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1、焊接工艺与设备焊接工艺与设备主讲教师：杨莉主讲教师：杨莉目录目录n n第一章第一章 电弧焊基础知识电弧焊基础知识n n第二章第二章 电弧焊熔化现象电弧焊熔化现象 n n第三章第三章 钨极氩弧焊钨极氩弧焊n n第四章第四章 等离子弧焊接等离子弧焊接n n第五章第五章 CO2气体保护电弧焊气体保护电弧焊n n第六章第六章 熔化极氩弧焊熔化极氩弧焊n n第七章第七章 埋弧焊埋弧焊n n第八章第八章 电渣焊电渣焊教材与参考书教材与参考书n n教材教材教材教材 ： n n杨春利、林三宝电弧焊基础杨春利、林三宝电弧焊基础杨春利、林三宝电弧焊基础杨春利、林三宝电弧焊基础 . .哈尔滨：哈尔滨工业大哈尔滨：哈
2、尔滨工业大哈尔滨：哈尔滨工业大哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，学出版社，学出版社，学出版社， 2003 . 2 2003 . 2n n参考书参考书参考书参考书 ： n n王宗杰、刘金合熔焊方法及设备北京：王宗杰、刘金合熔焊方法及设备北京：王宗杰、刘金合熔焊方法及设备北京：王宗杰、刘金合熔焊方法及设备北京： 机械工业出机械工业出机械工业出机械工业出版社，版社，版社，版社， 2007.2. 2007.2.n n邱葭菲，焊接方法与设备北京：化学工业出版社，邱葭菲，焊接方法与设备北京：化学工业出版社，邱葭菲，焊接方法与设备北京：化学工业出版社，邱葭菲，焊接方法与设备北京：化学工业出版社，2009.200
3、9.第一章第一章 电弧焊基础知识电弧焊基础知识n n第一节第一节第一节第一节 电弧的导电机理电弧的导电机理电弧的导电机理电弧的导电机理n n电弧：电弧：电弧：电弧： 是在一定条件下电荷通过两电极间气体空间的一种导电过是在一定条件下电荷通过两电极间气体空间的一种导电过是在一定条件下电荷通过两电极间气体空间的一种导电过是在一定条件下电荷通过两电极间气体空间的一种导电过程程程程( (图图图图11)11)，也是气体放电的一种重要形式。，也是气体放电的一种重要形式。，也是气体放电的一种重要形式。，也是气体放电的一种重要形式。n n电弧的作用：电弧的作用：电弧的作用：电弧的作用：借助于这种气体放电形式将电
4、能转换为热能、机械借助于这种气体放电形式将电能转换为热能、机械借助于这种气体放电形式将电能转换为热能、机械借助于这种气体放电形式将电能转换为热能、机械能和光能，焊接时主要是利用其热能和机械能来达到金属连接的能和光能，焊接时主要是利用其热能和机械能来达到金属连接的能和光能，焊接时主要是利用其热能和机械能来达到金属连接的能和光能，焊接时主要是利用其热能和机械能来达到金属连接的目的。目的。目的。目的。n n一、电弧放电的特点一、电弧放电的特点一、电弧放电的特点一、电弧放电的特点n n二、电弧中带电粒子的产生二、电弧中带电粒子的产生二、电弧中带电粒子的产生二、电弧中带电粒子的产生n n三、电弧各区域的
5、导电机构三、电弧各区域的导电机构三、电弧各区域的导电机构三、电弧各区域的导电机构n n四、最小电压原理四、最小电压原理四、最小电压原理四、最小电压原理 n n五、电弧的静特性五、电弧的静特性五、电弧的静特性五、电弧的静特性 第二节第二节 焊接电弧的产热及温度分焊接电弧的产热及温度分布布一、电弧放电的特点一、电弧放电的特点1 1 1 1、气体的放电：、气体的放电：、气体的放电：、气体的放电：正常状态的气体导电时，带电粒子的产生过程，这就正常状态的气体导电时，带电粒子的产生过程，这就正常状态的气体导电时，带电粒子的产生过程，这就正常状态的气体导电时，带电粒子的产生过程，这就 是气体的放电过程。是气
6、体的放电过程。是气体的放电过程。是气体的放电过程。n n气体放电在形式和性质的取决因素：气体放电在形式和性质的取决因素：气体放电在形式和性质的取决因素：气体放电在形式和性质的取决因素：气体的种类和压力气体的种类和压力气体的种类和压力气体的种类和压力、电极材料和电极材料和电极材料和电极材料和几何形状几何形状几何形状几何形状、两极间距离以及施加在两极间电压高低两极间距离以及施加在两极间电压高低两极间距离以及施加在两极间电压高低两极间距离以及施加在两极间电压高低2 2 2 2、气体放电形式：、气体放电形式：、气体放电形式：、气体放电形式：按是否需要外界电离源按是否需要外界电离源按是否需要外界电离源按
7、是否需要外界电离源( ( ( (如如如如x x x x射线、宇宙射线、阴极的射线、宇宙射线、阴极的射线、宇宙射线、阴极的射线、宇宙射线、阴极的加热等加热等加热等加热等) ) ) )来维持放电，可分为非自持放电和自持放电两大类。来维持放电，可分为非自持放电和自持放电两大类。来维持放电，可分为非自持放电和自持放电两大类。来维持放电，可分为非自持放电和自持放电两大类。1 1 1 1）非自持放电：）非自持放电：）非自持放电：）非自持放电：起始的带电粒子是由外界电离源所引起的，呈暗放电状起始的带电粒子是由外界电离源所引起的，呈暗放电状起始的带电粒子是由外界电离源所引起的，呈暗放电状起始的带电粒子是由外界
8、电离源所引起的，呈暗放电状态，当外界电离源取消后，放电就立刻停止，这种取决于外界因素的态，当外界电离源取消后，放电就立刻停止，这种取决于外界因素的态，当外界电离源取消后，放电就立刻停止，这种取决于外界因素的态，当外界电离源取消后，放电就立刻停止，这种取决于外界因素的气体导电现象称之为非自持放电。气体导电现象称之为非自持放电。气体导电现象称之为非自持放电。气体导电现象称之为非自持放电。2 2 2 2）自持放电：）自持放电：）自持放电：）自持放电：当电流大于当电流大于当电流大于当电流大于定数值时，气体导电过程本身就可以产生维定数值时，气体导电过程本身就可以产生维定数值时，气体导电过程本身就可以产生
9、维定数值时，气体导电过程本身就可以产生维持导电所需要的带电粒子，即使取消于外界电离源，放电过程仍可继持导电所需要的带电粒子，即使取消于外界电离源，放电过程仍可继持导电所需要的带电粒子，即使取消于外界电离源，放电过程仍可继持导电所需要的带电粒子，即使取消于外界电离源，放电过程仍可继续维持下去，这种过程称为自持放电。续维持下去，这种过程称为自持放电。续维持下去，这种过程称为自持放电。续维持下去，这种过程称为自持放电。3 3 3 3、电弧放电的特点：、电弧放电的特点：、电弧放电的特点：、电弧放电的特点：电流密度大；阴极电压降低；温度高电流密度大；阴极电压降低；温度高电流密度大；阴极电压降低；温度高电
10、流密度大；阴极电压降低；温度高(5000(5000(5000(5000 30000K) 30000K) 30000K) 30000K)；发光度强。；发光度强。；发光度强。；发光度强。 返回返回返回返回二、电弧中带电粒子的产生二、电弧中带电粒子的产生二、电弧中带电粒子的产生二、电弧中带电粒子的产生n n电孤是由两个电极和它们之间的气体空间组成。电孤是由两个电极和它们之间的气体空间组成。电孤是由两个电极和它们之间的气体空间组成。电孤是由两个电极和它们之间的气体空间组成。n n产生和维持电弧燃烧的条件：产生和维持电弧燃烧的条件：产生和维持电弧燃烧的条件：产生和维持电弧燃烧的条件：两电极之间的气体电离
11、两电极之间的气体电离两电极之间的气体电离两电极之间的气体电离和和和和电极发射电子电极发射电子电极发射电子电极发射电子n n同时伴随着一些其它过程如：同时伴随着一些其它过程如：同时伴随着一些其它过程如：同时伴随着一些其它过程如：解离、激励、扩散、复合、负离子解离、激励、扩散、复合、负离子解离、激励、扩散、复合、负离子解离、激励、扩散、复合、负离子的产的产的产的产生等。生等。生等。生等。 ( ( ( (一一一一) ) ) )气体的电离和激励气体的电离和激励气体的电离和激励气体的电离和激励 1 1 1 1、电离：在一定条件下中性气体分子或原子分离为正离子和电子的、电离：在一定条件下中性气体分子或原子
12、分离为正离子和电子的、电离：在一定条件下中性气体分子或原子分离为正离子和电子的、电离：在一定条件下中性气体分子或原子分离为正离子和电子的现象称为电离。现象称为电离。现象称为电离。现象称为电离。n n气体分子或原子（中）气体分子或原子（中）气体分子或原子（中）气体分子或原子（中）正电荷正电荷正电荷正电荷( ( ( (原子核原子核原子核原子核) ) ) )（+ + + +）+ + + +负电荷负电荷负电荷负电荷( ( ( (电子电子电子电子) ) ) ) 。n n(1)(1)(1)(1)在普通焊接电弧中，当焊接电流较小时只存在一次电离，在普通焊接电弧中，当焊接电流较小时只存在一次电离，在普通焊接电
13、弧中，当焊接电流较小时只存在一次电离，在普通焊接电弧中，当焊接电流较小时只存在一次电离，而在大而在大而在大而在大电流或压缩焊接电弧中，电弧的热力学温度达到几万电流或压缩焊接电弧中，电弧的热力学温度达到几万电流或压缩焊接电弧中，电弧的热力学温度达到几万电流或压缩焊接电弧中，电弧的热力学温度达到几万K K K K时可能出现二时可能出现二时可能出现二时可能出现二次或三次电离，但这种情况下，一次电离仍居主要地位次或三次电离，但这种情况下，一次电离仍居主要地位次或三次电离，但这种情况下，一次电离仍居主要地位次或三次电离，但这种情况下，一次电离仍居主要地位n n(2)(2)(2)(2)当电弧空间同时存在电
14、离电压不同的几种气体时，在外加能量的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先被电离，所需要的外加能量也作用下，电离电压较低的气体粒子将先被电离，所需要的外加能量也作用下，电离电压较低的气体粒子将先被电离，所需要的外加能量也作用下，电离电压较低的气体粒子将先被电离，所需要的外加能量也主要取决于这种气体的电离电压主要取决于这种气体的电离电压主要取决于这种气体的电离电压主要取决于这种气体的电离电压. . . .n n2 2、激励：、激励：、
15、激励：、激励：当中性粒子接受外来能量的作用还不足以使当中性粒子接受外来能量的作用还不足以使电子完全脱离气体原于或分子时，但可能使电子从较低电子完全脱离气体原于或分子时，但可能使电子从较低的能级转移到较高的能级，则中性粒子内部的稳定状态的能级转移到较高的能级，则中性粒子内部的稳定状态也被破坏，这种状态称为也被破坏，这种状态称为激励激励激励激励。n n激励电压激励电压激励电压激励电压：使中性粒子激励所需要的最低外加能量称为使中性粒子激励所需要的最低外加能量称为最低激励电压最低激励电压( (也是以伏表示也是以伏表示) )。激励电压数值低于该元。激励电压数值低于该元素电离电压的数值。素电离电压的数值。
