1 电弧物理与现代弧焊方法2

1、参考书目：参考书目： 赵喜华，焊接方法与机电一体化设备，机械工业出版社 潘际銮，现代弧焊控制，机械工业出版社 赵熹华，冯吉才，压焊方法及设备，机械工业出版社 姜焕中，电弧焊及电渣焊，机械工业出版社 1.电弧的导电机理 1.1 电弧放电特点 电弧是在一定条件下电荷通过两电极间气体空 间的一种导电过程；实质是气体导电现象； 导体-欧姆定律 绝缘体-不导电 气体导电-气体放电 非自持放电-10-20-10-12A 自持放电 暗放电- -10-12-10-5A 小电流、高电压（600v）； 辉光放电-10-4-10-1A ；小电流、高电压(300-350v)； 电弧放电-大电流、低电压； 过渡区- 1

2、0-1A1A 电弧放电-1A， 一般10A 1.电弧的导电机理 1.1 电弧放电特点 气体放电现象中 电压最低电压最低 电流最大电流最大 温度最高温度最高 发光最强发光最强 l1. 2电弧中带电粒子的产生 l电弧组成: 阴极、阳极、弧柱； l带电粒子产生：电子发射，气体电离电子发射，气体电离；伴随解离、激励、 扩散、复合、负离子； l1.2.1 气体的电离 l电离与激励 l电离：在一定条件下，中性气体分子或原子分离为 正离子和电子的现象； l激励：当中性粒子接受外来能量的作用，使电子从 低能级跃变到较高能级，中性粒子内部稳定状态破 坏，但整个粒子仍呈中性的现象。 l第一电离能-常态下，中性粒子

3、失去第1 个电子所需要的最低能量；（eV） l第一电离电压描述电离难易的参数指标， 数值上等于第一电离能； l较小电弧加热下，一般只有一次电离；大 电流的高温使气体产生二次甚至三次电离， 但仍以一次电离为主； H13.5 He24.5 Li-5.4 C11.3 N14.5 O13.5 F17.4 Na-5.1 Cl13 Ar15.7 K-4.3 Ca6.1 NO9.5 OH13.8 H2O-12.6 CO213.7 NO211 Ni-7.6 Cr7.7 Mo7.4 Cs-3.9 Fe7.9 W-8.0 H215.4 N2-15.5 O212.2 Cl213 CO14.1 Al5.96 Mg7.

4、61 TI-6.81 Cu-7.68 第一电离电压第一电离电压 l电离电压的高低表明产生带电粒子的难易 程度; l电离电压低有利于电弧的稳定,但电离电 压不是唯一的因素; l多种气体混合,电离电压主要决定于最低 的电离电压，但该种气体必须充分多,若 不足,电离电压次低的气体加入电离,最终 值将介于二者之间; 联想总结得出（基本规律）：联想总结得出（基本规律）： 1、天塌下来首先由高个子顶着。、天塌下来首先由高个子顶着。 2、电离电压最低的气体先电离。、电离电压最低的气体先电离。 l激励电压-使中性粒子激励所需的最低外 加能量称为最低激励电压(以伏为单位); H-10.2 He19.8 Ne-1

5、6.6 Ar11.6 N-2.4 O-2.0 K-1.6 Fe-4.43 Cu-1.4 H2-7.0 O2-7.9 CO6.2 CO2-3.0 H2O-7.6 Cs1.4 Ca-1.9 能量的传递方式（碰撞和辐射） l碰撞传递弹性碰撞和非弹性碰撞 l弹性碰撞-只能进行动能的分配，粒子温度发生变 化，但不能改变粒子内部的能量，不能产生激励和 电离；是在粒子动能较低时发生； l非弹性碰撞-粒子内部结构发生变化，部分或全部 动能转化为内能，若内能增加超过激励电压-发生 激励；大于电离电压-电离； l电弧空间：电子、粒子、中性粒子 U1U2 m1 m2 m1 *U1 + m2* V2 m1 *V1 +

6、 m2*V2 动量守恒定律： m1 *U1x + m2* V2x = m1 *V1x + m2*V2x 能量守恒定律: (1/2) m1 *U1x 2 + (1/2) m2* V2x 2 = (1/2) m1 *V1x 2 + (1/2) m2*V2x 2 弹性碰撞 l若二粒子发生完全非弹性碰撞完全非弹性碰撞，碰撞后二 粒子不再分离，以同一速度Vx运动,则有： l(m1 + m2)* Vx = m1 *U1x + m2*U2x l则 Vx = (m1 *U1x + m2*U2x )/(m1 + m2)-(1) l能量(动)损失 : Ek = (1/2) m1 *U1x 2 + (1/2) m2

7、* U2x 2 - (1/2) (m1 +m2)*Vx 2 -(2) Ek = m1m2(U1x - U2x )2/ 2(m1 + m2) Ek = m1m2(U1x - U2x )2/ 2(m1 + m2) l若m1很小, m2很大, 且粒子2在碰撞前处于 静止状态, U2x =0; 则Ek = m1m2(U1x)2/ 2(m2) = m1(U1x)2/ 2 说明小粒子的动能全部传给了大粒子, 如电子 撞击中性原子、分子和正离子; 中性粒子获 得全部动能发生激励或电离； m1 U1x l若二粒子质量相近，如m1 = m2 =m Ek = mm(U1x - U2x )2/ 2(m + m) 若

8、碰撞前二号粒子静止U2x = 0 Ek = （1/4）mU1x 2 说明2号粒子最多只能获得原动能的一半； 欲通过粒子间的碰撞传递能量、产生电离和激励，关 键是提高电子、离子和中性粒子的动能，尤其是提高 电子的动能；电弧过程通过粒子碰撞产生带电粒子电弧过程通过粒子碰撞产生带电粒子 是是 维持导电的主要途径维持导电的主要途径。 l1.2.2 光辐射能量传递 l中性粒子能够接受外界以光量子形式所施加的能量, 提高其内能并改变其内部结构,使气体粒子激励和 电离。 l光量子能量：hr l激励的条件： hr We = eUe l电离的条件： hr Wi = eUi l激励能We；激励电压-Ue；电离电压

