第一章 焊接電弧基礎(chǔ)

第1章焊接電弧本章主要內(nèi)容：1.1焊接電弧機理1.2焊接電弧特性1.3電弧焊中的保護(hù)氣1.4電弧的引燃與穩(wěn)弧重點：1．焊接電弧的特點及原因；2．焊接電弧各區(qū)導(dǎo)電機構(gòu)特點及產(chǎn)生條件；3.電弧靜特性曲線影響因素及其用處；4.交流電弧的特點難點：1．焊接電弧具有低電壓、大電流的原因；2.焊接電弧各區(qū)導(dǎo)電機構(gòu)特點及產(chǎn)生條件；3.交流電弧的特點1.1焊接電弧機理主要內(nèi)容：氣體放電與焊接電弧、電弧中帶電粒子的產(chǎn)生、焊接電弧各區(qū)域的導(dǎo)電機構(gòu)、電弧產(chǎn)熱及溫度分布、電弧壓力與等離子氣流、直流電弧與交流電弧一氣體放電與焊接電弧氣體放電:氣體本身導(dǎo)電嗎？WHY？什么情況下可導(dǎo)電？

（1）相關(guān)概念：

氣體放電：氣體在電場和熱場作用下產(chǎn)生電離，電離的帶電粒子在兩電極之間的外加電場作用下定向運動。

等離子體：含有帶電粒子的電中性離子集團(tuán)。

（2）氣體放電類型：非自持放電：氣體導(dǎo)電所需要的帶電粒子不能通過導(dǎo)電過程本身產(chǎn)生，而需要外加措施來產(chǎn)生帶電粒子。自持放電：相反。包括：暗放電（電池）、輝光放電（日光燈）、電弧放電（焊接電弧）。（3）氣體導(dǎo)電的條件兩電極之間有帶電粒子；兩電極之間有電場電弧放電輝光放電暗放電自持放電非自持放電I(A)U(V)I/A100010-41電弧示意圖2焊接電弧概念：電離的氣體所產(chǎn)生的強力的自持放電現(xiàn)象。電弧放電的特點：電壓低、電流大、溫度最高、發(fā)光最強。電弧廣泛應(yīng)用于焊接的原因：能有效而簡便地把電能轉(zhuǎn)換成焊接過程所需要的熱能和機械能，并且安全、能量足夠。二電弧中帶電粒子的產(chǎn)生

兩電極空間的氣體電離、電極的電子發(fā)射。（一）陰極的電子發(fā)射陰極電子發(fā)射在電弧導(dǎo)電過程中起著特別重要的作用：原因：陰極電子發(fā)射充當(dāng)了維持電弧導(dǎo)電的“原電子之源”。電子發(fā)射的基本概念

a.定義：陰極中的自由電子受到一定的外加能量作用時，從陰極表面逸出的過程稱為電子發(fā)射。

b.逸出功：電子從陰極表面逸出需要的最低外加能量。

C.逸出功的影響因素：

逸出功的大小受電極材料種類及表面狀態(tài)的影響。金屬與其氧化物的逸出功相比如何？有什么用？幾種常見金屬材料及其氧化物的逸出功2電子發(fā)射的種類型

熱發(fā)射、場致發(fā)射、光發(fā)射、粒子碰撞發(fā)射a.熱發(fā)射：陰極表面因受熱的作用而使其內(nèi)部的自由電子熱運動速度加大，動能增加，一部分電子動能達(dá)到或超逸出功時產(chǎn)生的電子發(fā)射現(xiàn)象稱為熱發(fā)射

條件：

金屬種類WFeAlCuKCaMg逸出功（eV）純金屬4.544.484.254.362.022.123.78金屬氧化物3.923.93.850.461.83.31注意:1）發(fā)射電子帶走能量而對金屬表面產(chǎn)生冷卻作用。２）熱陰極電弧：鎢、碳等電極沸點很高，可加熱到很高的溫度（大于3500K），主要靠熱發(fā)射來提供電子，稱為熱陰極電弧。３）冷陰極電?。河捎谑茈姌O沸點限制，溫度不可能太高，不能靠熱發(fā)射來提供足夠的電子，這種電弧稱為冷陰極電弧。b.電場發(fā)射：電極表面的電子受外電場的庫侖力的作用而產(chǎn)生的電子發(fā)射現(xiàn)象。外電場相當(dāng)于降低了電子的逸出功。