16、3、能量传递方式、能量传递方式n n两种传递方式：两种传递方式：两种传递方式：两种传递方式：碰撞传递碰撞传递碰撞传递碰撞传递；光辐射传递光辐射传递光辐射传递光辐射传递。n n(1)(1)碰撞传递碰撞传递碰撞传递碰撞传递 n n弹性碰撞：弹性碰撞：弹性碰撞：弹性碰撞：气体粒子间只产生动能的传递和再分配，碰撞后的两粒子动能之气体粒子间只产生动能的传递和再分配，碰撞后的两粒子动能之和基本不变，粒子内部结构不发生任何变化。因此弹性碰撞的结果只使粒子和基本不变，粒子内部结构不发生任何变化。因此弹性碰撞的结果只使粒子的运动速度发生变化，并引起气体温度的变化，不能产生气体的电离或激励的运动速度发生变化，并引
17、起气体温度的变化，不能产生气体的电离或激励过程，这种情况是在气体粒子拥有动能较低时产生的。过程，这种情况是在气体粒子拥有动能较低时产生的。n n非弹性碰撞：非弹性碰撞：非弹性碰撞：非弹性碰撞：当气体粒子拥有较高动能时，则产生非弹性碰撞，在碰撞时部当气体粒子拥有较高动能时，则产生非弹性碰撞，在碰撞时部分或全部动能转换为内能，使被碰撞的气体粒子内部结构发生变化。分或全部动能转换为内能，使被碰撞的气体粒子内部结构发生变化。n n内能电离电压内能电离电压内能电离电压内能电离电压 电离电离电离电离 内能激励电压内能激励电压内能激励电压内能激励电压 激励激励激励激励n n 被激励的粒子如果继续受到非弹性碰
18、撞，内能积累达到电离电压时，也将被激励的粒子如果继续受到非弹性碰撞，内能积累达到电离电压时，也将产生电离。总之，气体粒子间只有非弹性碰撞才能产生电离过程，形成带电产生电离。总之，气体粒子间只有非弹性碰撞才能产生电离过程，形成带电粒子。粒子。n n 由于电子的质量远小于气体原子、离子或分子，因此当具有足够动能的由于电子的质量远小于气体原子、离子或分子，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，电子的动能几乎可以全部传给中性粒子，电子与中性粒子进行非弹性碰撞时，电子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。转换为中性粒子的内能，使其激励或电离。n n在电弧燃烧
19、过程中，通过粒子间碰撞传递能量使气体粒子电离，是电弧本身在电弧燃烧过程中，通过粒子间碰撞传递能量使气体粒子电离，是电弧本身在电弧燃烧过程中，通过粒子间碰撞传递能量使气体粒子电离，是电弧本身在电弧燃烧过程中，通过粒子间碰撞传递能量使气体粒子电离，是电弧本身产生带电粒子维持其导电的最主要方式产生带电粒子维持其导电的最主要方式产生带电粒子维持其导电的最主要方式产生带电粒子维持其导电的最主要方式。(2)光辐射传递：光辐射传递：n n中性气体粒子可以接受外界以光量子形式所施加的能量，中性气体粒子可以接受外界以光量子形式所施加的能量，中性气体粒子可以接受外界以光量子形式所施加的能量，中性气体粒子可以接受外
20、界以光量子形式所施加的能量，提高其内能并改变其内部结构，使气体粒子被激励或电提高其内能并改变其内部结构，使气体粒子被激励或电提高其内能并改变其内部结构，使气体粒子被激励或电提高其内能并改变其内部结构，使气体粒子被激励或电离。离。离。离。n n产生激励的条件：产生激励的条件：产生激励的条件：产生激励的条件：n n式中式中WeWe激励能；激励能；n nee电子电荷量；电子电荷量；n nUe-Ue-气体粒子的激励电压。气体粒子的激励电压。n n产生电离的条件：产生电离的条件：产生电离的条件：产生电离的条件：n n Wi Wi电离能；电离能；n n Ui Ui电离电压。电离电压。n n在一般焊接电弧中
21、，通过光辐射传递方式来制造带电粒在一般焊接电弧中，通过光辐射传递方式来制造带电粒在一般焊接电弧中，通过光辐射传递方式来制造带电粒在一般焊接电弧中，通过光辐射传递方式来制造带电粒子与碰撞传递相比，则是次要的。子与碰撞传递相比，则是次要的。子与碰撞传递相比，则是次要的。子与碰撞传递相比，则是次要的。3 3、电离种类、电离种类、电离种类、电离种类n n(1)(1)热电离热电离热电离热电离 高温下，气体粒子受热的作用相互碰撞而产生的电离。高温下，气体粒子受热的作用相互碰撞而产生的电离。高温下，气体粒子受热的作用相互碰撞而产生的电离。高温下，气体粒子受热的作用相互碰撞而产生的电离。气体粒子的平均运动速度
22、与温度在数值上的关系如下气体粒子的平均运动速度与温度在数值上的关系如下气体粒子的平均运动速度与温度在数值上的关系如下气体粒子的平均运动速度与温度在数值上的关系如下n n式中式中式中式中 C C气体粒子的平均速度气体粒子的平均速度气体粒子的平均速度气体粒子的平均速度(cm(cms)s)；n n T T气体的热力学温度气体的热力学温度气体的热力学温度气体的热力学温度(K)(K)；n n m m粒子的质量粒子的质量粒子的质量粒子的质量(g)(g)。n n可见，气体温度越高，气体粒子的平均运动速度也越高，即动能也可见，气体温度越高，气体粒子的平均运动速度也越高，即动能也可见，气体温度越高，气体粒子的平
23、均运动速度也越高，即动能也可见，气体温度越高，气体粒子的平均运动速度也越高，即动能也越大。越大。越大。越大。 n n 在某一温度下粒子所具有动能并不都相同，只是拥有大于电离电在某一温度下粒子所具有动能并不都相同，只是拥有大于电离电在某一温度下粒子所具有动能并不都相同，只是拥有大于电离电在某一温度下粒子所具有动能并不都相同，只是拥有大于电离电压能量的那部分粒子才可能引起中性粒子的电离。压能量的那部分粒子才可能引起中性粒子的电离。压能量的那部分粒子才可能引起中性粒子的电离。压能量的那部分粒子才可能引起中性粒子的电离。1)1)电离度：电离度：电离度：电离度：单位体积内被电离的粒子数与气体电离前粒子总
24、数的比值单位体积内被电离的粒子数与气体电离前粒子总数的比值单位体积内被电离的粒子数与气体电离前粒子总数的比值单位体积内被电离的粒子数与气体电离前粒子总数的比值n n热电离时，电离度随温度的升高、压力的减少和电离电压的减小而热电离时，电离度随温度的升高、压力的减少和电离电压的减小而热电离时，电离度随温度的升高、压力的减少和电离电压的减小而热电离时，电离度随温度的升高、压力的减少和电离电压的减小而增加。增加。增加。增加。2)2)实效电高度：实效电高度：实效电高度：实效电高度：气体为混合气体时，各种气体电离程度不一样，此时气体为混合气体时，各种气体电离程度不一样，此时气体为混合气体时，各种气体电离程
25、度不一样，此时气体为混合气体时，各种气体电离程度不一样，此时电子密度与电离前中性粒子密度的比值称为实效电高度。电子密度与电离前中性粒子密度的比值称为实效电高度。电子密度与电离前中性粒子密度的比值称为实效电高度。电子密度与电离前中性粒子密度的比值称为实效电高度。n n实效电离电压：实效电离电压：实效电离电压：实效电离电压：混合气体的电离电压。混合气体的电离电压。混合气体的电离电压。混合气体的电离电压。n n说明说明n n1、混合气体的实效电离电压主要决定于电离电、混合气体的实效电离电压主要决定于电离电压较低的气体成分压较低的气体成分n n 2、电弧气氛中气体电离电压越低，电弧的稳、电弧气氛中气体
26、电离电压越低，电弧的稳定性越高。定性越高。n n 3、热电离是弧柱部分产生带电粒子的主要途、热电离是弧柱部分产生带电粒子的主要途径。径。 弧柱温度：弧柱温度：500030000K。（2）电场作用下的电离）电场作用下的电离n n带电粒子的动能在电场的作用下增加到足够的数值时，带电粒子的动能在电场的作用下增加到足够的数值时，带电粒子的动能在电场的作用下增加到足够的数值时，带电粒子的动能在电场的作用下增加到足够的数值时，则可能与中性粒子产生非弹性碰撞而使之电离，称为则可能与中性粒子产生非弹性碰撞而使之电离，称为则可能与中性粒子产生非弹性碰撞而使之电离，称为则可能与中性粒子产生非弹性碰撞而使之电离，称
27、为电场作用下的电离。电场作用下的电离。电场作用下的电离。电场作用下的电离。自由行程：自由行程：自由行程：自由行程：两次碰撞之间的路程长度为粒子的自由行程，两次碰撞之间的路程长度为粒子的自由行程，两次碰撞之间的路程长度为粒子的自由行程，两次碰撞之间的路程长度为粒子的自由行程，其平均值称为平均自由行程。其平均值称为平均自由行程。其平均值称为平均自由行程。其平均值称为平均自由行程。n n同一种气体中往往存在中性粒子、离子和电子，他们同一种气体中往往存在中性粒子、离子和电子，他们同一种气体中往往存在中性粒子、离子和电子，他们同一种气体中往往存在中性粒子、离子和电子，他们的自由行程分别为：式的自由行程分
28、别为：式的自由行程分别为：式的自由行程分别为：式（1-61-6）（）（）（）（1-71-7）（）（）（）（1-81-8）（）（）（）（1-1-9 9）n n 可见，可见，可见，可见，在相同条件下电子的平均自由行程比离子的在相同条件下电子的平均自由行程比离子的在相同条件下电子的平均自由行程比离子的在相同条件下电子的平均自由行程比离子的大大大大4 4倍，倍，倍，倍，在电场作用下电子可获得在电场作用下电子可获得在电场作用下电子可获得在电场作用下电子可获得4 4倍倍倍倍于离子的动能，于离子的动能，于离子的动能，于离子的动能，又因电子的又因电子的又因电子的又因电子的质量质量质量质量比离子比离子比离子比离
29、子小得多小得多小得多小得多，它与中性粒子发生，它与中性粒子发生，它与中性粒子发生，它与中性粒子发生非非非非弹性碰撞弹性碰撞弹性碰撞弹性碰撞时可将时可将时可将时可将全部动能全部动能全部动能全部动能转换为中性粒子的转换为中性粒子的转换为中性粒子的转换为中性粒子的内能内能内能内能。如。如。如。如果电子的总能量超过中性粒于的电离能，则产生电离。果电子的总能量超过中性粒于的电离能，则产生电离。果电子的总能量超过中性粒于的电离能，则产生电离。果电子的总能量超过中性粒于的电离能，则产生电离。说明1 1、电场作用下的电离现象也主要是电子与中性粒子的非弹性碰撞、电场作用下的电离现象也主要是电子与中性粒子的非弹性
30、碰撞、电场作用下的电离现象也主要是电子与中性粒子的非弹性碰撞、电场作用下的电离现象也主要是电子与中性粒子的非弹性碰撞引起。引起。引起。引起。2 2、在普通电弧中，热电离是主要形式，电场作用下的电离是次要、在普通电弧中，热电离是主要形式，电场作用下的电离是次要、在普通电弧中，热电离是主要形式，电场作用下的电离是次要、在普通电弧中，热电离是主要形式，电场作用下的电离是次要的。的。的。的。n n由于弧柱部分的电场强度较弱，一般为由于弧柱部分的电场强度较弱，一般为由于弧柱部分的电场强度较弱，一般为由于弧柱部分的电场强度较弱，一般为l0Vl0Vcmcm左右，电子在平左右，电子在平左右，电子在平左右，电子
31、在平均自由行程中所能获得的动能较小，一般比热作用所获得的动能均自由行程中所能获得的动能较小，一般比热作用所获得的动能均自由行程中所能获得的动能较小，一般比热作用所获得的动能均自由行程中所能获得的动能较小，一般比热作用所获得的动能要小的多。要小的多。要小的多。要小的多。3 3、场致电离一般产生于阴极区和阳极区、场致电离一般产生于阴极区和阳极区、场致电离一般产生于阴极区和阳极区、场致电离一般产生于阴极区和阳极区n n阴极压降区和阳极压降区均很窄：阴极压降区和阳极压降区均很窄：阴极压降区和阳极压降区均很窄：阴极压降区和阳极压降区均很窄：E=10E=107 710108 8cmcm（3 3）光电离）光
