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第一单元电弧焊基础知识通过本单元的学习，要使学生深入了解作为焊接能源的电弧物理基础；掌握焊接电弧的主要工艺特性；明确作为填充材料的焊丝熔化与熔滴过渡以及作为工件的母材熔化与焊缝成形的基本规律等。学习目标电弧是所有电弧焊方法的能源。电弧焊之所以能在焊接方法中占据主要地位，一个重要的原因就是电弧能有效而简便地把弧焊电源输送的电能转换成焊接过程所需要的热能和机械能。电弧的特点：低电压、大电流、温度高、亮度大电弧的作用：产力和产热综合知识模块一焊接电弧能力知识点1焊接电弧的物理基础1．电弧及其电场强度分布电弧是一种气体放电现象，它是带电粒子通过两电极之间气体空间的一种导电过程,如图1-1所示。两电极之间的气体导电，必须具备两个基本条件：①两电极之间有带电粒子；②两电极之间有电场。图1-1无论是什么物质，能否呈现导电性，都取决于其在电场的作用下，是否拥有可自由移动的带电粒子。气体不含自由移动带电粒子；所有粒子都可以自由移动不呈现导电性金属含自由移动带电电子；离子不可以自由移动呈现导电性2．电弧中带电粒子的产生气体和金属导电的区别金属导电伏安特性气体导电伏安特性电弧两极间带电粒子产生的来源有：中性气体粒子的电离、金属电极发射电子、负离子形成等。其中气体电离和阴极发射电子是电弧中产生带电粒子的两个基本物理过程。（1）气体的电离1)气体电离。在外加能量作用下，使中性的气体分子或原子分离成电子和正离子的过程称为气体电离。气体电离的实质，是中性气体粒子(分子或原子)吸收足够的外部能量，使得分子或原子中的电子脱离原子核的束缚而成为自由电子和正离子的过程。使中性气体粒子电离所需的最小外加能量称为电离能。电离能通常以电子伏（eV）为单位，1电子伏就是指1个电子通过电位差为1V的两点间所需做的功，其数值为1.6×10-19J。电弧气氛中常见气体粒子的电离电压见表1-1。气体粒子电离电压/V气体粒子电离电压/VH13.5W8.0He24.5（54.2）H215.4C11.3（24.4，48，65.4）Na15.5N14.5（29.5，47，73，97）O212.2O13.5（35，55，77）Cl213F17.4（35，63，87，114）CO14.1Na5.1（47，50，72）NO9.5Cl13（22.5，40，47，68）OH13.8Ar15.7（28，41）H2O12.6K4.3（32，47）CO213.7Ca6.1（12，51，67）Fe7.9（16，30）表1-1常见气体粒子的电离电压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。如果这种气体供应充足，则电弧空间的带电粒子将主要由这种气体的电离来提供，所需要的外加能量也主要取决于这种较低的电离电压，因而为提供电弧导电所要求的外加能量也较低。焊接时，为提高电弧的稳定性，往往加入一些电离电压较低、易电离的元素作为稳弧剂，也就是基于此种原因。2)电离种类。根据外加能量来源的不同，气体电离种类可分为以下几种：①热电离电弧中带电粒子数的多少对电弧的稳定起着重要作用。单位体积内电离的粒子数与气体电离前粒子总数的比值称为电离度，用ｘ表示，即x=已电离的中性粒子密度/电离前的中性粒子密度随着温度的升高，气体压力的减小及电离电压的降低，电离度随之增加，电弧中带电粒子数增加，电弧的稳定性增强。图1-2热电离度x与温度T之间的关系如图1-2所示。②场致电离当带电粒子的动能增加到一定数值时，则可能与中性粒子发生非弹性碰撞而使之产生电离，这种电离称为场致电离。在电弧的阴极压降区和阳极压降区，电场强度可达105~107V/cm，远高于弧柱区，因而会产生显著的场致电离现象。③光电离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。（2）阴极电子发射在电弧焊中，电弧气氛中的带电粒子一方面由电离产生，另一方面则由阴极电子发射获得。