焊接电弧的能量特性以及电弧力
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Fp =KI2ln(Rb/Ra)
式中， Ra 和Rb 分别是锥形弧柱上底面和下底面半径； 是锥形弧柱半径。K是系数（ K ＝μ/4π, μ 为介质磁导率）， I是电流。
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3 焊接电弧力及其影响因素
力大
图1-10 焊接电弧模型
19
3 焊接电弧力及其影响因素
9
2 焊接电弧的温度分布
焊接电流增大,弧柱区的温度增加，在常压下， 当电流由1A至1000A变化时, 弧柱区的温度可在 5000K至30000K之间变化；金属蒸汽的电离电压 一般比较低，当电极材料不同时，其蒸汽的电离电 压不同，因而对弧柱区温度的影响不同，其电离电 压越低，弧柱的温度也越低；当电弧周围有高速气 流流动时(如等离子弧)，由于气流的冷却作用，使 弧柱区电场强度提高,温度上升；当气体介质中含有 较多易电离的物质(如碱金属、碱土金属的蒸气等) 时,虽然能提高电弧的稳定性,但弧柱区的温度有所降 低。
16
3 焊接电弧力及其影响因素
图1-8 导体的电磁力
图 1-9液态导体电磁力的收缩效应
17
3 焊接电弧力及其影响因素
焊接电弧是断面直径变化的圆锥状的气体导体,其模型 如图1-10所示，这是因为电极直径限制了导电区的扩展,而 焊件上电弧可以扩展得比较宽的缘故。由下式可知,直径不 同将引起压力差,从而产生由电弧指向焊件的推力Fp(电磁静 压力)，其方程为:
3
1.焊接电弧的能量特性
（2）阴极区能量特性：
阴极区产生的能量可以直接用来加热焊丝 和工件，阴极区产热为：
PK=I（UK – Uw – UT） ➢ UK -阴极压降 ➢ Uw -逸出电压 ➢ UT -与弧柱温度相当的电压
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1.焊接电弧的能量特性
（3）阳极区的能量特性 阳极区产生的能量可以直接用来加热焊丝 和工件，阳极区产热为：
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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
8
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。
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3 焊接电弧力及其影响因素
(1) 焊接电弧力
焊接时,焊接电弧能产生以下机械作用力: 1)电磁收缩力
由电磁学理论可知,任何一根载流导体都会在其 周围产生磁场,如果把第二根载流导体平行地置于第 一根导体附近时,则每根导体周围都有两个磁场作用, 这两个磁场作用的结果会产生力。
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（1）焊接电弧力
1)电磁收缩力
14.2v b)200A碳弧等温线
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3 焊接电弧力及其影响因素
焊接电弧燃烧时,不仅能产生热，而且能产 生机械作用力,包括电磁收缩力、等离子流力、 斑点压力等,这些力统称为焊接电弧力。焊接 电弧力对熔滴过渡、熔深尺寸、焊缝成形、 飞溅大小,以及焊缝的外观缺陷(如咬肉、焊 瘤、烧穿等)均产生很大的影响。
如果两个导体通以同方向电流,将产生吸引力；如 果电流方向相反，则产生排斥力。这种由磁场的相互 作用而产生的力称为电磁力。由于两个导体电流方向 相同而产生的吸引力称为电磁收缩力,它的大小与导 体中流过的电流大小成正比,与两导线间的距离成反 比。
焊接电弧可以看成是由许多平行的电流线组成的 导体。这些电流线之间也将产生相互吸引力,使导体 断面产生收缩趋势,如图1-8所示。如果导体是固体, 这种收缩力不能改变导体的外形,而如果导体是气体 或液体,则将产生收缩，如图1-9所示。
1.1.2 焊接电弧的能量特性 以及电弧力
1
1.焊接电弧的能量特性
焊接电弧是一个将电能转换成热能、光能、机械 能的过程，其能量特性在三个特征区是不同的。
（1）弧柱区的能量特性： 一般电弧焊中，弧柱的热量仅有少部分通过辐射 传给了焊丝或工件，而是通过弧柱散热损失了； 等离子弧焊接中焊丝或工件的加热熔化主要靠弧 柱的热量。弧柱区能够产生的能量主要是弧柱中 正离子和电子的动能。
PHale Waihona Puke Baidu= I（UA+Uw+UT）
➢ UA -阴极压降 ➢ Uw -逸出电压 ➢ UT -与弧柱温度相当的电压
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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 2600 K，阴极区温度约为2400 K，电弧 中心区温度最高，可达6000～8000 K。 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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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。
2
1.焊接电弧的能量特性
（1）弧柱区的能量特性： 弧柱区的热能在一般情况下不能直接作用于电
极或母材,主要是通过对流、辐射和传导散失在周围 气体中。一般电弧焊时,对流损失约占总损失的80% 以上，辐射损失为10%左右，而传导的损失是很少的。 当采用等离子弧焊接、切割或钨极氩弧焊时，则可 以利用弧柱的热量来加热焊丝和焊件。
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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
式中， Ra 和Rb 分别是锥形弧柱上底面和下底面半径； 是锥形弧柱半径。K是系数（ K ＝μ/4π, μ 为介质磁导率）， I是电流。
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3 焊接电弧力及其影响因素