9、-Ui； lhr = eUi + (mv2)/2 l通过光辐射电离制造带电粒子在焊接电弧中是次要 的; l气体粒子的运动速度 l在一个气体体系中，气体粒子的运动速度是不 相同的； l气体分子运动理论：气体温度的高低意味着气 体粒子总体能量的高低，也即气体粒子平均运 动速度的高低。 lC = (3KT/m)0.5 = 1.87 10-8(T/m) 0.5 其中: C-平均速度; T-体系温度; m粒子质量 1.2.3 气体电离的主要形式 ：中性气体粒子而产生 的电离 ：中性气体粒子而产 生的电离 ：中性气体粒子了而 产生的电离 ：高速运行的 发生而使之电离 l热电离-高温下，气体粒子受热的作用相

10、互 碰撞而产生的电离； l气体平均运动速度C = 1.8710-8(T/M)0.5 lT-气体的热力学温度(K)；M-粒子的质量(m) l电离度-单位体积内被电离的粒子数与气体 电离前粒子总数的比值; l气体中粒子的运 动速度按照麦克 斯威尔分布曲线, 在某一温度下各 粒子拥有的动能 不相同,其动能超 过电离电压的那 部分粒子产生电 离 lX = 电离后的电子或离子密度/ /电离前中性粒子密度 l萨哈公式: px2/(1- x2) = 3.16 10-7T2.5exp-(eUi)/kT P气体压力; T - 气体热力学温度; k玻尔兹曼常数,1.38 10-23J/K 随温度上升、压力减少、电

11、离电压减少，电离度上升； 实效电离度-混合气体的电离度 常压下的焊接电弧主要带电粒子是电子，电子密度的数量级 达到1014cm-3时即可维持电弧的正常导电，实效电离度达 10-4cm-3时即可达到上述粒子比例。 l气体的解离-电弧中的多原子气体在热 作用下分解为原子的现象； l解离是吸热过程，所需要的最低能量称 作解离能，一般解离能小于电离能 l1.2.4 电场作用下的电离 l带电粒子从电场中获得能量，通过碰撞产 生的电离过程； l带电粒子在电场中的定向运动、同时与其 它粒子发生碰撞，总方向保持一致，但每 次碰撞后都要发生方向的变化； l自由行程：两次碰撞之间的路程长度； l平均自由行程 ；自

12、由行程的平均值； l平均自由行程内电场对带电粒子所施加的最 大动能：Wk = Ee l在同一种气体粒子的气体中，中性粒子、电 子和粒子的平均自由行程： lg = 1/(42 0.53.14rg 2ng) li = 1/(43.14ri 2ni) le = 1/(3.14re 2ne) le ：i ： g = 42 0.5：2 0.5 ：1 l阴极和阳极压降区,电场强度电场强度105-107v/cm; l光电离光电离-中性粒子接受光辐射的作用而产 生的电离现象; lh eUi lr0 = C/0 0 = hc/eUi lh-普朗克常数; r0 -临界光辐射频率; l 0-临界光辐射波长 l0 =

13、 1236/Ui l1.2.5 电极电子发射 l电子发射- l金属表面接受一定的外加能量,自由电子 到电弧空间的现象; l使一个电子由金属表面飞出所需要的最低外加能量 称为逸出功Ww; 逸出电压U w; 发射电子导电过程；发射电子 导电过程 lW4.54; Fe4.48; K2.02; Cu4.36; l -3.92; -0.46; -3.85; 自阴极发射出来的电子 在电场下参加导电过程; 而自阳极发射出来的 电子因受到电场的排斥， 不可能参加导电过程，只 能对阳极区空间电荷的数 量产生一定的影响 l般金属中，原子构成晶格呈紧密排列， 所以离原子核较远的最外层电子也要受到 周围原子核的静电力

14、作用。 l 因此，金属中的电子完全不同于气体粒 子那样专属于某一特定原子的状态，前 者可以挣脱原子核的束缚在金属原子构 成的粒子晶格空间自由移动。 l电子气-自由电子在金属中运动； l电子云-电子离开金属表面飞到空间，电 子云到晶格的距离为r0； l大于r0，对电子的作用力为镜像力-e2/4 r02 l在偶电层内部，作用力大小假定 Kn- K e2/4 r2 l电子逸出需克服逸出金属力和电场力 Wg = 0r0 K e2/4 x2 dx + r0 K e2/4 x2 dx l费米迪拉克(Fermi-Dirac)统计规律。也就是在n个电子中， 速度(即动能)介于E和E+dE之间的电子数目dn为：

15、 dn = f(E)dE l式中 f(E)-费米迪拉克统计分布函数，也称费米因子。 f(E)= 1/（exp(E-EF)/KT+1） 式中 K-波尔兹曼常数； T-系统的温度； EF-费米能级； E电子能级。 l在金属中，依据电子按能级分布的函数与E的关系, 可得出： 1)当温度为绝对OK时，电子占据所有低于EF的能级的几率为1；而EEF 的电子存在几率为o(EF称为费米能级)。 2)当T0时，只有在费米能级EF附近较小的范围内，电子能量受到扰动。 即有能量高于EF的电子，也有能量低于EF的电子；而费米能级EF的电子存 在概率降为l2。金属温度对电子分布概率的影响很大，温度越 高，则能量高于E

16、F的电子数越多，而能级低的电子(E远小于EF)的存在概 率却不随温度而变化，仍为随着电子能级的降低而降低其存在的几率。 3)温度变化时，费米能级EF变化很小，基本上是常数，即使在OK时，仍有 较多的电子能够达到EF能级。因此为使电子逸出金属表面，不需要给 出势垒高度EWg，而只需给出 WgEF =Ww l Ww:逸出功-其定义为使一个电子从金属表面发射出来所需要的最低 外加能量，单位是电子伏(w); l因电子电量是常数，故通常以Uw = Ww e 表示逸出功的大小。逸出功 的大小与金属材料的种类、金属的表面状态 和金属的表面氧化物质有关。几种金属及其氧化物的逸出功见表 W Fe Al Cu K

