焊接电弧中的能量平衡有哪些

㈠ 断裂的能量平衡理论

一、能量平衡原理

根据Griffith的断裂理论可知，断裂是由于物体内部微小裂纹引起的应力集中的结果。而能量平衡原理则给出了裂纹是否扩展的条件。当物体受力变形时，材料内部贮存有一定的弹性应变能，当裂纹扩展时贮存的这部分应变能就会释放出来。Griffith认为：所释放的弹性应变能如果大于形成新的裂纹表面所需要的表面能时，裂纹即开始扩展。

为了说明Griffith的能量平衡原理，现考虑一个单位厚度的平板在无穷远处受有单向拉伸应力的作用情况，如图1-4（a）所示，此时该平板单位体积内所贮存的应变能为

图1-4 具有穿透裂纹的平板在无限远处受拉应力

岩石断裂与损伤

式中：E为材料的弹性模量。

设平板在无穷远处的边界是固定的，如果设想这时在平板内引入一个长为2a的裂纹，如图1-4（b）所示，则裂纹上下两面间的材料发生松弛，因而将有一部分应变能释放出来。近似计算时可假设这个松弛区为椭圆形，其短轴为2a，长轴为4a，则松弛区域的体积为

V=π·2a·a·1=2a²π

所以，释放出的应变能为

岩石断裂与损伤

裂纹的形成和原有裂纹的扩展意味着产生新的表面，因此需要提供一定的能量，这种能量称为表面能。各种材料单位面积的断裂表面能是一个确定的数值，反映了材料的固有性质。就图1-4所示的情况而言，单位厚度平板内长为2a的裂纹所需要的表面能为

岩石断裂与损伤

式中：γ为单位面积的表面能。由于裂纹有两个面，故上式中的2a·1·γ需要乘以2。

Griffith的能量平衡理论认为：裂纹的扩展决定于表面能与应变能之间的关系。如果裂纹半长度a增加一个微量da时所需表面能大于所释放出的应变能，则裂纹是稳定的，即当时，裂纹是稳定的。

反之，如果裂纹半长度变化da时所释放出应变能大于形成新表面的表面能，裂纹为不稳定的，即裂纹扩展所需能量可由自身提供。即当时，裂纹是不稳定的。于是平衡的临界状态为

岩石断裂与损伤

根据式（1-9）、式（1-10），上式可表示为

岩石断裂与损伤

即

岩石断裂与损伤

因此，可求出裂纹扩展的临界应力是

岩石断裂与损伤

也可求出应力为σ时的临界裂纹尺寸（半长度）：

岩石断裂与损伤

由上可知：已知材料的E、γ、a，可求出临界应力σ_c，σ_c正比于，而只决定于材料常数，即：在有裂纹情况下，σ_c与裂纹尺寸有关，而只与材料性质有关。这与材料力学中不考虑裂纹的存在和影响，认为σ_c只与材料性质有关的结论是不同的。

当外加应力σ＞σ_c时，裂纹开始扩展；σ<σ_c时，裂纹不扩展。

上面各式是在平面应力状态下推导出来的，对于平面应变状态，只需将式中E换为E/（1-μ²），其中μ为材料的泊松比。

实验表明：Griffith理论只适用脆性材料，如玻璃、陶瓷等。对断裂过程中伴有明显塑性变形的一般金属材料是不适用的。Orowan与Irwin于20世纪40年代提出用裂纹扩展每单位面积所需的塑性变形能γ_ρ与表面能γ的和代替表面能γ。

二、能量释放率

Griffith的能量理论只考虑了裂纹体的弹性应变能和材料的表面能。Orowan指出：对于大多数材料而言，塑性变形功是不可忽略的，即：裂纹体所释放的应变能要消耗在表面能与塑性功上，则式（1-11）可改写为

岩石断裂与损伤

式中：γ_ρ为裂纹扩展每单位面积所需的塑性功。

令G=2（γ+γ_ρ），则，所以

岩石断裂与损伤

G的物理意义如下：

由于，故G表示裂纹扩展时所释放出来的能量随裂纹增长的变化率，称为能量释放率。G的单位是：N·m/m²，所以，G也可理解为：裂纹每扩展单位面积时系统所提供的能量或裂纹每扩展单位长度时系统所提供的力，故G也称裂纹扩展驱动力。

综上所述：由或可求出σ_c，当σ＞σ_c时，裂纹开始扩展，一般分两种情况：

（1）裂纹的稳定扩展：随σ的不断增加，裂纹不断扩展，当σ停止增加后，裂纹扩展也停止。即为“可控”的扩展。此阶段σ与a保持的关系。

（2）裂纹的失稳扩展：即“失控”扩展，在σ不增加后，裂纹也将扩展，此时，G=的关系不复存在，当裂纹一旦开始失稳扩展，很快就发生材料的整体破坏。

Irwin指出：裂纹从稳定扩展到失稳扩展的转变决定于G的大小。G随载荷增大而增大，其临界值G_c称为临界能量释放率。临界能量释放率是表明材料抵抗脆性破坏能力的指标，是材料的一种性质，可通过实验测定。所以能量释放率断裂判据为

