教學(xué)第一講-電弧的基本特性課件

第一講電弧的基本特性第一講電弧的基本特性1焊接電弧不是一般的燃燒現(xiàn)象，它是在一定條件下電荷通過兩極間氣體空間的一種導(dǎo)電過程（如圖7-1），也可以說是一種氣體放電現(xiàn)象。焊接電弧是電弧焊的熱源，而弧焊電源是為焊接電弧提供能量的設(shè)備。一、焊接電弧的種類★按焊接電流種類，可分為交流電弧、直流電弧、脈沖電弧。圖7-1焊接電弧導(dǎo)電示意圖第一講電弧的基本特性焊接電弧不是一般的燃燒現(xiàn)象，它是在一定條件下電荷通過兩極間氣2★按電弧狀態(tài)，可分為自由電?。ㄈ绾笚l電弧焊電弧）、壓縮電弧（如等離子?。??！锇措姌O材料，可分為熔化極電?。ㄈ鏑O2氣體保護(hù)焊電?。?、非熔化極電弧（如鎢極氬弧焊電?。?。二、焊接電弧的產(chǎn)生一般情況下，氣體不含有帶電粒子（電子、正離子、負(fù)離子），是由中性的分子或原子組成的。要使氣體產(chǎn)生電弧導(dǎo)電，必須使氣體分子或原子電離成帶電粒子——氣體電離；同時，為了使電弧維持“燃燒”，還必須不斷的輸送電能給電弧，以補(bǔ)充氣體電離時所消耗的電能，即電弧的陰極要不斷的發(fā)射電子。綜上所示，氣體電離和陰極發(fā)射電子是電弧產(chǎn)生的必要條件。1．氣體電離第一講電弧的基本特性★按電弧狀態(tài)，可分為自由電弧（如焊條電弧焊電?。嚎s電?。?★在外加能量作用下，中性氣體分子或原子分離成正離子和電子的現(xiàn)象稱為氣體電離。氣體分子或原子分離出一個外層電子所需要的最小能量稱為電離能或電離功，當(dāng)用電子伏特（eV）來衡量時，又稱電離勢或電離電位，用表示。氣體電離勢的大小與其原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。電離勢大表示氣體難電離、難導(dǎo)電，反之表示氣體容易電離。在焊接電弧中，根據(jù)引起電離的能量來源不同，電離有如下三種形式：（1）碰撞電離在電場中，被加速的帶電粒子與原子和分子相碰撞而產(chǎn)生電離。（2）熱電離在高溫下，具有高動能的氣體原子（或分子）在無規(guī)則的相互碰撞中產(chǎn)生的電離。（3）光電離氣體原子（或分子）吸收光輻射的能量而產(chǎn)生的電離。第一講電弧的基本特性★在外加能量作用下，中性氣體分子或原子分離成正離子和電子的現(xiàn)42．陰極電子發(fā)射陰極表面在外加能量作用下連續(xù)向外發(fā)射電子的現(xiàn)象稱陰極電子發(fā)射。要使其逸出金屬電極表面而產(chǎn)生電子發(fā)射，必須給電子施加一定的能量。電子從陰極表面逸出所需要的能量稱逸出功。按其能量來源不同，陰極電子發(fā)射可分為：（1）熱電子發(fā)射陰極表面受熱后，其中某些電子具有大于逸出功的動能而逸出到表面外的空間中去的現(xiàn)象稱為熱電子發(fā)射。熱電子發(fā)射在焊接電弧中起著重要的作用，它隨著溫度上升而增強(qiáng)。（2）場致電子發(fā)射這種由于在電場作用下而產(chǎn)生的電子發(fā)射稱為場致電子發(fā)射。電場越強(qiáng)，則場致電子發(fā)射能力越強(qiáng)。（3）光電子發(fā)射陰極表面接受光射線的能量而釋放出自由電子的現(xiàn)象稱為光電子發(fā)射。（4）撞擊電子發(fā)射運動速度較高、能量較大的重粒子（如正離子）撞擊陰極表面，將能量傳遞給陰極而產(chǎn)生的電子發(fā)射稱為撞擊電子發(fā)射。

第一講電弧的基本特性2．陰極電子發(fā)射第一講電弧的基本特性5陰極所用的材料不同，其電子發(fā)射形式也不同，有的以熱電子發(fā)射為主，有的以場致電發(fā)發(fā)射為主，而光電子發(fā)射和撞擊電子發(fā)射在焊接電弧中占次要地位?！锂?dāng)采用銅或鋁等熔點較低的材料做陰極（稱冷陰極）進(jìn)行焊接時，因受材料本身熔點的限制，陰極表面無法達(dá)到很高溫度，這時熱電子發(fā)射較弱，主要靠場致電子發(fā)射；★當(dāng)采用鎢、碳等熔點較高的材料做陰極（稱熱陰極）時，因表面溫度可被加熱到很高溫度（可達(dá)4000～5000K），使電子獲得足夠的能量而進(jìn)行強(qiáng)烈的熱電子發(fā)射，這時場致電子發(fā)射就居于次要地位了?！