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1、第一章焊接电弧,一基本要求 熟练掌握本章的基本概念，理解并掌握最小电压原理、电弧力。了解电弧各个区域的组成、导电机构、产热机构、交流电弧的特点以及阴极斑点的特点及其对焊接质量的影响。二基本概念电弧、气体放电、电离、电子发射、阴极斑点、阳极斑点、刚直性、磁偏吹、电离能、逸出功、电离电压、逸出电压三难点1）最小电压原理2）电弧的导电机构四重点1）电弧、电离、气体放电、刚直性、磁偏吹等一些基本概念。2）电弧力。3）电弧的产热机理。4）阴极斑点的特点。5）最小电压原理。,1-1电弧物理基础,一）电弧的基本概念1、电弧：电弧是一种气体放电 现象，通过放电将电能转变为热能与机械能。2、气体放电：两极间的气
2、体被击穿而导电的过程。非自持放电：放电本身不能产生导电所需的带电粒子（A+、e）。自持放电：放电本身能产生导电所需的带电粒子（A+、e）；有暗放电、辉光放电、电弧放电等三种。,+,-,电弧,Ua,Ia,电弧放电,辉光放电,暗放电,暗放电,自持放电,非自持放电,U,I,导体导电,二）带电粒子的产生过程产生方式：电离：气体中性原子或分子（A）分离为一价正离子（A+）和电子（e）的过程。电子发射：金属表面逸出电子的现象（一）电离与激励1、电离：在一定条件下中性原子分离成A+及e的现象。A A+e-Wi电离能：原子或分子电离所需要的能量 单位为ev 或J电子伏：一个电子被1V的电压所加速得到的能量。电
3、离电压：电离能/电子带电量。一次电离：AA+e二次电离：A+A+en次电离：A（n-1）+An+e,2、激励：气体原子得到的一定的能量，虽然小于Wi，但可使电子从低能级跃迁到高能级。这种现象叫激励。激励能：所需的最小外加能量叫激励能We。激励能电压：激励能We/e。3、能量传递方式1）碰撞：粒子间通过相互碰撞而交换能量弹性碰撞：仅发生动能再分配非弹性碰撞：交换的能量势能，从而导致电离或激励。,2）光幅射：在光的辐射下，中性粒子直接吸收光量子的能量。,A,A+,A-,e,A,A,e,h eUi,4、电离的分类：1）热电离：气体粒子受热的作用而产生电离实质：中性粒子通过与电子碰撞，接收电子能量而电
4、离。电离度：电离了的粒子数量与电离前离子数量之比。0.1%热解离：在热量的作用下，多原子分子分解为原子。解离能：分子热解离所需要的能量2）电场作用下的电离：A+、e在电场作用下被加速、与A碰撞使其电离的过程。主要是e的作用：电子获得的能量是A+的4倍。3）光电离：A直接捕捉光量子并吸收其能量而电离。波长越小越易促进光电离，电弧波长包括红外线、紫外线可见光、可使AI、K、Na原子光电离。但不能使Ar、He、Fe等电离。,（二）电子发射1、基本概念1）电子发射：电子从金属表面逸出的现象。对电弧导电起作用的主要是阴极的发射。2）逸出功（Ww）：电子发射所需的最小能量。3）逸出电压：Ww/e物理意义：
5、Ww越小，引弧越容易，电弧稳弧性越好。4）主要影响因素：材料，K、Na之Ww较低。表面状态：有氧化物时，逸出功降低加入杂质，例如，钍、铈及镧等可降低Ww。,-,2、分类1）热发射：在热量的作用下产生的发射产生条件：阴极温度足够高特点：对阴极有冷却作用，这一点对TIG焊具有重要意义。可提高W极的载流能力。2）电场发射：金属表面的电子在电场力的作用下逸出的现象。特点：对阴极的冷却作用较小。3）光发射：光幅射作用下产生的发射。实际电弧中产生光发射的可能性很小。4）粒子碰撞发射：高速运动的A+碰撞到阴极上导致的发射。,库仑力,（三）负离子的产生中性离子与电子结合的过程，是一个放热过程，所放出的热被成为
6、电子亲和能。A+e A-+W注意：1）亲和能高的原子易形成A-，但高温下不利于放热反应。2）交流电弧过零时，易形成。3）易在电弧周边形成。4）不利于电弧稳定。（四）扩散与复合扩散：电弧中心处A+、e较多，e易向周边运动。当周边电子浓度达到一定值后，在e吸引下，A+也向周边运动。从而在周边复合A+eA+WiA+A2A+Wi,A-,A,e,+,A-,+,A,A,e,三）电弧各区域的导电机构（一）区域组成由阴极区、阳极区、弧柱三部分组成。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、弧柱区长度基本上等于电弧长度，E较小,UA,UC,UK,阳极区,阴极区
7、,弧柱,-,+,10-510-6cm,10-210-4cm,（二）弧柱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。1、带电粒子的产生1）电离：热电离 光电离 电场作用的电离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A+冲向阴极正离子流IA+e冲向阳极电子流IeI=IA+Ie其中：IA+=0.1%I Ie=99.9%I3、特点：1）电中性；2）E小、Ua小,IA+,Ie,I,三）、阴极区的导电机构1、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IA+=0.001I2、热发射型1）产生条件：W、C阴极，且电流很大2
