焊接电弧力的机械影响及电磁收缩力

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：在熔化极电弧焊过程中，电弧燃烧过程既产生大量热能，又产生一些被称为电弧力的机械力。电弧力对熔滴过渡、焊缝成形及焊接过程等均影响很大。这个电磁力F1、F2称为电磁收缩力。这个力称为电弧静压力，在电弧中心最大，在电弧边缘较小，使熔池形成凹陷熔深。图1-1-3 流态导体电磁收缩力图1-1-4 圆锥形电弧模型图1-1-5 电磁收缩力等压曲线等离子流力等离子体是在温度高、电流密度大的电弧中心部分高度电离而形成的一种电弧等离子体。

在熔化极电弧焊过程中，电弧燃烧过程既产生大量热能，又产生一些被称为电弧力的机械力。电弧力对熔滴过渡、焊缝成形及焊接过程等均影响很大。

1.电弧力的种类

（1）电磁收缩力根据电工原理，可把一个导体通过电流，看成由无数条方向相同的电流线组成，并在线间产生相互吸引的电磁力，使流体导体（如液体、气体）变形产生收缩，如图1-1-3所示。这个电磁力F₁、F₂称为电磁收缩力。焊接电弧两电极尺寸相差悬殊，通常焊条（焊丝）直径很小而工件尺寸很大。电弧在焊条（焊丝）上受到电极尺寸的限制，在工件上则可自由扩展，就形成一个断面不断变化的圆锥体，如图1-1-4所示，其任意一点A的坐标为（L、φ）。当电流均匀分布时A点所受到的电磁收缩力F_A为

式中 I_f——焊接电流；

θ——1/2锥顶角；

φ——A点与电极轴线的夹角；

L——A点距锥顶的距离。

从式（1-1-3）可知，A点的F_A与I²成正比，与L²成反比，且与θ、φ角有关。用该式绘出电弧中电磁收缩力的等压曲线，如图1-1-5所示，圆锥形电弧每个断面上的电磁收缩力不一样，断面大的电磁收缩力小。这种压力差的存在，产生一个由小断面（焊条与焊丝）指向大断面（工件）的推力F_t：

式中 F_t——电弧的推力；

I_f——焊接电流；

K——系数，K=μ/（4π）（μ为介质磁导率）；

R_a——锥形电弧的上底面半径；

R_b——锥形电弧的下底面半径。

这个力称为电弧静压力，在电弧中心最大，在电弧边缘较小，使熔池形成凹陷熔深。

图1-1-3 流态导体电磁收缩力

图1-1-4 圆锥形电弧模型

图1-1-5 电磁收缩力等压曲线

（2）等离子流力等离子体是在温度高、电流密度大的电弧中心部分高度电离而形成的一种电弧等离子体。电弧导电截面的变化形成了由焊条指向工件的推力F_t，并推动等离子体向工件运动，形成高速流动的等离子流，如图1-1-6所示。为了保持流动的连续，外部的冷气流将从电极端部C区进入电弧，迅速被加热电离后受F_t力的作用，从A区冲向B区，其速度高达数百米每秒，使熔池受到较大的等离子流力（也称电弧动压力），如图1-1-7所示。该力在电弧中心线上最大，是成为图1-1-8a所示指状熔深的一个重要原因，而一般电弧形成的熔深如图1-1-8b所示。