两者都是电弧产生和维持不可缺少的必要条件。由于从阴极发射的电子，在电场的加速下碰撞电弧导电空间的中性气体粒子而使之电离，这样就使阴极电子发射充当了维持电弧导电的“原电子之源”。因此，阴极电子发射在电弧导电过程中起着特别重要的作用。1)电子发射与逸出功阴极表面的自由电子受到一定的外加能量作用时，从阴极表面逸出的过程称为电子发射。电子从阴极表面逸出需要能量，1个电子从金属表面逸出所需要的最低外加能量称为逸出功（Aw），单位是电子伏。因电子电量为常数e，故通常用逸出电压（Uw)来表示，Uw=Aw/e，单位为V。逸出功的大小受电极材料种类及表面状态的影响。由1-2表可见，当金属表面存在氧化物时逸出功都会减小。表1-2几种金属材料的逸出功金属种类WFeAlCuKCaMgAw/eV纯金属4.544.484.254.362.022.123.73表面有氧化物—3.923.93.850.461.83.312）阴极斑点阴极表面通常可以观察到微小、烁亮的区域，这个区域称为阴极斑点。当采用钨或碳作阴极材料时（通常称为热阴极），其斑点固定不动；而当采用钢、铜、铝等材料作阴极时（通常称为冷阴极），其斑点在阴极表面作不规则的游动，甚至可观察到几个斑点同时存在。由于金属氧化物的逸出功比纯金属低，因而氧化物处容易发射电子。氧化物处发射电子的同时自身被破坏，因而阴极斑点有清除氧化物的作用。3）电子发射的类型。①热发射。阴极表面因受到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，一部分电子动能达到或超出逸出功时产生的电子发射现象称为热发射。②场致发射。当毗邻阴极表面的空间存在一定强度的正电场时，阴极内部的电子将受到电场力的作用。当此力达到一定程度时电子便会逸出阴极表面，这种电子发射现象称为场致发射。③光发射。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一定程度而逸出阴极表面的现象称为光发射。光发射在阴极电子发射中居次要地位。④粒子碰撞发射。电弧中高速运动的粒子（主要是正离子）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称为粒子碰撞发射。3．带电粒子的消失带电粒子在电弧空间的消失主要有复合及形成负离子等过程。（1）复合电弧空间的正负带电粒子（正离子、负离子、电子）在一定条件下相遇而结合成中性粒子的过程称为复合。（2）负离子的形成与影响在一定条件下，有些中性原子或分子能吸附电子而形成负离子。中性粒子吸附电子而形成负离子时，其内能不是增加而是减少，以热或辐射光的形式释放出来。能力知识点2焊接电弧的导电特性焊接电弧的导电特性是指参与电荷的运动并形成电流的带电粒子在电弧中产生、运动和消失的过程。1．弧柱区的导电特性弧柱的温度很高，大约在5000～50000K之间。当弧柱温度很高时，可使其中的大部分中性粒子电离成电子和正离子。弧柱呈电中性。弧柱中的电流主要由电子流构成。弧柱单位长度上的电压降（即电位梯度）称为弧柱电场强度E。①电场强度E的大小与电弧的气体介质有关；②E的大小将随弧柱的热损失情况而自行调整。最小电压原理弧柱在稳定燃烧时，有一种使自身能量消耗最小的特性。即当电流和电弧周围条件（如气体介质种类、温度、压力等）一定时，能量消耗最小时的电场强度最低，即在固定弧长上的电压降最小，这就是最小电压原理。电弧截面面积大于或小于其自动确定的截面，都会引起电场强度Ｅ增大，使消耗的能量增多，违反最小电压原理。因为电弧截面增大时，电弧与周围介质的接触面增大，电弧向周围介质散失的热量增加，要求电弧产生更多的能量与之相平衡，即要求ＥＩ增加。2．阴极区的导电特性（1）热发射型①正离子冲击阴极表面而将能量传递给阴极，并且正离子在阴极表面复合电子，释放出的电离能也使阴极加热；②电流流过阴极时产生的电阻热使阴极加热。通过上述能量补充，可使阴极维持较高的温度，保证持续的热发射。