第一章電弧物理

1、C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n一、焊接電弧物理基礎(chǔ)Chapter 1: Welding Arc PhysicsArc Welding MethodsC o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n一、電弧的本質(zhì)一、電弧的本質(zhì)氣體放

2、電氣體放電（常見衣物靜電放電、照明燈）放電分類：電流超過10-810-10A后，自持放電電弧放電是氣體放電的最終形式，在所有放電形態(tài)中電壓最低、電流最大、溫度最高的特征通常伴隨有熔化和蒸發(fā)現(xiàn)象。最大的電弧是什么？電弧空間的氣體被電離，由陽離子及電子這樣的帶電粒子、原子及分子這樣的中性粒子所構(gòu)成，與通常狀態(tài)下的氣體所不同的性質(zhì)，被稱作等離子體(Plasma)。等離子體總體上呈現(xiàn)電中性，是繼固體、液體、氣體之后的物質(zhì)的第四種存在狀態(tài)，以高導電性為其特征。氣體放電的表現(xiàn)是電流在氣體中流動，而電流是因電子、離子的流動而形成。粒子和離子的差別？地球上能看到的最大的等離子體是什么？C o p y r i

3、g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n二、電弧中帶電粒子的來源二、電弧中帶電粒子的來源1. 電源通過電極（陰極）向電弧區(qū)發(fā)射電子2. 氣隙中的中性粒子被電離產(chǎn)生電子和離子C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n2.1 陰極電子發(fā)射陰極電子發(fā)射陰極電子發(fā)射

4、：陰極中的電子脫離陰極材料的束縛，逸出電極表面進入電弧空間。電源通過陰極向電弧空間提供電子，再從陽極接收電子，從而形成電流回路。陰極電子發(fā)射是電源持續(xù)向電弧供給能量的唯一途徑，是電弧產(chǎn)熱和中性粒子電離的初始根源，電弧中的一切現(xiàn)象都與陰極電子發(fā)射有密切的聯(lián)系，但并不是電子產(chǎn)生的唯一途徑。注意：陰極所發(fā)射電子中的相當一部分消耗在電弧中，比如復合成中性粒子，或是再次被電離，或散失到電弧以外空間。而陽極所接收電子中的相當一部分是由電弧中中性粒子的電離所產(chǎn)生的。陰極電子發(fā)射類型：熱發(fā)射、場致發(fā)射（電場發(fā)射）、光發(fā)射、碰撞發(fā)射。C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L

5、 a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n熱發(fā)射：金屬中的電子是以自由電子的形態(tài)存在著，各個電子自身具有各種各樣的能量，其能量分布遵從費米分布。與周圍自由空間相比，金屬內(nèi)的自由電子在能量上處于更穩(wěn)定狀態(tài)，同時在陰極金屬表面存在電勢壁壘，阻礙電子進入自由空間。要想把金屬內(nèi)部的電子吸引到自由空間需要較大的能量（功）。把這個能量稱為功函數(shù)(eV)，換算成電壓表示稱為逸出電壓UW(V)。當溫度達到足夠高（3103K）時，運動能量大于e(EF+UW）數(shù)值的電子數(shù)目也更多，就可以離開金屬表面滲透到自由空

6、間，這稱作。勢壘：跳高鯉魚跳龍門？60分碰壁C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n場致發(fā)射：如果對陰極表面施加電場，電勢壁壘就會變薄，一部分自由電子穿過電勢壁壘滲透出來（隧道現(xiàn)象），這稱作。各個溫度下，當提高電場強度時，電子電流密度都會增大。當電場強度達到(12)109V/m時，電子電流密度增加的傾向性有所改變。之前，電子電流密度對溫度的依賴性較為明顯，主要是電極達到高溫時，熱電子發(fā)射變得活躍起來。之后，當電場

7、處于高強度領(lǐng)域時，電場發(fā)射居于主導地位，與溫度無關(guān)，即使在室溫下，仍然能夠得到高電流密度。在溫度及電場強度完全一致時，陰極材料的功函數(shù)越小，所得到的電流密度越大功函數(shù)為4.5eV(相當于鎢電極)的陰極材料電場強度與發(fā)射電流密度的關(guān)系C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n光發(fā)射：是指金屬表面受到光照射后，其中的電子接受某一特定波長光子的能量后提高了自身的能量所產(chǎn)生的電子逸出。通常發(fā)生在放電空間浮游的金屬塵?；蛘呶?/p>

8、粒的表面，可以忽略不計。碰撞發(fā)射：是指高速運動的外部粒子碰撞金屬表面后，把其自身動能傳遞給金屬中的電子促成其逸出金屬表面，在電弧條件下表現(xiàn)為正離子對陰極的碰撞(至少達到2倍逸出功，發(fā)射出兩個電子，一個中和一個發(fā)射出去)，也稱為二次電子發(fā)射。 思考：那種發(fā)射對陰極有冷卻作用？C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n2.2 中性粒子的電離中性粒子的電離(Ionize)電離：中性粒子存在于電弧空間中，當處于高能量狀態(tài)時

