焊接电弧及其特性
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
焊接电弧及其电特性
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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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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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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。
焊接电弧特性
焊接电弧特性焊接电弧的电特性包括焊接电弧的静态伏安特性（静特性）和动态伏安特性（动特性）。
一、电弧静特性曲线图1-1普通电阻静特性与电弧静特性曲线1—普通电阻静特性曲线2—电弧静特性曲线一定长度的电弧在稳定燃烧状态下，电弧电压与电弧电流之间的关系称为焊接电弧的静态伏安特性，简称伏安特性或静特性，也称为U曲线。
1）电弧静特性曲线。
焊接电弧是焊接回路中的负载，它与普通电路中的普通电阻不同，普通电阻的电阻值是常数，电阻两端的电压与通过的电流成正比（U=IR），遵循欧姆定律，这种特性称为电阻静特性，为一条直线，如图1-1中的曲线1所示。
焊接电弧也相当于一个电阻性负载，但其电阻值不是常数。
电弧两端的电压与通过的焊接电流不成正比关系，而呈U形曲线关系，如图1-1中的曲线2所示。
电弧静特性曲线分为三个不同的区域，当电流较小时（图1-1中的ab区），电弧静特性属下降特性区，即随着电流增加电压减小;当电流稍大时（图1-1中的bc区），电弧静特性属平特性区，即电流变化时，而电压几乎不变;当电流较大时（图1-1中的cd区），电弧静特性属上升特性区，电压随电流的增加而升高。
2）电弧静特性曲线的应用。
由于不同的焊接方法，其焊接中所取的电流范围有限，因此对于特定焊接方法，根据其电流适用范围，其电弧静特性曲线只是整个U曲线的某一部分。
焊条电弧焊、埋弧焊一般工作在静特性的平特性区，即电弧电压只随弧长而变化，与焊接电流关系很小。
◆焊条电弧焊、埋弧焊多半工作在静特性水平段。
◆一般的钨极氩弧焊、等离子弧焊的焊接电弧也工作在水平段，◆当电流很小时，如微束等离子弧焊、微束TIG焊工作在下降段◆细丝熔化极气体保护焊基本上工作在上升段。
二、焊接电弧的动特性在一定的弧长下，当电弧电流以很快速度连续变化时，电弧电压与电流瞬时值之间的关系称为电弧动态伏安特性，简称为电弧动特性。
直角坐标系中的电弧动特性曲线是一闭合曲线，称为电弧动特性闭合曲线。
电弧的动特性：“热惯性”现象1）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 特性曲线低于静特性曲线。
焊接电弧的动特性名词解释
焊接电弧的动特性名词解释一、引言焊接电弧是一种在焊接过程中产生的强烈光辐射和高温的等离子体现象，其动特性是指电弧在焊接中所表现出的各种物理和化学特性。
理解电弧的动特性对于掌握焊接工艺和提高焊接质量具有重要意义。
二、电弧长度电弧长度是指焊接电弧的摆动范围，通常以电弧焊接过程中两电极之间的距离衡量。
电弧长度的控制对于焊接过程的稳定性和熔深的控制至关重要。
较大的电弧长度可使焊缝充满，提高焊接质量，但同时也会降低焊接速度。
较小的电弧长度可以加快焊接速度，但有时会导致焊缝不充分的问题。
三、电弧功率密度电弧功率密度是指单位面积上电弧所输出的功率。
它的大小决定了焊接热量的分布和焊接效果。
较高的电弧功率密度可产生较高的焊接温度，有助于更好地熔化焊材和基材，但同时也会带来较大的熔散和气孔的形成。
