焊接方法與設(shè)備-焊接電弧課件

第一章

焊接電弧

一 基本要求熟練掌握本章的基本概念，理解并掌握最小電壓原理、電弧力。了解電弧各個區(qū)域的組成、導(dǎo)電機(jī)構(gòu)、產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)、交流電弧的特點以及陰極斑點的特點及其對焊接質(zhì)量的影響。二 基本概念 電弧、氣體放電、電離、電子發(fā)射、陰極斑點、陽極斑點、剛直性、磁偏吹、電離能、逸出功、電離電壓、逸出電壓三 難點1）最小電壓原理2）電弧的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)四 重點1）電弧、電離、氣體放電、剛直性、磁偏吹等一些基本概念。2）電弧力。3）電弧的產(chǎn)熱機(jī)理。4）陰極斑點的特點。5）最小電壓原理。.第一章 焊接電弧

一 基本要求.1§1-1 電弧物理基礎(chǔ)

一）電弧的基本概念1、電?。弘娀∈且环N氣體放電

現(xiàn)象，通過放電將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芘c機(jī)械能。2、氣體放電：兩極間的氣體被擊穿而導(dǎo)電的過程。 非自持放電：放電本身不能產(chǎn)生導(dǎo)電所需的帶電粒 子（A+、e）。 自持放電：放電本身能產(chǎn)生導(dǎo)電所需的帶電粒子 （A+、e）；有暗放電、輝光放電、電弧放電等三 種。.§1-1 電弧物理基礎(chǔ)

一）電弧的基本概念.2+-電弧UaIa電弧放電輝光放電暗放電暗放電自持放電非自持放電UI導(dǎo)體導(dǎo)電.+-電弧UaIa電弧放電輝光放電暗放電暗放電自持放電非自持放3二） 帶電粒子的產(chǎn)生過程產(chǎn)生方式：電離： 氣體中性原子或分子（A）分離為一價正離子 （A+）和電子（e）的過程。電子發(fā)射： 金屬表面逸出電子的現(xiàn)象

（一）電離與激勵

1、電離：在一定條件下中性原子分離成A+及e的現(xiàn)象。 A→A++e-Wi 電離能：原子或分子電離所需要的能量單位為ev或J 電子伏：一個電子被1V的電壓所加速得到的能量。 電離電壓：電離能/電子帶電量。一次電離：A→A++e二次電離：A+→A+++en次電離：A（n-1）+→An++eA++Ae.二） 帶電粒子的產(chǎn)生過程A++Ae.42、 激勵：氣體原子得到的一定的能量，雖然小于Wi，但可 使電子從低能級躍遷到高能級。這種現(xiàn)象叫激勵。激勵能：所需的最小外加能量叫激勵能We。激勵能電壓：激勵能We/e。

3、能量傳遞方式1） 碰撞：粒子間通過相互碰撞而交換能量 彈性碰撞：僅發(fā)生動能再分配 非彈性碰撞：交換的能量→勢能，從而導(dǎo)致電離或激勵。2） 光幅射：在光的輻射下，中性粒子直接吸收光量子 的能量。AA+A-eAAeheUi.2、 激勵：氣體原子得到的一定的能量，雖然小于Wi，但可 使54、電離的分類：

1） 熱電離：氣體粒子受熱的作用而產(chǎn)生電離 實質(zhì)：中性粒子通過與電子碰撞，接收電子能量而電離。

電離度：電離了的粒子數(shù)量與電離前離子數(shù)量之比。0.1%

熱解離：在熱量的作用下，多原子分子分解為原子。 解離能：分子熱解離所需要的能量2） 電場作用下的電離：A+、e在電場作用下被加速、與A碰撞 使其電離的過程。 主要是e的作用：電子獲得的能量是A+的4倍。

3） 光電離：A直接捕捉光量子并吸收其能量而電離。 波長越小越易促進(jìn)光電離，電弧波長包括紅外線、紫外線 可見光、可使AI、K、Na原子光電離。但不能使Ar、He、Fe 等電離。.4、電離的分類：.6（二）電子發(fā)射

1、基本概念1） 電子發(fā)射：電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象。 對電弧導(dǎo)電起作用的主要是陰極的發(fā)射。2） 逸出功（Ww）：電子發(fā)射所需的最小能量。3） 逸出電壓：Ww/e 物理意義：Ww越小，引弧越容易，電弧穩(wěn)弧性越好。4）主要影響因素： 材料，K、Na之Ww較低。 表面狀態(tài)：有氧化物時，逸出功降低 加入雜質(zhì)，例如，釷、鈰及鑭等可降低Ww。

-.（二）電子發(fā)射-.72、分類

1）熱發(fā)射：在熱量的作用下產(chǎn)生的發(fā)射產(chǎn)生條件：陰極溫度足夠高特點：對陰極有冷卻作用，這一點對TIG焊具有重要意義。可提高W極的載流能力。

