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第一章电弧焊基础知识电弧焊重要性–高效本章基本内容–电弧物理基础–工艺特性–焊丝熔化与熔滴过渡–母材熔化及焊缝成型主要章节焊接电弧焊丝的熔化与熔滴过渡母材熔化与焊缝成形电弧焊基本历史电弧焊基本历史1930埋弧焊电弧焊基本历史1930美国GTAW（Gastungstenarcwelding）1940美国成功应用该方法于焊接镁及不锈钢薄板电弧焊基本历史1945交流GTAW焊接方法1945直流金属极焊接方法GMA第一节焊接电弧焊接电弧物理基础焊接电弧导电特性焊接电弧工艺特性焊接电弧物理基础电弧定义：电弧是一种特殊的气体放电现象，它是带电粒子通过两电极之间气体空间的一种导电过程。实现了将电能转化为机械能、热能和光能。焊接电弧物理基础气体是良好的绝缘体带电粒子密度10-8/m3使气体导电的条件：–电场–带电粒子焊接电弧物理基础焊接电弧物理基础–气体电离–阴极电子发射–带电粒子消失焊接电弧物理基础金属导电符合欧姆定律–原因：导电机制没有发生变化焊接电弧物理基础非自持放电自持放电电流最大、电压最低、温度最高、发光最强焊接电弧物理基础沿电弧方向电场强度分布不均匀分为三个区域阴极、阳极区尺寸很小，约为10-2-10-6cm电场分布的不均匀性表明电弧电阻的非线性焊接电弧物理基础金属导电机制：自由电子定向移动电弧导电机制：电子、正离子、负离子都参与导电是复杂的导电过程焊接电弧物理基础带电粒子产生来源：–中性气体粒子的电离–金属电极发射电子–负离子形成–正离子形成基本物理过程焊接电弧物理基础气体的电离定义：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实质：中性气体粒子吸收足够的外部能量，使分子或原子中的电子脱离原子核束缚而成为自由电子和正离子的过程。焊接电弧物理基础中性气体粒子失去第一个电子所需要的最小能量成为第一电离能失去第二个电子所需的能量称为第二电离能。……单位：电子伏（eV）为：1.6*10-19J电离电压焊接电弧物理基础气体的电离电压的大小反映了带电粒子产生的难易程度。–电离电压低----带电粒子容易产生有利于电弧导电–电离电压高----带电粒子难以产生电弧导电困难焊接电弧物理基础焊接电弧物理基础激励定义：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跃迁到较高的能级，这种现象称为~。使中性粒子激励所需要的外加能量叫做激励能焊接电弧物理基础受激励的电子没有脱离原子的束缚=粒子呈中性受激励的粒子处于不稳定状态=稳定状态时间短约为：10-2-10-8s激励状态的粒子有两种出路–又转变为稳定状态，伴随着这个过程能量以辐射光的形式释放出来=电弧辐射光–接受外部能量电离焊接电弧物理基础当电弧空间存在电离电压（或激励电压）不同的多种气体的时候，在外加能量的作用下，电离电压（或激励电压）低的气体粒子先被电离（或激励），若这种气体的足以维持电弧的稳定燃烧，则整个电弧燃烧所需要的能量主要取决于这个较低的电压。因而电弧所要求的外加能量就比较低。意义：稳弧剂的作用焊接电弧物理基础Fe电离电压为7.8V,K电离电压为4.3V焊接电弧物理基础电弧的电离与激励同时存在电离与激励所需的最低能量为固定值焊接电弧物理基础电离的种类：–热电离–场致电离–光电离电离度：电弧内单位体积内电离的粒子数与气体电离前粒子总数的比值X=电离的粒子密度/电离前中性粒子密度碰撞电离焊接电弧物理基础热电离定义：气体粒子受热作用而产生电离的过程实质：气体粒子的热运动形成频繁而激烈的碰撞主要位置：弧柱区（温度在5000-50000K）焊接电弧物理-电离电离度与材料、温度之间的关系焊接电弧物理基础基本规律：温度压力电离电压电离度带电粒子数电弧稳定性焊接电弧物理基础场致电离定义：在两电极间的电场的作用下，气体中的带电粒子被加速，电能转化为带电粒子的动能，当带电粒子的动能达到一定数值时，则可能与中性粒子发生非弹性碰撞而使之电离，这种电离被称为场致电离焊接电弧物理基础场致电离发生的位置–主要是两级区，由于在这两个区域内电场强度可达105-107V/cm–而弧柱区电场强度为：10V/cm左右，电场作用不明显焊接电弧物理基础由于电子质量远小于其他粒子的质量，因而在电场的作用下，速度快，动能大，其余其他粒子发生非弹性碰撞，几乎将本身的动能全部传递给相应的粒子，使中性粒子发生电离或激励。