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。