電弧焊基礎(chǔ)：第一章 焊接電弧物理基礎(chǔ)

1、Arc Welding Methods,一、焊接電弧物理基礎(chǔ) Chapter 1: Welding Arc Physics,一、電弧的本質(zhì)氣體放電（常見衣物靜電放電、照明燈,放電分類：電流超過10-810-10A后，自持放電 電弧放電是氣體放電的最終形式，在所有放電形態(tài)中電壓最低、電流最大、溫度最高的特征通常伴隨有熔化和蒸發(fā)現(xiàn)象。最大的電弧是什么？ 電弧空間的氣體被電離，由陽離子及電子這樣的帶電粒子、原子及分子這樣的中性粒子所構(gòu)成，與通常狀態(tài)下的氣體所不同的性質(zhì)，被稱作等離子體(Plasma)。等離子體總體上呈現(xiàn)電中性，是繼固體、液體、氣體之后的物質(zhì)的第四種存在狀態(tài)，以高導(dǎo)電性為其特征。氣體放

2、電的表現(xiàn)是電流在氣體中流動，而電流是因電子、離子的流動而形成。粒子和離子的差別？地球上能看到的最大的等離子體是什么,二、電弧中帶電粒子的來源,1. 電源通過電極（陰極）向電弧區(qū)發(fā)射電子 2. 氣隙中的中性粒子被電離產(chǎn)生電子和離子,2.1 陰極電子發(fā)射,陰極電子發(fā)射是電源持續(xù)向電弧供給能量的唯一途徑，電弧中的一切現(xiàn)象都與陰極電子發(fā)射有密切的聯(lián)系，但并不是電子產(chǎn)生的唯一途徑。 電源通過陰極向電弧空間提供電子，再從陽極接收電子，從而形成電流回路。注意：陰極所發(fā)射電子中的相當(dāng)一部分消耗在電弧中，比如復(fù)合成中性粒子，或是再次被電離，或散失到電弧以外空間。而陽極所接收電子中的相當(dāng)一部分是由電弧中中性粒子的

3、電離所產(chǎn)生的。 陰極電子發(fā)射類型：熱發(fā)射、場致發(fā)射（電場發(fā)射）、光發(fā)射、碰撞發(fā)射,熱發(fā)射：金屬中的電子是以自由電子的形態(tài)存在著，各個電子自身具有各種各樣的能量，其能量分布遵從費(fèi)米分布。與周圍自由空間相比，金屬內(nèi)的自由電子在能量上處于更穩(wěn)定狀態(tài)，同時在陰極金屬表面存在電勢壁壘，阻礙電子進(jìn)入自由空間。要想把金屬內(nèi)部的電子吸引到自由空間需要較大的能量（功）。把這個能量稱為功函數(shù)(eV)，換算成電壓表示稱為逸出電壓UW(V)。當(dāng)溫度達(dá)到足夠高（3103K）時，運(yùn)動能量大于e(EF+UW）數(shù)值的電子數(shù)目也更多，就可以離開金屬表面滲透到自由空間，這稱作。 勢壘： 跳高 鯉魚跳龍門？ 60分 碰壁,場致發(fā)射

4、：如果對陰極表面施加電場，電勢壁壘就會變薄，一部分自由電子穿過電勢壁壘滲透出來（隧道現(xiàn)象），這稱作,各個溫度下，當(dāng)提高電場強(qiáng)度時，電子電流密度都會增大。當(dāng)電場強(qiáng)度達(dá)到(12)109V/m時，電子電流密度增加的傾向性有所改變。之前，電子電流密度對溫度的依賴性較為明顯，主要是電極達(dá)到高溫時，熱電子發(fā)射變得活躍起來。之后，當(dāng)電場處于高強(qiáng)度領(lǐng)域時，電場發(fā)射居于主導(dǎo)地位，與溫度無關(guān)，即使在室溫下，仍然能夠得到高電流密度。在溫度及電場強(qiáng)度完全一致時，陰極材料的功函數(shù)越小，所得到的電流密度越大,功函數(shù)為4.5eV(相當(dāng)于鎢電極)的陰極 材料電場強(qiáng)度與發(fā)射電流密度的關(guān)系,光發(fā)射：是指金屬表面受到光照射后，其中

5、的電子接受某一特定波長光子的能量后提高了自身的能量所產(chǎn)生的電子逸出。通常發(fā)生在放電空間浮游的金屬塵?；蛘呶⒘５谋砻?，可以忽略不計(jì)。 碰撞發(fā)射：是指高速運(yùn)動的外部粒子碰撞金屬表面后，把其自身動能傳遞給金屬中的電子促成其逸出金屬表面，在電弧條件下表現(xiàn)為正離子對陰極的碰撞(至少達(dá)到2倍逸出功，發(fā)射出兩個電子，一個中和一個發(fā)射出去)，也稱為二次電子發(fā)射。 思考：那種發(fā)射對陰極有冷卻作用,2.2 中性粒子的電離(Ionize,電離：中性粒子存在于電弧空間中，當(dāng)處于高能量狀態(tài)時，其電子軌道上的電子脫離約束，分離成電子和離子。使中性粒子產(chǎn)生電離所需要的能量亦即使電子脫離原子核束縛所需的能量稱作電離能（eV）

