第一节焊接电弧物理基础公开课一等奖省优质课大赛获奖课件

第一章焊接电弧基础知识焊接电弧焊接电弧物理基础1.11.2焊接电弧特征1.31.4焊接电弧引弧与稳定性焊接电弧导电机构本章提醒本章重点：①电弧导电原理；②焊接电弧引弧；③焊接电弧结构；④焊接电弧特征；⑤焊接电弧稳定性；本章难点：焊接电弧电特征、热学特征及力学特征。学习方法提议：①重在掌握基本概念，从能量源角度了解电弧基本特征，体会电弧稳定性对焊接过程作用。②对于包括到物理学知识，无须追求过深、过细。1.1焊接电弧物理基础

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，两电极间气体发生强而有力、持久放电现象。电弧特点：低电压、大电流、温度高、亮度大焊接电弧分类及其特点（1）按电流种类可分为：交流电弧、直流电弧和脉冲电弧(包含高频脉冲电弧)。（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。不熔化极电弧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，通常都采取惰性气体(如氩气、氦气等)保护，电极多采取钨极或钨极掺有少许稀土金属，如钍或铈等。

作为电弧一个极，在焊接电弧燃烧过程中是不停熔化并过渡到熔池中去；明弧电极也有两种，一个是在金属丝表面敷有涂料，如焊条，另一个是光焊丝)。埋弧焊采取是光焊丝，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。1.1焊接电弧物理基础1.1焊接电弧物理基础1.1.2

电弧中带电粒子起源产生电弧条件：1.有带电粒子；2.两极间必须有一定强度电场。带电粒子产生：1.气体电离；2.电极发射。等离子体：电离气体含有与通常状态下气体所不一样性质，被称作等离子体。等离子体由数量几乎相等电子、离子和中性粒子组成。整体呈电中性。——气隙中中性粒子被电离产生电子和离子。——电源经过电极（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焊接电弧物理基础电离种类：a.热电离：在高温气体状态下，一部分粒子因为碰撞而发生电离现象。

——各个粒子速度在某一瞬间是不一样——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，粒子结构改变，内能改变—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。——电子含有大于Wi能量，电弧中场致电离，主要由电子和中性粒子非弹性碰撞引发。——并不是全部大于电离能Wi电子都能使中性粒子电离，存在电离概率，电离电压越高气体，电离概率越低。

电离概率1.1焊接电弧物理基础

c.光电离：中性粒子接收光辐射作用，大于其电离能时，产生电离现象。——粒子接收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，热电离为主要电离路径；阳极区和阴极区，场致电离为主要电离路径；光电离，产生电离次要路径。1.1焊接电弧物理基础气体电离度α：电弧气氛被电离程度，与温度、气体压力、气体电离电压等原因相关。

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电离度：

混合气体电离平衡不是各气体各自独立，而是电离所产生全部电子共用，并与正负两种离子相平衡，各气体电离程度取决于Ui。

——电离度与引弧及燃弧稳定性关系1.1焊接电弧物理基础（2）电子发射(电极)

——电弧稳定性同阴极电子发射难易程度相关。

——自由电子：金属中电子能够在离子晶格内自由、无规则移动。

——使一个电子飞出金属表面所需要最低外加能量，即逸出功：Ww，对应电压成为逸出电压：Uw。其中：

Ww=eUw

引弧稳弧金属种类WFeAlCuKCaMg逸出功/eV纯金属4.544.484.254.362.022.123.78金属氧化物3.923.93.850.461.83.311.1焊接电弧物理基础电子发射种类：a.热发射：当温度升高时，金属表面自由电子克服吸引力逸出到金属外部现象。

b.场致发射：电场作用下，电极表面自由电子取得能量克服静电引力逸出金属现象。

c.光发射：当金属电极表面接收光量子，使自由电子能量增加致飞出电极表面。——电弧焊时，光发射为次要原因。——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

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。——正离子碰撞阴极引发电子发射必要条件：Wk+Wi≥2Ww1.1焊接电弧物理基础（3）负离子产生

——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，所以负离子多存在于电弧外围。——负离子质量大、运动速度低，不能有效参加导电。

——负离子产生使电子数量降低，不利于电弧导电、电弧稳定。例：交流电弧电流过零。1.1焊接电弧物理基础1.1.3带电粒子消失

——带电粒子经过扩散、复合等过程消失。

——复合多发生在温度较低电弧空间。例：交流电弧电流过零电弧稳定性。

——电弧稳定“燃烧”时，带电粒子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焊接电弧结构——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+UA1.2焊接电弧导电机构1.2.2焊接电弧导电机构

（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

——弧柱中全部或大部分双原子气体分子分解为原子，其中较大百分比原子又深入分解为电子和阳离子，电子被中性粒子捕捉成为少许负离子。弧柱空间展现为电中性；——弧柱电流由上述带电粒子移动形成，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，稳定燃烧电弧会自动选择最适合断面，保持能量消耗最小。P=ELI经过最小电压原理能够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。