岩石断裂与损伤

已知G_c，可求出裂纹开始失稳扩展的临界应力：

岩石断裂与损伤

㈡ 什么是焊接电弧的静特性

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，称为焊接电弧的静特性。

整个静特性曲线可分为下降段、水平段和上升段三部分。
下降段：在小电流区间，因为电弧电流较小，弧柱的电流密度基本不变，弧柱断面将随电流的增加而增加，若电流增加4倍，弧柱断面也增加4倍，而孤柱周长只增加2倍，使电弧向周围空间散失热量只增加2倍。减少了散热，提高了电弧温度和电离程度，因电流密度不变，必然使电弧电场强度下降。因此，在此区段内，随着电弧电流的增加，电弧电压下降。
水平段：当电流稍大 时，焊丝金属将产生金属蒸汽的发射，要消耗电弧的能量。此时电弧的能量不仅有周边上的散热损失，而且还有金属蒸汽能量的消耗。这些能量消耗将随电流的增加而增加，因此在某一电流区间可以保持电场强度不变，即电弧电压不变，使本区段基本呈水平直线。
上升段：当电流进一步增大，金属蒸汽的发射作用进一步加强。同时因电磁收缩力的作用，电弧断面不能随电流的增加成比例的增加，电弧的电导率将减小，要保证一定的电流则要求较大的电场强度。所以在大电流区间，随着电流的增加，电弧电压升高，本区段呈上升曲线。钨极氩弧焊时，在小电流区间电弧静特性为下降段；焊条电弧焊、埋弧焊和大电流钨极氩弧焊时，因电流密度不太大，电弧静特性为水平段；CO2气体保护焊、熔化极氩弧焊，因电流密度较大，电弧静特性为上升段。
电弧静特性曲线的形状，决定了它对焊接电源的要求。

㈢ 焊接电弧的组成

电弧电压与弧柱区，阳极区

㈣ 焊接电弧是怎样一种现象

焊接电弧也是一种气体放电现象，不过它发生在电极与焊件之间而已。电弧焊就是利用焊接中电弧放电时产生的热量来加热，熔化焊条（焊丝）和母材，使之形成焊接接头。电弧是电弧焊接的热源。
焊接电弧的产生
气体原子的激出、电离和电子发射
中性气体原来是不能导电的，为了在气体中产生电弧而通过电流，就必须使气体分子(或原子)电离成为正离子和电子。而且，为了使电弧维持燃烧，要求电弧的阴极不断发射电子，这就必须不断地输送电能给电弧，以补充能量的消耗。气体电离和电子发射是电弧中最基本的物理现象。
1.气体原子的激发与电离
如果气体原子得到了外加的能量，电子就可能从一个较低的能级跳跃到另一个较高能级，这时原子处于“激发”状态。使原子跃为“激发”状态所需的能量称为激发能。气体原子的电离就是使电子完全脱离原子核的束缚，形成离子和自由电子的过程。由原子形成正离子所需的能量称为电离能。
在焊接电弧中，根据引起电离的能量来源，有以下3种形式：
(1)撞击电离。是指在电场中，被加速的带电粒子(电子、离子)与中性点(原子)碰撞后发生的电离。
(2)热电离。是指在高温下，具有高动能的气体原子(或分子)互相碰撞而引起的电离。
(3)光电离。是指气体原子(或分子)吸收了光射线的光子能而产生的电离。
气体原子在产生电离的同时，带异性电荷的质点也会发生碰撞，使正离子和电子复合成中性质点，即产生中和现象。当电离速度和复合速度相等时，电离就趋于相对稳定的动平衡状态。一般地，电弧空间的带电粒子数量越多，电弧越稳定，而带电粒子的中和现象则会减少带电粒子的数量，从而降低电弧的稳定性。
2．电子发射
在阴极表面的原子或分子，接受外界的能量而释放出自由电子的现象称为电子发射。电子发射是引弧和维持电弧稳定燃烧的一个很重要的因素。按其能量来源不同，可分为热发射、光电发射、重粒子碰撞发射和强电场作用下的自发射等。
(1)热发射。物体的固体或液体表面受热后，其中某些电子具有大于逸出功的动能而逸出到表面外的空间中去的现象称为热发射。热发射在焊接电弧中起着重要作用，它随着温度上升而增强。
(2)光电发射。物质的固体或液体表面接受光射线的能量而释放出自由电子的现象称为光电发射。对于各种金属和氧化物，只有当光射线波长小于能使它们发射电子的极限波长时，才能产生光电发射。
(3)重粒子撞击发射。能量大的重粒子(如正离子)撞到阴极上，引起电子的逸出，称为重粒子撞击发射。重粒子能量越大，电子发射越强烈。
(4)强电场作用下的自发射。物质的固体或液体表面，虽然温度不高，但当存在强电场并在表面附近形成较大的电位差时，使阴极有较多的电子发射出来，这就称为强电场作用下的自发射，简称自发射。电场越强，发射出的电子形成的电流密度就越大。自发射在焊接电弧中也起着重要作用，特别是在非接触式引弧时，其作用更加明显。
综上所述，焊接电弧是气体放电的一种形式，焊接电弧的形成和维持是在电场、热、光和质点动能的作用下，气体原子不断地被激发、电离以及电子发射的结果。同时，也存在负离子的产生、正离子和电子的复合。显而易见，引燃焊接电弧的能量来源主要靠电场及由其产生的热、光和动能，而这个电场就是由弧焊电源提供的空载电压所产生的。