适当控制电弧功率密度是保证焊接质量的关键。
四、电弧稳定性电弧稳定性是指电弧在焊接过程中的稳定性能。
稳定的电弧有利于焊缝的均匀成形和气孔的排除，其输出的热量也会更加均匀。
电弧的稳定性受到多种因素的影响，如电弧长度、电弧电流和焊接材料的性质等。
良好的焊接参数的选择和提高焊工的操作技术都可以提高电弧的稳定性。
五、电弧形态电弧形态是指焊接电弧在形态上的表现。
电弧形态可以通过感知电弧辉光的形状、颜色和闪烁频率等进行判断。
不同的电弧形态对焊接过程有着不同的影响。
一般来说，稳定的直流等离子体电弧形态有利于均匀的熔化焊材和基材，而闪烁频率高、形态不稳定的电弧则可能导致焊接质量问题。
六、电弧电流电弧电流是指焊接电弧传递的电流大小。
电弧电流的选择直接影响着焊接的热量和熔深。
过大的电弧电流会导致焊接过程中热量过大，容易产生焊缝熔穿等问题，而过小的电弧电流则可能导致焊缝不充分的现象。
合理选择电弧电流是协调熔化和焊接速度的关键。
七、电弧温度电弧温度是指焊接电弧的温度高低。
电弧温度的升高会导致更高的焊接温度，有助于焊接金属的熔化，但同时也可能对金属的组织产生不利影响。
焊接电弧及其电特性
由原子形成正离子所需要的能量称为电离能 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) 撞击电离: 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. 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 热电离: 高温下 具有高动能的气体原子(或分子) 相碰撞而引起的电离. 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 光电离:气体原子(或分子)吸收了光射线的光子能而产 光子能 生的电离. 生的电离. 常见气体及元素的电离能E 常见气体及元素的电离能EL(eV)
第二节
焊接电弧的结构以及伏安特性
弧柱区
一,焊接电弧的结构以及压降分布
三个区域: 三个区域:阳极区 阴极区
阴极区:长度极短10 电压较大, 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 电压较大, 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, 弧柱区:长度基本上等于电弧长度,E较小
Ⅰ Ⅱ
Ⅲ
Uf
影响电弧静特性的因素: 影响电弧静特性的因素: 电弧长度
Ua
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. 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. 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. 焊条电弧焊,埋弧焊多半工作在静特性水平段. 水平段 熔化极气体保护焊,微束等离子弧焊, 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. 作在水平段,当焊接电流很大时才工作在上升段. 水平段 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. 熔化极气体保护焊和水下焊接基本上工作在上升段. 上升段
焊接电弧特性
§1.2 焊接电弧特性电弧特性是指电弧在导电行为方面表现出的一些特征，其中的电弧电特性与电弧热平衡、电弧稳定性等有很深的联系，是很重要的事项。
焊接电弧静特性焊接电弧动特性阴极斑点和阳极斑点电弧的阴极清理作用最小电压原理电弧的挺直性与磁偏吹1. 焊接电弧静特性1）电弧静特性曲线变化特征（与金属电阻对应理解）电弧的电流·电压特性左图概念性示出稳定状态下焊接电弧的电流·电压特性，称作电弧静特性曲线。
