1、Chep.5 焊接電弧5.1 電弧的物理基礎5.2 電弧的導電機構5.3 電弧的產熱機構5.4 電弧力及影響因素5.5 交流電弧的特點5.6 磁場對電弧的影響1思考題：5.1 電弧的物理基礎一、氣體放電Chep.5 焊接電弧二、帶電粒子的產生三、帶電粒子的消失1、電離和激勵2、外部施加能量途徑3、電離的種類4、電子發射5、負離子的產生1、擴散2、復合2一、氣體放電金屬導電歐姆定律UIR帶電粒子的定向移動電流3氣體放電 當氣體中存在帶電粒子，在電場作用下，也會產生導電現象，稱氣體放電 輝光放電雷電電弧放電4氣體放電規律 在較小的電流區間，氣體導電所需要的帶電粒子不能通過導電過程本身產生，而需要外

2、加措施來造成帶電粒子。 當電流大于一定數值時，在氣體放電開始時需要外加措施制造帶電粒子，進行誘發，一旦放電開始，取消外加誘發措施，放電過程仍可以繼續下去，放電過程自身能夠產生維持放電所需要的帶電粒子。非自持放電5自持放電電弧 電弧是在一定條件下，電荷通過兩極之間氣體空間的導電過程。是一種氣體放電現象。 能量轉換器電能圖2-2 電弧示意圖熱能機械能光能特點：低電壓（幾幾十V）大電流（幾十千A）高溫（500030000K）6二、帶電粒子的產生 在一定的條件下，中性氣體分子或原子分離成電子和正離子的現象稱為電離。 1、電離和激勵 使中性氣體粒子失去第一個電子所需要的最低外加能量稱為第一電離能。 Me

3、Mee 外加能量第二電離能第三電離能。電離能以電子伏特來計量1911.6 10evj7Wi=eUi電離電壓電離能電離電壓金屬電離電壓低分子狀態可直接電離電離電壓的高低產生帶電粒子的難易一次電離電壓低者，二次電離電壓不一定低混合氣體中，低電離電壓者優先電離常見氣體粒子的電離電壓 Cs 3.9VH 13.5VH 13.5VH2 15.4VO 13.5VO2 12.2VCsCa8激勵 當氣體中性粒子受外來能量作用其數量不足以使電子完全脫離氣體原子或分子，而可能使電子從較低的能級轉移到較高的能級時，中性粒子的內部穩定狀態被破壞，但對外仍呈電中性，這種狀態稱為激勵。接受能量電離輻射回復穩定碰撞傳遞 使中

4、性粒子激勵所需的最低外加能量成為最低激勵能。激勵能小于電離能，也用電壓值來表示，稱為激勵電壓。9激勵電壓低于電離電壓2、外部施加能量途徑彈性碰撞（非破壞性碰撞） 中性粒子中性粒子 只引起能量再分配，不產生電離（1）碰撞傳遞非彈性碰撞（破壞性碰撞） 電子中性粒子 產生電離（2）光輻射傳遞eehWeUiihWeU激勵條件電離條件l碰撞是傳遞能量的主要途徑碰撞是傳遞能量的主要途徑l光輻射是能量傳遞的次要途徑光輻射是能量傳遞的次要途徑103、電離的種類（1）熱電離電離度：氣體中單位體積內被電離的粒子數與原始氣體粒子總數的比值。MexMe（忽略二次電離）Saha公式2172.523.16 10exp()

5、1ieUxPTxKT11 由于熱運動而引起的碰撞，從而產生電離稱為熱電離 TPUix實效電離度如果某氣體中混有其他氣體成分時，則電離后電子密度與電離前中性粒子密度之比稱實效電離度。混合氣體的電離電壓稱實效電離電壓。理論與實踐證明，混合氣體的實效電離電壓取決于低電離電壓的物質例1（Fe（7.8V)+K(4.3V)例2 5000K,1atmCa(6.1)+Fe(7.8)+O2(12.2)+N2(15.5)222811:1:1.74 10:3.24 10:6.63 10CaFeoNxxxx12熱解離由于弧柱溫度高，電弧中多原子氣體，由于熱的作用，將分解為原子，稱熱解離。產生熱解離所需要的最低能量稱解