17、 Ca Mg (逸出功) 纯金属 4.54 4.48 4.25 4.36 2.02 2.12 3.78 氧化物 3.92 3.9 3.85 0.46 1.8 3.31 W W-Ce W-Ba W-Th W-Zr 逸出功 4.54 1.36 1.56 2.63 3.14 l可见，所有金属表面带有氧化物时其逸出功均减小,金属表面状态不同时，逸 出功的数值也不一样，当钨极表面敷以Ce、Ba、Th和Zr等物质时，逸出功的数 值则减小; l 金属内部的电子只有在接受外加能量作 用后，其能量升高超出逸出功才能冲破金 属表面的束缚而发射到外部空间，由于外 加能量形式不同，电子发射机构可分为如 下四种： l电

18、子发射的主要形式 ：金属表面而产生电子发射现象 ：金属表面附近空间存在 时，金属内的电子的作用，使电子逸出 表面的现象 ：金属表面时，金属内的 ，从而冲破表面的束缚而逸出的现象 ：高速运行的 时，将，使其能量增 加而逸出表面的现象 l热发射热发射：金属表面而产生电子发射现象; l0.5meVe2 eUw 满足则电子逸出; l金属表面热发射电子流密度: J = AT2exp(-eUw /kT) ; A与材料表面状态有关的参数; k-波尔茨曼常数; T- 金属表面温度; 热阴极材料: W(5950k)、C(4200k);-沸点 冷阴极材料 :Cu(2868)Fe(3008);Al(2770);Mg

19、(1375 );-沸点 热发射电子流密度与电极表面温度成指数关系热发射电子流密度与电极表面温度成指数关系: : 事实上在较低温度事实上在较低温度(室温或室温或0)也仍有电子发射，只是数量较少也仍有电子发射，只是数量较少 l电场发射电场发射 当金属表面空间存在一定强度的正电场时，金属内的电子受此电场静当金属表面空间存在一定强度的正电场时，金属内的电子受此电场静 电库仑力的作用，当此力达到一定程度时，电子可以冲出金属表面，这电库仑力的作用，当此力达到一定程度时，电子可以冲出金属表面，这 种现象称为电场发射。种现象称为电场发射。 当电极表面前存在正电场时，电场的静库仑力将帮助电子飞出金属表当电极表面

20、前存在正电场时，电场的静库仑力将帮助电子飞出金属表 面，相当于降低了电极材料的逸出功，可使较多的电子在较低的温度下面，相当于降低了电极材料的逸出功，可使较多的电子在较低的温度下 冲破金属内部的制约而飞离金属表面。所以当阴极表面存在电场时，则冲破金属内部的制约而飞离金属表面。所以当阴极表面存在电场时，则 电子电流密度电子电流密度J (Am2)可表达为可表达为: J = AT2exp-e(Uw- (eE/3.14 0 0) )0.5 0.5) )/kT 式中式中 E- 阴极表面的电场强度阴极表面的电场强度(V/cm)； 0 0 - 真空介电参数真空介电参数 比较式可以看到，电场的存在相当于使电极材

21、料的逸出功降低 Uw/ = Uw- (eE/3.14 0 0) )0.5 0.5 当温度很低时，甚至是00C(T=273K)，如果存在足够强的电场强度， 也可以从电极发射足够数量的电子流密度以供电弧导电的需要。 l电场发射时，电子自阴极飞出不像热发射那样对阴极有强烈的冷却 作用，电子从阴极带走的热量不再是IUw 而是I IUw- (eE/3.14 0 0) )0.5 0.5; l对于低沸点材料的冷阴极电弧，电场发射对阴极区提供带电粒子起对于低沸点材料的冷阴极电弧，电场发射对阴极区提供带电粒子起 重要作用重要作用。这时阴极区的电场强度可达105107Vcm，具备产生电 场发射的有利条件。 光发射

22、光发射 当金属衷面接受光辐射时，也可以使金属表面自由电子能量增加，冲破金属表 面的制约飞到金属外面来，这种现象称为光发射。光发射的条件为: lh eUw lh-普朗克常数; 0 -临界光辐射波长，0 = 1236/Uw 由于各种材料的逸出功不同，所以不同材料产生光发射所要求的临界波长 (lo-10m)可由上式计算 。 l根据计算可知，K、Na、ca等碱金属或碱土金属光发射的临界波长在可见光 范围;而重金属Fe、Cu、W等其临界波长均在紫外线区间。当 o时， (为入射光的波长)则发生光发射；电弧的光辐射波长范围包括可见光和紫外 线，所以弧光可能引起电极的光发射，但由于光量较弱，实际证明它在阴极

23、发射现象 中居次要地位。 l产生光发射时，由于金属表面接受的光辐射能量与电子逸出功相等，所以它 不像热发射时那样对电极有冷却作用。 l粒子碰撞发射粒子碰撞发射 高速运动的粒子(电子或离子)碰撞金属表面时，将能量传给金 属表面的电子，使其能量增加而跑出金属表面，这种现象称为粒子碰撞发射。 l焊接电弧中阴极将接受正离子的碰撞，带有一定运动速度的正离子到达阴极 时，将其动能传递给阴极，它首先从阴极拉出一个电子和自己中和，而成为 中性粒子。如果这种碰撞还能使另一个电子冲出电极表面到电弧空间，其能 量必须满足的条件是： l eUk 十十 eUi = 2eUw 式中，eUk - 正离子动能(J)； eUi

24、 -正离子与电子中和时放出的电离能(J) 由 上式可知，当正离子碰撞阴极时，要使阴极发射一个电子，必须对电极表面 施加两倍的逸出功。 l焊接电弧中阴极区前面有大量的正离子聚集，由于空间电荷的存在使阴极区 形成一定强度的电场，正离子在此电场作用下被加速而冲向阴极，可能形成 碰撞发射。在一定条件下，这种电子发射形式，是电弧阴极区提供导电所需在一定条件下，这种电子发射形式，是电弧阴极区提供导电所需 电子的主要途径电子的主要途径。 l1.2.6负离子的产生 l负离子-在一定条件下，有些中性原子或分 子能吸附一个电子而形成负离子; l中性粒子吸附电子形成负离子时，其内部能 量不是增加而是减少，减少的这部

