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1、1,第一章电弧焊基础知识Basic knowledge of arc welding,1 焊接电弧及其特性 2 焊丝熔化及熔滴过渡 3 母材熔化及焊缝成形,2,1 焊接电弧及其特性Welding arc and its characteristics,一、焊接电弧的概念 二、焊接电弧的导电特性 三、焊接电弧的能量特性 四、焊接电弧的温度分布 五、焊接电弧的电磁特性,3,图1-1 电弧示意图,一、焊接电弧的概念,所谓气体放电，是指当两电极之间存在电位差时，电荷从一极穿过气体介质到达另一极的导电现象（图1-1）。 但是并不是所有的气体放电现象都是电弧，电弧仅是其中的一种形式。,电弧：电压的两电极之
2、间或电极与母材之间的气体介质中产生的强烈而持久的放电现象。,4,图1-2是一对电极气体放电的伏安特性曲线，根据气体放电的特性，可以将其分为两个区域，即非自持放电区和自持放电区。 当导电电流大于一定值时，就会产生这种自持放电。在自持放电区内，当电流数值不同时，导电机构也有差异，可以分为暗放电、辉光放电和电弧放电三种形式。,二、焊接电弧的导电特性,5,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
3、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。,二、焊接电弧的导电特性,6,图1-2 气体放电的伏安特性曲线,电流最大、电压最低、温度最高、发光最强,二、焊接电弧的导电特性,1.电弧的伏安特性,7,两电极之间要产生气体放电必须具备两个条件，一是必须有带电粒子，二是在两极之间必须有一定强度的电场。 电弧中的带电粒子指的是电子、正离子和负离子。引燃电弧和维持电弧燃烧的带电粒子是电子和正离子。这两种带电粒子主要是依靠电弧中气体介质的电离和电极的电子发射两个物理过程产生的。 在电弧引燃和燃烧的过程中，除了存在电离和发射这两个过程外，还伴随有气体解
4、离、激励、生成负离子、复合等过程。,2.电弧中带电粒子的产生,8,（一）气体的电离,两电极之间的气体受到外加能量（如外加电场、光辐射、加热等）作用时，气体分子热运动加剧。当能量足够大时，由多原子构成的气体分子就会分解为原子状态，这个过程称为解离。,9,在外加能量的作用下，使中性气体分子或原子分离成为正离子和电子的现象称为电离。电离时，中性气体分子或原子吸收了足够的能量，使得其中的电子脱离原子核的束缚而成为自由电子，同时使原子成为正离子。 使中性气体粒子失去第一个电子所需要的最低外加能量称为第一电离能，生成的正离子称为一价正离子，所发生的电离称为一次电离。,（1）电离与激励,（一）气体的电离,1
5、0,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1.610-19J。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）电离与激励,（一）气体的电离,11,气体电离电压的大小说明电子脱离原子或分子所需要外加能量的大小，也说明某种气体电离的难易程度。在相同的外加条件下，气体电离电压低说明产生带电粒子比较容易，就此而言，有利于维持电弧稳定燃烧。,（1）电离与激励,（一）气体的电离,12,不仅原子状态的气体可以被电离，而且分子状态的气体也可以直接
6、被电离。但由于一般情况下电子脱离气体分子需要克服原子对电子和分子对电子的两层约束，因此分子状态时的气体电离电压比原子状态时的电离电压值要高一些。 例如氢原子为13.5V，而氢分子为15.4V。但是有些气体分子的电离电压反而比原子的电离电压低，如NO分子的电离电压为9.5V，而N原子和O氧子的电离电压分别为14.5V和13.5V。,（1）电离与激励,（一）气体的电离,13,表1-1 常见气体的电离电压,（一）气体的电离,14,续表1-1,注：括号内的数字依次为二次、三次、电离电压。,（一）气体的电离,15,当电弧空间同时存在电离电压不同的几种气体时，在外加能量的作用下，电离电压较低的气体粒子将首
7、先被电离。如果这种低电离电压的气体供应充分，电弧空间的带电粒子将主要依靠这种气体的电离来提供，所需外加的能量也主要是取决于这种气体的电离电压。 例如，Fe的电离电压为7.9V，比CO2（13.7V）或Ar（15.7V）低很多，当用气体保护焊焊接钢材时，如果焊接电流足够大，电弧空间将充满由铁蒸汽电离而生成的带电粒子，外加能量相对较低。,（1）电离与激励,（一）气体的电离,16,激励是当中性气体分子或原子受到外加能量的作用不足以使电子完全脱离气体分子或原子，而使电子从较低的能级转移到较高的能级的现象。通过加热、电场作用或光辐射均可产生激励现象。由于产生激励时电子尚未脱离分子或原子，因此气体分子或原
8、子对外仍呈中性，但是激励状态是一种非稳定状态，它存在的时间很短暂。,（1）电离与激励,（一）气体的电离,17,使中性气体分子或原子激励所需要的最低外加能量称为最低激励能，若以伏为单位来表示，则称为激励电压。 表1-2是常见气体粒子的最低激励电压。激励电压越小，说明这种气体分子或原子越容易发生激励。,（1）电离与激励,（一）气体的电离,18,根据外加能量种类的不同，电离可以分为以下三类： 1）热电离 气体粒子受热的作用而产生的电离称为热电离。其实质是气体粒子由于受热而产生高速运动和相互之间激烈碰撞而产生的一种电离。,（2）电离的种类,（一）气体的电离,19,这些高速运动的气体粒子相互之间频繁而激
