第一章第一节焊接电弧物理基础

1.1 焊接电弧物理基础
1.1.3 带电粒子的消失 ——带电粒子通过扩散、复合等过程消失。 ——复合多发生在温度较低的电弧空间。例：交 流电弧电流过零的电弧稳定性。 ——电弧稳定“燃烧”时，带电粒子的产生和消 失处于动平衡状态。
1.2 焊接电弧导电机构
1.2.1 焊接电弧的构造 ——焊接电弧由三部分组成：阴极区、阳极区、 弧柱区。 ——电弧电压、阴极压降、 弧柱压降、阳极压降。 Ua=UK+UC+UA
1.2 焊接电弧导电机构
——热阴极：W、C等高熔点阴极，大电流，电 流密度>103A/cm2； ——冷阴极：Fe、Cu、Al等低熔点阴极，产生 阴极斑点； ——阴极斑点：当阴极属于场致发射型时，在阴 极表面，电弧会自动寻找最有利的区域发射电子， 该区域电流密度、温度、发光强度远高于其它区 域，称作阴极斑点区，或阴极斑点；
第一章 焊接电弧基础知识
重庆公共运输职业学院
焊接电弧
1.1 1.2 1.3 1.4 焊接电弧的物理基础 焊接电弧导电机构 焊接电弧特性 焊接电弧的引弧与稳定性
本章提示
本章重点：①电弧导电的原理；②焊接电弧的引 弧；③焊接电弧构造；④焊接电弧特性；⑤焊接 电弧稳定性； 本章难点：焊接电弧的电特性、热学特性及力学 特性。 学习方法建议：①重在掌握基本概念，从能量源 的角度理解电弧的基本特性，体会电弧稳定性对 焊接过程的作用。②对于涉及到的物理学知识， 不必追求过深、过细。
1.2 焊接电弧导电机构
b.场致发射型：对于Fe、Cu等低熔点的阴极， 阴极温度低，热发射不足，阴极区形成正离子堆 积，产生强电场，导致场致发射，电子被加速， 撞击弧柱的中性粒子，使其电离。阴极形成阴极 斑点。
阴极压降区的电子流和离子流
1.2 焊接电弧导电机构
c.等离子型：低气压钨极或冷阴极、小电流时，在 阴极前面形成高亮度空间，在该空间以热电离形 式为主。 过程：阴极前方产生高温区，粒子电离 正离 子撞击阴极并与电子复合，释放大量能量 阴 极电离，复合的中性粒子被弹回，继续提高阴极 前方温度，形成辉点 电子进入弧柱区，形成 电子流。 电流密度:(3~7)x 104A/cm2
不熔化极电弧
电极本身在焊接过程中 不熔化，没有金属熔滴过渡， 通常都采用惰性气体(如氩 气、氦气等)保护，电极多 采用钨极或钨极掺有少量稀 土金属，如钍或铈等。
熔化极电弧
作为电弧一个极，在焊接电弧燃 烧过程中是不断熔化并过渡到熔池中 去；明弧的电极也有两种，一种是在 金属丝表面敷有涂料，如焊条，另一 种是光焊丝)。埋弧焊采用的是光焊 丝，电弧在焊剂中燃烧，焊剂中也含 有稳弧元素，电弧燃烧很稳定。
1.3 焊接电弧特性
（2）焊接电弧动特性：对于一定弧长的电弧，当 电弧电流发生连续快速变化时，电弧电压与电流 瞬时值之间的关系，称为焊接电弧动特性。反映 电弧的导电性能对电流变化的响应能力。 直流电弧的动特性
直流脉动焊接电流
直流脉动电流动特性
1.3 焊接电弧特性
交流电弧动特性
1.3 焊接电弧特性
气体的电离度α ：电弧气氛被电离的程度，与温 度、气体压力、气体电离电压等因素相关。 电离后的带电粒子密度 电离前的中性粒子密度
1.1 焊接电弧物理基础
单一气体电离度及电离平衡
等离子体电离度 单一气体电离平衡组成
1.1 焊接电弧物理基础
混合气体的电离度： 混合气体的电离平衡不是各气体各自独立的，而 是电离所产生的所有电子共用，并与正负两种离 子相平衡，各气体的电离程度取决于Ui。 ——电离度与引弧及燃弧稳定性的关系
1.2 焊接电弧导电机构
——阴极斑点跳动：寻找最小逸出电压区域，即 氧化膜附着区；热阴极斑点不动，冷阴极跳动。
阴极斑点跳动
——阴极清理作用（阴极雾化作用）：阴极斑点 总是趋向于寻找逸出功最小的区域，即氧化膜区， 使正离子撞击破碎氧化膜，露出洁净光亮金属。
1.2 焊接电弧导电机构
（3）阳极区导电机构 ——接受来自弧柱的占电流99.9%的电子流， 发送占电流0.1%的正离子流；
1.2 焊接电弧导电机构
1.2.2 焊接电弧的导电机构 （1）弧柱区导电机构 ——温度处于5000K～50000K之间，处于热 平衡状态； ——以热电离为主； ——产热=散热，电能转化为热能、光能、机械 能。