锞C上所述，焊接電弧的形成和維持，是在熱、光、電場和粒子動能的作用下，氣體原子或分子不斷地被電離以及陰極電子發(fā)射的結(jié)果。3．焊接電弧的引燃第一講電弧的基本特性陰極所用的材料不同，其電子發(fā)射形式也不同，有的以熱電子發(fā)射為6把造成兩電極間氣體發(fā)生電離和陰極電子發(fā)射而引起電弧燃燒的過程，稱為焊接電弧的引燃。焊接電弧的引燃一般有兩種方式：（1）接觸引弧弧焊電源接通后，電極（焊條或焊絲）與工件直接短路接觸，隨后迅速拉起電極（約2～4mm）而引燃電弧，這種引弧方式稱為接觸引弧。（2）非接觸引弧非接觸引弧指在引弧時，電極與工件之間保持一定的間隙，然后在電極與工件之間施以高電壓擊穿間隙使電弧引燃。這是一種依靠高壓電使電極表面產(chǎn)生電場發(fā)射來引燃電弧的方法。第一講電弧的基本特性把造成兩電極間氣體發(fā)生電離和陰極電子發(fā)射而引起電弧燃燒的過程7三、焊接電弧的結(jié)構(gòu)焊接電弧沿其長度方向分為三個區(qū)域，見圖7-2所示。緊靠負(fù)電極的區(qū)域為陰極區(qū)，緊靠正電極的區(qū)域為陽極區(qū)，陰極區(qū)和陽極區(qū)之間的區(qū)域稱為弧柱區(qū)。陽極區(qū)的長度約為10-3～10-4cm，陰極區(qū)的長度約為10-5～10-6cm，因此，電弧長度可近似認(rèn)為等于弧柱長度。沿著電弧長度方向的電壓分布是不均勻的，靠近電極部分產(chǎn)生較強(qiáng)烈的電壓降，即陰極區(qū)和陽極區(qū)的壓降較大，沿著弧柱長度方向的電壓降可以認(rèn)為是均勻分布的。這三個區(qū)的電壓降分別稱為陰極壓降、陽極壓降和弧柱壓降，它們組成了總的電弧電壓，可表示為弧柱壓降與弧柱長度成正比陽極壓降（常數(shù)）陰極壓降（常數(shù)）第一講電弧的基本特性三、焊接電弧的結(jié)構(gòu)弧柱壓降與弧柱長度成正比陽極壓降（常數(shù)）陰8四、焊接電弧的特性（一）焊接電弧的電特性焊接電弧的電特性即伏安特性，包括靜態(tài)伏安特性（靜特性）和動態(tài)伏安特性（動特性）。1．焊接電弧的靜特性a—陰極壓降與陽極壓降之和（V）；b—單位長度弧柱壓降（V/mm）；—弧柱長度（mm）。焊接電弧的特性電特性熱特性力學(xué)特性第一講電弧的基本特性四、焊接電弧的特性a—陰極壓降與陽極壓降之和（V）；焊接電弧9在電極材料、氣體介質(zhì)和電弧弧長一定的情況下，電弧穩(wěn)定燃燒時電弧電壓和焊接電流之間的關(guān)系稱為靜特性。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為（1）焊接電弧的靜特性曲線形狀及其應(yīng)用焊接電弧是非線性負(fù)載，即電弧兩端的電壓與通過電弧的電流之間不是成正比例關(guān)系。焊接電弧的靜特性近似呈形曲線，見圖7-3所示。形靜特性曲線可看成由三個區(qū)段組成。在Ⅰ區(qū)段，電弧電壓隨著電流的增加而下降，稱該段為下降特性段；在Ⅱ區(qū)段，電弧電壓基本上不隨電流的變化而變化，稱該段為平特性段，或稱恒壓特性；在Ⅲ區(qū)段，電弧電壓隨電流的增加而上升，稱該段為上升特性段。（2）弧長對靜特性曲線的影響當(dāng)電弧電流不變時，弧長增加，電弧電阻增大，根據(jù)歐姆定律，電弧電壓自然會增加。如圖7-4所示。第一講電弧的基本特性在電極材料、氣體介質(zhì)和電弧弧長一定的情況下，電弧穩(wěn)定燃燒時電102．焊接電弧的動特性在焊接過程中，由于受到熔滴過渡等因素的影響，電弧電壓和焊接電流時刻都在改變，即電弧永遠(yuǎn)處于動平衡狀態(tài)。所謂電弧的動特性，是指在一定的弧長下，當(dāng)電弧電流以很快的速度變化時，電弧電壓和焊接電流瞬時值之間的關(guān)系圖7-5是電弧動特性示意圖。（二）焊接電弧的熱特性1．焊接電弧的產(chǎn)熱特性在電弧焊中，通過電弧把電能轉(zhuǎn)換成焊接所需要的熱能和機(jī)械能。（1）弧柱的產(chǎn)熱特性弧柱中的導(dǎo)電任務(wù)絕大部分由電子來承擔(dān)，即弧柱中的熱量主要由電子的動能轉(zhuǎn)換而來。