32、电离）光电离）光电离n n中性粒子接受光辐射的的作用而产生的电离现象。中性粒子接受光辐射的的作用而产生的电离现象。中性粒子接受光辐射的的作用而产生的电离现象。中性粒子接受光辐射的的作用而产生的电离现象。n n光电离的条件：光电离的条件：光电离的条件：光电离的条件：小结：光电离是电弧中产生带电粒子的一个次要途径。小结：光电离是电弧中产生带电粒子的一个次要途径。小结：光电离是电弧中产生带电粒子的一个次要途径。小结：光电离是电弧中产生带电粒子的一个次要途径。 O O、H H、N N、ArAr、HeHe等气体光电离要求的临界波长皆在紫外线光等气体光电离要求的临界波长皆在紫外线光等气体光电离要求的临界波
33、长皆在紫外线光等气体光电离要求的临界波长皆在紫外线光谱区谱区谱区谱区8 840004000电弧的光辐射波长在电弧的光辐射波长在电弧的光辐射波长在电弧的光辐射波长在17001700一一一一50005000区间，光电离的区间很区间，光电离的区间很区间，光电离的区间很区间，光电离的区间很小。小。小。小。n n电弧中的带电粒子除依靠两电极间的气体电离过程产生外，还可以从电弧中的带电粒子除依靠两电极间的气体电离过程产生外，还可以从电弧中的带电粒子除依靠两电极间的气体电离过程产生外，还可以从电弧中的带电粒子除依靠两电极间的气体电离过程产生外，还可以从电极表面发射出来电极表面发射出来电极表面发射出来电极表面
34、发射出来（二）阴极电子发射（二）阴极电子发射（二）阴极电子发射（二）阴极电子发射n n 当阴极表面接受一定的外加能量，自由电子冲破金属表面当阴极表面接受一定的外加能量，自由电子冲破金属表面当阴极表面接受一定的外加能量，自由电子冲破金属表面当阴极表面接受一定的外加能量，自由电子冲破金属表面的约束而飞到电弧空间的现象称为电子发射。的约束而飞到电弧空间的现象称为电子发射。的约束而飞到电弧空间的现象称为电子发射。的约束而飞到电弧空间的现象称为电子发射。n n逸出功：使一个电子由金属表面飞出所需要的最低外加能量称为逸出功：使一个电子由金属表面飞出所需要的最低外加能量称为逸出功：使一个电子由金属表面飞出所
35、需要的最低外加能量称为逸出功：使一个电子由金属表面飞出所需要的最低外加能量称为逸出功逸出功逸出功逸出功(Ww)(Ww)，单位是电子伏。因电子量是一个常数，通常亦以，单位是电子伏。因电子量是一个常数，通常亦以，单位是电子伏。因电子量是一个常数，通常亦以，单位是电子伏。因电子量是一个常数，通常亦以Ww/eWw/eUw(V)Uw(V)逸出电压来衡量逸出功的大小。逸出电压来衡量逸出功的大小。逸出电压来衡量逸出功的大小。逸出电压来衡量逸出功的大小。说明说明说明说明 1 1、电离是在气体中产生、电离是在气体中产生、电离是在气体中产生、电离是在气体中产生n n 2 2、电子发射则是由物质到气体。、电子发射则
36、是由物质到气体。、电子发射则是由物质到气体。、电子发射则是由物质到气体。n n逸出功的大小与金属材料种类、金属表面状态和金属表面氧化物逸出功的大小与金属材料种类、金属表面状态和金属表面氧化物逸出功的大小与金属材料种类、金属表面状态和金属表面氧化物逸出功的大小与金属材料种类、金属表面状态和金属表面氧化物情况有关。情况有关。情况有关。情况有关。例如：例如：例如：例如：金属表面带有氧化物时的逸出功会减小。金属表面带有氧化物时的逸出功会减小。金属表面带有氧化物时的逸出功会减小。金属表面带有氧化物时的逸出功会减小。n n当钨极表而敷以当钨极表而敷以当钨极表而敷以当钨极表而敷以CsCs、BaBa、ThTh
37、、ZrZr等物质时，逸出功的数值也等物质时，逸出功的数值也等物质时，逸出功的数值也等物质时，逸出功的数值也减小减小减小减小. .因此，为提高电子发射能力和改善焊接工艺性能，在钨极因此，为提高电子发射能力和改善焊接工艺性能，在钨极因此，为提高电子发射能力和改善焊接工艺性能，在钨极因此，为提高电子发射能力和改善焊接工艺性能，在钨极中常加入中常加入中常加入中常加入ThTh、CsCs、CeCe等成分，以提高钨极电流容量和改善引弧等成分，以提高钨极电流容量和改善引弧等成分，以提高钨极电流容量和改善引弧等成分，以提高钨极电流容量和改善引弧性能。性能。性能。性能。n n金属内部的自由电子，只有在接受外加能量
38、并且超出逸出功时才金属内部的自由电子，只有在接受外加能量并且超出逸出功时才金属内部的自由电子，只有在接受外加能量并且超出逸出功时才金属内部的自由电子，只有在接受外加能量并且超出逸出功时才能冲破金属表面发射到外部空间能冲破金属表面发射到外部空间能冲破金属表面发射到外部空间能冲破金属表面发射到外部空间. .1 1、热发射、热发射、热发射、热发射 金属表面承受热作用而产生的电子发射现象称为热发射金属表面承受热作用而产生的电子发射现象称为热发射金属表面承受热作用而产生的电子发射现象称为热发射金属表面承受热作用而产生的电子发射现象称为热发射n n热发射的条件：热发射的条件：热发射的条件：热发射的条件：n
39、 n式中式中式中式中 Me Me电子质量；电子质量；电子质量；电子质量；n n Ve Ve电子热运动速度；电子热运动速度；电子热运动速度；电子热运动速度；n n e e一个电子的电量；一个电子的电量；一个电子的电量；一个电子的电量；n n Uw Uw逸出电压。逸出电压。逸出电压。逸出电压。n n金属表面热发射的电子流密度与金属表面的温度成指数关系：金属表面热发射的电子流密度与金属表面的温度成指数关系：金属表面热发射的电子流密度与金属表面的温度成指数关系：金属表面热发射的电子流密度与金属表面的温度成指数关系：n n i iAT2exp(-eUw/kT)AT2exp(-eUw/kT)n nAA与材
40、料表面状态有关的常数；与材料表面状态有关的常数；与材料表面状态有关的常数；与材料表面状态有关的常数；n nTT金属表面热力学温度；金属表面热力学温度；金属表面热力学温度；金属表面热力学温度；n nee个电子的电量；个电子的电量；个电子的电量；个电子的电量；n nUwUw逸出电压；逸出电压；逸出电压；逸出电压；n nkk玻耳兹曼常数。玻耳兹曼常数。玻耳兹曼常数。玻耳兹曼常数。 说明说明说明说明 1 1、发射电子的数量取决于加热温度。、发射电子的数量取决于加热温度。、发射电子的数量取决于加热温度。、发射电子的数量取决于加热温度。 2 2、能否发射电子取决于材料的物理性能。、能否发射电子取决于材料的
41、物理性能。、能否发射电子取决于材料的物理性能。、能否发射电子取决于材料的物理性能。（1 1）电极为钨、碳时，）电极为钨、碳时，）电极为钨、碳时，）电极为钨、碳时，由于沸点高（沸点分别为由于沸点高（沸点分别为由于沸点高（沸点分别为由于沸点高（沸点分别为5950K5950K和和和和4200K)4200K)，电极可能被加热到很高的温度，电极可能被加热到很高的温度，电极可能被加热到很高的温度，电极可能被加热到很高的温度（T3500KT3500K）-热阴极电弧热阴极电弧热阴极电弧热阴极电弧( (热发射热发射热发射热发射) )（2 2）电极为钢、铜、铝、镁等材料时，）电极为钢、铜、铝、镁等材料时，）电极为
42、钢、铜、铝、镁等材料时，）电极为钢、铜、铝、镁等材料时，由于它们的沸点由于它们的沸点由于它们的沸点由于它们的沸点较低较低较低较低(Fe(Fe：3008K3008K，CuCu：2868K2868K，A1A1：2770K2770K，MgMg：1375K)1375K)，电极，电极，电极，电极 加热温度受材料沸点的限制不可加热温度受材料沸点的限制不可加热温度受材料沸点的限制不可加热温度受材料沸点的限制不可 能很高，此种电弧称为能很高，此种电弧称为能很高，此种电弧称为能很高，此种电弧称为冷阴极电弧冷阴极电弧冷阴极电弧冷阴极电弧。这种电弧阴极区的。这种电弧阴极区的。这种电弧阴极区的。这种电弧阴极区的导电所
43、需要的带电粒子不可能全由电极的热发射电子提导电所需要的带电粒子不可能全由电极的热发射电子提导电所需要的带电粒子不可能全由电极的热发射电子提导电所需要的带电粒子不可能全由电极的热发射电子提供，必须还要依靠其他方式发射电子予以补充，才能满供，必须还要依靠其他方式发射电子予以补充，才能满供，必须还要依靠其他方式发射电子予以补充，才能满供，必须还要依靠其他方式发射电子予以补充，才能满足导电的需要。足导电的需要。足导电的需要。足导电的需要。 2、电场发射、电场发射 n n当金属表面空间存在一定强度的正电场时，金属内当金属表面空间存在一定强度的正电场时，金属内的自由电子受此电场静电库伦力的作用，当此力达的
44、自由电子受此电场静电库伦力的作用，当此力达到一定程度时，电子可飞出金属表面，这种现象称到一定程度时，电子可飞出金属表面，这种现象称电场发射。电场发射。电场发射。电场发射。n n 发射电子流的密度：发射电子流的密度：发射电子流的密度：发射电子流的密度：n n式中式中 E E电场强度；电场强度；n n 0 0真空介电常数。真空介电常数。n n说明：说明：说明：说明：对于低沸点材料的冷阴极电弧，电场发射对对于低沸点材料的冷阴极电弧，电场发射对对于低沸点材料的冷阴极电弧，电场发射对对于低沸点材料的冷阴极电弧，电场发射对阴极区提供带电粒子起重要作用。这时阴极区的电阴极区提供带电粒子起重要作用。这时阴极区
45、的电阴极区提供带电粒子起重要作用。这时阴极区的电阴极区提供带电粒子起重要作用。这时阴极区的电场强度可达场强度可达场强度可达场强度可达10105 510107 7V/cmV/cm，具备产生电场发射的有，具备产生电场发射的有，具备产生电场发射的有，具备产生电场发射的有利条件。利条件。利条件。利条件。3 3、光发射、光发射、光发射、光发射 当金属表面接受光辐射时，也可使金属表面自当金属表面接受光辐射时，也可使金属表面自当金属表面接受光辐射时，也可使金属表面自当金属表面接受光辐射时，也可使金属表面自由电子能量增加，冲破金属表面的约束飞到金属外面来，由电子能量增加，冲破金属表面的约束飞到金属外面来，由电
46、子能量增加，冲破金属表面的约束飞到金属外面来，由电子能量增加，冲破金属表面的约束飞到金属外面来，这种现象称光发射。这种现象称光发射。这种现象称光发射。这种现象称光发射。n n光发射的条件光发射的条件光发射的条件光发射的条件: :n n 说明：说明：说明：说明：n n1 1、但由于光量较弱，光发射在阴极发射现象中居次要、但由于光量较弱，光发射在阴极发射现象中居次要、但由于光量较弱，光发射在阴极发射现象中居次要、但由于光量较弱，光发射在阴极发射现象中居次要地位。地位。地位。地位。 2 2、光发射不从金属表面带走热量，不象热发射时那样、光发射不从金属表面带走热量，不象热发射时那样、光发射不从金属表面