9、，其電子軌道上的電子脫離約束，分離成電子和離子。使中性粒子產(chǎn)生電離所需要的能量亦即使電子脫離原子核束縛所需的能量稱作電離能（eV），換算成電壓用電離電壓Ui(V)表示。電離類型：熱電離、場致電離、光電離。 熱電離：高溫作用下，粒子直接電離，或高能粒子頻繁碰撞，粒子間非彈 性碰撞導致電離 場致電離：電場的作用下，電子加速，與其他粒子發(fā)生碰撞而使粒子電離 光電離：光量子具有能量當能量大于電離能的時候，可能使中性粒子電離 碰撞為什么會導致電離？粒子之間相互碰撞，主要是電子和中性粒子的非彈性碰撞，傳遞（接受）能量，對于低溫領(lǐng)域的等離子體形成極為重要。 “電子雪崩”，但增加有極限。外加電場或提高溫度，會

10、增大電離。C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n了解：強、弱電離等離子體，衡量標準電離度（13），弱電離等離子體的電離度低，主要由電子和中性粒子支配著等離子體現(xiàn)象。強電離等離子體是由帶電粒子（電子和離子）支配等離子體現(xiàn)象。電弧等離子體處于標準電離度左右。焊接電弧是具有較高粒子密度的等離子體，粒子間的碰撞很激烈，粒子間能量交換也很充分，總體處于一種近于熱平衡的狀態(tài)。對其電離反應(yīng)可用Saha（薩哈）公式表征：25/

11、23/2ei2222e()exp1mzUkTzhpkTC o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n等離子體的電離度（大氣壓下） 單一氣體的電離平衡組成10,000K溫度及大氣壓條件下，氬氣等離子體的電離度是1，處于很低的數(shù)值。鐵及鋁等金屬的電離電壓較低，因此，金屬蒸氣在電弧空間更容易被電離，這對焊接電弧的電特性有著顯著影響。C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f

12、 We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n 原子 電離電壓 Ui (V) 原子 電離電壓 Ui (V) 原子 電離電壓 Ui (V) H He Li C N O F Ne Na Mg 13.60 24.59 5.39 11.26 14.53 13.62 17.42 21.56 5.14 7.65 Al Si P S Cl Ar K Ca Ti V 5.99 8.15 10.49 10.36 12.97 15.76 4.34 6.11 6.82 6.74 Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ge Se

13、Kr 6.77 7.44 7.87 7.86 7.64 7.73 9.39 7.90 9.75 14.00 原子的電離電壓，惰性氣體的Ui高，堿性金屬的Ui低（用于焊條維?。┡c氬氣相比，氦氣難電離C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n電弧空間的帶電粒子在電場作用下總體進行著定向運動，同時由于密度分布的差異也在進行著擴散運動，擴散使電弧呈現(xiàn)擴展形態(tài)。方向：密度高的區(qū)域 密度低的區(qū)域，從電弧軸線中心向外部周邊區(qū)域擴

14、散。帶電粒子的擴散并不會造成電弧整體電荷密度的均一分布，而處于相對穩(wěn)定的動平衡狀態(tài)。思考：擴散能否使電弧湮滅？復合：電子與正離子相遇后重新結(jié)合成中性粒子，同時釋放出相當于電離能的能量復合主要出現(xiàn)在電弧溫度較低、粒子運動速度較慢的區(qū)域，以電弧外圍區(qū)域表現(xiàn)更為頻繁。復合后的粒子或是在電弧空間重新被電離，參與導電過程，或是隨氣體介質(zhì)的運動而散失到電弧以外的空間。2.3 帶電粒子的擴散和復合帶電粒子的擴散和復合C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i

15、t . e d u . c n2.4 穩(wěn)定的焊接電弧中粒子密度（了解）穩(wěn)定的焊接電弧中粒子密度（了解）C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n陰極區(qū)（Cathode ）：陰極前面存在由陽離子構(gòu)成的正空間電荷區(qū)域，產(chǎn)生的壓降稱作陰極壓降（Cathode Voltage Drop）；陽極區(qū)（Anode）：陽極前面存在由電子構(gòu)成的負空間電荷區(qū)域，產(chǎn)生的壓降稱作陽極壓降（Anode Voltage Drop）。 兩極區(qū)的

16、區(qū)域尺寸相當薄（不到0.5mm），在電弧長度變化時幾乎不產(chǎn)生變化，但壓降值很高，在電弧總體電壓降中占有相當比例。兩 極 區(qū) 以 外 的 部 分 稱 作 弧 柱 區(qū) （ A r c column/arc plasma），以很平緩的形式呈現(xiàn)線形電壓降，稱作弧柱區(qū)壓降（Positive Column Voltage Drop）。 acpaUUUU三、電弧的導電機制三、電弧的導電機制電弧構(gòu)造與電弧電壓分布C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t .

