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1、第第1章章 焊接电弧焊接电弧 本章主要内容：本章主要内容：1.1 焊接电弧机理焊接电弧机理1.2 焊接电弧特性焊接电弧特性1.3 电弧焊中的爱护气电弧焊中的爱护气1.4 电弧的引燃与稳弧电弧的引燃与稳弧重点：重点：1焊接电弧的特点及缘由；焊接电弧的特点及缘由；2焊接电弧各区导电机构特点及产生条件；焊接电弧各区导电机构特点及产生条件；3.电弧静特性曲线影响因素及其用处；电弧静特性曲线影响因素及其用处；4.沟通电弧的特点沟通电弧的特点难点：难点：1焊接电弧具有低电压、大电流的缘由；焊接电弧具有低电压、大电流的缘由；2.焊接电弧各区导电机构特焊接电弧各区导电机构特点及产生条件；点及产生条件；3.沟通
2、电弧的特点沟通电弧的特点1.1 1.1 焊接电弧机理焊接电弧机理主要内容：气体放电与焊接电弧、电弧中带电粒子的产生、主要内容：气体放电与焊接电弧、电弧中带电粒子的产生、焊接电弧各焊接电弧各区域的导电机构、区域的导电机构、电弧产热及温度分布、电弧产热及温度分布、电弧压力与等离子气电弧压力与等离子气流、直流电弧与沟通电弧流、直流电弧与沟通电弧一一 气体放电与焊接电弧气体放电与焊接电弧气体放电气体放电:气体本身导电吗？气体本身导电吗？WHYWHY？什么状况下可导电？什么状况下可导电？（1 1）相关概念：相关概念：气体放电：气体在电场和热场作用下产生电离，电离的带电粒子在两气体放电：气体在电场和热场作
3、用下产生电离，电离的带电粒子在两电极之间的外加电场作用下定向运动。电极之间的外加电场作用下定向运动。等离子体：含有带电粒子的电中性离子集团。等离子体：含有带电粒子的电中性离子集团。（2 2）气体放电类型：）气体放电类型：非自持放电：气体导电所须要的带电粒子不能通过导电过程本身产生，非自持放电：气体导电所须要的带电粒子不能通过导电过程本身产生，而须要外加措施来产生带电粒子。而须要外加措施来产生带电粒子。自持放电：自持放电：相反。相反。包括包括：暗放电（电池）、辉光放电（日光灯）暗放电（电池）、辉光放电（日光灯）、电弧放电（焊接电弧）。、电弧放电（焊接电弧）。（3 3）气体导电的条件气体导电的条件
4、 两电极之间有带电粒子；两电极之间有电场两电极之间有带电粒子；两电极之间有电场电弧放电辉光放电暗放电自持放电非自持放电I(A)U(V)I/A100010-41电弧示意图电弧示意图2 焊接电弧焊接电弧概念：电离的气体所产生概念：电离的气体所产生的强力的自持放电现的强力的自持放电现象。象。电弧放电的特点：电压低、电弧放电的特点：电压低、电流大、温度最高、电流大、温度最高、发光最强。发光最强。电弧广泛应用于焊接的缘电弧广泛应用于焊接的缘由：能有效而简便地由：能有效而简便地把电能转换成焊接过把电能转换成焊接过程所须要的热能和机程所须要的热能和机械能，并且平安、能械能，并且平安、能量足够。量足够。二二
5、电弧中带电粒子的产生电弧中带电粒子的产生 两电极空间的气体电离、电极的电子放射。两电极空间的气体电离、电极的电子放射。（一）阴极的电子放射（一）阴极的电子放射 阴极电子放射在电弧导电过程中起着特殊重要的作阴极电子放射在电弧导电过程中起着特殊重要的作用：用：缘由：阴极电子放射充当了维持电弧导电的缘由：阴极电子放射充当了维持电弧导电的“原电子原电子之源之源”。电子放射的基本概念电子放射的基本概念 a.a.定义：阴极中的自由电子受到确定的外加能定义：阴极中的自由电子受到确定的外加能量作用时，从阴极表面逸出的过程称为电子放量作用时，从阴极表面逸出的过程称为电子放射。射。b.b.逸出功：电子从阴极表面逸
6、出须要的最低外逸出功：电子从阴极表面逸出须要的最低外加能量。加能量。C.C.逸出功的影响因素：逸出功的影响因素：逸出功的大小受逸出功的大小受电极材料种类及表面状态的影响。电极材料种类及表面状态的影响。金属与其氧化物的逸出功相比如何？有什么用？金属与其氧化物的逸出功相比如何？有什么用？几种常见金属材料及其氧化物的逸出功几种常见金属材料及其氧化物的逸出功2 2 电子放射的种类型电子放射的种类型 热放射、场致放射、光放射、粒子碰撞放射热放射、场致放射、光放射、粒子碰撞放射a.a.热放射：阴极表面因受热的作用而使其内部的自由电子热放射：阴极表面因受热的作用而使其内部的自由电子热运动速度加大，动能增加，
