电弧焊基础知识

项目一电弧焊基础知识教学目标：了解电弧物理基础和工艺特性；了解焊丝熔化特性与熔滴过渡形式；掌握母材熔化与焊缝成形的基本规律。教学活动设计：利用多媒体课件辅助教学；教学重点：电弧的热特性、机械特性；熔滴过渡的形式；焊缝成形的基本规律。教学难点：熔滴过渡形式的掌握学习单元一焊接电弧一、焊接电弧的物理本质（一）电弧及其电场强度分布1．电弧的定义：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。2．气体导电必须具备的两个条件：①两电极之间有带电粒子；②两电极之间有电场。3．气体放电随电流的强弱而有不同的形式，如暗放电、辉光放电、电弧放电等。4．电弧放电的主要特点是电流最大、电压最低、温度最高、发光最强。5．电弧的结构：由图可见，沿电弧长度方向的电场强度分布并不均匀。按电场强度分布的特征可将电弧分为三个区域：阴极附近的区域为阴极区，其电压Uk称为阴极电压降；中间部分为弧柱区，其电压Uc称为弧柱电压降；阳极附近的区域为阳极区，其电压Ua称为阳极电压降。阳极区和阴极区占整个电弧长度的尺寸皆很小，约为10-2~10-6cm，故可近似认为弧柱长度即为电弧长度。（二）电弧中带电粒子的产生小资料：电弧作为导体不同于金属导体，金属导电是通过金属内部自由电子的定向移动形成电流，而电弧导电时，电弧气氛中的电子、正离子、负离子都参与导电，同时，电弧的各区域电场强度分布不均匀，说明各区域的电阻是不同的，即电弧电阻是非线性的。过程要复杂得多。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)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。(2)第一电离能：中性气体粒子失去第一个电子所需的最小外加能量，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；失去第二个电子所需的能量称为第二电离能，依此类推。电弧焊中的气体粒子电离现象主要是一次电离。(3)电离难易程度：当其他条件（如气体的解离性能、热物理性能等）一定时，气体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，表示带电粒子容易产生，有利于电弧导电；相反，电离电压高表示带电粒子难以产生，电弧导电困难。(4)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：l）热电离气体粒子受热的作用而产生电离的过程称为热电离。它实质上是由于气体粒子的热运动形成频繁而激烈的碰撞产生的一种电离过程。电离度：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电离度的影响因素：热电离的电离度与温度、气体压力及气体的电离电压有关。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。2）场致电离在两电极间的电场作用下，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。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。焊接电弧的光辐射只可能对K、Na、Ca、A1等金属蒸气直接引起光电离，而对焊接电弧气氛中的其他气体则不能直接引起光电离。因此，光电离只是电弧中产生带电粒子的一种次要途径。2．阴极电子发射(1)电子发射：阴极中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。逸出功：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。当金属表面存在氧化物时逸出功都会减小。（2）阴极斑点阴极表面通常可以观察到发出烁亮的区域，这个区域称为阴极斑点。它是发射电子最集中的区域，即电流最集中流过的区域。“阴极破碎”作用：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。阴极表面某处氧化物被清除后另一处氧化物就成为集中发射电子的所在。于是，斑点游动力图寻找在一定条件下最容易发射电子的氧化物。如果电弧在惰性气体中燃烧，阴极上某处氧化物被清除后不再生成新的氧化物，阴极斑点移向有氧化物的地方，接着又将该处氧化物清除。这样就会在阴极表面的一定区域内将氧化物清除干净，显露出金属本色。这种现象称为“阴极清理”作用或“阴极破碎”作用。(3）电子发射的类型根据外加能量形式的不同，电子发射可分为以下四种类型：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。热发射的强弱受材料沸点的影响。当采用高沸点的钨或碳作阴极时（其沸点分别为5950K和4200K），电极可被加热到很高的温度（一般可达3500K以上），此时，通过热发射可为电弧提供足够的电子。2）场致发射当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。当采用钢、铜、铝等低沸点材料作阴极时（其沸点分别为3013K、2868K和2770K），阴极加热温度受材料沸点限制不可能很高，热发射能力较弱，此时向电弧提供电子的主要方式是场致发射电子。实际上，电弧焊时纯粹的场致发射是不存在的，只不过是在采用冷阴极时以场致发射为主，热发射为辅而已。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。