6、離能。熱解離不但影響帶電粒子的產生過程，還對電弧的電性能和熱性能產生影響。13電弧電離度14一般維持電弧，電子密度為1014cm-3，即實效電離度為10-4數量級（萬分之一中性粒子電離）。常規電弧，電離度 0.110-30.1210-2 數量級。強冷電弧或大電流，電離度 10-11數量級。由于弧柱溫度在由于弧柱溫度在50003000K,所以熱電離是弧柱部分產生帶所以熱電離是弧柱部分產生帶電粒子的最主要途徑。電粒子的最主要途徑。等離子體(2) 電場電離 當帶電粒子的動能在電場的影響下，增加到足夠高的程度，則可能與中性粒子產生非彈性碰撞而使之電離，稱電場作用下的電離。 中性粒子、離子、電子自由行程

7、之比：弧柱區弧柱區 E=10V/cm 熱電離為主熱電離為主兩極區兩極區 E=105107V/cm 電場電離為主電場電離為主15222111:4 2 :2 :144 2eigggggggr nr nr nkWEe帶電粒子從電場中獲得能量：電子 中性粒子 產生電離(3) 光電離 中性粒子接受光輻射的作用而產生電離的現象稱為光電離。 可見光波長為400700nm，不會產生光電離電弧光波長為170500nm，部分可引起K、Na等的電離光電離是電弧中產生帶電粒子的次要途徑。光電離是電弧中產生帶電粒子的次要途徑。161,1236()iiichcheUnmeUU4、電子發射 電極表面受到外加能量的作用，使其

8、內部的電子沖破電極表面的束縛而飛到電弧空間的現象稱為電子發射。 使一個電子從金屬表面飛出所需要的最低外加能量稱為逸出功（Ww）逸出電壓 Uw=Ww/e（V） 17金屬表面有氧化膜時，其逸出功降低。鎢合金比純鎢逸出功低。(1) 熱發射電子發射熱發射電場發射粒子碰撞發射光發射金屬表面承受熱作用而產生電子發射現象稱熱發射。1822eewm veU當一個電子從金屬表面飛出，從電極上帶走能量eUw,對金屬表面產生冷氣作用。帶走總能量為IUw。2exp(/)wiATeUkT*1. 熱發射與材料表面狀態有關（A）*2. 材料Uw 熱發射*3. 材料T 熱發射鎢(5950K),碳(4200K) 熱陰極熱陰極鋼

9、(3008K),銅(2868K),鋁(2770K),鎂(1375K) 冷陰極冷陰極(2) 電場發射 當金屬表面存在一定強度的正電場時，金屬內的電子承受此電場靜電庫侖力的作用，當此力達到一定程度時，電子飛出金屬表面，這種現象稱電場發射。正電場的存在，相當于降低了材料的逸出功。對電極的冷卻比熱發射弱。 1920exp()/weEiATe UkT冷陰極時，E可達105107V/cm,具備電場發射條件。 0wweEUU wIU(3)光發射 當金屬表面接受光輻射時，金屬表面自由電子能量增加而沖破金屬表面的約束飛到金屬外面來，稱光發射。只能對K、Na等逸出功較低的金屬產生光發射，居次要位置。光發射時，電子

10、接受能量帶走能量，不產生冷卻作用。(4)粒子碰撞發射20wheU 高速運動的粒子碰撞金屬表面時，將能量傳遞給金屬表面的電子，使其能量增加而跑出金屬表面，稱光粒子碰撞發射。2hiwWWW正離子碰撞陰極表面粒子動能中和釋放能（電離能）一個與正粒子結合一個發射5、負離子的產生在一定條件下，有些中性原子或分子能吸附一個電子而形成負離子。中性粒子吸附電子形成負性粒子，其內部能量減少，減少的能量稱電子親和能。負離子的形成，導致電弧穩定性下降。負離子的形成，導致電弧穩定性下降。21負離子不易形成(電子高速運動)。堿性焊條(E5015)，因含有F（螢石CaF2），消電子，工藝性差。三、帶電粒子的消失1、擴散

11、帶電粒子和一般氣體的分子和原子一樣，如果分布密度不同，則帶電粒子將從密度高的地方向密度低的地方移動，而趨于密度均勻，稱擴散。電弧中心區，溫度高，電子速度高，難易復合。電弧周邊，溫度低，有一定的復合。交流電弧過零時，溫度急劇降低，復合上升。222、復合 電弧空間的正、負帶電粒子(正離子、負離子、電子)，在一定條件相遇而互相結合成中性粒子的過程，稱復合。13DC電子向電弧周邊擴散速度快。電子吸引正離子向周邊擴散。5.2 電弧的導電機構一、電弧各區域導電機構1、電弧的組成區域2、弧柱區的導電機構3、陰極區的導電機構4、陽極區的導電機構5、陰極斑點和陽極斑點二、最小電壓原理三、電弧靜特性1、電弧靜特性