25、分能量称 为中性粒子的电子亲和能; 中性粒子吸附电 子时将释放出这部分电子亲和能，将以热或 辐射能(光)的形式释放出来。 l各种元素吸附电子形成负离子的倾向决定于它的电子亲 和能； l电子亲合能越大的元素，形成负离子的倾向越大电子亲合能越大的元素，形成负离子的倾向越大；元素 电子亲和能的大小是由原子结构所决定。卤族元素(F、 Cl、Br、I等)的电子亲和能最大，在电弧空间可能遇到 的O、O2、OH、NO、H20、Li等气体均具有一定的电 子亲和能，所以都可能形成负离子。惰性气体Ar、He等 不能形成负离子。几种原子的电子亲和能： F Cl O H Li Na N 3.943.94 3.70 3

26、.8 0.76 0.34 0.08 0.040.04 l由于大多数元素的电于亲和能皆较小，所以高速运动的 电子不易被中性粒子捕捉而形成负离子。 l又因形成负离子是放热过程，使负离子在高温下不易稳定 存在，多在电弧的周边上存在。在这里温度较低的中性粒 子与从电弧中心部分扩散出来的动能较低的电子相遇而形 成负离子 l负离子的生成过程是一个中性粒子吸附电子的过程，电子 是电弧导电过程中的主要角色，所以电弧中如果负离子大 量产生，必然有大量电子被中性粒子夺去，引起电弧导电 困难，而使电弧稳定性降低使电弧稳定性降低。负离子虽然带的电荷量与电负离子虽然带的电荷量与电 子相同，但因它的质量比电子大得多，不能

27、有效地担负传子相同，但因它的质量比电子大得多，不能有效地担负传 送电荷的任务。送电荷的任务。 l1.2.7带电粒子的扩散和复合现象 电弧的导电是靠电弧空间带电粒子的运 动来实现的。电弧的稳定燃烧是带电粒子产 生、运动与消失的动平衡过程，带电粒子产 生后，一部分承担了导电任务，另一部分则 在电弧空间消失了。带电粒子在电弧空间的 消失过程主要有扩散和复合两种形式。 l扩散 带电粒子与一般气体分子和原子一样，如果分布 密度不同，则带电粒子将从密度高的地方向密度低的地 方移动而趋向密度均匀，这种现象称为带电粒子的扩散 现象。带电粒子的扩散运动也是由热运动引起的，这种 热扩散现象可表示如下： q = -

28、 Ddn/dx； D = C /3； lq-单位时间内通过单位面积的带电粒子数(个/m2s)； lD-扩散系数(m2/s)； ldn/dx-带电粒子在x方向的密度变化率 (个/m4)； l-带电粒子的平均自由行程(m)； l C-带电粒子的平均运动速度(m/s)。 l由于电子的平均自由行程比正离子的大得多，故其扩散 系数D也比正离子大很多，因此电子的扩散速度要比正 离子高，电子比正离子较容易扩散到电弧的周边，当电 弧周边上电子密度增加后，由于正负电荷的吸引作用， 又促使正离子向电弧周边扩散。这种带电粒子的扩散过 程不但引起弧柱带电粒子的减少，而且还从弧柱中心将 一部分热量带到电弧周边：为保持电

29、弧稳定地导电，电 弧本身必须再多产生一部分带电粒子和热量以弥补上述 的损失，因此要求电弧在一定条件下有一定的电场强度 来保证单位长度上有足够的产热量(IE)，与上述及其它 损失相平衡。 l复合-电弧空间的带电粒子(正离子、负 离子、电子)在一定条件下偶尔互相结合 成中性粒子的过程称为复合。复合过程包 括电子与正离子、正离子与负离子的复合； l当带电粒子之间的相对运动速度较高时， 即使有相接近的机会，也不容易相互结合 而复合。 B A C l假若电弧空间一个带正电的粒子B与一个带负电 的粒子A相接近，A粒子热运动的动能3KT/2(K 波尔兹曼常数，T绝对温度)，A粒子在r处受B粒 子的吸引作用，

30、它的位能为e2/r(r-A粒子与B粒 子的距离)，则A粒子与B粒子复合的条件是： 3KT/2 e2/40 r B A C 复合条件：A动能 A位能 l 只有满足上式，A粒子才能与B粒子复合, 如果A粒子的动能3KT/2大 于 e2/r，但A粒子能与c粒子发生碰撞，并将大部分动能传给C粒子。 而剩下的动能小于e2/r时，A与B粒子也产生复合。在电弧中心部分由 于温度较高，所有粒子的热运动能量很高，不可能产生复合： l在电弧周边由于粒子的温度较低，动能较小，由于扩散作用而存在一 部分电子或负离子，如果这里正离子扩散出来，就可能产生正、负离 子的复合过程。 l交流电弧时，电流过零的 瞬时电弧熄灭，电

31、弧空间温度显著降低， 也将大量产生正、负离子复合。有时引起电弧再引燃的困难，就是因 为在熄灭瞬间带电粒子的相互复合而使电弧空间丧失带电粒子所致。 电子与正离子的复合过程，将以辐射和热能的形式释放出能量，其数 量相当于电离能和原有的动能。 1.3焊接电弧的引燃过程 l焊接电弧的引燃方式 ：焊接一般采用这种方式； 手工焊条电弧焊：划擦法；点击法； ：焊接常常采用这种方式； 高频振荡；高压脉冲 1.3焊接电弧的引燃过程 l1.3.1 接触引弧 l定义：指在弧焊电源接通后，接着迅速 拉开，保持一较小的距离，从而引燃电弧的过程； l引弧过程：、短路、电流加热、熔化汽化、和 接触接触 拉开拉开燃弧燃弧 1