7、一部分电子动能达到或超热运动速度加大，动能增加，一部分电子动能达到或超逸出功时产生的电子放射现象称为热放射逸出功时产生的电子放射现象称为热放射 条件：条件：金属种类金属种类WFeAlCuKCaMg逸出功逸出功（eV）纯金属纯金属4.544.484.254.362.022.123.78金属氧化物金属氧化物3.923.93.850.461.83.31留意留意:1:1）放射电子带走能量而对金属表面产生冷却作用。）放射电子带走能量而对金属表面产生冷却作用。）热阴极电弧：钨、碳等电极沸点很高，可加热到很）热阴极电弧：钨、碳等电极沸点很高，可加热到很高的温度（大于高的温度（大于3500K3500K），主要
8、靠热放射来供应电子，称为），主要靠热放射来供应电子，称为热阴极电弧。热阴极电弧。）冷阴极电弧：由于受电极沸点限制，温度不行能太）冷阴极电弧：由于受电极沸点限制，温度不行能太高，不能靠热放射来供应足够的电子，这种电弧称为冷阴极高，不能靠热放射来供应足够的电子，这种电弧称为冷阴极电弧。电弧。b.b.电场放射：电极表面的电子受外电场的库仑力的作用而产电场放射：电极表面的电子受外电场的库仑力的作用而产生的电子放射现象。外电场相当于降低了电子的逸出功。生的电子放射现象。外电场相当于降低了电子的逸出功。形成缘由：低沸点材料作阴极时，热放射实力较弱，不足以形成缘由：低沸点材料作阴极时，热放射实力较弱，不足以
9、维持正常导电过程，在阴极区域形成正离子积累，形成静电维持正常导电过程，在阴极区域形成正离子积累，形成静电场。场。c.c.光放射光放射 当阴极表面受到光辐射作用时，阴极内的自当阴极表面受到光辐射作用时，阴极内的自由电子能量达到确定程度而逸出阴极表面的现象称为由电子能量达到确定程度而逸出阴极表面的现象称为光放射。光放射。d.d.粒子碰撞放射：电弧中高速运动的粒子粒子碰撞放射：电弧中高速运动的粒子(主要是正离主要是正离子子)碰撞阴极时，把能量传递给阴极表面的电子，使电碰撞阴极时，把能量传递给阴极表面的电子，使电子能量增加而逸出阴极表面的现象。子能量增加而逸出阴极表面的现象。（二）气体的电离（二）气体
10、的电离1 电离的概念：电离的概念：中性粒子当处于高能量状态时，其中性粒子当处于高能量状态时，其轨道上的电子脱离约束，分别成电子和离子，称为轨道上的电子脱离约束，分别成电子和离子，称为电离。电离。2 电离能：电离能：概念：使电子脱离原子核束缚所需的能量称为电离能。概念：使电子脱离原子核束缚所需的能量称为电离能。留意：留意：1）气体电离电压的凹凸说明白该种气体产生）气体电离电压的凹凸说明白该种气体产生带电粒子的难易。带电粒子的难易。2）当电弧空间同时存在电离电压不同的几种气体时，当电弧空间同时存在电离电压不同的几种气体时，假如电离电压低的气体供应足够，则电弧空间的带假如电离电压低的气体供应足够，则
11、电弧空间的带电粒子将主要由该种气体产生。结果？电粒子将主要由该种气体产生。结果？3）激励：当中性气体粒子受外加能量作用而不足以）激励：当中性气体粒子受外加能量作用而不足以使其电离时，但可能使其内部的电子从原来的能级使其电离时，但可能使其内部的电子从原来的能级跃迁到较高的能级，这种现象称为激励。跃迁到较高的能级，这种现象称为激励。电离种类电离种类 热电离热电离 a.定义：气体粒子受热的作用，发生非弹性碰定义：气体粒子受热的作用，发生非弹性碰撞而产生电离的过程。撞而产生电离的过程。b.电离度：单位体积内电离的粒子数与气体电电离度：单位体积内电离的粒子数与气体电离前粒子总数的比值，用离前粒子总数的比
12、值，用X表示，具体计算表示，具体计算公式如下：公式如下：式中：式中：X为电离度，为电离度，P为气压，为气压，T为温度，为温度，e为电为电子电量，子电量，ui为气体电离电压，为气体电离电压，k为玻尔兹曼为玻尔兹曼常数，常数，h为普朗克常数，为普朗克常数，me为电子质量，其为电子质量，其余见余见P13。电弧中带电粒子数的多少对电弧的稳定起着重电弧中带电粒子数的多少对电弧的稳定起着重要作用。要作用。留意：（留意：（1）理论和实际都证明：混合气体电离）理论和实际都证明：混合气体电离电压主要取决于电离电压低的气体，即使该电压主要取决于电离电压低的气体，即使该种气体只占较小的比例。改善电弧稳定性的种气体只
