电弧焊焊接方法与设备使用
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（3）特点： a.电流密度大、温度高 b.粘着性、跳跃性 c.避开氧化膜 d.斑点力，小于阴极斑点力
（六）最小电压原理
电流与周围条件一定时，电弧稳定燃烧时，会自动选择一 个确定的导电截面，使电弧电场强度最小，能耗最小，固定弧 长上电压降最小。
精品
三、焊接电弧的工艺特性
（一）电弧的热能特性 1、电弧热的形成机构
精品
二、焊接电弧的导电特性
参与电荷运动并形成电流的带电粒子在电弧中产生、运动 和消失的过程。
（一）区域组成 由阴极区、阳极区、弧柱区三部分组成。 1、阴极区：长度极短、电压较大、E（电场强度）极高 2、阳极区：长度也极短、电压较大、E极高
3、弧柱区长度基本上等于电弧长度，E较小
-
+
10-510-6cm 阴极区
精品
③影响因素 不仅取决于电流。 凡是影响Ua的因素均影响弧柱的产热。
（2）阴极区的产热 ①本质：产生电子、接受正离子的过程中有能量变化，这些 能量的平衡结果就是产热，由三部分组成： a.电子逸出阴极时消耗能量：-IUw b.电子进入弧柱前被电场（Ek）加速得到的能量：+IUk c.电子进入弧柱时带走的能量：-IUT ②产热公式：Pk=I（Uk-Uw-UT） ③作用：阴极的加热，阴极散热损失
① 两电极之间有带电粒子； ② 两电极之间有电场。 带电粒子在电场作用下运动形成电流，从而使两电极之 间的气体空间成为导体，也就形成了电弧。 电弧的特点：低电压、大电流、高温度、可移动等
精品
沿电弧长度方向，电场强度分布不均匀！
精品
（二）电弧中带电粒子的产生
➢ 获得电弧的途径：气体电离+电子发射
➢1、电离的种类：
➢
热电离 场致电离 光电离
➢
电离能及其与引弧的关系
➢2、（阴极）电子发射
➢
热发射 场致发射 光发射 粒子碰撞发射
➢
逸出功及其与引弧的关系
精品
（三）带电粒子的消失 带电粒子通过扩散、复合和电子结合成负离子等的
过程消失。 电弧稳定“燃烧”时，带电粒子的产生和消失处于
动平衡状态。 负离子的存在对电弧稳定性的影响。
焊接方法与设备使用
国家重点培育院校 焊接技术及自动化专业
精品课程
焊接教研室
王立跃
精品
2009.2
任务1 焊接方法与设备的基础知识
精品
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: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。
电弧的实质：气体放电（导电） 气体导电必须具备两个条件：
电能→热能
（1）弧柱的产热
①本质：A+、e在电场作用下被加速、动能增大的过程。 宏观表现为温度上升→产热。由于运动速度，自由程度 不同，A+、e得到的能量不同，TA+、Te、TA有可能不同。 电子动能：定向运动动能—Ie 散乱运动动能 — 热运动，表现为热能。
②产热量主要用于散热损失 — 对流、幅射、传导 。
Ie = 99.9%I（Me》MA+）
3、特点： （1）电中性；
（2）E小、Uc小
IA+ I
精品 Ie
（三）阴极区的导电特性
1、阴极区在导电过程中的作用 （1）产生弧柱区导电所需要电子流 Ie=0.999I （2）接收弧柱区来的正离子流IA+=0.001I
2、热发射型
（1）产生条件：W、C阴极，且电流很大 （2）带电粒子的产生方式：热发射
（3）特点
a.电流密度大、温度高 b.跳跃性及粘着性 c.存在斑点力：蒸发反力、A+的撞击力 d.自动寻找氧化膜，对于铝、镁及其合金的焊接非 常重要，起到阴极雾化作用。
精品
焊接 方向
--
A
-
粘着性
焊接 方向
-
A
B
+
跳跃性
精品
2、阳极斑点
（1）产生条件：I很小
（2）点充当阳极斑点的条件 a.通过该点导通电流时，耗能最小 b.易蒸发，产生金属蒸气
+
-
+ -+ - +
- + -+ - +
阳极区
-- -
- -+---- - +-
--
Ua
+
阳极压降的形成
精品
（五）阴极斑点与阳极斑点
1、阴极斑点：阴级上导通电流的一些灼亮的弧立点。
（1）产生条件： a.W、C阴极且I很小 b.AI、Fe、Cu作阴极
（2）某点充当阴极斑点的条件 a.电弧通过该点时耗能最小 b.该点能发射电子