2）電場發(fā)射：金屬表面的電子在電場力的作用下逸出的現(xiàn)象。特點：對陰極的冷卻作用較小。

3）光發(fā)射：光幅射作用下產(chǎn)生的發(fā)射。實際電弧中產(chǎn)生光發(fā)射的可能性很小。

4）粒子碰撞發(fā)射：高速運動的A+碰撞到陰極上導(dǎo)致的發(fā)射。庫侖力——.2、分類庫侖力——.8（三）負(fù)離子的產(chǎn)生中性離子與電子結(jié)合的過程，是一個放熱過程，所放出的熱被成為電子親和能。A+e→A-+W注意：1）親和能高的原子易形成A-，但高溫下不利于放熱反應(yīng)。2）交流電弧過零時，易形成。3）易在電弧周邊形成。4）不利于電弧穩(wěn)定。

（四）擴(kuò)散與復(fù)合擴(kuò)散：電弧中心處A+、e較多，e易向周邊運動。當(dāng)周邊電子濃度達(dá)到一定值后，在e吸引下，A+也向周邊運動。從而在周邊復(fù)合A++e→A+WiA++A—→2A+WiA-Ae+A-+AAe.（三）負(fù)離子的產(chǎn)生A-Ae+A-+AAe.9三） 電弧各區(qū)域的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)（一）區(qū)域組成由陰極區(qū)、陽極區(qū)、弧柱三部分組成。1、陰極區(qū)：長度極短、電壓較大、E（電場強(qiáng)度）極高2、陽極區(qū)：長度也極短、電壓較大、E極高3、弧柱區(qū)長度基本上等于電弧長度，E較小UA UCUK陽極區(qū)陰極區(qū)弧柱-+10-510-6cm10-210-4cm.三） 電弧各區(qū)域的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)UA UCUK陽極區(qū)陰極區(qū)弧柱-10（二）弧柱區(qū)的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)所謂導(dǎo)電機(jī)構(gòu)就是指帶電粒子產(chǎn)生、運動方式。1、帶電粒子的產(chǎn)生 1）電離：熱電離光電離電場作用的電離 2）陰極區(qū)注入的電子 3）陽極區(qū)注入的正離子2、帶電離子的運動 A+沖向陰極→正離子流IA+ e沖向陽極→電子流Ie

I=IA++Ie 其中：IA+=0.1%I

Ie=99.9%I3、特點： 1）電中性； 2）E小、Ua小IA+IeI.（二）弧柱區(qū)的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)IA+IeI.11三）、陰極區(qū)的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)1、陰極區(qū)在導(dǎo)電過程中的作用 1)產(chǎn)生弧柱區(qū)導(dǎo)電所需要電子流Ie=0.999I 2)接收弧柱區(qū)來的正離子流IA+=0.001I2、熱發(fā)射型 1）產(chǎn)生條件：W、C陰極，且電流很大 2）帶電粒子的產(chǎn)生方式：熱發(fā)射 熱陰極：弧柱導(dǎo)電所需要的電子可完全由熱發(fā)生來產(chǎn)生的 陰極。 冷陰極：熱發(fā)射能力不足的陰極。 熱陰極材料：熔點高的材料

冷陰極材料：熔點低的材料。

3）特點：無陰極區(qū)、無陰極壓降Vk

.三）、陰極區(qū)的導(dǎo)電機(jī)構(gòu).123、電場發(fā)射型導(dǎo)電機(jī)構(gòu)1)

條件： （a）W、C陰極、且I較小 （b）AI、Fe、Cu作陰極2)

帶電離子產(chǎn)生方式 （1）場發(fā)射 （2）場電離 （3）熱發(fā)射 （4）碰撞發(fā)射.3、電場發(fā)射型導(dǎo)電機(jī)構(gòu).13++++++++++++++++++++++------+++++-----Uk陰極區(qū)弧柱區(qū)電場發(fā)射型導(dǎo)電機(jī)構(gòu)陰極熱發(fā)射場發(fā)射碰撞發(fā)射場電離0.999I.++++++++++++++++++++++------++14c)

特點： （1）陰極附近存在—正電荷區(qū)—陰極區(qū) （2）fe<0.999IfA+>0.001I （3）陰極區(qū)斷面收縮 （4）陰極表面上產(chǎn)生陰極斑點

3）等離子型導(dǎo)電機(jī)構(gòu)A、條件： 1） W、C陰極，且I較?。夯駻I、Fe、Cu陰極；且 2） 氣壓較小，Uk<UiB、帶電粒子產(chǎn)生方式：熱電離C、特點：同上.c)

特點：.15（四）陽極區(qū)的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)1、陽極區(qū)在導(dǎo)電過程中的作用 1)接收弧柱區(qū)來的電子流Ie=0.999I 2)產(chǎn)生弧柱區(qū)所需要的正離子流IA+=0.001I