—瞬時電流；—瞬時電壓。第一講電弧的基本特性2．焊接電弧的動特性—瞬時電流；第一講電弧的基本特11（2）陰極區(qū)的產(chǎn)熱特性陰極區(qū)和弧柱區(qū)相比，長度短，且直接靠近電極或工件，所以陰極區(qū)產(chǎn)生的熱量對電極或工件的影響更直接。所產(chǎn)生的熱量主要用于對陰極的加熱和陰極區(qū)的散熱損失。（3）陽極區(qū)的產(chǎn)熱特性陽極區(qū)的熱量主要是當(dāng)自由電子撞入陽極時，由自由電子動能和位能轉(zhuǎn)化而來。2．焊接電弧的熱效率及能量密度電弧焊的熱能由電能轉(zhuǎn)換而來，因此電弧的熱功率可用下式表示電弧產(chǎn)生的熱能并不能全部有效地用于焊接，其中一部分因?qū)α?、輻射及傳?dǎo)等損失，用于加熱、熔化填充材料及工件的電弧熱功率稱為有效熱功率，表示為——熱效率。為有效熱功率系數(shù)，即表7-1為常用焊接方法的熱效率系數(shù)有效熱功率第一講電弧的基本特性（2）陰極區(qū)的產(chǎn)熱特性陰極區(qū)和弧柱區(qū)相比，長12★當(dāng)其它條件不變時，電弧電壓升高，弧長增加，通過對流、輻射等損失的弧柱熱量增加，熱效率隨著電弧電壓的升高而降低。單位面積上的有效功率稱為能量密度。能量密度在電弧軸線處最大，從中心到周圍逐漸降低。3．電弧的溫度分布焊接電弧中三個區(qū)域的溫度分布是不均勻的，一般情況下，陽極斑點溫度高于陰極斑點溫度，分別占放出熱量的43%和36%左右，但都低于該種電極材料的沸點。弧柱區(qū)的溫度最高，但沿其截面分布不均，其中心溫度最高，可達(dá)5000K～8000K。（三）焊接電弧的力學(xué)特性電弧在電弧焊中的作用之一是把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，機(jī)械能在電弧焊中以電弧力的形式表現(xiàn)出來。電弧力包括電磁收縮力、等離子流力、斑點壓力、熔滴沖擊力及短路爆破力等。第一講電弧的基本特性★當(dāng)其它條件不變時，電弧電壓升高，弧長增加，通過對流、輻射等131．電弧力的類型及作用（1）電磁收縮力當(dāng)電流通過兩根相近的平行導(dǎo)線時，若電流方向相同則產(chǎn)生相互吸引力，電流方向相反則產(chǎn)生排斥力。這種由電磁場產(chǎn)生的力稱為電磁力，其大小與導(dǎo)線中流過的電流大小成正比，與兩導(dǎo)線間的距離成反比。若把電弧中的電流看成是由許多靠近的平行同向電流線組成時，則它們之間將產(chǎn)生相互吸引力。因電弧是柔性導(dǎo)體，它的截面是可變的，截面將產(chǎn)生收縮。這種現(xiàn)象稱為電磁收縮效應(yīng)，產(chǎn)生此效應(yīng)的力稱為電磁收縮力。（2）等離子流力錐形電弧在電磁收縮力的作用下，高溫氣體不斷的由電極流向工件，電弧周圍的氣體不斷地從電極旁進(jìn)行補(bǔ)充，補(bǔ)充進(jìn)的氣體被加熱電離并連續(xù)流向工件，對熔池形成動壓力，即等離子流力。（3）斑點力電弧焊時，電極斑點受到帶電粒子的撞擊或金屬蒸發(fā)的反作用而對斑點產(chǎn)生壓力，稱為斑點力。第一講電弧的基本特性1．電弧力的類型及作用第一講電弧的基本特性14★不論是陰極斑點力還是陽極斑點力，其方向總是與熔滴過渡方向相反，阻礙熔滴過渡。一般陰極斑點力比陽極斑點力大。（4）熔滴沖擊力當(dāng)采用較大電流進(jìn)行熔化極氬弧焊時，熔滴呈射流過渡，在等離子流力的作用下，熔滴以極大的加速度連續(xù)沿軸向射向熔池，使焊縫極易形成指狀熔深。（5）短路爆破力電弧從燃燒狀態(tài)過渡到短路狀態(tài)，電弧電流迅速上升，熔滴溫度急劇升高，使液柱汽化爆斷，產(chǎn)生較大的沖擊力，導(dǎo)致飛濺產(chǎn)生。2．影響電弧力的因素（1）氣體介質(zhì)不同種類的氣體介質(zhì)，其熱物理性能不同，對電弧產(chǎn)生的影響也不同。導(dǎo)熱性強(qiáng)的氣體或多原子氣體消耗的熱量多，對電弧有冷卻作用，會引起電弧的收縮，導(dǎo)致電弧力的增加。