47、带走热量，不象热发射时那样、光发射不从金属表面带走热量，不象热发射时那样对电极有冷却作用对电极有冷却作用对电极有冷却作用对电极有冷却作用4 4、粒子碰撞发射、粒子碰撞发射、粒子碰撞发射、粒子碰撞发射 高速运动的粒子高速运动的粒子高速运动的粒子高速运动的粒子( (电子或离子电子或离子电子或离子电子或离子) )碰撞金属表面碰撞金属表面碰撞金属表面碰撞金属表面时，将能量传给金属表面的自由电子，使其能量增加而跑出时，将能量传给金属表面的自由电子，使其能量增加而跑出时，将能量传给金属表面的自由电子，使其能量增加而跑出时，将能量传给金属表面的自由电子，使其能量增加而跑出金属表面，这种现象称为粒子碰撞发射。
48、金属表面，这种现象称为粒子碰撞发射。金属表面，这种现象称为粒子碰撞发射。金属表面，这种现象称为粒子碰撞发射。n n 产生的条件：产生的条件：产生的条件：产生的条件：焊接电弧中阴极区接受正离子的碰撞，带有焊接电弧中阴极区接受正离子的碰撞，带有焊接电弧中阴极区接受正离子的碰撞，带有焊接电弧中阴极区接受正离子的碰撞，带有一定运动速度的正离于到达阴极时，将其动能传递给阴极，一定运动速度的正离于到达阴极时，将其动能传递给阴极，一定运动速度的正离于到达阴极时，将其动能传递给阴极，一定运动速度的正离于到达阴极时，将其动能传递给阴极，它将首先从阴极取出一个电子与自己中和而成为中性粒子。它将首先从阴极取出一个电
49、子与自己中和而成为中性粒子。它将首先从阴极取出一个电子与自己中和而成为中性粒子。它将首先从阴极取出一个电子与自己中和而成为中性粒子。如果这种碰撞还能使另一个电于飞出电极表面到电弧空间，如果这种碰撞还能使另一个电于飞出电极表面到电弧空间，如果这种碰撞还能使另一个电于飞出电极表面到电弧空间，如果这种碰撞还能使另一个电于飞出电极表面到电弧空间，n n Wh Wh十十十十WiWi2Uw 2Uw n n Wh Wh正离子动能；正离子动能；正离子动能；正离子动能；n n Wi Wi正离子与电子中和时放出的电离能；正离子与电子中和时放出的电离能；正离子与电子中和时放出的电离能；正离子与电子中和时放出的电离能
50、； n n Uw Uw逸出功。逸出功。逸出功。逸出功。n n 焊接电弧中阴极区前面有大量的正离子聚积，由于空焊接电弧中阴极区前面有大量的正离子聚积，由于空焊接电弧中阴极区前面有大量的正离子聚积，由于空焊接电弧中阴极区前面有大量的正离子聚积，由于空间电荷的存在使阴极区形成一定强度的电场，正离子在此电间电荷的存在使阴极区形成一定强度的电场，正离子在此电间电荷的存在使阴极区形成一定强度的电场，正离子在此电间电荷的存在使阴极区形成一定强度的电场，正离子在此电场作用下被加速而冲向阴极，可能形成碰撞发射场作用下被加速而冲向阴极，可能形成碰撞发射场作用下被加速而冲向阴极，可能形成碰撞发射场作用下被加速而冲向
51、阴极，可能形成碰撞发射 说明：说明：说明：说明：1 1、当正离子碰撞阴极时，要使阴极发射一个参与导电、当正离子碰撞阴极时，要使阴极发射一个参与导电、当正离子碰撞阴极时，要使阴极发射一个参与导电、当正离子碰撞阴极时，要使阴极发射一个参与导电的电子，电极表面施加的电子，电极表面施加的电子，电极表面施加的电子，电极表面施加2 2倍的逸出功倍的逸出功倍的逸出功倍的逸出功2 2、在一定条件下，这种电子发射形式是电弧阴极区提、在一定条件下，这种电子发射形式是电弧阴极区提、在一定条件下，这种电子发射形式是电弧阴极区提、在一定条件下，这种电子发射形式是电弧阴极区提供导电所需电子的主要途径。供导电所需电子的主要
52、途径。供导电所需电子的主要途径。供导电所需电子的主要途径。（三）负离子的产生（三）负离子的产生（三）负离子的产生（三）负离子的产生n n在一定条件下，有些中性原子成分子能吸附一个电子在一定条件下，有些中性原子成分子能吸附一个电子而形成负离子。而形成负离子。n n1 1）和电子亲和能越大的元素形成负离子的倾向越大）和电子亲和能越大的元素形成负离子的倾向越大）和电子亲和能越大的元素形成负离子的倾向越大）和电子亲和能越大的元素形成负离子的倾向越大n n2 2）多分布在电弧的周边上：）多分布在电弧的周边上：）多分布在电弧的周边上：）多分布在电弧的周边上：因为形成负离子是放热过因为形成负离子是放热过程，
53、使得负离于在高温下不易稳定存在。程，使得负离于在高温下不易稳定存在。n n3 3）负离子的数量增加）负离子的数量增加）负离子的数量增加）负离子的数量增加电弧导电困难，电弧的稳定性电弧导电困难，电弧的稳定性电弧导电困难，电弧的稳定性电弧导电困难，电弧的稳定性降低降低降低降低（电子数量降低）。（电子数量降低）。（四）带电粒子的扩散和复合现象（四）带电粒子的扩散和复合现象（四）带电粒子的扩散和复合现象（四）带电粒子的扩散和复合现象 1 1）扩散：）扩散：）扩散：）扩散：和一般气体分子和原子一样，带电粒子如果分布密和一般气体分子和原子一样，带电粒子如果分布密度不问，则带电粒子将从密度高（电弧的中心）向
54、密度低（电度不问，则带电粒子将从密度高（电弧的中心）向密度低（电弧的周围）的地方移动，并趋向密度均匀化，这种现象称为弧的周围）的地方移动，并趋向密度均匀化，这种现象称为带带带带电粒子的扩散现象电粒子的扩散现象电粒子的扩散现象电粒子的扩散现象。n n带电粒子的扩散运动也是由热运动引起的，主要是电子的扩散，带电粒子的扩散运动也是由热运动引起的，主要是电子的扩散，带电粒子的扩散运动也是由热运动引起的，主要是电子的扩散，带电粒子的扩散运动也是由热运动引起的，主要是电子的扩散，因为电子的扩散系数大。因为电子的扩散系数大。 2 2）复合）复合）复合）复合 电弧空间的正负带电粒子电弧空间的正负带电粒子( (
55、正离子、负离子、电子正离子、负离子、电子) )，在一定条件下相通而互相结合成中性粒子的过程称为在一定条件下相通而互相结合成中性粒子的过程称为复合。复合。复合。复合。n n复合的区域：复合的区域：复合的区域：复合的区域：温度较低的部位（在电弧的周边）或温度下降的温度较低的部位（在电弧的周边）或温度下降的部位。部位。n n例如：例如：例如：例如：交流电孤时，电流过零点附近时电弧媳灭，电孤空间温交流电孤时，电流过零点附近时电弧媳灭，电孤空间温度显著降低，也将产生大量的正负粒子的复合；有时电弧再引度显著降低，也将产生大量的正负粒子的复合；有时电弧再引燃时发生困难，就是因为在熄弧瞬间带电粒子的相互复合而
56、使燃时发生困难，就是因为在熄弧瞬间带电粒子的相互复合而使电弧空间带电粒子减少所致。电弧空间带电粒子减少所致。三、电弧各区域的导电机构三、电弧各区域的导电机构 ( (一一一一) )电孤的组成区域电孤的组成区域电孤的组成区域电孤的组成区域n n阴极区；阳极区；弧柱区。阴极区；阳极区；弧柱区。n nUa=Uk+Uc+UA UkUAUc Ua=Uk+Uc+UA UkUAUc n n Uk Uk阴极压降阴极压降 Uc- Uc-弧柱压降弧柱压降 UA- UA-阳极压降阳极压降n n 之所以这样划分是由于这些区域的导电机构不同所决定的。之所以这样划分是由于这些区域的导电机构不同所决定的。 ( (二二二二)
57、)弧柱区的导电机构弧柱区的导电机构弧柱区的导电机构弧柱区的导电机构n n1 1、弧柱气体将产生以热电离为主、弧柱气体将产生以热电离为主、弧柱气体将产生以热电离为主、弧柱气体将产生以热电离为主带电粒子的产生途径，弧柱的温度一般带电粒子的产生途径，弧柱的温度一般带电粒子的产生途径，弧柱的温度一般带电粒子的产生途径，弧柱的温度一般n n 较高较高较高较高50005000一一一一50000K50000Kn n2 2、弧柱的总电流是由电子流和正离子流两部分组成、弧柱的总电流是由电子流和正离子流两部分组成、弧柱的总电流是由电子流和正离子流两部分组成、弧柱的总电流是由电子流和正离子流两部分组成( (负离子因
58、占的比例很小负离子因占的比例很小负离子因占的比例很小负离子因占的比例很小n n 而忽略而忽略而忽略而忽略) )，而且主要是电子流，而且主要是电子流，而且主要是电子流，而且主要是电子流( (约占约占约占约占99.9%)99.9%)，而正离子流占比例很小。，而正离子流占比例很小。，而正离子流占比例很小。，而正离子流占比例很小。n n 因为在同样外加电压作用下，一个电子和一个正离子所受的力相同，但由因为在同样外加电压作用下，一个电子和一个正离子所受的力相同，但由于电子的质量比正离子的质量小的多，所以电子的运动速度将比正离子的大于电子的质量比正离子的质量小的多，所以电子的运动速度将比正离子的大得多。弧
59、柱中正负带电粒子流虽然有很大的差别，但每瞬间每个单位体积中得多。弧柱中正负带电粒子流虽然有很大的差别，但每瞬间每个单位体积中正、负带电粒子数量相等，这是由于弧柱中电子流所需要的电子可以从阴极正、负带电粒子数量相等，这是由于弧柱中电子流所需要的电子可以从阴极区得到充分的补充，而使弧柱从整体上呈中性。区得到充分的补充，而使弧柱从整体上呈中性。n n3 3、电弧放电具有低电压、大电流的特点。、电弧放电具有低电压、大电流的特点。、电弧放电具有低电压、大电流的特点。、电弧放电具有低电压、大电流的特点。( (几伏，上千安几伏，上千安几伏，上千安几伏，上千安) )n n4 4、弧柱是一等离子体，是阳极射流和
60、阴极射流复合而成的复合流、弧柱是一等离子体，是阳极射流和阴极射流复合而成的复合流、弧柱是一等离子体，是阳极射流和阴极射流复合而成的复合流、弧柱是一等离子体，是阳极射流和阴极射流复合而成的复合流( (方向由电方向由电方向由电方向由电n n 极到工件极到工件极到工件极到工件) )（三）阴极区的导电机构（三）阴极区的导电机构n n阴极区的作用阴极区的作用阴极区的作用阴极区的作用：是向弧柱区提供所需要的电子流是向弧柱区提供所需要的电子流IeIe，接受由弧柱区送来的正离，接受由弧柱区送来的正离子流子流Ii Ii，以满足电弧导电需要。，以满足电弧导电需要。n n阴极区提供的电子流与阴极区提供的电子流与阴极
61、材料种类、电流大小、气体介质阴极材料种类、电流大小、气体介质阴极材料种类、电流大小、气体介质阴极材料种类、电流大小、气体介质等因素有关。由等因素有关。由于具体情况的不同，阴极区的导电机构可分为三大类。于具体情况的不同，阴极区的导电机构可分为三大类。 1 1、热发射型阴极区导电机构、热发射型阴极区导电机构、热发射型阴极区导电机构、热发射型阴极区导电机构n n（1 1）阴极采用）阴极采用）阴极采用）阴极采用WW、C C等高熔点材料等高熔点材料等高熔点材料等高熔点材料n n（2 2）弧柱所需要的电子流主要依靠阴极热发射来供应）弧柱所需要的电子流主要依靠阴极热发射来供应）弧柱所需要的电子流主要依靠阴极
62、热发射来供应）弧柱所需要的电子流主要依靠阴极热发射来供应n n那么电子发射将从阴极带走相当于那么电子发射将从阴极带走相当于IUwIUw的热量的热量(I (I为阴极电流，为阴极电流，UwUw为逸出电为逸出电压压) )，使阴极受到冷却作用，但是这些热量可以从两个主要途径得到补充：，使阴极受到冷却作用，但是这些热量可以从两个主要途径得到补充：n n0.1%0.1%的正离子流进入阴极区撞击阴极表面时，正离子一方面将其动能转换的正离子流进入阴极区撞击阴极表面时，正离子一方面将其动能转换的正离子流进入阴极区撞击阴极表面时，正离子一方面将其动能转换的正离子流进入阴极区撞击阴极表面时，正离子一方面将其动能转换
