第一章电弧焊基础知识
电弧焊-基础知识
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（二）电子的发射
（2）场致发射
当阴极表面空间有强电场存在时，金属 电极内的电子在电场静电库仑力的作用下， 从电极表面飞出的现象称为场致发射。
冷阴极电弧正是主要依靠这种方式获得足 够的电子以维持电弧稳定燃烧的。
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（二）电子的发射
（3）光发射
当金属电极表面接受光辐射时，电极表面的 自由电子能量增加，当电子的能量达到一定值时 能飞出电极的表面，这种现象称为光发射。
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（一）气体的电离
（1）电离与激励
电离能通常以电子伏（eV）为单位， 1电子伏就是1个电子通过1V电位差的空间所 获得的能量，其数值为1.6×10-19J。为了便 于计算，常把以电子伏为单位的能量转换为 数值上相等的电压来处理，单位为伏（V）， 此电压称为电离电压。电弧气氛中常见气体 的电离电压如表1-1所示。
（1）热发射 金表面承受热作用而产生电子发射的现象称 为热发射。金属电极内部的自由电子受到热作用 以后，热运动加剧，动能增加，当自由电子的动 能大于该金属的电子逸出功时，就会从金属电极 表面飞出，参加电弧的导电过程。电子发射时从 金属电极表面带走能量，故能对金属产生冷却作 用。当电子被另外的同种金属表面接受时，将释 放能量，使金属表面加热。
二、焊接电弧的导电特性
其中，暗放电和辉光放电的电流较小，电 压较高，发热发光较弱，而电弧放电的电流最 大，电压最低，温度最高、发光最强。正是因 为电弧具有这样的特点，因此在工业中广泛用 来作为热源和光源，在焊接技术中成为一种不 可缺少的能源。 综上所述，从电弧的物理本质来看，它是一种 在具有一定电压的两电极之间的气体介质中所 产生的电流最大、电压最低、温度最高、发光 最强的自持放电现象。
第一章电弧焊基础知识
第一章电弧焊基础知识
第一章电弧焊基础知识第一节焊接电弧目的与要求：了解电弧的实质、获得的途径、电弧各区域及其导电机构的特点、能量与温度的分布规律；掌握电弧偏吹的概念及影响因素、解决措施。
一、焊接电弧的物理基础（一）电弧及其电场强度分布电弧的实质：气体放电（导电）电弧的特点：低电压、大电流、温度高、亮度大（二）电弧中带电粒子的产生获得电弧的途径：气体电离+电子发射1、电离的种类：热电离场致电离光电离电离能及其与引弧的关系2、（阴极）电子发射热发射场致发射光发射粒子碰撞发射逸出功及其与引弧的关系1、电离的种类：热电离场致电离光电离电离能及其与引弧的关系2、（阴极）电子发射热发射场致发射光发射粒子碰撞发射逸出功及其与引弧的关系二、焊接电弧的导电特性电弧的三个区域：阴极区弧柱区阳极区（一）弧柱区的导电特性最小电压原理（难点，通过水珠的形状与能量的关系辅以解释说明）（二）阴极区的导电特性1、热发射型2、电场发射型阴极斑点（三）阳极区的导电特1、阳极斑点2、阳极区导电形式三、焊接电弧的工艺特性电弧的工艺特性主要包括：热能特性、力学特性、电弧稳定性等。
（一）电弧的热能特性1、电弧热的形成机构电弧的弧柱、阴极区、阳极区的产热特性各不相同。
⑴弧柱的产热⑵阴极区的产热特性⑶阳极区的产热特性2、电弧的温度分布⑴轴向－两极区低弧柱区高⑵径向－中心高四周低3、焊接电弧的热效率及能量密度电弧产热的一部分热量会通过对流、传导、辐射等形式散失，所以会存在热效率问题。
能量密度分布：轴向－两极区大弧柱区小径向－中心大四周小（二）、电弧的力学特性1、电弧力类型及作用（重点）电磁（收缩）力——使电弧获得刚直性，促进熔滴过渡等离子流力——促进熔滴过渡斑点（压）力——阴极＞阳极／阻碍熔滴过渡电极材料蒸发的反作用力——阴极＞阳极／阻碍熔滴过渡熔滴(droplet)冲击力——对熔池造成冲击短路爆破力——短路时产生，导致飞溅2、电弧力的主要影响因素气体介质、焊接电流和电压、焊丝（条）直径、极性和电极端部形状等。
电弧焊基础知识
电弧焊基础知识电弧焊是一种常用的金属连接方式，通过电流的通入使金属加热并熔化，然后让熔化的金属在电弧的作用下连接在一起。
它在工业生产中应用广泛，适用于各种金属材料的连接，是制造业中非常重要的焊接方法。
本文将介绍电弧焊的基础知识，包括其原理、设备和操作技巧。
1. 电弧焊的原理电弧焊的原理是利用电流通过两个相互接触的导电电极时，产生的电弧和热量将金属表面加热至熔点，以实现金属材料的连接。
