焊接電弧的基礎知識教材課件

焊接電弧的基本知識焊接電弧的基本知識1Ⅰ、焊接電弧的產生

氣體導電必須具備兩個條件：①兩電極之間有帶電粒子；②兩電極之間有電場。電弧的引燃過程Ⅱ、電弧的構成Ⅲ.焊接電弧及其特性一、焊接電弧的物理基礎（一）電弧及其電場強度分布（二）電弧中帶電粒子的產生氣體電離電極發(fā)射電子形成負離子（三）帶電粒子的消失Ⅰ、焊接電弧的產生2二、焊接電弧的導電特性（一）弧柱區(qū)的導電特性（二）陰極區(qū)的特點（三）

陽極區(qū)的特點（四）焊接電弧的靜態(tài)伏安特性三、焊接電弧的工藝特性（一）電弧的熱能特性

⑴弧柱、陰極區(qū)、陽極區(qū)的產熱（2）電弧的溫度分布（二）電弧的力學特性（三）焊接電弧的穩(wěn)定性二、焊接電弧的導電特性3

電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，它是帶電粒子通過兩電極之間氣體空間的一種導電過程。

氣體導電必須具備兩個條件：①兩電極之間有帶電粒子；②兩電極之間有電場。帶電粒子在電場作用下運動形成電流，從而使兩電極之間的氣體空間成為導體，也就形成了電弧。Ⅰ、焊接電弧的產生Ⅰ、焊接電弧的產生4電弧的引燃過程（1）焊條與工件接觸短路短路時，電流密集的個別接觸點被電阻熱所加熱，極小的氣隙的電場強度很高。結果：①少量電子逸出。②個別接觸點被加熱、熔化，甚至蒸發(fā)、汽化。③出現(xiàn)很多低電離電位的金屬蒸汽。（2）提起焊條保持恰當距離在熱激發(fā)和強電場作用下，負極發(fā)射電子并作高速定向運動，撞擊中性分子和原子使之激發(fā)或電離。結果：氣隙間的氣體迅速電離，在撞擊、激發(fā)和正負帶電粒子復合中，其能量轉換，發(fā)出光和熱。電弧的引燃過程（1）焊條與工件接觸短路（2）提起焊條保持恰當5電弧放電電壓最低，電流最大，溫度最高，發(fā)光最強。將電弧放電用作焊接熱源，既安全，加熱效率也高。電弧放電產生高熱和強光，電弧切割、碳弧氣刨、電弧焊接等；強光能照明，如探照燈，用弧光燈放電影電弧放電電壓最低，電流最大，溫度最高，發(fā)光最強。6焊接電弧電壓分為三個區(qū)：陰極區(qū)、陽極區(qū)和弧柱區(qū)。陰極區(qū)和陽極區(qū)上有活性斑點，即陰極斑點和陽極斑點（電流密度大，溫度高，發(fā)出光亮的點）Ⅱ、電弧的構成焊接電弧電壓分為三個區(qū)：陰極區(qū)、陽極區(qū)和弧柱區(qū)。Ⅱ、電弧的構7一、焊接電弧的物理基礎電弧的實質：氣體放電（導電）（一）電弧及其電場強度分布電弧的特點：低電壓、大電流、溫度高、亮度大Ⅲ.焊接電弧及其特性一、焊接電弧的物理基礎電弧的實質：氣體放電（導電）（一81、氣體電離：電離：中性氣體分子或原子分離成電子和正離子的現(xiàn)象。電離電壓：電離能用電離電壓來表示，電離電壓低說明氣體的電離比較容易，電弧比較穩(wěn)定。

（二）電弧中帶電粒子的產生氣體電離電極發(fā)射電子形成負離子1、氣體電離：電離：中性氣體分子或原子分離成電子和正離子的現(xiàn)9焊接電弧的基礎知識教材課件10碰撞電離氣體電離的形式熱電離：氣體粒子的熱運動，形成頻繁而激烈的碰撞產生的電離，是弧柱區(qū)產生帶電粒子的主要途徑。電場作用下的電離：陰極區(qū)和陽極區(qū)的電場強度非常高，高達105~107V/cm，氣體電離以電場作用下的電離為主。光電離：光輻射只可能對K、Na、Ca、Al等金屬蒸汽直接引起光電離；次要途徑。碰撞電離氣體電離的形式熱電離：氣體粒子的熱運動，形成頻繁而激112、電子發(fā)射電子發(fā)射：電極表面受到外加能量的作用，使其內部的電子沖破電極表面的束縛飛到電弧空間的現(xiàn)象稱為電子發(fā)射。逸出功：使一個電子從金屬表面飛出所需的能量稱為逸出功。通常用逸出電壓表示。常用金屬的逸出功金屬WFeAl純金屬4.544.484.25氧化物3.923.9可見有氧化物時逸出功比較低，所以電子容易從氧化膜出逸出，形成陰極斑點。2、電子發(fā)射電子發(fā)射：電極表面受到外加能量的作用，使其內部的12電子發(fā)射機構分類：電場發(fā)射、熱發(fā)射、光發(fā)射、粒子碰撞發(fā)射；實際焊接中往往是多種電子發(fā)射機構共同完成電子發(fā)射的任務。熱發(fā)射：金屬表面受熱的作用，內部的自由電子的熱運動加劇，當自由電子的動能大于逸出功時，電子飛出金屬表面加入電弧，參與電弧的導電過程。熱發(fā)射（對電極有冷卻作用）熱發(fā)射強弱受到陰極材料沸點的影響；沸點高的鎢或碳做陰極時，電極可以被加熱到比較高的溫度，通過熱發(fā)射可以提供足夠多的電子。熱發(fā)射電子發(fā)射機構分類：電場發(fā)射、熱發(fā)射、光發(fā)射、粒子碰撞發(fā)射；熱13電場發(fā)射電場發(fā)射：當金屬表面存在一定強度的正電場時，金屬內部的電子會受到電場力的作用，如果電場力足夠大，電子飛出金屬表面，這種現(xiàn)象稱為電場發(fā)射。冷陰極主要是這種發(fā)射電子的機理（鋼、Cu、Al等作陰極時）光發(fā)射與粒子碰撞發(fā)射光發(fā)射：金屬表面受光能照射，使內部的自由電子沖破表面約束而產生的電子發(fā)射稱為光發(fā)射。粒子碰撞發(fā)射：焊接電弧中正離子撞擊陰極表面，將其動能傳給陰極內部的電子，使其逸出金屬表面的發(fā)射過程稱為碰撞發(fā)射。電場發(fā)射電場發(fā)射：當金屬表面存在一定強度的正電場時，金屬內部14冷陰極與熱陰極熱陰極：當使用沸點高的材料W（沸點5950K）或C(4200K)作電極時，陰極區(qū)(3500K以上)的帶電粒子主要靠熱發(fā)射提供，這種陰極稱為熱陰極。冷陰極：鋼（3013K）、銅(2868K)、鋁(2770)等材料作陰極時，由于它們沸點很低，電極加熱溫度受沸點的限制不可能很高，熱發(fā)射不能提供足夠的帶電粒子，此時電場發(fā)射起主要作用，這種電極稱為冷陰極。