因而场致电离中电子起到主要的作用。焊接电弧物理基础焊接电弧物理基础光电离定义：中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电离过程范围：电弧的辐射只可能对K、Na、Ca、Al等金属蒸汽直接引起电离，而对焊接电弧气氛中的其他气体则不能直接引起电离光电离是产生带电粒子的次要途径焊接电弧物理基础阴极电子发射电离和阴极电子发射是电弧产生和维持不可缺少的必要条件阴极发射出的电子，在电场的加速下碰撞电弧空间的中性粒子使之电离，从而是阴极电子发射充当了维持电弧导电的原电子之源。焊接电弧物理基础电子发射与逸出功定义：–电子发射：阴极中的自由电子受到一定的外加能量作用，从阴极表面逸出的过程–逸出功：一个电子从金属表面逸出所需的最低外加能量。单位电子伏或者逸出电压逸出功的大小受电极材料及表面状态的影响。焊接电弧物理基础金属表面存在氧化物时逸出功会减小焊接电弧物理基础阴极斑点定义：阴极表面经常可以看到发出闪烁的区域，这个区域称为电子发射最集中的区域电流最集中流过的区域热阴极：斑点固定WC冷阴极：斑点不规则移动CuFeAl焊接电弧物理基础阴极清理作用（阴极破碎）在铝合金焊接中作用最为明显焊接电弧物理基础电子发射的类型–热发射–场致发射–光发射–粒子碰撞发射实际焊接过程中常常是几种发射形式共存焊接电弧物理基础热发射（对电极有冷却作用）定义：阴极表面受热，自由电子动能加大，一部分电子达到或超过逸出功而产生的电子发射现象热发射强弱受到阴极材料沸点的影响，沸点高的钨或碳做阴极时，电极可以被加热到比较高的温度，通过热发射可以提供足够多的电子焊接电弧物理基础场发射定义：阴极表面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，当力达到一定程度电子就会逸出阴极表面，这种电子发射现象冷阴极主要是这种发射电子的机理焊接电弧物理基础光发射（对电极无冷却作用）粒子碰撞发射–正离子堆积-〉正离子加速-〉碰撞-〉电子发射焊接电弧物理基础带电粒子的消失动态平衡：电弧稳定燃烧时，带电粒子的产生与消失处于动态平衡主要形式：扩散、复合及负离子形成焊接电弧物理基础扩散（浓度梯度）定义：电弧空间中如果带电粒子的分布不均匀，则带电粒子将从浓度高的地方向浓度低的地方迁移，而使浓度趋于均匀，这种现象称为带电粒子的扩散。总趋势：从弧柱中心向周围扩散电子轻速度快外围浓度上升阻碍进一步扩散并吸引正离子结果：电弧中带电粒子减少并带走部分热量焊接电弧物理基础复合定义：电弧空间的正负带电粒子在一定条件下相遇而结合成为中性粒子的过程位置：在电弧的周边（速度慢）影响–以辐射和热能的形式释放出部分能量–电弧复燃困难焊接电弧物理基础负离子位置：电弧周边中性粒子吸附电子形成负离子其内能减少，以热和辐射光的形式释放能量，该能量称为中性粒子的亲和能。中性粒子亲和能大，则表明该粒子吸附电子后系统内能下降幅度大，系统稳定。焊接电弧物理基础大多数粒子亲和能比较小，不易形成负离子F、Cl、O2、OH、NO等离子亲和能比较大，易于形成负离子。放热过程，在高温下不易稳定存在影响：–电子数量减少，导电困难，电弧稳定性降低–负离子运动速度慢，不能很好的导电–易于正离子复合焊接电弧物理基础焊接电弧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，在焊接电弧的弧柱区、阴极区和阳极区其相应的导电特性也是不同。