电流通入导电电极形成电弧，同时使导电电极和工件之间形成可引燃的电弧空气。
2. 电弧焊的设备电弧焊的设备主要包括焊机、电极和接地夹。
焊机是产生和控制电弧焊所需电流的设备，通常采用直流或交流焊机。
电极是传递电流到工件的导电材料，常见的电极有炭化钨电极和钨钨极电极。
接地夹用于将接地电缆夹住，以确保工作地点的安全电接地。
3. 电弧焊的操作技巧3.1 准备工作：在进行电弧焊前，需要确认焊接材料的种类，选择适当的电极和焊接电流。
另外，还需要为焊接区域清洁，并将工件固定在合适的位置上。
3.2 焊接电流的选择：电弧焊时，焊接电流的选择是非常重要的。
一般来说，电流过小会导致焊缝不够牢固，电流过大则会引起焊接材料的过热。
3.3 焊接技巧：在焊接时，应保持稳定的手持姿势，使焊锡均匀地覆盖在焊缝上。
焊接要均匀、有节奏地进行，以保证焊接质量。
3.4 焊接安全：在进行电弧焊时，应注意避免电弧和烟雾对人体的伤害。
焊接时需要佩戴防护设备，如防护眼镜、手套、护目镜等，确保人身安全。
电弧焊具有焊接速度快、连接牢固等优点，广泛应用于建筑、汽车制造、船舶制造等行业。
但在实际应用中，电弧焊也存在一些问题，如焊接变形、裂纹等。
为了提高焊接质量，还需要加强焊接工艺的研究和改进。
总之，电弧焊作为一种重要的金属连接方法，具有广泛的应用前景。
掌握电弧焊的基础知识，对于工程师和焊工来说是非常重要的。
通过了解电弧焊的原理、设备和操作技巧，可以更好地应用电弧焊技术，提高焊接质量，为制造业的发展做出贡献。
焊接基础第1章 电弧焊基础知识
学习目标
掌握焊接电弧物理基础； 能够分析说明焊接电弧的工艺特性； 能够明确作为填充材料的焊丝熔化特性与熔滴过渡
的方式； 掌握母材熔化与焊缝成形的基本规律；
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第1章 电弧焊基础知识
主要内容
※ 1.1 焊接电弧基础 ； ※ 1.2 焊丝的熔化与熔滴过渡； ※ 1.3 母材熔化与焊缝成形 ；
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1.2 焊丝的熔化与熔滴过渡
1.2.1 焊丝的加热和熔化特性
1、焊丝的热源 （2）电阻热： 熔化极电弧焊时，焊丝只在通过导电嘴 时才和焊接电源接通（焊条？）。
因此，讨论焊丝的加热 和熔化，实际上是分析焊丝 伸出部分（称为焊丝干伸长 ：ls）的受热情况，因为焊 丝伸出部分有电流流过时所 产生的电阻热对焊丝有预热 作用。
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1.2 焊丝的熔化与熔滴过渡
1.2.2 熔滴的形成与过渡
1、熔滴上的作用力 综上所述：
1）除重力、表面张力、爆破力外，其余力都与电弧 形态有关。
2）熔滴上的作用力对熔滴过渡的影响应从焊缝空间 位置、熔滴过渡形式、电弧形态、工艺条件等综 合考虑。
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1.2 焊丝的熔化与熔滴过渡
1.2.2 熔滴的形成与过渡
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1.2 焊丝的熔化与熔滴过渡
1.2.1 焊丝的加热与熔化
2、焊丝的熔化 １）熔化速度、熔化系数
熔化速度（ Vm ）：在单位时间内熔化的焊丝质量。 熔化系数（ аm ）：在单位时间内，单位电流所熔化的
焊丝质量。 ２）焊丝的熔化特性
焊丝的熔化特性则是指焊丝的熔化速度Vm和焊接电流I 之间的关系。
在采用熔化极电弧焊进行焊接时，必须使焊丝的熔化速 度等于送丝速度，才能建立稳定的焊接过程。
电弧焊基础知识
阴极表面光亮的区域称为阴极斑点。
阴极斑点具有“阴极清理”（“阴极破碎”）作用，原因：由于氧化物的逸出功比纯金属低，因为阴极斑点会移向有氧化物的地方，将该氧化物清除。
（3）电子发射类型
1）热发射
阴极表面受热引起部分电子动能达到或超过逸出功时产生的电子发射。
热阴极以热发射为主要的发射形式。
电弧力（电磁收缩力、等离子流力、斑点力等）中，电磁收缩力及等离子流力对熔滴过渡有促进作用，斑点力阻碍熔滴过渡的顺利进行。
4、熔滴爆破力
熔滴内部由于冶金反应而生成气体或气体蒸气时，在电弧高温下可能会聚集致使熔滴爆破，这中内压力称为熔滴爆破力，他是产生飞溅的原因之一。
5、电弧的气体吹力
焊条电弧焊是焊条端部形成套筒，药皮中的造气剂产生的气体及CO气体在高温下膨胀并从套筒中喷出，形成一股促进熔滴过渡的推力。
