金属焊接2 电弧焊基础知识
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电弧焊基础知识
主讲 陶春宏
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1
电弧焊基础知识
教学目标：
1. 了解电弧热、电弧力及电弧稳定性； 2. 掌握焊丝的熔化与熔滴过渡规律； 3. 会分析和控制母材的熔化与焊缝成型 。
a
2
1.焊接电弧
▪ 电弧是所有电弧焊方法的能源。电弧把弧焊 电源输送的电能转换成热能和机械能。为了 弄清楚电弧是怎样实现能量转换和这种能源 的利用，这就需要深入了解焊接电弧的物理 本质和各种特性。
等离子流力（电磁动压力）
由高温的等离子气流高速运动引起的对
熔池附加的压力。
a
18
1.3 电弧力
▪ 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
a
19
1.4 电弧偏吹
电弧偏离焊条轴线的现象叫电弧偏吹。电 弧偏吹使温度分布不均匀，容易产生咬边、未 熔合、夹渣等缺陷，故必须研究引起偏吹的原 因及预防措施。
的电子。
a
8
1.1.2 阴极电子发射
▪ 场致发射：当阴极表面空间存在一定强度的正 电场时，阴极内部的电子将受到电场力的作用。当 此力达到一定程度时电子便会逸出阴极表面，这种 电子发射现象称为场致发射。
▪ 冷阴极：当采用钢、铜、铝等低沸点材料作阴 极时（其沸点分别为3013K、2868K和2770K）， 阴极加热温度受材料沸点限制不可能很高，此时以 场致发射为主，热发射为辅而已。
a
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1.1.2 阴极电子发射
➢ 光发射：当阴极表面受到光辐射作用时，阴极
内的自由电子能量达到一定程度而逸出阴极表面的 现象称为光发射。光发射在阴极电子发射中居次要 地位。 ▪ 粒子碰撞发射：电弧中高速运动的粒子（主要 是正离子）碰撞阴极时，把能量传递给阴极表面的 电子，使电子能量增加而逸出阴极表面的现象称为 粒子碰撞发射。
▪ 阴极电子发射的种类：
▪ 热发射：在热能的作用下，一部分电子动能达到或 超出逸出功时产生的电子发射现象。
▪ 热阴极：热发射的强弱受材料沸点的影响。当采用
高沸点的钨或碳作阴极时（其沸点分别为5950K和
4200K），电极可被加热到很高的温度（一般可达
3500K以上），此时，通过热发射可为电弧提供足够
易于形成负离子。
a
13
1.2 焊接电弧的温度分布
▪
钢焊条焊接工件
时，阳极区温度约为
2600K，阴极区温度约为 2400K，电弧中心区温度 最高，可达6000~8000K。
▪
由于电弧截面的
特点所以电流密度及能
量密度在弧柱区较低 。
a
14
1.3 电弧力
▪ 电磁收缩力：径向电磁力 轴向电磁力 ▪ 等离子流力：电磁动压力 ▪ 斑点力：阴极斑点力 阳极斑点力
纯金属 4.5 4.48 4.2 4.3 2.02 2.1 3.73
4
56
2
表面有氧化物 2.63 3.92 3.9 3.85 0.46 1.8 3.31
(W-Th)
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11
1.1.2 阴极电子发射
▪ 阴极斑点：阴极表面经常可以看到发出闪 烁的区域，这个区域称为阴极斑点。
▪ 特点：电子发射最集中ຫໍສະໝຸດ Baidu区域
▪
电流最集中流过的区域
▪ 应用：在焊有色金属及其合金时常用到电 弧的阴极清理作用，就是源于阴极斑点的
特性。
a
12
1.1.3 负离子形成
▪ 负离子的形成:主要是由中性气体粒子 （原子或分子）吸附一个电子形成的，负离 子所带电量与电子相同，但是质量大，不能 有效参与电弧导电过程，造成电弧不稳。
▪ 不希望电弧中存在大量的负离子。 ▪ F、Cl、O2、OH、NO等离子亲和能比较大，
a
15
1.3 电弧力
电磁收缩力
▪ 相互吸引力，大小与流过 的电流大小成正比，与两 根导线之间的距离成反比， 导体断面有收缩的倾向。
a
16
1.3 电弧力 电磁静压力
▪ 电磁收缩力呈现上大下小的状态，轴向将产 生压力差，从而产生一个由电极指向工件的推 力，这就是电磁静压力 。
力大
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1.3 电弧力
a
3
1.1 焊接电弧的物理基础
➢ 电弧：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。
➢ 两电极之的气体导电，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。
➢ 电弧中带电粒子的产生的条件：
▪ 气体的电离和阴极电子发射。
a
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1.1.1气体的电离
➢ 电离：中性气体粒子（分子或原子）吸收足够的外部能 量，使得分子或原子中的电子脱离原子核的束缚而成为 自由电子和正离子的过程。 气体的电离的方式： 热电离：气体粒子受热的作用而产生电粒子的热运动 形一种电离过程。 场致电离：在两电极间的电场作用下，气体中的带电 粒子的运动被加速，与中性粒子碰撞产生电离。 光电离：受到光辐射的作用而产生的电离过程。