63、为热能传送给阳极；另一方面正离子与阴极表面得到电子而中和，放出电离为热能传送给阳极；另一方面正离子与阴极表面得到电子而中和，放出电离为热能传送给阳极；另一方面正离子与阴极表面得到电子而中和，放出电离为热能传送给阳极；另一方面正离子与阴极表面得到电子而中和，放出电离能，也使阴极加热，能，也使阴极加热，能，也使阴极加热，能，也使阴极加热，n n电流流过阴极时将产生电阻热电流流过阴极时将产生电阻热电流流过阴极时将产生电阻热电流流过阴极时将产生电阻热I I2 2R(IR(I为阴极电流，为阴极电流，为阴极电流，为阴极电流，R R为阴极电阻为阴极电阻为阴极电阻为阴极电阻) )使阴极加热使阴极加热使阴极加热
64、使阴极加热n n（3 3）阴极压降小或不存在阴极压降区）阴极压降小或不存在阴极压降区）阴极压降小或不存在阴极压降区）阴极压降小或不存在阴极压降区n n（4 4）不存在阴极斑点）不存在阴极斑点）不存在阴极斑点）不存在阴极斑点（阴极表面的导电区域的电流密度和弧柱区相似。（阴极表面的导电区域的电流密度和弧柱区相似。2、电场发射型阴极导电机构、电场发射型阴极导电机构n n当阴极材料为当阴极材料为WW、C C，但电流较小时，阴极材料采用熔点较低的，但电流较小时，阴极材料采用熔点较低的A1A1、CuCu、FeFe时，阴极表面温度受材料沸点或条件的限制不能升得很高，在时，阴极表面温度受材料沸点或条件的限制不
65、能升得很高，在较低的温度下不可能产生较强的热发射以产生所需要的电子流。事实较低的温度下不可能产生较强的热发射以产生所需要的电子流。事实上当阴极温度较低，单依靠阴极热发射不能提供足够数量的电子时，上当阴极温度较低，单依靠阴极热发射不能提供足够数量的电子时，则在靠近阴极的区域，正负电荷的平衡关系将首先受到破坏。在这里则在靠近阴极的区域，正负电荷的平衡关系将首先受到破坏。在这里正负电荷数量不等，电子数量不足，出现了正离子堆积相对过剩现象，正负电荷数量不等，电子数量不足，出现了正离子堆积相对过剩现象，此处的空间呈正电性。此处的空间呈正电性。n n（1 1）主要靠电场发射）主要靠电场发射）主要靠电场发射
66、）主要靠电场发射-由于强电场的存在；由于强电场的存在；由于强电场的存在；由于强电场的存在；n n（2 2）阴极压降相对较大；）阴极压降相对较大；）阴极压降相对较大；）阴极压降相对较大；n n 阴极压降区长度阴极压降区长度10105 510106 6；n n（3 3）阴极斑点明显）阴极斑点明显）阴极斑点明显）阴极斑点明显n n 斑点的直径很小，但它的运动很强烈，主要取决于斑点的选择性。斑点的直径很小，但它的运动很强烈，主要取决于斑点的选择性。般选择有氧化膜地方。由于氧化膜存在时，电子的逸出功下降。般选择有氧化膜地方。由于氧化膜存在时，电子的逸出功下降。n n（4 4）阴极区的正离子流比率比弧柱区
67、要增大）阴极区的正离子流比率比弧柱区要增大）阴极区的正离子流比率比弧柱区要增大）阴极区的正离子流比率比弧柱区要增大n n fe fe阴阴阴阴99.999.9；fi fi阴阴阴阴0.10.13、等离子型阴极（正离子流型）导电机构、等离子型阴极（正离子流型）导电机构n n产生的条件：小电流或冷阴极材料，尤其在低气压环境中更容易出现产生的条件：小电流或冷阴极材料，尤其在低气压环境中更容易出现产生的条件：小电流或冷阴极材料，尤其在低气压环境中更容易出现产生的条件：小电流或冷阴极材料，尤其在低气压环境中更容易出现。由于。由于阴极的温度低，热发射能力弱，阴极的温度低，热发射能力弱，当电弧空间低气压时，当电
68、弧空间低气压时，阴极压降区大，使得阴极压降区大，使得电场强度下降，电场发射的能力也不强，但仍具有一定的能量的电场强度，电场强度下降，电场发射的能力也不强，但仍具有一定的能量的电场强度，并在阴极区前面形成一个辉光明亮的高温区，其温度比弧柱温度都要高。区并在阴极区前面形成一个辉光明亮的高温区，其温度比弧柱温度都要高。区域内的中性粒子产生热电离，生成的电子在电场作用下向弧柱运动，供给弧域内的中性粒子产生热电离，生成的电子在电场作用下向弧柱运动，供给弧柱导电的需要，正离子向阴极运动构成阴极电流，阴极电流中柱导电的需要，正离子向阴极运动构成阴极电流，阴极电流中fefe减小而减小而fi fi增加，增加，甚
69、至甚至fe=0fe=0，fi=1fi=1，阳极电流完全由正离子流构成，这种型式的阴极区导电机构，阳极电流完全由正离子流构成，这种型式的阴极区导电机构称之为等离子型阴极区导电机构。称之为等离子型阴极区导电机构。低气压钨极氩弧焊时低气压钨极氩弧焊时低气压钨极氩弧焊时低气压钨极氩弧焊时，阴极前面出现球形，阴极前面出现球形辉光区即属于这类导电机构。辉光区即属于这类导电机构。n n主要是热电离而不是热发射；主要是热电离而不是热发射；主要是热电离而不是热发射；主要是热电离而不是热发射；n n阴极的前面有很亮的辉点（可达阴极的前面有很亮的辉点（可达阴极的前面有很亮的辉点（可达阴极的前面有很亮的辉点（可达10
70、000K10000K以上）；以上）；以上）；以上）；n n阴极压降在阴极压降在阴极压降在阴极压降在0 0UiUi之间之间之间之间; ;n n 0 0UkUkUi, Ui-Ui, Ui-气体的电离电位；气体的电离电位；n n一般在小电流区间出现一般在小电流区间出现一般在小电流区间出现一般在小电流区间出现n nII转变成热发射导电机构，辉光点逐渐消失，阳极表面的电流密度逐渐转变成热发射导电机构，辉光点逐渐消失，阳极表面的电流密度逐渐 ；n n在冷阴极的导电机构中可能出现等离子导电机构在冷阴极的导电机构中可能出现等离子导电机构在冷阴极的导电机构中可能出现等离子导电机构在冷阴极的导电机构中可能出现等离
71、子导电机构n n 例：低气压钨极氩弧焊。例：低气压钨极氩弧焊。（四）阳极区的导电机构（四）阳极区的导电机构（四）阳极区的导电机构（四）阳极区的导电机构n n阳极区的作用：阳极区的作用：阳极区的作用：阳极区的作用：阳极区接受由弧柱过来的阳极区接受由弧柱过来的0.999I0.999I的电子流的电子流(I (I为电弧总电流为电弧总电流) )向弧拄提供向弧拄提供0.001I0.001I的正离子流。的正离子流。n n 注意：阳极不能直接发射正离子注意：阳极不能直接发射正离子注意：阳极不能直接发射正离子注意：阳极不能直接发射正离子阳极区提供正离子可能的机构有两种阳极区提供正离子可能的机构有两种阳极区提供正
72、离子可能的机构有两种阳极区提供正离子可能的机构有两种：1 1、阳极区电场作用下的电离、阳极区电场作用下的电离、阳极区电场作用下的电离、阳极区电场作用下的电离 n n 当电弧导电时，由于阳极不发射正离子，弧柱所要求当电弧导电时，由于阳极不发射正离子，弧柱所要求的的0.001I0.001I正离子流不能从阳极得到补充，阳极前面的电子正离子流不能从阳极得到补充，阳极前面的电子数必将大于正离子数，数必将大于正离子数， 形成负的空间电荷与空间电场，使形成负的空间电荷与空间电场，使阳极与弧柱之间形成一个负电性区，这就是所谓的阳极区。阳极与弧柱之间形成一个负电性区，这就是所谓的阳极区。n n 电流较小时产生；
73、电流较小时产生；电流较小时产生；电流较小时产生；n n 阳极区压降较大阳极区压降较大阳极区压降较大阳极区压降较大 UA UAUiUin n阳极区压降较大，使电子加速与中性粒子碰撞而电离；阳极区压降较大，使电子加速与中性粒子碰撞而电离；n n 阳极表面的电流由电子流组成；阳极表面的电流由电子流组成；阳极表面的电流由电子流组成；阳极表面的电流由电子流组成； n n 阳极区长度阳极区长度阳极区长度阳极区长度10102 210103 3。n n2 2、阳极区的热电离、阳极区的热电离、阳极区的热电离、阳极区的热电离 n n 电流密度较大时产生电流密度较大时产生电流密度较大时产生电流密度较大时产生n n
74、电流密度较大时，阳极的温度很高，甚至阳极材料电流密度较大时，阳极的温度很高，甚至阳极材料 蒸发蒸发 ，靠近阳极前面的空间也被加热到很高的温度。当电流密度增加靠近阳极前面的空间也被加热到很高的温度。当电流密度增加到一定程度时，聚积在这里的金属蒸气将发生电离，这就是热到一定程度时，聚积在这里的金属蒸气将发生电离，这就是热电离。电离。 n n阳极区压降较低，甚至为零阳极区压降较低，甚至为零阳极区压降较低，甚至为零阳极区压降较低，甚至为零: :这是由于主要靠热发射的作用这是由于主要靠热发射的作用n na a 阳极前面弧柱温度阳极前面弧柱温度TTUAUA；n nb b 阳极材料的导电性越强阳极材料的导电
75、性越强UAUA。n n如：大电流钨极氩弧焊和大电流熔化极焊，如：大电流钨极氩弧焊和大电流熔化极焊，UAUA，均很小，甚，均很小，甚至于为零。至于为零。（五）阴极斑点与阳极斑点（五）阴极斑点与阳极斑点（五）阴极斑点与阳极斑点（五）阴极斑点与阳极斑点1 1、阴极斑点：、阴极斑点：、阴极斑点：、阴极斑点：阴极上电子集中、电流密度很高的点发出烁亮的辉光。阴极上电子集中、电流密度很高的点发出烁亮的辉光。n n 阴极斑点形成的条件阴极斑点形成的条件阴极斑点形成的条件阴极斑点形成的条件n n a a 该点有可能发射电子的条件：主要是热发射和电场发射；该点有可能发射电子的条件：主要是热发射和电场发射；n n
76、b b 弧柱通过该点时弧柱的能量消耗较少，即弧柱通过该点时弧柱的能量消耗较少，即IELcIELc较小较小n n Lc- Lc-弧柱长度。弧柱长度。n n 阴极斑点的运动性：阴极斑点的运动性：阴极斑点的运动性：阴极斑点的运动性：取决于阴极斑点的选择性取决于阴极斑点的选择性n n a a 阴极斑点会自动跳向温度高，热发射性强的物质；阴极斑点会自动跳向温度高，热发射性强的物质；阴极斑点会自动跳向温度高，热发射性强的物质；阴极斑点会自动跳向温度高，热发射性强的物质；n n b b 阴极斑点会自动寻找氧化膜阴极斑点会自动寻找氧化膜阴极斑点会自动寻找氧化膜阴极斑点会自动寻找氧化膜n n例如：例如：AlAl
77、合金焊接时采用直流反接或交流就是阴极斑点这种特性所决定的合金焊接时采用直流反接或交流就是阴极斑点这种特性所决定的 n n 产生阴极斑点的电极材料产生阴极斑点的电极材料产生阴极斑点的电极材料产生阴极斑点的电极材料n n a a 高熔点材料高熔点材料高熔点材料高熔点材料WW、C C，小电流施焊，小电流施焊，小电流施焊，小电流施焊阴极粒子靠电场发射或等离子型导阴极粒子靠电场发射或等离子型导阴极粒子靠电场发射或等离子型导阴极粒子靠电场发射或等离子型导n n 电机构来提供电子。电机构来提供电子。电机构来提供电子。电机构来提供电子。n n b b 低熔点材料做电极低熔点材料做电极低熔点材料做电极低熔点材料