形成原因：低沸點材料作陰極時，熱發(fā)射能力較弱，不足以維持正常導(dǎo)電過程，在陰極區(qū)域形成正離子堆積，形成靜電場。c.光發(fā)射當(dāng)陰極表面受到光輻射作用時，陰極內(nèi)的自由電子能量達(dá)到一定程度而逸出陰極表面的現(xiàn)象稱為光發(fā)射。d.粒子碰撞發(fā)射：電弧中高速運動的粒子(主要是正離子)碰撞陰極時，把能量傳遞給陰極表面的電子，使電子能量增加而逸出陰極表面的現(xiàn)象。（二）氣體的電離1電離的概念：中性粒子當(dāng)處于高能量狀態(tài)時，其軌道上的電子脫離約束，分離成電子和離子，稱為電離。2電離能：概念：使電子脫離原子核束縛所需的能量稱為電離能。注意：1）氣體電離電壓的高低說明了該種氣體產(chǎn)生帶電粒子的難易。2）當(dāng)電弧空間同時存在電離電壓不同的幾種氣體時，如果電離電壓低的氣體供應(yīng)充足，則電弧空間的帶電粒子將主要由該種氣體產(chǎn)生。結(jié)果？3）激勵：當(dāng)中性氣體粒子受外加能量作用而不足以使其電離時，但可能使其內(nèi)部的電子從原來的能級躍遷到較高的能級，這種現(xiàn)象稱為激勵。３電離種類

熱電離

a.定義：氣體粒子受熱的作用，發(fā)生非彈性碰撞而產(chǎn)生電離的過程。b.電離度：單位體積內(nèi)電離的粒子數(shù)與氣體電離前粒子總數(shù)的比值，用X表示，具體計算公式如下：式中：X為電離度，P為氣壓，T為溫度，e為電子電量，ui為氣體電離電壓，k為玻爾茲曼常數(shù)，h為普朗克常數(shù)，me為電子質(zhì)量，其余見P13。電弧中帶電粒子數(shù)的多少對電弧的穩(wěn)定起著重要作用。注意：（1）理論和實際都證明：混合氣體電離電壓主要取決于電離電壓低的氣體，即使該種氣體只占較小的比例。改善電弧穩(wěn)定性的措施。（2）熱電離是弧柱部分產(chǎn)生帶電粒子最主要的途徑。電弧弧柱溫度高：5000～30000K。c.熱解離：電弧中的多原子氣體由于熱的作用將分解成原子，這種現(xiàn)象稱為熱解離。熱解離是吸熱反應(yīng)，因此熱解離影響著帶電粒子的產(chǎn)生，還影響著電弧的電和熱性能。２）電場作用下的電離

a.定義：在兩電極間的電場作用下，氣體中的帶電粒子被加速，電能將轉(zhuǎn)換為帶電粒子的動能。當(dāng)帶電粒子的動能增加到一定數(shù)值時，則可能與中性粒子發(fā)生非彈性碰撞而使之產(chǎn)生電離。b.電場作用下的電離主要是電子與中性粒子的碰撞產(chǎn)生。原因如下：①電子自由行程比離子大４倍左右，因此獲能多，速度大。②電子與中性粒子碰撞，幾乎可以把其全部能量傳遞給中性粒子。注意：電場作用下的電離只有在陰極壓降區(qū)和陽極壓降區(qū)才顯著，弧柱部分由于電場強度小，電子在平均的自由行程下所獲得的動能小，因此在弧柱區(qū)熱電離是主要形式。３）光電離a.定義：中性氣體粒子受到光輻射的作用而產(chǎn)生的電離過程稱為光電離。b.電離條件：

焊接電弧的光輻射只能對K、Na、Ca、A1等金屬蒸氣可能直接引起光電離，而對其它氣體則不能，因此，光電離只是電弧中產(chǎn)生帶電粒子的一種次要途徑。帶電粒子產(chǎn)生小結(jié)電子發(fā)射：熱發(fā)射：電場發(fā)射：光發(fā)射：電離：熱電離：主要，在弧柱區(qū)和兩極區(qū)；場電離：次要，在陰極區(qū)和陽極區(qū)；原因：電場強度：弧柱：10V/cm;陰極區(qū)和陽極區(qū)：105～107V/cm光電離：再次之。熱解離：吸熱對電弧有冷卻作用。

（1）發(fā)射電子，對陰極有冷卻作用（2）熱發(fā)射、電場發(fā)射同時存在，電場發(fā)射出現(xiàn)的條件：熱發(fā)射不足以維持導(dǎo)電過程，形成正離子堆積。（三）帶電粒子的擴(kuò)散與復(fù)合1帶電粒子的擴(kuò)散：電弧空間中如果帶電粒子的分布不均勻，則帶電粒子將從密度高的地方向密度低的地方遷移而使密度趨于均勻；危害：使弧柱中心帶電粒子數(shù)減少，還將中心的一部分熱量帶到電弧周邊，影響導(dǎo)電。2復(fù)合：電弧空間的正負(fù)帶電粒子(正離子、負(fù)離子、電子)在一定條件下相遇而結(jié)合成中性粒子的過程。負(fù)離子的產(chǎn)生：

在一定條件下，有些中性原子或分子能吸附電子而形成負(fù)離子；由于電弧周邊溫度較低，因而中性粒子易與從電弧中心擴(kuò)散出來的動能較低的電子相遇而形成負(fù)離子。

上述所有行為都是對導(dǎo)電過程不利的。

三焊接電弧各區(qū)域的導(dǎo)電機構(gòu)

（1）電弧由弧柱區(qū)、陰極區(qū)、陽極區(qū)構(gòu)成，但并不是任何電弧都包含三個部分。（2）弧柱區(qū)長，但壓降不高；Why?陰極區(qū)、陽極區(qū)短，但壓降大，結(jié)果：陰極區(qū)、陽極區(qū)的電流密度很高。Why?

