第1章_焊接电弧及其电特性讲解
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电弧焊基础第一章
阴极区电子的产生机构有两种情况： 一、阴极表面的热电子发射、电场发射或碰撞发射等 二、在压降区中形成局部等离子体阴极，并产生热电离。
（2）弧柱区导电特点
弧柱即是维持电弧持续放电所必需电子和阳离子的产生源，同时也是 电能有效转化成热能的发热体
（3）阳极区导电特点
电子受阳极压降加速，与阳极区中的中性粒子碰撞并使其电离，由此 产生向弧柱区运动的阳离子，即是阳极压降区起到向弧柱区提供阳离 子的作用。
中性粒子存在于电弧空间，当处于高能量状态时，其 电子轨道上的电子脱离约束，分离成电子和离子称为 电离
3 带电粒子的扩散与复合
带电粒子在定向运动过程中从电弧内部向外部周边区 域移动称为带电粒子的扩散
复合即电子与正离子相遇后重新组合成中性粒子
1.1.3 电弧导电机构 1.维护电弧放电的条件
电弧的磁偏吹起因示意图
1.3电弧焊中的保护气 1.3.1 保护气种类与纯度 1.3.2 保护气的分解及在金属中的溶解 1.保护气的分解 2.气体在焊接金属中的溶解 1.3.3 混合气体的选择及作用 1.3.4 保护气气流与保护效果 1.保护气气流 2 气体保护效果的决定因素 （1）气体流量(2)喷嘴至工件的距离（3）焊接速度和
1、电弧静压力（电磁收缩力 ）2、电弧动压力（等离子流 力）3、斑点力 4、爆破力 5 、熔滴冲击力
液态导体中电磁力的收缩效应
焊接电弧模型
6 电弧力的影响因素 （1）气体介质 （2）电流和电压（弧长） （3）电极（焊丝）直径 （4）电极（焊丝）极性 （5）钨极端部几何形状 （6）脉动电流的影响
熔滴短路产生的爆破力
1.1.6直流电弧与交流电弧 1 直流电弧
极性不发生变化的电弧，其最大特点是稳定性好，根据电流形式的 不同，可以有恒定电流下的直流电弧和变得电流下的直流电弧
（2）弧柱区导电特点
弧柱即是维持电弧持续放电所必需电子和阳离子的产生源，同时也是 电能有效转化成热能的发热体
（3）阳极区导电特点
电子受阳极压降加速，与阳极区中的中性粒子碰撞并使其电离，由此 产生向弧柱区运动的阳离子，即是阳极压降区起到向弧柱区提供阳离 子的作用。
中性粒子存在于电弧空间，当处于高能量状态时，其 电子轨道上的电子脱离约束，分离成电子和离子称为 电离
3 带电粒子的扩散与复合
带电粒子在定向运动过程中从电弧内部向外部周边区 域移动称为带电粒子的扩散
复合即电子与正离子相遇后重新组合成中性粒子
1.1.3 电弧导电机构 1.维护电弧放电的条件
电弧的磁偏吹起因示意图
1.3电弧焊中的保护气 1.3.1 保护气种类与纯度 1.3.2 保护气的分解及在金属中的溶解 1.保护气的分解 2.气体在焊接金属中的溶解 1.3.3 混合气体的选择及作用 1.3.4 保护气气流与保护效果 1.保护气气流 2 气体保护效果的决定因素 （1）气体流量(2)喷嘴至工件的距离（3）焊接速度和
1、电弧静压力（电磁收缩力 ）2、电弧动压力（等离子流 力）3、斑点力 4、爆破力 5 、熔滴冲击力
液态导体中电磁力的收缩效应
焊接电弧模型
6 电弧力的影响因素 （1）气体介质 （2）电流和电压（弧长） （3）电极（焊丝）直径 （4）电极（焊丝）极性 （5）钨极端部几何形状 （6）脉动电流的影响
熔滴短路产生的爆破力
1.1.6直流电弧与交流电弧 1 直流电弧
极性不发生变化的电弧，其最大特点是稳定性好，根据电流形式的 不同，可以有恒定电流下的直流电弧和变得电流下的直流电弧
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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10
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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20
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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21
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
9
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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6
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PPT课件