氣體流量或電弧空間氣體壓力增加，也會引起弧柱收縮導(dǎo)致電弧力增加，同時使斑點力增大。第一講電弧的基本特性★不論是陰極斑點力還是陽極斑點力，其方向總是與熔滴過渡方向相15（2）電流和電弧電壓電流越大，電磁收縮力和等離子流力都將增大，所以電弧力也增大。電流一定，電弧長度增加引起電弧電壓升高，則電弧力降低。（3）焊絲直徑焊接電流一定時，焊絲越細(xì)，電流密度越大，造成電弧錐形越明顯，電磁力和等離子流力越大，電弧力也增大。（4）電極極性通常陰極導(dǎo)電區(qū)的收縮程度比陽極區(qū)大，因此，直流正接時，可形成錐度較大的電弧，產(chǎn)生較大的電弧力。熔化極氣體保護(hù)焊采用直流正接時，熔滴受到較大的斑點力，過渡時受阻，電弧力較??；反之，直流反接時，電弧力較大。第一講電弧的基本特性（2）電流和電弧電壓電流越大，電磁收縮力和等16圖7-2電弧結(jié)構(gòu)和壓降分布示意圖第一講電弧的基本特性圖7-2電弧結(jié)構(gòu)和壓降分布示意圖第一講電弧的基本特性17圖7-3焊接電弧的靜特性曲線小電流鎢極氬弧焊、微束等離子弧焊以及脈沖氬弧焊中的“維弧”狀態(tài)，通常使用電弧靜特性的下降段

對于細(xì)絲大電流CO2氣體保護(hù)焊、等離子弧焊，則通常工作在電弧靜特性的上升段

對于焊條電弧焊、粗絲CO2氣體保護(hù)焊、埋弧焊，多工作在電弧靜特性的水平段

第一講電弧的基本特性圖7-3焊接電弧的靜特性曲線小電流鎢極氬弧焊、微束等離子18圖7-4弧長對電弧靜特性的影響第一講電弧的基本特性圖7-4弧長對電弧靜特性的影響第一講電弧的基本特性19圖7-5電弧動特性的說明示意圖為什么第一講電弧的基本特性圖7-5電弧動特性的說明示意圖為什么第一講電弧的基本20實際動特性曲線成因分析第一講電弧的基本特性實際動特性曲線第一講電弧的基本特性21表7-1常用焊接方法的熱效率系數(shù)焊接方法焊條電弧焊埋弧焊CO2氣體保護(hù)焊熔化極氬弧焊鎢極氬弧焊0.65～0.850.80～0.900.75～0.900.70～0.800.65～0.70第一講電弧的基本特性表7-1常用焊接方法的熱效率系數(shù)焊接方法焊條電弧焊0.622以交流電形式向焊接電弧輸送電能的電源稱為交流弧焊電源，產(chǎn)生的焊接電弧是交流電弧。五、交流電弧的特點交流電弧一般是由頻率為50Hz的交流電源供電。每秒鐘電弧電流有100次過零點，即每秒鐘電弧熄滅和再引燃100次。交流電弧有以下特點：（1）電弧周期性地熄滅和引燃交流電弧在過零點改變極性時熄滅，電弧空間溫度下降，此時電弧中異性帶電粒子發(fā)生復(fù)合，降低了電弧空間的導(dǎo)電能力。只有當(dāng)電源電壓增大到超過再引燃電壓后，電弧才有可能被再次引燃。（2）電弧電壓和電流的波形發(fā)生畸變由于電弧電壓和電流是交變的，使電弧空間和電極表面的溫度也隨時變化。因而電弧電阻不是常數(shù)，而是隨著電弧電流的變化而變化。當(dāng)電源電壓按正弦曲線變化時，電弧電壓和電流就不按正弦規(guī)律變化，而發(fā)生了畸變。第一講電弧的基本特性以交流電形式向焊接電弧輸送電能的電源稱為交流弧焊電源，產(chǎn)生的23（3）熱慣性作用較明顯由于電弧電壓和電流變化得較快，而電弧熱的變化滯后于電的變化。某一時刻的瞬時電流，使電弧空間發(fā)生熱電離的效應(yīng)要推遲一定時間才能表現(xiàn)出來。六、交流電弧連續(xù)燃燒的條件交流電弧燃燒時若有熄弧時間，則熄弧時間越長，電弧就越不穩(wěn)定。為了保證焊接質(zhì)量，必須將熄弧時間減小至零，即電弧在每次熄滅后能迅速地自行恢復(fù)燃燒，使交流電弧連續(xù)燃燒。對純電阻性電路，即焊接回路的電阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于感抗值，通過理論分析可知，它總是存在一定的熄弧時間，不利于交流電弧的穩(wěn)定燃燒；對電感性電路，根據(jù)電壓與電流的波形圖（圖7-6）看出，只要電路中電感值足夠大，就能使焊接電流滯后于電源電壓一定的相位角，使電源電壓的值達(dá)到引弧電壓，便能保證交流電弧連續(xù)、穩(wěn)定地燃燒。