焊接電弧焊接電弧的物理基礎(chǔ)

焊接電?。ㄒ唬╇娀〖捌潆妶鰪?qiáng)度分布

電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，它是帶電粒子通過兩電極之間氣體空間的一種導(dǎo)電過程。

電弧有三個部分構(gòu)成：陰極區(qū)、陽極區(qū)、弧柱區(qū)。

焊接電?。ǘ╇娀≈袔щ娏Ｗ拥漠a(chǎn)生

1、氣體的電離

在外加能量作用下，使中性的氣體分子或原子分離成電子和正離子的過程稱為氣體電離。

其本質(zhì)是中性氣體粒子吸收足夠的能量，使電子脫離原子核的束縛而成為自由電子和正離子的過程。

電離種類：

（1）熱電離

氣體粒子受熱的作用而產(chǎn)生電離的過程稱為熱電離。其本質(zhì)為粒子熱運動激烈，相互碰撞產(chǎn)生的電離。

（2）場致電離

帶電粒子在電場中加速，和其中的中性粒子發(fā)生非彈性碰撞而產(chǎn)生的電離。

電離程度：

電離度：單位體積內(nèi)電離的粒子數(shù)浴氣體電離前粒子總數(shù)的比值稱為電離度。

（3）光電離

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。

2、陰極電子發(fā)射

（1）電子發(fā)射：陰極中的自由電子受到外加能量時從陰極表面逸出的過程稱為電子發(fā)射。其發(fā)射能力的大小用逸出功Aw表示。

（2）陰極斑點

陰極表面光亮的區(qū)域稱為陰極斑點。

陰極斑點具有“陰極清理”（“陰極破碎”）作用，原因：由于氧化物的逸出功比純金屬低，因為陰極斑點會移向有氧化物的地方，將該氧化物清除。

（3）電子發(fā)射類型

1）熱發(fā)射

陰極表面受熱引起部分電子動能達(dá)到或超過逸出功時產(chǎn)生的電子發(fā)射。

熱陰極以熱發(fā)射為主要的發(fā)射形式。

2）場致發(fā)射

陰極表面受到電場力的影響，當(dāng)電場力達(dá)到某一程度時電子逸出陰極表面形成電子發(fā)射。

冷陰極以場致發(fā)射為主要的發(fā)射形式。

3）光發(fā)射

陰極表面受到光輻射的作用使自由電子能量達(dá)到一定程度而逸出金屬表面形成發(fā)射。

4）粒子碰撞發(fā)射

電弧中高速運動的正離子碰撞陰極時使表面自由電子得到能量而逸出陰極表面的現(xiàn)象。

焊接電?。ㄈщ娏Ｗ拥南?/h3>

1、擴(kuò)散

帶電粒子從密度高的中心部位向密度低的周邊遷移的現(xiàn)象。

2、復(fù)合

電弧周邊正負(fù)粒子結(jié)合成中性粒子的現(xiàn)象。

3、負(fù)離子的形成

部分中性粒子吸附電子而形成負(fù)離子的過程。

焊接電弧（四）焊接電弧的危害

焊接電弧主要是有紫外線、紫外線和可見光組成，可對皮膚造成傷害，產(chǎn)生脫皮，灼痛現(xiàn)象，故要加強(qiáng)對焊接電弧的輻射保護(hù)，避免皮膚裸露部分和焊接電弧相接觸。

在夏天，我們常看到天空中的閃電，這是一種氣體放電現(xiàn)象。在兩電極之間的氣體介質(zhì)中，強(qiáng)烈而持久的放電現(xiàn)象稱為電弧。電弧放電時產(chǎn)生高溫(溫度可達(dá)6000℃)和強(qiáng)光。人類認(rèn)識了這種現(xiàn)象，并將其應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。電弧高熱可用以進(jìn)行電弧切割、碳弧氣刨以及電弧煉鋼等；電弧的強(qiáng)光能照明(如探照燈)或用弧光燈放映電影等。

焊接電弧的產(chǎn)生

氣體原子的激出、電離和電子發(fā)射

中性氣體原來是不能導(dǎo)電的，為了在氣體中產(chǎn)生電弧而通過電流，就必須使氣體分子(或原子)電離成為正離子和電子。而且，為了使電弧維持燃燒，要求電弧的陰極不斷發(fā)射電子，這就必須不斷地輸送電能給電弧，以補(bǔ)充能量的消耗。氣體電離和電子發(fā)射是電弧中最基本的物理現(xiàn)象。