8、）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：热发射能力不足的阴极。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Vk,3、电场发射型导电机构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（1）场发射（2）场电离（3）热发射（4）碰撞发射,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,Uk,阴极区,弧柱区,电场发射型导电机构,阴极,热发射,场发射,碰撞发射,场电离,0.9
9、99I,c)特点：（1）阴极附近存在正电荷区阴极区（2）fe0.001 I（3）阴极区断面收缩（4）阴极表面上产生阴极斑点3）等离子型导电机构A、条件：1）W、C阴极，且I较小：或AI、Fe、Cu阴极；且2）气压较小，UkUiB、带电粒子产生方式：热电离C、特点：同上,（四）阳极区的导电机构1、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+=0.001I2、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0b)不存在阳极斑点。3、电场作用下的电离1）产生条件：I较小2）带电粒子的产生方式：热电离、场
10、电离3）特点：a）有阳极区，发生收缩b)Ua较大c)有阳极斑点,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,+,+,-,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,UA,阳极区,弧柱区,阳极压降的形成,+,（五）阴极斑点与阳极斑点1、阴极斑点：阴级上导通电流的一些灼亮的弧立点。1)产生条件：a、W、C阴极且I很小b、AI、Fe、Cu作阴极2)某点充当阴极斑点的条件a、电弧通过该点时耗能最小b、该点能发射电子3）特点a）电流密度大、温度高b）跳跃性及粘着性c）存在斑点力：蒸发反力、A+的撞击力d）自动寻找氧化膜，该点对于铝、
11、镁及其合金的焊接是非常重要的，见后面的阴极雾化作用。,-,-,-,焊接方向,-,+,A,A,B,焊接方向,粘着性,跳跃性,2、阳极斑点1）产生条件：I很小2）点充当阳极斑点的条件a）通过该点导通电流时，耗能最小b）易蒸发，产生金属蒸气3）特点：a、电流密度大、温度高b、粘着性、跳跃性c、避开氧化膜d、斑点力，阳极斑点力小于阴极斑点力,四）最小电压原理 电流一定、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。该原理有两个方面的含义：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,E,r,R*,E
12、*,电弧稳定燃烧时，Ua与Ia的关系称为电弧静 特性。下降区（负阻特性区）：电流密度不变平特性区：E不变上升特性区：影响因素：1、弧长2、气体介质导热性热分解性能3、气体介质的压力,五、电弧的静特性,Ua,Ia,小电流TIG,TIGSAWMMA,MIGMAG,Ia,Ua,Ia,L2,L1,L2 L1,纯Ar,Ar+20%H2,Ua,Ia,电离电压Ar15.7eVH 13.5eVH215.5eV,弧长影响,物理性能：热分解、导热系数,1-2焊接电弧的产热及温度分布,一）、焊接电弧的产热机构（一）弧柱的产热机构电能热能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
13、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=Ia Ua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。凡是影响Ua的因素均影响弧柱的产热。（二）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，由三部分组成：1）电子逸出阴极时消耗能量：-IUw2）电子进入弧柱前被电场（Ek）加速得到一部分能量：+IaUk3）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,（