6、，換算成電壓用電離電壓Ui(V)表示。 電離類型：熱電離、場致電離、光電離。 熱電離：高溫作用下，粒子直接電離，或高能粒子頻繁碰撞，粒子間非彈 性碰撞導(dǎo)致電離 場致電離：電場的作用下，電子加速，與其他粒子發(fā)生碰撞而使粒子電離 光電離：光量子具有能量當(dāng)能量大于電離能的時候，可能使中性粒子電離 碰撞為什么會導(dǎo)致電離？粒子之間相互碰撞，主要是電子和中性粒子的非彈性碰撞，傳遞（接受）能量，對于低溫領(lǐng)域的等離子體形成極為重要。 “電子雪崩”，但增加有極限。 外加電場或提高溫度，會增大電離,了解：強(qiáng)、弱電離等離子體，衡量標(biāo)準(zhǔn)電離度（13），弱電離等離子體的電離度低，主要由電子和中性粒子支配著等離子體現(xiàn)象。

7、強(qiáng)電離等離子體是由帶電粒子（電子和離子）支配等離子體現(xiàn)象。電弧等離子體處于標(biāo)準(zhǔn)電離度左右。 焊接電弧是具有較高粒子密度的等離子體，粒子間的碰撞很激烈，粒子間能量交換也很充分，總體處于一種近于熱平衡的狀態(tài)。對其電離反應(yīng)可用Saha（薩哈）公式表征,等離子體的電離度（大氣壓下,單一氣體的電離平衡組成,10,000K溫度及大氣壓條件下，氬氣等離子體的電離度是1，處于很低的數(shù)值。鐵及鋁等金屬的電離電壓較低，因此，金屬蒸氣在電弧空間更容易被電離，這對焊接電弧的電特性有著顯著影響,原子的電離電壓，惰性氣體的Ui高，堿性金屬的Ui低（用于焊條維?。?與氬氣相比，氦氣難電離,2.3 帶電粒子的擴(kuò)散和復(fù)合,電弧

8、空間的帶電粒子在電場作用下總體進(jìn)行著定向運(yùn)動，同時由于密度分布的差異也在進(jìn)行著擴(kuò)散運(yùn)動，擴(kuò)散使電弧呈現(xiàn)擴(kuò)展形態(tài)。 方向：密度高的區(qū)域 密度低的區(qū)域，從電弧軸線中心向外部周邊區(qū)域擴(kuò)散。帶電粒子的擴(kuò)散并不會造成電弧整體電荷密度的均一分布，而處于相對穩(wěn)定的動平衡狀態(tài)。思考：擴(kuò)散能否使電弧湮滅？ 復(fù)合：電子與正離子相遇后重新結(jié)合成中性粒子，同時釋放出相當(dāng)于電離能的能量 復(fù)合主要出現(xiàn)在電弧溫度較低的區(qū)域，以電弧外圍區(qū)域表現(xiàn)更為頻繁。 復(fù)合后的粒子或是在電弧空間重新被電離，參與導(dǎo)電過程，或是隨氣體介質(zhì)的運(yùn)動而散失到電弧以外的空間,2.4 穩(wěn)定的焊接電弧中粒子密度（了解,陰極區(qū)（Cathode ）：陰極前面

9、存在由陽離子構(gòu)成的正空間電荷區(qū)域，產(chǎn)生的壓降稱作陰極壓降（Cathode Voltage Drop）； 陽極區(qū)（Anode）：陽極前面存在由電子構(gòu)成的負(fù)空間電荷區(qū)域，產(chǎn)生的壓降稱作陽極壓降（Anode Voltage Drop）。 兩極區(qū)的區(qū)域尺寸相當(dāng)?。ú坏?.5mm），在電弧長度變化時幾乎不產(chǎn)生變化，但壓降值很高，在電弧總體電壓降中占有相當(dāng)比例。 兩極區(qū)以外的部分稱作弧柱區(qū)（Arc column/arc plasma），以很平緩的形式呈現(xiàn)線形電壓降，稱作弧柱區(qū)壓降（Positive Column Voltage Drop,三、電弧的導(dǎo)電機(jī)制,電弧構(gòu)造與電弧電壓分布,沿電場方向移動的帶電粒子

10、的流動就是電弧電流，流經(jīng)電弧的全電流I 是電子電流Ie與離子電流Ii之和，在弧柱區(qū)質(zhì)量小、容易運(yùn)動的電子流占全部電流的99以上。 在陰極壓降區(qū)，因電極材料的不同，電子發(fā)射能力存在差異，以Fe、Al材料作為陰極時，離子電流可能占有一定比例，離子通過碰撞陰極使陰極加熱，有利于熱電子發(fā)射。此外，弧柱區(qū)過來的正離子，提高了陰極前面的空間電位，受到此高電場的作用，亦能使電極發(fā)射出電子。 在陽極壓降區(qū)，受電弧電流數(shù)值的影響，電流成分會有些變化，但幾乎100是電子流,3.1 陰極區(qū),對于鎢、碳等高熔點(diǎn)的熱陰極材料，大電流（103A/cm2）情況下熱發(fā)射起主導(dǎo)地位，向弧柱區(qū)提供電子。 對于Fe， Cu等低熔點(diǎn)