78、做电极FeFe、AlAl、CuCu等等等等( (电场发射电场发射电场发射电场发射) )大小电流施焊时均可能产大小电流施焊时均可能产大小电流施焊时均可能产大小电流施焊时均可能产n n 生阴极斑点。生阴极斑点。生阴极斑点。生阴极斑点。n n2 2、阳极斑点、阳极斑点、阳极斑点、阳极斑点：阳极表面上集中接受电子的阳极表面上集中接受电子的 微小区域，呈现一微小区域，呈现一明亮的光斑。明亮的光斑。n n 阳极斑点产生的条件阳极斑点产生的条件阳极斑点产生的条件阳极斑点产生的条件n n 该点有金属蒸发：该点有金属蒸发：该点有金属蒸发：该点有金属蒸发：由于金属蒸气的电离能大大低于一般气由于金属蒸气的电离能大大
79、低于一般气n n 体的电离能；体的电离能；n n 电弧通过该点时弧柱的能量损失小。电弧通过该点时弧柱的能量损失小。电弧通过该点时弧柱的能量损失小。电弧通过该点时弧柱的能量损失小。n n 阳极斑点的运动性阳极斑点的运动性阳极斑点的运动性阳极斑点的运动性n n自动寻找纯金属而避开氧化膜。自动寻找纯金属而避开氧化膜。n n 产生阳极斑点的电极材料产生阳极斑点的电极材料产生阳极斑点的电极材料产生阳极斑点的电极材料n n低熔点材料：低熔点材料：AlAl、CuCu、FeFe等。等。n n说明：阳极斑点电流密度比阴极斑点小，故阳极斑点的说明：阳极斑点电流密度比阴极斑点小，故阳极斑点的 压力压力小于阴极斑点，
80、例如，小于阴极斑点，例如，MIGMIG焊时采用直流反接，如正接时，焊时采用直流反接，如正接时，即焊丝接负极，阻止熔滴过渡的作用力较大。即焊丝接负极，阻止熔滴过渡的作用力较大。四、最小电压原理四、最小电压原理n n定义：定义：定义：定义：在给定电流和周围条件一定的情况下，电弧稳定燃烧时，其导电区的在给定电流和周围条件一定的情况下，电弧稳定燃烧时，其导电区的在给定电流和周围条件一定的情况下，电弧稳定燃烧时，其导电区的在给定电流和周围条件一定的情况下，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（即：电弧具有保持最半径（或）温度，应使电弧电场强度具有最小的数值（即：电弧具
81、有保持最半径（或）温度，应使电弧电场强度具有最小的数值（即：电弧具有保持最半径（或）温度，应使电弧电场强度具有最小的数值（即：电弧具有保持最小能量消耗的特征）。小能量消耗的特征）。小能量消耗的特征）。小能量消耗的特征）。n n即即即即: :电弧电场强度具有最小的数值以及固定长度上的电压最小电弧电场强度具有最小的数值以及固定长度上的电压最小电弧电场强度具有最小的数值以及固定长度上的电压最小电弧电场强度具有最小的数值以及固定长度上的电压最小n n 弧柱电场强度弧柱电场强度E E的大小意味着电弧的导电难易。当电流、周的大小意味着电弧的导电难易。当电流、周n n围条件一定时，弧柱的断面只能保证围条件一
82、定时，弧柱的断面只能保证E E为最小的前提确定下来。为最小的前提确定下来。n n电弧的断面大于或小于自动确定的截面均会使电弧的断面大于或小于自动确定的截面均会使EE，违背了最小，违背了最小n n电压原理。电压原理。 原因：原因：原因：原因： (1) (1)电弧直径变大，电弧与周围的介质接触面积、电弧向周围散失的能量增电弧直径变大，电弧与周围的介质接触面积、电弧向周围散失的能量增 加，则要求电弧产生更多的能量与之平衡，因而要求加，则要求电弧产生更多的能量与之平衡，因而要求IE-IIE-I一定一定-E-E；n n(2)(2)电弧直径变小时，则电流密度要增加，在较小的断面里通过相同数量的带电弧直径变
83、小时，则电流密度要增加，在较小的断面里通过相同数量的带 n n 电粒子，电阻率电粒子，电阻率 ，要维持同样的电流，也要求，要维持同样的电流，也要求EE。n n 利用最小电压原理可以成功地解释电弧过程中地许多现象：例如，当电弧利用最小电压原理可以成功地解释电弧过程中地许多现象：例如，当电弧被周围环境强迫冷却时，电弧将自动收缩其断面被周围环境强迫冷却时，电弧将自动收缩其断面E,TE,T弧弧 。返回返回五、电弧的静特性五、电弧的静特性n n在电极材料、气体介质和弧长一定地条件下，电弧稳定燃烧时，在电极材料、气体介质和弧长一定地条件下，电弧稳定燃烧时，焊接电流与电弧电压变化的关系，也称伏安特性。焊接电
84、流与电弧电压变化的关系，也称伏安特性。（一（一）电弧静特性曲线的形状）电弧静特性曲线的形状）电弧静特性曲线的形状）电弧静特性曲线的形状n n1 1、a a段，呈下降特性段，呈下降特性段，呈下降特性段，呈下降特性n n小电流区间：小电流区间：Ih-Ih-弧柱的截面积弧柱的截面积S-Ua,S-Ua,由于电流密度由于电流密度n n 不变不变EEn nUa=Uk+Uc+UA Uc=IELc,Uk-Ua=Uk+Uc+UA Uc=IELc,Uk-阴极压降；阴极压降；n nUc-Uc-弧柱压降；弧柱压降；UAUA阳极压降阳极压降n n如：手工电弧焊，钨极氩弧焊小电流施焊如：手工电弧焊，钨极氩弧焊小电流施焊n
85、 n小电流区间：小电流区间：小电流区间：小电流区间：因为电弧电流较小，电流密度基本不变，弧柱断因为电弧电流较小，电流密度基本不变，弧柱断面将随电流的增大而增大。若电流增加面将随电流的增大而增大。若电流增加4 4倍，而弧柱的周长才增倍，而弧柱的周长才增加加2 2倍，使电弧向周围的散失热量也只增加倍，使电弧向周围的散失热量也只增加2 2倍。这样就减少了倍。这样就减少了散失，提高了电弧温度和电离程度，又因为电流密度不变，这散失，提高了电弧温度和电离程度，又因为电流密度不变，这样虽然使样虽然使E E下降，下降，UaUa也将下降也将下降 n n2 2 2 2、 b b b b段，平特性段，平特性段，平特
86、性段，平特性n n Ih Ih稍大时焊丝金属将产生金属蒸气的发射和等离子流，金稍大时焊丝金属将产生金属蒸气的发射和等离子流，金属蒸气以一定的速度发射要消耗能量，同时，等离子流对弧柱属蒸气以一定的速度发射要消耗能量，同时，等离子流对弧柱也有一定的冷却速度。此时，电弧的能量应与周边损失及金属也有一定的冷却速度。此时，电弧的能量应与周边损失及金属蒸气和等离子流消耗的能量相平衡。这些消耗的能量随电流的蒸气和等离子流消耗的能量相平衡。这些消耗的能量随电流的增加而增加。因此，在某一区间，可以保持增加而增加。因此，在某一区间，可以保持E E不变，即不变，即UaUa不变来不变来保证产热与散热的平衡，使电弧电压
87、不变而呈平特性。（保证产热与散热的平衡，使电弧电压不变而呈平特性。（IIE E不变，不变，UaUa不变）。不变）。n n例如：例如：正常施焊埋弧自动焊，大电流施焊的手工电弧焊及钨极正常施焊埋弧自动焊，大电流施焊的手工电弧焊及钨极n n 氩弧焊。氩弧焊。n n3 3 3 3、c c c c段：上升特性（正特性）段：上升特性（正特性）段：上升特性（正特性）段：上升特性（正特性）n n Ih Ih金属蒸气热发射和等离子流的冷却作用金属蒸气热发射和等离子流的冷却作用电磁收缩力电磁收缩力电弧断面将不能成比例电弧断面将不能成比例（ss）电弧的导电率）电弧的导电率（RR）保）保证一定的电流通过将需要较大的证
88、一定的电流通过将需要较大的E-Ua.E-Ua.n n例如：例如：细丝熔化极气体保护焊，大电流密度施焊的细丝熔化极气体保护焊，大电流密度施焊的SAW.SAW.( (三三三三) ) 电弧静特性的影响因素电弧静特性的影响因素电弧静特性的影响因素电弧静特性的影响因素n n1 1、电弧长度的影响因素、电弧长度的影响因素、电弧长度的影响因素、电弧长度的影响因素：LLELcELcUc(IELc)Uc(IELc)UaUan n2 2、周围气体种类的影响、周围气体种类的影响、周围气体种类的影响、周围气体种类的影响n n （1 1）气体物理性能不同）气体物理性能不同）气体物理性能不同）气体物理性能不同-主要因素主
89、要因素主要因素主要因素n n 气体的导热系数气体的导热系数 气体对电弧的冷却能力气体对电弧的冷却能力-热损失热损失 ，则，则须须IEIE与之平衡。与之平衡。I I一定时，一定时，EE则则UU。n n （2 2）气体的电离能不同）气体的电离能不同）气体的电离能不同）气体的电离能不同-次要因素次要因素次要因素次要因素n n Ar+50 Ar+50H H2 2电弧电压纯电弧电压纯ArArn n 电离能电离能 H-13.5ev H-13.5evH H2 2-15.5ev-15.5evAr-15.7evAr-15.7evn n Ar Ar电离能电离能H H2 2、H H；但；但H H2 2的导热系数的导
90、热系数ArAr，这时主要，这时主要n n 取决于取决于ArAr对电弧的冷却作用，故对电弧的冷却作用，故E,U.E,U.n n3 3、 周围气体介质的压力周围气体介质的压力周围气体介质的压力周围气体介质的压力：压力压力 冷却作用冷却作用 ，电弧电压，电弧电压 返回返回第二节第二节 焊接电弧的产热及温度分布焊接电弧的产热及温度分布一、焊接电弧的产热机构一、焊接电弧的产热机构一、焊接电弧的产热机构一、焊接电弧的产热机构n n弧柱、阴极区、阳极区导电机构不同，故产热机构也不同。弧柱、阴极区、阳极区导电机构不同，故产热机构也不同。（一）（一）弧柱区的产热机构弧柱区的产热机构弧柱区的产热机构弧柱区的产热机
91、构n n 前已述及，弧柱区的导电主要是电子在电场作用下定向运动来实前已述及，弧柱区的导电主要是电子在电场作用下定向运动来实现的，正离子流占整个电流中极小的比例，决定了电压降可以很小，现的，正离子流占整个电流中极小的比例，决定了电压降可以很小，电流可以很大。电流可以很大。n n1 1、弧柱中外加电能的大部分转换为热能、弧柱中外加电能的大部分转换为热能、弧柱中外加电能的大部分转换为热能、弧柱中外加电能的大部分转换为热能n n电子运动：电子运动：电子运动：电子运动：一部分一部分一部分一部分是与正离子是与正离子( (或中性粒子或中性粒子) )碰撞过程的散乱运动。散碰撞过程的散乱运动。散乱运动的动能就是
92、电子的热能，占电子能量的大部分乱运动的动能就是电子的热能，占电子能量的大部分-热能；热能；n n另一部分另一部分另一部分另一部分是沿电场方向做定向运动是沿电场方向做定向运动-动能动能n n2 2、弧柱的热能、弧柱的热能、弧柱的热能、弧柱的热能QQIELcIELc，主要取决于，主要取决于，主要取决于，主要取决于E E的大小的大小的大小的大小n n (E (E一定时主要取决于一定时主要取决于I) I)n n与弧柱的热损失相平衡与弧柱的热损失相平衡n n3 3、弧柱的热损失包括有对流（、弧柱的热损失包括有对流（、弧柱的热损失包括有对流（、弧柱的热损失包括有对流（8080）、传导和辐射（占）、传导和辐
93、射（占）、传导和辐射（占）、传导和辐射（占1010左右）左右）左右）左右） （二）阴极区的产热机构（二）阴极区的产热机构 1 1、能量产生在阴极区，主要是阴极区压降、能量产生在阴极区，主要是阴极区压降、能量产生在阴极区，主要是阴极区压降、能量产生在阴极区，主要是阴极区压降I Ik k（0.001I0.001I）n n 阴极区，弧柱中正离子相对电子很少，因此正离子所阴极区，弧柱中正离子相对电子很少，因此正离子所持的总能量对阴极区的能量影响很小，正离子传导的电流持的总能量对阴极区的能量影响很小，正离子传导的电流忽略不计；忽略不计；n n2 2、阴极压降产热并耗能、阴极压降产热并耗能、阴极压降产热并