第一講電弧的基本特性（3）熱慣性作用較明顯由于電弧電壓和電流變化得24★要使交流電弧穩(wěn)定燃燒，就應(yīng)保證焊接回路中有足夠大的電感，這樣才能保證電流改變極性時電弧能迅速地自行恢復(fù)燃燒，保證交流電弧穩(wěn)定性，提高焊接質(zhì)量。七、影響交流電弧燃燒的因素和提高電弧穩(wěn)定性的措施1．影響交流電弧燃燒的因素（1）空載電壓越高，在相同的引弧電壓下熄弧時間越短，電弧越穩(wěn)定。一般條件下（2）再引燃電壓對電弧的穩(wěn)定燃燒有很大的影響。值越大，電弧引燃越困難，電弧越不穩(wěn)定。（3）電路參數(shù)主電路的電感、電阻對電弧連續(xù)燃燒也有較大的影響。增大或減小，均可使電弧趨向穩(wěn)定連續(xù)地燃燒。第一講電弧的基本特性★要使交流電弧穩(wěn)定燃燒，就應(yīng)保證焊接回路中有足夠大的電感，這25（4）焊接電流焊接電流越大，電弧空間的熱量就越多，而且電流變化率也越大，即熱慣性作用越顯著，將導(dǎo)致降低，電弧的穩(wěn)定性提高。（5）電源頻率提高，周期和電弧熄滅時間相應(yīng)縮短。（6）電極的熱物理性能和尺寸電極具有較大的熱容量和熱導(dǎo)率，或具有較大的尺寸和較低的熔點，就會使電極散熱迅速，溫度降低快，因而較大，增大電弧不穩(wěn)定性。2．提高交流電弧穩(wěn)定性的措施（1）提高弧焊電源的頻率（2）提高電源的空載電壓（3）改善電弧電流的波形（4）疊加高壓電

第一講電弧的基本特性（4）焊接電流焊接電流越大，電弧空間的熱量就越26圖7-6電感性電路交流電弧的電壓和電流波形圖第一講電弧的基本特性圖7-6電感性電路交流電弧的電壓和電流波形圖第一講電27第一講電弧的基本特性第一講電弧的基本特性28焊接電弧不是一般的燃燒現(xiàn)象，它是在一定條件下電荷通過兩極間氣體空間的一種導(dǎo)電過程（如圖7-1），也可以說是一種氣體放電現(xiàn)象。焊接電弧是電弧焊的熱源，而弧焊電源是為焊接電弧提供能量的設(shè)備。一、焊接電弧的種類★按焊接電流種類，可分為交流電弧、直流電弧、脈沖電弧。圖7-1焊接電弧導(dǎo)電示意圖第一講電弧的基本特性焊接電弧不是一般的燃燒現(xiàn)象，它是在一定條件下電荷通過兩極間氣29★按電弧狀態(tài)，可分為自由電?。ㄈ绾笚l電弧焊電?。嚎s電?。ㄈ绲入x子?。?。★按電極材料，可分為熔化極電?。ㄈ鏑O2氣體保護(hù)焊電?。⒎侨刍瘶O電?。ㄈ珂u極氬弧焊電弧）。二、焊接電弧的產(chǎn)生一般情況下，氣體不含有帶電粒子（電子、正離子、負(fù)離子），是由中性的分子或原子組成的。要使氣體產(chǎn)生電弧導(dǎo)電，必須使氣體分子或原子電離成帶電粒子——氣體電離；同時，為了使電弧維持“燃燒”，還必須不斷的輸送電能給電弧，以補(bǔ)充氣體電離時所消耗的電能，即電弧的陰極要不斷的發(fā)射電子。綜上所示，氣體電離和陰極發(fā)射電子是電弧產(chǎn)生的必要條件。1．氣體電離第一講電弧的基本特性★按電弧狀態(tài)，可分為自由電?。ㄈ绾笚l電弧焊電?。?、壓縮電?。?0★在外加能量作用下，中性氣體分子或原子分離成正離子和電子的現(xiàn)象稱為氣體電離。氣體分子或原子分離出一個外層電子所需要的最小能量稱為電離能或電離功，當(dāng)用電子伏特（eV）來衡量時，又稱電離勢或電離電位，用表示。氣體電離勢的大小與其原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。電離勢大表示氣體難電離、難導(dǎo)電，反之表示氣體容易電離。在焊接電弧中，根據(jù)引起電離的能量來源不同，電離有如下三種形式：（1）碰撞電離在電場中，被加速的帶電粒子與原子和分子相碰撞而產(chǎn)生電離。（2）熱電離在高溫下，具有高動能的氣體原子（或分子）在無規(guī)則的相互碰撞中產(chǎn)生的電離。（3）光電離氣體原子（或分子）吸收光輻射的能量而產(chǎn)生的電離。第一講電弧的基本特性★在外加能量作用下，中性氣體分子或原子分離成正離子和電子的現(xiàn)312．陰極電子發(fā)射陰極表面在外加能量作用下連續(xù)向外發(fā)射電子的現(xiàn)象稱陰極電子發(fā)射。