2、熱電離 1）產(chǎn)生條件：I較大 2）帶電離子產(chǎn)生方式：熱電離 3）特點： a)陽極壓降小，甚至為0 b)不存在陽極斑點。

3、電場作用下的電離 1）產(chǎn)生條件：I較小 2）帶電粒子的產(chǎn)生方式：熱電離、場電離 3）特點：a）有陽極區(qū)，發(fā)生收縮 b)Ua較大 c)有陽極斑點.（四）陽極區(qū)的導(dǎo)電機(jī)構(gòu).16----------------++-++++++++++++------------UA陽極區(qū)弧柱區(qū)陽極壓降的形成+.----------------++-+++++++++++17（五）陰極斑點與陽極斑點1、陰極斑點：陰級上導(dǎo)通電流的一些灼亮的弧立點。1) 產(chǎn)生條件： a、W、C陰極且I很小 b、AI、Fe、Cu作陰極2) 某點充當(dāng)陰極斑點的條件 a、電弧通過該點時耗能最小 b、該點能發(fā)射電子3）特點 a）電流密度大、溫度高 b）跳躍性及粘著性 c）存在斑點力：蒸發(fā)反力、A+的撞擊力 d）自動尋找氧化膜，該點對于鋁、鎂及其合金的焊接是 非常重要的，見后面的陰極霧化作用。.（五）陰極斑點與陽極斑點.18---焊接方向-+AAB焊接方向粘著性跳躍性.---焊接方向-+AAB焊接方向粘著性跳躍性.192、陽極斑點1）產(chǎn)生條件：I很小2）點充當(dāng)陽極斑點的條件 a）通過該點導(dǎo)通電流時，耗能最小 b）易蒸發(fā)，產(chǎn)生金屬蒸氣3）特點： a、電流密度大、溫度高 b、粘著性、跳躍性 c、避開氧化膜 d、斑點力，陽極斑點力小于陰極斑點力.2、陽極斑點.20四） 最小電壓原理

電流一定、周圍條件一定時，穩(wěn)定燃燒的電弧各導(dǎo)電區(qū)的半徑（溫度）應(yīng)使電弧電場強(qiáng)度最小，即電弧電壓最小。該原理有兩個方面的含義：1、電場強(qiáng)度是溫度或電弧斷面半徑的函數(shù)

E=f（T） E=f（r）2、電弧半徑穩(wěn)定值r*由E的最小值E*確定ErR*E*.四） 最小電壓原理ErR*E*.21電弧穩(wěn)定燃燒時，Ua與Ia的關(guān)系稱為電弧靜特性。下降區(qū)（負(fù)阻特性區(qū)）：電流密度不變平特性區(qū)：E不變上升特性區(qū)：影響因素：1、弧長2、氣體介質(zhì) 導(dǎo)熱性 熱分解性能3、氣體介質(zhì)的壓力

五、電弧的靜特性UaIa小電流TIGTIG

SAWMMAMIGMAG.電弧穩(wěn)定燃燒時，Ua與Ia的關(guān)系稱為電弧靜特性。五、電弧22IaUa電弧放電輝光放電暗放電暗放電自持放電非自持放電.IaUa電弧放電輝光放電暗放電暗放電自持放電非自持放電.23UaIaL2L1L2>L1純ArAr+20%H2UaIa 電離電壓Ar 15.7eVH 13.5eVH2 15.5eV弧長影響物理性能：熱分解、導(dǎo)熱系數(shù).UaIaL2L1L2>L1純ArAr+20%H2UaIa 24§1-2 焊接電弧的產(chǎn)熱及溫度分布

一）、焊接電弧的產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)（一）弧柱的產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)電能→熱能1、 本質(zhì)：A+、e在電場作用下被加速、使其動能增大的過 程。其宏觀表現(xiàn)即為溫度上升→產(chǎn)熱 由于運動速度，自由程度不同，A+、e得到的能量不同，TA+、Te、TA有可能不同。電子動能：定向運動動能—Ie 散亂運動動能—熱運動，表現(xiàn)為熱能。2、產(chǎn)熱量

Pc=IaUa

主要用于散熱損失—對流、幅射、傳導(dǎo)。.§1-2 焊接電弧的產(chǎn)熱及溫度分布一）、焊接電弧的產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)25

3 影響因素 不僅取決于電流。 凡是影響Ua的因素均影響弧柱的產(chǎn)熱。

（二）陰極區(qū)的產(chǎn)熱1 本質(zhì)：產(chǎn)生電子、接受正離子的過程中有能量變化，這些能量的平衡結(jié)果就是產(chǎn)熱，由三部分組成： 1）電子逸出陰極時消耗能量：-IUw 2）電子進(jìn)入弧柱前被電場（Ek）加速得到一部分能量： +IaUk 3）電子進(jìn)入弧柱時帶走的能量：-IUT（溫度等效電壓）2、產(chǎn)熱公式 Pk=I（Uk-Uw-UT）3、作用： 用于加熱陰極.

.26

（三）陽極區(qū)的產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)1、 本質(zhì)：接受電子、產(chǎn)生A+過程中伴隨的能量 轉(zhuǎn)換，由三部分組成： 1）e被UA加速所得到的能量：+eUA 2）電子帶來的逸出功：+IUw 3）電子帶來的相當(dāng)于弧柱溫度那部分能量+IUw

2、產(chǎn)熱公式 PA=I（UA+Uw+UT）3、作用 用于加熱陽極.