静特性曲线是在①某一电弧长度数值下，在②稳定的保护气流量和③电极条件下（还应包括其他稳定条件），改变电弧电流数值，在电弧达到稳定燃烧状态时所对应的电弧电压曲线。
呈现3个区段的变化特点下降特性区（负阻特性区）平特性区上升特性区3个特性区域的特点是由于电弧自身性质所确定的，主要和电弧自身形态、所处环境、电弧产热与散热平衡等有关在小电流区：电弧电压随电流的增大而减小，呈现负阻特性。
原因如下：电流小时，电弧热量低，导电性差，需要较高的电场推导电荷运动；电弧极区（特别是阴极区），温度低，提供电子能力差，会形成较强的极区电场；电流增大：电弧中产生和运动等量的电荷不再需要更高的电场；电弧自身性质具有保持热量动态平衡的能力当电流稍大时：焊条金属将产生金属蒸气的发射和粒子流。
消耗能量，故E不用降低当电流进一步增大时，金属蒸气的发射和等离子流的冷却作用进一步增强，同时由于电磁收缩力的作用，电弧断面不能随电流的增加而成比例的增加，电弧电压降升高，电弧静特性呈正特性。
埋弧焊电弧静特性曲线埋弧焊电弧的散热损失小，且电弧中基本没有GTA、GMA那样的等离子流存在，采用粗焊丝大电流，电弧特性呈下降趋势。
电弧特性反应了电弧的导电性能和变化特征，电弧种发生的许多现象都与静特性有关，也可以用于对比解释各种电弧焊方法的差别③电极条件非熔化电极情况下，电极成分对电弧电压会有一定程度的影响④母材情况母材热导率影响所形成的熔池大小以及母材热输入量中散失热量的快慢，对电流产生间接的冷却作用。
焊接电弧的静特性和熔滴过渡的形式
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。 一般埋弧焊、手工焊、大电流TIG焊等都工作在平特性段。
下降特性
在A区：电流较小，电弧热量较低，电离度低，电弧的导电性 较差，需要有较高的电场推动电荷运动； 电弧阴极区，由于电极温度低，电子提供能力较差，不能实现 大量的电子发射，会形成比较强的阴极电压降。所以电流越小 电压越高。 弧柱区在小电流范围内电流密度基本不变，弧柱截面随电流的 增加按比例增加，但弧柱周长增加的少，产热多，散热少，电 弧温度提高，电离程度提高，电弧电场强度降低，弧压降低， 所以电弧成负阻特性。
上升特性
在C区：电流更大时， 金属蒸汽的发射及等离子流的冷却作用进一步加强，同时由于电 磁力的作用，电弧截面不能成比例增加，电弧的电导率减小，要 保证较大的电流通过相对比较小的截面，需要更高的电场。 MIG焊的电弧一般工作在上升段。
电弧电压决定于电弧长 度和焊接电流值
不同电弧长度的电弧静特性曲线
仰焊 横焊
重力
表面张力 气体吹力
电磁力 斑点压力
有利于熔滴过渡的打√，阻碍熔滴过渡的打×
斑点压力
斑点压力：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
不论是阴极斑点力还是阳极 斑点力，其方向总是与熔滴 过渡方向相反，如图所示。 但由于阴极斑点力大于阳极 斑点力，所以熔化极气体保 护焊可通过采用直流反接减 小对熔滴过渡的阻碍作用， 减少飞溅。
焊接电弧的能量特性以及电弧力
2 焊接电弧的温度分布
2)焊接电弧径向温度分布 在焊接电弧的横断面内,温度沿径向的
分布是不均匀的,中心轴温度最高,离开中心轴 的温度逐渐降低,如图1-7所示。这主要是由 于外围散热快造成的。
焊接电流越大,电弧中心的温度越高。
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2 焊接电弧的温度分布
图1-7电弧径向温度分布示意图 a)W-Cu电极间电弧等温线,电流200A，电压
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2 焊接电弧的温度分布
