第一章焊接电弧及其电特性-欢迎进入山东大学材料科学与工程
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第一章 焊接电弧及其电特性 第一节 焊接电弧的物理本质及其引燃
研究意义：弧焊电源是电弧能量的供应者，其电特性影响 到电弧燃烧的稳定性，从而直接影响到焊缝的质量。 焊接电弧：在电极与工件之间的气体中，产生持久、强烈的自
持放电现象。 特性：电压低、电流大、温度高、发光强。
要使两电极之间的气体导电必须具备两个条件： (1) 两电极之间有带电粒子 (2) 两电极之间有电场
U
焊条电弧焊
细丝
a
小电流 钨极氩
埋弧焊、 不熔化 极气体 保护焊、
熔化 极气 体保 护焊
弧焊
微束等 离子弧 焊
等离 子弧 焊、 水下
焊 Ia
手工焊
埋弧焊
CO2气体保护焊 氩弧焊
(二)、焊接电弧的动特性
焊接电弧的动特性，是指在一定弧长下，当电弧电流很快变化 时，电弧电压和电流之间的关系：Uf=f(if)，由于热惯性对电离 度的影响，焊接电弧的动特性曲线不同于静特性曲线特性
a) 气体放电
b)金属导电
非自持放电：气体导电所需要的带电粒子不能通过导电过程本身产生， 而需要外加措施来产生带电粒子（加热、施加一定能量的光子等等）。
自持放电：当电流大于一定值时，一旦放电开始，气体导电过程本身就 可以产生维持导电所需要的带电粒子。
电弧是低压、大电流、产生高温、强光的一种自持气 体放电现象
wenku.baidu.com
第三节 交流电弧
一、交流电弧的特性 1、电弧周期性地引燃和熄灭 2、电弧电压和电流发生畸变 3、热惯性作用较为明显
二、交流电弧连续燃烧的条件
1、纯电阻电路
平衡方程 U m sin t uh ih R
（3）重粒子撞击发射 能量大的重粒子撞击到阴极上， 引起电子的逸出。
（4）自发射 固态或者液态物质表面存在强电场，使阴极 有较多的电子发射出来，又称为场强发射。
常见材料的逸出功 复合电极材料的逸出功
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
一．气体原子的激发、电离和电子发射
1．气体原子的激发
+
激发
-
气体原子得到外 加能量电子从低 能级跃迁到高能 级，这时原子处 于“激发”状态
电离 电子完全脱离原
- 子核的束缚形成
自由电子的过程 程称为“电离”
由原子形成正离子所需要的能量称为电离能
2．气体原子的电离
（1）撞击电离：在电场中，被加速的带电质点（电子、离子） 和中性质点（原子）碰撞后发生的电离。 （2）热电离：在高温下，具有高动能的气体原子（或分子）互 相碰撞而引起的电离。 （3）光电离：气体原子（或分子）吸收了光射线的光子能而产 生的电离。
Ⅱ段：呈等压特性，即 电弧电压不随电流的变 化而变化，是平特性段
Ⅲ段：电弧电压随电流的 增加而上升，是上升特性 段
弧柱区电压
UZ
I f RZ
If
lZ
SZ Z
jZ
lZ
Z
下降段:负阻特性区,电流增加，弧柱截面积更快增加，电流密度jZ下
降；电弧温度增加，电离度增加，γZ增加，电弧电压下降，呈现下
降特性。
电流快速减小时，由于电 弧电离度较高，电弧电压 低于静态值，V-A特性曲 线地于静特性曲线。
电流快速增加时，由于电弧电离 度较低，电弧电压高于静态值， V-A特性曲线高于静特性曲线。
电流增加过程中，动态性曲线上的电弧电压比静特性曲 线上的电弧电压值高；电流下降时，每一瞬间电弧电压 低于静特性曲线。 电流变化速度愈小，静、动特性曲线就愈接近。
阴极区：长度极短10-510-6cm 、电压较大、E电场强度极高 阳极区：长度也极短10-210-4cm 、电压较大、E极高 弧柱区：长度基本上等于电弧长度，E较小
二．焊接电弧的电特性
(一)、焊接电弧的静特性 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， 焊接电流和电弧电压变化的关系，又称伏安特性。 Ⅰ段：电弧电压随电流的增加而下降，是下降特性段
U a
L2 >L1 L2
L1
电弧长度对电弧静特性的影响
