第一章焊接电弧及其电特性-欢迎进入山东大学材料科学与工程
电弧焊-基础知识
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（二）电子的发射
（2）场致发射
当阴极表面空间有强电场存在时，金属 电极内的电子在电场静电库仑力的作用下， 从电极表面飞出的现象称为场致发射。
冷阴极电弧正是主要依靠这种方式获得足 够的电子以维持电弧稳定燃烧的。
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（二）电子的发射
（3）光发射
当金属电极表面接受光辐射时，电极表面的 自由电子能量增加，当电子的能量达到一定值时 能飞出电极的表面，这种现象称为光发射。
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（一）气体的电离
（1）电离与激励
电离能通常以电子伏（eV）为单位， 1电子伏就是1个电子通过1V电位差的空间所 获得的能量，其数值为1.6×10-19J。为了便 于计算，常把以电子伏为单位的能量转换为 数值上相等的电压来处理，单位为伏（V）， 此电压称为电离电压。电弧气氛中常见气体 的电离电压如表1-1所示。
（1）热发射 金表面承受热作用而产生电子发射的现象称 为热发射。金属电极内部的自由电子受到热作用 以后，热运动加剧，动能增加，当自由电子的动 能大于该金属的电子逸出功时，就会从金属电极 表面飞出，参加电弧的导电过程。电子发射时从 金属电极表面带走能量，故能对金属产生冷却作 用。当电子被另外的同种金属表面接受时，将释 放能量，使金属表面加热。
二、焊接电弧的导电特性
其中，暗放电和辉光放电的电流较小，电 压较高，发热发光较弱，而电弧放电的电流最 大，电压最低，温度最高、发光最强。正是因 为电弧具有这样的特点，因此在工业中广泛用 来作为热源和光源，在焊接技术中成为一种不 可缺少的能源。 综上所述，从电弧的物理本质来看，它是一种 在具有一定电压的两电极之间的气体介质中所 产生的电流最大、电压最低、温度最高、发光 最强的自持放电现象。
第一章电弧焊基础知识
焊接电弧物理基础
4) Control of weld metallurgy；
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Metal joining approach：
1) Heating:
Break up the surface oxide Joint becomes plastic or fusion state molten pool crystal together weld bead Applied heating sources： Gas flame ；Arc heat；
molecules through chemical reaction and physical effect.
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Welding is one of the most widely applied joining process in the modern (advanced) manufacturing industry.
弧柱的温度一般在5000--50000K之间，而电场强度仅为10v ／cm左右，所以在弧柱区热电离是产生带电粒子的主要途 径，电场作用下的电离则是次要的。
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。
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3) 光电离 中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电
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。
与其他气体放电形式相比，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。
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第10章 金属连接成形的主要工艺
二次电离，雪崩
焊接方法知识点整理
焊接方法知识点整理第一章电弧物理基础1.电弧：在一定条件下通过两电极间气体的一种导电过程。
