电弧焊接物理基础

电弧焊接物理基础第一页，共五十八页，2022年，8月28日第1节焊接电弧的导电机理

—带电粒子的产生气体放电的基本概念物体如何导电？取决于在电场作用下能否拥有可自由移动的带电粒子气体如何导电？气体要导电必须有带电粒子气体产生带电粒子的过程称气体的放电过程气体放电有何特点？气体导电的伏安特性与金属不同，非线性关系气体放电有二种形式：自持与非自持电弧是自持放电中电压最低、电流最大、温度最高、发光最强的一种气体放电现象焊接电弧的定义是什么？由焊接电源供给能量，在二电极之间产生的强烈而持久的气体放电现象。焊接电弧具有电压低、电流大、温度高、发光强的特点。第二页，共五十八页，2022年，8月28日带电粒子的产生气体产生带电粒子的途径有哪些？气体的电离电极的电子发射气体产生带电粒子过程中伴随其它物理现象有哪些？气体的解离激励扩散复合负离子的产生电流电弧示意图第1节焊接电弧的导电机理

—带电粒子的产生第三页，共五十八页，2022年，8月28日第1节焊接电弧的导电机理

—带电粒子的产生电离与激励什么叫电离在一定条件下中性气体分子或原子分解为正离子和电子的现象第一电离能（电离电位）的定义是什么？使中性气体粒子失去第一个电子所需要的最低外加能量第一电离能在普通电弧中占主导地位电离电位的高低决定气体电离的难易程度多种气体并存时，电离电位低的将首先被电离第四页，共五十八页，2022年，8月28日第1节焊接电弧的导电机理

—带电粒子的产生电离与激励何为激励中性粒子在外界能量作用下，不足以电离，却可以使电子在较低的能量级别跃升到较高能量级别的现象激励可以破坏中性粒子的内部稳定状态虽然不能直接产生带电粒子，但可以使中性粒子更易被电离激励电位的概念是什么？激励所需要的最低外加能量激励电位越低越易产生激励第五页，共五十八页，2022年，8月28日元素电离电压（V）元素电离电压（V）元素电离电压（V）H13.5Ar15.7H215.4He24.5K4.3C212Li5.4Ca6.1N215.5C11.3Ni7.6O212.2N14.5Cr7.7Cl213O13.5Mo7.4CO14.1F17.4Cs3.9NO9.5Na5.1Fe7.9OH13.8Cl13W8.0H2O12.6CO213.7Al5.96Ti6.8NO211Mg7.61Cu7.7常见气体粒子的电离电位第六页，共五十八页，2022年，8月28日第1节焊接电弧的导电机理

—带电粒子的产生电离与激励能量的传递方式有哪些碰撞传递弹性碰撞：气体粒子间只产生动能的再分配，内部结构不发生变化非弹性碰撞：碰撞时部分或全部内能都转变为内能，使被碰撞粒子的内部结构发生变化气体的电离只发生在非弹性碰撞中光辐射传递以光量子形式传递的动能可以全部转换为粒子的内能电弧本身可以产生多种光辐射通过光辐射形式产生的电离与碰撞传递相比，是次要的第七页，共五十八页，2022年，8月28日第1节焊接电弧的导电机理

—带电粒子的产生电离与激励电离的种类（气体如何才能产生电离？）何为热电离气体粒子受热作用相互碰撞而产生的电离气体粒子平均运动速度与温度的关系温度越高，粒子的平均运动速度越高温度一定时，气体粒子的质量越小，其运动速度越高电离度单位体积内被电离的离子数与气体粒子总数之比当几种气体混合时，混合气体的电离电压称为实效电离电压，它取决于混合气体中电离电压较低的气体弧柱的温度高达5000~30000K，热电离是弧柱中产生带电粒子的最主要途径第八页，共五十八页，2022年，8月28日第1节焊接电弧的导电机理

—带电粒子的产生电离与激励热解离电弧中的多原子气体在热作用下分解为原子的现象热解离是吸热反应解离需要的最低外加能量为解离能（ev）解离能低于电离能几种气体的解离能H2=4.4;H2O=4.7;O2=5.1;CO2=5.5NO=6.1