.27二）、焊接電弧的熱效率及能量密度（一）電弧總產(chǎn)熱

Pa=PC+PA+PK=I（UC+UK+UA）=IaUa（二）有效功率、熱效率系數(shù) 1 有效功率：用于加熱工件和焊絲的功率QE 2 熱效率系數(shù)：=QE/Pa 3 影響的因素： 1）焊接方法：TIG焊低、MIG、SAW高 2）焊接規(guī)范： 3）外部條件

（三）能量密度 1 單位有效加熱面積上的熱功率，單位為w/cm2 2 功率密度越高H/B越大，焊接變形及HAZ越小。

氣焊 電弧焊 激光 電子束 1-10 102-104 106-107 106-108

.二）、焊接電弧的熱效率及能量密度.28三）、電弧的溫度分布（一）電弧的軸向溫度分布 影響溫度分布的因素： 1、功率密度 2、電極材料 3、高熔點氧化物（二）弧柱溫度分布1、軸向 1） 二電極尺寸相等時，軸向溫度分布均勻 2） 二電極尺寸不等，軸向溫度分布不均勻，靠 近尺寸較小的一端，溫度較高。溫度電流密度功率密度.三）、電弧的溫度分布溫度電流密度功率密度.29

2、徑向中心軸附近溫度高，周邊低（三）影響弧柱溫度的因素1、電流，Ia↑T↑2、氣體介質(zhì)：導(dǎo)熱系數(shù)↑，熱解離↑T↑3、電極材料4、拘束度

2、徑向中心軸附近溫度高，周邊低（三）影響弧柱溫度的因素1、電流，Ia↑T↑2、氣體介質(zhì)：導(dǎo)熱系數(shù)↑，熱解離↑T↑3、電極材料4、拘束度：越大，電弧溫度越高_(dá).

2、徑向

2、徑向_.30+-弧柱的溫度分布TTrL.+-弧柱的溫度分布TTrL.31§1-3 電弧力及其影響因素

一）、電弧力1、電磁收縮力通過電?。ㄈ鄣危┑碾娏骶€之間的相互吸引力，對電弧或熔滴起著壓縮作用，該力被稱為電磁收縮力。1）圓柱形電弧電弧壓力電弧推力式中：I-電流，R-電弧半徑，K-系數(shù).§1-3 電弧力及其影響因素

一）、電弧力電弧壓力電弧推力32流態(tài)導(dǎo)體中電磁收縮力的影響柱形導(dǎo)體中的電磁收縮力.流態(tài)導(dǎo)體中電磁收縮力的影響柱形導(dǎo)體中的電磁收縮力.33流體中壓力各個方向相同，因此作用于焊條及工作上的軸向力為：2）錐形電弧

壓力

錐形電弧中沿軸向存在壓力差，導(dǎo)至一軸向推力：

式中：I-電流， Rb-錐形弧柱下底面半徑，Ra-錐形弧柱上底面半徑.流體中壓力各個方向相同，因此作用于焊條及工作上的軸向力為：34ALF推焊絲錐形電弧母材.ALF推焊絲錐形電弧母材.352、等離子流力F推引起的高溫氣體流（等離子流）所形成的力叫等離子流力作用： 1）促進(jìn)熔滴過渡 2）導(dǎo)致指狀熔深分布：軸線處大，周邊小

3、斑點力由以下三部分組成,陰極斑點力大于陽極斑點力 1）帶電粒子撞擊力 陰：A+撞擊大 陽：e撞擊：小 2）蒸發(fā)反力 陰：T高，力大 陽：T低力小 3）電磁收縮力 陰：大 陽：小.2、等離子流力.36等離子流力等離子流力的分布FP.等離子流力等離子流力的分布FP.37FF斑Fmg斑點力.FF斑Fmg斑點力.384、爆破力僅產(chǎn)生于短路過渡中，短路小橋汽化爆斷所產(chǎn)生的力

5、細(xì)熔滴的沖擊力僅產(chǎn)生于MIG焊射流過渡，熔滴以很大的加速度沖擊熔池，形成沖擊力

二）、影響因素1、氣體介質(zhì)導(dǎo)熱好，易解離的氣體，電弧力，特別是斑點力較大。2、電弧電流及電壓 電流增大，電弧力增大；電壓增大，電弧力減小。

3、W極或焊絲直徑 直徑越小，力越大4、極性：TIG焊時，DCSP大；而MIG焊正好相反。.4、爆破力.39爆破力.爆破力.40..41§1-3 交流電弧的特點

一）、交流電弧電流為50H正弧波的電弧被稱為交流電弧。方波交流電弧。1、特點： 1）周期性地過0點 2）再引燃再引燃電壓Ur：再引燃所需的電壓。小于引燃燒電壓。

2、交流電弧的燃燒過程1）純阻性回路 電弧—阻性元件，因此a、ia同相位，有熄弧時間te，當(dāng)te較 大時，難以引燃2）感性回路利用電感的續(xù)流，蓄能作用，可將te降為0.§1-3 交流電弧的特點一）、交流電弧.42交流電源teU0UaIa純阻性回路.交流teU0UaIa純阻性回路.43t電源電壓電弧電壓電弧電流電源電壓電弧電壓電弧電流交流電源電感性回路.t電源電壓電弧電壓電弧電流電源電壓電弧電壓電弧電流交流電感性443、交流電弧穩(wěn)定燃燒的條件在回路中串一合適的電感二）、交流電弧的加熱及力的特點1、加熱Pa不斷變化，對工件的加熱效果用有效熱功率表示。 Wa=UaIa -波形修正系數(shù)Ua、Ia-電壓及電流有效值