熱陰極：斑點固定WC冷陰極：斑點不規(guī)則移動CuFeAl甚至可觀察到幾個斑點同時存在。由于金屬氧化物的逸出功比純金屬低，氧化物處容易發(fā)射電子。氧化物處發(fā)射電子的同時自身被破壞，陰極斑點有清除氧化物作用。冷陰極與熱陰極熱陰極：當使用沸點高的材料W（沸點5950K）15負離子的形成主要是由中性氣體粒子（原子或分子）吸附一個電子形成的，負離子所帶電量與電子相同，但是質量大，不能有效參與電弧導電過程。造成電弧不穩(wěn)不希望電弧中存在大量的負離子大多數粒子親和能比較小，不易形成負離子F、Cl、O、OH、NO等離子親和能比較大，易于形成負離子。（三）帶電粒子的消失帶電粒子通過擴散、復合和電子結合成負離子等的過程。電弧穩(wěn)定“燃燒”時，帶電粒子的產生和消失處于動平衡狀態(tài)。負離子的存在對電弧穩(wěn)定性的影響。負離子的形成主要是由中性氣體粒子（原子或分子）吸附一個電子形16二、焊接電弧的導電特性電弧的三個區(qū)域：陰極區(qū)弧柱區(qū)陽極區(qū)（一）弧柱區(qū)的導電特性弧柱區(qū)長度為電弧長度弧柱區(qū)的電場強度較低：通常只有5～10V/cm。溫度很高，5000~50000K，分子、原子將產生熱電離，形成等離子體?；≈前罅侩娮?、正離子等帶電粒子和中性粒子聚合在一起的氣體狀態(tài)，被稱為電弧等離子體?；≈鶇^(qū)呈電中性帶電的粒子在等離子體定向移動，基本上不受空間電場的作用，所以能夠在低電壓條件下，傳輸大電流。傳輸電流的主要帶電粒子是電子，大約占帶電粒子總數的99.9%，其余為正離子。二、焊接電弧的導電特性電弧的三個區(qū)域：陰極區(qū)弧柱區(qū)陽極區(qū)17但正離子的作用非常大，正電場；撞擊陰極，加強熱發(fā)射正離子堆積-〉正離子加速-〉碰撞-〉電子發(fā)射保證了電弧放電的低電壓、大電流的特點。陽極不能發(fā)射正離子，弧柱所需要的正離子是通過陽極區(qū)電離提供的。但正離子的作用非常大，正電場；撞擊陰極，加強熱發(fā)射陽極18（二）陰極區(qū)的特點陰極斑點：電子之源：向弧柱提供99.9%的電子。陰極發(fā)射電子的能力，對電弧穩(wěn)定性影響極大。陰極區(qū)的長度：為10-5～10-6cm高電場強度：如果陰極壓降為10V，則陰極區(qū)的電場強度為106～107V/cm。陽極斑點接受弧柱送來的電子流，提供0.1%的正離子。陽極區(qū)的長度：為10-2～10-3cm陽極區(qū)的電場強度：如果陽極壓降為10V，為103～104V/cm。當電流密度較大，陽極溫度很高，使陽極材料發(fā)生蒸發(fā)時，陽極壓降將降低，甚至到0V。（三）

陽極區(qū)的特點（二）陰極區(qū)的特點陰極斑點：陽極斑點（三）陽極區(qū)的特點19電弧的靜特性

在電極材料、氣體介質和弧長一定的情況下，電弧穩(wěn)定燃燒時，焊接電流與電弧電壓變化的關系稱為焊接電弧的靜特性。表示這兩者關系的曲線叫電弧靜特性曲線。電弧電壓決定于電弧長度和焊接電流值（四）、焊接電弧的靜態(tài)伏安特性不同的電極材料、氣體介質或電弧長度，對電弧靜特性均有影響，當其他條件不變情況下弧長增加，電弧電壓也升高，電弧靜特性曲線的位置相應升高，當電流—定時，電弧電壓與弧長成正比。電弧的靜特性