力大
图1-10 焊接电弧模型
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3 焊接电弧力及其影响因素
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2 焊接电弧的温度分布
焊接电流增大,弧柱区的温度增加，在常压下， 当电流由1A至1000A变化时, 弧柱区的温度可在 5000K至30000K之间变化；金属蒸汽的电离电压 一般比较低，当电极材料不同时，其蒸汽的电离电 压不同，因而对弧柱区温度的影响不同，其电离电 压越低，弧柱的温度也越低；当电弧周围有高速气 流流动时(如等离子弧)，由于气流的冷却作用，使 弧柱区电场强度提高,温度上升；当气体介质中含有 较多易电离的物质(如碱金属、碱土金属的蒸气等) 时,虽然能提高电弧的稳定性,但弧柱区的温度有所降 低。
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3 焊接电弧力及其影响因素
图1-8 导体的电磁力
图 1-9液态导体电磁力的收缩效应
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3 焊接电弧力及其影响因素
焊接电弧是断面直径变化的圆锥状的气体导体,其模型 如图1-10所示，这是因为电极直径限制了导电区的扩展,而 焊件上电弧可以扩展得比较宽的缘故。由下式可知,直径不 同将引起压力差,从而产生由电弧指向焊件的推力Fp(电磁静 压力)，其方程为:
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1.焊接电弧的能量特性
（2）阴极区能量特性：
阴极区产生的能量可以直接用来加热焊丝 和工件，阴极区产热为：
PK=I（UK – Uw – UT） ➢ UK -阴极压降 ➢ Uw -逸出电压 ➢ UT -与弧柱温度相当的电压
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1.焊接电弧的能量特性
（3）阳极区的能量特性 阳极区产生的能量可以直接用来加热焊丝 和工件，阳极区产热为：
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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。
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3 焊接电弧力及其影响因素
(1) 焊接电弧力
焊接时,焊接电弧能产生以下机械作用力: 1)电磁收缩力
由电磁学理论可知,任何一根载流导体都会在其 周围产生磁场,如果把第二根载流导体平行地置于第 一根导体附近时,则每根导体周围都有两个磁场作用, 这两个磁场作用的结果会产生力。
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（1）焊接电弧力
1)电磁收缩力
14.2v b)200A碳弧等温线
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3 焊接电弧力及其影响因素
焊接电弧燃烧时,不仅能产生热，而且能产 生机械作用力,包括电磁收缩力、等离子流力、 斑点压力等,这些力统称为焊接电弧力。焊接 电弧力对熔滴过渡、熔深尺寸、焊缝成形、 飞溅大小,以及焊缝的外观缺陷(如咬肉、焊 瘤、烧穿等)均产生很大的影响。
如果两个导体通以同方向电流,将产生吸引力；如 果电流方向相反，则产生排斥力。这种由磁场的相互 作用而产生的力称为电磁力。由于两个导体电流方向 相同而产生的吸引力称为电磁收缩力,它的大小与导 体中流过的电流大小成正比,与两导线间的距离成反 比。
焊接电弧可以看成是由许多平行的电流线组成的 导体。这些电流线之间也将产生相互吸引力,使导体 断面产生收缩趋势,如图1-8所示。如果导体是固体, 这种收缩力不能改变导体的外形,而如果导体是气体 或液体,则将产生收缩，如图1-9所示。
1.1.2 焊接电弧的能量特性 以及电弧力
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1.焊接电弧的能量特性
焊接电弧是一个将电能转换成热能、光能、机械 能的过程，其能量特性在三个特征区是不同的。
（1）弧柱区的能量特性： 一般电弧焊中，弧柱的热量仅有少部分通过辐射 传给了焊丝或工件，而是通过弧柱散热损失了； 等离子弧焊接中焊丝或工件的加热熔化主要靠弧 柱的热量。弧柱区能够产生的能量主要是弧柱中 正离子和电子的动能。
PHale Waihona Puke Baidu= I（UA+Uw+UT）
➢ UA -阴极压降 ➢ Uw -逸出电压 ➢ UT -与弧柱温度相当的电压
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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 2600 K，阴极区温度约为2400 K，电弧 中心区温度最高，可达6000～8000 K。 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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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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1.焊接电弧的能量特性
（1）弧柱区的能量特性： 弧柱区的热能在一般情况下不能直接作用于电
极或母材,主要是通过对流、辐射和传导散失在周围 气体中。一般电弧焊时,对流损失约占总损失的80% 以上，辐射损失为10%左右，而传导的损失是很少的。 当采用等离子弧焊接、切割或钨极氩弧焊时，则可 以利用弧柱的热量来加热焊丝和焊件。
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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