32、.3.焊接电弧的引燃过程 l1.3.2.非接触引弧 l定义：主要依靠高频率、使电极表 面产生电子发射，从而引燃电弧； l主要用于：和 1.3焊接电弧的引燃过程 l1.3.2.非接触引弧 l引弧方式 l高频高压震荡引弧； l高压脉冲引弧； 高压脉冲引弧电压波形高压脉冲引弧电压波形 高频高压震荡引弧电压波形高频高压震荡引弧电压波形 1.3焊接电弧的引燃过程 l引弧器接入方式 1.4 焊接电弧的结构与导电过程 1.4.1 1.4.1 焊接电弧的结构与压降分布焊接电弧的结构与压降分布 l当两电极之间产生电弧放电时，在电弧长度方向的电场强度并不 是均匀的，实际测量得到电弧沿长度方向的电压分布如图；由图

33、中可以看到电弧由三个电场强度不同的区域组成。 l阳极附近的区域为阳极区，其电压称为阳极电压降; 阴极附近的 区域为阴极区，其电压称为阴极电压降; 中间部分为弧柱区，其 电压称为弧柱电压降； 1.4 焊接电弧的结构与导电过程 l阳极区和阴极区在电弧长度方向的尺寸皆很小，约为10-210-6cm；在电弧长度变化时几乎不 发生变化，但电压降值很高，在电弧总体电压降中占有相当大的比例，所以电场强度很高； l而弧柱区的长度几乎等于电弧总长度，电压降沿弧长方向呈线性变化，其电场强度较低。 l原因: 各区域导电机构不同所决定的，电弧电压Ua是上述各电压降之和 l即U Ua a = U = UA A 十 十

34、U UK K 十 十 U Uc c 1.4 焊接电弧的结构与导电过程 1.4.2.弧柱区的导电机构： 弧柱的温度一般较高，因气体种类、电弧压缩程度和 电流大小不同约在500050000K范围，故弧柱气体将产生 以热电离为主的电离现象，部分中性气体粒子电离为电子 和正离子； l带电粒子因扩散作用，由弧柱中心转移至周边再进行中 和而消失； l弧柱可以看成是导通电流的导体，弧柱中受电场作用而 向相反方向运动的电子流和离子流，将由阴极区和阳极区 产生相应的电子流和正离子流予以接续，保证弧柱带电粒 子的动平衡，而弧柱中因扩散和复合而消失的带电粒子将 由弧柱自身的热电离来补偿。 1.4 焊接电弧的结构与导

35、电过程 l通过弧柱的总电流是由电子流和正离子流两部分组成 的(负离子因占的比例很小而忽略)，弧柱中主要是电 子流，而正离子流是极少的一部分，因为在同样外加 电压作用下，一个电子和一个正离子所受的力相同， 由于电子的质量比正高于的质量小得多，所以电子的 运动速度将比正离子大得多，在弧柱的电流中，电子 流约占99.9，而正离子流仅占0.1左右； l弧柱中正负带电粒子流虽然有很大的差别，但每瞬间 每个单位体积中正、负带电粒子数量相等，而弧柱整 体看来还是中性，这是由于弧柱中电子流所需要的电 子可以从阴极区得到部分补充。 1.4 焊接电弧的结构与导电过程 l阴极区是“电子之泉”，它供给弧柱所需要的全部

36、电子 l弧柱中的正离子流需要从阳极区得到补充，正离子流虽 然与电子流相比是微不足道的，但正离子的存在却对弧 柱的性质有决定性的作用 l正离子的存在保证了弧柱空间的正负电荷相平衡，从整体看弧 柱空间保持中性，电子流与离子流通过弧柱时不受空间电荷电 场的排斥作用，而使电弧放电具有低电压、大电流的特点(电压 降为几伏，电流可达上千安)； l如果弧柱区没有这样的正离子存在，而是充满带负电的电子， 电子流将受到负空间电荷的排斥，则电弧放电就不能具有低电 压、大电流的特点。(对比高能电子束流的产生和传输过程) 1.4 焊接电弧的结构与导电过程 1.4.3 1.4.3 阴极区的导电机构阴极区的导电机构 阴极

37、区的任务是向弧柱区提供所需要的电子流ic，接受由弧柱 来的正离子流； 阴极区提供电子的形式与阴极材料种类、电流大小、气体介质因素 有关。阴极区的导电机构可分为以下三类： (1)热发射型阴极区导电机构 -当阴极采用W、C等高熔点材料，且电流较大时，由于阴极区可 达到很高温度，弧柱所需要的电子流主要依靠阴极热发射来供应； 如果阴极通过热发射提供足够数量的电子，则弧柱区与阴极之间 不再存在阴极压降区，也不存在什么阴极电压降；在这种情况 下，阴极除了直接发射总电流的999的电子流以外，还接受 0.1的正离子流，阴极表面以外的电弧空间与弧柱的特性完全 一样，其空间电荷总和是零，对外界也表现为中性。 1.

38、4 焊接电弧的结构与导电过程 弧柱断面到阴极表面不发生很大变化，此时阴极表面导 电区域的电流密度也与弧柱相近，其数量级103A/cm2。 同时阴极上也不存在阴极斑点阴极斑点(阴极上电流集中、电流 密度很高的点，发出烁亮的光辉称之为阴极斑点)。虽 然电子发射将从阴极带走相当于IUw的热量, 使阴极受到 冷却作用，但是这些热量可以从两个主要途径得到补充： 1) 0.1的正离子流入阴极区时，正离子一方面将其动能 转换为热能传递给阴极，另一方面正离子在阴极表面得 到电子中和放出电离能，也使阴极加热。 1.4 焊接电弧的结构与导电过程 2) 电流流过阴极时将产生电阻热使阴极加热, 因此使阴极保 持较高的