㈤ 什么是焊接电弧

焊接电弧是一种强烈的持久的气体放电现象。在这种气体放电过程中产生大量的热能和强烈的光辉。通常，气体是不导电的，但是在一定的电场和温度条件下，可以使气体离解而导电。焊接电弧就是在一定的电场作用下，将电弧空间的气体介质电离，使中性分子或原子离解为带正电荷的正离子和带负电荷的电子（或负离子），这两种带电质点分别向着电场的两极方向运动，使局部气体空间导电，而形成电弧。

焊接电弧的引燃一般采用两种方法：接触引弧和非接触引弧。手工电弧焊是采用接触引弧的。引弧时，焊条与工件瞬时接触造成短路。由于接触面的凹凸不平，只是在某些点上接触，因而使接触点上电流密度相当大；此外，由于金属表面有氧化皮等污物，电阻也相当大，所以接触处产生相当大的电阻热，使这里的金属迅速加热熔化，并开始蒸发。当焊条轻轻提起时，焊条端头与工件之间的空间内充满了金属蒸气和空气，其中某些原子可能已被电离。与此同时，焊条刚拉开一瞬间，由于接触处的温度较高，距离较近，阴极将发射电子。电子以高速度向阳极方向运动，与电弧空间的气体介质发生撞击。碰撞的结果使气体介质进一步电离，同时使电弧温度进一步升高，则电弧开始引燃。只要这时能维持一定的电压，放电过程就能连续进行，使电弧连续燃烧。 非接触引弧一般借助于高频或高压脉冲引弧装置，使阴极表面产生强场发射，其发射出来的电子流再与气体介质撞击，使其离解导电。

焊接电弧可分为三个区域，即阳极区、弧柱区和阴极区。用钢焊条焊接时，阴极区温度为2400K左右，放出热量为电弧总热量的38％；阳极区温度为2600K左右，热量占42％；弧柱区中心温度可达5000－8000K，热量占20％左右。

㈥ 焊接电弧由哪几部分组成各部分的作用是什么

电弧有三个部分构成：阴极区、阳极区、弧柱区。
阴极区作用有：接受由内弧柱传来的正离子容流；向弧柱区提供电弧导电所需的电子流。
阳极区在阳极表面可看到的烁亮发光的区域，称为阳极斑点.阳极斑点会自动寻找熔点比较低的纯金属表面而避开氧化物，在金属表面游走。
弧柱区在弧柱中，与热电离作用相反，电子与正离子会因复合而成为中性粒子或扩散到弧柱外，这一现象称为去电离。在稳定电弧放电中，电离速度与去电离速度相同，形成电离平衡。

㈦ 焊接电弧基本构造及温度热量分布怎样

焊接电弧主要有阴极、阳极和弧柱区构成。
弧柱的温度最高，而在弧柱中心线温度比边缘专高。但阴极和阳极的属温度高低由焊接方式决定。焊条电弧焊（酸性焊条）和钨极氩弧焊焊阳极温度高于阴极。熔化机氩弧焊，二保焊和埋弧焊则是阴极温度高于阳极。
弧柱的温度受电极材料，气体介质，焊接电流和拘束程度决定（等离子弧）。

㈧ 焊接电弧能产生哪些电弧力

1、电磁收缩力
2、等离子流力
3、斑点压力

㈨ 焊接线能量与哪些参数有关焊接线能量对焊接接头有哪些影响

你好，焊接线能量与焊接电流大小，焊接速度有关。焊接线能量大，热影响区宽，晶粒粗大。

㈩ 焊接电弧产生的热量与什么有关

与焊抄接电流，焊接电压袭和焊接速度有关。熔焊时由焊接能源输入给单位长度焊缝上的热量，又称为线能量。 线能量的计算公式： q = IU/v 式中：I—焊接电流 A U—电弧电压 V v—焊接速度 cm/s q—线能量 J/cm