94、耗能、阴极压降产热并耗能n nP Pk kI I（U Uk kU Uw wU UT T）n nU Uw w逸出电位；逸出电位；n nU UT T弧柱温度等效电压；弧柱温度等效电压；n nP Pk k阴极区总能量；阴极区总能量；n nIUIUT T电子流离开阴极区进入弧柱区时，它具有与弧柱温电子流离开阴极区进入弧柱区时，它具有与弧柱温度相同而带走的热量；度相同而带走的热量；n nPkPk主要用于阴极的加热和阴极区的散热损失。焊接过程中主要用于阴极的加热和阴极区的散热损失。焊接过程中直接加热焊丝或工件的热量主要由这部分能量提供。直接加热焊丝或工件的热量主要由这部分能量提供。（三）阳极区的产热机构（
95、三）阳极区的产热机构n n1 1、仅考虑阳极区接受电子流的能量转换、仅考虑阳极区接受电子流的能量转换、仅考虑阳极区接受电子流的能量转换、仅考虑阳极区接受电子流的能量转换n n2 2、阳极区接受的总能量、阳极区接受的总能量、阳极区接受的总能量、阳极区接受的总能量n n 电子到达阳极时将带给阳极三部分能量：电子到达阳极时将带给阳极三部分能量：n n(1)(1)电子通过阳极压降区被电子通过阳极压降区被UA UA 加速而获得的动能加速而获得的动能IUAIUA；n n(2)(2)电子发射时从阴极吸收的逸出功又传给阳极而电子发射时从阴极吸收的逸出功又传给阳极而获得的动能获得的动能IUwIUw； (3) (
96、3)从弧柱带来的与弧柱温度相对应的热能从弧柱带来的与弧柱温度相对应的热能n n P P( (十十十十) )n n阳极产生的热量：用于加热、熔化和散热损失，阳极产生的热量：用于加热、熔化和散热损失，是焊经过程中可以直接利用的能量。是焊经过程中可以直接利用的能量。二、焊接电弧的热效率及能量密度（一）热效率（一）热效率（一）热效率（一）热效率：QQ 。IUaIUan n为热效率系数；为热效率系数；n n 的相关因素：焊接方法、焊接规范、周围的条件的相关因素：焊接方法、焊接规范、周围的条件 n n其它条件一定时，其它条件一定时，UaUa（UaUaLcLc则弧柱的辐射，对流则弧柱的辐射，对流 ）（二）能
97、量密度（二）能量密度（二）能量密度（二）能量密度 利用某热源加热工件时，单位有效面积上的热功率称为能量密度利用某热源加热工件时，单位有效面积上的热功率称为能量密度n n电弧电弧10102 210104 4 W W2 2；气焊火焰；气焊火焰1 110 W10 W2 2；电子束；电子束10106 610107 7 W W2 2 三、电弧的温度分布三、电弧的温度分布1 1、电弧温度的轴向分布不能与能量密度分布相对应，而是与能量、电弧温度的轴向分布不能与能量密度分布相对应，而是与能量、电弧温度的轴向分布不能与能量密度分布相对应，而是与能量、电弧温度的轴向分布不能与能量密度分布相对应，而是与能量平衡相对
98、应。平衡相对应。平衡相对应。平衡相对应。n n图图1 12 2电弧各部分温、电流和能量密度的分布电弧各部分温、电流和能量密度的分布2 2、弧柱的温度较高，而两电极的温度则较低、弧柱的温度较高，而两电极的温度则较低、弧柱的温度较高，而两电极的温度则较低、弧柱的温度较高，而两电极的温度则较低。n n电极温度的升高受到电极材料导热性能、熔点和沸点的限制电极温度的升高受到电极材料导热性能、熔点和沸点的限制3 3、电弧温度的影响因素、电弧温度的影响因素、电弧温度的影响因素、电弧温度的影响因素：（1 1）电极材料熔点和沸点较低时，电弧的温度较低）电极材料熔点和沸点较低时，电弧的温度较低）电极材料熔点和沸点
99、较低时，电弧的温度较低）电极材料熔点和沸点较低时，电弧的温度较低n n 如：手工电弧焊时，有金属的蒸发。电弧温度较低，金属蒸如：手工电弧焊时，有金属的蒸发。电弧温度较低，金属蒸发时，金属蒸气的电离度发时，金属蒸气的电离度 TcTc（2 2）电弧周围的气氛）电弧周围的气氛）电弧周围的气氛）电弧周围的气氛n n 当电弧周围有气体高速流动时，高速气流的冷却使当电弧周围有气体高速流动时，高速气流的冷却使EE，则，则温度温度 。 电弧周围气氛是多原子气体时，如电弧周围气氛是多原子气体时，如COCO2 2、0 02 2、H H2 2、N N2 2等，等，由于吸收大量的解离能，使电弧温度由于吸收大量的解离能
100、，使电弧温度 。第三节第三节 电弧力及影响因素电弧力及影响因素n n 在焊接过程中，电弧不仅是个热源，也是一个力源。电弧产在焊接过程中，电弧不仅是个热源，也是一个力源。电弧产生的机械作用力对焊缝的熔深、熔池搅拌、熔滴过渡、焊缝成形生的机械作用力对焊缝的熔深、熔池搅拌、熔滴过渡、焊缝成形等都有直接影响。如果对电弧力控制不当，将会破坏焊接过程，等都有直接影响。如果对电弧力控制不当，将会破坏焊接过程，形成飞溅、焊瘤、咬肉、烧穿等缺陷。形成飞溅、焊瘤、咬肉、烧穿等缺陷。n n电弧力：电磁力、等离子流力、斑点压力、短路爆破力等。电弧力：电磁力、等离子流力、斑点压力、短路爆破力等。n n一、焊接电弧的作用
101、力一、焊接电弧的作用力一、焊接电弧的作用力一、焊接电弧的作用力n n 1 1、电磁收缩力、电磁收缩力、电磁收缩力、电磁收缩力n n 电弧为圆柱任意半径电弧为圆柱任意半径r r处自身收缩力处自身收缩力n n 电弧中心径向压力：电弧中心径向压力：r r0 0 n n 实际电弧为锥形实际电弧为锥形: 2 2、等离子流力、等离子流力、等离子流力、等离子流力 电弧中由于电弧的推力引起的高温气流的运动而形成的力电弧中由于电弧的推力引起的高温气流的运动而形成的力电弧中由于电弧的推力引起的高温气流的运动而形成的力电弧中由于电弧的推力引起的高温气流的运动而形成的力 （气动力、气吹力等）（气动力、气吹力等）（1
102、1）性质）性质）性质）性质n n主要的机械作用力主要的机械作用力 是由截面的变形而引起的，是中性粒是由截面的变形而引起的，是中性粒子对工件表面的压力，方向由电极指向工件。子对工件表面的压力，方向由电极指向工件。n n施焊时可能会产生从工件到电极反向等离子流力。工件施焊时可能会产生从工件到电极反向等离子流力。工件上的导电区是由许多斑点组成，而每个斑点上都有一个小斑上的导电区是由许多斑点组成，而每个斑点上都有一个小斑点，在斑点处小弧柱将收缩。点，在斑点处小弧柱将收缩。（2 2）分布特征（径向）分布特征（径向）分布特征（径向）分布特征（径向）n n 电流小、电弧较长时，正态分布；电流小、电弧较长时，
103、正态分布；n n 大电流、电弧短时，双面指数分布。大电流、电弧短时，双面指数分布。 3 3、斑点力、斑点力、斑点力、斑点力n n（1 1）正离子和电子对电极的撞击力）正离子和电子对电极的撞击力）正离子和电子对电极的撞击力）正离子和电子对电极的撞击力 n n阴极斑点力阳极斑点力阴极斑点力阳极斑点力n n（2 2）电磁收缩力）电磁收缩力）电磁收缩力）电磁收缩力 斑点处将产生向上的电磁收缩力斑点处将产生向上的电磁收缩力n n阴极斑点收缩程度阳极阴极斑点收缩程度阳极n n阴极斑点力阳极斑点力阴极斑点力阳极斑点力n n（3 3）电极材料蒸发的反作用力）电极材料蒸发的反作用力）电极材料蒸发的反作用力）电极
104、材料蒸发的反作用力 n n斑点上的电流密度很高，局部高温而产生强烈的蒸斑点上的电流密度很高，局部高温而产生强烈的蒸发，使金属蒸气以一定速度从斑点喷射出来，它将施加发，使金属蒸气以一定速度从斑点喷射出来，它将施加给斑点一定的反作用力。给斑点一定的反作用力。n n电流密度：阴极阳极电流密度：阴极阳极反作用力：阴极阳极反作用力：阴极阳极 4 4、爆破力、爆破力、爆破力、爆破力 n n熔滴短路，电弧瞬时熄灭，如短路电流很大，由于熔滴短路，电弧瞬时熄灭，如短路电流很大，由于电流密度很大，金属液柱内产生很大的电磁收缩力而缩电流密度很大，金属液柱内产生很大的电磁收缩力而缩颈变细；电阻热使金属液柱的温度急剧升
105、高，液柱内部颈变细；电阻热使金属液柱的温度急剧升高，液柱内部可能发生汽化而爆断可能发生汽化而爆断飞溅。飞溅。 5 5、细熔滴的冲击力、细熔滴的冲击力、细熔滴的冲击力、细熔滴的冲击力 射流过渡时产生射流过渡时产生形成指状熔深形成指状熔深二、电弧力的影响因素二、电弧力的影响因素二、电弧力的影响因素二、电弧力的影响因素n n1 1、气体介质、气体介质、气体介质、气体介质 n n（1 1）气体的导热性强或多原子气体）气体的导热性强或多原子气体电弧的收缩更大电弧的收缩更大n n电弧压力电弧压力 。n n（2 2）气体流量）气体流量 或电弧空间气体压力或电弧空间气体压力收缩而导致收缩而导致n n电弧压力电
106、弧压力 ，例如：，例如：COCO2 2焊时飞溅大。焊时飞溅大。n n2 2、焊接规范、焊接规范、焊接规范、焊接规范n n（1 1）Ih Ih 电磁收缩力电磁收缩力 、等离子流力、等离子流力电弧力电弧力 n n（2 2）ULcULc电弧力电弧力 3 3、焊丝（条）直径、极性及几何形状、焊丝（条）直径、极性及几何形状、焊丝（条）直径、极性及几何形状、焊丝（条）直径、极性及几何形状n n（1 1）dd电流的密度越大电流的密度越大j j，电磁压力，电磁压力 （电磁收缩力（电磁收缩力 ）n n（2 2）钨极接负，电弧压力）钨极接负，电弧压力 ；钨极接正，电弧压力；钨极接正，电弧压力 。n n钨极接负：钨
107、极接负：钨极接负：钨极接负：形成的锥度较大，产生的轴向推力较大，有较大的等形成的锥度较大，产生的轴向推力较大，有较大的等离子流力和电磁力，电弧力大。离子流力和电磁力，电弧力大。n n熔化极气体保护直流正接熔化极气体保护直流正接熔化极气体保护直流正接熔化极气体保护直流正接：焊丝受到较大的斑点压力，使熔滴易焊丝受到较大的斑点压力，使熔滴易长大不能顺利过渡，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，因此电弧力小。电弧力小。n n熔化极气体保护直流反接时：熔化极气体保护直流反接时：熔化极气体保护直流反接时：熔化极气体保护直流反接时：受到的斑点压力小，能形
108、成细小的受到的斑点压力小，能形成细小的熔滴，有较大的电磁力与等离子流力，电弧力较大熔滴，有较大的电磁力与等离子流力，电弧力较大n n（3 3）电极端部的角度及几何形状）电极端部的角度及几何形状）电极端部的角度及几何形状）电极端部的角度及几何形状n n 角度角度电极导电区电极导电区 弧柱前面的收缩弧柱前面的收缩电弧力电弧力 n n 气流阻力气流阻力 等离子流速等离子流速 电磁动压力电磁动压力电弧力电弧力 第四节 交流电弧的特点n n变动作用下的电弧：交流电弧、短路过渡电弧、脉冲电弧变动作用下的电弧：交流电弧、短路过渡电弧、脉冲电弧n n一、交流电弧的燃烧过程一、交流电弧的燃烧过程一、交流电弧的燃