17、 e d u . c n沿電場方向移動的帶電粒子的流動就是電弧電流，流經(jīng)電弧的全電流I 是電子電流Ie與離子電流Ii之和，在弧柱區(qū)質(zhì)量小、容易運動的電子流占全部電流的99以上。在陰極壓降區(qū)，因電極材料的不同，電子發(fā)射能力存在差異，以Fe、Al材料作為陰極時，離子電流可能占有一定比例，離子通過碰撞陰極使陰極加熱，有利于熱電子發(fā)射。此外，弧柱區(qū)過來的正離子，提高了陰極前面的空間電位，受到此高電場的作用，亦能使電極發(fā)射出電子。在陽極壓降區(qū)，受電弧電流數(shù)值的影響，電流成分會有些變化，但幾乎100是電子流。C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f W

18、e l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n3.1 陰極區(qū)陰極區(qū)對于鎢、碳等高熔點的熱陰極材料，大電流（103A/cm2）情況下熱發(fā)射起主導地位，向弧柱區(qū)提供電子。對于Fe， Cu等低熔點的冷陰極，熱發(fā)射不足，陰極區(qū)形成正離子（正電荷）堆積，當空間電荷產(chǎn)生的陰極區(qū)壓降UC較大時，在陰極前面形成強電場，導致場致發(fā)射。當陰極表面的熱電子發(fā)射量繼續(xù)減少時，如在陰極表面幾乎沒有熔化的情況下，UC進一步增大，處于陰極壓降區(qū)中的陽離子受其加速而飛向陰極，碰撞陰極表面后產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生碰撞發(fā)射。等離子體陰極：陽離子加速飛向陰

19、極的途中，可能與所遇到的中性粒子反復碰撞使熱電離加劇，產(chǎn)生電子同時產(chǎn)生大量正離子，形成更大范圍的正離子堆積區(qū)，進一步促進電場發(fā)射和碰撞發(fā)射，起到向電弧提供電子的作用。等離子體陰極形成后，可以看到在陰極附近有球形的高亮度區(qū)。 思考：W小電流，什么發(fā)射機制？C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n陰極斑點某些情況下，電場發(fā)射很劇烈時，電弧導電通道將主要集中在一個較小的區(qū)域，該區(qū)域電流密度、溫度、發(fā)光強度遠高于其它區(qū)域

20、，稱作陰極斑點。成因：熱陰極、惰性氣體保護時，若電流較小或電極直徑太大、表面不平滑、存在污染物，電弧溫度不能使電極前端全面積產(chǎn)生熱電子發(fā)射，陰極及陰極區(qū)將輔助以電場發(fā)射向弧柱區(qū)提供電子。為減少與周圍環(huán)境的接觸，降低散熱損失，電子發(fā)射將集中在一個較小的區(qū)域內(nèi)進行，從而形成陰極斑點。低熔點、導熱性能好材料（Al、Mg）作為冷陰極時，即使陰極溫度達到材料的沸點，也不足以通過熱發(fā)射產(chǎn)生足夠電子，陰極將進一步自動縮小其導電面積，直至導電面積前面形成密度很大的正離子空間電荷和陰極壓降，足以產(chǎn)生很強的電場發(fā)射，補充熱發(fā)射的不足，向弧柱提供足夠的電子流，此時陰極將形成面積更小電流密度更大的斑點來導通電流，是謂

21、陰極斑點。C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n陰極斑點陰極斑點具有自動尋找氧化物的特性：表面氧化物與純金屬相比，電子逸出功低，更具備電子發(fā)射的能力，電弧導電點更多集中在有氧化膜的地方，從而形成陰極斑點。陰極斑點對電極有“黏著”作用，常常出現(xiàn)跳躍式移動。在電流較大時，陰極斑點分散多處，不斷變化位置。斑點壓力：正離子沖擊、金屬蒸發(fā)反作用力電弧陰極斑點的形成通常對焊接是不利的。C o p y r i g h t o

22、 f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n陰極霧化（陰極清理）惰性氣體中的電弧在以金屬板（絲）作為陰極的情況下，陰極斑點在金屬板（絲）上掃動，除去金屬表面上的氧化膜，使其露出清潔金屬面，稱作。清理作用只限于對陰極，并且是在不含氧化性氣氛的高純度惰性氣氛中。鋁氧化膜，致密、熔點高達2020，而鋁熔化溫度只有600左右，焊接不當，氧化膜以固體形態(tài)存在并殘留下來，會造成熔合不良。鋁是典型的冷陰極材料，作為冷陰極的特征其陰極壓降UC很高，陽離子受陰極電場加速以

23、很高的速度沖擊陰極表面，使陰極表面上的氧化物破碎并消失。另外，氧化物的功函數(shù)比純金屬低，陰極斑點不會停留在固定的位置上，而是不斷地移動尋找新的氧化膜，不斷形成新的陰極斑點。在惰性氣氛中，一旦除去了氧化膜就不會在金屬面上再次生成氧化膜。對氧化物的清理將一直擴展到熔池周圍的固體表面上。與氦氣相比，氬氣由于其自身原子質(zhì)量較大，清理效果也就更為顯著。C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c nC o p y r i g h