N2=9.1第九页，共五十八页，2022年，8月28日第1节焊接电弧的导电机理

—带电粒子的产生电离与激励何为电场电离？带电粒子从电场中获得能量，通过碰撞而产生电离的过程带电粒子运动路线是折线，但是沿电场方向运动电场作用下的电离主要是电子与中性粒子的非弹性碰撞而引起强电场作用的电离具有锁链效应场电离不是弧柱中的主要电离形式由于弧柱的电场强度较小，故电子在自由行程中所获得的动能较小，较之通过热能获得的动能小的多阴极与阳极压降区可能产生很强烈的场电离第十页，共五十八页，2022年，8月28日第1节焊接电弧的导电机理

—带电粒子的产生电离与激励何为光电离？中性粒子接受光幅射的作用而产生的电离现象光电离的产生条件是什么？中性粒子所接受的光幅射波长小于其临界波长时，中性粒子可以直接被电离几乎所有气体都不能直接进行光电离光电离是电弧中产生带电粒子的一个次要途径第十一页，共五十八页，2022年，8月28日第1节焊接电弧的导电机理

—带电粒子的产生电子发射概念是什么？自由电子脱离金属表面的约束飞到电弧空间的现象它是电弧空间带电粒子的一个重要产生途径电极只能发射电子而不能发射离子逸出功的概念使一个电子脱离金属表面所需要的最低外加能量逸出功越低的金属，电子发射越容易第十二页，共五十八页，2022年，8月28日第1节焊接电弧的导电机理

—带电粒子的产生电子发射何为热发射？概念金属表面受热作用而产生的电子发射现象热发射的产生条件meve/2≥eUw使用高熔点材料的电极，热发射是主要的电子发射形式使用低熔点材料的电极，热发射不能提供全部的电子，还的其它发射形式第十三页，共五十八页，2022年，8月28日第1节焊接电弧的导电机理

—带电粒子的产生电子发射何为电场发射？金属表面电子受空间电场的作用而飞到电弧空间的现象电场强度越大，电子发射越强烈当冷阴极时，电场发射是提供电子的重要途径何为光发射？金属表面接受光幅射使电子飞到电弧空间的现象光量较弱，在各种发射中居次要位置第十四页，共五十八页，2022年，8月28日第1节焊接电弧的导电机理

—带电粒子的产生电子发射粒子碰撞发射电极表面自由电子接受粒子的碰撞而飞到电弧空间的现象产生条件离子到达阴极，中和一个电子，再使其发射一个电子，则需要2倍的逸出功在阴极区，一定条件下，碰撞发射也可能是阴极带电粒子产生的主要途径第十五页，共五十八页，2022年，8月28日第1节焊接电弧的导电机理

—带电粒子的产生负离子产生过程在一定的条件下，有些中性原子或分子可以吸附一个电子而形成负离子电子亲和能中性粒子形成负离子所减少的内能负离子带电，但质量大，不能有效转送电荷负离子消耗电子，对电弧稳定不利负离子的形成只在电弧的周边地区进行第十六页，共五十八页，2022年，8月28日第1节焊接电弧的导电机理

—带电粒子的产生带电粒子的扩散现象带电粒子由高密度的电弧中心区域向低密度的电弧周边地区转移而使带电粒子密度趋于均匀化的现象扩散现象的结果降低电弧的有效电流密度降低了弧心的温度对电弧的稳定燃烧是不利的第十七页，共五十八页，2022年，8月28日第1节焊接电弧的导电机理

—带电粒子的产生复合电弧空间的正负带电粒子在一定条件下结合成中性粒子的过程电弧中心温度高使所有粒子运动速度很高，不可能产生复合。在电弧周边温度低粒子的活动能力小，且此处有扩散来的电子和正离子，则可能产生复合交流电弧过零时也有大量复合现象发生使再引燃困难。复合现象使电弧空间带电粒子减少而不利于电弧的稳定燃烧第十八页，共五十八页，2022年，8月28日第1节焊接电弧的导电机理

—电弧各区的组成电弧如何构成？阴极区、阳极区、弧柱区弧柱区5000~50000K,电流密度为103/cm任务：导通电流完成任务的途径：以热电离为主注意：通过的电流是由离子流和电子流组成，但电子与离子的比例是99.9%:0.1%。但每瞬间，每单位体积内正负带电粒子数相同。使弧柱对外界呈现中性，具有焊接要求的大电流低电压的特点。第十九页，共五十八页，2022年，8月28日第1节焊接电弧的导电机理