2、電弧力的特點介于DCSP與DCRP之間，不易導(dǎo)致指狀熔深.3、保護(hù)在相同的條件下，保護(hù)效果較差。.3、交流電弧穩(wěn)定燃燒的條件.45§1-5 剛直性及磁偏吹

一）、剛直性所謂剛直性是指電弧作為一柔軟的導(dǎo)體抵抗外界干擾，力求保持電流沿軸向流動的能力。電弧的剛直性是由電弧的電磁場決定的，即電磁收縮力決定的。各運動的帶電質(zhì)點均受到指向焊條中心的力，該力使質(zhì)點保持沿軸線流動。影響剛直性的因素：1）電流越大，剛直性越大；2）拘束度越大，剛直性大3）熱解離導(dǎo)熱性大剛直性大.§1-5 剛直性及磁偏吹一）、剛直性.46++++++++++----------FF自身磁場對剛直性的影響 剛直性.++++++++++----------FF自身磁場對剛直性47二）、磁偏吹1、 偏吹：電弧因周圍磁力線不對稱而偏向一側(cè)的現(xiàn)象. 偏向：磁力線疏的一側(cè)2、引起磁偏吹的原因 1）導(dǎo)線接法不合適 2）鐵磁性物質(zhì) 3）交流電弧的磁偏吹較較小 原因： （1）渦流，渦流磁場低消原磁場 （2）電弧偏吹運動為機(jī)械運動，而交流電弧的不均恒磁場以50Hz的頻率變化。.二）、磁偏吹.48+++-++--電流+F左F右磁偏吹.+++-++--電流+F左F右磁偏吹.49+++-++--電流+F左F右接線位置引起的磁偏吹++++--+-+.+++-++--電流+F左F右接線位置引起的磁偏吹++++-50+++-++--電流+F左F右磁性物質(zhì)引起的磁偏吹----++.+++-++--電流+F左F右磁性物質(zhì)引起的磁偏吹----+51第一章

焊接電弧

一 基本要求熟練掌握本章的基本概念，理解并掌握最小電壓原理、電弧力。了解電弧各個區(qū)域的組成、導(dǎo)電機(jī)構(gòu)、產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)、交流電弧的特點以及陰極斑點的特點及其對焊接質(zhì)量的影響。二 基本概念 電弧、氣體放電、電離、電子發(fā)射、陰極斑點、陽極斑點、剛直性、磁偏吹、電離能、逸出功、電離電壓、逸出電壓三 難點1）最小電壓原理2）電弧的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)四 重點1）電弧、電離、氣體放電、剛直性、磁偏吹等一些基本概念。2）電弧力。3）電弧的產(chǎn)熱機(jī)理。4）陰極斑點的特點。5）最小電壓原理。.第一章 焊接電弧

一 基本要求.52§1-1 電弧物理基礎(chǔ)

一）電弧的基本概念1、電弧：電弧是一種氣體放電

現(xiàn)象，通過放電將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芘c機(jī)械能。2、氣體放電：兩極間的氣體被擊穿而導(dǎo)電的過程。 非自持放電：放電本身不能產(chǎn)生導(dǎo)電所需的帶電粒 子（A+、e）。 自持放電：放電本身能產(chǎn)生導(dǎo)電所需的帶電粒子 （A+、e）；有暗放電、輝光放電、電弧放電等三 種。.§1-1 電弧物理基礎(chǔ)

一）電弧的基本概念.53+-電弧UaIa電弧放電輝光放電暗放電暗放電自持放電非自持放電UI導(dǎo)體導(dǎo)電.+-電弧UaIa電弧放電輝光放電暗放電暗放電自持放電非自持放54二） 帶電粒子的產(chǎn)生過程產(chǎn)生方式：電離： 氣體中性原子或分子（A）分離為一價正離子 （A+）和電子（e）的過程。電子發(fā)射： 金屬表面逸出電子的現(xiàn)象

（一）電離與激勵

1、電離：在一定條件下中性原子分離成A+及e的現(xiàn)象。 A→A++e-Wi 電離能：原子或分子電離所需要的能量單位為ev或J 電子伏：一個電子被1V的電壓所加速得到的能量。 電離電壓：電離能/電子帶電量。一次電離：A→A++e二次電離：A+→A+++en次電離：A（n-1）+→An++eA++Ae.二） 帶電粒子的產(chǎn)生過程A++Ae.552、 激勵：氣體原子得到的一定的能量，雖然小于Wi，但可 使電子從低能級躍遷到高能級。這種現(xiàn)象叫激勵。激勵能：所需的最小外加能量叫激勵能We。激勵能電壓：激勵能We/e。

3、能量傳遞方式1） 碰撞：粒子間通過相互碰撞而交換能量 彈性碰撞：僅發(fā)生動能再分配 非彈性碰撞：交換的能量→勢能，從而導(dǎo)致電離或激勵。2） 光幅射：在光的輻射下，中性粒子直接吸收光量子 的能量。AA+A-eAAeheUi.2、 激勵：氣體原子得到的一定的能量，雖然小于Wi，但可 使564、電離的分類：