反之，如果介质中含有电离能较高的物质,特 别是存在负电性元素氟时,能显著地提高弧柱区的 温度。例如,用含氟的焊剂进行埋弧焊时,弧柱区 的温度可高达7850K。含氟越多，温度越高。其 原因是:氟易与电子在电弧周边容易结合形成负离 子F-,使得电弧周边难以导电，电弧电流主要从电 弧中心流过，这相当于对电弧产生了压缩作用， 因而使弧柱的温度提高。
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2 焊接电弧的温度分布
1)焊接电弧轴向温度分布 焊接电弧沿轴向的温度分布如图1-6所示。
图中还给出了能量密度与电流密度是相对应的, 即阴极区和阳极区的电流密度和能量密度均高于 弧柱区。
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2 焊接电弧的温度分布
图1-6 电弧的温度、电流密度和能量密度的轴向分布示意图
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2 焊接电弧的温度分布
许多研究表明,一般电弧焊时，阴极和阳极产生 的热量相近,但由于阴极发射电子消耗的能量较多,故 其温度比阳极低一些。阴极温度约为2200-3500K， 而阳极温度约为2400-4200K。在相同的产热情况 下,电极的温度受电极材料的种类、导热性、电极的 几何尺寸影响较大。一般来说,材料的沸点越低、导 热性越好、电极的尺寸越大,电极的温度越低,反之， 则越高。弧柱区的温度受电流大小、电极材料、气 体介质、弧柱的压缩程度等因素的影响较大。
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。
电弧的基本特性
第一讲 电弧的基本特性
按电弧状态，可分为自由电弧（如焊条电弧焊电弧）、压缩电弧（如等离子弧）。 按电极材料，可分为熔化极电弧（如CO2气体保护焊电弧）、非熔化极电弧（如钨极氩弧焊电弧）。 焊接电弧的产生 一般情况下，气体不含有带电粒子（电子、正离子、负离子），是由中性的分子或原子组成的。要使气体产生电弧导电，必须使气体分子或原子电离成带电粒子——气体电离；同时，为了使电弧维持“燃烧”，还必须不断的输送电能给电弧，以补充气体电离时所消耗的电能，即电弧的阴极要不断的发射电子。综上所示，气体电离和阴极发射电子是电弧产生的必要条件。 气体电离
熔滴冲击力 当采用较大电流进行熔化极氩弧焊时，熔滴呈射流过渡，在等离子流力的作用下，熔滴以极大的加速度连续沿轴向射向熔池，使焊缝极易形成指状熔深。
短路爆破力 电弧从燃烧状态过渡到短路状态，电弧电流迅速上升，熔滴温度急剧升高，使液柱汽化爆断，产生较大的冲击力，导致飞溅产生。
影响电弧力的因素
第一讲 电弧的基本特性
图7-1 焊接电弧导电示意图
焊接电弧不是一般的燃烧现象，它是在一定条件下电荷通过两极间气体空间的一种导电过程（如图7-1），也可以说是一种气体放电现象。焊接电弧是电弧焊的热源，而弧焊电源是为焊接电弧提供能量的设备。 一、焊接电弧的种类 ★按焊接电流种类，可分为交流电弧、直流电弧、脉冲电弧。
a—阴极压降与阳极压降之和（V）； b—单位长度弧柱压降（V/mm）； —弧柱长度（mm）。
焊接电弧的特性
电特性
热特性
力学特性
第一讲 电弧的基本特性
四、焊接电弧的特性 （一）焊接电弧的电特性 焊接电弧的电特性即伏安特性，包括静态伏安特性（静特性）和动态伏安特性（动特性）。 1．焊接电弧的静特性
焊接电弧
2. 减少或防止电弧偏吹的方法
（1）对于因气体流动过强引起的电弧偏吹，应首先根据具 ）对于因气体流动过强引起的电弧偏吹， 体情况查明气流来源、方向，再采取相应措施。 体情况查明气流来源、方向，再采取相应措施。 （2）在操作时适当调整焊条角度，使焊条向偏吹的一侧倾 ）在操作时适当调整焊条角度， 斜。 （3）采用短弧焊接及小电流焊接，对减小电弧偏吹也能起 ）采用短弧焊接及小电流焊接， 一定作用。 一定作用。 （4）为防止磁偏吹的影响，在条件许可的情况下应尽量使 ）为防止磁偏吹的影响， 用交流电焊接。 用交流电焊接。