—电弧各区的组成阴极区导电机构任务：向弧柱区提供所需要的电子流，接受弧柱来的正离子流。完成任务的途径阴极区导电机构可有三种不同形式：热发射型阴极区导电机构：当采用W、C等高熔点材料且电流较大时，弧柱所需要的电子主要是由热发射来提供的；电场发射型导电机构：W、C为电极，但电流较小时，或低熔点材料电极时，主要以电场发射为主产生电子。等离子流型导电机构：阴极不能热发射时，前面出现一高温区，产生热电离，使阴极不发射电子而接受正离子，向弧柱区提供电子的任务由热电离完成第二十页，共五十八页，2022年，8月28日第1节焊接电弧的导电机理

—电弧各区的组成阳极区导电机构任务：接受电子，向弧柱提供正离子；完成任务的途径：阳极区电场作用下的电离；阳极区的热电离：当电流密度大时，阳极温度高而发生强烈蒸发，高温的金属蒸气产生热电离以提供正离子。阴、阳极斑点定义是什么？阴、阳极表面电流密度大，面积小的集中导通电流的区域。第二十一页，共五十八页，2022年，8月28日第1节焊接电弧的导电机理

—电弧各区的组成关于“阴极斑点”

当阴极材料熔点、沸点较低、导热性很强时，即使阴极温度达到材料的沸点，此温度也不足以通过热发射产生足够数量的电子，阴极将进一步自动缩小其导电面积，直至阴极导电面积前面形成密度很大的正离子空间电荷和很大的阴极压降，足以产生较强的电场发射，补充热发射的不足，向弧柱提供足够的电子流。此时阴极将形成面积更小、电流密度更大（达5×105—107A/cm2

）的斑点来导通电流，这种导电斑点称阴极斑点。用高熔点材料（C、W等）作阴极时，只有在电流很小、阴极温度很低的情况下，才可能产生这种阴极斑点。而当用低熔点材料（Al、Cu、Fe等）作阴极时，大小电流时均属会产生阴极斑点。第二十二页，共五十八页，2022年，8月28日第1节焊接电弧的导电机理

—电弧各区的组成阴极表面将由许多分离的斑点组成阴极斑点区。这些斑点在阴极斑点区以很高的速度跳动，自动选择有利于场发射和热发射条件的点。电弧通过这些点提供电子时，阴极消耗的能量最低。阴极表面上热发射性能较强的物质有吸引电弧的作用，阴极斑点有自动跳向温度高、热发射性强物质上的性能。如果金属表面有低逸出功的氧化膜存在时，阴极斑点有自动寻找氧化膜的倾向。铝合金焊接时去除氧化膜作用，就是由阴极斑点的这种特性决定的。第二十三页，共五十八页，2022年，8月28日第1节焊接电弧的导电机理

—电弧各区的组成关于“阳极斑点”

当采用低熔点材料（Fe、Cu、Al等）作为阳极，一旦阳极表面某处有熔化和蒸发现象产生时，由于金属蒸气的电离能大大低于一般气体的电离能，在有金属蒸气存在的地方，更容易产生热电离而提供正离子流，电子流更容易从这里进入阳极，阳极上的导电区将在这里集中而形成阳极斑点。阳极斑点电流密度的数量级一般102～103A/cm2

。低熔点阳极材料形成阳极斑点的条件，首先是该点有金属的蒸发，其次是电弧通过该点时弧柱消耗能量较低。当金属表面覆盖氧化膜时，与阴极斑点的情况相反，阳极斑点有自动寻找纯金属表面而避开氧化膜的倾向。因为大多数金属氧化物的熔点和沸点皆高于纯金属，且金属氧化物的电离电压较高。第二十四页，共五十八页，2022年，8月28日第1节焊接电弧的导电机理