（一）弧柱區(qū)的導(dǎo)電特點弧柱的功能：

1)在熱電離的作用下產(chǎn)生電子和正離子，形成電子流和正離子流，保證弧柱的導(dǎo)電。

2）通過熱電離，產(chǎn)生帶電粒子，補充因擴(kuò)散和復(fù)合而消失的帶電粒子，使弧柱始終處于動平衡狀態(tài)，呈電中性。具有上述功能的原因：弧柱的溫度很高（大約在5000～50000K之間）；由于正離子和電子的空間密度相同，兩者的總電荷量近似相等，所以宏觀上看弧柱近似呈電中性。焊接電弧具有低電壓、大電流的特點。（展開：電弧構(gòu)成中弧柱為主）3導(dǎo)電機構(gòu)：熱電離產(chǎn)生電子和正離子，形成電子流和正離子流，但電流主要是電子流（99.9%），而正離子流所占比例很小。原因？（二）陰極區(qū)的導(dǎo)電機構(gòu)

該區(qū)任務(wù)：向弧柱提供電子流和接收來自弧柱的正離子流。1．熱發(fā)射型

產(chǎn)生條件：當(dāng)采用熱陰極材料（高熔點、沸點材料如鎢、碳）且使用較大電流時。特點：幾乎不存在陰極區(qū)，陰極區(qū)不收縮；不存在陰極斑點；在大電流TIG焊時這種熱發(fā)射型導(dǎo)電占主導(dǎo)地位。2．電場發(fā)射型１）產(chǎn)生條件：當(dāng)采用冷陰極（低熔點、沸點材料如鋁、鐵、銅等）或雖然采用熱陰極但使用較小電流時。

原因：熱發(fā)射不足，正電荷過剩堆積而形成較強的正電場，并使陰極與弧柱之間形成一個正電性區(qū)——陰極區(qū)。２）特點：存在陰極區(qū)；存在陰極斑點；在小電流鎢極氬弧焊和熔化極氣保焊時，這種場致發(fā)射型導(dǎo)電起主要作用。

在采用冷陰極或雖然采用熱陰極但使用較小電流的情況下，實際上是熱發(fā)射型和場致發(fā)射型兩種陰極導(dǎo)電形式并存，而且相互補充和自動調(diào)節(jié)。3.在陰極區(qū)中形成局部等離子體陰極，并產(chǎn)生熱電離。當(dāng)陰極表面的熱電子發(fā)射量很低時，正離子堆積區(qū)擴(kuò)大，陽離子被加速，碰撞陰極和陰極區(qū)中性粒子，形成碰撞發(fā)射和熱電離，向弧柱提供電子。特點：陰極附近有球形的高亮度區(qū)。（三）陽極區(qū)的導(dǎo)電特性

任務(wù)：接收電子，提供正離子。陽極區(qū)的場致電離

１）形成原因：當(dāng)電弧電流較小時，陽極前面的電子堆積形成負(fù)電性區(qū)——陽極區(qū)。帶電粒子被加速，與中性粒子碰撞產(chǎn)生場致電離，直到這種電離生成的正離子能滿足弧柱需要時，陽極區(qū)才不再繼續(xù)增大，達(dá)到動態(tài)平衡。

２）特點：陽極區(qū)壓降較大；出現(xiàn)在小電流焊接時。２.陽極區(qū)的熱電離

１）形成原因：當(dāng)電弧電流較大時，陽極金屬產(chǎn)生蒸發(fā)，且溫度也大大提高。陽極區(qū)內(nèi)的電離方式將主要為金屬蒸氣的熱電離，為弧柱提供正離子流。

２）特點：陽極區(qū)的壓降較低；出現(xiàn)在大電流弧焊時。四電弧產(chǎn)熱及溫度分布（一）焊接電弧的產(chǎn)熱1弧柱的產(chǎn)熱一般電弧焊時，弧柱損失的熱能中對流損失約占80％以上，傳導(dǎo)與輻射損失約占10％左右，所以僅剩很少一部分能量通過輻射傳給焊絲和焊件。當(dāng)電流較大有等離子流產(chǎn)生時，等離子流可把弧柱一部分熱量帶給工件，從而增加焊件的熱量。電弧對陽極的熱輸入