39、温度以保证持续的热电子发射。具有这种导电机 构的阴极称为热阴极。大电流钨极氩弧焊时这种阴极导电 机构占主要地位，实际上钨极氩弧焊也不完全靠热发射提 供电子，还靠阴极区有一定压降形成一定的阴极电场来拉 出电子，是热发射和电场发射联合作用的结果。 （所谓的热阴极是与冷阴极相比能承受更高的温度而巳，因 此即使对大电流钨极氩弧焊，钨极还有一定的阴极压降， 只是数值较小罢了。） 1.4 焊接电弧的结构与导电过程 (2) 电场发射型阴极导电机构 当阴极材料为W、C，并且电流较小时或阴极材料采用熔点 较低的Al、Cu、Fe时，阴极表面温度受沸点的限制而不能 升得很高，只是在阴极的局部区域具有导通电流的有利条

40、 件，阴极的导电面积显著减小，在0.5106107A/cm2)，但 是其温度不可能高于其沸点，在这样低的温度下不可能产 生较强的热发射，不能满足电弧对带电粒子的需求 l事实上阴极温度降低时，它 不可能单依靠热发射所产生 的电子流来供应弧柱对电子 流的需要。当靠阴极热发射 不能提供足够数量的电子时， 则在靠近阴极的区域，正负 电荷的平衡关系将首先受到 破坏，在这里正负电荷数量 不等。电子数量不足，必然 产生过剩的正离子堆积。 l阴极区形成压降 阴极压降区电场增强的作用： l(1) 阴极压降区电场增强致使可以产生电场发射 l(2)电子被强电场加速，可以在弧柱区产生碰撞形 成电离，阴极区出现正离子过

41、剩 l(3)由于阴极压降区的存在，阴极区正离子增加， 正离子通过阴极区将被电场加速使其动能增加， 当正离子到达阴极时，将有更多的动能转换为热 能，增强热发射 通过上述三方面作用，阴极区进行自我调节，直到 阴极区所提供的电子流与弧柱需要的电子流一致， 则达到平衡。 1.4 焊接电弧的结构与导电过程 阴极压降区电场增强： l在小电流钨极氩弧焊和熔化极气保焊时，这种阴 极导电机构起着重要作用。 l用Cu、Fe、A1材料作阴极材料焊接时 (冷阴极)，实际上(1) 和(2)两种阴极导电机构是并存的，互相补充，自动调节， 阴极压降区的电压值因具体条件的不同而变化，一般在几 伏到十几伏之间波动，这主要决定于

42、电极材料的种类、电 流大小和气体介质的成分。当电极材料的熔点较高或逸出 功较小时，则热发射的比例较大，阴极压降较小；反之则 电场发射的比例增大，阴极压降也较大。 l当电流较大时，一般热发射的比例增大，阴极压 降将减小 1.4 焊接电弧的结构与导电过程 1.4 焊接电弧的结构与导电过程 (3)等离子型(正离子流型)阴极导电机构 阴极热发射不能满足弧柱需要，在阴极与弧柱之间可能产 生一个局部高温区，其温度比阴极和弧柱的温度都要高， 在这里产生强烈的热电离，生成大量的电子和正离子。 l电子向弧柱运动，供给弧柱导电需要 l正离子向阴极运动，构成阴极电流 l阴极电流中电子减少而离子增加，甚至阴极完全不发

43、射 电子(即fe = 0；fi =1)，阴极电流全由正离子构成，这种 情况下阴极不发射电子只接受正离子，弧柱所需要的电 子不再由阴极供应，而是由阴极与弧柱之间形成的高温 等离子区供应；这种阴极区呈正电性。 1.4 焊接电弧的结构与导电过程 l阴极前面产生的高温区的原因 当阴极热发射电子数量不足时，则阴极前面必 将聚集较多的正离子，形成的空间电荷则产生阴极 压降Uc，当Uc Ui(Ui为气体介质的电离电压)，阳极区的长度约为l0-2 10-3cm。当焊接电流较小时，阳极区的导电常常属于这种机构。 1.4 焊接电弧的结构与导电过程 (2)阳极区的热电离 当电流密度较大，阳极温度很高，甚至使阳极材料

44、发生蒸发， 靠近阳极前面的空间也被加热到很高的温度。当电流密度增加到一 定程度时，聚集在这里的金属蒸气将发生热电离，通过这种热电离 生成正离子供弧柱需要，生成的电子奔向阳极。由于在这里是靠热 电离生成的正离子，不再需要UA来增加电子动能以产生碰撞电离， 所以UA可以较低。随着电流密度的增加，阳极区热量继续增加，当 弧柱所需要的0.001I的正离子流完全由这种阳极区热电离来提供 时，则UA可以降到零。 l大电流钨极氩弧焊及大电流熔化极焊接时，UA皆很小甚至接近于零 lUA数值与阳极材料的导热性能有关，在相同条件下，阳极材料的导 热性能越强，则UA越大。 1.4 焊接电弧的结构与导电过程 弧柱区的

45、导电机构：弧柱区的导电机构：弧柱电流中，电子流约占99.9， 正离子流仅0.1，弧柱整体呈中性 阴极区的导电机构阴极区的导电机构 l(1)热发射型阴极区导电机构：热阴极（阴极采用W、C等高熔点材料， 且电流较大） l正离子一方面将其动能转换为热能传递给阴极，另一方面正离子在阴极 表面得到电子中和放出电离能，也使阴极加热 l电流流过阴极时将产生电阻热使阴极加热 l(2)电场发射型阴极导电机构：冷阴极（阴极W/C，且电流较小或阴 极采用低熔点Al/Cu/Fe） l阴极区正负电荷平衡关系被破坏，致使阴极压降区电场增强 l(3)等离子型(正离子流型)阴极导电机构：冷阴极 l阴极与弧柱间可能产生局部电离