—焊接电弧属性及特点电弧最小电压原理是什么？在给定电流和周围条件的一定的情况下，电弧稳定燃烧时，其导电区的半径（或温度），应使电弧电场强度具有最小的数值。就是说电弧具有保持最小能量消耗的特性。这已为理论推导及许多实际现象所证明。最小电压原理也决定着电弧其它区域（阴极区、阳极区）的E、温度及导电端面的自行调节作用，以达到在一定条件下向外界散失热量最小。利用最小电压原理可以解释电弧过程中的许多现象。例如当电弧被周围介质强迫冷却时，因周围环境从电弧取走更多热量，要求电弧产生更多热量来补偿。按最小电压原理，电弧要自动缩小断面，减少散热，使之与外界散热相平衡。但断面又不能收缩得过小，否则电流密度大而使E增加太多，电弧自动调整可使E增加到最小数值第二十五页，共五十八页，2022年，8月28日电弧静特性物理意义是什么？电弧稳定燃烧时，电流与电压间的关系。ABCA区：电流增加4倍，弧柱断面增加4倍，周长只增加2倍，由于散热与周长成正比，故散热增加2倍，而此时产热为IE即增加4倍，所以E减少2倍以保证产供热的平衡。故为下降。B区：电流增加，金属蒸发加剧，增加了热损失的途径，可以不用减少E就可以保证产供热的平衡，故为水平C区：电流更大，金属蒸气更强，电磁收缩力加大，电弧断面不能加大，要求E增加而保证电流通过，故为上升第1节焊接电弧的导电机理

—焊接电弧属性及特点第二十六页，共五十八页，2022年，8月28日影响电弧静特性的因素电弧长度的影响当电流一定时，电弧长度增加，电弧电压随之增加周围气体介质的影响气体的电离电位不同；气体的热物理性能不同；周围气体介质压力的影响其它条件不变，气体介质的压力增加使粒子密度增加，气体粒子能过散乱运动从电弧带走的热量增加，对电弧的冷却作用增加，而使电弧电压增加第1节焊接电弧的导电机理

—焊接电弧属性及特点第二十七页，共五十八页，2022年，8月28日第1节焊接电弧的导电机理

—焊接电弧属性及特点第二十八页，共五十八页，2022年，8月28日焊接电弧的动特性焊接电弧动态伏安特性是指对于一定长度的电弧，当电流快速连续变化时，电弧电压和电流瞬态值之间的关系。焊接电弧动特性曲线第1节焊接电弧的导电机理

—焊接电弧属性及特点第二十九页，共五十八页，2022年，8月28日交流电弧的特点第三十页，共五十八页，2022年，8月28日第三十一页，共五十八页，2022年，8月28日何为弧焊电源？将电网电能进行适当转换并提供给焊接电弧的系统装置称为弧焊电源。何为电源的外特性？在稳定状态下，弧焊电源输出电压与输出电流的关系曲线称为弧焊电源外特性。常见的有（恒压）平特性和下降特性两大类，下降外特性又分为缓降、陡降、垂直陡降（恒流）特性。第2节弧焊电源基础知识第三十二页，共五十八页，2022年，8月28日第2节弧焊电源基础知识“焊接电弧--弧焊电源”系统稳定工作条件：tgαa.tgαp>0即：在电弧静特性与电源外特性曲线交点处，前者斜率大于后者。这是“电弧--电源”系统稳定工作的条件，也是确定弧焊电源外特性形状的依据。第三十三页，共五十八页，2022年，8月28日第2节弧焊电源基础知识弧焊电源的空载电压有何作用？有利于焊条与工件的高阻接触表面形成导电通路为气体电离和电子发射提供场能有利于电弧稳定燃烧为了获得所需要的外特性形状短路电流有何作用有利于引弧理想值应在焊接电流的1.25-2倍动态品质有何意义指输出电流与电压的动态响应特性保持电弧过程顺畅快速调节规范参数第三十四页，共五十八页，2022年，8月28日第3节焊接电弧产热机理电弧热量是如何产生的？焊接电源输出的电能通过电弧转换为热能弧柱区的产热机理是怎样的？电子与正离子或中性粒子碰撞，其散乱运动的动能就是电子的热能。在弧柱中，外加电场能量大部分转变为热能。单位弧柱长度的电能为IE就代表了弧柱产热能量的大小。弧柱产热能量与热损失相平衡。弧柱的热能对流占80%以上，传导和辐射约为10%左右。一般电弧焊接过程中，弧柱的热量中只能有很少一部分通过辐射传给焊条（丝）和工件。当电流较大而有等离子流产通过辐射传给焊条（丝）和工件。第三十五页，共五十八页，2022年，8月28日阴极区产热机理如何？在阴极区，电子在阴极压降的作用下逸出阴极并受到加速作用，获得的总能量为IUK。电子从阴极表面逸出时，克服阴极表面的束缚而消耗能量为IUw