a
5
1.1.1气体的电离
▪ 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；
▪ 第二电离能：失去第二个电子所需的能量； ▪ 电离能单位：通常以电子伏特（ev）。 ▪ 电离电压：电子伏特为单位的能量转换为数值上
相等的电离电压表示（因电子电量为常数）。
a
6
1.1.1气体的电离
▪ 当其他条件（如气体的解离性能、热物理性能等）一定时，电 离电压低，表示带电粒子容易产生，有利于电弧导电；相反，电 离电压高表示带电粒子难以产生，电弧导电困难。
气体粒子 电离电压/v 气体粒子 电离电压/v
H
13.5
K
4.3
O
13.5
Na
5.1
N
14.5
Ca
6.1
F
17.4
W
8.0
He
24.5
Al
5.96
Ar
15.7
Cu
7.68
CO2
13.7
Fe
7.9
H2O
12.6a
Cr
7.7
7
1.1.2 阴极电子发射
▪ 阴极电子发射：阴极表面的自由电子受到一定的外 加能量作用时而逸出的过程。
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10
1.1.2 阴极电子发射
▪ 逸出功：1个电子从金属表面逸出所需要的最低 外加能量，单位是电子伏。因电子电量为常数。， 故通常用逸出电压来表示，单位为V。
▪ 逸出功的大小：受电极材料种类及表面状态的影 响。当金属表面存在氧化物时逸出功都会减小。
金属种类
W Fe Al Cu K Ca Mg
Av/ev
药皮偏心
接地线位置不当
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1.4.1 产生电弧偏吹的原因
焊条药皮偏心 气流的影响 接地线位置不适当 磁场的影响
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1.4.1 产生电弧偏吹的原因
主讲 陶春宏
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电弧焊基础知识
教学目标：
1. 了解电弧热、电弧力及电弧稳定性； 2. 掌握焊丝的熔化与熔滴过渡规律； 3. 会分析和控制母材的熔化与焊缝成型 。
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1.焊接电弧
▪ 电弧是所有电弧焊方法的能源。电弧把弧焊 电源输送的电能转换成热能和机械能。为了 弄清楚电弧是怎样实现能量转换和这种能源 的利用，这就需要深入了解焊接电弧的物理 本质和各种特性。
等离子流力（电磁动压力）
由高温的等离子气流高速运动引起的对
熔池附加的压力。
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1.3 电弧力
▪ 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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1.4 电弧偏吹
电弧偏离焊条轴线的现象叫电弧偏吹。电 弧偏吹使温度分布不均匀，容易产生咬边、未 熔合、夹渣等缺陷，故必须研究引起偏吹的原 因及预防措施。
的电子。
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1.1.2 阴极电子发射
▪ 场致发射：当阴极表面空间存在一定强度的正 电场时，阴极内部的电子将受到电场力的作用。当 此力达到一定程度时电子便会逸出阴极表面，这种 电子发射现象称为场致发射。
▪ 冷阴极：当采用钢、铜、铝等低沸点材料作阴 极时（其沸点分别为3013K、2868K和2770K）， 阴极加热温度受材料沸点限制不可能很高，此时以 场致发射为主，热发射为辅而已。
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1.1.2 阴极电子发射
➢ 光发射：当阴极表面受到光辐射作用时，阴极
内的自由电子能量达到一定程度而逸出阴极表面的 现象称为光发射。光发射在阴极电子发射中居次要 地位。 ▪ 粒子碰撞发射：电弧中高速运动的粒子（主要 是正离子）碰撞阴极时，把能量传递给阴极表面的 电子，使电子能量增加而逸出阴极表面的现象称为 粒子碰撞发射。
▪ 阴极电子发射的种类：
▪ 热发射：在热能的作用下，一部分电子动能达到或 超出逸出功时产生的电子发射现象。
▪ 热阴极：热发射的强弱受材料沸点的影响。当采用
高沸点的钨或碳作阴极时（其沸点分别为5950K和
4200K），电极可被加热到很高的温度（一般可达
3500K以上），此时，通过热发射可为电弧提供足够
易于形成负离子。
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1.2 焊接电弧的温度分布
▪
钢焊条焊接工件
时，阳极区温度约为
2600K，阴极区温度约为 2400K，电弧中心区温度 最高，可达6000~8000K。
▪
由于电弧截面的
特点所以电流密度及能
量密度在弧柱区较低 。
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1.3 电弧力