焊接电弧导电特性弧柱区导电特性弧柱温度：5000~50000K弧柱呈电中性弧柱是包含大量电子、正离子等带电粒子和中性粒子聚合在一起的气体状态，被称为电弧等离子体。弧柱电阻较小焊接电弧导电特性弧柱电流（主要是电子电流99.9%）–负离子数量少，作用被忽略–正离子在电场作用下，运动速度远小于电子但正离子的作用非常大，保证了电弧放电的低电压大电流的特点。焊接电弧导电特性弧柱电场强度（E）：弧柱单位长度上的电压降意义：E的大小表征电弧弧柱的导电能力。电场强度E和电流I的乘积EI相当于电源供给单位弧长的电功率，他与弧柱的热损失相平衡。焊接电弧导电特性影响弧柱电场强度的因素–弧柱气体介质（H2、He；单元子、多原子）–弧柱的热损失（强迫气流冷却等）焊接电弧导电特性最小电压原理：电弧在稳定燃烧时，有一种使其自身能量消耗最小的特性，即当电流和电弧周围的条件（气体介质、温度、压力）一定时，稳定燃烧的电弧将选择一个确定的导电截面，使电弧的能量消耗最少。当电弧长度也是定值的时候，电场强度的大小即代表了电弧产热量的大小，因此，能量消耗最小的时候电场强度最低，即在固定弧长上的电压降最小，这就是最小电压原理焊接电弧导电特性电流和电弧周围条件一定时，如果电弧截面面积大于或小于其自动确定的截面，就会引起电场强度的增大，是消耗的能量增多，违反最小电压原理。–面积增大–面积减小焊接电弧导电特性阴极区的导电特性阴极区接收正离子，发射电子热发射型和电场发射型焊接电弧导电特性热发射型（热阴极、大电流）阴极斑点在电极表面十分稳定，其面积较大且十分均匀，在此位置弧柱不呈收缩状态，阴极区电流密度与弧柱区相近，阴极电压降较小。焊接电弧导电特性电子带走的热量的补充途径–正离子的碰撞–正离子的复合，放出电离能–电阻热焊接电弧导电特性电场发射型（冷阴极或者热阴极小电流）电荷过剩=正电场=场致发射=电子加速=场致电离=形成电流正离子的作用–正电场–撞击阴极，加强热发射焊接电弧导电特性冷阴极中存在热发射和场发射，其所占的份额受以下因素影响–电极种类（沸点高或逸出功小，热发射主导，阴极压降小）–电流大小（电流大，热发射主导，阴极压降小）–气体介质（不易于电离，热发射主导，阴极压降小）焊接电弧导电特性阳极区的导电特性接收电子，提供正离子阳极斑点电流密度比阴极斑点小，其形态与电极材料和电流大小有关。由于金属蒸汽的电离电压比周围气体介质的低，因而电离易在金属蒸汽处发生，如果阳极表面某一区域产生均匀的金属熔化和蒸发，或蒸发比其他区域强烈，则此区域为阳极导电区。焊接电弧导电特性纯金属熔点沸点低于相应氧化物，所以纯金属容易蒸发，阳极斑点自动寻找纯金属而避开氧化物。因而出现阳极斑点的跳跃现象。焊接电弧导电特性阳极不能发射正离子，弧柱所需要的正离子是通过阳极区电离提供的。阳极区导电形式（场致电离、热电离）场致电离（电弧电流小）电子数大于正离子数，形成负的空间电场，从而电子加速，碰撞到中性粒子产生电离。焊接电弧导电特性热电离（大电流）阳极过热程度剧烈，金属发生蒸发，阳极区也有很高的温度，阳极区的电离方式由金属蒸汽的热电离取代高能量电子的碰撞产生的场致电离，完成阳极区向弧柱提供正离子流的作用。这种情况下，阳极区的压降较低。焊接电弧的工艺特性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、电弧的力学特性和电弧的稳定性等。焊接电弧的工艺特性电弧的热能特性电弧的温度分布熔点限制导热条件各个区域的产热机制？焊接电弧的工艺特性电弧热的形成机构–弧柱产热–阴极区产热–阳极区产热焊接电弧的工艺特性弧柱产热：带电粒子在电场的作用下，将电能转化成为热能。电子的运动速度比正离子运动速度大得多，因而从电源吸取电能转化为热能的作用几乎完全由电子来承担，进而将电能转化为热能。焊接电弧的工艺特性单位弧长弧柱的电能为EI，它的大小决定了弧柱产热量的大小电弧处于稳定状态时，弧柱的产热与弧柱的热损失处于动态平衡状态。