《电弧焊与电渣焊》第1章 焊接电弧

电弧焊与电渣焊第1章焊接电弧

本章将讲述有关焊接电弧的根底理论知识，包括电弧的物理本质、导电机构、电特性、产热机构、和产力结构，以及影响焊接电弧稳定性的因素等。1.气体放电现象:气体放电是指气体电离。电离气体具有与通常状态下的气体所不同的性质，被称作等离子体。继固体、液体、气体之后的物质的第四种存在状态，以高导电性为其特征。电弧的本质是气体放电。§1.1焊接电弧的物理根底一、电弧的物理本质2.气体放电形式1)非自持放电特点：需要外加能量2)自持放电特点：不需要外加能量暗放电辉光放电电弧放电特点：电流最大；电压最低；温度最高；发光最强。应用：工业中广泛应用来作为热源和光源。三种形式3.放电形式与电流、电压的关系二、电弧中带电离子的产生产生电弧的两个根本条件：1.有带电离子2.两电极之间有一定的电场强度带电粒子种类正离子负离子电子带电粒子来源电极的电子发射扩散及复合电弧中气体介质的电离〔一〕阴极电子发射阴极电子发射是电源持续向电弧供给能量的唯一途径，也是电弧产热及中性粒子电离的初始根源。阴极电子发射种类：1.热电子发射〔1〕定义：金属外表承受热作用而产生的电子发射。〔2〕过程描述〔3〕热阴极〔W、C〕和冷阴极〔钢、Cu及Al等〕2.场致发射〔1〕定义：阴极外表空间有强电场存在并到达一定程度时，电子获得足够能量而冲破电极外表飞入电弧空间。〔2〕特点电场存在相当于减小了逸出电压，所以在较低温度下可发射电子。3.光发射金属外表受到光照射后，其电子接受某一特定波长光子的能量后提高了自身的能量所产生的电子逸出。高速运动的外部粒子碰撞金属外表后，把其自身动能传递给金属中的电子，促使其逸出金属外表，在电弧条件下表现为正离子对阴极的碰撞。4.粒子碰撞发射2.分类〔根据外加能量种类〕热电离场电离光电离〔二〕气体电离1.定义在外加能量的作用下，使中性气体分子或原子别离成为正离子和电子的现象。1.带电粒子的扩散带电粒子在定向运动过程中出现从电弧内部向外部周边区域的移动；在电弧形态上表现出扩展形态；不会造成电弧整体电荷密度的均一分布；扩散使得电弧中带电粒子的分布处于相对的动平衡状态。2.带电离子的复合电子与正离子相遇后重新结合成中性粒子；主要出现在电弧温度较低的区域,以电弧外围区域表现更为频繁；是一项重要的电弧行为,对电弧热量平衡和导电性造成影响；带走热量。〔三〕电弧中带电离子的消失§1.2焊接电弧的产生过程

电弧焊时，仅仅把焊接电源电压加到电极与焊件两端是不能产生电弧的，首先需要在电极与焊件之间提供一个导电的通道，才能引燃电弧。两种引弧方式:

接触式引弧非接触式引弧1.定义2.引弧的三阶段〔1〕短路阶段〔2〕别离阶段〔3〕燃弧阶段3.应用一、接触式引弧焊条与焊件短路时的接触状态1.定义2.引弧的两阶段〔1〕激发阶段〔2〕燃弧阶段3.引弧高压种类〔1〕高频高压〔2〕高压脉冲4.应用二、非接触式引弧高频高压引弧电压波形高压脉冲引弧电压波形§1.3焊接电弧的构造及导电机构一、焊接电弧的构造：阴极区、阳极区和弧柱1、阴极区：长度极短、电压较大、E〔电场强度〕极高2、阳极区：长度也极短、电压较大、E极高3、弧柱区长度根本上等于电弧长度，E较小二、阴极区的导电机构

所谓导电机构就是指带电粒子产生、运动方式。〔一〕阴极区在导电过程中的作用1、产生弧柱区导电所需要电子流Ⅰe=0.999Ⅰ2、接收弧柱区来的正离子流Ⅰ+=0.001Ⅰ〔二)阴极区在导电机构分类1、热发射型2、场至发射型3、等离子型1.热发射型〔1〕产生条件：W、C阴极，且电流很大〔2〕带电粒子的产生方式：热发射热阴极：弧柱导电所需要的电子可完全由热发生来产生的阴极。冷阴极：热发射能力缺乏的阴极。热阴极材料：熔点高的材料