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4．粒子碰撞发射： 高速运动的粒子（主要是正离子）碰撞金属表面时。将 能量传给金属表面的自由电子。使其能量增加而跑出金 属表面，称为粒子碰撞发射。电弧中阴极区前聚积大量 正离子，形成空间电场，使正离子冲向阴极，可能形成 碰撞发射，一定条件下是阴极提供电子的主要途径。如 维弧存在对等离子主弧引燃有利。Ar+对铝氧化膜清理。 在实际焊接电弧中，当使用沸点高的材料如钨或碳作电 极时，其阴极区的带电粒子主要靠热发射来提供，称之 为热阴极电弧。而使用铝、铜、镁等低沸点材料作阴极 时，电极加热温度不可能太高，此时电场发射起重要作 用，称之为冷阴极电弧。
⑵激励：使中性粒子中的电子以较低能级转移到较高能 级但未完全脱离原子或分子，称为激励。使中性粒子激 励所需最低外加能量--最低激励电压。(见表1-2) 激励状态是一种不稳定状态，继续接受能量可电离，或 以辐射或与其它粒子碰撞将能量传递出去而恢复稳定状 态。
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7
2.能量传递方式： 电离与激励需外界能量。能量传递给气体
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2．复合：电弧空间（正离子、负离子、电子）， 在一定条件下相遇而互相结合成中性粒子的过程。 包括电子与正离子及正离子与负离子的复合。存在 空间复合和表面复合两种形式。总之，电弧正是通 过上述带电粒子的产生（解离、激励、电离及电子 发射）和消亡（负离子、扩散、复合）等一系列物 理过程，不断把电能转换成热、光和机械能，以满 足焊接和其它工业应用的需要。
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⑶光电离：中性粒子接受光辐射的作用产生的电离。每 种气体都有一个产生光电离的临界波长，小于它才能产 生光电离（表1-3）
波长↓→能量↑。电弧的光辐射波长在170-500nm（红外线， 可见光及紫外线），可见，只有K, Na, Ca, Al等蒸气能直接 被电离。因此，光电离是电弧中产生带电粒子的一个次要途 径。
第1章电弧焊基础知识
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- -+----
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+ -+ - +
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+-
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- + -+ - +
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阳极压降的形成
3）阳极区的产热机构 （1）本质：接受电子、产生过程中伴随的能量转换，由三部分组成：
a 电子被加速所得到的能量： b 电子带来的逸出功： c 电子带来的相当于弧柱温度那部分能量 （ 2）产热公式
（） （3）作用
自持放电：放电本身能产生导电所需的带电粒子 （、e）；有暗放电、 辉光放电、 电弧放电
等三种。
电弧
+
非自持放电
自持放电
暗放电 辉光放电
A+ e
U
电弧放电
I 导体导电
❖ 焊接时，将焊条与焊件接触后很快拉开，在焊条端部和焊件之间会立即产生明亮的电弧，即焊接电弧 见图1-1（a)示
❖ 注意：
❖ 焊接电弧是有焊接电源供电，在具有一定电压的两电极间或电极与焊件间，在气体介质中产生的强烈 而持久的放电现象
用于加热阳极
4、阴极斑点与阳极斑点 1）阴极斑点：阴极上导通电流的一些烁亮的弧斑点。 （1）产生条件：
a、W、C阴极且I很小 b、、、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 （3）特点 a、电流密度大、温度高 b、跳跃性及粘着性(见图1-4示） c、存在斑点力：蒸发反力、的撞击力 d、自动寻找氧化膜，该点对于铝、镁及其合金的焊接是
❖ 4）弧柱的产热机构
❖ 电能→热能（导电机构就是指带电粒子产生、运动方式。）
电弧的基本特性
第一讲 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
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
1.1焊接电弧及其特性
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（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
16
（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。
（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。
1 焊接电弧基础全
大电流时，由于有电磁收缩效应，弧柱变成紧缩 的形状。碳极电弧的临界值为80A.