焊接电弧中，阴极区有大量的正离子聚积，正离子在阴极区电场作用下被加速，获得较大动能，撞击阴极表面可能形成碰撞发射。在一定条件下，这种电子发射形式也是焊接电弧阴极区提供导电所需要带电粒子的主要途径之一。实际焊接过程中，上述几种电子发射形式常常是同时存在，相互促进，相互补充。只是在不同的条件下它们起的作用各不相同。（三）带电粒子的消失电弧导电过程中，在产生带电粒子的同时，伴随着带电粒子的消失过程。在电弧稳定燃烧时，二者是处于动平衡状态的。带电粒子在电弧空间的消失主要有扩散、复合两种形式和电子结合成负离子等过程。二、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。在焊接电弧的弧柱区、阴极区和阳极区三个组成区域中，它们的导电特性是各不相同的。（一）弧柱区的导电特性弧柱的温度很高，且随电弧气体介质、电流大小的不同而异，大约在5000～50000K之间。电弧稳定燃烧时，弧柱与周围气体介质处于热平衡状态。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。由于正离子和电子的空间密度相同，两者的总电荷量相等，所以宏观上看弧柱呈电中性。电弧等离子体：弧柱是包含大量电子、正离子等带电粒子和中性粒子等聚合在一起的气体状态。这种状态又称为电弧等离子体。电弧等离子体虽然对外呈现电中性，但由于其内部有大量电子和正离子等带电粒子，所以具有良好的导电性能。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。E的大小表征弧柱的导电性能，弧柱的导电性能好，则所要求的E值小。显然，当弧柱中通过大电流时，电离度提高，E值将减少。电场强度E和电流Ｉ的乘积EＩ，相当于电源供给每单位弧长的电功率，它将与弧柱的热损失相平衡。由此可见：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，稳定燃烧的电弧将自动选择一个确定的导电截面，使电弧的能量消耗最小。当电弧长度也为定值时，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。应用实例：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，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。解释：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。而焊接电流I是一定的，只能是电弧电场强度Ｅ增加；反之，若电弧截面减小，则在Ｉ一定的情况下，电流密度ｊ必然增加，导致Ｅ增大。所以说，电弧将自动确定一个截面，在这一截面下，使ＥＩ最小，即消耗的能量最小。（二）阳极区的导电特性阳极区是指靠近阳极的很小一个区域，在电弧中，它的主要作用是接受弧柱中送来的电子流，同时向弧柱提供所需要的正离子流。1．阳极斑点在阳极表面也可看到烁亮的区域，这个区域称为阳极斑点。弧柱中送来的电子流，集中在此处进入阳极，再经电源返回阴极。阳极斑点的电流密度比阴极斑点的小，它的形态与电极材料及电流大小有关。由于金属蒸气的电离电压比周围气体介质的低，因而电离易在金属蒸气处发生。如果阳极表面某一区域产生均匀的金属熔化和蒸发，或这些区域的蒸发比其他区域更强烈，则这个区域便成为阳极导电区。三、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、电弧的稳定性等。（一）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：轴向阴极区和阳极区的温度较低，弧柱温度较高。造成这一结果的原因是：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、阳极的温度则根据焊接方法的不同有所差。（二）电弧的力学特性电弧力不仅直接影响焊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、斑点力等。1．电弧力及其作用（1）电磁收缩力当电流流过导体时，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。如果是可变形导体（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。这个电磁收缩力往往是形成其他电弧力的力源。焊接电弧是能够通过很大电流的气态导体，电磁效应在电弧中产生的收缩力表现为电弧内的径向压力。通常电弧可看成是一圆锥形的气态导体。电极端直径小，焊件端直径大。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，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。而且电流越大，形成的推力越大。电弧轴向推力在电弧横截面上分布不均匀，弧柱轴线处最大，向外逐渐减小，在焊件上此力表现为对熔池形成的压力，称为电磁静压力。这种分布形式的力作用在熔池上，则形成碗状熔深焊缝形状。（2）等离子流力高温气体流动时要求从电极上方补充新的气体，形成有一定速度的连续气流进入电弧区。新加入的气体被加热和部分电离后，受轴向推力作用继续冲向焊件，对熔池形成附加的压力，如图1-8所示。熔池这部分附加压力是由高温气流（等离子气流）的高速运动引起的，所以称为等离子流力，也称为电弧的电磁动压力。等离子流力可增大电弧的挺直性，在熔