11、的冷陰極，熱發(fā)射不足，陰極區(qū)形成正離子（正電荷）堆積，當(dāng)空間電荷產(chǎn)生的陰極區(qū)壓降UC較大時，在陰極前面形成強(qiáng)電場，導(dǎo)致場致發(fā)射,當(dāng)陰極表面的熱電子發(fā)射量繼續(xù)減少時，如在陰極表面幾乎沒有熔化的情況下，UC進(jìn)一步增大，處于陰極壓降區(qū)中的陽離子受其加速而飛向陰極，碰撞陰極表面后產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生碰撞發(fā)射。 等離子體陰極：陽離子加速飛向陰極的途中，可能與所遇到的中性粒子反復(fù)碰撞使熱電離加劇，產(chǎn)生電子同時產(chǎn)生大量正離子，形成更大范圍的正離子堆積區(qū)，進(jìn)一步促進(jìn)電場發(fā)射和碰撞發(fā)射，起到向電弧提供電子的作用。等離子體陰極形成后，可以看到在陰極附近有球形的高亮度區(qū)。 思考：W小電流，什么發(fā)射機(jī)制,陰極斑點(diǎn) 某些

12、情況下，電場發(fā)射很劇烈時，電弧導(dǎo)電通道將主要集中在一個較小的區(qū)域，該區(qū)域電流密度、溫度、發(fā)光強(qiáng)度遠(yuǎn)高于其它區(qū)域，稱作陰極斑點(diǎn)。 成因： 熱陰極、惰性氣體保護(hù)時，若電流較小或電極直徑太大、表面不平滑、存在污染物，電弧溫度不能使電極前端全面積產(chǎn)生熱電子發(fā)射，陰極及陰極區(qū)將輔助以電場發(fā)射向弧柱區(qū)提供電子。為減少與周圍環(huán)境的接觸，降低散熱損失，電子發(fā)射將集中在一個較小的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，從而形成陰極斑點(diǎn)。 低熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性能好材料（Al、Mg）作為冷陰極時，即使陰極溫度達(dá)到材料的沸點(diǎn)，也不足以通過熱發(fā)射產(chǎn)生足夠電子，陰極將進(jìn)一步自動縮小其導(dǎo)電面積，直至導(dǎo)電面積前面形成密度很大的正離子空間電荷和陰極壓降，足以產(chǎn)

13、生很強(qiáng)的電場發(fā)射，補(bǔ)充熱發(fā)射的不足，向弧柱提供足夠的電子流，此時陰極將形成面積更小電流密度更大的斑點(diǎn)來導(dǎo)通電流，是謂陰極斑點(diǎn),陰極斑點(diǎn) 陰極斑點(diǎn)具有自動尋找氧化物的特性：表面氧化物與純金屬相比，電子逸出功低，更具備電子發(fā)射的能力，電弧導(dǎo)電點(diǎn)更多集中在有氧化膜的地方，從而形成陰極斑點(diǎn)。 陰極斑點(diǎn)對電極有“黏著”作用，常常出現(xiàn)跳躍式移動。在電流較大時，陰極斑點(diǎn)分散多處，不斷變化位置。 斑點(diǎn)壓力：正離子沖擊、金屬蒸發(fā)反作用力 電弧陰極斑點(diǎn)的形成通常對焊接是不利的,陰極霧化（陰極清理） 惰性氣體中的電弧在以金屬板（絲）作為陰極的情況下，陰極斑點(diǎn)在金屬板（絲）上掃動，除去金屬表面上的氧化膜，使其露出清潔

14、金屬面，稱作。清理作用只限于對陰極，并且是在不含氧化性氣氛的高純度惰性氣氛中。 鋁氧化膜，致密、熔點(diǎn)高達(dá)2020，而鋁熔化溫度只有600左右，焊接不當(dāng)，氧化膜以固體形態(tài)存在并殘留下來，會造成熔合不良。 鋁是典型的冷陰極材料，作為冷陰極的特征其陰極壓降UC很高，陽離子受陰極電場加速以很高的速度沖擊陰極表面，使陰極表面上的氧化物破碎并消失。另外，氧化物的功函數(shù)比純金屬低，陰極斑點(diǎn)不會停留在固定的位置上，而是不斷地移動尋找新的氧化膜，不斷形成新的陰極斑點(diǎn)。在惰性氣氛中，一旦除去了氧化膜就不會在金屬面上再次生成氧化膜。對氧化物的清理將一直擴(kuò)展到熔池周圍的固體表面上。 與氦氣相比，氬氣由于其自身原子質(zhì)量

15、較大，清理效果也就更為顯著,3.2 弧柱區(qū),電弧溫度極高（500030000K），處于所謂的等離子體狀態(tài)。在弧柱中，每瞬間單位體積內(nèi)正負(fù)帶電粒子的數(shù)量幾乎相同，使得電弧整體上呈現(xiàn)電中性狀態(tài)。陽離子數(shù)量少，但作用很重要。 作為電流主體的電子，在較小的電位梯度下亦可以產(chǎn)生移動，從而能夠產(chǎn)生大電流流動，因此弧柱是極為良好的導(dǎo)電體。此外，由于電子與陽離子相比重量極輕，即使在很小的電場下就可以高速向陽極移動，移動途中與陽離子、中性分子及原子產(chǎn)生碰撞，把其動能傳給對方，使得電弧等離子體中的粒子動能整體增大，處于高溫狀態(tài)。而高溫粒子也會相互碰撞，引發(fā)熱電離，產(chǎn)生新的電子。另外，高溫粒子也向弧柱周邊區(qū)域擴(kuò)散造