46、高温区（阴极不发射电子只接受正离子） 阳极区的导电机构阳极区的导电机构：阳极向弧柱提供正离子流 电流较小，碰撞电离 电流较大，金属蒸气热电离 1.5 1.5 电弧的能量转换电弧的能量转换 电弧可以看做是一个把电能转换成其它能量的元件。它可以将电 能转换成热能、光能、磁能和机械能等。其中大部分电能转换为热能， 以传导、对流和辐射的形式传给了周围的气体和焊接材料。机械能主要 指气体粒子的运动及等离子流所产生的力，它对阴极和阳极的行为影响 较大。 l焊接电弧的热量来自电流提供的电能，电流向电弧的弧柱区、阳极 区和阴极区所提供的电能为: P = I ( Ui + Uc + UP ) l可以看到，电弧的

47、能量转化与电弧的导电机构有关，下面将从电弧 的导电机构研究电弧的产热机构。 1.5 1.5 电弧的能量转换电弧的能量转换 1.5.1 1.5.1 电弧的产热机构及温度分布电弧的产热机构及温度分布 (1)弧柱的产热机构 l 正离子流在整个电弧电流中只占极小的比例，但它的存在却保证了 弧柱空间呈中性，弧柱电压降可以很小，通过的电流可以很大；正离子 的密度应等于电子的密度，而正离子的体积却显著大于电子带电粒子 在外加电场的作用下产生运动，位能(电场能)转变为热能、动能。 l在弧柱中电子实际上是在密集的粒子之间运动，它并不是由阴极直接 跑向阳极，而是在不断地与正离子或中性粒子碰的过程中从阴极移向 阳极

48、的。因此，电子的运动由两部分组成：一部分是与正离子(或中 性粒子)碰撞过程的散乱运动；另一部分足沿电场方向的定向运动。 l这种散乱运动的动能实质就是电子热能，这部分能量占电子总能量的 大部分，而电子沿电场方向运动的动能只占较小部分，也就是说在弧 柱中外加电能以这种形式转变为热能。 1.5 1.5 电弧的能量转换电弧的能量转换 l常压下的焊接电弧，由于电子频繁地与正离子相撞，电子所得到的较 高的动能将转移给正离子，电子与正离子的散乱运动趋向均衡，因此 电子与正离子的温度基本上是均匀的。 l如果电弧在较低的气压下燃烧，电子散乱运动的动能转移给正离子的 较少，则电子温度电子温度将高于离子温度离子温度

49、，压力越低，其温度差别越大。 l单位长度弧柱的电能，将与弧柱的热损失相平衡。弧柱的热损失分为 对流、传导和辐射(包括光辐射)等几个方面。根据许多研究者测量的 结果，弧柱部分的热能对流损失约占80以上，传导与辐射均为10 左右。 1.5 1.5 电弧的能量转换电弧的能量转换 l弧柱的产热情况不像固态导体那样，只要电流一定，其产热量也就一定。当 电流一定时弧柱的产热量将因热损失的大小而自行调整； l由于气体质量、导热性能、解离程度的不同，电弧在不同的气体中燃烧时的 热损失也不同，使弧柱部分的电场强度也不相同；当电流不变时，弧柱电场 强度E的升高意味着弧柱的产热量增加，当然意味着弧柱的温度升高。弧柱

50、外 围有强迫气流冷却时将带来E的升高和弧柱温度的上升，气压的升高也将带来 相同的倾向； l一般电弧焊接过程中，弧柱的热量不能直接用于对焊条(焊丝)和母材的加热， 只能有很少一部分热量通过辐射传给焊条(焊丝)和焊件； l当电流较大有等离子流产生时，等离子流将把弧柱的一部分热量带到焊件 （因为等离子流一般是由焊条(焊丝)流向焊件），增加焊件的热量。 1.5 1.5 电弧的能量转换电弧的能量转换 1阴极区的产热机构 l 由于阴极区的长度很小(数量级为10-410-6cm）所以阴极区热能 直接影响阴极的加热，即影响焊丝的熔化和焊缝熔深； l弧柱中只有0.0011的正离子流进入阴极区，其数量相对整个电流

51、是很 小的，可以认为它的产热对阴极区的产热忽略不计，影响阴极区能量 状态的带电粒子，全部在阴极产生，由阴极区提供足够数量的电子进 入弧柱，实现电弧放电过程；因此可以从这些电子在阴极区的能量平 衡过程来分析阴极区的产热。 l阴极区提供的电子流与总电流相近，这些电子在阴极压降的作用下跑 出阴极并受到加速作用，获得的总能量为lUc。这是在阴极区由电能 转变为热能的主要来源； l电子从阴极表画逸出时，克服阴极表面的束缚而消耗能量为Uw，这部 分能量对阴极有冷却作用； 1.5 1.5 电弧的能量转换电弧的能量转换 l电子流离开阴极区进入弧柱区时，它具有与弧柱相应温度 的热能，电子流离开阴极区时所带走这部

52、分能量为UT，(UT为 弧柱温度的等效电压)；根据以上分析，电子离开阴极时所处 的能量平衡为 式中 Ec阴极区的总能量(J) Uc阴极压降(V) Uw-逸出功(v) UT一弧柱温度的等效电压(v) 上式为阴极的产热表达式，它决定的产热量主要用于阴极的 加热和阴极区的散热损失，焊接过程中直接加热焊丝或焊件 的热量主要是由这部分能量提供。 1.5 1.5 电弧的能量转换电弧的能量转换 2. 阳极区的产热机构 l由于阳极区的长度也很小(数量级为10-210-4）所以阳极区热能也 可直接影响加热，即影响焊丝的熔化和焊缝熔深； l弧柱中有0.999I的电子流进入阳极区，只有0.001I的离子流进入弧柱

53、区, 离子流的数量相对整个电流是很小的，可以认为它的产热对阳极 区的产热忽略不计，影响阳极区能量状态的带电粒子，全部由电子带 入，实现电弧放电过程； 因此可以从这些电子在阳极区的能量平衡过程来分析阳极区的产热： l阳极区接受的电子流与总电流相近，这些电子在阳极压降的作用下跑 进阳极并受到加速作用，获得的总能量为lUA。这是在阳极区由电 能转变为热能的主要来源； l电子进入阳极表面时，放出逸出能量为Uw； 1.5 1.5 电弧的能量转换电弧的能量转换 l电子流由弧柱区进入阳极区时，它具有与弧柱相应温度的热 能，给阳极区带入的能量为UT，(UT为弧柱温度的等效电压)； 根据以上分析，电子离开阴极时

