第1章焊接电弧及其电特性正稿
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第1章焊接电弧
(一)气体的电离： 1.电离与激励：
⑴电离：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。
使中性气体粒子失去第一个电子所需的最低外加能量为第一电离能 （eV），常用电离电压表示气体电离的难易（表1-1）
第1章焊接电弧
使其失去第二个电子需要更大的电离电压。电离电压低 的气体易产生带电粒子。与气体其它性能（解离性能、 热物理性能）综合影响电弧稳定性。几种气体同时存在 时，带电粒子主要由低电离电压气体提供。如He+Ar， Ar的电离电压低，易使电弧稳定。
粒子的方式：碰撞传递和光辐射传递。
⑴气体粒子相互碰撞传递能量：碰撞传递。 碰撞有弹性碰撞和非弹性碰撞。气体粒子动能较低时发生的是非 破坏性的弹性碰撞。其结果只使粒子的运动速度发生变化并引起 气体温度变化。不产生激励或电离；当气体粒子动能较高时，发 生破坏性的非弹性碰撞。部分全部动能转换为内能，使被碰撞粒 子内部结构发生变化。此内能大于激励电压时发生激励，大于电 离电压时则产生电离。因此，只有非弹性碰撞产生电离过程，形 成带电粒子。 电子质量远小于其它粒子，碰撞时其动能几乎全部传给中性粒子， 使之激励或电离，因而电子与气体粒子碰撞作用最为有效。 提高温度可增加所有粒子（中性粒子、电子、离子）的动能。增 大电场强度可提高带电粒子（电子、离子）的动能。碰撞传递使 气体粒子电离，是电弧本身产生带电粒子维持其导电的最主要方 式。
第一章 焊接电弧
电弧是所有电弧焊方法的热源。其主要作用是把电能转变为热 能，同时产生光辐射和响声（电弧声）。电弧的高热可以用于 焊接、切割和炼钢等。电弧的弧光可用于照明。电弧声可用于 焊接过程的监控等。
1.1焊接电弧的物理基础 一.电弧的物理本质: 焊接电弧是在一定条件下，两电极间产生 的强烈而持久的气体放电现象。
⑴电离：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。
使中性气体粒子失去第一个电子所需的最低外加能量为第一电离能 （eV），常用电离电压表示气体电离的难易（表1-1）
第1章焊接电弧
使其失去第二个电子需要更大的电离电压。电离电压低 的气体易产生带电粒子。与气体其它性能（解离性能、 热物理性能）综合影响电弧稳定性。几种气体同时存在 时，带电粒子主要由低电离电压气体提供。如He+Ar， Ar的电离电压低，易使电弧稳定。
粒子的方式：碰撞传递和光辐射传递。
⑴气体粒子相互碰撞传递能量：碰撞传递。 碰撞有弹性碰撞和非弹性碰撞。气体粒子动能较低时发生的是非 破坏性的弹性碰撞。其结果只使粒子的运动速度发生变化并引起 气体温度变化。不产生激励或电离；当气体粒子动能较高时，发 生破坏性的非弹性碰撞。部分全部动能转换为内能，使被碰撞粒 子内部结构发生变化。此内能大于激励电压时发生激励，大于电 离电压时则产生电离。因此，只有非弹性碰撞产生电离过程，形 成带电粒子。 电子质量远小于其它粒子，碰撞时其动能几乎全部传给中性粒子， 使之激励或电离，因而电子与气体粒子碰撞作用最为有效。 提高温度可增加所有粒子（中性粒子、电子、离子）的动能。增 大电场强度可提高带电粒子（电子、离子）的动能。碰撞传递使 气体粒子电离，是电弧本身产生带电粒子维持其导电的最主要方 式。
第一章 焊接电弧
电弧是所有电弧焊方法的热源。其主要作用是把电能转变为热 能，同时产生光辐射和响声（电弧声）。电弧的高热可以用于 焊接、切割和炼钢等。电弧的弧光可用于照明。电弧声可用于 焊接过程的监控等。
1.1焊接电弧的物理基础 一.电弧的物理本质: 焊接电弧是在一定条件下，两电极间产生 的强烈而持久的气体放电现象。
电弧焊基础第一章
阴极区电子的产生机构有两种情况： 一、阴极表面的热电子发射、电场发射或碰撞发射等 二、在压降区中形成局部等离子体阴极，并产生热电离。
（2）弧柱区导电特点
弧柱即是维持电弧持续放电所必需电子和阳离子的产生源，同时也是 电能有效转化成热能的发热体
（3）阳极区导电特点