陽極區(qū)與弧柱區(qū)相比，長度很短（10-5～10-6Cm)，且靠近電極或工件(由接線方法決定)，所以直接影響焊絲的熔化或工件的加熱。

構(gòu)成：（1）流入陽極的電子所攜帶的能量；（2）來自電弧等離子體的放射能；（3）電弧等離子體以傳導(dǎo)和對流形式提供的能量。

電子所攜帶的能量最重要，其余可以忽略。式中：IUA電子在陽極區(qū)加速獲得的能量、IUWA陽極物質(zhì)的功函數(shù)、IUT電弧等離子體中的電子所保有的能量。3電弧對陰極的熱輸入陰極區(qū)與弧柱區(qū)相比，長度很短（10-5～10-6Cm)，且靠近電極或工件(由接線方法決定)，所以直接影響焊絲的熔化或工件的加熱。電弧對陰極的熱輸入可以用下式表示：式中：f：電子流占全部電流的比例；UC陰極區(qū)壓降；Ui離子的電離電壓；UWC陰極物質(zhì)的功函數(shù)；UT電弧等離子體中的離子運動能量的等價電壓；PrC從電弧等離子體弧柱熱傳導(dǎo)來的熱量；PcC放射熱。４焊接電弧的熱效率焊接電弧一部分熱量因?qū)α?、輻射及傳?dǎo)等損失掉了。用于加熱、熔化填充材料及工件的電弧熱功率占總電弧功率的比例稱為熱效率系數(shù)，用η表示。

目前的測量方法有兩種（P21)，所得數(shù)據(jù)有較大差異，因此，只能是粗略估計。常用焊接方法的熱效率系數(shù)見P21表1.2。

５電弧的溫度電弧溫度的分布特點可從軸向和徑向兩個方面比較：軸向分布

陰極區(qū)和陽極區(qū)的溫度較低，弧柱溫度較高。原因：電極受材料沸點的限制，加熱溫度一般不能超過其沸點；而弧柱中的氣體或金屬蒸氣不受這一限制，且氣體介質(zhì)的導(dǎo)熱特性也不如金屬電極的導(dǎo)熱性好，熱量不易散失，故有較高的溫度。陰極、陽極的溫度則根據(jù)焊接方法的不同有所差別。

2)徑向分布電弧徑向溫度分布的特點是：弧柱軸線溫度最高，沿徑向由中心至周圍溫度逐漸降低。3）電弧溫度的測量（1）等離子的熱電離平衡粒子組成熱電離平衡粒子組成用P22的有關(guān)公式是可以計算的；計算結(jié)果可以用平衡狀態(tài)組成圖加以描述，P23圖1.11。（2）等離子體的電磁現(xiàn)象通過測量等離子體的放射出的輝光光譜的絕對強度和等離子的熱電離平衡粒子組成的計算，可以推算出等離子體的溫度。（3）GTA等離子體的溫度測量常用方法：利用等離子體放射電磁波的分光分析法來確定電弧溫度及其分布的影響因素：電弧電流、電極斑點、電弧長度、陽極材料、保護(hù)氣體、環(huán)境條件。P25五電弧壓力與等離子氣流電弧壓力的作用：影響焊件的熔深、熔滴過渡、熔池的攪拌、焊縫成形及液態(tài)金屬飛濺等，直接影響焊縫質(zhì)量。1）電磁收縮力（電弧靜壓力）a.兩根平行導(dǎo)線通電流，電流方向相同則相吸，相反則排斥。b.電弧導(dǎo)電空間是可收縮的c.流體中，某一點各方向的受力一樣。d.電極端直徑小，焊件端直徑大,電弧呈錐狀。由以上推出，焊接電弧電磁收縮力由小截面指向大截面，產(chǎn)生由電極指向工件的推力（電弧靜壓力）：注意：由于電流密度是不均勻的，電弧中心軸上的壓力高于周邊壓力。2Ra2Rb2）電弧動壓力電弧動壓力又稱等離子流力：電弧靜壓力把靠近電極處的高溫氣體推向焊件方向，并不斷的補充氣體，被加熱和部分電離后推向工件表面形成附加的壓力。等離子流產(chǎn)生的動壓力在電弧中心線上最強。電流越大，中心線上的動壓力幅值越大，而分布的區(qū)間越小。

電弧等離子氣流的產(chǎn)生熔池輪廓主要由電磁靜壓力決定時的焊縫形狀見圖a；而主要由電磁動壓力決定時的指狀熔深焊縫見圖b（當(dāng)TIG焊鎢極錐角較小、電流較大時，或熔化極氬弧焊采用射流過渡工藝時）3）斑點力

（1）帶電粒子的沖擊；（2）電磁收縮力；（3）電極材料蒸發(fā)的反作用力。陰極斑點力比陽極斑點力強；斑點力總是阻礙熔滴過渡的作用力

4）熔滴過渡的沖擊力與等離子流力和電磁收縮力一起形成指狀熔深。5）短路爆破力

短路過渡時，金屬液柱頸縮爆斷；電弧熄弧后復(fù)燃時電弧空間氣體突然受高溫作用而急劇膨脹，局部壓力驟然升高，對熔池和焊絲端頭的液態(tài)金屬形成較大沖擊力。斑點的電磁收縮力6）電弧力的主要影響因素