1.氣體原子的激發(fā)與電離

如果氣體原子得到了外加的能量，電子就可能從一個較低的能級跳躍到另一個較高能級，這時原子處于“激發(fā)”狀態(tài)。使原子躍為“激發(fā)”狀態(tài)所需的能量稱為激發(fā)能。氣體原子的電離就是使電子完全脫離原子核的束縛，形成離子和自由電子的過程。由原子形成正離子所需的能量稱為電離能。

在焊接電弧中，根據(jù)引起電離的能量來源，有以下3種形式：

(1)撞擊電離。是指在電場中，被加速的帶電粒子(電子、離子)與中性點(原子)碰撞后發(fā)生的電離。

(2)熱電離。是指在高溫下，具有高動能的氣體原子(或分子)互相碰撞而引起的電離。

(3)光電離。是指氣體原子(或分子)吸收了光射線的光子能而產(chǎn)生的電離。

氣體原子在產(chǎn)生電離的同時，帶異性電荷的質(zhì)點也會發(fā)生碰撞，使正離子和電子復(fù)合成中性質(zhì)點，即產(chǎn)生中和現(xiàn)象。當(dāng)電離速度和復(fù)合速度相等時，電離就趨于相對穩(wěn)定的動平衡狀態(tài)。一般地，電弧空間的帶電粒子數(shù)量越多，電弧越穩(wěn)定，而帶電粒子的中和現(xiàn)象則會減少帶電粒子的數(shù)量，從而降低電弧的穩(wěn)定性。

2．電子發(fā)射

在陰極表面的原子或分子，接受外界的能量而釋放出自由電子的現(xiàn)象稱為電子發(fā)射。電子發(fā)射是引弧和維持電弧穩(wěn)定燃燒的一個很重要的因素。按其能量來源不同，可分為熱發(fā)射、光電發(fā)射、重粒子碰撞發(fā)射和強(qiáng)電場作用下的自發(fā)射等。

(1)熱發(fā)射。物體的固體或液體表面受熱后，其中某些電子具有大于逸出功的動能而逸出到表面外的空間中去的現(xiàn)象稱為熱發(fā)射。熱發(fā)射在焊接電弧中起著重要作用，它隨著溫度上升而增強(qiáng)。

(2)光電發(fā)射。物質(zhì)的固體或液體表面接受光射線的能量而釋放出自由電子的現(xiàn)象稱為光電發(fā)射。對于各種金屬和氧化物，只有當(dāng)光射線波長小于能使它們發(fā)射電子的極限波長時，才能產(chǎn)生光電發(fā)射。

(3)重粒子撞擊發(fā)射。能量大的重粒子(如正離子)撞到陰極上，引起電子的逸出，稱為重粒子撞擊發(fā)射。重粒子能量越大，電子發(fā)射越強(qiáng)烈。

(4)強(qiáng)電場作用下的自發(fā)射。物質(zhì)的固體或液體表面，雖然溫度不高，但當(dāng)存在強(qiáng)電場并在表面附近形成較大的電位差時，使陰極有較多的電子發(fā)射出來，這就稱為強(qiáng)電場作用下的自發(fā)射，簡稱自發(fā)射。電場越強(qiáng)，發(fā)射出的電子形成的電流密度就越大。自發(fā)射在焊接電弧中也起著重要作用，特別是在非接觸式引弧時，其作用更加明顯。

綜上所述，焊接電弧是氣體放電的一種形式，焊接電弧的形成和維持是在電場、熱、光和質(zhì)點動能的作用下，氣體原子不斷地被激發(fā)、電離以及電子發(fā)射的結(jié)果。同時，也存在負(fù)離子的產(chǎn)生、正離子和電子的復(fù)合。顯而易見，引燃焊接電弧的能量來源主要靠電場及由其產(chǎn)生的熱、光和動能，而這個電場就是由弧焊電源提供的空載電壓所產(chǎn)生的。

焊接電弧的引燃

焊條與焊件之間是有電壓的，當(dāng)它們相互接觸時，相當(dāng)于電弧焊電源短接。由于接觸點電阻很大，短路電流很大，則產(chǎn)生了大量電阻熱，使金屬熔化，甚至蒸發(fā)、汽化，引起強(qiáng)烈的電子發(fā)射和氣體電離。這時，再把焊絲與焊件之間拉開一點距離,這樣，由于電源電壓的作用，在這段距離內(nèi)，形成很強(qiáng)的電場，又促使產(chǎn)生電子發(fā)射。同時，加速氣體的電離，使帶電粒子在電場作用下，向兩極定向運動?；『鸽娫床粩嗟墓┙o電能，新的帶電粒子不斷得到補(bǔ)充，形成連續(xù)燃燒的電弧。