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。

1.2焊接电弧导电机构b.场致发射型：对于Fe、Cu等低熔点阴极，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，造成场致发射，电子被加速，撞击弧柱中性粒子，使其电离。阴极形成阴极斑点。

阴极压降区电子流和离子流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，复合中性粒子被弹回，继续提升阴极前方温度，形成辉点电子进入弧柱区，形成电子流。电流密度:(3~7)x104A/cm21.2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；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。

阴极斑点跳动1.2焊接电弧导电机构（3）阳极区导电机构——接收来自弧柱占电流99.9%电子流，发送占电流0.1%正离子流；

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，主要经过热电离、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，阳极表面集中接收电子光亮区域，称作阳极斑点区，或阳极斑点.1.2焊接电弧导电机构实例：GMAW焊接直流反极性接法：工件接负极，电极即焊丝接正极接法。——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焊接电弧特征1.3.1焊接电弧电特征

（1）电弧静特征：焊接电弧静特征是指在某一电弧长度、稳定保护气流量和电极条件下（还应包含其它稳定条件），改变电弧电流数值，在电弧到达稳定燃烧状态时所对应电弧电压改变。

电弧静特征曲线

GTA焊接电弧1.3焊接电弧特征静特征曲线分区：下降特征区、平特征区、上升特征区。

下降特征区：小电流区间

平特征区：中等电流区间

上升特征区：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焊接电弧特征注意：电弧静特征曲线与电弧本身形态、电弧燃烧环境、电弧产热与散热平衡、电极材料等原因相关。不一样条件下，曲线形状差异巨大。如钨极氩弧焊含有显著三个阶段；铝合金熔化极惰性气体保护焊几乎看不到下降特征；埋弧焊呈下降特征。1.3焊接电弧特征（2）焊接电弧动特征：对于一定弧长电弧，当电弧电流发生连续快速改变时，电弧电压与电流瞬时值之间关系，称为焊接电弧动特征。反应电弧导电性能对电流改变响应能力。直流电弧动特征直流脉动焊接电流直流脉动电流动特征1.3焊接电弧特征交流电弧动特征

1.3焊接电弧特征1.3.2焊接电弧热学特征

电弧燃烧能量转变：

P=PC+Pk+PA=IUC+IUk+IUA

或P=IUa=I（UC+Uk+UA）

（1）电弧产热机构

电弧弧柱、阴极区、阳极区产热特征各不相同

电能热能:主要是热能转变传导、对流、辐射光能：可见光、红外线、紫外线等辐射机械能：机械波，包含可听声波、超声波、声发射等磁能：辐射1.3焊接电弧特征

a.阴极区产热特征能量取得: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，在单位时间里取得能量fIUk。f为电子流比率。2.正离子流抵达阴极前，被阴极压降Uk加速，单位时间内取得（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电离能（1-f）IUi。

4.从阴极区终端进入弧柱区电子流应含有与弧柱区温度相对应热能，这部分有阴极区提供，其功率为IUT。阴极区单位时间内得到热能Pk=I（Uk-UW-UT）阴极区得到能量用于熔化阴极，并有一部分散失在周围气体中。1.3焊接电弧特征b.阳极区产热特征因为阳极区向弧柱区输送正离子流只占总电流0.1%左右，所以阳极区主要是由电子组成，尤其是在阳极表面电流由100%电子流组成，所以，阳极区只考虑阳极接收电子所产生能量转换。能量取得：1.电子流穿过阳极区被阳极压降UA加速，单位时间内取得能量IUA。

2.电子流被拉进阳极时，单位时间内释放出逸出功IUw。

3.电子流从弧柱带来与弧柱温度相对应热能IUT。单位时间内阳极取得能量：PA=I（UA+UW+UT）

阳极区产热用于加热、熔化作为阳极母材或焊丝，一部分散失在气体中。1.3焊接电弧特征c.弧柱区产热特征能量取得：1.在弧柱压降Uc下电子和正离子被加速，单位时间内取得能量IUc。

2.从阴极区进入弧柱区电子流带来99.9%IUT。

3.弧柱周围发生正负粒子复合所释放出来电离能Wi。能量消耗：

1.离开弧柱区进入阳极区电子流所带走能量99.9%IUT。

2.弧柱中心部位发生中性粒子电离消耗电离能，与周围正负粒子复合释放电离能Wi基本相等。弧柱区为主热源：Pc=IUc弧柱产生能量大部分经过对流、辐射和传导散失在周围气体中。只有少部分用来加热焊丝和焊件。1.3焊接电弧特征