要使其逸出金屬電極表面而產(chǎn)生電子發(fā)射，必須給電子施加一定的能量。電子從陰極表面逸出所需要的能量稱逸出功。按其能量來源不同，陰極電子發(fā)射可分為：（1）熱電子發(fā)射陰極表面受熱后，其中某些電子具有大于逸出功的動能而逸出到表面外的空間中去的現(xiàn)象稱為熱電子發(fā)射。熱電子發(fā)射在焊接電弧中起著重要的作用，它隨著溫度上升而增強(qiáng)。（2）場致電子發(fā)射這種由于在電場作用下而產(chǎn)生的電子發(fā)射稱為場致電子發(fā)射。電場越強(qiáng)，則場致電子發(fā)射能力越強(qiáng)。（3）光電子發(fā)射陰極表面接受光射線的能量而釋放出自由電子的現(xiàn)象稱為光電子發(fā)射。（4）撞擊電子發(fā)射運動速度較高、能量較大的重粒子（如正離子）撞擊陰極表面，將能量傳遞給陰極而產(chǎn)生的電子發(fā)射稱為撞擊電子發(fā)射。

第一講電弧的基本特性2．陰極電子發(fā)射第一講電弧的基本特性32陰極所用的材料不同，其電子發(fā)射形式也不同，有的以熱電子發(fā)射為主，有的以場致電發(fā)發(fā)射為主，而光電子發(fā)射和撞擊電子發(fā)射在焊接電弧中占次要地位?！锂?dāng)采用銅或鋁等熔點較低的材料做陰極（稱冷陰極）進(jìn)行焊接時，因受材料本身熔點的限制，陰極表面無法達(dá)到很高溫度，這時熱電子發(fā)射較弱，主要靠場致電子發(fā)射；★當(dāng)采用鎢、碳等熔點較高的材料做陰極（稱熱陰極）時，因表面溫度可被加熱到很高溫度（可達(dá)4000～5000K），使電子獲得足夠的能量而進(jìn)行強(qiáng)烈的熱電子發(fā)射，這時場致電子發(fā)射就居于次要地位了?！锞C上所述，焊接電弧的形成和維持，是在熱、光、電場和粒子動能的作用下，氣體原子或分子不斷地被電離以及陰極電子發(fā)射的結(jié)果。3．焊接電弧的引燃第一講電弧的基本特性陰極所用的材料不同，其電子發(fā)射形式也不同，有的以熱電子發(fā)射為33把造成兩電極間氣體發(fā)生電離和陰極電子發(fā)射而引起電弧燃燒的過程，稱為焊接電弧的引燃。焊接電弧的引燃一般有兩種方式：（1）接觸引弧弧焊電源接通后，電極（焊條或焊絲）與工件直接短路接觸，隨后迅速拉起電極（約2～4mm）而引燃電弧，這種引弧方式稱為接觸引弧。（2）非接觸引弧非接觸引弧指在引弧時，電極與工件之間保持一定的間隙，然后在電極與工件之間施以高電壓擊穿間隙使電弧引燃。這是一種依靠高壓電使電極表面產(chǎn)生電場發(fā)射來引燃電弧的方法。第一講電弧的基本特性把造成兩電極間氣體發(fā)生電離和陰極電子發(fā)射而引起電弧燃燒的過程34三、焊接電弧的結(jié)構(gòu)焊接電弧沿其長度方向分為三個區(qū)域，見圖7-2所示。緊靠負(fù)電極的區(qū)域為陰極區(qū)，緊靠正電極的區(qū)域為陽極區(qū)，陰極區(qū)和陽極區(qū)之間的區(qū)域稱為弧柱區(qū)。陽極區(qū)的長度約為10-3～10-4cm，陰極區(qū)的長度約為10-5～10-6cm，因此，電弧長度可近似認(rèn)為等于弧柱長度。沿著電弧長度方向的電壓分布是不均勻的，靠近電極部分產(chǎn)生較強(qiáng)烈的電壓降，即陰極區(qū)和陽極區(qū)的壓降較大，沿著弧柱長度方向的電壓降可以認(rèn)為是均勻分布的。這三個區(qū)的電壓降分別稱為陰極壓降、陽極壓降和弧柱壓降，它們組成了總的電弧電壓，可表示為弧柱壓降與弧柱長度成正比陽極壓降（常數(shù)）陰極壓降（常數(shù)）第一講電弧的基本特性三、焊接電弧的結(jié)構(gòu)弧柱壓降與弧柱長度成正比陽極壓降（常數(shù)）陰35四、焊接電弧的特性（一）焊接電弧的電特性焊接電弧的電特性即伏安特性，包括靜態(tài)伏安特性（靜特性）和動態(tài)伏安特性（動特性）。1．焊接電弧的靜特性a—陰極壓降與陽極壓降之和（V）；b—單位長度弧柱壓降（V/mm）；—弧柱長度（mm）。