54、所处的能量平衡为 式中 EA阳极区的总能量(J) UA阳极压降(V) Uw-逸出功(v) UT一弧柱温度的等效电压(v) 上式为阳极的产热表达式，它决定的产热量主要用于阳极的 加热和阳极区的散热损失，焊接过程中直接加热焊丝或焊件 的热量主要是由这部分能量提供。 1.5 1.5 电弧的能量转换电弧的能量转换 3. 焊接电弧的有效功率及能量密度 l焊接时通过电弧将电能转换为热能，利用这种热能来加热和熔化焊丝 与焊件。熔化电极焊接法，焊接过程中焊条(或焊丝)熔化，熔滴把加 热和熔化焊丝的热量带给熔池。而钨极氩弧焊，电极不熔化，母材只 利用一部分电弧的热量。 如果用P0表示加于电弧的总功率，则 P0

55、= I Ua 式中 I -焊接电流(A)； Ua -电弧电压(v)； l P-用来有效加热工件和焊丝的有效功率： P = P0 -电弧有效功率因数，与焊接方法、焊接规范、周围条件有关。 l (1- ) P0这部分功率将消耗在辐射、对流等热损失上。 1.5 1.5 电弧的能量转换电弧的能量转换 电弧的温度分布 l 电弧各部分导电机构的特点，决定了电弧各部分轴向能量密度分布 与电流密度分布相对应，电弧的温度是能量平衡的总结果； l在弧柱部分温度的轴向分布与电流及能量密度分布相对应，而在两极 能量密度很高，但由于受到电极材料沸点的限制，两个电极上的温度 较低，这是因为电极温度的升高受电极材料熔点和沸

56、点的限制； l一般情况下阴极与阳极的温度要低于电极材料的沸点；阳极的温度往往 高于阴极的温度。 l 弧柱的温度受电极材料、气体介质、电流大小、拘束程度等多种因 素的影响。在常压下，当电流由1-1000A变化时，弧柱温度可在 500030000K之间变化 l电弧各部分轴向 能量密度分布与 电流密度分布相 对应 l由于受到电极材 料沸点的限制， 两个电极上的温 度较低 1.5 1.5 电弧的能量转换电弧的能量转换 l焊接电弧的温度分布特点 l靠近电极直径小的一端，如焊丝或焊条一端电流密度和能量密度高，电弧 的温度也高；不管焊丝(或焊条)接正、接负都有这个特点 l电弧空间金属蒸气成分影响电弧温度 l

57、不同金属蒸气电离能不一样，电弧温度也有很大的差异；如果电弧空间无金属 蒸气，由于Ar的电离势较高，电弧空间的电离度较小，则电场强度提高 l当电极材料大量蒸发时，由于金属蒸气的电离能显著小于Ar，故电离度增加， 电弧温度可降低。如焊条药皮中含有易电离的K、Na等稳弧剂，电弧空间存在 有K、 Na等金属蒸气，则电弧温度较低。 l焊接电流大小直接改变弧柱的能量密度，它也影响弧柱温度的高低。焊接 电流增大，弧柱温度增加 l电弧周围有气体高速流动时，如等离子弧，由于周围高速气流的冷却使弧 柱电场强度显著升高，则温度上升。周围气氛是多原子气体时，由于气体 解离吸热，也将使电弧温度升高。 1.6 焊接电弧的

58、特性 l焊接电弧的分类 l按电流种类分：电弧、电弧、 电弧 l按电弧种类分：电弧、电弧 l按电极材料分：电弧和电弧 1.6 焊接电弧的特性 l焊接电弧特性就是研究电弧放电的性能和规律。 以下面主要介绍电弧静特性、电弧动特性、最小电 压原理和电弧斑点等。 最小电压原理 一定长度的电弧在稳定状态下，当电流一定时， 电弧弧柱直径将保持一适当值，以使电弧电压处于 最小状态。 l实质是：外界条件一定，电弧保持能量最低原则 思考：无处不在的能量最低原理？！ 1.6 焊接电弧的特性 定义：在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下，电弧 稳定燃烧时，和之间的关系,称为 Uf=f(If) 线性电阻的伏安特性线性电

59、阻的伏安特性电弧的静特性曲线电弧的静特性曲线 1.6 焊接电弧的特性 电弧静特性的曲线分为三个部分： lA段的焊接电流密度较小时，电弧静特性为负阻 特性，即随着焊接电流的增加而电弧电压减小 l当焊接电流密度稍大，呈现水平特性的B段 l当电流密度增大到一定值时，电弧特性呈上升 特性C段 1.6 焊接电弧的特性 焊接电弧静特 性的影响因素 l电弧长度 l电极直径 l气体介质等 1.6 焊接电弧的特性 焊条电弧焊焊条电弧焊 直流埋弧焊直流埋弧焊 熔化极气体保护焊熔化极气体保护焊 1.6 焊接电弧的特性 电弧动特性 l定义：指在一定的弧长下，当电弧电流 时，电弧电压与电流之间的关系， 称为电弧动态伏安

60、特性。uf=f(if) A B C D 1.6 焊接电弧的特性 交流电弧的动态特性 1.7 电弧压力 l电弧对于焊接而言，不仅仅是一个加热源， 同时也是一个力源。电弧力与焊接中表现 出的熔池形态、熔深尺寸、熔滴过渡、焊 缝成形等都有密切关系； l同时也是形成不规则焊缝、产生成形缺陷、 造成焊接飞溅的直接原因； l由于焊接电流较大，电弧力对熔池的成型 和质量作用明显。 1.7 电弧压力 1.7.1 电弧静压力(电磁收缩力)：在两根相互平行的导体 中，通过同方向的电流时，导体间产生相互吸引的力；若电 流方向相反，则产生排斥力。这个力的形成是由于一个导体 中的电流在另一个导体的周围空问形成磁场，磁场