（2）电弧温度分布a.电弧轴向温度分布——两极区低弧柱区高1.3焊接电弧特征

b.电弧径向温度分布——中心高四面低，主要是因为越靠外散失越强。

1.3焊接电弧特征d.影响电弧温度分布原因

焊接电流：随I增大，T增大电极斑点处：T高弧长：影响温度分布、电弧形态

阳极材料：种类、沸点、导热性、几何尺寸。

保护气成份：当气体介质里面还有较低电离能物质（如碱金属蒸气），即使能提升稳定性，不过温度有所降低。当含有F时，温度升高。

环境条件：冷却条件、气压条件、空间散热1.3焊接电弧特征

（3）焊接电弧热效率η

电弧产热一部分热量会经过对流、传导、辐射等形式散失，所以会存在热效率问题。电弧功率：

P=IUa=I(UC+UA+Uk)电弧有效功率：

P’=ηP

η——热效率，与焊接方法、电弧电压相关。1.3焊接电弧特征惯用焊接方法大致热效率如表：焊接方法热效率η/%埋弧焊80-90焊条电弧焊65-85TIG焊65-70CO2焊75-901.3焊接电弧特征1.3.3焊接电弧力学特征电弧力与熔池形态、熔深尺寸、熔滴过渡、焊缝成形等都有亲密关系。也是形成不规则焊缝、产生缺点、造成焊接飞溅直接原因。1.3.3.1电弧力类型及作用a.电磁收缩力（电弧静压力）

决定熔池轮廓，影响焊缝成形形成原因：电磁收缩效应

平行导线电磁力1.3焊接电弧特征圆柱形电弧模型

电弧内电磁力液态熔滴中电磁力收缩效应1.3焊接电弧特征

焊接电弧模型实际圆锥形电弧模型1.3焊接电弧特征

b.等离子流力（电弧动压力）

决定熔深，影响焊缝形状，促进熔滴过渡，搅拌熔池，增加电弧挺直度。

形成原因：等离子气流高速运动产生气动力。连续不停等离子气流抵达工件表面时形成一个附加压力，称作等离子流力。

电弧等离子气流产生1.3焊接电弧特征

——在MIG焊中，是形成熔滴射流过渡一项主要原因。——在GTAW焊接中，因电弧收缩程度不一样对形成熔池形状有较大影响。

电弧等离子流力对焊缝影响1.3焊接电弧特征影响等离子流力原因：——焊接电流：I增加，等离子流力增大；——GTAW焊接电极端部形状：——————θ减小，等离子流力增加——焊丝直径：电弧截面增大，等离子流力减小；

——气体介质：比如CO2气体冷却效应下，电弧减小散热而收缩，等离子流力增大。1.3焊接电弧特征

c.斑点力

形成原因：斑点上导热和导电特点。

三种力组成：带电粒子对电极撞击力由：m正>m电FC>FA电磁收缩力

由：阴极斑点尺寸<阳极斑点尺寸

——电流密度：jC>jA——FC>FA蒸发反作用力由：电流密度：jC>jA

——TC>TA——FC>FA1.3焊接电弧特征

主要提醒：

GMAW焊接方法中，因为阳极斑点力通常比阴极斑点力小，焊丝接阳极时，阻止熔滴过渡作用力小；焊丝接阴极时，阻止熔滴过渡作用力大。为降低斑点力对熔滴下落妨碍，有利于熔滴过渡，对于熔化极气保焊多采取直流反极性接法，即工件接负极，焊枪接正极。1.3焊接电弧特征d.爆破力

条件：熔滴短途经渡造成飞溅产生

e.熔滴冲击力条件：射流过渡

对熔池造成冲击1.3焊接电弧特征1.3.3.2电弧力影响原因a.焊接电流和电弧电压（弧长）I增大，电弧力增加

弧长增大，即电弧电压增大，电弧力减小

MIG焊电流与电弧力关系

MIG焊电弧电压与电弧力关系1.3焊接电弧特征

b.焊丝直径

焊丝越细，电流密度越大，电磁力越大，等离子流力随之增大，总电弧力增大。c.电极（焊丝）极性GTAW焊接DCSP接法：钨极接负，允许经过电流大，阴极电弧收缩大，形成大锥度电弧，使电弧力增大；GTA焊接电弧力与电极极性关系1.3焊接电弧特征熔化极（焊丝）接负：斑点力大，电磁力和等离子流力弱，使电弧力较小；熔化极（焊丝）接正：斑点力小，熔滴小，电磁力和等离子流力大，使电弧力较大。

MIG焊电弧力与电主动性关系1.3焊接电弧特征

d.气体介质

导热性强气体、多原子或密度大气体能引发电弧更大收缩，造成电弧力增加。如：CO2、Ar40%+H260%电弧力较大；Ar100%电弧力较弱；Ar5%+He95%更弱。1.3焊接电弧特征e.钨极端部几何形状

端部角度θ减小，电弧力增大

电弧力与电极端部角度关系1.4焊接电弧引弧与稳定性1.4.1焊接电弧引燃（1）接触式引弧

——接触式引弧三个阶段：短路、分离、燃弧。

——多见于GMA焊接方法：焊条电弧焊、埋弧焊、气保护焊等。——引弧过程：通电—送丝—接触—熔断—稳定——优点：简单可靠——缺点：易产生大量飞溅，甚至大面积固体爆断。1.4焊接电弧引弧与稳定性

（2）非接触式引弧——惯用于GTA电弧，如TIG焊、PAW焊；

——使用原因：不允许电极与工件接触；——钨极与工件接触带来影响：

钨极被污