9、烈地碰撞，碰撞的结果有两种情况：产生弹性碰撞或产生非弹性碰撞。其中弹性碰撞是非破坏性的。碰撞时粒子之间只发生动能的传递和再分配，碰撞前后两个粒子的动能之和基本不变，粒子的内部结构也不发生任何变化，只能引起粒子运动速度和温度变化。这种情况通常是在气体粒子拥有的动能较低时发生的。非弹性碰撞是破坏性的，通常在气体粒子拥有较大动能时发生。碰撞时，部分或全部动能转化为内能，被碰撞的气体粒子内部结构将发生变化。,（2）电离的种类,（一）气体的电离,20,如果此内能大于激励电压，则粒子被激励，如果此内能大于电离电压，则粒子被电离。相互碰撞的两物体的能量传递情况与它们的质量有密切关系。电子的质量远远小于气体原
10、子、分子或离子，因此当具有足够动能的电子与中性粒子进行非弹性碰撞时，它的动能几乎可以全部传给中性粒子，转换为中性粒子的内能，使其激励或电离。,（2）电离的种类,（一）气体的电离,21,2）场致电离 当气体中有电场作用时，气体中的带电粒子被加速，电能被转换为带电粒子的动能，当其动能增加到一定程度时，能与中性粒子产生非弹性碰撞，使之电离，这种电离称为场致电离。,（2）电离的种类,（一）气体的电离,22,对于一般电弧来说，由于各个部位的温度、电场强度不同，因而所产生的电离形式不尽相同。其中，弧柱部分的温度高达500030000K，而电场强度只有10V/cm左右，因此热电离是其产生带电粒子的主要途径，
11、场致电离是次要的；阳极压降区和阴极压降区（即阳极和阴极前面的极小区间）温度低于弧柱部分，而电场强度高达105107V/cm，因此场致电离很显著。,（2）电离的种类,（一）气体的电离,23,3）光电离 中性粒子接受光辐射的作用而产生的电离现象称为光电离。不是所有的光辐射都可以引发电离，气体都存在一个能产生光电离的临界波长，气体的电离电压不同，其临界波长也不同，只有当接受的光辐射波长小于临界波长时，中性气体粒子才可能被直接电离。,（2）电离的种类,（二）气体的电离,24,（二）电子的发射,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表面的束缚而飞到电弧空间的现象称为电子发射。 电子发射在阴
12、极和阳极皆可能发生，但是从阳极发射出来的电子因受到电场的排斥，不能参加导电过程，只有从阴极发射出的电子，在电场的作用下才能参加导电过程。,25,一般情况下，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功（Ww），单位为电子伏。因电子电量e是一个常数，通常以逸出电压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1-4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,26,表1-4 几种金属及其氧
13、化物的逸出功,（二）电子的发射,27,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）电子的发射,28,（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
14、的电子以维持电弧稳定燃烧的。,（二）电子的发射,29,（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。,电子发射吸收的是光辐射能，不从金属表面带走热量，因而对电极没有冷却作用。电弧焊时，焊接电弧发出的光能够引起电极产生光发射，但由于光亮不足够强。因此，光发射在阴极电子发射中居于次要的地位。,（二）电子的发射,30,（4）粒子碰撞发射 高速运动的粒子（电子或正离子）碰撞金属电极表面时，将能量传给电极表面的电子，使电子能量增加并飞出电极表面，这种现象称为粒子碰撞发射。,焊接电弧中正离子撞击阴极表面产生的电子发射是很
15、典型的粒子碰撞发射。,（二）电子的发射,31,在实际焊接电弧中，上述几种电子发射形式常常同时存在，而且相互补充。但是在不同的条件下，有的发射形式比较强，有的则比较弱。,（二）电子的发射,32,电弧中的带电粒子除了电子和正离子之外，还有负离子。负离子是在一定条件下一些中性原子或分子吸附一个电子而形成的。中性粒子吸附电子形成负离子时，其内部的能量不是增加而是减少。减少的这部分能量称为中性粒子的电子亲和能。通常是以热或辐射能（光）的形式释放出来。,（三）产生负离子,33,负离子也带有与电子相同的负电荷，但其质量比电子大得多，因此其运动速度低，不能有效地参加电弧的导电过程，特别是负离子的产生使电弧空间
16、的电子数量减少，反而能导致电弧导电困难，使电弧的稳定性降低。,（三）产生负离子,34,补充：电弧中带电粒子的消失,电弧导电过程中不仅有带电粒子的产生过程，而且有带电粒子的消失过程，而且，当电弧稳定燃烧时这两个过程处于动态平衡状态，即在单位时间内产生的带电粒子数目等于消失的带电粒子的数目。,35,1.3 焊接电弧的构造及其导电机构,焊接电弧是由阴极区、阳极区和弧柱区三部分构成的。这三部分尺寸不同,电压降也不同,一般情况下如图1-6所示。,1.3.1 焊接电弧的构造,图1-6 电弧各区的电压分布,36,通常在阳极表面上也可以看到一个很小但很光亮的斑点,称为阳极斑点,是集中接收电子的地方,电流密度也很大。弧柱区是阴极区和阳极区之间的区域,它的长度很长,可以看成整个电弧的长度,而其电压降UC比前两者均小,因此其电场强度也比较小，通常只有510 V/cm。,37,对于每一个焊接电弧,电弧的电压Ua都等于阴极电压降UK 、弧柱电压降UC和阳极电压降VA之和,即 Ua=Uk+Uc+UA,38,1.3.2 焊接电弧的导电机构,阴极区的总电流是由电子流和正离子
