孤柱周長只增加2倍，使電弧向周圍空間散失熱量只增加2倍。減少了散熱，提高了電弧溫度和電離程度，因電流密度不變，必然使電弧電場強度下降。因此，在此區段內，隨著電弧電流的增加，電弧電壓下降。
水平段：當電流稍大 時，焊絲金屬將產生金屬蒸汽的發射，要消耗電弧的能量。此時電弧的能量不僅有周邊上的散熱損失，而且還有金屬蒸汽能量的消耗。這些能量消耗將隨電流的增加而增加，因此在某一電流區間可以保持電場強度不變，即電弧電壓不變，使本區段基本呈水平直線。
上升段：當電流進一步增大，金屬蒸汽的發射作用進一步加強。同時因電磁收縮力的作用，電弧斷面不能隨電流的增加成比例的增加，電弧的電導率將減小，要保證一定的電流則要求較大的電場強度。所以在大電流區間，隨著電流的增加，電弧電壓升高，本區段呈上升曲線。鎢極氬弧焊時，在小電流區間電弧靜特性為下降段；焊條電弧焊、埋弧焊和大電流鎢極氬弧焊時，因電流密度不太大，電弧靜特性為水平段；CO2氣體保護焊、熔化極氬弧焊，因電流密度較大，電弧靜特性為上升段。
電弧靜特性曲線的形狀，決定了它對焊接電源的要求。

㈢ 焊接電弧的組成

電弧電壓與弧柱區，陽極區

㈣ 焊接電弧是怎樣一種現象

焊接電弧也是一種氣體放電現象，不過它發生在電極與焊件之間而已。電弧焊就是利用焊接中電弧放電時產生的熱量來加熱，熔化焊條（焊絲）和母材，使之形成焊接接頭。電弧是電弧焊接的熱源。
焊接電弧的產生
氣體原子的激出、電離和電子發射
中性氣體原來是不能導電的，為了在氣體中產生電弧而通過電流，就必須使氣體分子(或原子)電離成為正離子和電子。而且，為了使電弧維持燃燒，要求電弧的陰極不斷發射電子，這就必須不斷地輸送電能給電弧，以補充能量的消耗。氣體電離和電子發射是電弧中最基本的物理現象。
1.氣體原子的激發與電離
如果氣體原子得到了外加的能量，電子就可能從一個較低的能級跳躍到另一個較高能級，這時原子處於「激發」狀態。使原子躍為「激發」狀態所需的能量稱為激發能。氣體原子的電離就是使電子完全脫離原子核的束縛，形成離子和自由電子的過程。由原子形成正離子所需的能量稱為電離能。
在焊接電弧中，根據引起電離的能量來源，有以下3種形式：
(1)撞擊電離。是指在電場中，被加速的帶電粒子(電子、離子)與中性點(原子)碰撞後發生的電離。
(2)熱電離。是指在高溫下，具有高動能的氣體原子(或分子)互相碰撞而引起的電離。
(3)光電離。是指氣體原子(或分子)吸收了光射線的光子能而產生的電離。
氣體原子在產生電離的同時，帶異性電荷的質點也會發生碰撞，使正離子和電子復合成中性質點，即產生中和現象。當電離速度和復合速度相等時，電離就趨於相對穩定的動平衡狀態。一般地，電弧空間的帶電粒子數量越多，電弧越穩定，而帶電粒子的中和現象則會減少帶電粒子的數量，從而降低電弧的穩定性。
2．電子發射
在陰極表面的原子或分子，接受外界的能量而釋放出自由電子的現象稱為電子發射。電子發射是引弧和維持電弧穩定燃燒的一個很重要的因素。按其能量來源不同，可分為熱發射、光電發射、重粒子碰撞發射和強電場作用下的自發射等。
(1)熱發射。物體的固體或液體表面受熱後，其中某些電子具有大於逸出功的動能而逸出到表面外的空間中去的現象稱為熱發射。熱發射在焊接電弧中起著重要作用，它隨著溫度上升而增強。
(2)光電發射。物質的固體或液體表面接受光射線的能量而釋放出自由電子的現象稱為光電發射。對於各種金屬和氧化物，只有當光射線波長小於能使它們發射電子的極限波長時，才能產生光電發射。
(3)重粒子撞擊發射。能量大的重粒子(如正離子)撞到陰極上，引起電子的逸出，稱為重粒子撞擊發射。重粒子能量越大，電子發射越強烈。
(4)強電場作用下的自發射。物質的固體或液體表面，雖然溫度不高，但當存在強電場並在表面附近形成較大的電位差時，使陰極有較多的電子發射出來，這就稱為強電場作用下的自發射，簡稱自發射。電場越強，發射出的電子形成的電流密度就越大。自發射在焊接電弧中也起著重要作用，特別是在非接觸式引弧時，其作用更加明顯。
綜上所述，焊接電弧是氣體放電的一種形式，焊接電弧的形成和維持是在電場、熱、光和質點動能的作用下，氣體原子不斷地被激發、電離以及電子發射的結果。同時，也存在負離子的產生、正離子和電子的復合。顯而易見，引燃焊接電弧的能量來源主要靠電場及由其產生的熱、光和動能，而這個電場就是由弧焊電源提供的空載電壓所產生的。