16、成熱量損失，該部分熱量損失由外部電源向弧柱提供能量(弧柱電壓降UP和電流的乘積)予以補(bǔ)充，從而達(dá)到一種熱量平衡。 弧柱既是維持電弧持續(xù)放電所必須的電子和陽離子的產(chǎn)生源，同時也是把電能有效轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿陌l(fā)熱體,3.3 陽極區(qū),陽極區(qū)接受從弧柱過來的電子，由于陽離子不能從陽極材料表面產(chǎn)生，使得陽極表面具有的電子數(shù)目超過陽離子數(shù)，就產(chǎn)生了負(fù)的空間電荷。通過這個負(fù)的空間電荷形成陽極壓降UA，電子受其加速，與陽極區(qū)中的中性粒子碰撞并使其電離，由此產(chǎn)生面向弧柱區(qū)運(yùn)動的陽離子，即陽極壓降區(qū)起到向弧柱區(qū)提供部分陽離子的作用。 電流較大時，陽極壓降區(qū)處于高溫下，這時即使不通過電子碰撞，而通過中性粒子自身的相互碰撞

17、也會產(chǎn)生充分的熱電離，其結(jié)果是UA近于0值。在被焊件母材作為陽極時，特別是在較大電弧電流下，電弧高溫使母材產(chǎn)生強(qiáng)烈的蒸發(fā)，蒸發(fā)出的金屬原子比之保護(hù)氣成分具有更低的電離電壓，將先于保護(hù)氣粒子而被電離，是向電弧弧柱區(qū)提供正離子的主要途徑,陽極斑點(diǎn) 陽極材料過熱蒸發(fā)出來的金屬原子比氣體原子具有更低的電離能，更容易被電離，因此一旦陽極產(chǎn)生金屬蒸汽，很容易在附近形成弧柱，電弧集中于陽極表面一點(diǎn)形成主要的電流通道，這就是陽極斑點(diǎn)，大部分電子經(jīng)過該通道進(jìn)入陽極。陽極斑點(diǎn)具有尋找純金屬的特性。 與陰極斑點(diǎn)的情況類似，也有后拖、“黏著”、跳動的現(xiàn)象； 與陰極斑點(diǎn)不同，正常焊接時陽極斑點(diǎn)對焊接過程 沒有大的不良影

18、響,小電流焊接，母材作為陽極，如果母材上不能形成連續(xù)的熔化（比如電弧功率小、母材散熱快等），將會在電弧后面形成陽極斑點(diǎn)。 大電流焊接，母材作為陽極，雖然形成了較大的熔池，但由于熔池運(yùn)動或表面波動頻繁，也可能是熔池中各處蒸發(fā)情況的變遷，或由于合金元素的蒸發(fā)，將在熔池內(nèi)部形成陽極斑點(diǎn)，并快速“掃動”，該情況下陽極斑點(diǎn)處的電流密度并不很高,四、電弧產(chǎn)熱及對電極的熱輸入,焊接電弧的熱量來自電源提供的電能，電源向電弧的弧柱區(qū)、陽極區(qū)和陰極區(qū)即電弧整體提供的電能： 該能量在電弧中轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽ㄖ饕?、機(jī)械能、光能、磁能,Pa=I Ua=I (UA+UC+UP,電弧對陽極的熱輸入 電弧向陽極提供的能量主要有如

19、下幾方面： 忽略正離子流對陽極能量的影響（0.1%） 電子經(jīng)陽極壓降加速而獲得的動能Pe（主要）； 電子發(fā)射時陰極吸收的逸出功釋放給陽極PrA； 從弧柱帶來與弧柱溫度相對應(yīng)的熱能PcA,PA=Pe+PrA+PcA=I (UA+UWA+UT) Pe,PA 陽極熱輸入；Ia 電弧電流； UA 陽極區(qū)壓降(V)；UWA 陰極物質(zhì)的功函數(shù)(V)； UT 電弧等離子體中的電子所保有的能量，即等價電壓(V,電弧對陰極的熱輸入 忽略正離子流對陰極能量的影響 電子在陰極壓降作用下逸出陰極并獲得加速總能量為IUC ；（I約等于電子電流） 電子逸出時從陰極吸收的逸出功IUWA，相當(dāng)于對陰極冷卻 電子離開陰極區(qū)進(jìn)入

20、弧柱，具有與弧柱溫度相對應(yīng)的熱能IUT ，電子離開陰極區(qū)時帶走這部分能量,PC=I (UC-UWA-UT,PC 陰極熱輸入；I 電弧電流； UC 陰極區(qū)壓降(V)；UWA 陰極物質(zhì)的功函數(shù)(V)； UT 電弧等離子體中的電子所保有的能量，即等價電壓(V,即使電子溫度達(dá)到6000-10000K， UT也小于1v，可以忽略不計(jì)。幾十安培小電流下，UA4v，電流較大時UA接近0，所以Pc、PA主要取決于UC、UWA。 冷陰極：UC UWA ，熱陰極：UC UWA ，所以熔化極焊接，焊絲做陰極產(chǎn)熱量大，TIG焊正好相反，電極做陽極產(chǎn)熱量大,五、電弧溫度分布及熱效率,當(dāng)電弧等離子體的產(chǎn)熱與向周圍的能量損