109、烧过程一、交流电弧的燃烧过程n n再引燃电压：重新引燃电弧所需要的电压数值。再引燃电压：重新引燃电弧所需要的电压数值。n n1 1、纯电阻回路电弧的燃烧过程、纯电阻回路电弧的燃烧过程、纯电阻回路电弧的燃烧过程、纯电阻回路电弧的燃烧过程。n n图图1 14040电阻性回路的电弧电压，电流波形图电阻性回路的电弧电压，电流波形图n n2 2、电路中串联有足够电感时燃烧过程（、电路中串联有足够电感时燃烧过程（、电路中串联有足够电感时燃烧过程（、电路中串联有足够电感时燃烧过程（重点）重点）n n图图1 14141回路中有电感时的电弧电压，电流波形回路中有电感时的电弧电压，电流波形二、交流电弧加热作用及电
110、弧力作用的特点二、交流电弧加热作用及电弧力作用的特点二、交流电弧加热作用及电弧力作用的特点二、交流电弧加热作用及电弧力作用的特点n n1 1、交流电弧加热作用、交流电弧加热作用、交流电弧加热作用、交流电弧加热作用（1 1）Wa=UaIaWa=UaIaWaWa热功率；热功率；n n（2 2）对焊条）对焊条）对焊条）对焊条( (焊丝焊丝焊丝焊丝) )和工件的熔化速度和热效率介于直流正接和和工件的熔化速度和热效率介于直流正接和和工件的熔化速度和热效率介于直流正接和和工件的熔化速度和热效率介于直流正接和n n反接之间反接之间反接之间反接之间。n n 2 2、电弧力作用的特点、电弧力作用的特点、电弧力作
111、用的特点、电弧力作用的特点：n n在每半波的波峰附近产生较大的等离子流力，而且是间断的在每半波的波峰附近产生较大的等离子流力，而且是间断的 第五节第五节第五节第五节 磁场对电弧的作用磁场对电弧的作用磁场对电弧的作用磁场对电弧的作用电弧电压是连续的燃烧过程电弧电压是连续的燃烧过程电弧电压是连续的燃烧过程电弧电压是连续的燃烧过程： 电源电压电源电压U U0 0由零逐渐增大，当电源电压瞬时值达由零逐渐增大，当电源电压瞬时值达到电弧的再引燃电压到电弧的再引燃电压UrUr时，则电弧重新引燃，开始产生电弧电压时，则电弧重新引燃，开始产生电弧电压UaUa。电弧一经。电弧一经引燃，电弧电压迅速下降到正常燃烧的
112、电弧电压，形成低电压大电流放电现象引燃，电弧电压迅速下降到正常燃烧的电弧电压，形成低电压大电流放电现象（电弧）。电源按正弦波供电，电源电压由小到大，焊接电流也逐渐增大，电弧（电弧）。电源按正弦波供电，电源电压由小到大，焊接电流也逐渐增大，电弧电压变化不大。当电源电压下降时，焊接电统也逐渐下降。过电压变化不大。当电源电压下降时，焊接电统也逐渐下降。过GG点时电弧熄灭。点时电弧熄灭。电弧媳灭后电流为零。下半放电源电压上升并达到再引燃电压值时，电弧又重新电弧媳灭后电流为零。下半放电源电压上升并达到再引燃电压值时，电弧又重新引燃，如此不断重复形成交流电弧的燃烧过程。引燃，如此不断重复形成交流电弧的燃烧
113、过程。特点：特点：特点：特点：电弧熄灭电弧熄灭tete，即电弧电流中断一段时间，电弧空间的热量很快散失，电极，即电弧电流中断一段时间，电弧空间的热量很快散失，电极温度下降，电弧再引燃电压提高，电弧不稳定。温度下降，电弧再引燃电压提高，电弧不稳定。CACA段：段：段：段：电弧熄灭阶段电弧熄灭阶段 燃烧过程：燃烧过程：当焊接回路中串有足够的电感，由于电源与电弧负载电压在相位上的差别及电感的续流作用。当电源电压降至零时，电感上产生的电感电势仍能维持供给焊接电流，Uao，维持电弧的稳定燃烧（A点），直到电感上储存的能量不能满足电弧的需要时电弧熄灭，电弧电流为零（B点），而此时若反向电源电压数值已达到或
114、超过Ur，使电弧反向燃烧。特点：特点：电弧电压及焊接电流连续，电弧燃烧稳定。第五节第五节 磁场对电弧的作用磁场对电弧的作用n n 焊接电弧弧柱是具有一定电离度的气体，其中正、负电荷相等，宏观呈电焊接电弧弧柱是具有一定电离度的气体，其中正、负电荷相等，宏观呈电中性，但微观上却是正、负电荷分离，且向一定的方向运动形成电流。当有中性，但微观上却是正、负电荷分离，且向一定的方向运动形成电流。当有磁场存在时，磁场将对运动的电荷产生力的作用。磁场存在时，磁场将对运动的电荷产生力的作用。n n电弧周围的磁场有两种电弧周围的磁场有两种电弧周围的磁场有两种电弧周围的磁场有两种：电弧电流本身所产生的磁场（自身磁场
115、）及外加磁电弧电流本身所产生的磁场（自身磁场）及外加磁场。场。一、电弧自身磁场的作用一、电弧自身磁场的作用一、电弧自身磁场的作用一、电弧自身磁场的作用n n（一）提高电弧的刚直性（一）提高电弧的刚直性（一）提高电弧的刚直性（一）提高电弧的刚直性主要是电磁收缩力的有利作用，促使熔滴的主要是电磁收缩力的有利作用，促使熔滴的n n过渡，保证熔深。过渡，保证熔深。n n 电弧的刚直性：电弧的刚直性：电弧的刚直性：电弧的刚直性：电弧作为一个柔软导体抵抗外界干扰，力求保持电流沿电弧作为一个柔软导体抵抗外界干扰，力求保持电流沿n n焊条轴向流动的性能。焊条轴向流动的性能。n n 电弧的刚直性的影响因素：电弧
116、的刚直性的影响因素：电弧的刚直性的影响因素：电弧的刚直性的影响因素：n n（1 1）I Ih h 电弧自身的磁场强度电弧自身的磁场强度 电弧的刚直性电弧的刚直性 ；n n（2 2）等离子流力、高速气流及周围气流气流和周围气流的冷却作用）等离子流力、高速气流及周围气流气流和周围气流的冷却作用 n n电弧的刚直性电弧的刚直性 ；n n（3 3）C0C02 2、H H2 2、HeHe、H2H2等气氛有利于等气氛有利于 提高电弧的刚直性。提高电弧的刚直性。 （二）产生电弧磁偏吹二）产生电弧磁偏吹二）产生电弧磁偏吹二）产生电弧磁偏吹：不利一面不利一面n n 磁偏吹：磁偏吹：磁偏吹：磁偏吹：由于自身磁场不
117、对称使得电弧周受力不均时，特电弧偏由于自身磁场不对称使得电弧周受力不均时，特电弧偏离电极轴线的现象称为磁偏吹。离电极轴线的现象称为磁偏吹。 1 1、导线接线位置引起的磁偏吹、导线接线位置引起的磁偏吹、导线接线位置引起的磁偏吹、导线接线位置引起的磁偏吹 焊接时，不仅电流通过焊条与电弧在空焊接时，不仅电流通过焊条与电弧在空间产生磁场，通过工件也会产生磁场。间产生磁场，通过工件也会产生磁场。n n防止措施：防止措施：防止措施：防止措施：（1 1）对于长和大的工件可采用两边接地线；）对于长和大的工件可采用两边接地线；n n（2 2）尽量采用短弧进行焊接，电弧越短，磁偏吹越小。）尽量采用短弧进行焊接，电
118、弧越短，磁偏吹越小。2 2、电弧附近的铁磁物质引起的磁偏吹电弧附近的铁磁物质引起的磁偏吹电弧附近的铁磁物质引起的磁偏吹电弧附近的铁磁物质引起的磁偏吹 n n较多的磁力线集中到钢板中，钢板越大越近，磁偏吹越严重。较多的磁力线集中到钢板中，钢板越大越近，磁偏吹越严重。n n防止措施：防止措施：（1 1）远离钢板，避免周围铁磁场物质的影响；）远离钢板，避免周围铁磁场物质的影响；n n（2 2）加热钢板）加热钢板 T T钢板钢板导磁能力导磁能力 3 3、剩磁引起的磁偏吹剩磁引起的磁偏吹剩磁引起的磁偏吹剩磁引起的磁偏吹n n 在坡口机械加工等过程中，焊件可能产生剩磁。在坡口机械加工等过程中，焊件可能产生
119、剩磁。n n3 3、交流电弧的磁偏吹、交流电弧的磁偏吹、交流电弧的磁偏吹、交流电弧的磁偏吹 n n 直流电弧的磁偏吹较交流电弧严重。直流电弧的磁偏吹较交流电弧严重。直流电弧的磁偏吹较交流电弧严重。直流电弧的磁偏吹较交流电弧严重。原因如下：原因如下：原因如下：原因如下：n n（1 1）交流电弧引起的磁场在不断改变方向，变化的电力线）交流电弧引起的磁场在不断改变方向，变化的电力线n n在母材中引起的涡流电流，而涡流电流有抵消磁场的作在母材中引起的涡流电流，而涡流电流有抵消磁场的作n n用，使合成磁场变弱；用，使合成磁场变弱；n n（2 2）交流电弧和磁场均是变化的，不均衡磁场对电弧的作用）交流电弧
120、和磁场均是变化的，不均衡磁场对电弧的作用n n力也是同相位进行变化的，电弧偏离不到极大值就得回力也是同相位进行变化的，电弧偏离不到极大值就得回n n到焊条轴线位置。到焊条轴线位置。n n所以磁偏吹严重时可用交流电源代替直流电源。所以磁偏吹严重时可用交流电源代替直流电源。n n 消除和减少磁偏吹的措施：消除和减少磁偏吹的措施：n n（1）用交流电源代替直流电源；）用交流电源代替直流电源；n n（2）采用短弧作业；）采用短弧作业；n n（3）对长而大的工件可采用两边接地；）对长而大的工件可采用两边接地；n n（4）尽量采用厚皮焊条代替薄皮焊条；）尽量采用厚皮焊条代替薄皮焊条；n n（5）远离铁磁物
121、质。）远离铁磁物质。 二、外加磁场对电弧的作用二、外加磁场对电弧的作用二、外加磁场对电弧的作用二、外加磁场对电弧的作用n n 主要是通过外加磁场来控制电弧的形态及运动，满足特殊的工艺的要求。主要是通过外加磁场来控制电弧的形态及运动，满足特殊的工艺的要求。另外，可控制金属的流动、结晶过程，改善焊缝成形及细化晶等。另外，可控制金属的流动、结晶过程，改善焊缝成形及细化晶等。（一）外加横向磁场对电弧助作用（一）外加横向磁场对电弧助作用（一）外加横向磁场对电弧助作用（一）外加横向磁场对电弧助作用n n图图1 14949外加横向磁场对电弧助作用外加横向磁场对电弧助作用n n1 1、施加一个直流的横向磁场，
122、电弧偏向一例；、施加一个直流的横向磁场，电弧偏向一例；、施加一个直流的横向磁场，电弧偏向一例；、施加一个直流的横向磁场，电弧偏向一例；n n2 2、外加、外加、外加、外加50HZ50HZ交流磁场，相当于加热区加宽。交流磁场，相当于加热区加宽。交流磁场，相当于加热区加宽。交流磁场，相当于加热区加宽。n n作用：作用：作用：作用：适用于用于焊接薄板；控制堆焊电弧，得到较浅的熔深。适用于用于焊接薄板；控制堆焊电弧，得到较浅的熔深。适用于用于焊接薄板；控制堆焊电弧，得到较浅的熔深。适用于用于焊接薄板；控制堆焊电弧，得到较浅的熔深。（二）外加纵向磁场对电弧的作用二）外加纵向磁场对电弧的作用二）外加纵向磁
123、场对电弧的作用二）外加纵向磁场对电弧的作用 n n图图1 15050加纵向同轴磁场示意图加纵向同轴磁场示意图在外加纵向磁场的作用下，带电粒子的运动将变成平行磁力线方向的螺旋运动。在外加纵向磁场的作用下，带电粒子的运动将变成平行磁力线方向的螺旋运动。BrBrn n1 1、限制电弧的扩散，使电弧能量更集中，、限制电弧的扩散，使电弧能量更集中，、限制电弧的扩散，使电弧能量更集中，、限制电弧的扩散，使电弧能量更集中， 熔深；熔深；熔深；熔深；2 2、增加电弧的电场强度；、增加电弧的电场强度；、增加电弧的电场强度；、增加电弧的电场强度；3 3、增加电弧的刚直性，抵抗磁偏吹及其它干扰、增加电弧的刚直性，抵抗磁偏吹及其它干扰、增加电弧的刚直性，抵抗磁偏吹及其它干扰、增加电弧的刚直性，抵抗磁偏吹及其它干扰（三）外加尖角磁场的作用（三）外加尖角磁场的作用（三）外加尖角磁场的作用（三）外加尖角磁场的作用n n使弧柱的截面成椭圆形使弧柱的截面成椭圆形电弧功率密度及电弧电场强度电弧功率密度及电弧电场强度HAZHAZ，VV返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回