（1）氣體介質(zhì)：（多原子氣體分解吸熱，收縮）（2）電弧電流：電弧電流增大，電磁收縮力和等離子流力都增加。（3）電弧電壓：電弧電流一定，電弧長度增加引起電弧電壓升高，則電弧力減小。力減小后果？（4）焊絲直徑：焊接電流一定時，焊絲越細(xì)，則電磁力和等離子流力越大。（5）電極(焊條、焊絲)的極性：通常情況下陰極導(dǎo)電區(qū)的收縮程度比陽極區(qū)大，因此鎢極氬弧焊正接時，可形成錐度較大的電弧，產(chǎn)生較大的電弧力。熔化極氣體保護(hù)焊采用直流正接時，熔滴受到較大的斑點壓力，過渡時受到阻礙，電弧力較??；反之，直流反接時，電弧力較大。（6）鎢極端部形狀：（7）電流的脈動：

六直流電弧與交流電?。ㄒ唬┲绷麟娀《x:電弧極性不發(fā)生變化的電弧。特點：穩(wěn)定性好。分類：恒定電流下的直流電弧和變動電流下的直流電弧。恒定電流下的直流電?。汉附与娏髟谡麄€焊接過程中不發(fā)生變化（不包括人為的數(shù)值調(diào)節(jié)）。變動電流下的直流電?。汉附与娏靼凑招枰O(shè)計并通過電源輸出實現(xiàn)。如各種脈沖焊、波形控制CO2電弧焊。（二）交流電弧1燃燒過程電阻負(fù)載2感性負(fù)載概念：再引燃電壓和引燃電壓注意:（1）當(dāng)電感L越大，θ也越大，從而使得電流為0時的反向空載電壓越高，電弧再引燃容易，因此，對于一定的電流I，電感有一個最小值。（2）電弧是一個純電阻負(fù)載，只不過其電阻值不是一個常數(shù)IUu0iufIUUfu0iθUyh2交流電弧的特點1）電壓是連續(xù)的，電流是斷續(xù)的；為了讓電弧穩(wěn)定，必須加一個合適的電感。2）存在一個再引燃電壓，它越高，表明電弧在每一個半波引燃越晚。3）電弧對焊絲和母材的熱作用是變化的，交流TIG焊時的許用電流、電極工作條件及熔深情況見P33表1-3。4）交流電弧的電流和電壓是變化的，因此，電弧直徑時漲時縮，保護(hù)性差。5）對熔池和熔滴的作用力是變化的。應(yīng)用（存在那么致命問題，為什么還一直有應(yīng)用呢？）1）普通焊條電弧焊：應(yīng)用廣泛，焊接設(shè)備成本低。2）非熔化極電弧焊（TIG焊接、等離子弧焊接）：有陰極清理作用且有利于保護(hù)電極。4交流電弧穩(wěn)定燃燒的條件（焊機設(shè)計要求：空載電壓>某值？）以上各參數(shù)的含義為：Uyh：引燃電壓；Uf：電弧電壓；U0：電源空載電壓。5影響交流電弧穩(wěn)定燃燒的因素和提高電弧穩(wěn)定性的措施1）空載電壓；2）引燃電壓Uyh3）電路參數(shù)ωL/R增加，穩(wěn)定；4）電弧電流5）頻率；6）電極的熱物理性能及尺寸。交流電弧的功率和功率因素（1）功率定義：在半個周期內(nèi)的平均功率，又稱有功功率。表達(dá)式：由于電流和電壓為非正弦波，不能按正弦計算，而引燃電壓同電弧電壓比不大，且存在時間短，因此焊接電弧電壓可用矩形波代替，得到公式如下：當(dāng)K=0.4以后，Pf