冷阴极材料：熔点低的材料。〔3〕特点：无阴极区、无阴极压降Uk。2.场致发射型〔1〕条件：〔a〕W、C阴极、且Ⅰ较小 〔b〕AI、Fe、Cu作阴极〔2〕带电离子产生方式〔a〕场发射；〔b〕场电离；〔c〕热发射；〔d〕碰撞发射。〔3〕特点：〔a〕阴极附近存在一个正电荷区；〔b〕fe<0.999Ⅰ、f+>0.001Ⅰ；〔c〕阴极区断面收缩；〔d〕阴极外表上产生阴极斑点。++++++++++++++++++++++------+++++-----Uk阴极区弧柱区阴极热发射场发射碰撞发射场电离0.999I电场发射型导电机构〔1〕条件：〔a〕W、C热阴极，且I较小：或AI、Fe、Cu冷阴极；〔b〕气压较小，Uk<Ui。〔2〕带电粒子产生方式：热电离〔3〕特点：〔a〕阴极附近存在一个正电荷区；〔b〕fe<0.999Ⅰ、f+>0.001Ⅰ；〔c〕阴极区断面收缩；〔d〕阴极外表上产生阴极斑点。3.等离子型导电机构三、弧柱区的导电机构1.带电粒子的产生〔1〕电离：热电离、光电离和场致电离〔2〕阴极区注入的电子〔3〕阳极区注入的正离子2.带电离子的运动〔1〕A+冲向阴极→正离子流IA+〔2〕e冲向阳极→电子流Ie I=IA++Ie 其中：IA+=0.1%I；Ie=99.9%I3.特点： 〔1〕电中性；〔2〕E小、Ua小。四、阳极区的导电机构〔一〕阳极区在导电过程中的作用1.接收弧柱区来的电子流Ie=0.999I2.产生弧柱区所需要的正离子流IA+=0.001I〔二〕电离方式1.热电离2.场致电离1.热电离〔1〕产生条件：I较大〔2〕带电离子产生方式：热电离〔3〕特点：〔a〕阳极压降小，甚至为0〔b〕不存在阳极斑点。2.场致电离〔1〕产生条件：I较小〔2〕带电粒子的产生方式：热电离、场电离〔3〕特点：〔a〕有阳极区，发生收缩；〔b〕Ua较大；〔c〕有阳极斑点。阳极区带电粒子的运动情况和电位分布示意图五、最小电压原理1.定义电流一定和周围条件一定时，稳定燃烧的电弧各导电区的半径〔温度〕应使电弧电场强度最小，即电弧电压最小。2.含义〔1〕电场强度是温度或电弧断面半径的函数E=f〔T〕 E=f〔r〕〔2〕电弧半径稳定值r*由E的最小值E*确定§1.4焊接电弧的电特性焊接电弧的电特性主要指的是焊接电弧的静特性和焊接电弧的动特性。一、焊接电弧静特性1.定义在某一弧长的条件下，在稳定的保护气流量和电极条件下，改变电弧电流数值，在电弧到达稳定状态下，所对应的电弧电压曲线。焊接电弧的静特性曲线是一条呈U型的曲线，分三个区：下降特性区〔小电流，负阻性〕、平特性区〔中等电流，电压不变〕和上升特性区〔大电流，正阻性〕。2.负载特性—非线性负载〔U型曲线〕3.各区电压降Uc弧柱区电压降与焊接电流关系UA阳极区电压降与焊接电流关系AK阴极区电压降与焊接电流关系二、焊接电弧的动特性1.定义：

对于一定弧长的电弧，当电弧电流发生连续快速变化时，电弧电压与电流瞬时值之间的关系。反映了电弧的导电性对电流变化的响音能力。

说明：只有交流电弧和电流变动的直流电弧存在动特性问题。2.交流电弧的动特性PQR是电流从零增加到最大值期间的电弧电压曲线；RST是电流从最大值减小到零期间的电弧电压曲线；交流电弧动特性呈回线形状。