13、占较小的比例。改善电弧稳定性的措施。措施。（2）热电离是弧柱部分产生带电粒子最主要的）热电离是弧柱部分产生带电粒子最主要的途径。电弧弧柱温度高：途径。电弧弧柱温度高：500030000K。c.c.热解离：电弧中的多原子气体由于热的作用将分解成热解离：电弧中的多原子气体由于热的作用将分解成原子，这种现象称为热解离。热解离是吸热反应，因此原子，这种现象称为热解离。热解离是吸热反应，因此热解离影响着带电粒子的产生，还影响着电弧的电和热热解离影响着带电粒子的产生，还影响着电弧的电和热性能。性能。）电场作用下的电离）电场作用下的电离 a.a.定义：在两电极间的电场作用下，气体中的带电粒定义：在两电极间的
14、电场作用下，气体中的带电粒子被加速，电能将转换为带电粒子的动能。当带电粒子子被加速，电能将转换为带电粒子的动能。当带电粒子的动能增加到确定数值时，则可能与中性粒子发生非弹的动能增加到确定数值时，则可能与中性粒子发生非弹性碰撞而使之产生电离。性碰撞而使之产生电离。b.b.电场作用下的电离主要是电子与中性粒子的碰撞产生。电场作用下的电离主要是电子与中性粒子的碰撞产生。缘由如下：缘由如下：电子自由行程比离子大倍左右，因此获能多，速度大。电子自由行程比离子大倍左右，因此获能多，速度大。电子与中性粒子碰撞，几乎可以把其全部能量传递给中性电子与中性粒子碰撞，几乎可以把其全部能量传递给中性粒子。粒子。留意：
15、电场作用下的电离只有在阴极压降区和阳极压降区才显留意：电场作用下的电离只有在阴极压降区和阳极压降区才显著，弧柱部分由于电场强度小，电子在平均的自由行程下著，弧柱部分由于电场强度小，电子在平均的自由行程下所获得的动能小，因此在弧柱区热电离是主要形式。所获得的动能小，因此在弧柱区热电离是主要形式。）光电离）光电离a.a.定义：中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电离过定义：中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电离过程称为光电离。程称为光电离。b.b.电离条件：电离条件：焊接电弧的光辐射只能对焊接电弧的光辐射只能对K K、NaNa、CaCa、A1A1等金属蒸气可能等金属蒸气可能干脆引起光电离，而对其
16、它气体则不能，因此，光电离只是电干脆引起光电离，而对其它气体则不能，因此，光电离只是电弧中产生带电粒子的一种次要途径。弧中产生带电粒子的一种次要途径。带电粒子产生小结带电粒子产生小结电子放射：电子放射：热放射：热放射：电场放射：电场放射：光放射光放射：电离：电离：热电离：主要，在弧柱区和两极区；热电离：主要，在弧柱区和两极区；场电离：次要，在阴极区和阳极区；缘场电离：次要，在阴极区和阳极区；缘由：电场强度：弧柱：由：电场强度：弧柱：10V/cm;阴极区阴极区和阳极区：和阳极区：105 107 V/cm 光电离：再次之。光电离：再次之。热解离：吸热对电弧有冷却作用。热解离：吸热对电弧有冷却作用。
17、（1）放射电子，对阴极有冷却作用）放射电子，对阴极有冷却作用（2）热放射、电场放射同时存在，电场放）热放射、电场放射同时存在，电场放射出现的条件：热放射不足以维持导电过程，射出现的条件：热放射不足以维持导电过程，形成正离子积累。形成正离子积累。（三）（三）带电粒子的扩散与复合带电粒子的扩散与复合1 带电粒子的扩散带电粒子的扩散：电弧空间中假如带电粒子的分布不：电弧空间中假如带电粒子的分布不匀整，则带电粒子将从密度高的地方向密度低的地方匀整，则带电粒子将从密度高的地方向密度低的地方迁移而使密度趋于匀整；危害：使弧柱中心带电粒子迁移而使密度趋于匀整；危害：使弧柱中心带电粒子数削减，还将中心的一部分
18、热量带到电弧周边数削减，还将中心的一部分热量带到电弧周边，影，影响导电。响导电。2 复合：电弧空间的正负带电粒子复合：电弧空间的正负带电粒子(正离子、负离子、电正离子、负离子、电子子)在确定条件下相遇而结合成中性粒子的过程在确定条件下相遇而结合成中性粒子的过程。负离子的产生：负离子的产生：在确定条件下，有些中性原子或分子能在确定条件下，有些中性原子或分子能吸附电子而形成负离子；由于电弧周边温度较低，因吸附电子而形成负离子；由于电弧周边温度较低，因而中性粒子易与从电弧中心扩散出来的动能较低的电而中性粒子易与从电弧中心扩散出来的动能较低的电子相遇而形成负离子。子相遇而形成负离子。上述全部行为都是对
19、导电过程不利的。上述全部行为都是对导电过程不利的。三三 焊接电弧各区域的导电机构焊接电弧各区域的导电机构（1 1）电弧由弧柱区、阴极）电弧由弧柱区、阴极区、阳极区构成，区、阳极区构成，但但并并不是任何电弧都包含三不是任何电弧都包含三个部分个部分。（2 2）弧柱区弧柱区长长，但压降，但压降不不高高；Why?Why?阴极区、阳极区阴极区、阳极区短短，但压降大，结果：阴极但压降大，结果：阴极区、阳极区的区、阳极区的电流密度电流密度很高很高。Why?Why?（一）弧柱区的导电特点（一）弧柱区的导电特点弧柱的功能：弧柱的功能：1)1)在热电离的作用下产生电子和正离子，在热电离的作用下产生电子和正离子，形