电子受阳极压降加速，与阳极区中的中性粒子碰撞并使其电离，由此 产生向弧柱区运动的阳离子，即是阳极压降区起到向弧柱区提供阳离 子的作用。
中性粒子存在于电弧空间，当处于高能量状态时，其 电子轨道上的电子脱离约束，分离成电子和离子称为 电离
3 带电粒子的扩散与复合
带电粒子在定向运动过程中从电弧内部向外部周边区 域移动称为带电粒子的扩散
复合即电子与正离子相遇后重新组合成中性粒子
1.1.3 电弧导电机构 1.维护电弧放电的条件
电弧的磁偏吹起因示意图
1.3电弧焊中的保护气 1.3.1 保护气种类与纯度 1.3.2 保护气的分解及在金属中的溶解 1.保护气的分解 2.气体在焊接金属中的溶解 1.3.3 混合气体的选择及作用 1.3.4 保护气气流与保护效果 1.保护气气流 2 气体保护效果的决定因素 （1）气体流量(2)喷嘴至工件的距离（3）焊接速度和
1、电弧静压力（电磁收缩力 ）2、电弧动压力（等离子流 力）3、斑点力 4、爆破力 5 、熔滴冲击力
液态导体中电磁力的收缩效应
焊接电弧模型
6 电弧力的影响因素 （1）气体介质 （2）电流和电压（弧长） （3）电极（焊丝）直径 （4）电极（焊丝）极性 （5）钨极端部几何形状 （6）脉动电流的影响
熔滴短路产生的爆破力
1.1.6直流电弧与交流电弧 1 直流电弧
极性不发生变化的电弧，其最大特点是稳定性好，根据电流形式的 不同，可以有恒定电流下的直流电弧和变得电流下的直流电弧
（2）弧柱区导电特点
弧柱即是维持电弧持续放电所必需电子和阳离子的产生源，同时也是 电能有效转化成热能的发热体
（3）阳极区导电特点
电子受阳极压降加速，与阳极区中的中性粒子碰撞并使其电离，由此 产生向弧柱区运动的阳离子，即是阳极压降区起到向弧柱区提供阳离 子的作用。
中性粒子存在于电弧空间，当处于高能量状态时，其 电子轨道上的电子脱离约束，分离成电子和离子称为 电离
3 带电粒子的扩散与复合
带电粒子在定向运动过程中从电弧内部向外部周边区 域移动称为带电粒子的扩散
复合即电子与正离子相遇后重新组合成中性粒子
1.1.3 电弧导电机构 1.维护电弧放电的条件
电弧的磁偏吹起因示意图
1.3电弧焊中的保护气 1.3.1 保护气种类与纯度 1.3.2 保护气的分解及在金属中的溶解 1.保护气的分解 2.气体在焊接金属中的溶解 1.3.3 混合气体的选择及作用 1.3.4 保护气气流与保护效果 1.保护气气流 2 气体保护效果的决定因素 （1）气体流量(2)喷嘴至工件的距离（3）焊接速度和
1、电弧静压力（电磁收缩力 ）2、电弧动压力（等离子流 力）3、斑点力 4、爆破力 5 、熔滴冲击力
液态导体中电磁力的收缩效应
焊接电弧模型
6 电弧力的影响因素 （1）气体介质 （2）电流和电压（弧长） （3）电极（焊丝）直径 （4）电极（焊丝）极性 （5）钨极端部几何形状 （6）脉动电流的影响
熔滴短路产生的爆破力
1.1.6直流电弧与交流电弧 1 直流电弧
极性不发生变化的电弧，其最大特点是稳定性好，根据电流形式的 不同，可以有恒定电流下的直流电弧和变得电流下的直流电弧
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。
28
（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。
9
（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
焊接电弧及其电特性
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10
1.2.1、焊接电弧的结构及压降分布
电弧沿着其长度方向分为三个区域，如图1-2所示。 电弧与弧焊电源正极所接的一端称阳极区，与负极 相接的那端称阴极区。阴极区和阳极区之间的部分 称弧柱区，或称正柱区、电弧等离区。阴极区的宽 度约为10-5~10-6cm， 而阳极区的宽度仅约10-3 ~10-4cm, 因此，电弧长度可以视为近似等于弧柱长 度。弧柱部分的温度高达5000～50000K。
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20