小电流电流密度：10-300A/cm2，温度低于
7000K；而大电流可达103-104 A/cm2，温度超
过10000K
45
3、阳极区和阳极斑点
⑴阳极区 ➢ 概念：指阳极外紧靠阳极表面的导电区,其
长度约为10-2～10-6cm。 ➢ 任务：接受电子流；
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（二）阴极和阳极产热
即：阴极区和阳极区的产热主要决定于Uc和Uω。 熔化极电弧焊时： ∵ Uc>>Uω ∴ Pc> PA。 ∴熔化极电弧焊时为了保证熔深， 一般
均采用直流反接（即工件接电源负极）。
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（三）电弧的温度和温度分布
74
1、弧柱温度测定
75
2、弧柱的温度分布
氩气保护电弧温度分布
Ua= Uc+ Up+ UA
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（二）电弧的导电机构
1、阴极区和阴极斑点 ⑴阴极区 ①概念：指阴极外紧靠阴极表面的导电区，其
长度约为10-2～10-6cm。 ②任务：向弧柱区提供所需要的电子流。 ③阴极区导电机构的类型：
a、热发射型：阴极为C、W，大电流. 正离子流=总电流的0.1% 。
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b、电场发射型
阴极
弧柱
●
● ●
●
● ●
● ●
● ● ● ●
阳极
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阳极压降的形成过程
阴极
弧柱
●
● ●
●
● ●
● ●
● ● ● ●
阳极
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阳极压降的形成过程
阴极
弧柱
●
● ●
●
● ●
第1章焊接电弧
弧电压波形
uyh— 引弧电压 t— 时间
引弧器有两种，高频震荡引弧和高压脉冲引弧。直流钨极氩弧焊 和方波交流钨极氩弧焊一般采用高频振荡器引弧，而正弦波交流 钨极氩弧焊一般采用高压脉冲引弧。引弧器一般串联在焊接主回 路中，如图1-4所示。高频振荡器输出振荡频率为150260 kHz左 右，峰值为25005000 V的电压。高压脉冲引弧的频率一般为 50100Hz，峰值为50001000 V。无论是高频振荡器引弧，还是 高压脉冲引弧器引弧，均是依靠高压电使电极表面产生场致电子 发射来引燃电弧的。
总结：
1.焊接电弧是气体放电的一种形式 2.能量来源：焊接电源提供了空载以及焊接电压、电流，形成和 维持了电弧所需要的电场、产生了大量的光和热， 以及带电粒子的运动，包括热运动和电场定向运动 的动能。 3.作用结果：引起电极表面电子发射，导致气体原子的激发、电 离，从而维持了电弧的气体放电。
4.复合过程：同时存在正离子和电子复合成中性原子，以及原
• 碰撞传递:气体粒子通过碰撞而传递能量的途径.
弹性碰撞:粒子之间不发生内能的交换,碰撞的结果只发
生速度的改变.
非弹性碰撞:粒子之间有内能的交换.当中性粒子之间进 行非弹性碰撞时,由于它们的质量相近,最多将原动能的一 半传递给对方.当电子与原子,分子进行非弹性碰撞时,电子 的动能几乎可以全部传递给原子或分子,可能引起对方发 生电离或激励.