20、成电子流和正离子流，保证弧柱的导电。形成电子流和正离子流，保证弧柱的导电。2 2）通过热电离，产生带电粒子，补充因扩）通过热电离，产生带电粒子，补充因扩散和复合而消逝的带电粒子，使弧柱始终处于散和复合而消逝的带电粒子，使弧柱始终处于动平衡状态，呈电中性。动平衡状态，呈电中性。具有上述功能的缘由：弧柱的温度很高（大约在具有上述功能的缘由：弧柱的温度很高（大约在5000500050000K50000K之间）；由于正离子和电子的空之间）；由于正离子和电子的空间密度相同，两者的总电荷量近似相等，所以间密度相同，两者的总电荷量近似相等，所以宏观上看弧柱近似呈电中性。宏观上看弧柱近似呈电中性。焊接电弧具有
21、低电压、大电流的特点。（绽焊接电弧具有低电压、大电流的特点。（绽开：电弧构成中弧柱为主）开：电弧构成中弧柱为主）3 3 导电机构：热电离产生电子和正离子，形成导电机构：热电离产生电子和正离子，形成电子流和正离子流，但电流主要是电子流电子流和正离子流，但电流主要是电子流（99.9%99.9%），而正离子流所占比例很小。缘由），而正离子流所占比例很小。缘由？（二）（二）阴极区的导电机构阴极区的导电机构 该区任务：向弧柱供应电子流和接收来自弧柱该区任务：向弧柱供应电子流和接收来自弧柱的正离子流。的正离子流。1 1热放射型热放射型 产生条件：当接受热阴极材料（高熔点、沸点材料产生条件：当接受热阴极材料
22、（高熔点、沸点材料如钨、碳）且运用较大电流时。如钨、碳）且运用较大电流时。特点：几乎不存在阴极区，阴极区不收缩；不存在特点：几乎不存在阴极区，阴极区不收缩；不存在阴极斑点；在大电流阴极斑点；在大电流TIGTIG焊时这种热放射型导电占焊时这种热放射型导电占主导地位。主导地位。2 2电场放射型电场放射型）产生条件：当接受冷阴极（低熔点、沸点材料）产生条件：当接受冷阴极（低熔点、沸点材料如铝、铁、铜等）或虽然接受热阴极但运用较小如铝、铁、铜等）或虽然接受热阴极但运用较小电流时。电流时。缘由：热放射不足，正电荷过剩积累而形成较强缘由：热放射不足，正电荷过剩积累而形成较强的正电场，并使阴极与弧柱之间形成
23、一个正电性的正电场，并使阴极与弧柱之间形成一个正电性区区阴极区。阴极区。）特点：存在阴极区；存在阴极斑点；在小电流钨极氩）特点：存在阴极区；存在阴极斑点；在小电流钨极氩弧焊和熔化极气保焊时，这种场致放射型导电起主要作弧焊和熔化极气保焊时，这种场致放射型导电起主要作用。用。在接受冷阴极或虽然接受热阴极但运用较小电流的状在接受冷阴极或虽然接受热阴极但运用较小电流的状况下，事实上是热放射型和场致放射型两种阴极导电形况下，事实上是热放射型和场致放射型两种阴极导电形式并存，而且相互补充和自动调整。式并存，而且相互补充和自动调整。3.3.在阴极区中形成局部等离子体阴极，并产生热电离。在阴极区中形成局部等离
24、子体阴极，并产生热电离。当阴极表面的热电子放射量很低时，正离子积当阴极表面的热电子放射量很低时，正离子积累区扩大，阳离子被加速，碰撞阴极和阴极区中性粒子，累区扩大，阳离子被加速，碰撞阴极和阴极区中性粒子，形成碰撞放射和热电离，向弧柱供应电子。形成碰撞放射和热电离，向弧柱供应电子。特点：阴极旁边有球形的高亮度区。特点：阴极旁边有球形的高亮度区。（三）阳极区的导电特性（三）阳极区的导电特性 任务：接收电子，供应正离子。任务：接收电子，供应正离子。阳极区的场致电离阳极区的场致电离）形成缘由：当电弧电流较小时，阳极前面的）形成缘由：当电弧电流较小时，阳极前面的电子积累形成负电性区电子积累形成负电性区阳
25、极区。带电粒子被加阳极区。带电粒子被加速，与中性粒子碰撞产生场致电离，直到这种电离速，与中性粒子碰撞产生场致电离，直到这种电离生成的正离子能满足弧柱须要时，阳极区才不再接生成的正离子能满足弧柱须要时，阳极区才不再接着增大，达到动态平衡。着增大，达到动态平衡。）特点：阳极区压降较大；出现在小电流焊接）特点：阳极区压降较大；出现在小电流焊接时。时。.阳极区的热电离阳极区的热电离 ）形成缘由：当电弧电流较大时，阳极金属）形成缘由：当电弧电流较大时，阳极金属产生蒸发，且温度也大大提高。阳极区内的电离方产生蒸发，且温度也大大提高。阳极区内的电离方式将主要为金属蒸气的热电离，为弧柱供应正离子式将主要为金属