1.2 焊接电弧导电机构
——弧柱中的全部或大部分双原子气体分子分解为原 子，其中较大比例的原子又进一步分解为电子和阳离子， 电子被中性粒子捕捉成为少量负离子。弧柱空间呈现为电 中性； ——弧柱的电流由上述带电粒子的移动形成，电子流 占99.9%，离子流占0.1%； 最小电压原理： 在电流和周围条件一定时，稳定燃烧的电弧会自动选 择最适合的断面，保持能量消耗最小。P=ELI 通过最小电压原理可以解释电弧过程中许多现象。如：冷 却 散热增加 收缩断面 维持热平衡。 断面过小 电流密度大 电场强度增加 能 量过高 断面扩展。
引弧稳弧
逸出 功 /eV
4.54
4.48
4.25
4.36
2.02
2.12
3.78
3.92
3.9
3.85
0.46
1.8
3.31
1.1 焊接电弧物理基础
电子发射的种类： a.热发射：当温度升高时，金属表面的自由电 子克服吸引力逸出到金属外部的现象。 b.场致发射：电场作用下，电极表面自由电子 获得能量克服静电引力逸出金属的现象。 c.光发射：当金属电极表面接受光量子，使自 由电子能量增加致飞出电极表面。 ——电弧焊时，光发射为次要因素。 ——不带走金属表面能量，对电极无冷却作用。
1.1 焊接电弧物理基础
1.1.2 电弧中带电粒子的来源 产生电弧的条件：1.有带电粒子；2.两极间必须有一 定强度的电场。 带电粒子产生：1.气体电离；2.电极发射。 等离子体：电离气体具有与通常状态下的气体所不同 的性质，被称作等离子体。 等离子体由数量几乎相等的电子、离子和中性粒子组 成。整体呈电中性。 ——气隙中的中性粒子被电离产生电子和离子。 ——电源通过电极（阴极）向电弧区发射电子。 ——其它还有解离、激励、负离子、复合等过程。
1.1 焊接电弧物理基础
（1）电离和激励（电弧） 电离：中性离子存在于电弧空间（气隙）中， 当处于高能量状态时，其电子轨道上的电子脱离 约束，分离成电子和离子。 分子 原子 电子和正离子 激励：原子中的电子接收外部能量，从较低能级 跃迁到较高能级。 电离电压： 气体>金属 碱性金属Ui低
1.1 焊接电弧物理基础
1.1 焊接电弧的物理基础
气体钨电弧
气体金属熔化电弧
1.1.1焊接电弧概念 定义:在一定条件，两电极间的气体发生强而有力、持久的 放电现象。 电弧的特点：低电压、大电流、温度高、亮度大
1.1 焊接电弧的物理基础
焊接电弧的分类及其特点 （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。
1.1 焊接电弧物理基础
（2）电子发射(电极)
——电弧的稳定性同阴极电子发射的难易程度有关。 ——自由电子：金属中的电子可以在离子晶格内自由、 无规则移动。 ——使一个电子飞出金属表面所需要的最低外加能量， 即逸出功：Ww，对应的电压成为逸出电压：Uw。其中： Ww=eUw
金属种类 纯金 属 金属 氧化 物 W Fe Al Cu K Ca Mg
1.3 焊接电弧特性
a.阴极区的产热特性 能量获得: 1.电子从阴极表面发射后,电子流穿过阴极区被阴极压降Uk加速，在 单位时间里获得的能量fIUk。f为电子流比率。 2.正离子流到达阴极前，被阴极压降Uk加速，单位时间内获得（1-f） IUk。 3.正离子在阴极表面与电子复合释放出原来电离时所吸收的能量（1-f） IUi。 能量消耗： 1.阴极表面发射电子流在单位时间消耗的逸出功fIUw。Uw为逸出电压。 2.正离子在阴极表面拉出电子与之复合，单位时间消耗的逸出功 （1-f） IUw。 3.在阴极区终端，中性粒子电离成电子和正离子时单位时间内消耗的 电离能（1-f）IUi。 4.从阴极区的终端进入弧柱区的电子流应具有与弧柱区温度相对应的 热能，这部分有阴极区提供，其功率为IUT。 阴极区单位时间内得到的热能Pk=I（Uk-UW-UT） 阴极区得到的能量用于熔化阴极，并有一部分散失在周围气体中。
电弧静特性曲线
GTA焊接电弧
1.3 焊接电弧特性