在電極材料、氣體介質和弧長一定的情況下20在A區(qū)：電流較小，電弧熱量較低，電離度低，電弧的導電性較差，需要有較高的電場推動電荷運動；電弧陰極區(qū)，由于電極溫度低，電子提供能力較差，不能實現(xiàn)大量的電子發(fā)射，會形成比較強的陰極電壓降。所以電流越小電壓越高?；≈鶇^(qū)在小電流范圍內電流密度基本不變，弧柱截面隨電流的增加按比例增加，但弧柱周長增加的少，產熱多，散熱少，電弧溫度提高，電離程度提高，電弧電場強度降低，弧壓降低，所以電弧成負阻特性。

TIG焊小電流成負阻特性。下降特性在A區(qū)：電流較小，電弧熱量較低，電離度低，電弧的導電性較差，21平特性在B區(qū)：電流稍大，電極溫度提高，陰極熱發(fā)射能力增強，陰極電壓降低；陽極蒸發(fā)加劇，陽極電壓降低。也就是說電弧中產生和運動等量的電荷不需要更強的電場。對于弧柱區(qū)，電弧等離子氣流增強，除電弧表面積增加造成的熱損失外，等離子氣流的流動對電弧產生附加的冷卻作用，因此在一定的電弧區(qū)間內，電弧電壓自動的維持一定的數值，保證產熱和散熱的平衡。成平特性。一般埋弧焊、手工焊、大電流TIG焊等都工作在平特性段。平特性在B區(qū)：電流稍大，電極溫度提高，陰極熱發(fā)射能力增強，22上升特性在C區(qū)：電流更大時，金屬蒸汽的發(fā)射及等離子流的冷卻作用進一步加強，同時由于電磁力的作用，電弧截面不能成比例增加，電弧的電導率減小，要保證較大的電流通過相對比較小的截面，需要更高的電場。MIG焊的電弧一般工作在上升段。

上升特性在C區(qū)：電流更大時，23三、焊接電弧的工藝特性電弧的工藝特性主要包括：熱能特性、力學特性、電弧穩(wěn)定性等。

電弧可以看作是一個把電能轉換成熱能的柔性導體。焊接電弧是一個將電能轉換成熱能、光能、機械能的過程，其能量特性在三個特征區(qū)是不同的。

⑴弧柱的產熱從電源吸取電能轉換為熱能的作用幾乎完全由電子來承擔，在弧柱中外加電能大部分將轉換為熱能。一般電弧焊中，弧柱的熱量僅有少部分通過輻射傳給了焊絲或工件，大部分通過弧柱散熱損失了；等離子弧焊接中焊絲或工件的加熱熔化主要靠弧柱的熱量。弧柱區(qū)能夠產生的能量主要是弧柱中正離子和電子的動能。

（一）電弧的熱能特性三、焊接電弧的工藝特性電弧的工藝特性主要包括：熱能特性、力學24⑵陰極區(qū)的產熱特性陰極區(qū)產生的能量主要用于陰極加熱和陰極區(qū)散熱損失，可以直接用來加熱焊絲和工件。⑶陽極區(qū)的產熱特性陽極區(qū)產生的能量用于陽極材料的加熱、熔化、熱傳導；可以直接用來加熱焊絲和工件⑵陰極區(qū)的產熱特性25（2）電弧的溫度分布電弧各部分的溫度分布受電弧產熱特性的影響，電弧組成的三個區(qū)域產熱特性不同，溫度分布也有較大區(qū)別。電弧溫度的分布特點可從軸向和徑向兩個方面比較：1）軸向溫度分布。陰極區(qū)和陽極區(qū)的溫度較低，弧柱溫度較高，如圖所示。電弧溫度、電流密度和

能量密度的軸向分布（2）電弧的溫度分布1）軸向溫度分布。陰極區(qū)和陽極區(qū)的溫26陰極、陽極的溫度則根據焊接方法的不同有所差別，見下表。常用焊接方法陰極與陽極的溫度比較焊接方法酸性焊條電弧焊鎢極氬弧焊堿性焊條電弧焊熔化極氬弧焊C02氣體保護焊埋弧焊溫度比較陽極溫度＞陰極溫度陰極溫度＞陽極溫度陰極、陽極的溫度則根據焊接方法的不同有所差別，見下表。常27 2）徑向。電弧徑向溫度分布的特點是：弧柱軸線溫度最高，沿徑向由中心至周圍溫度逐漸降低，如下圖所示。圖1-12電弧溫度分布示意圖