或一种气体放电现象。
2.等离子体态：由于电离气体整体行为表现为电中性，即电离气体内正负电荷数相等，所以称这种气体状态为等离子态。
焊接电弧本质是一种等离子体。
3.气体粒子的碰撞：弹性：气体粒子只产生动能的传递和再分配，碰撞后粒子动能之和不变。
非弹性：部分或全部转化为内能，如果此内能大于激励电压则粒子被激励，如果此能量大于电离电压时也产生电离。
只有非弹性碰撞才产生电离过程，为气体空间制造带电粒子。
4. 气体的电离：按是否需要外界电离源来维持放电，分为自持放电、非自持放电。
非自持放电：带电粒子由外界电离源所引起，呈暗放电状态，外界电离源取消后，放电立刻停止。
自持放电：当电流大于一定数值时，气体导电过程本身可以产生所需带电粒子，放电过程可以维持，成为自持放电。
自持放电区间：自持暗放电、辉光放电、电弧放电。
5. 电弧放电特点：1）电流密度大，2）阴极电压低，3）高温（非常适合焊接需要）6. 电离：在一定条件下，中性气体分子或原子分离为正离子或电子的现象称电离。
7. 第一电离能：使中性气体粒子失去第一个电子所需要的最低外加能量为第一电离能，eV 为单位。
8. 电离种类：热电离、电场电离、光电离。
热电离：高温下气体粒子受热作用，在热运动中相互碰撞产生的。
电场电离：带电粒子从电场中获得能量，通过碰撞而产生的电离过程。
光电离：中性粒子接受光辐射的作用而产生的电离现象。
9. 电子发射：热发射、电场发射、热发射、粒子碰撞发射。
电子发射：阴极表面的分子或原子，接受外界能量而释放自由电子到电弧空间的现象。
逸出功：产生电子发射需要的最低外加能量。
金属表面带有氧化物，逸出功小。
热发射：金属表面承受热作用，电子具有大于逸出功而产生电子发射的现象。
电场发射：金属表面温度不高，但存在强电场并在表面附近形成加大电位差时，金属内自由电子受库仑力，到一定程度时，阴极有较多电子发射出来，这种现象为电场发射，或自发射。
电弧特性
滑擦引弧
Electrode
（+）
Rubbing direction
接触引弧 电弧引燃 非接触引弧
短路引弧 Workpiece （-）
现 代 焊 接电 源 及 其 计 算 机 控 制
短路引燃电弧: 短路——空载——燃弧 接触——拉开——燃弧
弧焊电源 电能 接触 电阻热 金属熔化、蒸发
电能
电弧燃烧
弧长的影响：
弧长增加，弧柱长度增加，电弧电压提高；即电弧静特性曲线形状不变，但曲 线整体上移；这表明电弧电流一定时，电弧电压随弧长的增加而增加。
电极直径的影响：
主要影响阴极斑点面积 SK 和弧柱截 面SC；电极直径减小， SK、 SC减小，则 曲线整体左移；同理，电极直径增大，电 弧静特性曲线则将向电流增加的方向移动 （向右移动）。
A 段：电弧电压随电流的增加而下降，是下降特性段（负阻区）。 B 段：呈等压特性，即电弧电压 不随电流的变化而变化，是平特 性段（零阻区） C 段：电弧电压随电流的增加 而上升，是上升特性段（正阻 区）
电弧静特性曲线 U/V
A
B
C
Uf
I/A
现代焊接电源及其计算机控制
焊接电弧静特性曲线的构成
U U U U f A C K
高压脉冲引弧波形
电能
电弧燃烧
电能
不接触、高电压 工件与钨极 距离2-4mm 左右
碰撞电离、发射
场致发射
电弧引燃
应用场合:钨极氩弧焊和等离子弧焊。
现代焊接电源及其计算机控制
2.2 焊接电弧的结构以及伏安特性
一、焊接电弧的结构以及压降分布
三个区域：阳极区、阴极区、弧柱区
总的电弧电压：
焊接工艺学
焊接工艺学第一章焊接电弧1.什么叫焊接电弧？电弧是两电极之间或电极与母材之间的气体介质中产生强烈而持久的放电现象2.最小电压原理在电流和周围条件一定的情况下，稳定燃烧的电弧将自动选择一个适当的断面，以保证电弧的电场强度具有最小的数值，即在固定弧长上的电压最小。
这意味着电弧总是保持最小的能量消耗。
3.电离电子发射电弧放电两个最基本物理现象气体介质的电离和电极的电子发射4.电离种类1）热电离气体粒子受热的作用而产生的电离称热电离。
其实质是气体粒子由于受热而产生高速运动和相互之间激烈碰撞而产生的一种电离。
根据气体分子运动理论可知，气体的温度高低意味着气体粒子（包括中性粒子、电子和离子）总体动能的大小，亦即气体粒子平均运动速度的快慢。
2）场致电离当气体中有电场作用时，气体中的带电粒子被加速，电能被转换为带电粒子的动能，当其动能增加到一定程度时，能与中性粒子产生非弹性碰撞，使之电离，这种电离称为场致电离。