焊接電弧的特性電特性熱特性力學(xué)特性第一講電弧的基本特性四、焊接電弧的特性a—陰極壓降與陽極壓降之和（V）；焊接電弧36在電極材料、氣體介質(zhì)和電弧弧長一定的情況下，電弧穩(wěn)定燃燒時電弧電壓和焊接電流之間的關(guān)系稱為靜特性。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為（1）焊接電弧的靜特性曲線形狀及其應(yīng)用焊接電弧是非線性負(fù)載，即電弧兩端的電壓與通過電弧的電流之間不是成正比例關(guān)系。焊接電弧的靜特性近似呈形曲線，見圖7-3所示。形靜特性曲線可看成由三個區(qū)段組成。在Ⅰ區(qū)段，電弧電壓隨著電流的增加而下降，稱該段為下降特性段；在Ⅱ區(qū)段，電弧電壓基本上不隨電流的變化而變化，稱該段為平特性段，或稱恒壓特性；在Ⅲ區(qū)段，電弧電壓隨電流的增加而上升，稱該段為上升特性段。（2）弧長對靜特性曲線的影響當(dāng)電弧電流不變時，弧長增加，電弧電阻增大，根據(jù)歐姆定律，電弧電壓自然會增加。如圖7-4所示。第一講電弧的基本特性在電極材料、氣體介質(zhì)和電弧弧長一定的情況下，電弧穩(wěn)定燃燒時電372．焊接電弧的動特性在焊接過程中，由于受到熔滴過渡等因素的影響，電弧電壓和焊接電流時刻都在改變，即電弧永遠(yuǎn)處于動平衡狀態(tài)。所謂電弧的動特性，是指在一定的弧長下，當(dāng)電弧電流以很快的速度變化時，電弧電壓和焊接電流瞬時值之間的關(guān)系圖7-5是電弧動特性示意圖。（二）焊接電弧的熱特性1．焊接電弧的產(chǎn)熱特性在電弧焊中，通過電弧把電能轉(zhuǎn)換成焊接所需要的熱能和機(jī)械能。（1）弧柱的產(chǎn)熱特性弧柱中的導(dǎo)電任務(wù)絕大部分由電子來承擔(dān)，即弧柱中的熱量主要由電子的動能轉(zhuǎn)換而來。

—瞬時電流；—瞬時電壓。第一講電弧的基本特性2．焊接電弧的動特性—瞬時電流；第一講電弧的基本特38（2）陰極區(qū)的產(chǎn)熱特性陰極區(qū)和弧柱區(qū)相比，長度短，且直接靠近電極或工件，所以陰極區(qū)產(chǎn)生的熱量對電極或工件的影響更直接。所產(chǎn)生的熱量主要用于對陰極的加熱和陰極區(qū)的散熱損失。（3）陽極區(qū)的產(chǎn)熱特性陽極區(qū)的熱量主要是當(dāng)自由電子撞入陽極時，由自由電子動能和位能轉(zhuǎn)化而來。2．焊接電弧的熱效率及能量密度電弧焊的熱能由電能轉(zhuǎn)換而來，因此電弧的熱功率可用下式表示電弧產(chǎn)生的熱能并不能全部有效地用于焊接，其中一部分因?qū)α?、輻射及傳?dǎo)等損失，用于加熱、熔化填充材料及工件的電弧熱功率稱為有效熱功率，表示為——熱效率。為有效熱功率系數(shù)，即表7-1為常用焊接方法的熱效率系數(shù)有效熱功率第一講電弧的基本特性（2）陰極區(qū)的產(chǎn)熱特性陰極區(qū)和弧柱區(qū)相比，長39★當(dāng)其它條件不變時，電弧電壓升高，弧長增加，通過對流、輻射等損失的弧柱熱量增加，熱效率隨著電弧電壓的升高而降低。單位面積上的有效功率稱為能量密度。能量密度在電弧軸線處最大，從中心到周圍逐漸降低。3．電弧的溫度分布焊接電弧中三個區(qū)域的溫度分布是不均勻的，一般情況下，陽極斑點溫度高于陰極斑點溫度，分別占放出熱量的43%和36%左右，但都低于該種電極材料的沸點?；≈鶇^(qū)的溫度最高，但沿其截面分布不均，其中心溫度最高，可達(dá)5000K～8000K。（三）焊接電弧的力學(xué)特性電弧在電弧焊中的作用之一是把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，機(jī)械能在電弧焊中以電弧力的形式表現(xiàn)出來。電弧力包括電磁收縮力、等離子流力、斑點壓力、熔滴沖擊力及短路爆破力等。第一講電弧的基本特性★當(dāng)其它條件不變時，電弧電壓升高，弧長增加，通過對流、輻射等401．電弧力的類型及作用（1）電磁收縮力當(dāng)電流通過兩根相近的平行導(dǎo)線時，若電流方向相同則產(chǎn)生相互吸引力，電流方向相反則產(chǎn)生排斥力。