电弧电压与电流之间的函数关系，首先决定于电弧间隙的物理过程。在许多情况下，电弧热量的散出与电弧在其中燃炽的气体的可动性和导热系数密切相关，试验表明，弧柱电位梯度有随气体导热系数大致成正比上升的倾向。显然，这样的关系仅说明由于热传导而使电弧冷却的电弧特性。后一条曲线低于前一条，这是由于电极和弧柱气体的热惯性所致。所以交流电弧的伏安特性从电阻及其燃炽的特性来看，决不能是完全相同的。......
2023-07-02
电弧物理因素对烟尘产生的影响分析
【摘要】：凡是影响这三个条件的焊接电弧物理因素都会对烟尘的析出产生直接影响，另外烟尘的形成还与气体介质的氧化性有关。图5-111是药芯焊丝CO2气体保护焊表面张力过渡时析出烟尘情况的高速摄影的单帧照片。在放映高速摄影的影片时可以观察到这些细小颗粒在飞行中析出烟尘的轨迹，但几乎看不到这些细小颗粒的实际轮廓。
焊接时烟尘的大小与铁液的温度、蒸发表面的大小以及蒸发过程进行的时间有关。凡是影响这三个条件的焊接电弧物理因素都会对烟尘的析出产生直接影响，另外烟尘的形成还与气体介质的氧化性有关。
1.铁液的温度对烟尘的影响
图5-110是两组药芯焊丝大熔滴排斥过渡的高速摄影照片，可以作为烟尘的产生与温度有关的证据。众所周知，熔滴的温度与熔滴存在的时间有关，在排斥过渡时，电弧斑点处于大熔滴的底部，电弧直接对熔滴进行加热，随着熔滴存在时间的延长，大熔滴温度逐渐升高，熔滴金属的蒸发也逐渐加剧，因此烟尘不是在熔滴开始形成时就立即产生，而是随着熔滴存在时间的延续、电弧的加热时间的延长、熔滴的温度逐渐升高，烟尘的析出也逐渐增强。在图5-110a中看到，在熔滴存在的初期，析出的烟尘很少（第1～6帧照片），而在第7帧照片以后烟尘逐渐变浓，到第10～13帧照片析出更浓烈的烟尘，直到第15、16帧照片熔滴过渡到熔池，烟尘消散。在图5-110b中看到，当熔滴刚一与熔池接触时只有很少的烟尘（第2～3帧照片），但随着熔滴与熔池桥接短路过程的延续，熔滴的温度会迅速升高，析出的烟尘也越来越浓（第5～13帧照片）。
图5-110 药芯焊丝CO2气体保护焊排斥过渡时熔滴的周围析出越来越浓的烟尘
a）样品名称：Hobart03.05.08药芯焊丝；φ1.2mm；焊接参数：25.5V/150A；拍摄速度：2000f/s b）样品名称：DW100药芯焊丝，φ1.2mm；焊接参数：21V/60dm/min；拍摄速度：1200f/s
2.熔滴过渡频率对烟尘的影响
既然熔滴存在时间与焊接烟尘有关，那么当过渡频率很高时，熔滴存在的时间将会缩短，减少了金属蒸发的时间；另外熔滴存在时间的缩短也减少了电弧对熔滴的加热时间，因此也会使熔滴的温度降低，这两方面的因素都会减少烟尘的析出，所以熔滴高频率过渡时，在熔滴表面析出的烟尘将会减少。
图5-111是药芯焊丝CO2气体保护焊表面张力过渡时析出烟尘情况的高速摄影的单帧照片。可以看出熔滴在与熔池形成桥接过渡之前和整个桥接过渡过程中没有明显的烟尘析出，统计的该焊丝的过渡频率超过40s-1，过渡周期平均不大于25ms，熔滴存在时间不大于20ms。这一实例说明，当熔滴以高频率进行表面张力过渡的时候，熔滴存在时间十分短暂，往往在来不及形成大量烟尘的时候，熔滴已经完成了过渡，因而减少了烟尘的析出。可以想象当过渡频率更高的细熔滴过渡时，析出的烟尘也许会更少。
3.飞溅对烟尘的影响
既然析出的烟尘与熔滴金属比表面积和温度有关，那么很容易解释为什么当发生飞溅时会析出浓烈烟尘。显然当形成飞溅，特别是电爆炸飞溅时，金属液桥因过热瞬间发生爆炸而被分裂成大大小小细碎的金属颗粒，处于过热状态的金属颗粒的比表面积突然增大了几十倍，为蒸发和氧化过程提供了极好的条件，因此发生电爆炸飞溅的瞬间，烟尘几乎也同时涌出。
图5-112显示药芯焊丝CO2气体保护焊时发生大颗粒飞溅时析出烟尘的场景，在图5-113b、c和d以及在本章前面图5-107和5-108中照片看出，在形成大颗粒飘离飞溅时，大熔滴无论是在与熔池刚一接触，或者是在形成飘离飞溅呈飘浮状态飞行过程中，熔体总是显示十分杂乱无序的边界，表明熔滴特别激烈地活动，在它的周围弥散着浓烟。说明熔滴在剧烈动荡或者是发生飞溅时都会猛烈地析出烟尘，这是因为一方面杂乱的边界增大了熔体的蒸发表面，另一方面熔滴的激烈活动增强了蒸发表面与气流相对的运动，更促进蒸发过程的进行。与大颗粒飞溅物析出烟尘的情况不同，细小的飞溅物颗粒具有更大的比表面积，且数量多，因此在发生强烈电爆炸飞溅的时候，正如在图5-112a中所看到的将伴随着烟尘瞬间大量地涌出。
图5-111 药芯焊丝CO2气体保护焊表面张力过渡时烟尘析出情况的高速摄影照片
样品名称：SQJ50药芯焊丝φ1.2mm；焊接参数：23V/165A，60dm/min，直流反接；拍摄速度：1200f/s。
图5-112 药芯焊丝CO2气体保护焊熔滴发生飞溅时产生烟尘的照片
a）KFX钛型药芯焊丝32V/150dm/min b）KFX钛型药芯焊丝26V/90dm/min c）钛型药芯焊丝29V/120dm/min d）钛型药芯焊丝32V/150dm/min
图5-113所示的是一个飞溅物颗粒析出烟尘的情景，从图中看到燃烧着的飞溅物颗粒在飞行中拖着浓烟，不过图中飞溅物的颗粒尺寸不算小，更小的飞溅物则在飞行过程中完全被烧掉，生成的氧化铁烟尘冷却后形成粉状的黑灰。在放映高速摄影的影片时可以观察到这些细小颗粒在飞行中析出烟尘的轨迹，但几乎看不到这些细小颗粒的实际轮廓。
图5-113 药芯焊丝CO2气体保护焊时飞溅颗粒在飞行中析出浓烟的高速摄影照片
焊丝样品：15DW10004.06.21；焊接参数：31V/210A；拍摄速度：2000f/s。
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