24、t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c nC o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n3.2 弧柱區(qū)弧柱區(qū)電弧溫度極高（500030000K），處于所謂的等離子體狀態(tài)。在弧柱中，每瞬間單位體積內(nèi)正負帶電粒子的數(shù)量幾乎相同，使得電弧整體上呈現(xiàn)電中性狀態(tài)。陽離子數(shù)量少，但作

25、用很重要。作為電流主體的電子，在較小的電位梯度下亦可以產(chǎn)生移動，從而能夠產(chǎn)生大電流流動，因此弧柱是極為良好的導電體。此外，由于電子與陽離子相比重量極輕，即使在很小的電場下就可以高速向陽極移動，移動途中與陽離子、中性分子及原子產(chǎn)生碰撞，把其動能傳給對方，使得電弧等離子體中的粒子動能整體增大，處于高溫狀態(tài)。而高溫粒子也會相互碰撞，引發(fā)熱電離，產(chǎn)生新的電子。另外，高溫粒子也向弧柱周邊區(qū)域擴散造成熱量損失，該部分熱量損失由外部電源向弧柱提供能量(弧柱電壓降UP和電流的乘積)予以補充，從而達到一種熱量平衡?；≈仁蔷S持電弧持續(xù)放電所必須的電子和陽離子的產(chǎn)生源，同時也是把電能有效轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿陌l(fā)熱體。C o

26、 p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n3.3 陽極區(qū)陽極區(qū)陽極區(qū)接受從弧柱過來的電子，由于陽離子不能從陽極材料表面產(chǎn)生，使得陽極表面具有的電子數(shù)目超過陽離子數(shù)，就產(chǎn)生了負的空間電荷。通過這個負的空間電荷形成陽極壓降UA，電子受其加速，與陽極區(qū)中的中性粒子碰撞并使其電離，由此產(chǎn)生面向弧柱區(qū)運動的陽離子，即陽極壓降區(qū)起到向弧柱區(qū)提供部分陽離子的作用。電流較大時，陽極壓降區(qū)處于高溫下，這時即使不通過電子碰撞，而通過中性粒子

27、自身的相互碰撞也會產(chǎn)生充分的熱電離，其結(jié)果是UA近于0值。在被焊件母材作為陽極時，特別是在較大電弧電流下，電弧高溫使母材產(chǎn)生強烈的蒸發(fā)，蒸發(fā)出的金屬原子比之保護氣成分具有更低的電離電壓，將先于保護氣粒子而被電離，是向電弧弧柱區(qū)提供正離子的主要途徑。C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n陽極斑點陽極材料過熱蒸發(fā)出來的金屬原子比氣體原子具有更低的電離能，更容易被電離，因此一旦陽極產(chǎn)生金屬蒸汽，很容易在附近形成弧柱，

28、電弧集中于陽極表面一點形成主要的電流通道，這就是陽極斑點，大部分電子經(jīng)過該通道進入陽極。陽極斑點具有尋找純金屬的特性。與陰極斑點的情況類似，也有后拖、“黏著”、跳動的現(xiàn)象；與陰極斑點不同，正常焊接時陽極斑點對焊接過程 沒有大的不良影響。小電流焊接，母材作為陽極，如果母材上不能形成連續(xù)的熔化（比如電弧功率小、母材散熱快等），將會在電弧后面形成陽極斑點。大電流焊接，母材作為陽極，雖然形成了較大的熔池，但由于熔池運動或表面波動頻繁，也可能是熔池中各處蒸發(fā)情況的變遷，或由于合金元素的蒸發(fā)，將在熔池內(nèi)部形成陽極斑點，并快速“掃動”，該情況下陽極斑點處的電流密度并不很高。 C o p y r i g h

29、t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n四、電弧產(chǎn)熱及對電極的熱輸入四、電弧產(chǎn)熱及對電極的熱輸入焊接電弧的熱量來自電源提供的電能，電源向電弧的弧柱區(qū)、陽極區(qū)和陰極區(qū)即電弧整體提供的電能： 該能量在電弧中轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽ㄖ饕?、機械能、光能、磁能。Pa=I Ua=I (UA+UC+UP)C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / /

30、w e l d . h i t . e d u . c n電弧對陽極的熱輸入電弧對陽極的熱輸入電弧向陽極提供的能量主要有如下幾方面： 忽略正離子流對陽極能量的影響（0.1%） 電子經(jīng)陽極壓降加速而獲得的動能Pe（主要）； 電子發(fā)射時陰極吸收的逸出功釋放給陽極PrA； 從弧柱帶來與弧柱溫度相對應(yīng)的熱能PcA。PA=Pe+PrA+PcA=I (UA+UWA+UT) PePA 陽極熱輸入；Ia 電弧電流；UA 陽極區(qū)壓降(V)；UWA 陰極物質(zhì)的功函數(shù)(V)；UT 電弧等離子體中的電子所保有的能量，即等價電壓(V)；C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a