1.3.1 交流电弧的特点
电弧周期性地熄灭和引燃 交流电流每当经过零点并改变 极性时，电弧熄灭、电弧空间温度下降。
电弧电压和电流波形发生畸变。 热惯性作用较为明显 。
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埋弧焊电弧电压和电流波形图
图1-9 埋弧焊电弧电压和电流波形图 a)不连续燃烧 b)连续燃烧
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图1-3 高频和脉冲引弧示意图 a)引弧器接入方式 b)高频高压引弧电压波形 c)高压脉冲引弧电压波形
u yh — 编引辑弧pp电t 压 t— 时间
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1.2 焊接电弧的结构和伏安特性
前面分析了焊接的物理本质和形成。现在介绍它的结构和 电特性，即伏安特性，包括静特性和动特性。直流电弧和 交流电弧是焊接电弧的两种最基本的形式。
电子发射是引弧和维持电弧稳定燃烧的一个很重要的因素。 按其能量来源的不同，可分为热发射，光电发射，重粒子 碰撞发射和强电场作用下的自发射等。
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6
1.1.2 焊接电弧的引燃
图1-1 引弧过程电压、电流变化曲线图
a) 接触引弧
b) 非接触引弧
b) U0- 空载电压 Uf- 电弧电压 if- 电弧电流
焊接电弧也是气体放电的一种形式。它与其他气体放电的 区别在于它的阴极压降低、电流密度大，而气体的电离和 电子发射是电弧中最基本的物理现象。
第一章电弧焊基础知识
焊接电弧是一个将电能转换成热能、光能、 机械能的过程，其能量特性在三个特征区是 不同的 （1）弧柱区的能量特性： 一般电弧焊中，弧柱的热量仅有少部分通过 辐射传给了焊丝或工件，而是通过弧柱散热 损失了；等离子弧焊接中焊丝或工件的加热 熔化主要靠弧柱的热量。弧柱区能够产生的 能量主要是弧柱中正离子和电子的动能。
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
6
2. 带电粒子的产生
气体电离 电极发射电子 形成负离子
7
（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。
37
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
38
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。
27
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。
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
6
2. 带电粒子的产生
气体电离 电极发射电子 形成负离子
7
（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。
37
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
38
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。
27
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。
第一章___焊接电弧及其特性
二. 焊接电弧的电特性
焊接电弧的静特性：
一定长度的电弧在稳定状态下，电弧电压 Uf
与焊接电流 If 之间的关系。
焊接电弧的动特性：
在一定的弧长下，当电弧电流很快变化的时候， 电弧电压 uf 和电流瞬时值 if 之间的关系。
第一章 焊接电弧及其电特性 16
第三节 交流电弧（正弦波交流）
一. 交流电弧的特点
等离子压缩电弧
第一章 焊接电弧及其电特性
39
本章结束
第一章 焊接电弧及其电特性