PR＝I2RS
（二）焊丝的熔化特性
焊丝在电弧热和电阻热的共同作用下加热熔化，焊丝的熔化速度即指在单位时间内熔化的焊丝长度。
焊丝的熔化特性则是指焊丝的熔化速度vm和焊接电流I之间的关系。
一般焊丝的电阻率和熔化系数越大，焊丝熔化速度越快。
当然，并不是焊丝熔化速度越快越好，焊丝的熔化速度必须等于送丝速度，才能建立稳定的焊接过程。
第三节 母材熔化与焊缝成形
一、焊缝形成过程
在电弧热的作用下焊丝与母材被熔化，在焊件上形成一个具有一定形状和尺寸的液态熔池。随着电弧的移动熔池前端的焊件不断被熔化进入熔池中，熔池后部则不断冷却结晶形成焊缝。
熔池的体积由电弧的热作用决定，而熔池的形状则取决于电弧对熔池的作用力。
焊缝的结晶总是从熔池边缘处母材的原始晶粒开始，沿着熔池散热的相反方向进行，直至熔池中心与从不同方向结晶而来的晶粒相遇时为止。因此，所有的结晶晶粒方向都与熔池的池壁相垂直。
第一章电弧焊基础知识
过渡区
非自持放电
过 渡 区
电弧放电
电流最大、 电压最低、 温度最高、 发光最强
5
电弧放电区伏安特性
电弧的静特性曲线
A. 电弧成负阻特性 B. 电弧成平特性 C. 电弧成上升特性
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2. 带电粒子的产生
气体电离 电极发射电子 形成负离子
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（1）气体电离：
电离：中性气体分子或原子分离成电子和正离 子的现象。 电离电压：电离能用电压来表示，电离电压低 说明气体的电离比较容易，电弧比较稳定。
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4.斑点力
斑点力：斑点受到带电粒子的撞击，或 金属蒸汽的反作用而对斑点产生的压力， 称为斑点力，或斑点压力。 阴极斑点力大于阳极斑点力
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5.电弧与磁场的作用
电弧的刚直性（挺直性、挺度） ：电 弧抵抗外界干扰，力求保持焊接电流沿 电极轴向流动的性能。 电磁力是产生电弧刚直性的主要原因。
TIG焊小电流成负阻特性。
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平特性
在B区：电流稍大，电极温度提高，阴极热发射能力增 强，阴极电压降低；阳极蒸发加剧，阳极电压降低。也 就是说电弧中产生和运动等量的电荷不需要更强的电场。
对于弧柱区，电弧等离子气流增强，除电弧表面积增加 造成的热损失外，等离子气流的流动对电弧产生附加的 冷却作用，因此在一定的电弧区间内，电弧电压自动的 维持一定的数值，保证产热和散热的平衡。成平特性。
电弧焊基础
一、焊丝的加热和熔化特性
1、焊丝的热源 电弧焊时，主要热源是电弧热和电阻热。 熔化极时，阴（阳）极区电弧热及电阻热； 非熔化极时，主要靠弧柱区产生的热量。 其中：阴极区的产热功率：PK=I（UK-UW）； 阳极区的产热功率：Pa=IUW 电阻热：PR=I2RS；RS=ρLS/S 2、焊丝的熔化特性 焊丝的熔化特性指焊丝的熔化速度和焊接电流之间的关系。 在其他条件相同的情况下，焊丝电阻率和熔化系数越大， 焊丝熔化速度越快，反之，熔化速度越慢。图示为熔化 下一页 特性与焊丝直径的关系及熔化特性与伸出长度的关系。
焊接工艺 （焊接方法与设备）
第一单元 电弧焊的基础知识
第一单元 电弧焊的基础知识
综合知识模块一 焊接电弧 综合知识模块二 焊丝的熔化与熔滴过渡 综合知识模块三 母材熔化与焊缝成形
综合知识模块一 焊接电弧
能力知识点1 焊接电弧的物理基础 能力知识点2 焊接电弧的导电性 能力知识点3 焊接电弧的工艺特性
焊丝的熔化特性与焊丝直径及伸出长度的关系
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二、熔滴上的作用力
1、重力：平焊时，促进熔滴过渡；其他位置时，阻碍熔滴过渡。 2、表面张力：表面张力是指向焊丝端头上保持熔滴的作用力。平 焊时，阻碍熔滴过渡；其他位置有利于熔滴过渡。如图所示。 3、电弧力：电弧力包括电磁收缩力、等离子流力、斑点压力等。 其中电弧力和等离子流力促进熔滴过渡；斑点压力总是阻碍熔滴 过渡。 4、熔滴爆破力：当熔滴内部因冶金作用而生成气体或含有易蒸发 金属时，在电弧高温作用下将使气体积聚、膨胀而产生较大的内 压力，致使熔滴爆破。它促使熔滴过渡。 5、电弧的气体吹力：焊条电弧焊时，焊条药皮的熔化滞后于焊芯 的熔化，在焊条端部形成套筒，此时，药皮中的造气剂产生的气 体在高温下急剧膨胀，从套筒中喷出作用于熔滴。不论何种位置 的焊接，电弧气体吹力总是促进熔滴过渡。