31、b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n電弧對陰極的熱輸入電弧對陰極的熱輸入忽略正離子流對陰極能量的影響 電子在陰極壓降作用下逸出陰極并獲得加速總能量為IUC ；（I約等于電子電流） 電子逸出時從陰極吸收的逸出功IUWA，相當于對陰極冷卻 電子離開陰極區(qū)進入弧柱，具有與弧柱溫度相對應(yīng)的熱能IUT ，電子離開陰極區(qū)時帶走這部分能量。PC=I (UC-UWA-UT)PC 陰極熱輸入；I 電弧電流；UC 陰極區(qū)壓降(V)；UWA 陰極物質(zhì)的功函數(shù)(V)；UT 電弧等離子體中的電子所保有的能量，即等價電

32、壓(V)；即使電子溫度達到6000-10000K， UT也小于1v，可以忽略不計。幾十安培小電流下，UA4v，電流較大時UA接近0，所以Pc、PA主要取決于UC、UWA。冷陰極：UC UWA ，熱陰極：UC UWA ，所以熔化極焊接，焊絲做陰極產(chǎn)熱量大，TIG焊正好相反，電極做陽極產(chǎn)熱量大。C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n五、電弧溫度分布及熱效率五、電弧溫度分布及熱效率當電弧等離子體的產(chǎn)熱與向周圍的能量損

33、失達到平衡時就形成了相對穩(wěn)定的溫度場。電弧溫度測量，主要是針對電弧弧柱進行，極區(qū)尺寸太小，無法測量。通常認為弧柱溫度最高，而極區(qū)溫度較低（受材料熔點限制），且溫度具備連續(xù)性。目前認為電弧最高溫度在點擊下方中心部位，可達2-3萬度。氬氣電弧影響因素：電流、弧長、保護氣、電極斑點、環(huán)境、陽極材料等。例如：陽極材料和狀態(tài)將影響陽極表面附近的溫度值，比如使用鋼材料作為陽極時，鐵蒸氣將部分取代氬氣而起作用，F(xiàn)e電離電壓低，陽極表面附近溫度降低，只有6 000K左右；當采用水冷銅陽極時，陽極表面附近的溫度將達到12 000K左右。C o p y r i g h t o f S t a t e k e y

34、L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n熱效率相對于電弧功率（電弧電壓電弧電流），向母材（比如GTA焊接時，母材作為陽極）傳送的熱量（熱輸入量）所占的比例稱作焊接電弧熱效率。在熔化極焊接中，有效功率亦包含加熱、熔化焊絲的能量，這部分能量最終也被帶入母材。焊接方法熱效率（%）埋弧焊9099MIGMAG/焊條電弧焊6685TIG焊6070等離子弧焊（熔入型）6075等離子弧焊（小孔型）4565C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We

35、 l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n六、最小電壓原理（非常重要）六、最小電壓原理（非常重要）在給定電流與周圍條件一定的情況下，電弧穩(wěn)定燃燒時，其導電區(qū)的半徑（或溫度），應(yīng)使電弧電場強度具有最小的數(shù)值，即電弧具有保持最小能量消耗的特性。原理：弧柱區(qū)電場強度E的大小意味著電弧導電的難易，電導率與弧柱電離度及溫度有關(guān)，所以E也是弧柱溫度的函數(shù)。當電流、周圍條件一定時，弧柱的斷面只能在保證E為最小的前提下來確定。如果電弧斷面大于或小于其自動確定的斷面，都會引起E的增加。發(fā)燒，打哆嗦，縮緊身體！思考：電弧強制冷卻會引

36、起什么結(jié)果？C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n七、焊接電弧靜特性七、焊接電弧靜特性穩(wěn)定狀態(tài)下焊接電弧的電流-電壓特性，稱作電弧靜特性。保證弧長穩(wěn)定、保護和電極條件相同，電弧穩(wěn)定燃燒，僅改變電流，測量電壓。該曲線一般呈現(xiàn)3個區(qū)段的變化特點，分別稱作下降特性區(qū)（負阻特性區(qū)）、平特性區(qū)、上升特性區(qū)。C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n

37、 g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n在小電流區(qū)，電弧電壓隨電流增大而減小，呈現(xiàn)負阻特性。原因：電流較小時，電弧溫度較低，粒子電離度低，電弧導電性較差，需要有較高的電場推動電荷運動；在陰極區(qū)，由于溫度較低，不能實現(xiàn)大量的熱電子發(fā)射，會形成較強的陰極壓降（電場發(fā)射），這樣在小電流時表現(xiàn)出電弧有較高的電壓值。電流增加，陰極溫度提高熱發(fā)射能力增強，UC值降低；陽極蒸發(fā)量增加，UA值降低。兩極區(qū)電場隨溫度升高而降低，使得電弧電壓降低。即在電弧溫度和電極溫度提高的情況下，電弧中產(chǎn)生和運動等量的電荷不再需要更高的電場。 弧柱區(qū)，從產(chǎn)熱和