40
第一章 复习思考题
1．在电弧燃烧过程中会伴随着哪些物理过程？在
电路中电弧是什么样的负载属性？
2．电离、阴极电子发射有哪些方式？何谓电离能、 电子逸出功，两者对电弧的稳定性有何影响？ 3．焊接电弧的引燃有哪两种方式，分别在什么情 况下应用？ 4．焊接电弧在物理结构上可分为哪几个区，各区 域有何特点？
第一章 焊接电弧及其电特性 41
5．何谓电弧的静特性、动特性，如何解释电弧的静特性曲线？
焊接电弧的静特性曲线会受到哪些因素的影响？
6．电弧的静特性曲线可分为哪几个区段？实用的几种焊接电 弧静特性通常位于哪个区段？ 7． 交流电弧与直流电弧相比有何特点？交流电弧连续燃烧 的条件是什么？哪些因素会影响交流电弧的稳定性，从弧
电弧温度交变，热惯性作用较为明显
电流过零时间越长，电弧再引燃越困难。 弧电压及焊接电流都不再按正弦规律变化。
第一章 焊接电弧及其电特性
18
二. 交流电弧连续燃烧的条件
在焊接主回路加入电感，使焊接电流的变化滞后
于电源电压一个相位角φ 。在电流过零时，若电源
电压 u 达到电弧的再引燃电压Uyh ，就可以保持电
焊电源方面考虑，可采取哪些措施来提高其稳定性？
1.1焊接电弧及其特性
15
（二）电子的发射
表1-2
金属种类 纯金 属 金属 氧化 物
几种金属及其氧化物的逸出功
W Fe Al Cu K Ca Mg
4.54 4.48
4.25
4.36
2ห้องสมุดไป่ตู้02
2.12
3.78
逸出功 （eV）
3.92
3.9
3.85
0.46
1.8
3.31
16
（二）电子的发射
根据外加能量的不同形式，电子发射有以 下几种： （1）热发射 金属表面承受热作用而产生电子发射 的现象称为热发射。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。
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（二）电子的发射
（2）电场发射
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电场发射。
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。
电子 发射 表面的束缚而飞到电弧空间的现象称为电子发射。
电极表面接受一定外加能量作用，使其内部的电子冲破电极
只有从阴极发射出的电子，在电场作用下才参加导电过程。
一般情况下，电子是不能自由地离开电极表面向外发射的。 要使电子飞出电极表面，必须给电子施予一定的能量，使它 克服电极内部正电荷对它的静电引力。 使一个电子从电极表面飞出所需要的最低外加能量称为逸出 逸出 功（Ww），单位为电子伏。因电子电量e是一个常数，通常以 功 逸出电压Uw=Ww/e来反映逸出功的大小，单位为伏。 几种金属及其氧化物的逸出电压如表1-2所示。由表中可以 看出，当金属表面附有其氧化物时，逸出电压均会减小。
（二）电子的发射
表1-2
金属种类 纯金 属 金属 氧化 物
几种金属及其氧化物的逸出功
W Fe Al Cu K Ca Mg
4.54 4.48
4.25
4.36
2ห้องสมุดไป่ตู้02
2.12
3.78
逸出功 （eV）
3.92
3.9
3.85
0.46
1.8
3.31
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（二）电子的发射
根据外加能量的不同形式，电子发射有以 下几种： （1）热发射 金属表面承受热作用而产生电子发射 的现象称为热发射。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。
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（二）电子的发射
（2）电场发射
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电场发射。
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。