a)W-Cu電極之間電弧等溫線b)200A碳弧等溫線

(電流200A，Ar氣，電壓14.2V) 2）徑向。電弧徑向溫度分布的特點是：弧柱軸線溫度最高，沿徑28能量密度：采用特定的焊接方法的時候，單位面積上的有效熱功率稱為能量密度，單位為：W/cm2.同一種方法，在不同的位置上的能量密度也是不同的能量密度大的時候，可有效的利用熱源熔化金屬，并減少熱影響區(qū)，獲得窄而深的焊縫，有利于提高焊接生產率。能量密度：采用特定的焊接方法的時候，單位面積上的有效熱功率稱29電弧溫度及能量密度分布：軸向－兩極區(qū)大弧柱區(qū)小徑向－中心大四周小鋼焊條焊接工件時，陽極區(qū)溫度約為2600K，陰極區(qū)溫度約為2400K，電弧中心區(qū)溫度最高，可達6000～8000K。由于電弧截面的特點，所以電流密度及能量密度在弧柱區(qū)較低。電弧溫度及能量密度分布：軸向－兩極區(qū)大弧柱區(qū)小鋼焊條305-陽極區(qū)表面受高速電子的撞擊，產生較大的能量，占電弧熱量的43%，其平均溫度為2600K。6-陰極區(qū)是電子發(fā)射區(qū)。發(fā)射電子需消耗一定能量，陰極區(qū)產生的熱量略少，約占電弧熱量的36%，其平均溫度為2400K。3-弧柱區(qū)長度幾乎等于電弧長度，弧柱區(qū)產生的熱量僅占電弧熱量的21%，但弧柱中心溫度高達6000-8000K。5-陽極區(qū)表面受高速電子的撞擊，產生較大的能量，占電弧熱量的31各區(qū)溫度分布情況如下：1.弧柱區(qū)的溫度最高，但熱量大部分通過對流的形式流失了2.陰極區(qū)的熱量用于對陰極加熱，這部分熱量可用于加熱填充材料或工件3.陽極區(qū)的熱量主要用于加熱工件和焊材，陽極和陰極相比，陰極產熱量相對較高。

結論：1.弧柱對整個的焊接電弧起到主要的作用。2.當電流一定時,電弧電壓大小與電弧的弧長成正比?；￠L增加，電弧電壓增大。各區(qū)溫度分布情況如下：32（二）、電弧的力學特性1、電弧力類型及作用電磁（收縮）力——使電弧獲得剛直性，促進熔滴過渡電弧軸向推力——在焊件上表現(xiàn)為對熔池形成的壓力電磁靜壓力（二）、電弧的力學特性1、電弧力類型及作用33等離子流力（電弧的電磁動壓力）——促進熔滴過渡電弧靜壓力作用高溫氣體推向焊件電極上方氣體補充新進入氣體電離電弧中等離子氣流具有很高的速度和加速度，可達數百米/秒。等離子流力（電弧的電磁動壓力）——促進熔滴過渡電弧靜壓力作用34斑點（壓）力——陰極＞陽極／阻礙熔滴過渡（正接）斑點力斑點力：斑點受到帶電粒子的撞擊，或金屬蒸汽的反作用而對斑點產生的壓力，稱為斑點力，或斑點壓力。陰極斑點力大于陽極斑點力

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，如圖所示。但由于陰極斑點力大于陽極斑點力，所以熔化極氣體保護焊可通過采用直流反接減小對熔滴過渡的阻礙作用，減少飛濺。斑點（壓）力——陰極＞陽極／阻礙熔滴過渡（正接）斑點力斑35電極材料蒸發(fā)的反作用力——陰極＞陽極／阻礙熔滴過渡熔滴(droplet)沖擊力——對熔池造成沖擊短路爆破力——短路時產生，導致飛濺2、電弧力的主要影響因素氣體介質、焊接電流和電壓、焊絲（條）直徑、極性和電極端部形狀等。電極材料蒸發(fā)的反作用力——陰極＞陽極／阻礙熔滴過渡236㈢、焊接電弧的穩(wěn)定性電弧抵抗外界干擾，力求保持焊接電流沿電極軸向流動的性能。電磁力是產生電弧剛直性的主要原因。影響電弧穩(wěn)定性的因素：電源、外界因素、藥皮（芯、焊劑）、磁偏吹等㈢、焊接電弧的穩(wěn)定性電弧抵抗外界干擾，力求保持焊接電流沿電極37磁偏吹磁偏吹：電弧在外加磁場的作用下偏離焊絲或焊條的軸線方向的現(xiàn)象稱為磁偏吹。磁偏吹可以造成電弧熄滅、熔滴過渡不規(guī)則、焊縫成形不良、引起未焊透、夾渣等缺陷。

電弧的挺度是由電弧自身磁場所產生的，當某種原因使這個磁場分布不均勻、不對稱時，則因電弧周圍受力不均勻而導致電弧偏向電磁力較弱的一邊，這種現(xiàn)象稱為磁偏吹。磁偏吹磁偏吹：電弧在外加磁場的作用下偏離焊絲或焊條的軸線方向38磁偏吹產生原因產生原因：--導線連接位置--電弧附近電磁鐵--磁性回路--焊接位置--異種金屬焊接時磁特性不同磁偏吹產生原因產生原因：39雙絲電弧雙絲電弧40導線接線位置引起的磁偏吹(2)影響磁偏吹的因素導線接線位置引起的磁偏吹(2)影響磁偏吹的因素41(2)影響磁偏吹的因素圖1-32雙極電弧引起的磁偏吹

a)電流相同方向b)電流相反方向(2)影響磁偏吹的因素圖1-32雙極電弧引起的磁偏吹

a)42

電弧處于工件端部時產生的磁偏吹

(2)影響磁偏吹的因素電弧處于工件端部時產生的磁偏吹(2)影響磁偏吹的因素43電弧附近的鐵磁性物質引起的磁偏吹在靠近焊接電弧的一側有一良導磁體（鋼板）存在時，磁力線將力求走磁阻小的通路，使較多的磁力線集中到良導磁體中，電密度顯著降低，破壞了空間磁力線分布的均勻性，電弧偏向良導磁體的一側，看上去好像是鋼板吸走了電弧電弧附近的鐵磁性物質引起的磁偏吹在靠近焊接電弧的一側有一良導44磁偏吹防止措施減少磁偏吹的措施：可能時采用交流電源代替直流電源盡量采用短弧進行焊接對于長和大的工件采用兩端接地的方法如果工件有剩磁，焊接前應消除避免周圍鐵磁性物質的影響用厚藥皮焊條代替薄藥皮焊條交流電焊接時，因變化的磁場在導體中產生感應電流，而感應電流所產生的磁場削弱了焊接電流所引起的磁場，從而控制了磁偏吹將焊接電源的接地線接至焊接坡口內，再從焊接坡口內地線連接點處接出金屬線連到泥土中。磁偏吹防止措施減少磁偏吹的措施：交流電焊接時，因變化的磁場在45焊接電弧的基礎知識教材課件46焊絲的熔化與熔滴過渡