（2）电场发射型场致电离产生的电子与阴极发射出来的电子合在一起构成弧柱所需的电子流，场致电离产生的正离子与弧柱来的正离子，在电场作用下一起奔向阴极，使得阴极区保持正离子过剩，出现正电性，维持场致发射。另外，当这些正离子到达阴极时，将其动能转换为热能，对阴极的加热作用增强，使阴极的热发射作用增大，呈现热一场致发射，为弧柱提供足够的电子流。这种形式的导电中，为了提高阴极区的电场强度，按照最小电压原理，阴极区将自动收缩截面，以提高正离子流即正电荷的密度，维持阴极的电子发射能力。在小电流钨极氩弧焊和熔化极电弧焊时，这种场致发射型导电起主要作用。3．阳极区的导电特性（1）阳极斑点在阳极表面也可看到微小、烁亮的区域，这个区域称为阳极斑点。（2）阳极区导电形式阳极不能发射正离子，弧柱所需要的正离子流是由阳极区的电离提供的。由于条件不同，阳极区的导电形式有两种：1）阳极区的场致电离。2）阳极区的热电离。能力知识点3焊接电弧的工艺特性电弧焊以电弧为能源，主要利用其热能及机械能。焊接电弧与热能及机械能有关的工艺特性，主要包括：电弧的热能特性电弧的力学特性电弧的稳定性1．电弧的热能特性（１）电弧热的形成机构电弧可以看作是一个把电能转换成热能的柔性导体。１）弧柱的产热。从电源吸取电能转换为热能的作用几乎完全由电子来承担，在弧柱中外加电能大部分将转换为热能。２）阴极区的产热Pk=IUk-IUw-IUT３）阳极区的产热特性Pa=IUa+IUw+IUT（2）电弧的温度分布电弧各部分的温度分布受电弧产热特性的影响，电弧组成的三个区域产热特性不同，温度分布也有较大区别。电弧温度的分布特点可从轴向和径向两个方面比较：图1-3图1-31）轴向温度分布。阴极区和阳极区的温度较低，弧柱温度较高，如图1-3所示。阴极、阳极的温度则根据焊接方法的不同有所差别，见表1-3。表1-3常用焊接方法阴极与阳极的温度比较焊接方法酸性焊条电弧焊钨极氩弧焊碱性焊条电弧焊熔化极氩弧焊C02气体保护焊埋弧焊温度比较阳极温度＞阴极温度阴极温度＞阳极温度2）径向。电弧径向温度分布的特点是：弧柱轴线温度最高，沿径向由中心至周围温度逐渐降低，如图1-4所示。图1-4（3）焊接电弧的热效率及能量密度电弧焊的热能由电能转换而来，因此电弧的功率ＰＱ可由下式表示ＰＱ＝ＰA＝ＩＵA式中：ＰQ——电弧的电功率；ＵA——电弧电压，ＵA＝ＵＫ＋ＵC＋Ｕa用于加热、熔化填充材料及工件的电弧热功率称为有效热功率，表示为ＰＱ′＝ηＰＱ上式中，η有效热功率系数（热效率系数），它受焊接方法、焊接工艺参数、周围条件等因素的影响。表１-５常用焊接方法的热效率系数焊接方法η焊接方法η焊条电弧焊埋弧焊C02气体保护焊0.65~0.850.80~0.900.75~0.90熔化极氩弧焊钨极氩弧焊0.70~0.800.65~0.702．电弧的力学特性在焊接过程中，电弧的机械能是以电弧力的形式表现出来的，电弧力不仅直接影响工件的熔深及熔滴过渡，而且也影响到熔池的搅拌、焊缝成形及金属飞溅等，因此，对电弧力的利用和控制将直接影响焊缝质量。电弧力主要包括：电磁收缩力等离子流力斑点力（１）电弧力及其作用1）电磁收缩力。这个力是由电磁场产生的，因而称为电磁力。它的大小与导线中流过的电流大小成正比，与两导线间的距离成反比。如图1-5所示。当电流流过导体时，电流可看成是由许多相距很近的平行同向电流线组成，这些电流线之间将产生相互吸引力。可变形导体（液态或气态），将使导体产生收缩，这种现象称为电磁收缩效应，产生电磁收缩效应的力称为电磁收缩力。图1-5形成由小直径端（电极端）指向大直径端（工件端）的电弧轴向推力（见图1-6中的Ft）。而且电流越大，形成的推力越大。电弧轴向推力在工件上表现为对熔池形成的压力，称为电磁静压力。图1-6焊接电弧一般为锥形导体，如图1-6所示。电极端直径小，工件端直径大。由于不同直径处电磁收缩力的大小不同，直径小的一端收缩压力大，直径大的一端收缩压力小，因此将在电弧中产生压力差，电磁收缩力的作用由电弧自身磁场引起的电磁收缩力，在焊接过程中具有重要的工艺性能。它不仅使熔池下凹，同时也