12、的形狀2、影響電弧靜特性的因素23一、電弧各區域導電機構1、電弧的組成區域陰極區 陰極壓降 UK陽極區 陽極壓降 UA弧柱區 弧柱壓降 UC電弧電壓Ua24Ua UK UA UC陰極、陽極區在弧長方向長度：10-410-6cm.2、弧柱區的導電機構*1. 溫度高，500050000K，以熱電離為主。*2. 帶電粒子在電場作用下，定向運動。25MeMee 正離子電子陰極陽極*3. 通過弧柱區的總電流由正離子流和電子流組成(負離子流忽略)。由于電子質量小，運動速度快，電子流占99.9%.100%eiIII99.9%0.1%*4. 單位體積內，正負帶電粒子數相同，弧柱呈中性。 電子流與離子流通過弧柱

13、空間時，不受空間電荷電場的排斥作用，從而決定了電弧放電具有大電流、低電壓大電流、低電壓的特點。26*5. 弧柱中電場強度與電流的關系。小電流區間大電流區間IEIE *6. 弧柱中的電場強度與氣體種類有很大關系。圖2-5 弧柱電場強度與氣體種類和電流的關系3、陰極區的導電機構陰極區的任務ie:ii=99.9:0.11) 熱發射型*1 W、C等高熔點材料做陰極。向弧柱區提供電子流ie接受弧柱區的正離子流ii27*6 陰極能量補充途徑：*2 大電流區間。a.接受 0.1%I 正離子流，動能轉熱能b.正離子與電子中和，釋放電離能c. 陰極處產生電阻熱I2R*3 電子流全部靠熱發射。*4 陰極區性質同弧

14、柱區，無陰極壓降，對外呈中性。*5 熱發射使陰極得到強烈冷卻，帶走能量為IUW。 *7 大電流鎢極氬弧焊即為此情況。2)、電場發射型*1、陰極材料為高熔點材料但電流小，或低熔點材料。28*2、熱發射不足，陰極區電平衡打破，正電荷堆積。*3、陰極區呈正電性，陰極壓降UK。*4、電子在電場的幫助下，產生電離。*5、陰極區長 10-610-4cm，UK10V E=105107V/cm 足以產生電場電離4、陽極區的導電機構 接受電子流很容易，電子到達陰極，釋放逸出功UW。29陰極區的任務向弧柱區提供流正離子ii接受弧柱區的電子流ie1）熱電離型*1 大電流區間。*2 陽極溫度高，金屬蒸發。*3 金屬蒸

15、汽直接熱電離。*4 陽極壓降很小，陽極區呈中性。2) 電場電離型*1 小電流區間。30一般電弧焊，當電流達到一定程度，陽極區熱電一般電弧焊，當電流達到一定程度，陽極區熱電離占相當大比例，其陽極壓降都比較小。離占相當大比例，其陽極壓降都比較小。*2 電子在陽極區堆積，形成UA。*3 電子受UA加速*4 當UA Ui時，電子碰撞中性粒子產生電離。5、陰極斑點和陽極斑點 當陰極材料熔點較低，沸點也較低，并導熱性能很強時，如Fe、Al、Cu，即使陰極溫度達到材料的沸點，也不足以產生熱發射，陰極將進一步縮小其導電面積，在陰極區前形成密度很大的正離子空間，產生很大的陰極壓降，產生較強的電場發射，以補充熱發

16、射的不足，以維持電弧的燃燒，這種面積很小，電流密度很大的導電斑點稱陰極斑點。1）陰極斑點特點：*1 陰極斑點面積小，溫度高，電流密度大，j=5105107A/cm231*2 陰極受大量正離子沖擊，金屬蒸發，對陰極形成壓力，斑點壓力對熔滴過渡起阻礙作用（焊條為陰極時）。特點：32*3 具有粘著特性。*5 金屬氧化物逸出功低，陰極斑點自動尋找氧化膜。*6 陰極材料為 Fe、Al、Cu，或W、C小電流時。*7 電弧不穩定。*4 具有跳躍特性。陰極斑點具有去除陰極斑點具有去除氧化膜作用。氧化膜作用。2）陽極斑點當Fe、Al、Cu等作陽極時，由于熔點低，陽極表面有熔化及蒸發現象，在金屬蒸汽大量存在的地方