二、焊接电弧的构造及温度分布
1. 焊接电弧的构造
焊接电弧可根据其物理 特征，沿长度方向划分为三 个区域，即阴极区、阳极区 和弧柱区。 阴极区——靠近阴极的 一层很薄的区域，厚度大约 只有10-5～10-6 cm。 阳极区——靠近阳极的 一层很薄的区域，但它的厚 度比阴极区，约10-3～10-4 cm。
由上述可知，电弧作为热源，其特点是温度很高， 由上述可知，电弧作为热源，其特点是温度很高， 热量相当集中。因此，用于焊接时金属熔化非常快。 热量相当集中。因此，用于焊接时金属熔化非常快。 使金属熔化的热量主要集中产生于两极； 使金属熔化的热量主要集中产生于两极；弧柱温度 虽高，但大部分热量被散失于周围气体中， 虽高，但大部分热量被散失于周围气体中，对金属 熔化并不起重要作用。 熔化并不起重要作用。
第三节
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六、焊接电弧的偏吹
电弧轴线偏离焊条轴线方向的现象，称它为电弧的偏吹。 电弧轴线偏离焊条轴线方向的现象，围气流的干扰 图2-9 （2）焊条偏心度过大 磁场的影响（磁偏吹） 图2-10 （3）磁场的影响（磁偏吹） 总之， 总之，引起焊接电弧产生磁偏吹现象的根本原因是由于 电弧周围磁场分布不均匀， 电弧周围磁场分布不均匀，而这种情况只有在使用直流电源 焊接时才明显发生，并且焊接电流越大， 焊接时才明显发生，并且焊接电流越大，电弧磁偏吹现象越 严重。 严重。
焊接电弧的名词解释
焊接电弧的名词解释焊接电弧是一种通过高电压和电流产生的气体放电现象，通常用于焊接过程中加热和熔化金属。
在焊接中，焊极和焊件之间产生的电弧能量被用于使焊件表面升高到足够的温度以实现材料熔化和连接。
1. 电弧的形成焊接电弧的形成是通过在电极和焊件之间建立电流通路，利用电流经过气体空气中的阻抗，产生高温和高能量的现象。
当电流通过电极，并遇到空气中的阻抗时，电子的能量会从电流中释放出来，形成电弧。
2. 电弧的特性焊接电弧具有多种特性，其中包括：2.1 高温：焊接电弧的温度可以达到数千度，使得金属能够熔化并形成连接。
2.2 高能量密度：焊接电弧能够提供高能量密度，将焊件的表面加热到足够的温度。
2.3 高亮度：焊接电弧本身是明亮且具有强光的。
2.4 强风：焊接电弧产生的气流可以对周围的环境产生干扰，需要注意安全和舒适度。
3. 焊接电弧的应用焊接电弧是现代工业中广泛应用的一种技术。
其主要应用有：3.1 金属焊接：通过焊接电弧，可以将金属件进行连接，如钢铁结构、汽车制造和航空航天部件的制造等领域。
3.2 焊接修复：焊接电弧广泛应用于金属修复领域，能够修复和加固破损的金属件。
3.3 电弧切割：焊接电弧可以用于金属切割，通过在金属表面生成高温电弧，将金属融化并切割。
3.4 表面处理：焊接电弧也可以用于改变金属表面的特性，如表面硬化和改变金属结构等。
4. 焊接电弧的不同类型焊接电弧可以根据其形成的方式和材料使用进行分类。
以下是一些常见的焊接电弧类型：4.1 气体保护焊电弧：在焊接过程中，通过向电弧周围提供气体保护，以避免氧化和污染现象。
4.2 电弧焊接：传统的电弧焊接使用焊条或焊丝作为电极，并通过电弧加热和熔化焊件的表面。
4.3 电弧气体化学焊接：通过在电弧中引入反应性气体，实现金属熔化和连接。
4.4 感应电弧焊接：利用电磁感应的原理，在工件中产生电流并生成电弧。
5. 焊接电弧的安全注意事项在使用焊接电弧过程中，必须注意以下安全事项：5.1 穿戴个人防护设备，如护目镜、手套和耳塞。
1.1焊接电弧及其特性
（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。
焊接电弧的分类和特性(精)