----------熔滴過渡的主要形式和特點粒狀過渡噴射過渡爆破過渡短路過渡搭橋過渡渣壁過渡套筒過渡焊絲的熔化與熔滴過渡

----------熔滴過渡的主要形式47母材熔化與焊縫成形

---------焊縫形狀與焊縫質量的關系焊縫的有效厚度焊縫寬度焊縫余高焊縫余高系數：焊縫寬度/焊縫余高母材熔化與焊縫成形

---------焊縫形狀與焊縫質量的關48母材熔化與焊縫成形

---------焊縫形狀與焊縫質量的關系焊縫厚度是焊縫質量優(yōu)劣的主要指標，焊縫余高和寬度則應與焊縫厚度有合理的比例。成形系數?。▋?yōu)缺點）在實際焊接過程中，在保證焊透的前提下焊縫成形系數的大小應該根據焊縫產生裂紋和氣孔的敏感性來確定。埋弧焊>1.25，堆焊=10母材熔化與焊縫成形

---------焊縫形狀與焊縫質量的關49母材熔化與焊縫成形

---------焊縫形狀與焊縫質量的關系熔合比：焊縫截面上母材熔化部分所占面積與焊縫全部面積之比熔合比越大，焊縫成分越接近母材母材熔化與焊縫成形

---------焊縫形狀與焊縫質量的關50焊接參數：對焊接質量影響較大的焊接工藝參數（焊接電流、焊接電壓、焊接速度、焊接熱輸入等）工藝因數：其他焊接工藝參數（焊絲直徑、電流種類及極性、電極、焊件傾角、保護氣體）結構因數：坡口形狀、間隙、焊件厚度焊接參數：對焊接質量影響較大的焊接工藝參數（焊接電流、焊接電51焊接參數的影響有效厚度焊縫寬度余高焊接參數的影響有效厚度焊縫寬度余高52焊接工藝因數的影響電流種類及極性焊絲直徑和伸出長度電極傾角焊件傾角焊接工藝因數的影響53焊接電弧的基礎知識教材課件54焊接電弧的基本知識焊接電弧的基本知識55Ⅰ、焊接電弧的產生

氣體導電必須具備兩個條件：①兩電極之間有帶電粒子；②兩電極之間有電場。電弧的引燃過程Ⅱ、電弧的構成Ⅲ.焊接電弧及其特性一、焊接電弧的物理基礎（一）電弧及其電場強度分布（二）電弧中帶電粒子的產生氣體電離電極發(fā)射電子形成負離子（三）帶電粒子的消失Ⅰ、焊接電弧的產生56二、焊接電弧的導電特性（一）弧柱區(qū)的導電特性（二）陰極區(qū)的特點（三）

陽極區(qū)的特點（四）焊接電弧的靜態(tài)伏安特性三、焊接電弧的工藝特性（一）電弧的熱能特性

⑴弧柱、陰極區(qū)、陽極區(qū)的產熱（2）電弧的溫度分布（二）電弧的力學特性（三）焊接電弧的穩(wěn)定性二、焊接電弧的導電特性57

電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，它是帶電粒子通過兩電極之間氣體空間的一種導電過程。

氣體導電必須具備兩個條件：①兩電極之間有帶電粒子；②兩電極之間有電場。帶電粒子在電場作用下運動形成電流，從而使兩電極之間的氣體空間成為導體，也就形成了電弧。Ⅰ、焊接電弧的產生Ⅰ、焊接電弧的產生58電弧的引燃過程（1）焊條與工件接觸短路短路時，電流密集的個別接觸點被電阻熱所加熱，極小的氣隙的電場強度很高。結果：①少量電子逸出。②個別接觸點被加熱、熔化，甚至蒸發(fā)、汽化。③出現(xiàn)很多低電離電位的金屬蒸汽。（2）提起焊條保持恰當距離在熱激發(fā)和強電場作用下，負極發(fā)射電子并作高速定向運動，撞擊中性分子和原子使之激發(fā)或電離。結果：氣隙間的氣體迅速電離，在撞擊、激發(fā)和正負帶電粒子復合中，其能量轉換，發(fā)出光和熱。電弧的引燃過程（1）焊條與工件接觸短路（2）提起焊條保持恰當59電弧放電電壓最低，電流最大，溫度最高，發(fā)光最強。將電弧放電用作焊接熱源，既安全，加熱效率也高。電弧放電產生高熱和強光，電弧切割、碳弧氣刨、電弧焊接等；強光能照明，如探照燈，用弧光燈放電影電弧放電電壓最低，電流最大，溫度最高，發(fā)光最強。60焊接電弧電壓分為三個區(qū)：陰極區(qū)、陽極區(qū)和弧柱區(qū)。陰極區(qū)和陽極區(qū)上有活性斑點，即陰極斑點和陽極斑點（電流密度大，溫度高，發(fā)出光亮的點）Ⅱ、電弧的構成焊接電弧電壓分為三個區(qū)：陰極區(qū)、陽極區(qū)和弧柱區(qū)。Ⅱ、電弧的構61一、焊接電弧的物理基礎電弧的實質：氣體放電（導電）（一）電弧及其電場強度分布電弧的特點：低電壓、大電流、溫度高、亮度大Ⅲ.焊接電弧及其特性一、焊接電弧的物理基礎電弧的實質：氣體放電（導電）（一621、氣體電離：電離：中性氣體分子或原子分離成電子和正離子的現(xiàn)象。電離電壓：電離能用電離電壓來表示，電離電壓低說明氣體的電離比較容易，電弧比較穩(wěn)定。