38、散熱平衡角度考慮，在小電流區(qū)，為維持電流密度(電流/截面積)一定，如果電流增大4倍，則弧柱直徑增大2倍，弧柱向周邊區(qū)的熱量損失隨之增大2倍，而弧柱內(nèi)產(chǎn)熱量(I UP)卻是增大4倍，如果電弧電壓仍然維持原來的數(shù)值，那么產(chǎn)熱量就超過了熱損失量，而電弧自身性質(zhì)具有保持熱量動態(tài)平衡的能力，實際上電弧的產(chǎn)熱量沒有增加4倍，弧柱壓降UP不會維持原來的數(shù)值不便，而是自動降低，即電弧不再需要原來數(shù)值的電壓就可以維持穩(wěn)定燃燒，其以較少的產(chǎn)熱量增加就能夠平衡散熱損失的增加。C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h

39、t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n中等電流區(qū)，電弧等離子氣流增強，除電弧表面積增加造成散熱損失增加之外，等離子氣流的流動對電弧產(chǎn)生附加的冷卻作用，因此在一定的電流區(qū)間，電弧電壓自動維持一定的數(shù)值，保證產(chǎn)熱量與散熱量的平衡，在電弧靜特性曲線上出現(xiàn)一定區(qū)間內(nèi)的平特性特征。在大電流區(qū)，電弧中的等離子氣流更為強烈，而由于電弧自身磁場的作用，電弧截面不能隨電流的增加而同步增加，電弧的電導率減小，要保證較大的電流（更多的電荷）通過相對較小的截面積，需要有更高的極間電場強度驅(qū)動，因此在大電流區(qū)間，電弧電壓隨電流的增加而增加，呈現(xiàn)正特性。電弧靜特性曲線3個變化區(qū)

40、段，并不是在各種電弧中都能夠表現(xiàn)出來，受電弧形態(tài)和電極條件的影響較大。GTA焊接在靜特性曲線上一般都能明顯表現(xiàn)出3個區(qū)段的特征。GMA焊接由于通常采用較細的電極焊絲，可使用的電流一般在中等數(shù)值以上，電弧形態(tài)多呈圓錐狀，等離子氣流作用強烈，所以靜特性曲線通常呈現(xiàn)上升特性，平特性區(qū)間較窄。SAW電弧掩埋在焊劑層下面，受焊劑層的覆蓋，電弧的散熱損失小，并且電弧中基本沒有等離子氣流存在，一般又采用較粗直徑的焊絲大電流焊接，其電弧靜特性呈現(xiàn)下降特性。C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p :

41、 / / w e l d . h i t . e d u . c nGTA焊接電弧靜特性曲線GMA焊接電弧靜特性曲線SAW焊接電弧靜特性曲線C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n焊接電弧靜特性影響因素保護氣：保護氣對電位梯度有影響，對電弧散熱影響也不同。氦原子量小，電位梯度極大，高溫狀態(tài)氣體粒子從弧柱內(nèi)部向周邊區(qū)域的擴散速度快，帶走的熱量損失也大，為了補償該項損失，電弧將自動提高其電位梯度。二是對于氧氣、氫氣、

42、二氧化碳氣等多原子分子氣體，其在電離之前要解離為原子，分子的解離是吸熱反應(yīng)，需要從電能上予以補償，從而亦使電位梯度提高。三是各種氣體（原子或分子）的電離能不同，電離能大的保護氣體從電弧中吸取的能量更多，而低電離能物質(zhì)（如金屬原子）存在于電弧氣氛中將會顯著降低電弧電壓。C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n焊接電弧靜特性影響因素弧長：電弧(弧柱)長度增加或減小時，電弧電壓U0+Ela (U0=UC+UA， La為

43、弧柱長度)變化，電弧靜特性曲線隨之上移或下移，但在各電流數(shù)值上表現(xiàn)出的斜率變化會有所改變。理想情況下，GTA焊接弧長和電壓成一定比例關(guān)系，可以用作傳感器。電極：非熔化電極情況下，電極成分對電弧電壓會有一定程度的影響。比如純鎢電極、加入稀土氧化物的合金電極，其電弧電壓會有差別，主要是電極發(fā)射電子的能力出現(xiàn)變化，稀土元素加入后，電極電子發(fā)射能力增強，電弧電壓降低。母材保護氣流量環(huán)境溫度C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u .