c:然后将焊
条稍微提起， 在这瞬间大量 的电流由熔化 的金属细颈通 过，如图(c)所 示。
三个阶段： 短路阶段 分离阶段 d:此时，因大电流密度而产生的电阻热突然增 大，使细须部分的液体金属温度猛烈高．随着 燃弧阶段 焊条与焊件的迅速分开，两电极间的空气间隙，
强烈地受热而发生热电离，使中性原子变成带 电离子和电子。同时，被加热的阴极上有高速 的电子飞出(热发射电子)，撞击空气中的分子 和原子，空气发生碰撞电离．产生了正离子、 负离子和电子，同时在电场的作用下带电微粒 按一定的方向移动。正离子移向阴极并与阴极 碰撞；负离子和电子移向阳极并与阳极碰撞， 碰撞结果更加速了电子的发射，最终使两电极 间的空气剧烈电离而产生电弧，如(d)所示。
《焊接电弧》PPT课件
对于熔化极焊接方法，焊接过程中焊条(或焊丝)熔化， 熔滴把加热和熔化了的焊丝热量带给熔池；对于钨极氩弧 焊，电极不熔化，母材只利用一部分电弧的热量。
如果用Q表示电弧热量的总功率，则有：
Q＝IU
再设Q1为加热工件和焊丝的有效热功率则，则有：
Q1＝nQ， n为电弧热效率系数。
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22 退出
返
基
本 金属中的自由电子可以移动，但金属中的离子则不能自由移动；
而气体中所有的组成粒子，皆可自由移动，故气体的导电过程和规 律，与金属有明显的不同。
概
念
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粒
二、电弧中带电粒子的产生过程
子 返
章 首
的
电弧，由两个电极和它们之间导电的气体空间所 组成。电弧中的带电粒子，主要依靠气体的电离和电
因为根据气体分子运动理论，气体的温度高低意味 着气体粒子(包括中性粒子、电子和离子)总体动能的大小， 亦即气体粒子平均运动速度的快慢。
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6 退出
返
章
（2）电场作用下的电离
首
（3）光电离
当气体中有电场作用时，带电粒子除了作无规则的 热运动外，尚产生一个受电场影响的定向运动。正、负 带电粒子定向运动方向相反，电场对带电粒子在电场方 向的运动起加速作用，会将电能转换为带电粒子的动能， 当其动能增加到足够的数值，则可能与中性粒子产生非 弹性碰撞而使之电离，这种电离称为电场作用下的电离。 也可认为碰撞电离。
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返 章 首
§l-2 焊接电弧的产生及温度分布
一、焊接电弧的产热机构
电弧，宏观上可以看作是一个把电能转换为热能的 转换器或元件，但由于电弧的导电机理与普通的发热元 件不同，且三个组成部分(弧柱、阴极区、阳极区)导电机理 也不相同，这就决定了电弧这三部分产热机理的不同， 但不管哪一部分热量，都是由电能转换而来的。
如果用Q表示电弧热量的总功率，则有：
Q＝IU
再设Q1为加热工件和焊丝的有效热功率则，则有：
Q1＝nQ， n为电弧热效率系数。
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基
本 金属中的自由电子可以移动，但金属中的离子则不能自由移动；
而气体中所有的组成粒子，皆可自由移动，故气体的导电过程和规 律，与金属有明显的不同。
概
念
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二、电弧中带电粒子的产生过程
子 返
章 首
的
电弧，由两个电极和它们之间导电的气体空间所 组成。电弧中的带电粒子，主要依靠气体的电离和电
因为根据气体分子运动理论，气体的温度高低意味 着气体粒子(包括中性粒子、电子和离子)总体动能的大小， 亦即气体粒子平均运动速度的快慢。
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章
（2）电场作用下的电离
首
（3）光电离
当气体中有电场作用时，带电粒子除了作无规则的 热运动外，尚产生一个受电场影响的定向运动。正、负 带电粒子定向运动方向相反，电场对带电粒子在电场方 向的运动起加速作用，会将电能转换为带电粒子的动能， 当其动能增加到足够的数值，则可能与中性粒子产生非 弹性碰撞而使之电离，这种电离称为电场作用下的电离。 也可认为碰撞电离。
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§l-2 焊接电弧的产生及温度分布
一、焊接电弧的产热机构
电弧，宏观上可以看作是一个把电能转换为热能的 转换器或元件，但由于电弧的导电机理与普通的发热元 件不同，且三个组成部分(弧柱、阴极区、阳极区)导电机理 也不相同，这就决定了电弧这三部分产热机理的不同， 但不管哪一部分热量，都是由电能转换而来的。