（二）電弧中帶電粒子的產生氣體電離電極發(fā)射電子形成負離子1、氣體電離：電離：中性氣體分子或原子分離成電子和正離子的現(xiàn)63焊接電弧的基礎知識教材課件64碰撞電離氣體電離的形式熱電離：氣體粒子的熱運動，形成頻繁而激烈的碰撞產生的電離，是弧柱區(qū)產生帶電粒子的主要途徑。電場作用下的電離：陰極區(qū)和陽極區(qū)的電場強度非常高，高達105~107V/cm，氣體電離以電場作用下的電離為主。光電離：光輻射只可能對K、Na、Ca、Al等金屬蒸汽直接引起光電離；次要途徑。碰撞電離氣體電離的形式熱電離：氣體粒子的熱運動，形成頻繁而激652、電子發(fā)射電子發(fā)射：電極表面受到外加能量的作用，使其內部的電子沖破電極表面的束縛飛到電弧空間的現(xiàn)象稱為電子發(fā)射。逸出功：使一個電子從金屬表面飛出所需的能量稱為逸出功。通常用逸出電壓表示。常用金屬的逸出功金屬WFeAl純金屬4.544.484.25氧化物3.923.9可見有氧化物時逸出功比較低，所以電子容易從氧化膜出逸出，形成陰極斑點。2、電子發(fā)射電子發(fā)射：電極表面受到外加能量的作用，使其內部的66電子發(fā)射機構分類：電場發(fā)射、熱發(fā)射、光發(fā)射、粒子碰撞發(fā)射；實際焊接中往往是多種電子發(fā)射機構共同完成電子發(fā)射的任務。熱發(fā)射：金屬表面受熱的作用，內部的自由電子的熱運動加劇，當自由電子的動能大于逸出功時，電子飛出金屬表面加入電弧，參與電弧的導電過程。熱發(fā)射（對電極有冷卻作用）熱發(fā)射強弱受到陰極材料沸點的影響；沸點高的鎢或碳做陰極時，電極可以被加熱到比較高的溫度，通過熱發(fā)射可以提供足夠多的電子。熱發(fā)射電子發(fā)射機構分類：電場發(fā)射、熱發(fā)射、光發(fā)射、粒子碰撞發(fā)射；熱67電場發(fā)射電場發(fā)射：當金屬表面存在一定強度的正電場時，金屬內部的電子會受到電場力的作用，如果電場力足夠大，電子飛出金屬表面，這種現(xiàn)象稱為電場發(fā)射。冷陰極主要是這種發(fā)射電子的機理（鋼、Cu、Al等作陰極時）光發(fā)射與粒子碰撞發(fā)射光發(fā)射：金屬表面受光能照射，使內部的自由電子沖破表面約束而產生的電子發(fā)射稱為光發(fā)射。粒子碰撞發(fā)射：焊接電弧中正離子撞擊陰極表面，將其動能傳給陰極內部的電子，使其逸出金屬表面的發(fā)射過程稱為碰撞發(fā)射。電場發(fā)射電場發(fā)射：當金屬表面存在一定強度的正電場時，金屬內部68冷陰極與熱陰極熱陰極：當使用沸點高的材料W（沸點5950K）或C(4200K)作電極時，陰極區(qū)(3500K以上)的帶電粒子主要靠熱發(fā)射提供，這種陰極稱為熱陰極。冷陰極：鋼（3013K）、銅(2868K)、鋁(2770)等材料作陰極時，由于它們沸點很低，電極加熱溫度受沸點的限制不可能很高，熱發(fā)射不能提供足夠的帶電粒子，此時電場發(fā)射起主要作用，這種電極稱為冷陰極。