44、 c n八、電弧力八、電弧力電弧不僅是一個加熱源，同時也是一個力源。電弧力與焊接中表現(xiàn)出的熔池形態(tài)、熔深尺寸、熔滴過渡、焊縫成形等都有密切關(guān)系，同時也是形成不規(guī)則焊縫、產(chǎn)生成形缺陷、造成焊接飛濺的直接原因。電磁力等離子流力斑點力爆破力熔滴沖擊力C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n電磁力兩根相互平行導體，通過同向電流，相互吸引，反向電流，則互相排斥。對于液態(tài)或氣態(tài)導體，將使其產(chǎn)生截面收縮，這稱作電磁收縮效應(yīng)，所

45、產(chǎn)生的力稱作電磁收縮力或電磁力。202IPKK jIR小截面 大截面實際電弧是截面直徑變化的圓錐狀的氣態(tài)導體。因為電極直徑限制了導電區(qū)的擴展，而在工件上電弧可以擴展的比較寬，直徑不同將引起壓力差，從而產(chǎn)生由電極指向工件的推力，這個力也稱作是稱作電弧靜壓力，中心電流密度高，所以電磁力也大于周邊。軸線上C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n等離子流力電弧靜壓力差使較小截面處的高溫粒子（中性粒子為主）向工件方向母材流

46、動，并有更小截面處的氣體粒子補充到該截面上來，以及保護氣氛不斷進入電弧空間，從而形成連續(xù)不斷的氣流，稱作等離子氣流，到達工件表面時形成附加的一種壓力，稱作等離子流力。由于等離子流力是高溫粒子高速流動形成的，所以也稱作電弧動壓力。C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n斑點力斑點力表現(xiàn)形式：帶電粒子對電極的沖擊力：陽極受到電子的沖擊，陰極受到正離子的沖擊。由于正離子的質(zhì)量遠遠大于電子的質(zhì)量，同時一般情況下陰極區(qū)壓降

47、大于陽極區(qū)壓降，所以陰極斑點力大于陽極斑點力。電磁收縮力：熔滴上出現(xiàn)斑點時，熔滴和電弧空間的電流線都在斑點處集中，由于電磁力合力的方向是由小截面指向大截面，所以在斑點處產(chǎn)生向上的電磁收縮力，阻礙熔滴下落。通常陰極斑點比陽極斑點的收縮程度大，所以陰極斑點力也大。材料蒸發(fā)反作用力，一般表現(xiàn)為陽極斑點力。C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n爆破力熔滴與熔池發(fā)生短路時，電弧瞬間熄滅，因短路時電流很大（短路電流有一個上

48、升的過程），短路液柱中電流密度很高，在金屬液柱中產(chǎn)生很大的電磁收縮力，使液柱中部變細，產(chǎn)生頸縮，電阻熱使金屬液柱小橋溫度急劇升高，使液柱汽化爆斷，此爆破力可能使液柱金屬形成飛濺。液柱爆斷后電弧重新引燃，電弧空間的氣體突然受高溫加熱而膨脹，局部壓力驟然升高，對熔池和焊絲端頭的液態(tài)金屬形成較大的沖擊力，嚴重時也會造成飛濺。C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n熔滴沖擊力熔化極富氬保護射流過渡焊接時，焊絲前端熔化金屬

49、形成連續(xù)細滴沿焊絲軸線方向射向熔池，每個熔滴的重量只有數(shù)毫克，在等離子氣流驅(qū)動下，以很高的加速度（可達重力加速度的50倍以上）沖向熔池，到達熔池時其速度可達每秒幾百米。這些細滴帶有很大的動能，對熔池金屬形成強烈的沖擊。C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n電弧力的影響因素氣體介質(zhì)：以純氬氣保護GTA電弧作為比較，當在保護氣中混入氦氣時，電弧壓力有很大程度的降低，通常認為這是由于He氣密度較低所致。在氬氣中混入氫

50、氣時，電弧壓力升高，這是由于氫氣的導熱性更強，并且是多原子氣體，解離對電弧的冷卻作用大，導致電弧收縮。 C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n電流和弧長（電壓）：電流增大時電弧力顯著增加，其中電磁收縮力和等離子流力起主要作用。電弧電壓升高亦即電弧長度增加，電弧力降低，是由于電弧范圍擴展造成的。 C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n

51、g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n電極（焊絲）直徑和鎢極端部幾何形狀：焊絲直徑越細，電流密度越大，電磁力越大，同時電弧呈現(xiàn)錐形越明顯，等離子流力增大，使電弧的總壓力增加。GTA電弧在短弧長時，電極直徑對電弧力的影響明顯。鎢極端部的幾何形狀與電弧作用在熔池上的力有密切的關(guān)系。通常鎢極端部角度為45時，具有最大的電弧壓力，有時為了對電弧力加以限制，可以把鎢極最前端磨出一定尺寸的平臺，減小電弧靜壓力和等離子氣流。C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n

