船舶焊接技术__1熔焊理论

2. 焊条药皮 焊条药皮和焊剂中加入低电离电位的物质能保证电 弧燃烧的稳定性。相反，电弧气氛中如果有较多的 氟化物等电离电位较高的物质时，就会因为产生负 离子而降低电弧燃烧的稳定性。药皮偏芯、脱落、 受潮等都会造成电弧燃烧的不稳定。 3. 焊接污染物 焊接处如有油漆、油污、水分和铁锈等物质存在时， 也会影响电弧燃烧的稳定性。 4. 电弧长度 电弧太长了，电弧就会发生剧烈晃动，从而破坏焊 接电弧的稳定性，而且飞溅也将明显增大。
四、重点
• 电弧、电离、气体放电、刚直性、
磁偏吹等一些基本概念。 • 电弧力。 • 电弧的产热机理。 • 阴极斑点的特点。 • 最小电压原理。
三、难点
• 最小电压原理 • 电弧的导电机构
二、基本概念
电弧、气体放电、电离、电子发射、 阴极斑点、阳极斑点、刚直性、磁偏吹、 电离能、逸出功、电离电压、逸出电压
I
(二) 阴极区的导电机构
1、阴极区在导电过程中的作用 1)产生弧柱区导电所需要电子流 Ie =0.999I 2)接收弧柱区来的正离子流IA+=0.001I 2、热发射型 1) 产生条件：W、C阴极，且电流很大 2) 带电粒子的产生方式：热发射
热阴极：弧柱导电所需要的电子可完全由热发生来产生的阴极
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。
Ua
焊条电弧焊
埋弧焊、 不熔化 极气体 保护焊、
微束等 离子弧 焊
小电流 钨极氩 弧焊
细丝熔 化极气 体保护 焊 等离子 弧焊、 水下焊
自持放电
U
暗放电 辉光放电
电弧放电
导体导电
I
10E-10 10E-4
1
10
100
Ia
（一）、气体介质的电离
电离：气体中性原子或分子(A)分离为一价正离 产生方式 子(A+)和电子(e)的过程。 电子发射：金属表面逸出电子的现象。 (一) 电离与激励 1、电离：在一定条件下中性原子分离成A+及e的现象。 A → A+ + e A A+ + e
(1) 条件： ① W、C阴极，且I较小或Al、Fe、Cu阴极；且 ②气压较小，Uk<Ui (2) 带电粒子产生方式： 热电离 (3) 特点： ①阴极附近存在—正电荷区—阴极区 ② fe <0.999I fA+ >0.001I ③阴极区断面收缩 ④阴极表面上产生阴极斑点
(三) 阳极区的导电机构
1、阳极区在导电过程中的作用 1)接收弧柱区来的电子流 Ie =0.999I 2)产生弧柱区所需要的正离子流IA+=0.001I 2、热电离 1)产生条件：I较大 2)带电离子产生方式：热电离 3)特点： ①阳极压降小，甚至为0 ②不存在阳极斑点。 3、电场作用下的电离 1)产生条件：I较小 2)带电粒子的产生方式：热电离、场电离 3)特点： ① 有阳极区，发生收缩 ② Ua较大 ③ 有阳极斑点
1、带电粒子的产生 1) 电离：热电离 光电离 电场作用的电离 2) 阴极区注入的电子 3) 阳极区注入的正离子 2、带电离子的运动 A+冲向阴极→正离子流IA+ e冲向阳极→电子流Ie IA+ I =IA++Ie 其中：IA+ = 0.1%I Ie = 99.9%I 3、特点： 1) 电中性； 2) E小、Ua小 Ie
2、分类
1)热发射：在热量的作用下产生的发射 产生条件：阴极温度足够高 特点：对阴极有冷却作用，这一点对TIG焊具有重要意义。 可提高W极的载流能力。 2)电场发射：金属表面的电子在电场力的作用下逸出的现象。 特点：对阴极的冷却作用较小。
库仑力
3)光发射：光幅射作用下产生的发射。实际电弧中产生光发射 的可能性很小。 4)粒子碰撞发射：高速运动的A+碰撞到阴极上导致的发射。
叁、电弧的稳定性