3）光电离中性粒子接受光辐射的作用而产生的电离现象称为光电离。
不是所有的光辐射都可以引发电离，气体都存在一个能产生光电离的临界波长，气体的电离电压不同，其临界波长也不同，只有当接受的光辐射波长小于临界波长时，中性气体粒子才可能被直接电离。
5.电子发射种类根据外加能量的不同，电子发射可分为：（1）热发射：金属表面承受热作用而产生电子发射的现象称为热发射。
（2）场致发射：当阴极表面空间有强电场存在时，金属电极内的电子在电场静电库仑力的作用下，从电极表面飞出的现象称为场致发射（自发射）。
（3）光发射：当金属电极表面接受光辐射时，电极表面的自由电子能量增加，当电子的能量达到一定值时能飞出电极的表面，这种现象称为光发射。
（4）粒子碰撞发射：高速运动的粒子（电子或正离子）碰撞金属电极表面时，将能量传给电极表面的电子，使电子能量增加并飞出电极表面，这种现象称为粒子的碰撞发射。
6.阳极区导电机构电弧燃烧时，阳极区的任务主要是接受来自弧柱占总电流 99.9% 的电子流，同时还要向弧柱区发送约占总电流 0.1% 的正离子流。
绪论第一二三章 弧焊电源与数字化控制
射，重粒子碰撞发射和强电场作用下的自发射等。
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第一章
焊接电弧及其电特性
1.1 焊接电弧的物理本质和引燃
• 焊接电弧的引燃
图1-1 引弧过程电压、电流变化曲线图
a) 接触引弧
b) 非接触引弧
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U0- 空载电压 Uf- 电弧电压 if- 电弧电流
应用：它可作各种弧焊的电源
ZX7-160 375×155×24 0 8kg
ZX7-400 300×530×560 36kg
芬兰肯比逆变焊机
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绪 论 － 弧 焊 电 源 的 分 类
（三）脉冲弧焊电源
原理：焊接电流以低频调制脉冲方式输出 优点：具有效率高，输入线能量较小，可在较宽范围内控制线
能量等优点 应用：它主要用作气体保护焊和等离子弧焊以及手工弧焊的电 源，适用于热敏感性大的高合金材料、薄板和全位置焊接等场合
一个数字：西方工业国家，钢产量的50~60%需要焊接
中国2001年，钢产量1.3亿吨，4000万吨需要焊接
焊 电 源
2.电弧焊是第一大类焊接方法,占70%-90%
熔化焊接、固相焊接和钎焊
3.弧焊电源是弧焊设备的主体
电源、控制箱、焊接小车、送丝机、焊枪、气路水路
5
焊接的基本原理
焊接的物理化学过程
采用施加外部能量的方法，促使分 离材料的原子接近、形成原子键结合， 同时去除一切阻碍原子键结合的一切表 面膜和吸附层，以形成一个优质的焊接 接头。
柴(汽)油机驱动直流弧焊发电机
AX1-500型直流弧焊发电机 11
绪 论 － 弧 焊 电 源 的 分 类
2.弧焊整流器(目前主流产品) 原理：交流电经整流装置获得直流电的弧焊电源。一般由初、
焊接电弧及其电特性
由原子形成正离子所需要的能量称为电离能 由原子形成正离子所需要的能量称为电离能
2.气体原子的电离 (1)撞击电离:在电场中,被加速的带电质点(电子,离子) 撞击电离: 电场中 被加速的带电质点(电子,离子) 和中性质点(原子)碰撞后发生的电离. 和中性质点(原子)碰撞后发生的电离. (2)热电离:在高温下,具有高动能的气体原子(或分子)互 热电离: 高温下 具有高动能的气体原子(或分子) 相碰撞而引起的电离. 相碰撞而引起的电离. (3)光电离:气体原子(或分子)吸收了光射线的光子能而产 光电离:气体原子(或分子)吸收了光射线的光子能而产 光子能 生的电离. 生的电离. 常见气体及元素的电离能E 常见气体及元素的电离能EL(eV)
第二节
焊接电弧的结构以及伏安特性
弧柱区
一,焊接电弧的结构以及压降分布
三个区域: 三个区域:阳极区 阴极区
阴极区:长度极短10 电压较大, 阴极区:长度极短10-510-6cm ,电压较大,E电场强度极高 阳极区:长度也极短10 电压较大, 阳极区:长度也极短10-210-4cm ,电压较大,E极高 弧柱区:长度基本上等于电弧长度, 弧柱区:长度基本上等于电弧长度,E较小
Ⅰ Ⅱ
Ⅲ
Uf
影响电弧静特性的因素: 影响电弧静特性的因素: 电弧长度
Ua
L2 >L1 L2 L1 电弧长度对电弧静特性的影响