增加減緩，當(dāng)K=0.637以后Pf開始減小，因此，K最好在0.4與0.637之間，即要求：（2）功率因素（擴(kuò)展講：電源為什么要求功率因素？）定義：電弧的有功功率與電弧電壓和電流有效值乘積之比。表達(dá)式：λf表明電弧電壓與電流波形畸變所帶來的影響?？捎孟率奖硎荆?.2焊接電弧特性焊接電弧的靜特性（補充幾個特性概念）1電弧靜特性曲線變化特征1）電弧靜特性：電弧穩(wěn)定燃燒的情況下，穩(wěn)態(tài)的焊接電流與電壓之間的關(guān)系。2）電弧靜特性曲線：IUBAC3）靜特性曲線成因電弧形態(tài)、所處環(huán)境、電弧產(chǎn)熱與散熱的平衡。A區(qū)：下降特性區(qū)（負(fù)阻特性區(qū)）陰極：電流增加，發(fā)射電子能力增強，陰極區(qū)壓降UC降低。陽極：電流增加，陽極蒸發(fā)量增加，陽極區(qū)壓降UA降低?；≈弘娏髋c電弧截面積成比例增加，電流密度不變產(chǎn)熱是散熱的兩倍；電弧溫度增加，電離度增加，電壓降低。B區(qū)：平特性區(qū)電流增加，等離子氣流使散熱增加，電壓不變，保持產(chǎn)熱散熱平衡。C區(qū)：上升特性區(qū)蒸汽與等離子流散熱進(jìn)一步加強，導(dǎo)電率降低，電壓增加；由于電弧自身磁場的作用，電弧面積不能與電流成比例增加，從而電流密度增加。電壓增加。4）常用焊接方法的電弧靜特性曲線形狀GTA焊接：表現(xiàn)出三個特性區(qū)段。手工焊、埋弧焊（焊絲直徑大于3mm）：下降與平特性。GMA焊接：上升特性注意：電弧特性區(qū)由產(chǎn)熱、散熱確定，非電流密度。如埋弧焊與GMA比，埋弧焊的電流密度很高！影響電弧靜特性曲線的因素1）電弧長度增加，靜特性曲線上升2）保護(hù)氣體成分：氣體電離能；氣體導(dǎo)熱系數(shù)；解離度及解離熱。3）周圍氣體介質(zhì)壓力越大，冷卻越強，曲線上升。4）電極條件：形狀、材料、接性。5）母材情況：熱導(dǎo)率、板厚等。6）保護(hù)氣體流量、環(huán)境溫度、焊接電流形式。注意：電弧電壓隨電弧長度的增加而增加，但不一定是線性關(guān)系，在弧長自動控制中常常通過檢測焊接電壓、焊接電流來判斷電弧長度，實現(xiàn)弧長的自動控制。焊接電弧動特性電弧動特性：變化狀態(tài)的焊接電流與電壓之間的關(guān)系。直流電弧的動特性直流脈沖、高頻電流、脈動電流。（對下降特性如下圖，對上升特性見教材P38、39圖1.45、1.46），熱慣性問題：電流變化越快，動特性曲線如何變化？I逐步增加I逐步減小IUBA電弧靜特性曲線交流電弧的動特性交流電弧情況下，電弧的狀態(tài)時刻在變化：等離子體的溫度、導(dǎo)電率、陰極壓降區(qū)的狀態(tài)、極性等。

注意：在極性變化時，必須加以高壓（原因：如由陽極轉(zhuǎn)變?yōu)殛帢O，由接收電子轉(zhuǎn)為發(fā)射電子）tuiuiRTQPuiRTQP三陰極斑點、陽極斑點（第四講開始）1．陰極斑點1）定義：在陰極上電流集中，電流密度很高，發(fā)出爍亮光輝的點。2）形成條件：電弧通過該點消耗的能量最低；該點具備發(fā)射電子的條件。3）特點：電流密度很高（105～107A/cm2）；有所謂的“粘著性”：斑點不能沿陰極表面連續(xù)移動，而是跳動；具有自動尋找氧化物的能力。4）出現(xiàn)條件：高熔點材料作陰極且電流很小時；所有的低熔點材料作陰極。

陰極斑點的形成一般情況下對焊接不利。2.陽極斑點陽極接受電子，陽極區(qū)提供正離子，而陽極本身不能發(fā)射正離子，只有靠陽極區(qū)電離產(chǎn)生。1）定義：在陽極上電流集中，電流密度很高，發(fā)出爍亮光輝的點。2）形成條件：電弧通過該點消耗的能量最低；該點有金屬蒸發(fā)。3）特點：電流密度很高（102～103A/cm2）；有所謂的“粘著性”：斑點不能沿陽極表面連續(xù)移動，而是跳動；具有自動尋找純金屬的能力。4）出現(xiàn)條件：低熔點材料作陽極。電弧的陰極清理作用1定義：惰性氣體中的電弧在以金屬板（絲）作為陰極的情況下，陰極斑點在金屬板（絲）上掃動，除去金屬表面上的氧化膜，使其露出清潔金屬表面。2原因：１）直流反接時，陰極斑點自動尋找氧化膜；２）陰極斑點能量密度高，有利于氧化膜的加熱與分解。３）陰極斑點上受到質(zhì)量大的正離子的撞擊，使氧化膜破碎。3直流反接才有陰極清理作用，該接法的問題：１）此時W極為陽極，獲得能量，燒損快。原因？２）許用電流小，焊接效率低。五最小電壓原理內(nèi)容：在給定電流與周圍條件(如氣體介質(zhì)種類、溫度、壓力等)一定的情況下，電弧穩(wěn)定燃燒時，其半徑（或溫度）應(yīng)使電弧電場強度（E）具有最小的值，即電弧具有能量消耗最小的特性。原因：電流和電弧周圍條件一定時，若電弧截面增大，電弧向周圍介質(zhì)散失的熱量增加，要求電弧產(chǎn)生更多的能量與之相平衡，即要求EI增加，即E增加；反之，若電弧截面減小，則在I一定的情況下，電流密度j必然增加，導(dǎo)致E增大。因此，電弧將自動確定—個截面，在這一截面下，使E最小，即消耗的能量最小。六電弧的挺直性與磁偏吹電弧的挺直性（沒有該特性，電弧就不能用于焊接）1）定義：電弧作為柔性導(dǎo)體具有抵抗外界干擾、力求保持焊接電流沿電極軸線方向流動的性能。2）原因：自身磁場的收縮作用。2電弧的磁偏吹在實際焊接中，由于多種因素的影響，電弧自身磁力線均勻分布的狀況被破壞，使電弧中的電荷受力不均勻，從而電弧偏離焊絲(條)軸線方向。1）導(dǎo)線接線位置引起的磁偏吹。2）電弧附近的鐵磁性物質(zhì)引起的磁偏吹。導(dǎo)線接線位置產(chǎn)生的磁偏吹電弧一側(cè)鐵磁物體引起的磁偏吹3）平行電弧之間