21、失達(dá)到平衡時就形成了相對穩(wěn)定的溫度場。電弧溫度測量，主要是針對電弧弧柱進(jìn)行，極區(qū)尺寸太小，無法測量。通常認(rèn)為弧柱溫度最高，而極區(qū)溫度較低（受材料熔點(diǎn)限制），且溫度具備連續(xù)性。目前認(rèn)為電弧最高溫度在點(diǎn)擊下方中心部位，可達(dá)2-3萬度,氬氣電弧,影響因素：電流、弧長、保護(hù)氣、電極斑點(diǎn)、環(huán)境、陽極材料等。 例如：陽極材料和狀態(tài)將影響陽極表面附近的溫度值，比如使用鋼材料作為陽極時，鐵蒸氣將部分取代氬氣而起作用，F(xiàn)e電離電壓低，陽極表面附近溫度降低，只有6 000K左右；當(dāng)采用水冷銅陽極時，陽極表面附近的溫度將達(dá)到12 000K左右,熱效率,相對于電弧功率（電弧電壓電弧電流），向母材（比如GTA焊接時，母

22、材作為陽極）傳送的熱量（熱輸入量）所占的比例稱作焊接電弧熱效率。在熔化極焊接中，有效功率亦包含加熱、熔化焊絲的能量，這部分能量最終也被帶入母材,六、最小電壓原理（非常重要,在給定電流與周圍條件一定的情況下，電弧穩(wěn)定燃燒時，其導(dǎo)電區(qū)的半徑（或溫度），應(yīng)使電弧電場強(qiáng)度具有最小的數(shù)值，即電弧具有保持最小能量消耗的特性。 原理：弧柱區(qū)電場強(qiáng)度E的大小意味著電弧導(dǎo)電的難易，電導(dǎo)率與弧柱電離度及溫度有關(guān)，所以E也是弧柱溫度的函數(shù)。當(dāng)電流、周圍條件一定時，弧柱的斷面只能在保證E為最小的前提下來確定。如果電弧斷面大于或小于其自動確定的斷面，都會引起E的增加。 發(fā)燒，打哆嗦，縮緊身體！ 思考：電弧強(qiáng)制冷卻會引起

23、什么結(jié)果,七、焊接電弧靜特性,穩(wěn)定狀態(tài)下焊接電弧的電流-電壓特性，稱作電弧靜特性。保證弧長穩(wěn)定、保護(hù)和電極條件相同，電弧穩(wěn)定燃燒，僅改變電流，測量電壓。該曲線一般呈現(xiàn)3個區(qū)段的變化特點(diǎn)，分別稱作下降特性區(qū)（負(fù)阻特性區(qū)）、平特性區(qū)、上升特性區(qū),在小電流區(qū)，電弧電壓隨電流增大而減小，呈現(xiàn)負(fù)阻特性。 原因：電流較小時，電弧溫度較低，粒子電離度低，電弧導(dǎo)電性較差，需要有較高的電場推動電荷運(yùn)動；在陰極區(qū)，由于溫度較低，不能實(shí)現(xiàn)大量的熱電子發(fā)射，會形成較強(qiáng)的陰極壓降（電場發(fā)射），這樣在小電流時表現(xiàn)出電弧有較高的電壓值。電流增加，陰極溫度提高熱發(fā)射能力增強(qiáng)，UC值降低；陽極蒸發(fā)量增加，UA值降低。兩極區(qū)電場

24、隨溫度升高而降低，使得電弧電壓降低。即在電弧溫度和電極溫度提高的情況下，電弧中產(chǎn)生和運(yùn)動等量的電荷不再需要更高的電場。 弧柱區(qū)，從產(chǎn)熱和散熱平衡角度考慮，在小電流區(qū)，為維持電流密度(電流/截面積)一定，如果電流增大4倍，則弧柱直徑增大2倍，弧柱向周邊區(qū)的熱量損失隨之增大2倍，而弧柱內(nèi)產(chǎn)熱量(I UP)卻是增大4倍，如果電弧電壓仍然維持原來的數(shù)值，那么產(chǎn)熱量就超過了熱損失量，而電弧自身性質(zhì)具有保持熱量動態(tài)平衡的能力，實(shí)際上電弧的產(chǎn)熱量沒有增加4倍，弧柱壓降UP不會維持原來的數(shù)值不便，而是自動降低，即電弧不再需要原來數(shù)值的電壓就可以維持穩(wěn)定燃燒，其以較少的產(chǎn)熱量增加就能夠平衡散熱損失的增加,中等電

25、流區(qū)，電弧等離子氣流增強(qiáng)，除電弧表面積增加造成散熱損失增加之外，等離子氣流的流動對電弧產(chǎn)生附加的冷卻作用，因此在一定的電流區(qū)間，電弧電壓自動維持一定的數(shù)值，保證產(chǎn)熱量與散熱量的平衡，在電弧靜特性曲線上出現(xiàn)一定區(qū)間內(nèi)的平特性特征。 在大電流區(qū)，電弧中的等離子氣流更為強(qiáng)烈，而由于電弧自身磁場的作用，電弧截面不能隨電流的增加而同步增加，電弧的電導(dǎo)率減小，要保證較大的電流（更多的電荷）通過相對較小的截面積，需要有更高的極間電場強(qiáng)度驅(qū)動，因此在大電流區(qū)間，電弧電壓隨電流的增加而增加，呈現(xiàn)正特性。 電弧靜特性曲線3個變化區(qū)段，并不是在各種電弧中都能夠表現(xiàn)出來，受電弧形態(tài)和電極條件的影響較大。GTA焊接在靜