PQR曲线与RST曲线越接近，反映电弧中带电粒子浓度越稳定，电弧的稳定性越好。3.电流变动的直流电弧的动特性

电弧动特性呈回线形状。电流变动的直流电弧动特性曲线的形状随电流脉冲峰值和变化速率变化，相同弧长下，电流脉冲峰值越大，其回线越长；脉冲电流的变化速率di/dt越大，其回线包围的面积越大。电流峰值大，di/dt＝3600kA/s电流峰值小，di/dt＝2500kA/s§1.5焊接电弧的产热及温度分布一、焊接电弧的产热机构〔一〕阴极区的产热1.本质：产生电子、接受正离子的过程中有能量变化，这些能量的平衡结果就是产热，由三局部组成：〔1〕电子逸出阴极时消耗能量：-IUw〔2〕电子进入弧柱前被电场〔Ek〕加速得到一局部能量： +IaUk〔3〕电子进入弧柱时带走的能量：-IUT〔温度等效电压〕2.产热公式Pk=I〔Uk-Uw-UT〕3.作用：用于加热阴极〔二〕阳极区的产热机构1.本质：接受电子、产生A+过程中伴随的能量转换，由三局部组成：〔1〕e被UA加速所得到的能量：+eUA〔2〕电子带来的逸出功：+IUw〔3〕电子带来的相当于弧柱温度那局部能量+IUw2.产热公式 PA=I〔UA+Uw+UT〕3.作用 用于加热阳极〔三〕弧柱的产热机构1.本质：A+、e在电场作用下被加速、使其动能增大的过程。其宏观表现即为温度上升→产热。由于运动速度，自由程度不同，A+、e得到的能量不同，TA+、Te、TA-有可能不同。电子动能：定向运动动能—Ie散乱运动动能—热运动，表现为热能。2.产热量Pc=IaUa主要用于散热损失：对流、幅射、传导。3.影响因素 不仅取决于电流，但凡影响Ua的因素均影响弧柱的产热。二、焊接电弧的温度分布1.焊接电弧轴向温度分布两极区低弧柱区高2.焊接电弧径向温度分布

中心高四周低3.影响弧柱温度的因素〔1〕电流，Ia↑T↑；〔2〕气体介质：导热系数↑，热解离↑；T↑〔3〕电极材料；〔4〕拘束度越大，电弧温度越高。§1.6焊接电弧力及其影响因素一、焊接电弧力1.电磁收缩力通过电弧〔熔滴〕的电流线之间的相互吸引力，对电弧或熔滴起着压缩作用，该力被称为电磁收缩力。导体的电磁力液态导体电磁力的收缩效应2.等离子流力〔1〕定义：连续不断的气流，称作等离子气流，到达工件外表时形成附加的一种压力，称作等离子流力。〔2〕等离子流力与等离子气流的速度、焊接电流值、电极状态、电弧形态、电弧长度等有关。电弧等离子气流的产生3.斑点压力当电极外表上形成斑点时，因斑点的导电和导热特点，在斑点上产生斑点压力，包括3种力。阴极斑点力大于阳极斑点力。〔1〕带电粒子撞击力阴极：A+撞击大阳极：e撞击小〔2〕蒸发反力阴极：T高，力大阳极：T低，力小〔3〕电磁收缩力阴极：大阳极：小焊丝、熔滴及电弧中电流线分布二、焊接电弧力的影响因素1.电弧电流及电弧电压 电流增大，电弧力增大；电压增大，电弧力减小。2.焊丝直径 直径越小，电弧力越大3.电极的极性

TIG焊时，电弧力大；而熔化极气体保护焊焊正好相反。4.气体介质

导热好，易解离的气体，电弧力大，特别是斑点力较大。5.电流的脉动

工频交流钨极氩弧焊，其电弧力低于直流正接时的压力，高于直流反接时的压力。6.钨极端部几何形状钨极端部角度为45度时具有最大的电弧力。§1.7焊接电弧稳定性及影响因素一、焊接电弧稳定性及评判1.定义：焊接时电弧保持稳定燃烧的程度。2.稳定性好的评判：长时间连续燃烧，不产生断弧，不产生漂移和磁偏吹等，电压和电流稳定。3.稳定性差的表现：焊接过程无法进行，不仅使焊接过程无法进行，而且能大大降低焊缝的内在质量。二、焊接电弧稳定性的影响因素⒈焊接电源⑴焊接电源的特性电