熱陰極：斑點固定WC冷陰極：斑點不規(guī)則移動CuFeAl甚至可觀察到幾個斑點同時存在。由于金屬氧化物的逸出功比純金屬低，氧化物處容易發(fā)射電子。氧化物處發(fā)射電子的同時自身被破壞，陰極斑點有清除氧化物作用。冷陰極與熱陰極熱陰極：當使用沸點高的材料W（沸點5950K）69負離子的形成主要是由中性氣體粒子（原子或分子）吸附一個電子形成的，負離子所帶電量與電子相同，但是質量大，不能有效參與電弧導電過程。造成電弧不穩(wěn)不希望電弧中存在大量的負離子大多數粒子親和能比較小，不易形成負離子F、Cl、O、OH、NO等離子親和能比較大，易于形成負離子。（三）帶電粒子的消失帶電粒子通過擴散、復合和電子結合成負離子等的過程。電弧穩(wěn)定“燃燒”時，帶電粒子的產生和消失處于動平衡狀態(tài)。負離子的存在對電弧穩(wěn)定性的影響。負離子的形成主要是由中性氣體粒子（原子或分子）吸附一個電子形70二、焊接電弧的導電特性電弧的三個區(qū)域：陰極區(qū)弧柱區(qū)陽極區(qū)（一）弧柱區(qū)的導電特性弧柱區(qū)長度為電弧長度弧柱區(qū)的電場強度較低：通常只有5～10V/cm。溫度很高，5000~50000K，分子、原子將產生熱電離，形成等離子體?；≈前罅侩娮?、正離子等帶電粒子和中性粒子聚合在一起的氣體狀態(tài)，被稱為電弧等離子體。弧柱區(qū)呈電中性帶電的粒子在等離子體定向移動，基本上不受空間電場的作用，所以能夠在低電壓條件下，傳輸大電流。傳輸電流的主要帶電粒子是電子，大約占帶電粒子總數的99.9%，其余為正離子。二、焊接電弧的導電特性電弧的三個區(qū)域：陰極區(qū)弧柱區(qū)陽極區(qū)71但正離子的作用非常大，正電場；撞擊陰極，加強熱發(fā)射正離子堆積-〉正離子加速-〉碰撞-〉電子發(fā)射保證了電弧放電的低電壓、大電流的特點。陽極不能發(fā)射正離子，弧柱所需要的正離子是通過陽極區(qū)電離提供的。但正離子的作用非常大，正電場；撞擊陰極，加強熱發(fā)射陽極72（二）陰極區(qū)的特點陰極斑點：電子之源：向弧柱提供99.9%的電子。陰極發(fā)射電子的能力，對電弧穩(wěn)定性影響極大。陰極區(qū)的長度：為10-5～10-6cm高電場強度：如果陰極壓降為10V，則陰極區(qū)的電場強度為106～107V/cm。陽極斑點接受弧柱送來的電子流，提供0.1%的正離子。陽極區(qū)的長度：為10-2～10-3cm陽極區(qū)的電場強度：如果陽極壓降為10V，為103～104V/cm。當電流密度較大，陽極溫度很高，使陽極材料發(fā)生蒸發(fā)時，陽極壓降將降低，甚至到0V。（三）

陽極區(qū)的特點（二）陰極區(qū)的特點陰極斑點：陽極斑點（三）陽極區(qū)的特點73電弧的靜特性

在電極材料、氣體介質和弧長一定的情況下，電弧穩(wěn)定燃燒時，焊接電流與電弧電壓變化的關系稱為焊接電弧的靜特性。表示這兩者關系的曲線叫電弧靜特性曲線。電弧電壓決定于電弧長度和焊接電流值（四）、焊接電弧的靜態(tài)伏安特性不同的電極材料、氣體介質或電弧長度，對電弧靜特性均有影響，當其他條件不變情況下弧長增加，電弧電壓也升高，電弧靜特性曲線的位置相應升高，當電流—定時，電弧電壓與弧長成正比。電弧的靜特性

在電極材料、氣體介質和弧長一定的情況下74在A區(qū)：電流較小，電弧熱量較低，電離度低，電弧的導電性較差，需要有較高的電場推動電荷運動；電弧陰極區(qū)，由于電極溫度低，電子提供能力較差，不能實現(xiàn)大量的電子發(fā)射，會形成比較強的陰極電壓降。所以電流越小電壓越高?；≈鶇^(qū)在小電流范圍內電流密度基本不變，弧柱截面隨電流的增加按比例增加，但弧柱周長增加的少，產熱多，散熱少，電弧溫度提高，電離程度提高，電弧電場強度降低，弧壓降低，所以電弧成負阻特性。

TIG焊小電流成負阻特性。下降特性在A區(qū)：電流較小，電弧熱量較低，電離度低，電弧的導電性較差，75平特性在B區(qū)：電流稍大，電極溫度提高，陰極熱發(fā)射能力增強，陰極電壓降低；陽極蒸發(fā)加劇，陽極電壓降低。也就是說電弧中產生和運動等量的電荷不需要更強的電場。對于弧柱區(qū)，電弧等離子氣流增強，除電弧表面積增加造成的熱損失外，等離子氣流的流動對電弧產生附加的冷卻作用，因此在一定的電弧區(qū)間內，電弧電壓自動的維持一定的數值，保證產熱和散熱的平衡。成平特性。一般埋弧焊、手工焊、大電流TIG焊等都工作在平特性段。平特性在B區(qū)：電流稍大，電極溫度提高，陰極熱發(fā)射能力增強，76上升特性在C區(qū)：電流更大時，金屬蒸汽的發(fā)射及等離子流的冷卻作用進一步加強，同時由于電磁力的作用，電弧截面不能成比例增加，電弧的電導率減小，要保證較大的電流通過相對比較小的截面，需要更高的電場。MIG焊的電弧一般工作在上升段。

上升特性在C區(qū)：電流更大時，77三、焊接電弧的工藝特性電弧的工藝特性主要包括：熱能特性、力學特性、電弧穩(wěn)定性等。

電弧可以看作是一個把電能轉換成熱能的柔性導體。焊接電弧是一個將電能轉換成熱能、光能、機械能的過程，其能量特性在三個特征區(qū)是不同的。

⑴弧柱的產熱從電源吸取電能轉換為熱能的作用幾乎完全由電子來承擔，在弧柱中外加電能大部分將轉換為熱能。一般電弧焊中，弧柱的熱量僅有少部分通過輻射傳給了焊絲或工件，大部分通過弧柱散熱損失了；等離子弧焊接中焊絲或工件的加熱熔化主要靠弧柱的熱量?；≈鶇^(qū)能夠產生的能量主要是弧柱中正離子和電子的動能。