模块一焊条电弧焊项目1.2 板对接单面平焊双面成形焊接电弧的分类和特性一、焊接电弧的分类焊接电弧的性质与弧焊电源种类、焊接电弧状态、电极材料以及电弧周围的介质等有关。
焊接电弧按弧焊电源种类不同可分为交流电弧、直流电弧和脉冲电弧(含高频脉冲电弧)；按电弧状态可分为自由电弧和压缩电弧；按电极材料可分为熔化极电弧和非熔化极电弧。
二、焊接电弧的静特性以一定电弧长度稳定燃烧的电弧，其电弧电压U f与电弧电流I f之间的关系，称为焊接电弧的静态伏安特性，简称焊接电弧的静特性。
表示它们关系的曲线U f=f(I f)，称为焊接电弧的静特性曲线，见图1所示。
焊接电弧作为焊接回路中的负载是非线性负载，即电弧电压与电弧电流之间不成正比例关系。
当电弧电流从小到大在很大范围内变化时，焊接电弧的静特性近似呈U形曲线，故也称为U形特性。
U形静特性曲线可看成由三段(I、II、III)组成。
在小电流的I段，电弧电压随电流的增加而下降，是下降特性段；在正常焊接的II段，呈等压特性，即电弧电压不随电流而变化，而取决于电弧的长度，电弧的长度愈长则电弧电压愈大，是平特性段；在大电流的Ⅲ段，图1焊接电弧的静特性曲线电弧电压随电流增加而上升，是上升特性段。
对于不同的弧焊方法，由于采用的电极材料、气体介质以及电弧燃烧条件和焊接电流的使用范围不同，因而它们的焊接电弧静特性曲线也有所不同，而且在其正常使用范围内，并不包括电弧静特性曲线的所有段，仅工作在U形特性的某一段。
如焊条电弧焊多半工作在静特性的水平段，即电弧电压只随弧长而变化，与焊接电流关系很小。
静特性的下降段由于电弧燃烧不稳定而很少采用。
三、焊接电弧的稳定性如前所述，焊接电弧的稳定性就是电弧不产生断弧、飘移、偏吹而保持稳定燃烧的程度，电弧燃烧稳定与否，对焊接的质量影响很大，从而也影响产品质量。
影响电弧稳定性的因素有以下几方面：1.焊接电源焊接电源种类和极性都会影响电弧的稳定性。
直流电焊接的电弧要比交流电的电弧稳定；空载电压较高的焊接电源其电弧燃烧比空载电压低的稳定；有良好动特性的焊机容易保证电弧稳定燃烧。
焊接电弧及其特性
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。
01
物质的固体或液体表面受热后电子动能增大，其中某些电子动能大于逸出功时将逸出到表面外的空间中去的现象称为“热发射”。
02
钨极氩弧焊过程中“热发射”作用明显。
物质的固体或液体表面接受光射线的能量而释放出自由电子的现象称为“光电发射”。
K
4.34
0.30
2.22
N
14.53
0.54
Mo
7.10
1.3
4.29
Na
5.14
0.35
2.33
H
13.600
B
8.30
0.3
4.30
O
13.61
2.0
Fe
7.87
0.85
4.40
F
17.42
3.62
/
固态物质表面电子发射所需的能量称为 “逸出功WY ” 。逸出功一般只为电离能的 一半 。
电弧周期性地熄灭和引燃 电流过零 — 电弧熄灭 — 电弧空间温度下降 — 带电质点中和 — 导电能力下降 — 当U0 > Uyh 时，电弧再次引燃。 电流过零时间越长，电弧再引燃越困难。
电弧电压和电流波形发生畸变 由于电弧电阻随弧柱温度发生交变，因此电弧电压及焊接电流都不再按正弦规律变化。
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第一章 焊接电弧及其特性
第一节 焊接电弧的物理本质和引燃 第二节 焊接电弧的结构和伏安特性 第三节 交流电弧 第四节 焊接电弧的分类及其特点
第一节 焊接电弧的物理本质和引燃
电弧是一段导体
导体？
电弧是一种气体放电现象
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。
焊接电弧的构造及静特性
§6—2焊接电弧的构造及静特性一焊接电弧的构造及温度焊接电弧的构造可划分三个区域：阴极区，阳极区，弧株。