㈤ 什麼是焊接電弧

焊接電弧是一種強烈的持久的氣體放電現象。在這種氣體放電過程中產生大量的熱能和強烈的光輝。通常，氣體是不導電的，但是在一定的電場和溫度條件下，可以使氣體離解而導電。焊接電弧就是在一定的電場作用下，將電弧空間的氣體介質電離，使中性分子或原子離解為帶正電荷的正離子和帶負電荷的電子（或負離子），這兩種帶電質點分別向著電場的兩極方向運動，使局部氣體空間導電，而形成電弧。

焊接電弧的引燃一般採用兩種方法：接觸引弧和非接觸引弧。手工電弧焊是採用接觸引弧的。引弧時，焊條與工件瞬時接觸造成短路。由於接觸面的凹凸不平，只是在某些點上接觸，因而使接觸點上電流密度相當大；此外，由於金屬表面有氧化皮等污物，電阻也相當大，所以接觸處產生相當大的電阻熱，使這里的金屬迅速加熱熔化，並開始蒸發。當焊條輕輕提起時，焊條端頭與工件之間的空間內充滿了金屬蒸氣和空氣，其中某些原子可能已被電離。與此同時，焊條剛拉開一瞬間，由於接觸處的溫度較高，距離較近，陰極將發射電子。電子以高速度向陽極方向運動，與電弧空間的氣體介質發生撞擊。碰撞的結果使氣體介質進一步電離，同時使電弧溫度進一步升高，則電弧開始引燃。只要這時能維持一定的電壓，放電過程就能連續進行，使電弧連續燃燒。 非接觸引弧一般藉助於高頻或高壓脈沖引弧裝置，使陰極表面產生強場發射，其發射出來的電子流再與氣體介質撞擊，使其離解導電。

焊接電弧可分為三個區域，即陽極區、弧柱區和陰極區。用鋼焊條焊接時，陰極區溫度為2400K左右，放出熱量為電弧總熱量的38％；陽極區溫度為2600K左右，熱量佔42％；弧柱區中心溫度可達5000－8000K，熱量佔20％左右。

㈥ 焊接電弧由哪幾部分組成各部分的作用是什麼

電弧有三個部分構成：陰極區、陽極區、弧柱區。
陰極區作用有：接受由內弧柱傳來的正離子容流；向弧柱區提供電弧導電所需的電子流。
陽極區在陽極表面可看到的爍亮發光的區域，稱為陽極斑點.陽極斑點會自動尋找熔點比較低的純金屬表面而避開氧化物，在金屬表面遊走。
弧柱區在弧柱中，與熱電離作用相反，電子與正離子會因復合而成為中性粒子或擴散到弧柱外，這一現象稱為去電離。在穩定電弧放電中，電離速度與去電離速度相同，形成電離平衡。

㈦ 焊接電弧基本構造及溫度熱量分布怎樣

焊接電弧主要有陰極、陽極和弧柱區構成。
弧柱的溫度最高，而在弧柱中心線溫度比邊緣專高。但陰極和陽極的屬溫度高低由焊接方式決定。焊條電弧焊（酸性焊條）和鎢極氬弧焊焊陽極溫度高於陰極。熔化機氬弧焊，二保焊和埋弧焊則是陰極溫度高於陽極。
弧柱的溫度受電極材料，氣體介質，焊接電流和拘束程度決定（等離子弧）。

㈧ 焊接電弧能產生哪些電弧力

1、電磁收縮力
2、等離子流力
3、斑點壓力

㈨ 焊接線能量與哪些參數有關焊接線能量對焊接接頭有哪些影響

你好，焊接線能量與焊接電流大小，焊接速度有關。焊接線能量大，熱影響區寬，晶粒粗大。

㈩ 焊接電弧產生的熱量與什麼有關

與焊抄接電流，焊接電壓襲和焊接速度有關。熔焊時由焊接能源輸入給單位長度焊縫上的熱量，又稱為線能量。 線能量的計算公式： q = IU/v 式中：I—焊接電流 A U—電弧電壓 V v—焊接速度 cm/s q—線能量 J/cm