17、更容易形成熱電離，電流更容易從此處進入，導電區在此處集中，稱陽極斑點。特點：33*1 電流密度小，j=102103A/cm2，陽極斑點力小。*2 存在金屬蒸發。*3 具有粘著特性和跳躍特性。*4 若有氧化膜，斑點自動尋找純金屬。 Al 熔點 658Al2O3 2050熔化焊，一般為直流反接熔化焊，一般為直流反接直流正接工件接正（DCSP）DC straight polarity直流反接工件接負（DCRP）DC reversed polarity二、最小電壓原理34 自由電弧為一氣體導電體，其斷面可以自由收縮。 在給定電流和周圍條件一定的情況下，電弧穩定燃燒時，其導電區的，應使電弧電場強度具有最

18、小的數值。即電弧具有保持最小能量消耗的特性。假設在一定條件下，電弧確定一導電面積增加電弧與周圍接觸增加散熱增加要求產熱增加IE增加E減小j增加E 不符合最小電壓原理三、電弧靜特性1、電弧靜特性的形狀電弧靜特性：電弧燃燒時，兩極間穩定的電壓和電流的關系曲線。A段 負特性B段 平特性C段 正特性35電弧動特性：電弧燃燒時，兩極間變化狀態的電壓和電流的關系曲線。解釋：A段 負特性(焊接中較少采用）B段 平特性(小I的TIG）36IjE 基本不變而周邊散熱產熱多散熱少22IIIEIE22rr左右平衡，在一段電流范圍內，呈平特性C段 正特性(CO2焊、MIG焊）IE周圍散熱金屬蒸發離子流消耗IE周圍散熱

19、金屬蒸發離子流消耗2、影響電弧靜特性因素（1）電弧長度37aKCAUUUUCaLUU （2）周圍氣體介質壓力E 壓力氣體粒子密度冷卻（3）周圍氣體種類氣體的導熱系數（主要因素）氣體的電離能 （次要因素）UiAr 15.7VH2 15.4VHe 24.5V(4) 電極種類 38熱陰極 UK 幾乎為0冷陰極 UK 很大 5.3 電弧的產熱機構一、弧柱的產熱二、陰極區的產熱三、陽極區的產熱四、電弧的熱效率五、電弧的溫度分布39一、弧柱區的產熱單位長度外加能量為IE，即弧柱的產熱，與散熱相平衡。40對流 80%傳導輻射IE10%一般電弧，只有很少一部分能量傳遞給工件或焊條。一般電弧，只有很少一部分能量

20、傳遞給工件或焊條。大電流有等離子流時，部分熱量帶到工件。大電流有等離子流時，部分熱量帶到工件。二、陰極區的產熱陰極區長度10-410-6cm,相當于電子的自由行程，不發生碰撞。設41eiIII/eIIf/1iIIf 則KK面： 電子發射帶走能量 fIUW 正離子受UK加速 (1-f)IUK + 正離子取一電子中和 (1-f)IUW 中和釋放電離能 (1-f)IUi KK面能量：(1) ()kkKWiWPf I UUUfIUCC面：42 電子受UK加速 fIUK 電子帶到弧柱區能量 fIUT 正離子在CC面熱電離產生 (1-f)IUi 電離后電子帶走能量 (1-f)IUiT UT 弧柱溫度等效電

21、壓CC面能量：()(1) ()CCKTiTPfI UUf I UU則(1) ()()(1) ()()KKKCCKWiWKTiTKWTPPPf I UUUfIUfI UUf I UUI UUU三、陽極區的產熱簡化推導：（忽略正離子流）43 電子受UK加速 IUK 電子帶到弧柱區能量 IUT 電子逸出 IUW ()KKWTPI UUU電子弧柱區帶能量 IUT 電子受UA加速 IUA 電子釋放逸出功 IUW ()AAWTPI UUU兩極區熱量用途：加熱工件或焊絲散失四、電弧的熱效率電弧總功率：電弧有效功率：440aQIU0QQ0QQ 為電弧熱效率系數，與焊接方法、焊接規范、周圍條件有關。 單位有效面