1） 熱電離：氣體粒子受熱的作用而產(chǎn)生電離 實質(zhì)：中性粒子通過與電子碰撞，接收電子能量而電離。

電離度：電離了的粒子數(shù)量與電離前離子數(shù)量之比。0.1%

熱解離：在熱量的作用下，多原子分子分解為原子。 解離能：分子熱解離所需要的能量2） 電場作用下的電離：A+、e在電場作用下被加速、與A碰撞 使其電離的過程。 主要是e的作用：電子獲得的能量是A+的4倍。

3） 光電離：A直接捕捉光量子并吸收其能量而電離。 波長越小越易促進(jìn)光電離，電弧波長包括紅外線、紫外線 可見光、可使AI、K、Na原子光電離。但不能使Ar、He、Fe 等電離。.4、電離的分類：.57（二）電子發(fā)射

1、基本概念1） 電子發(fā)射：電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象。 對電弧導(dǎo)電起作用的主要是陰極的發(fā)射。2） 逸出功（Ww）：電子發(fā)射所需的最小能量。3） 逸出電壓：Ww/e 物理意義：Ww越小，引弧越容易，電弧穩(wěn)弧性越好。4）主要影響因素： 材料，K、Na之Ww較低。 表面狀態(tài)：有氧化物時，逸出功降低 加入雜質(zhì)，例如，釷、鈰及鑭等可降低Ww。

-.（二）電子發(fā)射-.582、分類

1）熱發(fā)射：在熱量的作用下產(chǎn)生的發(fā)射產(chǎn)生條件：陰極溫度足夠高特點：對陰極有冷卻作用，這一點對TIG焊具有重要意義?？商岣遅極的載流能力。

2）電場發(fā)射：金屬表面的電子在電場力的作用下逸出的現(xiàn)象。特點：對陰極的冷卻作用較小。

3）光發(fā)射：光幅射作用下產(chǎn)生的發(fā)射。實際電弧中產(chǎn)生光發(fā)射的可能性很小。

4）粒子碰撞發(fā)射：高速運動的A+碰撞到陰極上導(dǎo)致的發(fā)射。庫侖力——.2、分類庫侖力——.59（三）負(fù)離子的產(chǎn)生中性離子與電子結(jié)合的過程，是一個放熱過程，所放出的熱被成為電子親和能。A+e→A-+W注意：1）親和能高的原子易形成A-，但高溫下不利于放熱反應(yīng)。2）交流電弧過零時，易形成。3）易在電弧周邊形成。4）不利于電弧穩(wěn)定。

（四）擴(kuò)散與復(fù)合擴(kuò)散：電弧中心處A+、e較多，e易向周邊運動。當(dāng)周邊電子濃度達(dá)到一定值后，在e吸引下，A+也向周邊運動。從而在周邊復(fù)合A++e→A+WiA++A—→2A+WiA-Ae+A-+AAe.（三）負(fù)離子的產(chǎn)生A-Ae+A-+AAe.60三） 電弧各區(qū)域的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)（一）區(qū)域組成由陰極區(qū)、陽極區(qū)、弧柱三部分組成。1、陰極區(qū)：長度極短、電壓較大、E（電場強(qiáng)度）極高2、陽極區(qū)：長度也極短、電壓較大、E極高3、弧柱區(qū)長度基本上等于電弧長度，E較小UA UCUK陽極區(qū)陰極區(qū)弧柱-+10-510-6cm10-210-4cm.三） 電弧各區(qū)域的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)UA UCUK陽極區(qū)陰極區(qū)弧柱-61（二）弧柱區(qū)的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)所謂導(dǎo)電機(jī)構(gòu)就是指帶電粒子產(chǎn)生、運動方式。1、帶電粒子的產(chǎn)生 1）電離：熱電離光電離電場作用的電離 2）陰極區(qū)注入的電子 3）陽極區(qū)注入的正離子2、帶電離子的運動 A+沖向陰極→正離子流IA+ e沖向陽極→電子流Ie

I=IA++Ie 其中：IA+=0.1%I

Ie=99.9%I3、特點： 1）電中性； 2）E小、Ua小IA+IeI.（二）弧柱區(qū)的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)IA+IeI.62三）、陰極區(qū)的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)1、陰極區(qū)在導(dǎo)電過程中的作用 1)產(chǎn)生弧柱區(qū)導(dǎo)電所需要電子流Ie=0.999I 2)接收弧柱區(qū)來的正離子流IA+=0.001I2、熱發(fā)射型 1）產(chǎn)生條件：W、C陰極，且電流很大 2）帶電粒子的產(chǎn)生方式：熱發(fā)射 熱陰極：弧柱導(dǎo)電所需要的電子可完全由熱發(fā)生來產(chǎn)生的 陰極。 冷陰極：熱發(fā)射能力不足的陰極。 熱陰極材料：熔點高的材料

冷陰極材料：熔點低的材料。

3）特點：無陰極區(qū)、無陰極壓降Vk

.三）、陰極區(qū)的導(dǎo)電機(jī)構(gòu).633、電場發(fā)射型導(dǎo)電機(jī)構(gòu)1)