热阴极：弧柱导电所需要的电子可完全由热发射 来产生的阴极。
冷阴极：热发射能力不足的阴极。 热阴极材料：熔点高的材料。 冷阴极材料：熔点低的材料。 （3）特点：阴极压降很小
精品
3、电场发射型
（1） 条件：a.W、C阴极、且I较小 b.Al、Fe、Cu作阴极
（2） 带电离子产生方式 a.场发射 b.场电离 c.热发射 d.碰撞发射
精品
弧柱区
Ua Uc
Uk
10-210-4cm 阳极区
（二）弧柱区的导电特性
1、带电粒子的产生 （1）电离：热电离 光电离 （2）阴极区注入的电子 （3）阳极区注入的正离子
场电离
2、带电离子的运动 A+冲向阴极→正离子流IA+ e冲向阳极→电子流Ie
I =IA+ + Ie 其中：IA+ = 0.1%I
（1）弧柱温度分布 ①轴向 两极区低弧柱区高 a.二电极尺寸相等时，轴向温度 分布均匀 b.二电极尺寸不等，轴向温度分 布不均匀，靠近尺寸较小的一端， 温度较高。
2、热电离 （1）产生条件：I较大 （2）带电粒子产生方式：热电离 （3）特点：a.阳极压降小，甚至为0
b.不存在阳极斑点。
3、场致电离 （1）产生条件：I较小 （2）带电粒子的产生方式：场电离 （3）特点：a.有阳极区，发生收缩
b.Ua较大 c.有阳极斑点精品
弧柱区
- + -+ - +
-
-
-
++
精品
（3）阳极区的产热
①本质：接受电子、产生A+过程中伴随的能量转换，由三 部分组成：
a.e被Ua加速所得到的能量：+eUa b.电子带来的逸出功：+IUw c.电子带来的相当于弧柱温度那部分能量+IUT ②产热公式：Pa=I（Ua+Uw+UT）
③作用：阳极的加热，阳极散热损失
精品
2、电弧的温度分布ห้องสมุดไป่ตู้
（3）特点：
a.阴极附近存在—正电性区—阴极区
b.阴极区断面收缩
c.阴极表面上产生阴极斑点
精品
碰撞发射
0.999I
场电离
场发射
++ +
+
阴 极
+
+
-+
+
热发+射 + - +
-
+
+ +-
+ +
-
-
+ -
-+
+-+
+
+
+
++
+ -+
阴极区
弧柱区
Uk 电场发射型
精品
（四）阳极区的导电机构
1、阳极区在导电过程中的作用 （1）接收弧柱区来的电子流 Ie=0.999I （2）产生弧柱区所需的正离子流IA+=0.001I
（六）最小电压原理
电流与周围条件一定时，电弧稳定燃烧时，会自动选择一 个确定的导电截面，使电弧电场强度最小，能耗最小，固定弧 长上电压降最小。
精品
三、焊接电弧的工艺特性
（一）电弧的热能特性 1、电弧热的形成机构
精品
二、焊接电弧的导电特性
参与电荷运动并形成电流的带电粒子在电弧中产生、运动 和消失的过程。
（一）区域组成 由阴极区、阳极区、弧柱区三部分组成。 1、阴极区：长度极短、电压较大、E（电场强度）极高 2、阳极区：长度也极短、电压较大、E极高
3、弧柱区长度基本上等于电弧长度，E较小
-
+
10-510-6cm 阴极区
精品
③影响因素 不仅取决于电流。 凡是影响Ua的因素均影响弧柱的产热。
（2）阴极区的产热 ①本质：产生电子、接受正离子的过程中有能量变化，这些 能量的平衡结果就是产热，由三部分组成： a.电子逸出阴极时消耗能量：-IUw b.电子进入弧柱前被电场（Ek）加速得到的能量：+IUk c.电子进入弧柱时带走的能量：-IUT ②产热公式：Pk=I（Uk-Uw-UT） ③作用：阴极的加热，阴极散热损失
① 两电极之间有带电粒子； ② 两电极之间有电场。 带电粒子在电场作用下运动形成电流，从而使两电极之 间的气体空间成为导体，也就形成了电弧。 电弧的特点：低电压、大电流、高温度、可移动等
精品
沿电弧长度方向，电场强度分布不均匀！
精品
（二）电弧中带电粒子的产生
➢ 获得电弧的途径：气体电离+电子发射
➢1、电离的种类：
➢
热电离 场致电离 光电离
➢
电离能及其与引弧的关系
➢2、（阴极）电子发射
➢
热发射 场致发射 光发射 粒子碰撞发射
➢
逸出功及其与引弧的关系
精品
（三）带电粒子的消失 带电粒子通过扩散、复合和电子结合成负离子等的
过程消失。 电弧稳定“燃烧”时，带电粒子的产生和消失处于
动平衡状态。 负离子的存在对电弧稳定性的影响。
焊接方法与设备使用
国家重点培育院校 焊接技术及自动化专业
精品课程
焊接教研室
王立跃
精品
2009.2