第一章 电弧焊基础知识PPT课件
外加能量可以通过碰撞和光辐射两种方式传递给中性气体
粒子。
电弧本身制造带电粒子维
持其导电的最主要途径。
碰撞传递：只有非弹性碰撞才产生电离过程。
光辐射传递：气体粒子接受光量子形式施加的能量，产生 激励或电离，超过电离能部分转换为电离生成电子的动能。
2020/8/7
第一章 电弧焊基础知识
次要途径
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第一节 焊接电弧
W-Zr 氧化物逸出功较低， 3.14 电子容易从氧化膜
处逸出，形成阴极 斑点。如铝合金的
阴极雾化 14
第一节 焊接电弧
阴极电子发射机构可分为 ：
对电极有 冷却作用
（1）热发射 阴极表面因受到热作用而使其内部的自由电 子热运动加剧，动能增加，当一部分电子的动能大于大 于逸出功时，则飞出到表面外的空间中去而产生的电子 发射现象。
一、焊接电弧的导电特点
电弧是一种气体放电现
象，是指两电极存在电
位差时，电荷通过两电
极之间气体空间的一种
导电现象。电能转换为 热能、机械能和光能。
焊接电弧导电示意图
2020/8/7
第一章 电弧焊基础知识
4
第一节 焊接电弧
气体导电时，导电部分的电压与电流不遵循欧姆定律。
电弧的特点： 低电压、大 电流、温度 高、亮度大
2020/8/7
第一章 电弧焊基础知识
10
第一节 焊接电弧
说明
1、Ui为实效电离电压，主要取决于电离电压较低的气体
成分，例如焊条药皮中加K、Na、Ca稳弧。 CO2、N2气氛电
弧电压和电弧温
2、气氛中的多原子气体电离前首先解离。 度比Ar气氛高。
3、弧柱区温度为5000～30000K，热电离是其产生带电粒 子的最主要途径。
电弧焊基础知识
当金属表面受光能照射时，内部自由电子冲破 表面束缚而产生电子发射的现象。
当正离子撞击阴极表面时，其动能将传递给阴 极内部的电子，从而使其逸出金属表面的发射 过程。
第一节 焊接电弧
在实际焊接电弧中，当使用沸点高的材料（如 W或C）作电极时，其阴极区的带电粒子主要靠热 发射来提供，通常称为热阴极电弧。
电弧焊基础知识
第一节 焊接电弧
第一节 焊接电弧
1. 焊接电弧的导电特点
电弧示意图
电弧是一种
气体放电现象， 即当两电极之间 存在电位差时， 电荷通过两极之 间的气体空间的 一种导电现象。
第一节 焊接电弧
正常状态下，气体由中性分子或原子组成，不含 带电离子，在外电场作用下，不产生定向运动。
为使正常状态下的气体导电，必须首先产生带电 离子，气体中的带电离子在外电场的作用下，产 生定向运动，导致气体导电。
第二节
焊接电弧的能量平衡及电弧力
第二节 焊接电弧的能量平衡及电弧力
1. 焊接电弧中的能量平衡
当电弧的弧柱区、阴极区和阳极区的能量交换达到平衡 时，电弧便处于稳定的燃烧状态。
1.1 弧柱区的能量平衡
单位时间内弧柱区所产生的能量，主要为通过弧柱电场而 被加速的正离子和自由电子所获得的动能，并通过碰撞及中和 作用转变成热能，其产热和热损失保持平衡。在热损失的对流、 传导和辐射中，对流约占80％以上，传导与辐射占10％左右。
第一节 焊接电弧
使中性气体粒子失去第二个电子需要更大的电
离能，称为第二电离能。生成的正离子称为二价 正离子，这种电离称为二次电离。等等。
第一章_电弧焊基础知识详解
2020/9/30
第一章 电弧焊基础知识
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第一节 焊接电弧
❖ 光电离
定义：中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电离。
范围：电弧的辐射只可能对K、Na、Ca、Al等金属蒸气直
接引起电离，而对焊接电弧气氛中的其他气体则不能直接
引起电离。
光电离是产生带电粒子的次要途径。
常见气体光电离的临界波长
电弧的光辐射 波长在170～
电弧中带电粒子的产生过程
电弧的带电粒子主要依靠气体的电离和电极发射电子产生。
（一）气体电离 在外加能量作用下，中性气体分子或原子分离成正离子和电子
的现象。 使中性气体粒子失去第一个电子所需要的最低外加能量称
为第一电离能，生成的正离子称为一价正离子，这种电离 称为一次电离。电离能转换为数值上相等的电压来表示则 为电离电压或电离势。
第一节 焊接电弧