26、特性曲線上一般都能明顯表現(xiàn)出3個區(qū)段的特征。GMA焊接由于通常采用較細(xì)的電極焊絲，可使用的電流一般在中等數(shù)值以上，電弧形態(tài)多呈圓錐狀，等離子氣流作用強(qiáng)烈，所以靜特性曲線通常呈現(xiàn)上升特性，平特性區(qū)間較窄。SAW電弧掩埋在焊劑層下面，受焊劑層的覆蓋，電弧的散熱損失小，并且電弧中基本沒有等離子氣流存在，一般又采用較粗直徑的焊絲大電流焊接，其電弧靜特性呈現(xiàn)下降特性,GTA焊接電弧靜特性曲線,GMA焊接電弧靜特性曲線,SAW焊接電弧靜特性曲線,焊接電弧靜特性影響因素,保護(hù)氣：保護(hù)氣對電位梯度有影響，對電弧散熱影響也不同。氦原子量小，電位梯度極大，高溫狀態(tài)氣體粒子從弧柱內(nèi)部向周邊區(qū)域的擴(kuò)散速度快，帶走的熱

27、量損失也大，為了補(bǔ)償該項(xiàng)損失，電弧將自動提高其電位梯度。二是對于氧氣、氫氣、二氧化碳?xì)獾榷嘣臃肿託怏w，其在電離之前要解離為原子，分子的解離是吸熱反應(yīng)，需要從電能上予以補(bǔ)償，從而亦使電位梯度提高。三是各種氣體（原子或分子）的電離能不同，電離能大的保護(hù)氣體從電弧中吸取的能量更多，而低電離能物質(zhì)（如金屬原子）存在于電弧氣氛中將會顯著降低電弧電壓,焊接電弧靜特性影響因素,弧長：電弧(弧柱)長度增加或減小時，電弧電壓U0+Ela (U0=UC+UA， La為弧柱長度)變化，電弧靜特性曲線隨之上移或下移，但在各電流數(shù)值上表現(xiàn)出的斜率變化會有所改變。理想情況下，GTA焊接弧長和電壓成一定比例關(guān)系，可以用作

28、傳感器。 電極：非熔化電極情況下，電極成分對電弧電壓會有一定程度的影響。比如純鎢電極、加入稀土氧化物的合金電極，其電弧電壓會有差別，主要是電極發(fā)射電子的能力出現(xiàn)變化，稀土元素加入后，電極電子發(fā)射能力增強(qiáng)，電弧電壓降低。 母材 保護(hù)氣流量 環(huán)境溫度,八、電弧力,電弧不僅是一個加熱源，同時也是一個力源。電弧力與焊接中表現(xiàn)出的熔池形態(tài)、熔深尺寸、熔滴過渡、焊縫成形等都有密切關(guān)系，同時也是形成不規(guī)則焊縫、產(chǎn)生成形缺陷、造成焊接飛濺的直接原因。 電磁力 等離子流力 斑點(diǎn)力 爆破力 熔滴沖擊力,電磁力,兩根相互平行導(dǎo)體，通過同向電流，相互吸引，反向電流，則互相排斥。對于液態(tài)或氣態(tài)導(dǎo)體，將使其產(chǎn)生截面收縮，

29、這稱作電磁收縮效應(yīng)，所產(chǎn)生的力稱作電磁收縮力或電磁力,小截面 大截面 實(shí)際電弧是截面直徑變化的圓錐狀的氣態(tài)導(dǎo)體。因?yàn)殡姌O直徑限制了導(dǎo)電區(qū)的擴(kuò)展，而在工件上電弧可以擴(kuò)展的比較寬，直徑不同將引起壓力差，從而產(chǎn)生由電極指向工件的推力，這個力也稱作是稱作電弧靜壓力，中心電流密度高，所以電磁力也大于周邊,軸線上,等離子流力,電弧靜壓力差使較小截面處的高溫粒子（中性粒子為主）向工件方向母材流動，并有更小截面處的氣體粒子補(bǔ)充到該截面上來，以及保護(hù)氣氛不斷進(jìn)入電弧空間，從而形成連續(xù)不斷的氣流，稱作等離子氣流，到達(dá)工件表面時形成附加的一種壓力，稱作等離子流力。由于等離子流力是高溫粒子高速流動形成的，所以也稱作電

30、弧動壓力,斑點(diǎn)力,斑點(diǎn)力表現(xiàn)形式： 帶電粒子對電極的沖擊力：陽極受到電子的沖擊，陰極受到正離子的沖擊。由于正離子的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子的質(zhì)量，同時一般情況下陰極區(qū)壓降大于陽極區(qū)壓降，所以陰極斑點(diǎn)力大于陽極斑點(diǎn)力。 電磁收縮力：熔滴上出現(xiàn)斑點(diǎn)時，熔滴和電弧空間的電流線都在斑點(diǎn)處集中，由于電磁力合力的方向是由小截面指向大截面，所以在斑點(diǎn)處產(chǎn)生向上的電磁收縮力，阻礙熔滴下落。通常陰極斑點(diǎn)比陽極斑點(diǎn)的收縮程度大，所以陰極斑點(diǎn)力也大。 材料蒸發(fā)反作用力，一般表現(xiàn)為 陽極斑點(diǎn)力,爆破力,熔滴與熔池發(fā)生短路時，電弧瞬間熄滅，因短路時電流很大（短路電流有一個上升的過程），短路液柱中電流密度很高，在金屬液柱中產(chǎn)生很