當(dāng)兩個平行電弧的電流方向相同時，相互之間產(chǎn)生吸引；當(dāng)電流方向相反時，相互之間產(chǎn)生排斥，如右圖所示。平行電弧間產(chǎn)生的磁偏吹a)同向電流：吸引b)反向電流：排斥※雙絲雙弧焊接時如何克服？※解決措施：相對于產(chǎn)生原因來講。3外加磁場對電弧的作用1）外加磁場的功能：

（1）控制電弧形態(tài)及運動（2）控制焊縫金屬的流動及結(jié)晶過程，改善焊縫成形及使晶粒細(xì)化，得到性能良好的焊縫。2）幾種外加磁場（1）外加橫向交變磁場：使電弧左右擺動（2）外加縱向磁場：增加電弧剛性1.3電弧焊中的保護(hù)氣電弧焊中保護(hù)氣體的作用：1）向電弧空間提供氣體介質(zhì)2）起保護(hù)作用：電弧、電極、熔滴、熔池及焊接高溫區(qū)。保護(hù)氣體的種類與純度不同的焊接方法使用的保護(hù)氣體1）GTAW方法：常用氬氣，特殊選He、He+Ar、Ar+H22）GMAW方法：單一氣體：Ar、CO2

；混合氣體：Ar+CO2、Ar+CO2+O2、CO2+O2

焊接方法ArAr+CO2或Ar+CO2CO2短路電弧焊不能用可用最佳潛弧電弧焊不能用不常用最佳噴射電弧焊最佳可用不能用脈沖電弧焊最佳可用不能用大電流電弧焊最佳可用不常用2不同的材料的焊接適合的保護(hù)氣體母材材質(zhì)保護(hù)氣體種類普通鋼CO2、CO2+（5～10）%O2、Ar+（10～50）%CO2低合金鋼Ar+（10～50）%CO2