电离种类
❖ 热电离：气体粒子受热作用而产生的电离过程。
实质：气体粒子的热运动形成频繁而激烈的碰撞
气体热电离的电离度：单位体积内被电离的粒子数与气
体电离前粒子总数的比率。
x=电离后的电子或离子密度/电离前中性粒子密度
萨哈公式
1
x2 - x2
P
3.16 10-7 T
2.5
exp（-
处逸出，形成阴极 斑点。如铝合金的
阴极雾化 13
第一节 焊接电弧
阴极电子发射机构可分为 ：
对电极有 冷却作用
（1）热发射 阴极表面因受到热作用而使其内部的自由电 子热运动加剧，动能增加，当一部分电子的动能大于大 于逸出功时，则飞出到表面外的空间中去而产生的电子 发射现象。
热发射电子流密度：i=AT2exp(-eUω/kT) 热阴极电弧：热发射强弱受到阴极材料沸点的影响，沸 点高的钨或碳做阴极时，电极可以被加热到比较高的温 度，通过热发射可以提供足够多的电子。
《焊接工程基础》知识要点复习
《焊接工程基础》知识要点复习第一章电弧焊基础知识及第二章焊丝的熔化和熔滴过渡一焊接的概念：通过适当的物理化学过程（加热或者加压，或者两者同时进行，用或不用填充材料）使两个分离的固态物体产生原子（分子）间结合力而连接成一体的连接方法。
二电弧的概念：电弧是在一定条件下电荷通过电极间气体空间的一种导电过程，或者说是一种气体放电现象。
三电弧中带电粒子的产生:电弧是由两个电极和它们之间的气体空间组成。
电弧中的带电粒子主要依靠两电极之间的气体电离和电极发射电子两个物理过程所产生的，同时也伴随着解离、激励、扩散、复合、负离子的产生等过程。
四电离与激励（一)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称为电离.电离的种类： 1 .热电离：高温下气体粒子受热的作用相互碰撞而产生的电离称为热电离。
2. 电场电离：带电粒子从电场中获得能量，通过碰撞而产生的电离过程称为电场作用下的电离。
3.光电离: 中性粒子接受光辐射的作用而产生的电离现象称为光电离。
（二）电子发射：金属表面接受一定的外加能量，自由电子冲破金属表面的约束而飞到电弧空间的现象.1、热发射金属表面承受热作用而产生的电子发射现象.热阴极：W、C 电极的最高温度不能超过沸点；冷阴极：Fe，Cu，Al,Mg等。
影响因素：温度、材质、表面形态2、电场发射：当金属表面空间存在一定强度的正电场时，金属内的自由电子受此电场静电库伦力的作用,当此力达到一定程度时，电子可飞出金属表面，这种现象称电场发射。
对低沸点材料，电场发射对阴极区提供带电粒子起重要作用。
影响因素：温度、材质、电场大小3、光发射：当金属表面接受光辐射时，也可使金属表面自由电子能量增加，冲破金属表面的约束飞到金属外面来,这种现象称为光发射。
4、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自由电子，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。
在一定条件下，粒子碰撞发射是电弧阴极区提供导电所需电子的主要途径。
第1章电弧焊基础知识
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阳极压降的形成
3）阳极区的产热机构 （1）本质：接受电子、产生过程中伴随的能量转换，由三部分组成：
a 电子被加速所得到的能量： b 电子带来的逸出功： c 电子带来的相当于弧柱温度那部分能量 （ 2）产热公式
（） （3）作用
自持放电：放电本身能产生导电所需的带电粒子 （、e）；有暗放电、 辉光放电、 电弧放电
等三种。
电弧
+
非自持放电
自持放电
暗放电 辉光放电
A+ e
U
电弧放电
I 导体导电
❖ 焊接时，将焊条与焊件接触后很快拉开，在焊条端部和焊件之间会立即产生明亮的电弧，即焊接电弧 见图1-1（a)示
❖ 注意：
❖ 焊接电弧是有焊接电源供电，在具有一定电压的两电极间或电极与焊件间，在气体介质中产生的强烈 而持久的放电现象
用于加热阳极
4、阴极斑点与阳极斑点 1）阴极斑点：阴极上导通电流的一些烁亮的弧斑点。 （1）产生条件：
a、W、C阴极且I很小 b、、、作阴极 （2）某点充当阴极斑点的条件 a、电弧通过该点时耗能最小 b、该点能发射电子 （3）特点 a、电流密度大、温度高 b、跳跃性及粘着性(见图1-4示） c、存在斑点力：蒸发反力、的撞击力 d、自动寻找氧化膜，该点对于铝、镁及其合金的焊接是
❖ 4）弧柱的产热机构
❖ 电能→热能（导电机构就是指带电粒子产生、运动方式。）
第一章 电弧焊的基础知识