31、大的電磁收縮力，使液柱中部變細(xì)，產(chǎn)生頸縮，電阻熱使金屬液柱小橋溫度急劇升高，使液柱汽化爆斷，此爆破力可能使液柱金屬形成飛濺。液柱爆斷后電弧重新引燃，電弧空間的氣體突然受高溫加熱而膨脹，局部壓力驟然升高，對熔池和焊絲端頭的液態(tài)金屬形成較大的沖擊力，嚴(yán)重時也會造成飛濺,熔滴沖擊力,熔化極富氬保護(hù)射流過渡焊接時，焊絲前端熔化金屬形成連續(xù)細(xì)滴沿焊絲軸線方向射向熔池，每個熔滴的重量只有數(shù)毫克，在等離子氣流驅(qū)動下，以很高的加速度（可達(dá)重力加速度的50倍以上）沖向熔池，到達(dá)熔池時其速度可達(dá)每秒幾百米。這些細(xì)滴帶有很大的動能，對熔池金屬形成強(qiáng)烈的沖擊,電弧力的影響因素,氣體介質(zhì)：以純氬氣保護(hù)GTA電弧作為比較

32、，當(dāng)在保護(hù)氣中混入氦氣時，電弧壓力有很大程度的降低，通常認(rèn)為這是由于He氣密度較低所致。在氬氣中混入氫氣時，電弧壓力升高，這是由于氫氣的導(dǎo)熱性更強(qiáng)，并且是多原子氣體，解離對電弧的冷卻作用大，導(dǎo)致電弧收縮,電流和弧長（電壓）：電流增大時電弧力顯著增加，其中電磁收縮力和等離子流力起主要作用。電弧電壓升高亦即電弧長度增加，電弧力降低，是由于電弧范圍擴(kuò)展造成的,電極（焊絲）直徑和鎢極端部幾何形狀：焊絲直徑越細(xì)，電流密度越大，電磁力越大，同時電弧呈現(xiàn)錐形越明顯，等離子流力增大，使電弧的總壓力增加。GTA電弧在短弧長時，電極直徑對電弧力的影響明顯。鎢極端部的幾何形狀與電弧作用在熔池上的力有密切的關(guān)系。通常

33、鎢極端部角度為45時，具有最大的電弧壓力，有時為了對電弧力加以限制，可以把鎢極最前端磨出一定尺寸的平臺，減小電弧靜壓力和等離子氣流,電極（焊絲）極性：GTA，鎢極接負(fù)時允許流過較大的電流，陰極區(qū)收縮的程度大，將形成錐度較大的錐形電弧，產(chǎn)生的軸向推力大，電弧力大。鎢極接正則形成較小的電弧壓力，一是需要使用較粗的鎢極，同時電弧在鎢極上的覆蓋面積較大，形成的電磁力和等離子流力小。 對于GMA焊，當(dāng)焊絲接負(fù)時，熔滴受到正離子的沖擊，有較大的斑點(diǎn)力作用在熔滴上，使熔滴長大，不能順利過渡，也不能形成很強(qiáng)的電磁力和等離子流力，因此電弧力小。在焊絲接正時，所受到的斑點(diǎn)力小，容易形成細(xì)小的熔滴，有較大的電磁力和

34、等離子流力，電弧壓力較大,脈動電流的影響：當(dāng)電流以某一規(guī)律變化時，電弧壓力也相應(yīng)變化。TIG焊時交流電弧壓力低于直流正接，但高于直流反接。低頻脈沖焊時，電弧壓力的變化能夠跟隨電流的變化。隨脈沖頻率的增加，電弧壓力的變化逐漸滯后于電流的變化。當(dāng)脈沖頻率高于幾千赫茲以后，由于高頻自磁壓縮效應(yīng)增強(qiáng)，在平均電流值相同的情況下，電弧壓力比之直流電弧有很大增加,九、電弧的挺直性與磁偏吹,電弧挺直性(arc stiffness)是指電弧作為柔性導(dǎo)體具有抵抗外界干擾、力求保持焊接電流沿電極軸線方向流動的性能。通常電弧是在電極與母材間最短距離間形成弧柱，然而當(dāng)電流較大時，電弧中心線沿著電極的傾斜方向伸展。電弧的

35、挺直性隨電流值的增大而增大。電流越大，電弧自身磁場強(qiáng)度越大，電弧越受拘束，電弧的挺直性也就越大。同時電弧的等離子氣流、保護(hù)氣氣流、周圍氣流的冷卻作用，也有助于電弧挺直性的提高,磁偏吹：若電弧周圍的磁場是均勻的、磁力線分布相對電弧軸線是對稱的，則電弧保持軸向?qū)ΨQ。如果磁力線分布的均勻性受到破壞，電弧中的電荷受力不均勻，就會使電弧偏向一側(cè)，稱作。磁偏吹總是表現(xiàn)為電磁力把電弧從磁力線密集的一側(cè)推向磁力線稀疏的一側(cè),Arc deflection during gas metal arc welding in a magnetic field. 來源: www.csiro.au/csiro/conten

36、t/standard/ps1cn,.html,磁偏吹影響因素,電弧處于工件端部時產(chǎn)生的磁偏吹,導(dǎo)線接線位置引起的磁偏吹,電弧附近的鐵磁性物質(zhì)引起的磁偏吹,磁偏吹改善措施： 采用較短弧長進(jìn)行焊接，電弧越短磁偏吹越??； 對工件采取分布式接地的辦法，比如兩側(cè)接地或多點(diǎn)接地； 操作中調(diào)整焊槍或焊條角度； 避免鐵磁性物質(zhì)的影響； 考慮使用脈沖焊或高頻電弧焊； 考慮使用交流焊接等,控制=電弧穩(wěn)定器 利用=磁控旋轉(zhuǎn)電弧 Controlling Heat Distribution Minimizing Undercuts Reducing Porosity Improving Penetration Stir