。电子流离开阴极区进入弧柱区时，它具有与弧柱温度相应的热能，电子流离开阴极区带走的这部分能量为IUT。根据上述分析，电子流离开阴极区时能量平衡为：

PK=I（UK–Uw–UT）阴极区产热主要用于加热阴极和阴极区的散热损失。焊接过程中直接加热焊条（丝）或工件的热量主要由此提供。阴极区的热量直接影响焊丝熔化或焊缝熔深。第三十六页，共五十八页，2022年，8月28日阳极区产热机理是怎样的电子到达阳极时将带给阳极三部分能量：电子经阳极压降区被UA

加速而获得的动能IUA

，电子发射时在阴极吸收的逸出功又供给阳极IUw

，从弧柱带来的与弧柱温度相对应的热能IUT

。因此阳极区的能量平衡为：

PA=I（UA+Uw+UT）阳极产生的热量主要用于阳极的加热、熔化和散热损失。这也是焊接过程中可以直接利用的能量。焊接电弧的温度分布有何特点？沿焊接电弧轴向的温度分布情况为：弧柱的温度较高，两个电极上温度较低。这是因为电极温度的升高受到电极材料导热性能、熔点和沸点限制的结果。一般情况下，阳极的温度高于阴极的温度，而阴极与阳极的温度低于电极材料的沸点。第三十七页，共五十八页，2022年，8月28日焊接电弧的温度是如何分布的？焊接电流大小直接改变弧柱的能量密度，从而影响弧柱温度的高低。焊接电流增大，弧柱温度增加。在常压下，当电流由1—1000A变化时，弧柱温度可在5000—30000K变化。电弧空间的温度，还受金属蒸气成分的影响。当电弧周围有高速气体流动时，如等离子弧，由于气流的冷却作用，使弧柱电场强度提高，温度上升。电弧周围气氛是多原子气体时，如CO2、O2、N2