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静特性曲线分区：下降特性区、平特性区、上升 特性区。 下降特性区：小电流区间 平特性区：中等电流区间 上升特性区：大电流区间 原理：主要是由阴极区压降Uk+阳极区压降UA + 弧柱压降Uc之和。
1.3 焊接电弧特性
注意：电弧静特性曲线与电弧自身形态、电弧燃 烧环境、电弧产热与散热平衡、电极材料等因素 相关。不同条件下，曲线形状差异巨大。如钨极 氩弧焊具有明显的三个阶段；铝合金熔化极惰性 气体保护焊几乎看不到下降特性；埋弧焊呈下降 特性。
1.1 焊接电弧物理基础
d.碰撞发射：电子或正离子从外部高速撞击阴极 表面，把能量传递给金属内部自由电子，致电子 能量增加而发射出来，也称二次电子发射。 ——正离子碰撞阴极引起电子发射必要条件： Wk+Wi≥2Ww
1.1 焊接电弧物理基础
（3）负离子的产生 ——中性粒子捕捉电子形成负离子。 ——温度越低越有利于负离子形成，因此负离子 多存在于电弧的外围。 ——负离子质量大、运动速度低，不能有效参与 导电。 ——负离子的产生使电子数量减少，不利于电弧 导电、电弧稳定。例：交流电弧电流过零。
1.2 焊接电弧导电机构
（2）阴极区导电机构 阴极发射电子，产生电子流，接收弧柱正离 子流。其中，电子流比率占总电流60%以上。
1.2 焊接电弧导电机构
阴极区导电类型： a.热发射型：对于钨、碳等高 熔点的阴极，电流大时，温度高， 热发射占主导地位，向弧柱区提 供电子（阴极外区域电子流比率 与弧柱相同99.9%），空间电 荷总和为零，呈电中性，阴极表 面电流密度与弧柱相近 103A/cm2，此种导电机构不 形成阴极斑点，阴极区电压降很 小。
1.3.2 焊接电弧的热学特性 电弧燃烧的能量转变： P=PC+Pk+PA=IUC+IUk+IUA 或 P=IUa=I（UC+Uk+UA）
热能: 主要是热能的转变 传导、对流、辐射 电能 光能：可见光、红外线、紫外线等 辐射 机械能：机械波，包括可听声波、超声波、声发射等 磁能：辐射
（1）电弧的产热机构 电弧的弧柱、阴极区、阳极区产热特性各不相同
电 离 概 率
1.1 焊接电弧物理基础
c.光电离：中性粒子接受光辐射作用，大于其电 离能时，产生的电离现象。 ——粒子接受光辐射波长小于临界波长： λ0=1236/Ui 产生光辐射电离。 注意：弧柱区，热电离为主要电离途径；阳极区 和阴极区，场致电离为主要电离途径；光电离， 产生电离次要途径。
1.1 焊接电弧物理基础
阳极区带电粒子运动和电位分布
1.2 焊接电弧导电机构
——阳极本身不发射正离子，主要通过热电离、 场致电离提供正离子； ——热电离：大电流密度时，金属蒸发，电离能 减小，阳极区热电离增加； ——场致电离：小电流密度时，UA增大，阳极 区场致电离增加； ——阳极斑点：电弧燃烧时，阳极表面集中接受 电子的光亮区域，称作阳极斑点区，或阳极斑点.
电离的种类： a. 热电离：在高温气体状态下，一部分粒子由于 碰撞而发生的电离现象。 ——各个粒子的速度在某一瞬间是不同的 ——高速粒子激烈碰撞：弹性碰撞，粒子结构不 变，内能守恒；非弹性碰撞，粒子结构变化，内 能变化 — 发生电离、激励。
1.1 焊接电弧物理基础
b.场致电离：电场作用下，电子加速，与其它粒 子发生碰撞而使粒子电离。 ——电子具有大于Wi的能量，电弧中的场致电离， 主要由电子和中性粒子的非弹性碰撞引起。 ——并不是所有大于电离能Wi的电子都能使中性 粒子电离，存在电离概率，电离电压越高的气体， 电离概率越低。
1.2 焊接电弧导电机构
实例：GMAW焊接的直流反极性接法：工件接 负极，电极即焊丝接正极的接法。 ——有利于阳极受热熔化焊丝； ——有利于熔滴过渡； ——对于焊接铝合金等有色金 属，有利于利用阴极清理作用 破碎高熔点氧化膜；
直流反极性接法
1.3 焊接电弧特性
1.3.1焊接电弧的电特性 （1）电弧静特性：焊接电弧静特性是指在某一电 弧长度、稳定的保护气流量和电极条件下（还应 包括其它稳定条件），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变化。