汽车工程系 闫 霞
预备知识
一、基本内容 掌握焊接基本概念、理解焊接本质、特点及分类 二、基本概念： 焊接是被焊工件的材质（同种或异种），通过加热或加压 或二者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到 原子间的结合而形成永久性连接的工艺过程。 1） 被焊工件的材质 金属—金属 金属—非金属 非金属—非金属
（1）制造金属结构件； （2）制造机器零件和工具； （3）修复。
第一章
电弧焊的基础知识
一 学习目标 熟练掌握本章的基本概念，理解并掌握电弧的产生。了解电弧的 引燃过程、焊接电弧的构造、电弧的静特性、焊接电源极性及电弧 的稳定性、焊接电弧的偏吹；掌握焊接电弧的熔滴过渡。 二 重点 1）电弧、气体电离、电弧的静特性、电弧的稳定性、磁偏吹、熔 滴过渡等一些基本概念。 2）电弧的产生 3）电弧的构造 4）焊接电弧的稳定燃烧 5）熔滴过渡的形式 三 难点 1）电弧的产生 2）焊接电弧的构造及静特性
2)
依靠原子间的结合力 --- 焊接本质 通过原子间的结合力将两个固体连接起来，对于金属 来说，必须产生金属键，也就是说，被连接表面要接 近到原子晶格间距。
3)
要通过一定的物理、化学过程
加热：电弧焊、钎焊
加压：冷压焊 加热+加压：电阻焊、扩散焊 热压焊
d
d要求达到：10nm
放大 氧化物
因此：
采取必要的措施。
1）电离与激励 （1）气体电离：在外加能量的作用下使中性的气体分子或原子分离成 正离子（A+ ）和电子（e）的过程。 A → A+ + e - Wi
A
A+
+
电弧焊基础知识
项目一电弧焊基础知识教学目标：了解电弧物理基础和工艺特性；了解焊丝熔化特性与熔滴过渡形式；掌握母材熔化与焊缝成形的基本规律。
教学活动设计：利用多媒体课件辅助教学；教学重点：电弧的热特性、机械特性；熔滴过渡的形式；焊缝成形的基本规律。
教学难点：熔滴过渡形式的掌握学习单元一焊接电弧一、焊接电弧的物理本质（一）电弧及其电场强度分布1．电弧的定义：电弧是一种气体放电现象，它是带电粒子通过两电极之间气体空间的一种导电过程。
2．气体导电必须具备的两个条件：①两电极之间有带电粒子；②两电极之间有电场。
3．气体放电随电流的强弱而有不同的形式，如暗放电、辉光放电、电弧放电等。
4．电弧放电的主要特点是电流最大、电压最低、温度最高、发光最强。
5．电弧的结构：由图可见，沿电弧长度方向的电场强度分布并不均匀。
按电场强度分布的特征可将电弧分为三个区域：阴极附近的区域为阴极区，其电压Uk称为阴极电压降；中间部分为弧柱区，其电压U c称为弧柱电压降；阳极附近的区域为阳极区，其电压U a称为阳极电压降。
阳极区和阴极区占整个电弧长度的尺寸皆很小，约为10-2~ 10 -6cm，故可近似认为弧柱长度即为电弧长度。
（二）电弧中带电粒子的产生电弧两极间带电粒子产生的来源有：中性气体粒子的电离、金属电极发射电子、负离子形成等。
其中气体电离和阴极发射电子是电弧中产生带电粒子的两个基本物理过程。
1．气体的电离(1)电离：在外加能量作用下，使中性的气体分子或原子分离成电子和正离子的过程称为气体电离。
(2) 第一电离能：中性气体粒子失去第一个电子所需的最小外加能量，电离能通常以电子伏（eV）为单位。
1电子伏就是指1个电子通过电位差为1V的两点间所需做的功；失去第二个电子所需的能量称为第二电离能，依此类推。
电弧焊中的气体粒子电离现象主要是一次电离。
(3) 电离难易程度：当其他条件（如气体的解离性能、热物理性能等）一定时，气体电离电压的大小反映了带电粒子产生的难易程度。
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第一章电弧焊基础知识第一章电弧焊基础知识一、教学目的：能正确认识焊接电弧中带电粒子的产生原理了解焊接电弧的工艺特性及电弧力的种类了解阴极斑点及阳极斑点的定义了解熔滴上的作用力掌握熔滴过渡的主要形式及其特点能正确认识焊缝形成过程了解焊接工艺参数对焊缝成形的影响了解焊缝成形缺陷的产生及防止二、教学重点：焊接电弧中带电粒子的产生原理熔滴过渡的主要形式及其特点焊接工艺参数对焊缝成形的影响三、教学难点：电离和激励极斑点及阳极斑点最小电压原理焊缝成形缺陷的产生及防止四、参考学时数：4～6学时五、主要教学内容：第一节焊接电弧一、焊接电弧的物理基础（一）电弧及其电场强度分布电弧是一种气体放电现象，它是带电粒子通过两电极之间气体空间的一种导电过程。
电弧有三个部分构成：阴极区、阳极区、弧柱区。