、Ar+（1～5）%O2高合金鋼Ar、Ar+（1～5）%CO2、Ar+（1～2）%O2不銹鋼Ar+（1～5）%O2、Ar+（30～50）%He（為什么沒有CO2?)鋁合金Ar、Ar+（50～80）%He有色金屬銅合金Ar、Ar+（50～80）%He鈦合金Ar、Ar+（10～30）%He鎂合金Ar鎳合金Ar3保護(hù)氣體的純度1）CO2氣體的純度要求：CO2氣體體積分?jǐn)?shù)大于等于99.5%，水分小于0.005%。2）Ar氣的純度要求純度（體積分?jǐn)?shù)）>99.9%氧氣（體積分?jǐn)?shù)）<0.002%氫氣（體積分?jǐn)?shù)）<0.01%氮氣（體積分?jǐn)?shù)）<0.1%水分（質(zhì)量濃度mg/l）<0.002%二保護(hù)氣的分解及在金屬中的溶解保護(hù)氣體的分解氣體加熱要由多原子氣體解離為原子，分解要吸熱。在焊接金屬中的溶解1）兩種途徑：金屬中的氣體與氣相相同、金屬中的氣體與氣相不同。２）在金屬中的溶解的影響因素：（１）與金屬的存在狀態(tài)有關(guān)：液相高于固相。金屬凝固時溶解度變小，氣體來不及溢出形成氣孔。（２）溫度：溫度升高，溶解量增加。３）氣體溶解在焊接金屬中的危害及防止（１）危害：影響焊縫的機械性能；產(chǎn)生氣孔及非金屬夾雜。（２）防止：防止氣體進(jìn)入焊接區(qū)域：采用保護(hù)氣體；在焊劑、焊條中加入適當(dāng)?shù)拿撗鮿┘熬珶捨镔|(zhì)?；旌蠚怏w的選擇及應(yīng)用（一）問題的提出1使用純氬作為保護(hù)氣體焊接不銹鋼時存在的問題：1）液態(tài)金屬的粘度及表面張力大，易產(chǎn)生氣孔、焊縫金屬的潤濕性差，焊縫兩側(cè)易形成咬肉等缺陷。2）電弧陰極斑點不穩(wěn)定，產(chǎn)生陰極飄移現(xiàn)象，導(dǎo)致熔深及焊縫成形不規(guī)則。3）焊縫呈指狀熔深（蘑菇形），往往在焊縫底部產(chǎn)生氣孔及熔透不足等缺陷。2采用混合氣體能夠克服上述問題，并可達(dá)到如下效果：減少飛濺、提高電弧穩(wěn)定性、改善成形和熔深、提高電弧溫度、提高焊接生產(chǎn)率。（二）常用混合氣體1Ar+He1）特點：有電弧功率大、溫度高、熔深大（He傳熱系數(shù)大）。2）應(yīng)用：可用于焊接導(dǎo)熱性強、厚度大的有色金屬如鋁、鈦、鋯、鎳、銅及其合金。在焊接大厚度鋁及鋁合金時，可改善焊縫成形、減少氣孔及提高焊接生產(chǎn)率，He所占的比例隨著工件厚度的增加而增大。在焊接銅及合金時，He所占比例一般為50～70%。２Ar+H：焊接Ni及鎳基合金，抑制和消除CO氣孔。３Ar+N2優(yōu)點：與焊接銅采用Ar+He混合氣體比較，N2來源廣泛，價格便宜。缺點：焊接時有飛濺，外觀成形不如Ar+He保護(hù)時好。應(yīng)用：焊接成本低，氮(N2)與銅及銅合金不起化學(xué)作用，因而對于銅及銅合金，N2氣相當(dāng)于惰性氣體，因此可用于銅及其合金的焊接。N2是雙原子氣體，熱導(dǎo)率比Ar、He高，弧柱的電場強度亦較高，因此電弧熱功率和溫度可大大提高，焊銅時可降低或取消預(yù)熱溫度。４Ar+O2１）Ar+O2(１～5%)：用于焊接不銹鋼等高合金鋼及級別較高的高強鋼。加入１％，能克服陰極漂移，超過２％，接頭質(zhì)量下降。２）Ar+O2(可達(dá)２０%)：低碳鋼及低合金鋼。提高焊接生產(chǎn)效率，改善焊縫沖擊韌性。５A(chǔ)r+CO2常用于焊接碳鋼和低合金鋼。Ar+CO2(20%～30%)、Ar+15%CO2+5%O2，可提高熔滴過渡的穩(wěn)定性，改善焊縫熔深形狀和外觀成形，降低焊接成本。對于不銹鋼、高合金鋼等一般可用Ar+CO2(１～5%)，但不能超過5%，以減少不銹鋼的晶間腐蝕傾向，或降低高合金鋼的淬硬傾向，避免產(chǎn)生裂紋。

隨CO2含量增加，焊縫金屬沖擊韌性下降。Ar+15%CO2+5%O2

是焊接低碳鋼和低合金鋼最佳的保護(hù)氣體，焊縫成形、焊接接頭質(zhì)量、熔滴過渡、電弧穩(wěn)定性等都很滿意，詳見P52圖1.61。7CO2+O2特點：1）熔敷速度快，熔深大，焊接效率高。

2）焊縫金屬含H量低。

3）可采用強規(guī)范進(jìn)行焊接注意：1）氧氣的比例不能太高，<40%。

2）氧氣的純度大于99.5%，露點在-50℃以下。

3）必須采用強脫氧能力的焊絲。8T.I.M.E.焊接方法一種高效MAG焊方法。特點：１）四元混合氣體：0.5％O2、8％CO2、26.5%He、65%Ar。２）大干伸長（傳統(tǒng)10～15mm，T.I.M.E.20～35mm）和大送絲速度增加焊絲的熔敷率，提高２～３倍。傳統(tǒng)5～16m/min，T.I.M.E.0.5～50m/min）３）焊接質(zhì)量得到明顯改善，成本低。四保護(hù)氣氣流與保護(hù)效果1保護(hù)氣氣流噴嘴流出的氣體原理圖如下圖所示，分為兩層:近壁層流、中心紊流。1）近壁層流：氣體質(zhì)點間不相互干擾，該層起主要的保護(hù)作用，越厚則保持穩(wěn)定氣層的長度h越長，保護(hù)效果越好。2）中心紊流：氣體的流動狀態(tài)、流速、流體粘滯系數(shù)以及噴嘴直徑之間的關(guān)系可用雷諾公式表示：S為噴嘴內(nèi)孔面積；L為噴嘴的長度；Vg為氣體的平均流速；ν為氣體的動粘性系數(shù)；Re增大，層流長縮短，保護(hù)效果變差。氣體噴嘴氣流中心渦流環(huán)h層流層混合區(qū)保護(hù)效果的影響因素1）氣體流量：適當(dāng)值，過大過小都不好。2）噴嘴到工件的距離；3）