這種由電磁場產(chǎn)生的力稱為電磁力，其大小與導(dǎo)線中流過的電流大小成正比，與兩導(dǎo)線間的距離成反比。若把電弧中的電流看成是由許多靠近的平行同向電流線組成時，則它們之間將產(chǎn)生相互吸引力。因電弧是柔性導(dǎo)體，它的截面是可變的，截面將產(chǎn)生收縮。這種現(xiàn)象稱為電磁收縮效應(yīng)，產(chǎn)生此效應(yīng)的力稱為電磁收縮力。（2）等離子流力錐形電弧在電磁收縮力的作用下，高溫氣體不斷的由電極流向工件，電弧周圍的氣體不斷地從電極旁進(jìn)行補(bǔ)充，補(bǔ)充進(jìn)的氣體被加熱電離并連續(xù)流向工件，對熔池形成動壓力，即等離子流力。（3）斑點力電弧焊時，電極斑點受到帶電粒子的撞擊或金屬蒸發(fā)的反作用而對斑點產(chǎn)生壓力，稱為斑點力。第一講電弧的基本特性1．電弧力的類型及作用第一講電弧的基本特性41★不論是陰極斑點力還是陽極斑點力，其方向總是與熔滴過渡方向相反，阻礙熔滴過渡。一般陰極斑點力比陽極斑點力大。（4）熔滴沖擊力當(dāng)采用較大電流進(jìn)行熔化極氬弧焊時，熔滴呈射流過渡，在等離子流力的作用下，熔滴以極大的加速度連續(xù)沿軸向射向熔池，使焊縫極易形成指狀熔深。（5）短路爆破力電弧從燃燒狀態(tài)過渡到短路狀態(tài)，電弧電流迅速上升，熔滴溫度急劇升高，使液柱汽化爆斷，產(chǎn)生較大的沖擊力，導(dǎo)致飛濺產(chǎn)生。2．影響電弧力的因素（1）氣體介質(zhì)不同種類的氣體介質(zhì)，其熱物理性能不同，對電弧產(chǎn)生的影響也不同。導(dǎo)熱性強(qiáng)的氣體或多原子氣體消耗的熱量多，對電弧有冷卻作用，會引起電弧的收縮，導(dǎo)致電弧力的增加。氣體流量或電弧空間氣體壓力增加，也會引起弧柱收縮導(dǎo)致電弧力增加，同時使斑點力增大。第一講電弧的基本特性★不論是陰極斑點力還是陽極斑點力，其方向總是與熔滴過渡方向相42（2）電流和電弧電壓電流越大，電磁收縮力和等離子流力都將增大，所以電弧力也增大。電流一定，電弧長度增加引起電弧電壓升高，則電弧力降低。（3）焊絲直徑焊接電流一定時，焊絲越細(xì)，電流密度越大，造成電弧錐形越明顯，電磁力和等離子流力越大，電弧力也增大。（4）電極極性通常陰極導(dǎo)電區(qū)的收縮程度比陽極區(qū)大，因此，直流正接時，可形成錐度較大的電弧，產(chǎn)生較大的電弧力。熔化極氣體保護(hù)焊采用直流正接時，熔滴受到較大的斑點力，過渡時受阻，電弧力較小；反之，直流反接時，電弧力較大。第一講電弧的基本特性（2）電流和電弧電壓電流越大，電磁收縮力和等43圖7-2電弧結(jié)構(gòu)和壓降分布示意圖第一講電弧的基本特性圖7-2電弧結(jié)構(gòu)和壓降分布示意圖第一講電弧的基本特性44圖7-3焊接電弧的靜特性曲線小電流鎢極氬弧焊、微束等離子弧焊以及脈沖氬弧焊中的“維弧”狀態(tài)，通常使用電弧靜特性的下降段

對于細(xì)絲大電流CO2氣體保護(hù)焊、等離子弧焊，則通常工作在電弧靜特性的上升段

對于焊條電弧焊、粗絲CO2氣體保護(hù)焊、埋弧焊，多工作在電弧靜特性的水平段

第一講電弧的基本特性圖7-3焊接電弧的靜特性曲線小電流鎢極氬弧焊、微束等離子45圖7-4弧長對電弧靜特性的影響第一講電弧的基本特性圖7-4弧長對電弧靜特性的影響第一講電弧的基本特性46圖7-5電弧動特性的說明示意圖為什么第一講電弧的基本特性圖7-5電弧動特性的說明示意圖為什么第一講電弧的基本47實際動特性曲線成因分析第一講電弧的基本特性實際動特性曲線第一講電弧的基本特性48表7-1常用焊接方法的熱效率系數(shù)焊接方法焊條電弧焊埋弧焊CO2氣體保護(hù)焊熔化極氬弧焊鎢極氬弧焊0.65～0.850.80～0.900.75～0.900.70～0.800.65～0.70第一講電弧的基本特性表7-1常用焊接方法的熱效率系數(shù)焊接方法焊條電弧焊0.649以交流電形式向焊接電弧輸送電能的電源稱為交流弧焊電源，產(chǎn)生的焊接電弧是交流電弧。五、交流電弧的特點交流電弧一般是由頻率為50Hz的交流電源供電。每秒鐘電弧電流有100次過零點，即每秒鐘電弧熄滅和再引燃100次。交流電弧有以下