周围气体种类
焊接电弧静特性的应用 对于不同的焊接方法,电弧静特性曲线有所不同. 对于不同的焊接方法,电弧静特性曲线有所不同.静特性下 降段电弧燃烧不稳定而很少采用. 降段电弧燃烧不稳定而很少采用. 焊条电弧焊,埋弧焊多半工作在静特性水平段. 焊条电弧焊,埋弧焊多半工作在静特性水平段. 水平段 熔化极气体保护焊,微束等离子弧焊, 熔化极气体保护焊,微束等离子弧焊,等离子弧焊也多半工 作在水平段,当焊接电流很大时才工作在上升段. 作在水平段,当焊接电流很大时才工作在上升段. 水平段 上升段 熔化极气体保护焊和水下焊接基本上工作在上升段. 熔化极气体保护焊和水下焊接基本上工作在上升段. 上升段
焊接电弧特性
§1.2 焊接电弧特性电弧特性是指电弧在导电行为方面表现出的一些特征，其中的电弧电特性与电弧热平衡、电弧稳定性等有很深的联系，是很重要的事项。
焊接电弧静特性焊接电弧动特性阴极斑点和阳极斑点电弧的阴极清理作用最小电压原理电弧的挺直性与磁偏吹1. 焊接电弧静特性1）电弧静特性曲线变化特征（与金属电阻对应理解）电弧的电流·电压特性左图概念性示出稳定状态下焊接电弧的电流·电压特性，称作电弧静特性曲线。
静特性曲线是在①某一电弧长度数值下，在②稳定的保护气流量和③电极条件下（还应包括其他稳定条件），改变电弧电流数值，在电弧达到稳定燃烧状态时所对应的电弧电压曲线。
呈现3个区段的变化特点下降特性区（负阻特性区）平特性区上升特性区3个特性区域的特点是由于电弧自身性质所确定的，主要和电弧自身形态、所处环境、电弧产热与散热平衡等有关在小电流区：电弧电压随电流的增大而减小，呈现负阻特性。
原因如下：电流小时，电弧热量低，导电性差，需要较高的电场推导电荷运动；电弧极区（特别是阴极区），温度低，提供电子能力差，会形成较强的极区电场；电流增大：电弧中产生和运动等量的电荷不再需要更高的电场；电弧自身性质具有保持热量动态平衡的能力当电流稍大时：焊条金属将产生金属蒸气的发射和粒子流。
消耗能量，故E不用降低当电流进一步增大时，金属蒸气的发射和等离子流的冷却作用进一步增强，同时由于电磁收缩力的作用，电弧断面不能随电流的增加而成比例的增加，电弧电压降升高，电弧静特性呈正特性。
埋弧焊电弧静特性曲线埋弧焊电弧的散热损失小，且电弧中基本没有GTA、GMA那样的等离子流存在，采用粗焊丝大电流，电弧特性呈下降趋势。
电弧特性反应了电弧的导电性能和变化特征，电弧种发生的许多现象都与静特性有关，也可以用于对比解释各种电弧焊方法的差别③电极条件非熔化电极情况下，电极成分对电弧电压会有一定程度的影响④母材情况母材热导率影响所形成的熔池大小以及母材热输入量中散失热量的快慢，对电流产生间接的冷却作用。
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研究意义：弧焊电源是电弧能量的供应者，其电特性影响 到电弧燃烧的稳定性，从而直接影响到焊缝的质量。 焊接电弧：在电极与工件之间的气体中，产生持久、强烈的自
持放电现象。 特性：电压低、电流大、温度高、发光强。
要使两电极之间的气体导电必须具备两个条件： (1) 两电极之间有带电粒子 (2) 两电极之间有电场
a) 气体放电
b)金属导电
非自持放电：气体导电所需要的带电粒子不能通过导电过程本身产生， 而需要外加措施来产生带电粒子（加热、施加一定能量的光子等等）。
自持放电：当电流大于一定值时，一旦放电开始，气体导电过程本身就 可以产生维持导电所需要的带电粒子。
电弧是低压、大电流、产生高温、强光的一种自持气 体放电现象
U
焊条电弧焊
细丝
a
小电流 钨极氩
埋弧焊、 不熔化 极气体 保护焊、
熔化 极气 体保 护焊
弧焊
微束等 离子弧 焊
等离 子弧 焊、 水下
焊 Ia
手工焊
埋弧焊
CO2气体保护焊 氩弧焊
(二)、焊接电弧的动特性
焊接电弧的动特性，是指在一定弧长下，当电弧电流很快变化 时，电弧电压和电流之间的关系：Uf=f(if)，由于热惯性对电离 度的影响，焊接电弧的动特性曲线不同于静特性曲线特性
阴极区：长度极短10-510-6cm 、电压较大、E电场强度极高 阳极区：长度也极短10-210-4cm 、电压较大、E极高 弧柱区：长度基本上等于电弧长度，E较小
二．焊接电弧的电特性
(一)、焊接电弧的静特性 在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧时， 焊接电流和电弧电压变化的关系，又称伏安特性。 Ⅰ段：电弧电压随电流的增加而下降，是下降特性段