22、積上的熱功率稱為能量密度。表示。以W/cm2。方法能量密度W/cm2電弧102104氣焊火焰110電子束106107弧焊方法SMAW0.650.85SAW0800.90CO2焊0.750.90MIG0700.80TIG0.650.70五、電弧的溫度分布45 電弧各部分的導電機構決定了各部分電流密度與溫度、能量的分布。能量密度與電流密度相對應。溫度分布與電流密度不相對應。兩極受電極熔點限制。弧柱耗能少。CuW電弧炭弧電弧空間的溫度受多種因素影響：46 電弧中存在金屬蒸汽，如Ar弧中有電極金屬蒸發、手弧焊焊條中添加K、Na等穩弧劑時，電弧溫度下降。 電流增大，弧柱溫度升高。 電弧周圍有高速氣流，電

23、弧被冷卻，溫度升高。 多原子氣體，如CO2等熱解離吸熱，電弧溫度也升高。5.4 電弧力及影響因素47二、電弧力的影響因素一、焊接電弧作用力1、電磁收縮力2、等離子流力3、斑點力4、爆破力5、細熔滴的沖擊力1、氣體介質2、電流、電壓3、焊絲直徑4、電流極性5、電極形狀6、電流的脈動一、焊接電弧作用力1、電磁收縮力電工知識：同向相吸同向相吸異向相斥異向相斥481 2I IFKL 當電流在一個導體中流過時，整個電流可以看作是由許多平行的電流線組成，這些電流線間將產生相互吸引力，使導體斷面有收縮的傾向。若導體是可以自由變形的氣態，導體將產生收縮。這種現象稱為電磁收縮效應，由此而產生的力稱電磁收縮力。

24、導體任意半徑 r 處的壓力為：2224()rIPKRrR 導體中心徑向壓力：202IPKKjIR在流體中各方向的壓力相同，則軸向的合力為：4922240223240222400242() 222()(| )212RRRRIFKRrrdrRI rI rKdrRRI rI rKRRKI*1. 電磁收縮力與導電面積無關。*2.此作用力同時作用于工件和焊條。實際電弧常為圓錐體： 斷面直徑不同，產生壓力差。502log()baRFKIR推方向：焊條工件電磁收縮力的作用： *1 熔滴過渡 （在此力作用下，熔滴克服焊條表面張力向母材過渡）*2 熔池輪廓 （熔池下凹）力大2、等離子流力 電弧收縮力引起推力，將

25、使靠近焊條端部氣體沖向工件，新補充的氣體經加熱電離后在推力的作用下亦沖向工件。由于這種高溫氣流所形成的力稱等離子流力。又稱電弧動壓力。51等離子流速度的徑向分布等離子流形成的焊縫3、斑點力斑點力阻礙熔滴的過渡，其由幾部分組成： 帶電粒子的撞擊力52陰極 正離子撞擊 質量大 UK高 斑點力大陽極 電子撞擊 質量小 UA低 斑點力小 電磁收縮力陰極斑點力 陽極斑點力 電極材料蒸發的反作用力斑點溫度高，局部金屬蒸發，反作用力。4、爆破力CO2短路過渡時： 電弧短路，電流急劇增大，若金屬液柱內有氣體，急劇膨脹爆炸。53 電弧重燃，電弧對熔池金屬沖擊力。5、細熔滴的沖擊力 富Ar氣保護焊射流過渡時，熔滴

26、很細小（幾十mg），速度很高（幾百米/秒），沖擊力很大，易形成指狀熔深。二、電弧力的影響因素1、氣體介質54電弧力導熱性氣體氣體流量氣體壓力2、電流、電壓電流電磁收縮力等離子流力電壓電弧力3、焊絲（焊條）直徑4、電流極性TIG焊，DCSP，電弧力大。55焊絲直徑電流密度 j電弧力MIG焊，DCSP，斑點力大，熔滴過渡阻力大，電磁力和等離子流力小。5、電極形狀56鎢極錐角電流密度利于補充氣體電磁收縮力等離子流力6、電流的脈動TIG焊電弧力DCRPACDCSPPCTIG頻率 f電弧力5.5 交流電的特點一、交流電弧的燃燒過程*1、再燃電弧的難易與電弧空間殘余電離度、電極熱發射能力及電壓上升速度有關。*2、電弧空間及電極尚處于高溫狀態，再燃電壓比冷態的引弧電壓低得多。57 交流電弧 50Hz 電弧電流過零時電弧熄滅，下半周重燃。 重新引燃電弧所需要的電