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。
电弧焊基础学习汇总
电弧动压力大小与电流值、气流强度、电弧长度、电弧 形态、电极状态等因素有关。它会对熔池（焊缝）形状、熔滴 过渡产生显著影响，如促进射滴过渡、导致 T 型熔池等。
74/31
斑点力 当电极上形成斑点时会引发斑点力。
斑点力包含以下几方面成分： （1）带电粒子的冲击力，在阴极斑点上 表现较大； （2）电磁收缩力，是由于电流线在熔滴 底部集中引发的，同样在阴极斑点上表 现较大； （3）电极材料蒸发的反作用力，也是在 阴极斑点上表现较大；
影响温度分布的因素：
电弧电流；
电极斑点； 电弧长度； 电极材料及尺寸； 保护气成分及环境条件；
电弧中靠近电极直径小的一端 温度较高，是因弧柱在此处收缩， 引起电流密度升高所致。
74/26
右图为电弧 温度、能量密度、 电流密度的轴向分 布，其中弧柱区的 温度最高，它受到 电极材料、气体成 分及压力、电流大 小等因素的影响； 电弧空间金属气电 离能高低的影响尤 为显著。
其中 K = u/4π 74/28
如上图，假设焊接电弧为一圆柱导体，通过电流为Ⅰ ， 且电流线在截面上均匀分布。则在离弧柱中心 r 处，单位面积 上的收缩力为
R —— 弧柱半径
74/29
在弧柱中心 r = 0 处
因电弧空间为流体，故收缩力在各方向上相同传递。 则，电弧轴向压力的合力（平均压力乘以截面积）为：
74/14
三、电弧导电机构
维持电弧放电的条件：气体空间不断产生带电粒子； 保持阴极、阳极与气体空间电流的连续；
1、电弧的构造及电弧电压
U = Ui + Uy + Uz
图1-4 电弧结构和电位分布
74/15
2、电弧各区的导电特点
阴极区导电特点：
（1）以 Fe、Cu、Al 等低 熔点材料作阴极—— 冷阴 极， 又称为电场发射型
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斑点力 当电极上形成斑点时会引发斑点力。
斑点力包含以下几方面成分： （1）带电粒子的冲击力，在阴极斑点上 表现较大； （2）电磁收缩力，是由于电流线在熔滴 底部集中引发的，同样在阴极斑点上表 现较大； （3）电极材料蒸发的反作用力，也是在 阴极斑点上表现较大；
影响温度分布的因素：
电弧电流；
电极斑点； 电弧长度； 电极材料及尺寸； 保护气成分及环境条件；
电弧中靠近电极直径小的一端 温度较高，是因弧柱在此处收缩， 引起电流密度升高所致。
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右图为电弧 温度、能量密度、 电流密度的轴向分 布，其中弧柱区的 温度最高，它受到 电极材料、气体成 分及压力、电流大 小等因素的影响； 电弧空间金属气电 离能高低的影响尤 为显著。
其中 K = u/4π 74/28
如上图，假设焊接电弧为一圆柱导体，通过电流为Ⅰ ， 且电流线在截面上均匀分布。则在离弧柱中心 r 处，单位面积 上的收缩力为
R —— 弧柱半径
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在弧柱中心 r = 0 处
因电弧空间为流体，故收缩力在各方向上相同传递。 则，电弧轴向压力的合力（平均压力乘以截面积）为：
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三、电弧导电机构
维持电弧放电的条件：气体空间不断产生带电粒子； 保持阴极、阳极与气体空间电流的连续；
1、电弧的构造及电弧电压
U = Ui + Uy + Uz
图1-4 电弧结构和电位分布
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2、电弧各区的导电特点
阴极区导电特点：
（1）以 Fe、Cu、Al 等低 熔点材料作阴极—— 冷阴 极， 又称为电场发射型
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沿着电弧长度方向的电位分布是不均匀的。在阴极区
和阳极区，电位分布曲线的斜率很大，而在弧柱区电位
分布曲线则较平缓，并可认为是均匀分布的，如图
1-4所示。这三个区的电压降分别称为阴极压降 Ui 、阳极压 降 U y 和弧柱压降 U z 。它们组成了总的电弧电压，可用下式 表示：
U f Ui Uy Uz
1.3.3 影响交流电弧稳定燃烧的因素和提 高电弧稳定性的措施
1.3.3.1 影响交流电弧稳定燃烧的因素
空载电压 引燃电压 电路参数 电弧电流 电源频率 f 电极的热物理性能和尺寸
1.3.3.2 提高交流电弧稳定性的施