（一）電弧的熱能特性三、焊接電弧的工藝特性電弧的工藝特性主要包括：熱能特性、力學78⑵陰極區(qū)的產熱特性陰極區(qū)產生的能量主要用于陰極加熱和陰極區(qū)散熱損失，可以直接用來加熱焊絲和工件。⑶陽極區(qū)的產熱特性陽極區(qū)產生的能量用于陽極材料的加熱、熔化、熱傳導；可以直接用來加熱焊絲和工件⑵陰極區(qū)的產熱特性79（2）電弧的溫度分布電弧各部分的溫度分布受電弧產熱特性的影響，電弧組成的三個區(qū)域產熱特性不同，溫度分布也有較大區(qū)別。電弧溫度的分布特點可從軸向和徑向兩個方面比較：1）軸向溫度分布。陰極區(qū)和陽極區(qū)的溫度較低，弧柱溫度較高，如圖所示。電弧溫度、電流密度和

能量密度的軸向分布（2）電弧的溫度分布1）軸向溫度分布。陰極區(qū)和陽極區(qū)的溫80陰極、陽極的溫度則根據焊接方法的不同有所差別，見下表。常用焊接方法陰極與陽極的溫度比較焊接方法酸性焊條電弧焊鎢極氬弧焊堿性焊條電弧焊熔化極氬弧焊C02氣體保護焊埋弧焊溫度比較陽極溫度＞陰極溫度陰極溫度＞陽極溫度陰極、陽極的溫度則根據焊接方法的不同有所差別，見下表。常81 2）徑向。電弧徑向溫度分布的特點是：弧柱軸線溫度最高，沿徑向由中心至周圍溫度逐漸降低，如下圖所示。圖1-12電弧溫度分布示意圖

a)W-Cu電極之間電弧等溫線b)200A碳弧等溫線

(電流200A，Ar氣，電壓14.2V) 2）徑向。電弧徑向溫度分布的特點是：弧柱軸線溫度最高，沿徑82能量密度：采用特定的焊接方法的時候，單位面積上的有效熱功率稱為能量密度，單位為：W/cm2.同一種方法，在不同的位置上的能量密度也是不同的能量密度大的時候，可有效的利用熱源熔化金屬，并減少熱影響區(qū)，獲得窄而深的焊縫，有利于提高焊接生產率。能量密度：采用特定的焊接方法的時候，單位面積上的有效熱功率稱83電弧溫度及能量密度分布：軸向－兩極區(qū)大弧柱區(qū)小徑向－中心大四周小鋼焊條焊接工件時，陽極區(qū)溫度約為2600K，陰極區(qū)溫度約為2400K，電弧中心區(qū)溫度最高，可達6000～8000K。由于電弧截面的特點，所以電流密度及能量密度在弧柱區(qū)較低。電弧溫度及能量密度分布：軸向－兩極區(qū)大弧柱區(qū)小鋼焊條845-陽極區(qū)表面受高速電子的撞擊，產生較大的能量，占電弧熱量的43%，其平均溫度為2600K。6-陰極區(qū)是電子發(fā)射區(qū)。發(fā)射電子需消耗一定能量，陰極區(qū)產生的熱量略少，約占電弧熱量的36%，其平均溫度為2400K。3-弧柱區(qū)長度幾乎等于電弧長度，弧柱區(qū)產生的熱量僅占電弧熱量的21%，但弧柱中心溫度高達6000-8000K。5-陽極區(qū)表面受高速電子的撞擊，產生較大的能量，占電弧熱量的85各區(qū)溫度分布情況如下：1.弧柱區(qū)的溫度最高，但熱量大部分通過對流的形式流失了2.陰極區(qū)的熱量用于對陰極加熱，這部分熱量可用于加熱填充材料或工件3.陽極區(qū)的熱量主要用于加熱工件和焊材，陽極和陰極相比，陰極產熱量相對較高。

結論：1.弧柱對整個的焊接電弧起到主要的作用。2.當電流一定時,電弧電壓大小與電弧的弧長成正比?；￠L增加，電弧電壓增大。各區(qū)溫度分布情況如下：86（二）、電弧的力學特性1、電弧力類型及作用電磁（收縮）力——使電弧獲得剛直性，促進熔滴過渡電弧軸向推力——在焊件上表現(xiàn)為對熔池形成的壓力電磁靜壓力（二）、電弧的力學特性1、電弧力類型及作用87等離子流力（電弧的電磁動壓力）——促進熔滴過渡電弧靜壓力作用高溫氣體推向焊件電極上方氣體補充新進入氣體電離電弧中等離子氣流具有很高的速度和加速度，可達數百米/秒。等離子流力（電弧的電磁動壓力）——促進熔滴過渡電弧靜壓力作用88斑點（壓）力——陰極＞陽極／阻礙熔滴過渡（正接）斑點力斑點力：斑點受到帶電粒子的撞擊，或金屬蒸汽的反作用而對斑點產生的壓力，稱為斑點力，或斑點壓力。陰極斑點力大于陽極斑點力

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，如圖所示。但由于陰極斑點力大于陽極斑點力，所以熔化極氣體保護焊可通過采用直流反接減小對熔滴過渡的阻礙作用，減少飛濺。斑點（壓）力——陰極＞陽極／阻礙熔滴過渡（正接）斑點力斑89電極材料蒸發(fā)的反作用力——陰極＞陽極／阻礙熔滴過渡熔滴(droplet)沖擊力——對熔池造成沖擊短路爆破力——短路時產生，導致飛濺2、電弧力的主要影響因素氣體介質、焊接電流和電壓、焊絲（條）直徑、極性和電極端部形狀等。電極材料蒸發(fā)的反作用力——陰極＞陽極／阻礙熔滴過渡290㈢、焊接電弧的穩(wěn)定性電弧抵抗外界干擾，力求保持焊接電流沿電極軸向流動的性能。電磁力是產生電弧剛直性的主要原因。影響電弧穩(wěn)定性的因素：