任务1 焊接方法与设备的基础知识
精品
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: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。
电弧的实质：气体放电（导电） 气体导电必须具备两个条件：
电能→热能
（1）弧柱的产热
①本质：A+、e在电场作用下被加速、动能增大的过程。 宏观表现为温度上升→产热。由于运动速度，自由程度 不同，A+、e得到的能量不同，TA+、Te、TA有可能不同。 电子动能：定向运动动能—Ie 散乱运动动能 — 热运动，表现为热能。
②产热量主要用于散热损失 — 对流、幅射、传导 。
Ie = 99.9%I（Me》MA+）
3、特点： （1）电中性；
（2）E小、Uc小
IA+ I
精品 Ie
（三）阴极区的导电特性
1、阴极区在导电过程中的作用 （1）产生弧柱区导电所需要电子流 Ie=0.999I （2）接收弧柱区来的正离子流IA+=0.001I
2、热发射型
（1）产生条件：W、C阴极，且电流很大 （2）带电粒子的产生方式：热发射
（3）特点
a.电流密度大、温度高 b.跳跃性及粘着性 c.存在斑点力：蒸发反力、A+的撞击力 d.自动寻找氧化膜，对于铝、镁及其合金的焊接非 常重要，起到阴极雾化作用。
精品
焊接 方向
--
A
-
粘着性
焊接 方向
-
A
B
+
跳跃性
精品
2、阳极斑点
（1）产生条件：I很小
（2）点充当阳极斑点的条件 a.通过该点导通电流时，耗能最小 b.易蒸发，产生金属蒸气
+
-
+ -+ - +
- + -+ - +
阳极区
-- -
- -+---- - +-
--
Ua
+
阳极压降的形成
精品
（五）阴极斑点与阳极斑点
1、阴极斑点：阴级上导通电流的一些灼亮的弧立点。
（1）产生条件： a.W、C阴极且I很小 b.AI、Fe、Cu作阴极
（2）某点充当阴极斑点的条件 a.电弧通过该点时耗能最小 b.该点能发射电子
热阴极：弧柱导电所需要的电子可完全由热发射 来产生的阴极。
冷阴极：热发射能力不足的阴极。 热阴极材料：熔点高的材料。 冷阴极材料：熔点低的材料。 （3）特点：阴极压降很小
精品
3、电场发射型
（1） 条件：a.W、C阴极、且I较小 b.Al、Fe、Cu作阴极
（2） 带电离子产生方式 a.场发射 b.场电离 c.热发射 d.碰撞发射
精品
弧柱区
Ua Uc
Uk
10-210-4cm 阳极区
（二）弧柱区的导电特性
1、带电粒子的产生 （1）电离：热电离 光电离 （2）阴极区注入的电子 （3）阳极区注入的正离子
场电离
2、带电离子的运动 A+冲向阴极→正离子流IA+ e冲向阳极→电子流Ie
I =IA+ + Ie 其中：IA+ = 0.1%I
（1）弧柱温度分布 ①轴向 两极区低弧柱区高 a.二电极尺寸相等时，轴向温度 分布均匀 b.二电极尺寸不等，轴向温度分 布不均匀，靠近尺寸较小的一端， 温度较高。
2、热电离 （1）产生条件：I较大 （2）带电粒子产生方式：热电离 （3）特点：a.阳极压降小，甚至为0
b.不存在阳极斑点。
3、场致电离 （1）产生条件：I较小 （2）带电粒子的产生方式：场电离 （3）特点：a.有阳极区，发生收缩
b.Ua较大 c.有阳极斑点精品
弧柱区
- + -+ - +
-
-
-
++
精品
（3）阳极区的产热
①本质：接受电子、产生A+过程中伴随的能量转换，由三 部分组成：
a.e被Ua加速所得到的能量：+eUa b.电子带来的逸出功：+IUw c.电子带来的相当于弧柱温度那部分能量+IUT ②产热公式：Pa=I（Ua+Uw+UT）
③作用：阳极的加热，阳极散热损失
精品
2、电弧的温度分布ห้องสมุดไป่ตู้
（3）特点：
a.阴极附近存在—正电性区—阴极区
b.阴极区断面收缩
c.阴极表面上产生阴极斑点
精品
碰撞发射
0.999I
场电离
场发射
++ +
+
阴 极
+
+
-+
+
热发+射 + - +
-
+
+ +-
+ +
-
-
+ -
-+
+-+
+
+
+
++
+ -+
阴极区
弧柱区
Uk 电场发射型
精品
（四）阳极区的导电机构
1、阳极区在导电过程中的作用 （1）接收弧柱区来的电子流 Ie=0.999I （2）产生弧柱区所需的正离子流IA+=0.001I