37、ring the Weld Puddle to Refine Grain Structure Enabling Exceptional Welds of Difficult Joints,Source: www.ap-,MA-10 ARC STABILIZER,十、直流電弧與交流電弧,直流電弧是指電?。姌O）極性不發(fā)生變化的電弧，其最大特點(diǎn)是穩(wěn)定性好，根據(jù)電流形式的不同，可以有恒定電流下的直流電弧和變動電流下的直流電弧。變動電流下的直流電弧是指焊接電流隨時間以某種規(guī)律變化著，包括低頻脈沖電弧、中等頻率脈沖電弧、高頻脈沖電弧等,交流電弧是指電?。姌O）極性隨時間交替變化的電弧，也就是焊接電流方向

38、按照一定的時間間隔變化。交流電弧產(chǎn)生極性轉(zhuǎn)換時，都存在電流過零問題，此時電弧瞬時熄滅，造成電弧不穩(wěn)定。因此，焊接應(yīng)用中需要對交流電弧采取穩(wěn)弧或再引燃措施。常用工頻方波和正弦波交流。 當(dāng)電弧兩個電極材料不同時，由于電子發(fā)射能力的不同，電弧兩種極性狀態(tài)時將流過不同的電流值，即正負(fù)半波電流不同的情況，正負(fù)半波電流的差值稱作直流分量，主要出現(xiàn)在使用普通交流焊機(jī)TIG焊接時，其中以鋁合金焊接最為突出。直流分量對焊機(jī)變壓器有不良影響。在鋁合金焊接中，可使用特殊的交流電源，正半波加熱，負(fù)半波清理氧化膜保護(hù)陰極，正負(fù)半波不對稱。變極性概念,十一、焊接電弧的動特性,電弧動特性是指焊接電流隨時間以一定形式變化時電

39、弧電壓的表現(xiàn)，反映的是電弧導(dǎo)電性能對電流時間變化的響應(yīng)能力。 直流電弧的動特性：采用一定形式的變動電流進(jìn)行焊接時的電流、電壓關(guān)系曲線，恒定直流電弧沒有動特性問題,在直流電流上疊加正弦波電流構(gòu)成的變動焊接電流電流及動特性曲線,電弧動特性中表現(xiàn)出的電流、電壓非單值對應(yīng)關(guān)系，是由于電弧等離子體的熱慣性效果在發(fā)揮作用。電流上升過程中，由于電弧先前處于相對低溫狀態(tài)，電流的增加需要有較高的電場進(jìn)行驅(qū)動，因此表現(xiàn)出電弧電壓有某種程度的增加；電流下降過程中，由于電弧先前已處于較高溫度狀態(tài)，電弧等離子體的熱慣性不能馬上對電流的降低做出反應(yīng)，電弧中仍然有較多的游離帶電粒子，電弧導(dǎo)電性仍然很強(qiáng)，使電弧電壓處于相對較

40、低的水平，從而形成回線狀的電弧動特性表現(xiàn)。 如果電弧電流高頻變化（1KHz以上），與電弧等離子體的形成、消失的時間相比，等離子體的狀態(tài)跟隨不上電流的變化，與電流相位無關(guān)，而維持一定的狀態(tài)，其結(jié)果就呈現(xiàn)出近電阻特性。高頻電弧的維弧電流可以達(dá)到零電流值，但電弧仍能夠穩(wěn)定燃燒，其原因就是電弧的溫度穩(wěn)定性和導(dǎo)電性已經(jīng)處于穩(wěn)定的狀態(tài)。低頻電弧不具備這個能力,交流電弧動特性：在正負(fù)半波，動特性曲線同樣表現(xiàn)出回線特征。交流電弧情況下，電弧的狀態(tài)亦即等離子體的溫度、導(dǎo)電率、陰極壓降區(qū)的狀態(tài)等時刻在變化著，在極性轉(zhuǎn)換時，電弧電流一旦達(dá)到零值，必須使轉(zhuǎn)換前的陽極表面迅速形成陰極。由此原因，在極性轉(zhuǎn)換時需要加以高電

41、壓。圖中的P點(diǎn)所對應(yīng)的電壓稱作再點(diǎn)弧電壓。再點(diǎn)弧電壓的數(shù)值因所使用的電極材料、保護(hù)氣種類的不同而不同。對于比較容易形成電弧的熱陰極材料，其再點(diǎn)弧電壓較低。而對于鋁、銅之類冷陰極電弧，其再點(diǎn)弧電壓較高,十二、焊接保護(hù)氣,保護(hù)氣作用：一是向電弧空間提供氣體介質(zhì)，二是起到保護(hù)作用，包括保護(hù)電弧、保護(hù)電極、保護(hù)被焊件（焊接區(qū)），避免上述部分受到大氣的侵蝕。涉及保護(hù)氣的電弧焊方法有TIG焊、MIG焊、CO2電弧焊、MAG、PAW、手工焊條電弧焊。 常用保護(hù)氣：最普遍的是氬氣，特殊要求下選擇使用氦氣、氬氣和氦氣的混合氣、在氬氣中加入少量的氫氣這幾種組合；對于GMAW方法，使用的主要?dú)怏w是氬氣、CO2氣、氧氣，有單一氬氣、單一CO2氣、氬氣+CO2氣、氬氣+CO2氣+氧氣