周围气体种类
焊接电弧静特性的应用 对于不同的焊接方法，电弧静特性曲线有所不同。静特性下降
段电弧燃烧不稳定而很少采用。 焊条电弧焊、埋弧焊多半工作在静特性水平段。 熔化极气体保护焊、微束等离子弧焊、等离子弧焊也多半工作
在水平段，当焊接电流很大时才工作在上升段。 熔化极气体保护焊和水下焊接基本上工作在上升段。
常见气体及元素的电离能EL(eV)
3. 电子发射
阴极表面的分子或原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,电子发射所需要的能量成为逸出功 Wy 。
（1）热发射 固态或者液态物质表面受热后其中的某些电子 具有大于逸出功的动能而逸出到表面以外的空间中去。
（2） 光电发射 固态或者液态物质表面接受光射线的能量 而释放出自由电子的现象。
（一）接触引弧 接触点面积小，电流密度大，发热，熔化，汽化，引起热
发射以及热电离，拉开时发生强场发射，带电质点被加速，碰 撞，引起撞击电离，并进一步引起光电离和热电离从而维持电 弧的稳定燃烧。
应用场合： 焊条电弧焊 熔化极气体保护焊
（二）非接触引弧 用高电压击穿间隙使电弧引燃。引弧器有两种，高频高
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 子、分子吸附电子复合成负离子的过程。
． 二 焊接电弧的引燃
压引弧和高压脉冲引弧。前者是在工频电源的半波时间内振 荡一小段时间，频率为150-250kHz,电压峰值20003000V,后者每半波产生一个3000-5000V的高压脉冲。
应用场合:钨极氩弧焊和等离子弧焊。
第二节 焊接电弧的结构以及伏安特性
一、焊接电弧的结构以及压降分布
三个区域：阳极区 阴极区 弧柱区
平直段:平特性区,电流增加，If和Sf成比例增加，电流密度Jz ，电
导率γZ不变，电弧电压不变，呈现平特性。
上升段: 电流增加，电弧面积不 Uf 再增加，从而电流密度增加，而 电离度已达饱和，电导率基本不 变，从而岁电流增加，电弧电压 增加，呈现上升特性。
Ⅰ Ⅱ
Ⅲ Uf If
影响电弧静特性的因素： 电弧长度
研究意义：弧焊电源是电弧能量的供应者，其电特性影响 到电弧燃烧的稳定性，从而直接影响到焊缝的质量。 焊接电弧：在电极与工件之间的气体中，产生持久、强烈的自
持放电现象。 特性：电压低、电流大、温度高、发光强。
要使两电极之间的气体导电必须具备两个条件： (1) 两电极之间有带电粒子 (2) 两电极之间有电场
U
焊条电弧焊
细丝
a
小电流 钨极氩
埋弧焊、 不熔化 极气体 保护焊、
熔化 极气 体保 护焊
弧焊
微束等 离子弧 焊
等离 子弧 焊、 水下
焊 Ia
手工焊
埋弧焊
CO2气体保护焊 氩弧焊
(二)、焊接电弧的动特性
焊接电弧的动特性，是指在一定弧长下，当电弧电流很快变化 时，电弧电压和电流之间的关系：Uf=f(if)，由于热惯性对电离 度的影响，焊接电弧的动特性曲线不同于静特性曲线特性
a) 气体放电
b)金属导电
非自持放电：气体导电所需要的带电粒子不能通过导电过程本身产生， 而需要外加措施来产生带电粒子（加热、施加一定能量的光子等等）。
自持放电：当电流大于一定值时，一旦放电开始，气体导电过程本身就 可以产生维持导电所需要的带电粒子。
电弧是低压、大电流、产生高温、强光的一种自持气 体放电现象
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第三节 交流电弧
一、交流电弧的特性 1、电弧周期性地引燃和熄灭 2、电弧电压和电流发生畸变 3、热惯性作用较为明显
二、交流电弧连续燃烧的条件
1、纯电阻电路
平衡方程 U m sin t uh ih R
（3）重粒子撞击发射 能量大的重粒子撞击到阴极上， 引起电子的逸出。
（4）自发射 固态或者液态物质表面存在强电场，使阴极 有较多的电子发射出来，又称为场强发射。
常见材料的逸出功 复合电极材料的逸出功
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