（二）电弧中带电粒子的产生1、气体的电离在外加能量作用下，使中性的气体分子或原子分离成电子和正离子的过程称为气体电离。
其本质是中性气体粒子吸收足够的能量，使电子脱离原子核的束缚而成为自由电子和正离子的过程。
电离种类：（1）热电离气体粒子受热的作用而产生电离的过程称为热电离。
其本质为粒子热运动激烈，相互碰撞产生的电离。
（2）场致电离带电粒子在电场中加速，和其中的中性粒子发生非弹性膨胀而产生的电离。
电离程度：电离度：单位体积内电离的粒子数浴气体电离前粒子总数的比值称为电离度。
（3）光电离中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电离过程称为光电离。
2、阴极电子发射（1）电子发射：阴极中的自由电子受到外加能量时从阴极表面逸出的过程称为电子发射。
其发射能力的大小用逸出功A w表示。
（2）阴极斑点阴极表面光亮的区域称为阴极斑点。
阴极斑点具有“阴极清理”（“阴极破碎”）作用，原因：由于氧化物的逸出功比纯金属低，因为阴极斑点会移向有氧化物的地方，将该氧化物清除。
（3）电子发射类型1）热发射阴极表面受热引起部分电子动能达到或超过逸出功时产生的电子发射。
热阴极以热发射为主要的发射形式。
2）场致发射阴极表面受到电场力的影响，当电场力达到某一程度时电子逸出阴极表面形成电子发射。
冷阴极以场致发射为主要的发射形式。
3）光发射阴极表面受到光辐射的作用使自由电子能量达到一定程度而逸出金属表面形成发射。
4）粒子碰撞发射电弧中高速运动的正离子碰撞阴极时使表面自由电子得到能量而逸出阴极表面的现象。
（三）带电粒子的消失1、扩散带电粒子从密度高的中心部位向密度低的周边迁移的现象。
2、复合电弧周边正负粒子结合成中性粒子的现象。
3、负离子的形成部分中性粒子吸附电子而形成负离子的过程。
二、焊接电弧的导电特性（一）弧柱区的导电特性弧柱是包含大量电子、正离子等带电粒子和中性粒子等聚合在一起的气体状态，这种对外呈电中性的状态称为电弧等离子体。
最小电压原理：弧柱在稳定燃烧的时候，有一种使自身能量消耗最小的特性，即当电流和电弧周围条件一定时，稳定燃烧的电弧将自动选择一个确定的导电截面，使电弧的能量消耗最小。
当电弧长度也为定值时，电场强度的大小即代表了电弧产热量的大小，因此，能量消耗最小时的电场强度最低，即在固定弧长上的电压降最小，这就是最小电压原理。
（二）阴极区的导电特性作用有：接受由弧柱传来的正离子流；向弧柱区提供电弧导电所需的电子流。
其发射形式主要有：1、热发射型2、电场发射型（三）阳极区的导电特性1、阳极斑点在阳极表面可看到的烁亮发光的区域，称为阳极斑点。
阳极斑点会自动寻找熔点比较低的纯金属表面而避开氧化物，在金属表面游走。
2、阳极区的导电形式（1）场致电离（2）热电离三、焊接电弧的工艺特性（一）电弧的热能特性1、弧柱的产热电流密度小，温度高，能量主要由粒子碰撞产生，热能损失严重。
2、阴极区的产热电流密度大，温度低，能量主要用来对阴极加热和阴极区的散热损失，还可用来加热填充材料或焊件。
3、阳极区的产热电流密度大，温度低，能量主要用于对阳极的加热和散失，也可用来加热填充材料或焊件。
（二）电弧的力学特性电弧力影响到焊件的熔深及熔滴过渡，熔池的搅拌、焊缝成形以及金属飞溅，因此电弧力直接影响着焊缝质量。
1、电弧力及其作用（1）电磁收缩力产生原因：电弧电流线之间产生的相互吸引力。
由于电极两端的直径不同，因此电弧呈倒锥形状。
电弧轴向推力在电弧横截面上分布不均匀，弧柱轴线处最大，向外逐渐减小，在焊件上此力表现为对熔池形成的压力，称为电磁静压力。
作用效果：使熔池下凹；对熔池产生搅拌作用，细化晶粒；促进排除杂质气体及夹渣；促进熔滴过渡；约束电弧的扩展，使电弧挺直，能量集中。
（2）等离子流力电磁轴向静压力推动电极附近的高温气流（等离子流）持续冲向焊件，对熔池形成附加的压力，这个压力就称为等离子流力（电磁动压力）。
作用效果：等离子流力可增大电弧的挺直性；促进熔滴过渡；增大熔深并对熔池形成搅拌作用。
（3）斑点力电极上形成斑点时，由于斑点处受到带电粒子的撞击或金属蒸发的反作用而对斑点产生的压力，称为斑点压力或斑点力。
斑点力的方向总是和熔滴过渡方向相反，因此总是阻碍熔滴过渡，产生飞溅。
一般来说，阴极斑点力比阳极斑点力大。
2、电弧力的主要影响因素（1）焊接电流和电弧电压（2）焊丝直径（3）电极的极性（4）气体介质（三）焊接电弧的稳定性概念：焊接电弧的稳定性是指电弧保持稳定燃烧的程度。
电弧的稳定性除了和操作人员的熟练程度有关之外，还与其他因素有关。