维持了电弧所需要的电场、产生了大量的光和热， 以及带电粒子的运动，包括热运动和电场定向运动 的动能。 3.作用结果：引起电极表面电子发射，导致气体原子的激发、电 离，从而维持了电弧的气体放电。 4.复合过程：同时存在正离子和电子复合成中性原子，以及原 子、分子吸附电子复合成负离子的过程。
． 二 焊接电弧的引燃
第三节 交流电弧
一、交流电弧的特性 1、电弧周期性地引燃和熄灭 2、电弧电压和电流发生畸变 3、热惯性作用较为明显
二、交流电弧连续燃烧的条件
1、纯电阻电路
平衡方程 U m sin t uh ih R
一．气体原子的激发、电离和电子发射
1．气体原子的激发
+
激发
-
气体原子得到外 加能量电子从低 能级跃迁到高能 级，这时原子处 于“激发”状态
电离 电子完全脱离原
- 子核的束缚形成
自由电子的过程 程称为“电离”
由原子形成正离子所需要的能量称为电离能
2．气体原子的电离
（1）撞击电离：在电场中，被加速的带电质点（电子、离子） 和中性质点（原子）碰撞后发生的电离。 （2）热电离：在高温下，具有高动能的气体原子（或分子）互 相碰撞而引起的电离。 （3）光电离：气体原子（或分子）吸收了光射线的光子能而产 生的电离。
Ⅱ段：呈等压特性，即 电弧电压不随电流的变 化而变化，是平特性段
Ⅲ段：电弧电压随电流的 增加而上升，是上升特性 段
弧柱区电压
UZ
I f RZ
If
lZ
SZ Z
jZ
lZ
Z
下降段:负阻特性区,电流增加，弧柱截面积更快增加，电流密度jZ下
降；电弧温度增加，电离Байду номын сангаас增加，γZ增加，电弧电压下降，呈现下
降特性。
压引弧和高压脉冲引弧。前者是在工频电源的半波时间内振 荡一小段时间，频率为150-250kHz,电压峰值20003000V,后者每半波产生一个3000-5000V的高压脉冲。
应用场合:钨极氩弧焊和等离子弧焊。
第二节 焊接电弧的结构以及伏安特性
一、焊接电弧的结构以及压降分布
三个区域：阳极区 阴极区 弧柱区
电流快速减小时，由于电 弧电离度较高，电弧电压 低于静态值，V-A特性曲 线地于静特性曲线。
电流快速增加时，由于电弧电离 度较低，电弧电压高于静态值， V-A特性曲线高于静特性曲线。
电流增加过程中，动态性曲线上的电弧电压比静特性曲 线上的电弧电压值高；电流下降时，每一瞬间电弧电压 低于静特性曲线。 电流变化速度愈小，静、动特性曲线就愈接近。
平直段:平特性区,电流增加，If和Sf成比例增加，电流密度Jz ，电
导率γZ不变，电弧电压不变，呈现平特性。
上升段: 电流增加，电弧面积不 Uf 再增加，从而电流密度增加，而 电离度已达饱和，电导率基本不 变，从而岁电流增加，电弧电压 增加，呈现上升特性。
Ⅰ Ⅱ
Ⅲ Uf If
影响电弧静特性的因素： 电弧长度
（3）重粒子撞击发射 能量大的重粒子撞击到阴极上， 引起电子的逸出。
（4）自发射 固态或者液态物质表面存在强电场，使阴极 有较多的电子发射出来，又称为场强发射。
常见材料的逸出功 复合电极材料的逸出功
总结：
1.焊接电弧是气体放电的一种形式 2.能量来源：焊接电源提供了空载以及焊接电压、电流，形成和
U a
L2 >L1 L2
L1
电弧长度对电弧静特性的影响
周围气体种类
焊接电弧静特性的应用 对于不同的焊接方法，电弧静特性曲线有所不同。静特性下降
段电弧燃烧不稳定而很少采用。 焊条电弧焊、埋弧焊多半工作在静特性水平段。 熔化极气体保护焊、微束等离子弧焊、等离子弧焊也多半工作
在水平段，当焊接电流很大时才工作在上升段。 熔化极气体保护焊和水下焊接基本上工作在上升段。
（一）接触引弧 接触点面积小，电流密度大，发热，熔化，汽化，引起热
发射以及热电离，拉开时发生强场发射，带电质点被加速，碰 撞，引起撞击电离，并进一步引起光电离和热电离从而维持电 弧的稳定燃烧。
应用场合： 焊条电弧焊 熔化极气体保护焊
（二）非接触引弧 用高电压击穿间隙使电弧引燃。引弧器有两种，高频高
常见气体及元素的电离能EL(eV)
3. 电子发射
阴极表面的分子或原子接受外界的能量而释放出自由电子 的现象称为电子发射,电子发射所需要的能量成为逸出功 Wy 。
（1）热发射 固态或者液态物质表面受热后其中的某些电子 具有大于逸出功的动能而逸出到表面以外的空间中去。
（2） 光电发射 固态或者液态物质表面接受光射线的能量 而释放出自由电子的现象。