一．气体原子的激发、电离和电子发射
1．气体原子的激发
+
激发
-
气体原子得到外 加能量电子从低 能级跃迁到高能 级，这时原子处 于“激发”状态
电离 电子完全脱离原
- 子核的束缚形成
自由电子的过程 程称为“电离”
由原子形成正离子所需要的能量称为电离能
2．气体原子的电离
（1）撞击电离：在电场中，被加速的带电质点（电子、离子） 和中性质点（原子）碰撞后发生的电离。 （2）热电离：在高温下，具有高动能的气体原子（或分子）互 相碰撞而引起的电离。 （3）光电离：气体原子（或分子）吸收了光射线的光子能而产 生的电离。
Ⅱ段：呈等压特性，即 电弧电压不随电流的变 化而变化，是平特性段
Ⅲ段：电弧电压随电流的 增加而上升，是上升特性 段
弧柱区电压
UZ
I f RZ
If
lZ
SZ Z
jZ
lZ
Z
下降段:负阻特性区,电流增加，弧柱截面积更快增加，电流密度jZ下
降；电弧温度增加，电离度增加，γZ增加，电弧电压下降，呈现下
降特性。
电流快速减小时，由于电 弧电离度较高，电弧电压 低于静态值，V-A特性曲 线地于静特性曲线。
电流快速增加时，由于电弧电离 度较低，电弧电压高于静态值， V-A特性曲线高于静特性曲线。
电流增加过程中，动态性曲线上的电弧电压比静特性曲 线上的电弧电压值高；电流下降时，每一瞬间电弧电压 低于静特性曲线。 电流变化速度愈小，静、动特性曲线就愈接近。
阴极区：长度极短10-510-6cm 、电压较大、E电场强度极高 阳极区：长度也极短10-210-4cm 、电压较大、E极高 弧柱区：长度基本上等于电弧长度，E较小
二．焊接电弧的电特性
(一)、焊接电弧的静特性 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， 焊接电流和电弧电压变化的关系，又称伏安特性。 Ⅰ段：电弧电压随电流的增加而下降，是下降特性段
U a
L2 >L1 L2
L1
电弧长度对电弧静特性的影响
周围气体种类
焊接电弧静特性的应用 对于不同的焊接方法，电弧静特性曲线有所不同。静特性下降
段电弧燃烧不稳定而很少采用。 焊条电弧焊、埋弧焊多半工作在静特性水平段。 熔化极气体保护焊、微束等离子弧焊、等离子弧焊也多半工作
在水平段，当焊接电流很大时才工作在上升段。 熔化极气体保护焊和水下焊接基本上工作在上升段。
常见气体及元素的电离能EL(eV)
3. 电子发射
阴极表面的分子或原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,电子发射所需要的能量成为逸出功 Wy 。
（1）热发射 固态或者液态物质表面受热后其中的某些电子 具有大于逸出功的动能而逸出到表面以外的空间中去。
（2） 光电发射 固态或者液态物质表面接受光射线的能量 而释放出自由电子的现象。
（一）接触引弧 接触点面积小，电流密度大，发热，熔化，汽化，引起热
发射以及热电离，拉开时发生强场发射，带电质点被加速，碰 撞，引起撞击电离，并进一步引起光电离和热电离从而维持电 弧的稳定燃烧。
应用场合： 焊条电弧焊 熔化极气体保护焊
（二）非接触引弧 用高电压击穿间隙使电弧引燃。引弧器有两种，高频高
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 子、分子吸附电子复合成负离子的过程。
． 二 焊接电弧的引燃
压引弧和高压脉冲引弧。前者是在工频电源的半波时间内振 荡一小段时间，频率为150-250kHz,电压峰值20003000V,后者每半波产生一个3000-5000V的高压脉冲。
应用场合:钨极氩弧焊和等离子弧焊。
第二节 焊接电弧的结构以及伏安特性
一、焊接电弧的结构以及压降分布
三个区域：阳极区 阴极区 弧柱区
平直段:平特性区,电流增加，If和Sf成比例增加，电流密度Jz ，电
导率γZ不变，电弧电压不变，呈现平特性。
上升段: 电流增加，电弧面积不 Uf 再增加，从而电流密度增加，而 电离度已达饱和，电导率基本不 变，从而岁电流增加，电弧电压 增加，呈现上升特性。
Ⅰ Ⅱ
Ⅲ Uf If
影响电弧静特性的因素： 电弧长度