电子 发射 表面的束缚而飞到电弧空间的现象称为电子发射。
电极表面接受一定外加能量作用，使其内部的电子冲破电极
只有从阴极发射出的电子，在电场作用下才参加导电过程。
一般情况下，电子是不能自由地离开电极表面向外发射的。 要使电子飞出电极表面，必须给电子施予一定的能量，使它 克服电极内部正电荷对它的静电引力。 使一个电子从电极表面飞出所需要的最低外加能量称为逸出 逸出 功（Ww），单位为电子伏。因电子电量e是一个常数，通常以 功 逸出电压Uw=Ww/e来反映逸出功的大小，单位为伏。 几种金属及其氧化物的逸出电压如表1-2所示。由表中可以 看出，当金属表面附有其氧化物时，逸出电压均会减小。
第一节 焊接电弧
第一节焊接电弧电弧是一种空气导电现象，它有两个特性，即发出强烈的光和大量的热。
电弧焊正是利用了电弧所产生的热能来熔化被焊金属及焊材，实施了金属之间的连接。
电弧是目前焊接热源中应用最为广泛的一种热源。
一、焊接电弧的产生焊接电弧是由焊接电源供电的，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。
通常情况下，气体的分子或原子呈中性，气体中没有带电粒子，即使在电场作用下，也不会产生气体导电现象，电弧不能自发产生。
要使电弧引燃并稳定燃烧，就必须使两电极间的气体电离产生导电粒子。
1．气体电离气体分子或原子在常态下是由原子核及带负电荷的电子组成的稳定系统，呈中性。
但当它受到外来一定的能量（如加热等）作用时，气体分子被电离，产生导电现象，即所谓的气体放电。
气体导电时，其电流与电压之间的关系不符合欧姆定律(图1-１－1)。
根据气体放电电流大小的变化，气体放电现象可分为非自持放电和自持放电。
非自持放电现象发生在很小的电流区间里，气体中的带电粒子不能通过导电过程本身产生，需外加条件或直接输入带电粒子，外加条件的存在与否决定着非自持放电现象的存在与否。
自持放电现象是通过一定的外加条件，制造出带电粒子，一旦放电开始，取消外加条件，放电过程仍能持续。
根据放电电流的大小，气体放电分为暗放电、辉光放电和电弧放电三种形式。
电弧放电是气体放电现象中电压最低、电流最大、温度最高、发光最强的一种放电现象。
借助这种特殊的放电过程，电能被转换成热能、机械能和光能，因此电弧在工业中被广泛地应用。
图1－１－1气体放电时的伏安特性曲线电弧中气体粒子的电离根据外加能量的种类不同可分为热电离、电场电离和光电离三类。
电弧焊过程中，在电弧的高温作用下，通过气体粒子间的碰撞将能量传递给中性粒子产生的热电离，是维持电弧导电的最主要途径。
由于电弧的电场强度仅为lOV/cm左右，因此电场作用下的电离很小，而光电离在整个气体电离过程中也是次要的。
第1章焊接电弧
弧电压波形
uyh— 引弧电压 t— 时间
引弧器有两种，高频震荡引弧和高压脉冲引弧。直流钨极氩弧焊 和方波交流钨极氩弧焊一般采用高频振荡器引弧，而正弦波交流 钨极氩弧焊一般采用高压脉冲引弧。引弧器一般串联在焊接主回 路中，如图1-4所示。高频振荡器输出振荡频率为150260 kHz左 右，峰值为25005000 V的电压。高压脉冲引弧的频率一般为 50100Hz，峰值为50001000 V。无论是高频振荡器引弧，还是 高压脉冲引弧器引弧，均是依靠高压电使电极表面产生场致电子 发射来引燃电弧的。
总结：
1.焊接电弧是气体放电的一种形式 2.能量来源：焊接电源提供了空载以及焊接电压、电流，形成和 维持了电弧所需要的电场、产生了大量的光和热， 以及带电粒子的运动，包括热运动和电场定向运动 的动能。 3.作用结果：引起电极表面电子发射，导致气体原子的激发、电 离，从而维持了电弧的气体放电。
4.复合过程：同时存在正离子和电子复合成中性原子，以及原
• 碰撞传递:气体粒子通过碰撞而传递能量的途径.
弹性碰撞:粒子之间不发生内能的交换,碰撞的结果只发
生速度的改变.
非弹性碰撞:粒子之间有内能的交换.当中性粒子之间进 行非弹性碰撞时,由于它们的质量相近,最多将原动能的一 半传递给对方.当电子与原子,分子进行非弹性碰撞时,电子 的动能几乎可以全部传递给原子或分子,可能引起对方发 生电离或激励.