26、蒸气的热电离，为弧柱供应正离子流。流。）特点：阳极区的压降较低；出现在大电流）特点：阳极区的压降较低；出现在大电流弧焊时。弧焊时。四四 电弧产热及温度分布电弧产热及温度分布（一）（一）焊接电弧的产热焊接电弧的产热1 1 弧柱的产热弧柱的产热 一般电弧焊时，弧柱损失的热能中对流损失一般电弧焊时，弧柱损失的热能中对流损失约占约占8080以上，传导与辐射损失约占以上，传导与辐射损失约占1010左右，左右，所以仅剩很少一部分能量通过辐射传给焊丝和所以仅剩很少一部分能量通过辐射传给焊丝和焊件。当电流较大有等离子流产生时，等离子焊件。当电流较大有等离子流产生时，等离子流可把弧柱一部分热量带给工件，从而增加
27、焊流可把弧柱一部分热量带给工件，从而增加焊件的热量。件的热量。电弧对阳极的热输入电弧对阳极的热输入 阳极区与弧柱区相比，长度很短（阳极区与弧柱区相比，长度很短（10-510-510-6Cm)10-6Cm)，且靠近电极或工件，且靠近电极或工件(由接线方法确定由接线方法确定)，所以干脆影响焊丝的熔化或工件的加热。，所以干脆影响焊丝的熔化或工件的加热。构成：（构成：（1 1）流入阳极的电子所携带的能量）流入阳极的电子所携带的能量 ；（；（2 2）来自）来自电弧等离子体的放射能电弧等离子体的放射能 ；（；（3 3）电弧等离子体以传导）电弧等离子体以传导和对流形式供应的能量和对流形式供应的能量 。电子所
28、携带的能量最重要，其余可以忽视。电子所携带的能量最重要，其余可以忽视。式中：式中：IUAIUA电子在阳极区加速获得的能量、电子在阳极区加速获得的能量、IUWAIUWA阳极物质的阳极物质的功函数、功函数、IUTIUT电弧等离子体中的电子所保有的能量。电弧等离子体中的电子所保有的能量。3 3 电弧对阴极的热输入电弧对阴极的热输入 阴极区与弧柱区相比，长度很短（阴极区与弧柱区相比，长度很短（10-510-510-6Cm)10-6Cm)，且，且靠近电极或工件靠近电极或工件(由接线方法确定由接线方法确定)，所以干脆影响焊丝，所以干脆影响焊丝的熔化或工件的加热。的熔化或工件的加热。电弧对阴极的热输入可以用
29、下式表示：电弧对阴极的热输入可以用下式表示：式中：式中：f f：电子流占全部电流的比例；：电子流占全部电流的比例；U UC C阴极区压降；阴极区压降；U Ui i离子的离子的电离电压；电离电压；U UWCWC阴极物质的功函数；阴极物质的功函数；U UT T电弧等离子体中的离子电弧等离子体中的离子运动能量的等价电压；运动能量的等价电压；P PrCrC 从电弧等离子体弧柱热传导来的从电弧等离子体弧柱热传导来的热量；热量；P PcCcC 放射热。放射热。焊接电弧的热效率焊接电弧的热效率 焊接电弧一部分热量因对流、辐射及传导等损失掉焊接电弧一部分热量因对流、辐射及传导等损失掉了。用于加热、熔化填充材料
30、及工件的电弧热功率占总电了。用于加热、熔化填充材料及工件的电弧热功率占总电弧功率的比例称为热效率系数，用弧功率的比例称为热效率系数，用表示。表示。目前的测量方法有两种（目前的测量方法有两种（P21)P21)，所得数据有较大差异，因此，所得数据有较大差异，因此，只能是粗略估计。只能是粗略估计。常用焊接方法的热效率系数见常用焊接方法的热效率系数见P21P21表表1.21.2。电弧的温度电弧的温度电弧温度的分布特点可从轴向和径向两个方面比较：电弧温度的分布特点可从轴向和径向两个方面比较：轴向分布轴向分布 阴极区和阳极区的温度较低，弧柱温度较高。缘阴极区和阳极区的温度较低，弧柱温度较高。缘由：电极受材
31、料沸点的限制，加热温度一般不能超过其由：电极受材料沸点的限制，加热温度一般不能超过其沸点；而弧柱中的气体或金属蒸气不受这一限制，且气沸点；而弧柱中的气体或金属蒸气不受这一限制，且气体介质的导热特性也不如金属电极的导热性好，热量不体介质的导热特性也不如金属电极的导热性好，热量不易散失，故有较高的温度。阴极、阳极的温度则依据焊易散失，故有较高的温度。阴极、阳极的温度则依据焊接方法的不同有所差别。接方法的不同有所差别。2)2)径向分布径向分布 电弧径向温度分布的特点是：弧柱轴线温度电弧径向温度分布的特点是：弧柱轴线温度最高，沿径向由中心至四周温度渐渐降低。最高，沿径向由中心至四周温度渐渐降低。3 3