條件： （a）W、C陰極、且I較小 （b）AI、Fe、Cu作陰極2)

帶電離子產(chǎn)生方式 （1）場發(fā)射 （2）場電離 （3）熱發(fā)射 （4）碰撞發(fā)射.3、電場發(fā)射型導(dǎo)電機(jī)構(gòu).64++++++++++++++++++++++------+++++-----Uk陰極區(qū)弧柱區(qū)電場發(fā)射型導(dǎo)電機(jī)構(gòu)陰極熱發(fā)射場發(fā)射碰撞發(fā)射場電離0.999I.++++++++++++++++++++++------++65c)

特點： （1）陰極附近存在—正電荷區(qū)—陰極區(qū) （2）fe<0.999IfA+>0.001I （3）陰極區(qū)斷面收縮 （4）陰極表面上產(chǎn)生陰極斑點

3）等離子型導(dǎo)電機(jī)構(gòu)A、條件： 1） W、C陰極，且I較?。夯駻I、Fe、Cu陰極；且 2） 氣壓較小，Uk<UiB、帶電粒子產(chǎn)生方式：熱電離C、特點：同上.c)

特點：.66（四）陽極區(qū)的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)1、陽極區(qū)在導(dǎo)電過程中的作用 1)接收弧柱區(qū)來的電子流Ie=0.999I 2)產(chǎn)生弧柱區(qū)所需要的正離子流IA+=0.001I

2、熱電離 1）產(chǎn)生條件：I較大 2）帶電離子產(chǎn)生方式：熱電離 3）特點： a)陽極壓降小，甚至為0 b)不存在陽極斑點。

3、電場作用下的電離 1）產(chǎn)生條件：I較小 2）帶電粒子的產(chǎn)生方式：熱電離、場電離 3）特點：a）有陽極區(qū)，發(fā)生收縮 b)Ua較大 c)有陽極斑點.（四）陽極區(qū)的導(dǎo)電機(jī)構(gòu).67----------------++-++++++++++++------------UA陽極區(qū)弧柱區(qū)陽極壓降的形成+.----------------++-+++++++++++68（五）陰極斑點與陽極斑點1、陰極斑點：陰級上導(dǎo)通電流的一些灼亮的弧立點。1) 產(chǎn)生條件： a、W、C陰極且I很小 b、AI、Fe、Cu作陰極2) 某點充當(dāng)陰極斑點的條件 a、電弧通過該點時耗能最小 b、該點能發(fā)射電子3）特點 a）電流密度大、溫度高 b）跳躍性及粘著性 c）存在斑點力：蒸發(fā)反力、A+的撞擊力 d）自動尋找氧化膜，該點對于鋁、鎂及其合金的焊接是 非常重要的，見后面的陰極霧化作用。.（五）陰極斑點與陽極斑點.69---焊接方向-+AAB焊接方向粘著性跳躍性.---焊接方向-+AAB焊接方向粘著性跳躍性.702、陽極斑點1）產(chǎn)生條件：I很小2）點充當(dāng)陽極斑點的條件 a）通過該點導(dǎo)通電流時，耗能最小 b）易蒸發(fā)，產(chǎn)生金屬蒸氣3）特點： a、電流密度大、溫度高 b、粘著性、跳躍性 c、避開氧化膜 d、斑點力，陽極斑點力小于陰極斑點力.2、陽極斑點.71四） 最小電壓原理

電流一定、周圍條件一定時，穩(wěn)定燃燒的電弧各導(dǎo)電區(qū)的半徑（溫度）應(yīng)使電弧電場強(qiáng)度最小，即電弧電壓最小。該原理有兩個方面的含義：1、電場強(qiáng)度是溫度或電弧斷面半徑的函數(shù)

E=f（T） E=f（r）2、電弧半徑穩(wěn)定值r*由E的最小值E*確定ErR*E*.四） 最小電壓原理ErR*E*.72電弧穩(wěn)定燃燒時，Ua與Ia的關(guān)系稱為電弧靜特性。下降區(qū)（負(fù)阻特性區(qū)）：電流密度不變平特性區(qū)：E不變上升特性區(qū)：影響因素：1、弧長2、氣體介質(zhì) 導(dǎo)熱性 熱分解性能3、氣體介質(zhì)的壓力

五、電弧的靜特性UaIa小電流TIGTIG

SAWMMAMIGMAG.電弧穩(wěn)定燃燒時，Ua與Ia的關(guān)系稱為電弧靜特性。五、電弧73IaUa電弧放電輝光放電暗放電暗放電自持放電非自持放電.IaUa電弧放電輝光放電暗放電暗放電自持放電非自持放電.74UaIaL2L1L2>L1純ArAr+20%H2UaIa 電離電壓Ar 15.7eVH 13.5eVH2 15.5eV弧長影響物理性能：熱分解、導(dǎo)熱系數(shù).UaIaL2L1L2>L1純ArAr+20%H2UaIa 75§1-2 焊接電弧的產(chǎn)熱及溫度分布