c:然后将焊
条稍微提起， 在这瞬间大量 的电流由熔化 的金属细颈通 过，如图(c)所 示。
三个阶段： 短路阶段 分离阶段 d:此时，因大电流密度而产生的电阻热突然增 大，使细须部分的液体金属温度猛烈高．随着 燃弧阶段 焊条与焊件的迅速分开，两电极间的空气间隙，
强烈地受热而发生热电离，使中性原子变成带 电离子和电子。同时，被加热的阴极上有高速 的电子飞出(热发射电子)，撞击空气中的分子 和原子，空气发生碰撞电离．产生了正离子、 负离子和电子，同时在电场的作用下带电微粒 按一定的方向移动。正离子移向阴极并与阴极 碰撞；负离子和电子移向阳极并与阳极碰撞， 碰撞结果更加速了电子的发射，最终使两电极 间的空气剧烈电离而产生电弧，如(d)所示。
第1章 焊接电弧及其电特性
第1章焊接电弧及其电特性1 气体原子的电离使电子完全脱离原子核的束缚，形成离子和自由电子的过程为电离。
由原子形成正离子所需的能量称为电离能。
2 电离的形式在焊接电弧中，根据引起电离的能量来源，有如下三种电离形式：(1) 撞击电离； (2) 热电离； (3) 光电离。
2 电子发射在阴极表面的原子或分子，接受外界的能量而释放出自由电子的现象称为电子发射。
电子发射是引弧和维持电弧稳定燃烧的一个很重要的因素。
按其能量来源的不同，可分为热发射，光电发射，重粒子碰撞发射和强电场作用下的自发射等3 焊接电弧的引燃 1 接触引弧即是在弧焊电源接通后，电极（焊条或焊丝）与工件直接短路接触，随后拉开，从而把电弧引燃起来。
这2 非接触引弧它是指在电极与工件之间存在一定间隙，施以高电压击穿间隙，使电弧引燃。
4 交流电弧的特点；电弧周期性地熄灭和引燃交流电流每当经过零点并改变极性时，电弧熄灭、电弧空间温度下降。
电弧电压和电流波形发生畸变。
热惯性作用较为明显。
5影响交流电弧稳定燃烧的因素z 空载电压z 引燃电压z 电路参数z 电弧电流--z 电源频率 fz 电极的热物理性能和尺寸6 提高交流电弧稳定性的施z 为了提高交流电弧的稳定性，在焊接电源方面除了焊接回路要有足够大的电感量之外，还可以采用如下措施：（1）提高弧焊电源频率；（2）提高电源的空载电压；但不应该太高（3）改善电弧电流的波形；如改为矩形波（4）叠加高压电。
7交流电弧的分类（1）按电流种类可分为：交流电弧、直流电弧和脉冲电弧(包括高频脉冲电弧)。
（2）按电弧状态可分为：自由电弧和压缩电弧。
（3）按电极材料可分为：熔化极电弧和不熔化极电弧。
第2章对弧焊电源的基本要求1弧焊工艺对弧焊电源的要求（1）保证引弧容易；（2）保证电弧稳定；（3）保证焊接规范稳定；（4）具有足够宽的焊接规范调节范围。
2 “电源一电弧”系统的稳定性（1）系统在无外界因素干扰时，能在给定电弧电压和电流下，维持长时间的连续电弧放电，保持静态平衡。
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1.2 焊接电弧的结构和伏安特性
前面分析了焊接的物理本质和形成。现在介绍它的结构和 电特性，即伏安特性，包括静特性和动特性。直流电弧和
交流电弧是焊接电弧的两种最基本的形式。
1.2.1、焊接电弧的结构及压降分布
电弧沿着其长度方向分为三个区域，如图所示。电 弧与弧焊电源正极所接的一端称阳极区，与负极相 接的那端称阴极区。阴极区和阳极区之间的部分称 弧柱区，或称正柱区、电弧等离区。
阴极斑点和阳极斑点
1.阴极斑点 阴极上电流密度集中的地方出现的光亮斑点 特点: a.电流密度很高,温度很高. b.阴极斑点有自动跳向温度高,热发射强的物质 上的性能.
2. 阳极斑点
阳极上电流集中的地方出现的光亮斑点称阳 极斑点. 形成条件:该点有金属的蒸发.电弧通过该 点进入阳极时,消耗最低的能量. 特点:阳极斑点有自动避开氧化模的倾向.