32、）电弧温度的测量）电弧温度的测量（1 1）等离子的热电离平衡粒子组成）等离子的热电离平衡粒子组成 热电离平衡粒子组成用热电离平衡粒子组成用P22P22的有关公式是可以计算的；的有关公式是可以计算的；计算结果可以用平衡状态组成图加以描述，计算结果可以用平衡状态组成图加以描述，P23P23图图1.111.11。（2 2）等离子体的电磁现象）等离子体的电磁现象 通过测量等离子体的放射出的辉光光谱的确定强度和等离通过测量等离子体的放射出的辉光光谱的确定强度和等离子的热电离平衡粒子组成的计算，可以推算出等离子体的温子的热电离平衡粒子组成的计算，可以推算出等离子体的温度。度。（3 3）GTAGTA等离子体
33、的温度测量等离子体的温度测量常用方法：利用等离子体放射电磁波的分光分析法来确定常用方法：利用等离子体放射电磁波的分光分析法来确定电弧温度及其分布的影响因素：电弧电流、电极斑点、电弧长电弧温度及其分布的影响因素：电弧电流、电极斑点、电弧长度、阳极材料、爱护气体、环境条件。度、阳极材料、爱护气体、环境条件。P25P25五五 电弧压力与等离子气流电弧压力与等离子气流电弧压力的作用：影响焊件的熔深、熔滴过渡、熔电弧压力的作用：影响焊件的熔深、熔滴过渡、熔池的搅池的搅 拌、焊缝成形及液态金属飞溅等，干脆影响焊拌、焊缝成形及液态金属飞溅等，干脆影响焊缝质量。缝质量。1 1）电磁收缩力（电弧静压力）电磁收缩
34、力（电弧静压力）a.a.两根平行导线通电流，电流方向相同则相吸，两根平行导线通电流，电流方向相同则相吸，相反则排斥。相反则排斥。b.b.电弧导电空间是可收缩的电弧导电空间是可收缩的 c.c.流体中，某一点各方向的受力一样。流体中，某一点各方向的受力一样。d.d.电极端直径小，焊件端直径大电极端直径小，焊件端直径大,电弧呈锥状。电弧呈锥状。由以上推出，焊接电弧电磁收缩力由小截面由以上推出，焊接电弧电磁收缩力由小截面指向大截面，产生由电极指向工件的推力（电指向大截面，产生由电极指向工件的推力（电弧静压力）：弧静压力）：留意：由于电流密度是不匀整的，电弧中留意：由于电流密度是不匀整的，电弧中心轴上的
35、压力高于周边压力。心轴上的压力高于周边压力。2Ra2Rb2 2）电弧动压力）电弧动压力电弧动压力又称等离子流力：电弧动压力又称等离子流力：电弧静压力把靠近电极电弧静压力把靠近电极处的高温气体推向焊件处的高温气体推向焊件方向，并不断的补充气方向，并不断的补充气体，被加热和部分电离体，被加热和部分电离后推向工件表面形成附后推向工件表面形成附加的压力。加的压力。等离子流产生的动压力在等离子流产生的动压力在电弧中心线上最强。电电弧中心线上最强。电流越大，中心线上的动流越大，中心线上的动压力幅值越大，而分布压力幅值越大，而分布的区间越小。的区间越小。电弧等离子气流的产生电弧等离子气流的产生熔池轮廓主要由
36、电磁静压力确定时的焊缝形态见图熔池轮廓主要由电磁静压力确定时的焊缝形态见图a a；而主要；而主要由电磁动压力确定时的指状熔深焊缝见图由电磁动压力确定时的指状熔深焊缝见图b b（当（当TIGTIG焊钨极锥角焊钨极锥角较小、电流较大时，或熔化极氩弧焊接受射流过渡工艺时）较小、电流较大时，或熔化极氩弧焊接受射流过渡工艺时）3 3）斑点力斑点力 （1 1）带电粒子的冲击；）带电粒子的冲击；（2 2）电磁收缩力；）电磁收缩力；（3 3）电极材料蒸发的反作用力。）电极材料蒸发的反作用力。阴极斑点力比阳极斑点力强；阴极斑点力比阳极斑点力强；斑点力总是阻碍熔滴过渡的作用力斑点力总是阻碍熔滴过渡的作用力 4 4
37、）熔滴过渡的冲击力熔滴过渡的冲击力与等离子流力和电磁收缩力一起形成指状熔深。与等离子流力和电磁收缩力一起形成指状熔深。5 5）短路爆破力短路爆破力 短路过渡时，金属液柱颈缩爆断；电弧熄弧后复燃时电弧短路过渡时，金属液柱颈缩爆断；电弧熄弧后复燃时电弧空间气体突然受高温作用而急剧膨胀，局部压力隧然上升，空间气体突然受高温作用而急剧膨胀，局部压力隧然上升，对熔池和焊丝端头的液态金属形成较大冲击力。对熔池和焊丝端头的液态金属形成较大冲击力。斑点的电磁收缩力斑点的电磁收缩力6 6）电弧力的主要影响因素电弧力的主要影响因素 （1 1）气体介质：（多原子气体分解吸热，收缩）气体介质：（多原子气体分解吸热，收