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，还可以采用空载电压； （3）提高电源的空载电压； （4）叠加高压电。
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。
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
U0- 空载电压 Uf- 电弧电压 if- 电弧电流
1.1.2.1 接触引弧
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 是一种最常用的引弧方式。
图1-2 接触引弧示意图
1.1.2.2 非接触引弧
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 。
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
交流电弧燃烧时若有熄弧时间，则熄弧时间愈长，电弧就 愈不稳定。为了保证焊接质量必须将熄弧时间减小至零， 使交流电弧能连续燃烧．
1、交流电弧供电原理简图
图1-10 交流电弧供电原理简图
2、交流电源电压、电弧电压和电流波形 和动特性曲线图
3、交流电弧连续燃烧的范围
图1-12交流电弧连续燃烧的范围
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 。
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
1.3.2 交流电弧连续燃烧的条件
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。
1.1.1.1. 气体原子的激发与电离
气体原子的激发 如果气体原子得到了外加的能量， 电子就可能从一个较低的能级跳跃到一个较高能级，这时 原子处于“激发”状态，使原子跃至“激发”状态所需的 能量，称为激发能。
电弧是电弧焊接的热源，而弧焊电源则是电弧能量的供应 者。弧焊电源电特性的好坏，直接影响到电弧燃烧的稳定 性，而电弧是否稳定燃烧又直接影响焊接过程的稳定性和 焊缝的质量，甚至效率。所以，我们首先必须了解焊接电 弧的物理本质和特别是电特性，然后才能研究电弧对弧焊 电源电气性能的要求 。
1.1.1 气体原子的激发、电离和电子发射
所谓焊接电弧的动特性，是指在一定的弧长下，当电弧电 流很快变化的时候，电弧电压和电流瞬时值之间的关系：
ui f (i f )
电弧的动特性曲线
图1-8 电弧的动特性曲线
1.3 交流电弧
交流电弧的引燃和燃烧，就其物理本质而言，与上述的直 流电弧相同。交流电弧也是非线性的。上述的焊接电弧静 特性对于交流电弧也是适用的。这时，U f 和 I f 分别表示电 弧电压和电弧电流的有效值。但是，交流电弧作为弧焊电 源的负载，还有其特殊性。因此，在确定对弧焊电源的要 求之前，还必须研究交流电弧的特点。
1.2.2 焊接电弧的电特性
焊接电弧的电特性包括静特性和动特性。
1.2.2.1 焊接电弧的静特性
一定长度的电弧在稳定状态下，电弧电压与电弧电流之间 的关系，称为焊接电弧的静特性伏安特性，简称伏安特性 或静特性。可用下列函数表示：
U f f (I f )
焊接电弧的静特性曲线
图1-5焊接电弧的静特性曲线
u yh — 引弧电压 t— 时间
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。
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。
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。
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。
1.1.1.2 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。
第1章 焊接电弧及其电特性
内容提要 1.1 焊接电弧的物理本质和引燃 1.2 焊接电弧的结构和伏安特性 1.3 交流电弧 1.4 焊接电弧的分类及其特点
内容提要
本章论述焊接电弧的物理本质、形成、结构和 伏安特性，着重研究焊接电弧的电特性及交流 电弧燃烧的特点 。
1.1 焊接电弧的物理本质和引燃
电弧各区域压降与电流的关系图
图1-6 电弧各区域压降与电流的关系图
几种常用焊接方法的电弧静特性曲线图
图1-7几种常用焊接方法的电弧静特性曲线图 a)焊条电弧焊 b)埋弧焊（直流电源，焊丝 ）2.4mm
c)熔化极气体保护焊（1，2曲线，焊丝 ） 1.6mm
1.2.2.2 焊接电弧的动特性