U
f
a
电流增大，温度滞后上升，弧柱 导电性差，压降高于稳态。
b
静特性曲线
c b c
c
d
电流减少，温度滞后下降，弧 电流减少，温度滞后下降，弧 柱导电性好，压降低于稳态。 柱导电性好，压降低于稳态。
b
o
i
a
i
b
i
c
i
d
i
f
图1-8
电弧的动特性曲线
第一章 焊接电弧及其电特性 35
1.3 交流电弧
交流电弧的引燃和燃烧，就其物理本质而言，与上述的直 流电弧相同。交流电弧也是非线性的。上述的焊接电弧静 U f 和 I f 分别表示电 特性对于交流电弧也是适用的。这时， 弧电压和电弧电流的有效值。但是，交流电弧作为弧焊电 源的负载，还有其特殊性。因此，在确定对弧焊电源的要 求之前，还必须研究交流电弧的特点。
电子发射所需的能量称为逸出功，以Wy表示。 逸出功一般约为电离能的1/2~1/4 表面有氧化物或其他杂质时可显著减少逸出功，例如钨极
上有钍或铈的氧化物时，其电子发射能力明显提高
电子发射是引弧和维持电弧稳定燃烧的一个很重要的因素。 按其能量来源的不同，可分为热发射，光电发射，重粒子
碰撞发射和强电场作用下的自发射等。
Uy 与电流无关，水平线 Ui 电流小的时候，阴极斑点S增加，面积增加，电流密度不变，电 压不变 电流增大，电极面积有限，电流密度增大，电压上升 同样分析Uz
几种常用焊接方法的电弧静特性曲线图
图1-7几种常用焊接方法的电弧静特性曲线图 ） 2.4mm a)焊条电弧焊 b)埋弧焊（直流电源，焊丝
气体原子的电离 使电子完全脱离原子核的束缚，形成离 子和自由电子的过程为电离。由原子形成正离子所需的能 量称为电离能。
电离的形式 在焊接电弧中，根据引起电离的能量来源， 有如下三种电离形式： (1) 撞击电离； (2) 热电离；
1.1.1.2 电子发射
在阴极表面的原子或分子，接受外界的能量而释放出自由 电子的现象称为电子发射。
1.6mm c)熔化极气体保护焊（1，2曲线，焊丝 ）
影响电弧静特性的因素
(1)电弧长度的影响:弧长增大→Uh要增大. (2)周围气体种类的影响: 包括气体的电离电压和气体的导热系数. 电离电压增大→E增大→U也增大 导热系数增大→E增大→U也增大. 相比之下,气体导热系数的影响更为显著 （3）电极材料的影响
R
L I
u
f
u
f
图1-10
交流电弧供电原理简图
第一章 焊接电弧及其电特性 40
L阻碍i变化
C阻碍U变化
引弧后，电流开始增大 电源电压小于电弧电压时，电流开始下降，电感产生自感 电动势，阻止电流变小，维持电弧燃烧。电感越大，电压 过零后电弧能燃烧的时间也就越长 要使电弧能连续燃烧，就必须使电弧电流能维持到半个周 期。这样，当电弧电流为零要改变极性时，电源电压已经 在另一半波达到引弧电压。
1.3.3.1 影响交流电弧稳定燃烧的因素
空载电压 引燃电压 电路参数 增大L,减小R,可使电弧稳定 电弧电流 电源频率 f f高，熄弧时间短 电极的热物理性能和尺寸 电弧越长，越不利于稳定
1.3.3.2 提高交流电弧稳定性的施
为了提高交流电弧的稳定性，在焊接电源方面除了焊接回 路要有足够大的电感量之外，还可以采用如下措施 ： （1）提高弧焊电源频率； （2）提高电源的空载电压；不安全，增加材料消耗，降低功率因数
1.3.1 交流电弧的特点
电弧周期性地熄灭和引燃 交流电流每当经过零点并改变 极性时，电弧熄灭、电弧空间温度下降。 电弧电压和电流波形发生畸变。 热惯性作用较为明显 。
不连续燃烧
连续燃烧
埋弧焊电弧电压和电流波形图
第一章 焊接电弧及其电特性 38
1.3.2 交流电弧连续燃烧的条件
交流电弧燃烧时若有熄弧时间，则熄弧时间愈长，电弧就 愈不稳定。为了保证焊接质量必须将熄弧时间减小至零， 使交流电弧能连续燃烧．
1.2.2.2 焊接电弧的动特性
所谓焊接电弧的动特性，是指在一定的弧长下，当电弧电 流很快变化的时候，电弧电压和电流瞬时值之间的关系：
ui f (i f )
当焊接电弧燃烧时，恒定不变的直流电弧不存在动特性问题， 只有交流电弧和电流变动的直流电弧（如脉冲电流，脉动电 流，高频电流等）存在动特性问题。