38、缩）（2 2）电弧电流：电弧电流增大，电磁收缩力和等离子流力）电弧电流：电弧电流增大，电磁收缩力和等离子流力都增加。都增加。（3 3）电弧电压：电弧电流确定，电弧长度增加引起电弧电）电弧电压：电弧电流确定，电弧长度增加引起电弧电压上升，则电弧力减小。力减小后果？压上升，则电弧力减小。力减小后果？（4 4）焊丝直径）焊丝直径 ：焊接电流确定时，焊丝越细，则电磁力和：焊接电流确定时，焊丝越细，则电磁力和等离子流力越大。等离子流力越大。（5 5）电极）电极(焊条、焊丝焊条、焊丝)的极性：通常状况下阴极导电区的的极性：通常状况下阴极导电区的收缩程度比阳极区大，因此钨极氩弧焊正接时，可形收缩程度比阳极区
39、大，因此钨极氩弧焊正接时，可形成锥度较大的电弧，产生较大的电弧力。熔化极气体成锥度较大的电弧，产生较大的电弧力。熔化极气体爱护焊接受直流正接时，熔滴受到较大的斑点压力，爱护焊接受直流正接时，熔滴受到较大的斑点压力，过渡时受到阻碍，电弧力较小；反之，直流反接时，过渡时受到阻碍，电弧力较小；反之，直流反接时，电弧力较大。电弧力较大。（6 6）钨极端部形态：）钨极端部形态：（7 7）电流的脉动：）电流的脉动：六六 直流电弧与沟通电弧直流电弧与沟通电弧（一）（一）直流电弧直流电弧定义定义:电弧极性不发生变更的电弧。电弧极性不发生变更的电弧。特点：稳定性好。特点：稳定性好。分类：恒定电流下的直流电弧和变
40、动电流下的直流电分类：恒定电流下的直流电弧和变动电流下的直流电弧。弧。恒定电流下的直流电弧：焊接电流在整个焊接过程中恒定电流下的直流电弧：焊接电流在整个焊接过程中不发生变更（不包括人为的数值调整）。不发生变更（不包括人为的数值调整）。变动电流下的直流电弧：焊接电流依据须要设计并通变动电流下的直流电弧：焊接电流依据须要设计并通过电源输出实现。如各种脉冲焊、波形限制过电源输出实现。如各种脉冲焊、波形限制CO2CO2电电弧焊。弧焊。（二）（二）沟通电弧沟通电弧1 燃烧过程燃烧过程电阻负载电阻负载 2 感性负载感性负载概念：再引燃电压和引燃电压概念：再引燃电压和引燃电压留意留意:（1）当电感）当电感L
41、越大，越大，也越大，从而使得电流也越大，从而使得电流为为0时的反向空载电压越高，电弧再引燃简洁，时的反向空载电压越高，电弧再引燃简洁，因此，对于确定的电流因此，对于确定的电流I，电感有一个最小值。，电感有一个最小值。（2）电弧是一个纯电阻负载，只不过其电阻值不是电弧是一个纯电阻负载，只不过其电阻值不是一个常数一个常数IUu0iufIUUfu0iUyh2 沟通电弧的特点沟通电弧的特点1）电压是连续的，电流是断续的；为了让电弧稳定，必需电压是连续的，电流是断续的；为了让电弧稳定，必需加一个合适的电感。加一个合适的电感。2）存在一个再引燃电压，它越高，表明电弧在每一个半波存在一个再引燃电压，它越高，
42、表明电弧在每一个半波引燃越晚。引燃越晚。3）电弧对焊丝和母材的热作用是变更的，沟通电弧对焊丝和母材的热作用是变更的，沟通TIG焊时的焊时的许用电流、电极工作条件及熔深状况见许用电流、电极工作条件及熔深状况见P33表表1-3。4）沟通电弧的电流和电压是变更的，因此，电弧直径时涨沟通电弧的电流和电压是变更的，因此，电弧直径时涨时缩，爱护性差。时缩，爱护性差。5）对熔池和熔滴的作用力是变更的。）对熔池和熔滴的作用力是变更的。应用（存在那么致命问题，为什么还始终有应用呢？）应用（存在那么致命问题，为什么还始终有应用呢？）1）一般焊条电弧焊：应用广泛，焊接设备成本低。）一般焊条电弧焊：应用广泛，焊接设备
43、成本低。2 2）非熔化极电弧焊（）非熔化极电弧焊（TIGTIG焊接、等离子弧焊接）：有阴极清焊接、等离子弧焊接）：有阴极清理作用且有利于爱护电极。理作用且有利于爱护电极。4 4 沟通电弧稳定燃烧的条件（焊机设计要求：空载电压沟通电弧稳定燃烧的条件（焊机设计要求：空载电压 某值？）某值？）以上各参数的含义为：以上各参数的含义为：UyhUyh：引燃电压；：引燃电压；Uf Uf：电弧电压；：电弧电压；U0 U0：电源空载电压。：电源空载电压。5 5 影响沟通电弧稳定燃烧的因素和提高电弧稳定性的措施影响沟通电弧稳定燃烧的因素和提高电弧稳定性的措施1 1）空载电压；空载电压；2 2）引引燃电压燃电压Uy
44、hUyh3 3）电路参数）电路参数L/RL/R增加，稳定；增加，稳定；4 4）电弧电流电弧电流5 5）频率；频率；6 6）电极的热电极的热物理性能物理性能 及尺寸。及尺寸。6沟通电弧的功率和功率因素沟通电弧的功率和功率因素7（1）功率功率8定义：在半个周期内的平均功率，又称有功功率。定义：在半个周期内的平均功率，又称有功功率。9表达式：表达式：10 由于电流和电压为非正弦波，不能按正弦计算，而引由于电流和电压为非正弦波，不能按正弦计算，而引燃燃11电压同电弧电压比不大，且存在时间短，因此焊接电弧电压同电弧电压比不大，且存在时间短，因此焊接电弧电电12压可用矩形波代替，得到公式如下：压可用矩形波