焊接电弧的稳定性是指焊接过程中能保持一定的电 弧长度，不产生电弧的偏吹、摇摆、断弧等现象而 保证电弧持续、稳定的燃烧。 1. 焊接的极性 焊条和工件与焊接电源的连接方式称为焊接的极性。 当用交流电焊接时，电源极性交替变化，所以焊条 和工件可与电源两接线柱任意连接。当用直流电焊 接时，电源两极固定，因此焊条和工件可以有两种 方式与电源正、负极相连接。
焊接方向
焊接方向
-
-
-
A
A
B
粘着性
+
跳跃性
2、阳极斑点
1) 产生条件： I很小。 2) 充当阳极斑点的条件： ① 通过该点导通电流时，耗能最小； ② 易蒸发，产生金属蒸气。 3) 特点： ① 电流密度大、温度高； ② 粘着性、跳跃性； ③ 避开氧化膜； ④ 斑点力，阳极斑点力小于阴极斑点力。
贰、电弧的静特性
电离能：原子或分子电离所需要的能量，单位为ev 或J。 电子伏：一个电子被1V的电压所加速得到的能量。 电离电压：电离能/电子带电量。 一次电离：A→A+ + e 二次电离：A+→A++ + e
n次电离：A(n-1)+→An+ + e
2、激励： 气体原子得到的一定的能量,虽然小于Wi,但可使电子 从低能级跃迁到高能级,这种现象叫激励。 激励能：所需的最小外加能量叫激励能We。 激励能电压：激励能We/e。
非自持放电 放电本身不能产生导电 所需的带电粒子(A+、e)。 自持放电 放电本身能产生导电所需的 带电粒子(A+、e)；有暗放电、 辉光放电、电弧放电等三种。
焊接电弧的引燃
1.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
2.非接触引弧
用高电压击穿间隙使电弧引燃。引弧器有两种，
高频高压引弧和高压脉冲引弧。前者是频率为150250kHz,电压峰值2000-3000V,后者产生一个30005000V的高压脉冲。
应用场合:钨极氩弧焊和等离子弧焊。
壹、电弧的产生

+
+
e
-
非自持放电
Ua
+ + + + + + +
-
阴 极
-
+
+
-
+
+ -+
+ +
2) 带电离子产生方式: ① 场发射 ② 场电离 ③ 热发射 ④ 碰撞发射
阴极区
弧柱区
Uk
3) 特点： ①阴极附近存在—正电荷区—阴极区 ② fe <0.999I fA+ >0.001I ③阴极区断面收缩 ④阴极表面上产生阴极斑点
4、等离子型导电机构
Ia
(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
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。
一、基本要求
• 熟练掌握本章的基本概念。 • 理解并掌握最小电压原理、电弧力。 • 了解电弧各个区域的组成、导电机构、 产热机构、交流电弧的特点以及阴极斑 点的特点及其对焊接质量的影响。
电弧是一种持久稳定气体放电现象，通过放电将 电能转变为热能与机械能，产生高温使金属熔化。 ＊ 气体放电
两极间的气体被击穿而导电的过程。
（二）、金属的电子发射
1、基本概念
1) 电子发射：电子从金属表面逸出的现象。 (对电弧导电起作用的主要是阴极的发射) 2) 逸出功（Ww）：电子发射所需的最小能量。 3) 逸出电压：Ww/e
①物理意义：Ww越小，引弧越容易，电弧稳弧性越好。 ②主要影响因素：
材料： K、Na之Ww较低。 表面状态：有氧化物时，逸出功降低 加入杂质：例如，钍、铈及镧等可降低Ww。
弧柱区电压
U
Z
I f RZ I
lZ
f
SZ
jZ
Z
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，电离度增加，γZ增加，电弧电压下降，呈现 下降特性。 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。
3、能量传递方式 1)碰撞：粒子间通过相互碰撞而交换能量。 • 弹性碰撞：仅发生动能再分配 • 非弹性碰撞：交换的能量→势能，从而导致电离或激励。 A+ A e AA e h eUi A

2)光幅射：在光的辐射下,中性粒子直接吸收光量子的能量。
4、电离的分类：
1)热电离：气体粒子受热的作用而产生电离。 实质：中性粒子通过与电子碰撞接收电子能量而电离。 电离度：电离了的粒子数量与电离前离子数量之比。 热解离：在热量的作用下，多原子分子分解为原子。 解离能：分子热解离所需要的能量。 2) 电场作用下的电离：A+、e在电场作用下被加速、与A 碰撞 使其电离的过程。 主要是e的作用：电子获得的能量是A+ 的4倍。 3) 光电离：A直接捕捉光量子并吸收其能量而电离。 波长越小越易促进光电离，电弧波长包括红外线、紫 外线 可见光、可使AI、K、Na原子光电离。但不能使Ar、 He、Fe 等电离。