电弧焊是利电弧的热能来到达连接金属的目的，电弧的热能是由上述各个区域的电过程作用下产生的，由于各个区域的电过程特点不同，因此各区域所放出的能量及温度的分布也是不相同的。
1阴极区电弧紧靠负电极的区域称为阴极区。
阴极区很窄，约为10～10cm。
在阴极区的阴极外表有一个明显的光的斑点，它是电弧放电时，负电极外表上集中发射的微小区域，称为阴极斑点。
阴极区的温度一般到达2130～3230℃，放出的热量占36%左右》阴极温度的高低主要取决于阴极的电极材料而且阴极的温度一般都低于阴极金属材料的沸点。
〔见图表〕此外，如果增加电极中的电流密度，那么阴极区的温度也可相应提高。
阴极区和阳极去的温度电极材料材料沸腾℃阴极区温度℃阳极区温度℃碳4367 3227 3827铁2998 2130 2330铜2307 1927 21772900 2097 2177钨5927 2727 3927注〔1〕电弧中气体介质为空气。
〔2〕阴极和阳极为同种材料2阳极区电弧紧靠正极的区域称为阳极区。
阳极区较阴极区宽，越为10～10cm在阳极区的阳极外表也有光亮的斑点，它是电弧放电时，正电极外表上集中的接收电子的位区域，称为阳极斑点。
阳极不发射电子，消耗能量少，因此在阴极材料相同时，阳极去的温度略高于阴极。
阳极区的温度一般达2330～3930℃放出热量占43%左右，一般手工电弧焊时，阳极的温度比阴极的温度高些。
3弧柱电弧阴极区和阳极区的部分称为弧柱。
由于阴极区和阳极区都很窄，因此弧柱的长度基本上等于电弧长度。
弧柱中所进行的电过程较复杂，而且它的温度不受材料沸点的限制，因此弧柱中心温度可到达5730～7730℃放出的热量占21%左右〔手工电弧焊〕。
弧柱的温度与弧柱中气体介质和焊接电流大小等因素有关；焊接电流越大，弧柱中电离程度也越大，弧柱温度也越高。
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第一章 焊接电弧及其电特性
16
一. 交流电弧的特点
电弧周期性地熄灭和引燃
电流过零 — 电弧熄灭 — 电弧空间温度下
电弧电压和电流波形发生畸变
降 — 带电质点中和 — 导电能力下降 — 当U0 >
U由电yh于时弧电，温弧电度弧电交再阻次变随引弧，燃柱热。温惯度性发作生用交较变为，因明此显电
弧电压电及流焊过零接时电间流越都长不，再电按弧再正引弦燃规越律困变难化。。
惰K卤的、性族电N气元离a元体素 度素（，（影F的A、r响电、C电l离、H弧e能B的)r与、与稳电I亲定等子性和）的。能的亲电较和子低亲能，和最能能小起最，到大所稳，以降弧低不作电可用弧。
能碱形性成焊负条离药皮子中；含金有属大元量素Ca介F2，于因两此者电之弧间的。稳定性较差。
第一章 焊接电弧及其电特性
吸附、结合
负离子
第一章 焊接电弧及其电特性
6
电弧中常见气体元素的电离能 El、逸出功 Wy、亲和能 Eq(ev)
气体 El Eq 元素 El Eq Wy 元素 El Eq Wy
He 24.58 <0 Cu 7.72 1.8 4.36 C 11.26 1.33 4.45 Ar 15.76 <0 Cr 6.76 0.98 4.59 K 4.34 0.30 2.22 N 14.53 0.54 Mo 7.10 1.3 4.29 Na 5.14 0.35 2.33 H 13.60 0.8 W 7.98 / 4.50 B 8.30 0.3 4.30 O 13.61 2.0 Fe 7.87 0.85 4.40 F 17.42 3.62 /
7
固在态阴物极质表表面面电的子原发子射或所分需子的，能量接称受为外“界逸的出能功量 W而Y释” 。放逸出出自功由一电般子只的为电现离象能称的为一“半电子。发射”。
气体 El Eq 元素 El Eq Wy 元素 El Eq Wy