▪ 电磁收缩力：径向电磁力 轴向电磁力 ▪ 等离子流力：电磁动压力 ▪ 斑点力：阴极斑点力 阳极斑点力
纯金属 4.5 4.48 4.2 4.3 2.02 2.1 3.73
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表面有氧化物 2.63 3.92 3.9 3.85 0.46 1.8 3.31
(W-Th)
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1.1.2 阴极电子发射
▪ 阴极斑点：阴极表面经常可以看到发出闪 烁的区域，这个区域称为阴极斑点。
▪ 特点：电子发射最集中ຫໍສະໝຸດ Baidu区域
▪
电流最集中流过的区域
▪ 应用：在焊有色金属及其合金时常用到电 弧的阴极清理作用，就是源于阴极斑点的
特性。
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1.1.3 负离子形成
▪ 负离子的形成:主要是由中性气体粒子 （原子或分子）吸附一个电子形成的，负离 子所带电量与电子相同，但是质量大，不能 有效参与电弧导电过程，造成电弧不稳。
▪ 不希望电弧中存在大量的负离子。 ▪ F、Cl、O2、OH、NO等离子亲和能比较大，
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1.3 电弧力
电磁收缩力
▪ 相互吸引力，大小与流过 的电流大小成正比，与两 根导线之间的距离成反比， 导体断面有收缩的倾向。
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1.3 电弧力 电磁静压力
▪ 电磁收缩力呈现上大下小的状态，轴向将产 生压力差，从而产生一个由电极指向工件的推 力，这就是电磁静压力 。
力大
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1.3 电弧力
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1.1 焊接电弧的物理基础
➢ 电弧：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。
➢ 两电极之的气体导电，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。
➢ 电弧中带电粒子的产生的条件：
▪ 气体的电离和阴极电子发射。
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1.1.1气体的电离
➢ 电离：中性气体粒子（分子或原子）吸收足够的外部能 量，使得分子或原子中的电子脱离原子核的束缚而成为 自由电子和正离子的过程。 气体的电离的方式： 热电离：气体粒子受热的作用而产生电粒子的热运动 形一种电离过程。 场致电离：在两电极间的电场作用下，气体中的带电 粒子的运动被加速，与中性粒子碰撞产生电离。 光电离：受到光辐射的作用而产生的电离过程。
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1.1.1气体的电离
▪ 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；
▪ 第二电离能：失去第二个电子所需的能量； ▪ 电离能单位：通常以电子伏特（ev）。 ▪ 电离电压：电子伏特为单位的能量转换为数值上
相等的电离电压表示（因电子电量为常数）。
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1.1.1气体的电离
▪ 当其他条件（如气体的解离性能、热物理性能等）一定时，电 离电压低，表示带电粒子容易产生，有利于电弧导电；相反，电 离电压高表示带电粒子难以产生，电弧导电困难。
气体粒子 电离电压/v 气体粒子 电离电压/v
H
13.5
K
4.3
O
13.5
Na
5.1
N
14.5
Ca
6.1
F
17.4
W
8.0
He
24.5
Al
5.96
Ar
15.7
Cu
7.68
CO2
13.7
Fe
7.9
H2O
12.6a
Cr
7.7
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1.1.2 阴极电子发射
▪ 阴极电子发射：阴极表面的自由电子受到一定的外 加能量作用时而逸出的过程。
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1.1.2 阴极电子发射
▪ 逸出功：1个电子从金属表面逸出所需要的最低 外加能量，单位是电子伏。因电子电量为常数。， 故通常用逸出电压来表示，单位为V。
▪ 逸出功的大小：受电极材料种类及表面状态的影 响。当金属表面存在氧化物时逸出功都会减小。
金属种类
W Fe Al Cu K Ca Mg
Av/ev
药皮偏心
接地线位置不当
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1.4.1 产生电弧偏吹的原因
焊条药皮偏心 气流的影响 接地线位置不适当 磁场的影响
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1.4.1 产生电弧偏吹的原因