45、代替，得到公式如下：13当当K=0.4以后，以后，Pf 增加减缓，当增加减缓，当K=0.637以后以后Pf起先减小起先减小，因此，因此，K最好在最好在0.4与与0.637之间，即要求：之间，即要求：（2）功率因素（扩展讲：电源为什么要求功率因素？）功率因素（扩展讲：电源为什么要求功率因素？）定义：定义：电弧的有功功率与电弧电压和电流有效值乘积之比。电弧的有功功率与电弧电压和电流有效值乘积之比。表达式：表达式：f表明电弧电压与电流波形畸变所带来的影响。可用下式表表明电弧电压与电流波形畸变所带来的影响。可用下式表示：示：1.2 1.2 焊接电弧特性焊接电弧特性焊接电弧的静特性（补充几个特性概念）焊
46、接电弧的静特性（补充几个特性概念）1 1 电弧静特性曲线变更特征电弧静特性曲线变更特征1 1）电弧静特性：电弧稳定燃烧的状况下，电弧静特性：电弧稳定燃烧的状况下，稳态的焊接电流与电压之间的关系。稳态的焊接电流与电压之间的关系。2 2）电弧静特性曲线：电弧静特性曲线：IUBAC3 3）静特性曲线成因静特性曲线成因 电弧形态、所处环境、电弧产热与散热的平衡。电弧形态、所处环境、电弧产热与散热的平衡。A A区：下降特性区（负阻特性区）区：下降特性区（负阻特性区）阴极：电流增加，放射电子实力增加，阴极区压降阴极：电流增加，放射电子实力增加，阴极区压降UCUC降低。降低。阳极：电流增加，阳极蒸发量增加，
47、阳极区压降阳极：电流增加，阳极蒸发量增加，阳极区压降UAUA降低。降低。弧柱：电流与电弧截面积成比例增加，电流密度不变产热弧柱：电流与电弧截面积成比例增加，电流密度不变产热是散热的两倍；电弧温度增加，电离度增加，电压降低。是散热的两倍；电弧温度增加，电离度增加，电压降低。B B区：平特性区区：平特性区 电流增加，等离子气流使散热增加，电压不变，保持产电流增加，等离子气流使散热增加，电压不变，保持产热散热平衡。热散热平衡。C C区：上升特性区区：上升特性区蒸汽与等离子流散热进一步加强，导电率降低，电压增加；蒸汽与等离子流散热进一步加强，导电率降低，电压增加；由于电弧自身磁场的作用，电弧面积不能与
48、电流成比例增加，由于电弧自身磁场的作用，电弧面积不能与电流成比例增加，从而电流密度增加。电压增加。从而电流密度增加。电压增加。4 4）常用焊接方法的电弧静特性曲线形态）常用焊接方法的电弧静特性曲线形态GTAGTA焊接：表现出三个特性区段。焊接：表现出三个特性区段。手工焊、埋弧焊（焊丝直径大于手工焊、埋弧焊（焊丝直径大于3mm3mm）：下降与平特性。）：下降与平特性。GMAGMA焊接：上升特性焊接：上升特性留意：电弧特性区由产热、散热确定，非电流密度。如埋弧留意：电弧特性区由产热、散热确定，非电流密度。如埋弧焊与焊与GMAGMA比，埋弧焊的电流密度很高！比，埋弧焊的电流密度很高！影响电弧静特性曲
49、线的因素影响电弧静特性曲线的因素1 1）电弧长度增加，静特性曲线上升电弧长度增加，静特性曲线上升2 2）爱护气体成分：气体电离能；气体导热系数；解离度及爱护气体成分：气体电离能；气体导热系数；解离度及解离热。解离热。3 3）四周气体介质压力越大，冷却越强，曲线上升。四周气体介质压力越大，冷却越强，曲线上升。4 4）电极条件：形态、材料、接性。电极条件：形态、材料、接性。5 5）母材状况：热导率、板厚等。母材状况：热导率、板厚等。6 6）爱护气体流量、环境温度、焊接电流形式。爱护气体流量、环境温度、焊接电流形式。留意：电弧电压随电弧长度的增加而增加，但不确定是线性留意：电弧电压随电弧长度的增加而
50、增加，但不确定是线性关系，在弧长自动限制中常常通过检测焊接电压、焊接电关系，在弧长自动限制中常常通过检测焊接电压、焊接电流来推断电弧长度，实现弧长的自动限制。流来推断电弧长度，实现弧长的自动限制。二二焊接电弧动特性焊接电弧动特性三三电弧动特性：变更状态的焊接电流与电压之间电弧动特性：变更状态的焊接电流与电压之间的关系。的关系。四四直流电弧的动特性直流电弧的动特性五五 直流脉冲、高频电流、脉动电流。（对下降直流脉冲、高频电流、脉动电流。（对下降特性如下特性如下六六图，对上升特性见教材图，对上升特性见教材P38、39图图1.45、1.46），热惯性），热惯性七七问题：电流变更越快，动特性曲线如何变