一）、焊接電弧的產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)（一）弧柱的產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)電能→熱能1、 本質(zhì)：A+、e在電場作用下被加速、使其動能增大的過 程。其宏觀表現(xiàn)即為溫度上升→產(chǎn)熱 由于運動速度，自由程度不同，A+、e得到的能量不同，TA+、Te、TA有可能不同。電子動能：定向運動動能—Ie 散亂運動動能—熱運動，表現(xiàn)為熱能。2、產(chǎn)熱量

Pc=IaUa

主要用于散熱損失—對流、幅射、傳導(dǎo)。.§1-2 焊接電弧的產(chǎn)熱及溫度分布一）、焊接電弧的產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)76

3 影響因素 不僅取決于電流。 凡是影響Ua的因素均影響弧柱的產(chǎn)熱。

（二）陰極區(qū)的產(chǎn)熱1 本質(zhì)：產(chǎn)生電子、接受正離子的過程中有能量變化，這些能量的平衡結(jié)果就是產(chǎn)熱，由三部分組成： 1）電子逸出陰極時消耗能量：-IUw 2）電子進(jìn)入弧柱前被電場（Ek）加速得到一部分能量： +IaUk 3）電子進(jìn)入弧柱時帶走的能量：-IUT（溫度等效電壓）2、產(chǎn)熱公式 Pk=I（Uk-Uw-UT）3、作用： 用于加熱陰極.

.77

（三）陽極區(qū)的產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)1、 本質(zhì)：接受電子、產(chǎn)生A+過程中伴隨的能量 轉(zhuǎn)換，由三部分組成： 1）e被UA加速所得到的能量：+eUA 2）電子帶來的逸出功：+IUw 3）電子帶來的相當(dāng)于弧柱溫度那部分能量+IUw

2、產(chǎn)熱公式 PA=I（UA+Uw+UT）3、作用 用于加熱陽極.

.78二）、焊接電弧的熱效率及能量密度（一）電弧總產(chǎn)熱

Pa=PC+PA+PK=I（UC+UK+UA）=IaUa（二）有效功率、熱效率系數(shù) 1 有效功率：用于加熱工件和焊絲的功率QE 2 熱效率系數(shù)：=QE/Pa 3 影響的因素： 1）焊接方法：TIG焊低、MIG、SAW高 2）焊接規(guī)范： 3）外部條件

（三）能量密度 1 單位有效加熱面積上的熱功率，單位為w/cm2 2 功率密度越高H/B越大，焊接變形及HAZ越小。

氣焊 電弧焊 激光 電子束 1-10 102-104 106-107 106-108

.二）、焊接電弧的熱效率及能量密度.79三）、電弧的溫度分布（一）電弧的軸向溫度分布 影響溫度分布的因素： 1、功率密度 2、電極材料 3、高熔點氧化物（二）弧柱溫度分布1、軸向 1） 二電極尺寸相等時，軸向溫度分布均勻 2） 二電極尺寸不等，軸向溫度分布不均勻，靠 近尺寸較小的一端，溫度較高。溫度電流密度功率密度.三）、電弧的溫度分布溫度電流密度功率密度.80

2、徑向中心軸附近溫度高，周邊低（三）影響弧柱溫度的因素1、電流，Ia↑T↑2、氣體介質(zhì)：導(dǎo)熱系數(shù)↑，熱解離↑T↑3、電極材料4、拘束度

2、徑向中心軸附近溫度高，周邊低（三）影響弧柱溫度的因素1、電流，Ia↑T↑2、氣體介質(zhì)：導(dǎo)熱系數(shù)↑，熱解離↑T↑3、電極材料4、拘束度：越大，電弧溫度越高_(dá).

2、徑向

2、徑向_.81+-弧柱的溫度分布TTrL.+-弧柱的溫度分布TTrL.82§1-3 電弧力及其影響因素

一）、電弧力1、電磁收縮力通過電?。ㄈ鄣危┑碾娏骶€之間的相互吸引力，對電弧或熔滴起著壓縮作用，該力被稱為電磁收縮力。1）圓柱形電弧電弧壓力電弧推力式中：I-電流，R-電弧半徑，K-系數(shù).§1-3 電弧力及其影響因素

一）、電弧力電弧壓力電弧推力83流態(tài)導(dǎo)體中電磁收縮力的影響柱形導(dǎo)體中的電磁收縮力.流態(tài)導(dǎo)體中電磁收縮力的影響柱形導(dǎo)體中的電磁收縮力.84流體中壓力各個方向相同，因此作用于焊條及工作上的軸向力為：2）錐形電弧

壓力

錐形電弧中沿軸向存在壓力差，導(dǎo)至一軸向推力：

式中：I-電流， Rb-錐形弧柱下底面半徑，Ra-錐形弧柱上底面半徑.流體中壓力各個方向相同，因此作用于焊條及工作上的軸向力為：85ALF推焊絲錐形電弧母材.ALF推焊絲錐形電弧母材.862、等離子流力F推引起的高溫氣體流（等離子流）所形成的力叫等離子流力作用： 1）促進(jìn)熔滴過渡 2）導(dǎo)致指狀熔深分布：軸線處大，周邊小

3、斑點力由以下三部分組