He 24.58 <0 Cu 7.72 1.8 4.36 C 11.26 1.33 4.45 Ar 15.76 <0 Cr 6.76 0.98 4.59 K 4.34 0.30 2.22 N 14.53 0.54 Mo 7.10 1.3 4.29 Na 5.14 0.35 2.33 H 13.60 0.8 W 7.98 / 4.50 B 8.30 0.3 4.30 O 13.61 2.0 Fe 7.87 0.85 4.40 F 17.42 3.62 /
结构？
—— 电弧分区及各区域特点
静特性（伏安特性）？
—— 电弧电压与电流间的关系
第一章布
U = Ui + Uy + Uz
Ui 、Uy 基本不变， Uz与弧长成正比。
阴极区 弧柱区 阳极区
图1-4 电弧结构和电位分布
第一章 焊接电弧及其电特性
14
二. 焊接电弧的电特性
撞击电离 热电离 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。
第一章 焊接电弧及其电特性
5
气体离子与电子的复合 → 中性原子
正离子 电子
中和
（电离）
中性原子
各种元素与电子形成负离子的倾向决定于它于电子
→ 的亲气和体能原Eq子。与Eq电越大子，的形结成合负离子的负倾向离越子大。
中性原子 电子
2
一. 气体原子的激发、电离 和阴极电子发射
气体原子的
激发与电离
阴极电子发射
维引持燃电电弧弧并稳维定持燃电烧弧的燃条烧件的能是量：来源主要是两电
极1间. 的气电体场原及子由不其断产的生被的激热发、和光电和离动；能。 2. 阴极不断地发射电子。
第一章 焊接电弧及其电特性
3
气体原子的激发与电离
激电发离：
第一章 焊接电弧及其电特性
17
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 弧连续燃烧。
维持交流电弧连续燃烧条件的数学表达式为：
U0 1
Uf
2
第一章 焊接电弧及其电特性
8
热发射 光电发射 重粒子撞击发射 强电场作用下的自发射 实际焊接过程中的阴极电子发射是若干种 发射形式的组合。
第一章 焊接电弧及其电特性
9
二. 焊接电弧的引燃
接触引弧： 非是接在触电引源接弧通：后，电极（焊条或焊丝）与
工件在直电接极短与路工接件触间，存随在后一拉定开间，隙在，拉由开焊瞬接间电 （小间隙）的强电场作用下引燃电弧。 源施以高压击穿间隙，使电弧引燃。 接触非引接弧触是引熔弧化是极非焊熔接化时极的（基钨本极引）弧焊方接式时。的 基本引弧方式。
气使体气原体子元得素到中外的加电 能量，电子从一个较 子完全脱离原子核的束 低的能级跳到另一个 缚较形高成能离级子的和现自象由叫电子 的“过激程发称”为。“使电原离子”跃。
由迁原至子激形发成状正态离所子需所的需
的能能量量叫称“为激“发电能离”能。
El ” 。
第一章 焊接电弧及其电特性
4
气体原子
的
电离形式
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
15
第三节 交流电弧（正弦波交流）
一. 交流电弧的特点 二. 交流电弧稳定燃烧的条件 三. 影响交流电弧稳定的因素及稳弧措施 四. 交流电弧的功率和功率因数
第一章 焊接电弧及其特性
第一节 焊接电弧的物理本质和引燃 第二节 焊接电弧的结构和伏安特性 第三节 交流电弧 第四节 焊接电弧的分类及其特点
第一章 焊接电弧及其电特性
1
第一节 焊接电弧的物理本质和引燃 电弧是一段导导体体？
电弧是一种气气体体放放电电现？象
电弧为什么能够导电？ 电弧如何引燃？
第一章 焊接电弧及其电特性
第一章 焊接电弧及其电特性
10
高频高压引弧
高压脉冲引弧
图1-3 高频和脉冲引弧示意图
第一章 焊接电弧及其电特性
11
u
t i
t
a) 接触引弧
b） 非接触引弧
图1-1 引弧过程的电压、电流变化
U0 — 空载电压 Uf — 电弧电压 if — 电弧电流
第一章 焊接电弧及其电特性
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第二节 焊接电弧的结构和静特性