1、焊接电源（电源的空载电压；电源的极性；电源的接法）2、焊条药皮或焊剂3、焊接电流4、磁偏吹5、电弧长度6、焊前清理7、其他第二节焊丝的熔化与熔滴过渡一、焊丝的加热和熔化特定（一）焊丝的热源电弧焊时，用于加热、熔化焊丝的热源是电弧热和电阻热。
1、电弧热阴极区及阳极区两个区域的产热功率可表达为：P k＝IU k－IU w－IU TP a＝IU a＋IU w＋IU T2、电阻热在熔化极电弧焊时，焊丝伸出导电嘴的部分有电流流过，产生电阻热，电阻热的大小与电流大小及焊丝伸出长度有关。
产生的电阻热对焊丝有预热作用。
P R＝I2R S（二）焊丝的熔化特性焊丝在电弧热和电阻热的共同作用下加热熔化，焊丝的熔化速度即指在单位时间内熔化的焊丝长度。
焊丝的熔化特性则是指焊丝的熔化速度v m和焊接电流I之间的关系。
一般焊丝的电阻率和熔化系数越大，焊丝熔化速度越快。
当然，并不是焊丝熔化速度越快越好，焊丝的熔化速度必须等于送丝速度，才能建立稳定的焊接过程。
二、熔滴上的作用力熔滴的形成：电弧焊时，在电弧热作用下焊丝或焊条端部受热熔化形成了熔滴。
熔滴上的作用力直接影响到熔滴过渡及焊缝成形。
其作用力有：1、重力重力在平焊时促进熔滴过渡；而在立焊及仰焊位置则阻碍熔滴过渡。
2、表面张力表面张力在平焊是阻碍熔滴过渡，但在其他位置焊接时，表面张力对熔滴过渡有利。
3、电弧力电弧力（电磁收缩力、等离子流力、斑点力等）中，电磁收缩力及等离子流力对熔滴过渡有促进作用，斑点力阻碍熔滴过渡的顺利进行。
4、熔滴爆破力熔滴内部由于冶金反应而生成气体或气体蒸气时，在电弧高温下可能会聚集致使熔滴爆破，这中内压力称为熔滴爆破力，他是产生飞溅的原因之一。
5、电弧的气体吹力焊条电弧焊是焊条端部形成套筒，药皮中的造气剂产生的气体及CO气体在高温下膨胀并从套筒中喷出，形成一股促进熔滴过渡的推力。
三、熔滴过渡的主要形式及特点熔滴过渡的形式有：（一）自由过渡：熔滴经电弧空间自由飞行，焊丝端头与熔池不发生直接接触的过渡方式。
1、滴状过渡（1）粗滴过渡（2）细滴过渡2、喷射过渡（二）接触过渡：焊丝端部的熔滴与熔池表面通过接触而过渡的方式。
1、短路过渡2、搭桥过渡（三）渣壁过渡：渣壁过渡是熔滴沿着熔渣的壁面流入熔池的一种过渡形式。
第三节母材熔化与焊缝成形一、焊缝形成过程在电弧热的作用下焊丝与母材被熔化，在焊件上形成一个具有一定形状和尺寸的液态熔池。
随着电弧的移动熔池前端的焊件不断被熔化进入熔池中，熔池后部则不断冷却结晶形成焊缝。
熔池的体积由电弧的热作用决定，而熔池的形状则取决于电弧对熔池的作用力。
焊缝的结晶总是从熔池边缘处母材的原始晶粒开始，沿着熔池散热的相反方向进行，直至熔池中心与从不同方向结晶而来的晶粒相遇时为止。
因此，所有的结晶晶粒方向都与熔池的池壁相垂直。
二、焊缝形状与焊缝质量的关系焊缝形状即是焊件熔化区横截面的形状，我们通常用焊缝有效厚度S、焊缝宽度c和余高h三个参数来表示。
焊缝成形系数φ＝c/S余高系数ψ＝c/h熔合比γ＝A m/（A m＋A H）三、焊接工艺参数对焊缝成形的影响通常对焊缝影响较大的焊接参数有：焊接电压、焊接电流、焊接速度、热输入等。
1、焊接参数的影响（1）焊接电流I↗；φ↘；（2）电弧电压U↗；S↘，h↘；（3）焊接速度V↗；c↘，h↘，S↘；2、工艺因素的影响（1）电流种类与极性（2）焊丝直径和伸出长度焊丝直径↘；电流密度越大，对焊件加热越集中；电磁收缩力越大，焊缝厚度、余高增大。
伸出长度↗；电阻增大，电阻热增大，焊丝熔化速度加快，余高增加，焊缝厚度略微减小。
（3）电极倾角（前倾、后倾）（4）焊件倾角（上坡焊、下坡焊）3、结构因素（1）焊件材料和厚度（2）坡口和间隙四、焊缝成形缺陷的产生及防止1、焊缝外形尺寸不符合要求现象：焊缝表面高低不平、焊缝波纹粗劣、纵向宽度不均匀、余高过高或过低等。
可能原因：坡口角度不当、装配间隙不均匀、焊接参数选择不当、操作人员技术不熟练等。
2、咬边现象：由于焊接参数选择不当，或操作方法不正确，沿焊趾的母材部位产生的沟槽或凹陷。
可能原因：采用大电流焊接告诉焊接或焊角焊缝时一次焊接的焊脚尺寸过大，电压过高等都可能出现咬边现象。
3、为焊透和未熔合现象：焊接接头根部未完全熔透的现象。
可能原因：焊接电流过小、焊速过高、坡口尺寸不合适等。
4、焊瘤现象：焊接过程中，熔化的金属流淌到焊缝之外未熔化的母材上所形成的金属瘤。
可能原因：填充金属量过多、焊接速度慢、电弧电压过低，电流过大、焊丝直径过长等都会产生焊瘤。
5、焊穿及塌陷现象：焊缝上形成穿孔的现象称为焊穿。
现象：熔化的金属从焊缝背面漏出，使焊缝正面下凹、背面凸起的现象称为塌陷。
可能原因：焊接电流过大、焊接速度过小或坡口嫌隙过大等。