、H2、H2O等，由于气体解离吸热，也会使电弧温度升高。第三十八页，共五十八页，2022年，8月28日第三十九页，共五十八页，2022年，8月28日第4节焊接电弧的作用力电弧上主要的作用力电磁收缩力当电流在一个导体中流过时，整个电流可看成是由许多平行的电流线组成，这些电流线间将产主相互吸引力，断面有收缩的倾向。电磁静压力实际焊接电弧是断面直径变化的近似圆锥状的气态导体。直径不同引起压力差，从而产生由焊条指向工件的推力，被称为电弧的电磁静压力。电磁动压力熔池受到的由物质的高速运动（等离子体流动）引起的压力，所以称为电弧的电磁动压力。第四十页，共五十八页，2022年，8月28日等离子流力焊接电弧呈锥形，使电磁收缩力在电弧各处分布是不均匀的，具有一定的压力梯度，靠近焊丝处的压力大，靠近工件处的压力小，形成沿轴线的推力。电弧中的压力差将使靠近焊条处的高温气体向工件方向流动，高温气体流动时要求从焊丝上方补充新的气体，形成有一定速度的连续气流进入电弧区。新加入的气体被加热和部分电离后，受推力作用继续冲向工件，对熔池形成附加的压力。在电弧中，由于电弧推力引起高温气流的运动所形成的压力称等离子流力。第四十一页，共五十八页，2022年，8月28日斑点压力当电极上形成斑点时，将受到压力作用，包括：阳极承受电子的撞击，阴极承受正离子的撞击。因为正离子的质量远大于电子的质量，同时阴极压降一般又大于阳极压降，所以阴极斑点压力通常较大，阳极斑点压力较小。当电极上形成熔滴并出现斑点时，熔滴和电弧空间的电流线都在斑点处集中，电磁力的合力方向是由小断面指向大断面，所以斑点处将受到向上的电磁收缩力，阻碍熔滴下落。通常阴极斑点比阳极斑点的收缩程度大，受力亦较大。由于斑点上电流密度及局部温度很高，从而产生强烈的蒸发，使金属蒸气以一定速度由斑点发射出来，它将施加给斑点一定的反作用力。由于阴极斑点的电流密度比阳极斑点的高，发射要更强烈，因此受力更大。第四十二页，共五十八页，2022年，8月28日爆破力焊接过程中出现熔滴短路，电弧瞬时熄灭。当短路电流很大时，短路金属液柱中电流密度很高，在金属液柱内产生很大的电磁收缩力，使缩颈变细。电阻热使金属液柱小桥温度急剧升高，使液柱汽化爆断，此爆破力可能使液体金属形成飞溅。液柱爆断后电弧重新点燃，电弧空间的气体突然受高温加热而膨胀，局部压力骤然升高，对熔池和焊丝端头的液态金属会形成较大的冲击力，严重时也会造成飞溅。细滴冲击力用富氩气体保护以射流过渡焊接时，熔化金属形成连续细滴沿焊丝轴向射至熔池。这些熔滴在等离子流力作用下，以很高的加速度（可达重力加速度的50倍以上）冲向熔池，到达熔池时其速度可达每秒几百米。尽管每个熔滴重量仅几十毫克，但这些细滴具有很大的动能，形成细熔滴对熔池的冲击力。第四十三页，共五十八页，2022年，8月28日影响电弧力的因素气体介质导热性强或多原子气体皆能引起弧柱收缩，导致电弧力的增加。保护气体流量或电弧空间气体压力增加，也会引起电弧收缩并使电弧压力增加，同时引起斑点收缩进一步加大了斑点压力。这将阻止熔滴过渡，使熔滴颗粒增大而过渡困难。焊接电流与电压焊接电流增大时电磁收缩力和等离子流皆增加，故电弧力也增大。而电弧电压升高亦即电弧长度增加时，使电弧压力降低。第四十四页，共五十八页，2022年，8月28日焊丝直径焊丝直径越细，电流密度越大，电磁力越大，造成电弧锥形越明显，则等离子流力越大，使电弧的总压力增大。电源极性钨极氩弧焊，当钨极接负时，允许通过的电流大，阴极导电区收缩的程度大，将形成锥度较大电弧，产生的轴向推力较大，电弧压力也大。反之钨极接正，则形成较小的电弧压力。工频交流TIG焊时，电弧压力介于二者之间。对于熔化极气体保护焊，也要考虑熔滴过渡形式。直流正接，焊丝受到较大的斑点压力，使熔滴长大不能顺利过渡，不能形成很强的电磁力与等离子流力，因此电弧压力小。直流反接，焊丝端部熔滴受到的斑点压力小，形成细小熔滴，有较大的电磁力与等离子流力，电弧压力较大。第四十五页，共五十八页，2022年，8月28日电极形状钨极端头角度越小（尖），使电极上的导电区缩小，加大了电磁收缩力，则电弧力越大。另外，焊条端头有尖角可减少补充气流的阻力，有利于提高等离子流的流速，从而提高电弧的电磁动压力。脉冲电流当电流以某一规律变化时，电弧压力也变化。高频脉冲钨极氩弧焊接时，脉冲电流的频率达到几千赫兹以上。在同样平均电流条件下，由于高频电磁效应，电弧压力随电流脉冲频率的增加而增大。第四十六页，共五十八页，2022年，8月28日磁场对电弧的作用带电粒子动力受电磁力影响而向电弧轴线集中如果磁力线不均匀则出现磁偏吹现象第四十七页，共五十八页，2022年，8月28日第5节熔滴过渡焊丝金属的熔化焊丝的熔化主要是靠阴极区（正接）或阳极区（反接）所产生的热量，而弧柱的幅射热居次要地位；同时有外伸长处的电阻热。细丝熔化极电气焊接时，正接时的产热要大于反接；熔化速度单位时间内焊丝熔化的重量；熔化系数单位时间内通过单位电流时熔化金属的重量当焊接电流、焊丝直径和外伸长一定时，焊丝成分、电流极性、气体介质和熔滴过渡形态等都会影响熔化速度。第四十八页，共五十八页，202