52、g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n電極（焊絲）極性：GTA，鎢極接負時允許流過較大的電流，陰極區(qū)收縮的程度大，將形成錐度較大的錐形電弧，產(chǎn)生的軸向推力大，電弧力大。鎢極接正則形成較小的電弧壓力，一是需要使用較粗的鎢極，同時電弧在鎢極上的覆蓋面積較大，形成的電磁力和等離子流力小。 對于GMA焊，當焊絲接負時，熔滴受到正離子的沖擊，有較大的斑點力作用在熔滴上，使熔滴長大，不能順利過渡，也不能形成很強的電磁力和等離子流力，因此電弧力小。在焊絲接正時，所受到的斑點力小，容易形成細小的熔滴，有較大的電磁力和等離子流力，電弧壓力較大。

53、C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n脈動電流的影響：當電流以某一規(guī)律變化時，電弧壓力也相應(yīng)變化。TIG焊時交流電弧壓力低于直流正接，但高于直流反接。低頻脈沖焊時，電弧壓力的變化能夠跟隨電流的變化。隨脈沖頻率的增加，電弧壓力的變化逐漸滯后于電流的變化。當脈沖頻率高于幾千赫茲以后，由于高頻自磁壓縮效應(yīng)增強，在平均電流值相同的情況下，電弧壓力比之直流電弧有很大增加。C o p y r i g h t o f S t

54、 a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n九、電弧的挺直性與磁偏吹九、電弧的挺直性與磁偏吹電弧挺直性(arc stiffness)是指電弧作為柔性導體具有抵抗外界干擾、力求保持焊接電流沿電極軸線方向流動的性能。通常電弧是在電極與母材間最短距離間形成弧柱，然而當電流較大時，電弧中心線沿著電極的傾斜方向伸展。電弧的挺直性隨電流值的增大而增大。電流越大，電弧自身磁場強度越大，電弧越受拘束，電弧的挺直性也就越大。同時電弧的等離子氣流、保護氣氣流、周圍氣流的冷卻作用，也有助

55、于電弧挺直性的提高。C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n磁偏吹：若電弧周圍的磁場是均勻的、磁力線分布相對電弧軸線是對稱的，則電弧保持軸向?qū)ΨQ。如果磁力線分布的均勻性受到破壞，電弧中的電荷受力不均勻，就會使電弧偏向一側(cè)，稱作。磁偏吹總是表現(xiàn)為電磁力把電弧從磁力線密集的一側(cè)推向磁力線稀疏的一側(cè)。 Arc deflection during gas metal arc welding in a magnetic f

56、ield.來源: www.csiro.au/csiro/content/standard/ps1cn,.htmlC o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n磁偏吹影響因素電弧處于工件端部時產(chǎn)生的磁偏吹 導線接線位置引起的磁偏吹 電弧附近的鐵磁性物質(zhì)引起的磁偏吹 C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p :

57、/ / w e l d . h i t . e d u . c n磁偏吹改善措施： 采用較短弧長進行焊接，電弧越短磁偏吹越?。?對工件采取分布式接地的辦法，比如兩側(cè)接地或多點接地； 操作中調(diào)整焊槍或焊條角度； 避免鐵磁性物質(zhì)的影響； 考慮使用脈沖焊或高頻電弧焊； 考慮使用交流焊接等。 C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n控制=電弧穩(wěn)定器利用=磁控旋轉(zhuǎn)電弧 Controlling Heat Distributi

58、on Minimizing Undercuts Reducing Porosity Improving Penetration Stirring the Weld Puddle to Refine Grain Structure Enabling Exceptional Welds of Difficult Joints Source: www.ap- ARC STABILIZER C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u

59、. c n十、直流電弧與交流電弧十、直流電弧與交流電弧直流電弧是指電?。姌O）極性不發(fā)生變化的電弧，其最大特點是穩(wěn)定性好，根據(jù)電流形式的不同，可以有恒定電流下的直流電弧和變動電流下的直流電弧。變動電流下的直流電弧是指焊接電流隨時間以某種規(guī)律變化著，包括低頻脈沖電弧、中等頻率脈沖電弧、高頻脈沖電弧等。C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L a b o f We l d i n g , H I T h t t p : / / w e l d . h i t . e d u . c n交流電弧是指電弧（電極）極性隨時間交替變化的電弧，也就是焊接電流方向按照一定

60、的時間間隔變化。交流電弧產(chǎn)生極性轉(zhuǎn)換時，都存在電流過零問題，此時電弧瞬時熄滅，造成電弧不穩(wěn)定。因此，焊接應(yīng)用中需要對交流電弧采取穩(wěn)弧或再引燃措施。常用工頻方波和正弦波交流。當電弧兩個電極材料不同時，由于電子發(fā)射能力的不同，電弧兩種極性狀態(tài)時將流過不同的電流值，即正負半波電流不同的情況，正負半波電流的差值稱作直流分量，主要出現(xiàn)在使用普通交流焊機TIG焊接時，其中以鋁合金焊接最為突出。直流分量對焊機變壓器有不良影響。在鋁合金焊接中，可使用特殊的交流電源，正半波加熱，負半波清理氧化膜保護陰極，正負半波不對稱。變極性概念。C o p y r i g h t o f S t a t e k e y L