14、三）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，由三部分组成：1）e被UA加速所得到的能量：+e UA2）电子带来的逸出功：+IUw3）电子带来的相当于弧柱温度那部分能量+IUw2、产热公式PA=I（UA+Uw+UT）3、作用用于加热阳极,二）、焊接电弧的热效率及能量密度（一）电弧总产热Pa=PC+PA+PK=I（UC+UK+UA）=IaUa（二）有效功率、热效率系数1有效功率：用于加热工件和焊丝的功率QE2热效率系数：=QE/Pa3 影响的因素：1）焊接方法：TIG焊低、MIG、SAW高2）焊接规范：3）外部条件（三）能量密度1单位有效加热面积上的热功率，单位为w/cm
15、22功率密度越高 H/B越大，焊接变形及HAZ越小。气焊电弧焊激光电子束1-10102-104106-107 106-108,三）、电弧的温度分布（一）电弧的轴向温度分布影响温度分布的因素：1、功率密度2、电极材料3、高熔点氧化物（二）弧柱温度分布1、轴向1）二电极尺寸相等时，轴向温度分布均匀2）二电极尺寸不等，轴向温度分布不均匀，靠近尺寸较小的一端，温度较高。,温度,电流密度,功率密度,2、径向中心轴附近温度高，周边低（三）影响弧柱温度的因素1、电流，Ia T2、气体介质：导热系数，热解离 T3、电极材料4、拘束度,2、径向中心轴附近温度高，周边低（三）影响弧柱温度的因素1、电流，Ia T2
16、、气体介质：导热系数，热解离 T3、电极材料4、拘束度：越大，电弧温度越高,_,-,弧柱的温度分布,T,T,r,L,1-3电弧力及其影响因素,一）、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。1）圆柱形电弧,电弧压力,电弧推力,式中：I-电流，R-电弧半径，K-系数,流态导体中电磁收缩力的影响,柱形导体中的电磁收缩力,流体中压力各个方向相同，因此作用于焊条及工作上的轴向力为：,2）锥形电弧,压力,锥形电弧中沿轴向存在压力差，导至一轴向推力：,式中：I-电流，Rb-锥形弧柱下底面半径，Ra-锥形弧柱上底面半径,2、等离子流力 F推
17、引起的高温气体流（等离子流）所形成的力叫等离子流力作用：1）促进熔滴过渡2）导致指状熔深分布：轴线处大，周边小3、斑点力由以下三部分组成,阴极斑点力大于阳极斑点力1）带电粒子撞击力阴：A+撞击 大阳：e撞击：小2）蒸发反力阴：T高，力大阳：T低力小3）电磁收缩力阴：大阳：小,4、爆破力仅产生于短路过渡中，短路小桥汽化爆断所产生的力5、细熔滴的冲击力仅产生于MIG焊射流过渡，熔滴以很大的加速度冲击熔池，形成冲击力二）、影响因素1、气体介质导热好，易解离的气体，电弧力，特别是斑点力较大。2、电弧电流及电压电流增大，电弧力增大；电压增大，电弧力减小。3、W极或焊丝直径 直径越小，力越大 4、极性：T
18、IG焊时，DCSP大；而MIG焊正好相反。,爆破力,1-3交流电弧的特点,一）、交流电弧电流为50H正弧波的电弧被称为交流电弧。方波交流电弧。1、特点：1）周期性地过0点2）再引燃再引燃电压Ur：再引燃所需的电压。小于引燃烧电压。2、交流电弧的燃烧过程1）纯阻性回路电弧阻性元件，因此a、ia同相位，有熄弧时间te，当te较大时，难以引燃2）感性回路利用电感的续流，蓄能作用，可将te降为0,交流电源,te,U0,Ua,Ia,纯阻性回路,t,电源电压,电弧电压,电弧电流,交流电源,电感性回路,3、交流电弧稳定燃烧的条件在回路中串一合适的电感 二）、交流电弧的加热及力的特点1、加热Pa不断变化，对工
19、件的加热效果用有效热功率表示。Wa=Ua Ia-波形修正系数 Ua、Ia-电压及电流有效值2、电弧力的特点介于DCSP与DCRP之间，不易导致指状熔深.3、保护在相同的条件下，保护效果较差。,1-5刚直性及磁偏吹,一）、刚直性所谓刚直性是指电弧作为一柔软的导体抵抗外界干扰，力求保持电流沿轴向流动的能力。电弧的刚直性是由电弧的电磁场决定的，即电磁收缩力决定的。各运动的带电质点均受到指向焊条中心的力，该力使质点保持沿轴线流动。影响刚直性的因素：1）电流越大，刚直性越大；2）拘束度越大，刚直性大3）热解离导热性大 刚直性大,自身磁场对刚直性的影响刚直性,二）、磁偏吹1、偏吹：电弧因周围磁力线不对称而偏向一侧的现象.偏向：磁力线疏的一侧2、引起磁偏吹的原因1）导线接法不合适2）铁磁性物质3）交流电弧的磁偏吹较较小原因：（1）涡流，涡流磁场低消原磁场（2）电弧偏吹运动为机械运动，而交流电弧的不均恒磁场以50Hz的频率变化。,+,+,+,-,+,+,-,-,电流,+,F左,F右,磁偏吹,+,+,+,-,+,+,-,-,电流,+,F左,F右,接线位置引起的磁偏吹,+,+,+,+,-,-,+,-,+,+,+,+,-,+,+,-,-,电流,+,F左,F右,磁性物质引起的磁偏吹,-,-,-,-,+,+,