弧的物理本质和特别是电特性，然后才能研究电弧对弧焊 电源电气性能的要求 。
电弧示意图
1.1.1 气体原子的激发、电离和电子发射
焊接电弧也是气体放电的一种形式。它与其他气体放电的 区别在于它的阴极压降低、电流密度大。而气体的电离和 电子发射是电弧中最基本的物理现象。
电弧中的主要物理现象
一 电弧中带电粒子的产生
U f Ui U y U z
U f Ui U y Uz
Uy基本不变，可视为常数 Ui在一定条件下（电流，电极材料，气体介质 等）也基本不变
一定气体介质下， Uz与弧柱长度成正比
故 Uh=a+blz 其中a=ui+uy
lz 弧柱长度
b 单位长度弧柱压降
弧长不同，电弧电压不同。弧长越大，电压越 大
根据根据外加能量的不同形式，电子发射有以下几种： （1）热发射 金属表面承受热作用而产生电子发射的现象称为热发射。 （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。
（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。 （4）粒子碰撞发射 高速运动的粒子（电子或正离子）碰撞金属 电极表面时，将能量传给电极表面的电子，使 电子能量增加并飞出电极表面，这种现象称为 粒子碰撞发射。
焊接电弧是由阴极区、阳极区和弧柱区三部分构成的。
阴极区的宽度 约为10-5~106cm， 而阳极区的宽 度仅约10-3 ~10-4cm, 因此，电弧长 度可以视为近 似等于弧柱长 度。 弧柱部分的温 度高达5000～ 50000K。
沿着电弧长度方向的电位分布是不均匀的。在阴极区
和阳极区，电位分布曲线的斜率很大，而在弧柱区电位 分布曲线则较平缓，并可认为是均匀分布的，如图 1-4所示。这三个区的电压降分别称为阴极压降U i 、阳极压降U y 和弧柱压降 U z 。 它们组成了总的电弧电压，可用下式表示：
1.1.1.1. 气体原子的激发与电离
气体原子的激发
如果气体原子得到了外加的能量，
电子就可能从一个较低的能级跳跃到一个较高能级，这时原子处于“激 发”状态，使原子跃至“激发”状态所需的能量，称为激发能。通过加
热、电场作用或光辐射均可产生激励现象。由于产生激励时电子尚未脱离分子或原子， 因此气体分子或原子对外仍呈中性，但是激励状态是一种非稳定状态，它存在的时间很 短暂
u
i if
Uyh
a b
u
t ωt d c φ
图-11 a） 交流电源电压u、电弧电压uf的电流if波形图
第一章 焊接电弧及其电特性 42
2、交流电源电压、电弧电压和电流波形
和动特性曲线图
3、交流电弧连续燃烧的范围
图1-12交流电弧连续燃烧的范围
1.3.3 影响交流电弧稳定燃烧的因素和提 高电弧稳定性的措施
下降特性段
平特性段
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
弧的电流之间是不成正比例关系的弧压与气体介质、电离度、电流密 度等因素有关。
29
图1-5
焊接电弧的静特性曲线形状
Uf
f
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
U （电弧总压降） f
U （弧柱区压降） Ui （阴极区压降）
Uy（阳极区压降）
If
图1-6 电弧各区域的压降与电流的关系图
第一章 焊接电弧及其电特性 30
阳极与阴极材料相同时，阳极区的温度要高于阴极区。 焊条电弧焊直流电弧时，阳极区的温度一般达2330～ 3930℃，放出热量占43%左右。 焊条电弧焊直流电弧时，阴极区的温度一般达到2130～ 3230℃，放出的热量占36%左右。 一般焊条电弧焊、钨极氩弧焊，阳极区的温度大于阴极区 温度；熔化极氩弧焊、CO2气体保护电弧焊、埋弧焊则阴 极区温度大于阳极区的温度。
4. 电弧中带电粒子的消失
（1）扩散 扩散方向：电弧中心→电弧边缘 扩散结果：弧柱中心区带点粒子减少 （2）复合 正的带电粒子和负的带电粒子结合成中性 的原子或分子 a电子与正离子的复合 b负离子与正离子的复合
激励（能量较小）
返回原级 放出光 碰撞电离