焊接電?。ㄒ唬┗≈鶇^(qū)的導(dǎo)電特性

弧柱是包含大量電子、正離子等帶電粒子和中性粒子等聚合在一起的氣體狀態(tài)，這種對外呈電中性的狀態(tài)稱為電弧等離子體。

最小電壓原理：弧柱在穩(wěn)定燃燒的時候，有一種使自身能量消耗最小的特性，即當(dāng)電流和電弧周圍條件一定時，穩(wěn)定燃燒的電弧將自動選擇一個確定的導(dǎo)電截面，使電弧的能量消耗最小。當(dāng)電弧長度也為定值時，電場強(qiáng)度的大小即代表了電弧產(chǎn)熱量的大小，因此，能量消耗最小時的電場強(qiáng)度最低，即在固定弧長上的電壓降最小，這就是最小電壓原理。

焊接電?。ǘ╆帢O區(qū)的導(dǎo)電特性

作用有：接受由弧柱傳來的正離子流；向弧柱區(qū)提供電弧導(dǎo)電所需的電子流。

其發(fā)射形式主要有：

1、熱發(fā)射型

2、電場發(fā)射型

（三）陽極區(qū)的導(dǎo)電特性

1、陽極斑點

在陽極表面可看到的爍亮發(fā)光的區(qū)域，稱為陽極斑點。

陽極斑點會自動尋找熔點比較低的純金屬表面而避開氧化物，在金屬表面游走。

2、陽極區(qū)的導(dǎo)電形式

（1）場致電離

（2）熱電離

焊接電弧（一）電弧的熱能特性

1、弧柱的產(chǎn)熱

電流密度小，溫度高，能量主要由粒子碰撞產(chǎn)生，熱能損失嚴(yán)重。

2、陰極區(qū)的產(chǎn)熱

電流密度大，溫度低，能量主要用來對陰極加熱和陰極區(qū)的散熱損失，還可用來加熱填充材料或焊件。

3、陽極區(qū)的產(chǎn)熱

電流密度大，溫度低，能量主要用于對陽極的加熱和散失，也可用來加熱填充材料或焊件。

焊接電弧（二）電弧的力學(xué)特性

電弧力影響到焊件的熔深及熔滴過渡，熔池的攪拌、焊縫成形以及金屬飛濺，因此電弧力直接影響著焊縫質(zhì)量。

1、電弧力及其作用

（1）電磁收縮力

產(chǎn)生原因：電弧電流線之間產(chǎn)生的相互吸引力。

由于電極兩端的直徑不同，因此電弧呈倒錐形狀。電弧軸向推力在電弧橫截面上分布不均勻，弧柱軸線處最大，向外逐漸減小，在焊件上此力表現(xiàn)為對熔池形成的壓力，稱為電磁靜壓力。

作用效果：使熔池下凹；對熔池產(chǎn)生攪拌作用，細(xì)化晶粒；促進(jìn)排除雜質(zhì)氣體及夾渣；促進(jìn)熔滴過渡；約束電弧的擴(kuò)展，使電弧挺直，能量集中。

（2）等離子流力

電磁軸向靜壓力推動電極附近的高溫氣流（等離子流）持續(xù)沖向焊件，對熔池形成附加的壓力，這個壓力就稱為等離子流力（電磁動壓力）。

作用效果：等離子流力可增大電弧的挺直性；促進(jìn)熔滴過渡；增大熔深并對熔池形成攪拌作用。

（3）斑點力

電極上形成斑點時，由于斑點處受到帶電粒子的撞擊或金屬蒸發(fā)的反作用而對斑點產(chǎn)生的壓力，稱為斑點壓力或斑點力。

斑點力的方向總是和熔滴過渡方向相反，因此總是阻礙熔滴過渡，產(chǎn)生飛濺。

一般來說，陰極斑點力比陽極斑點力大。

2、電弧力的主要影響因素

（1）焊接電流和電弧電壓

（2）焊絲直徑

（3）電極的極性

（4）氣體介質(zhì)

焊接電?。ㄈ┖附与娀〉姆€(wěn)定性

概念：焊接電弧的穩(wěn)定性是指電弧保持穩(wěn)定燃燒的程度。

電弧的穩(wěn)定性除了和操作人員的熟練程度有關(guān)之外，還與其他因素有關(guān)。

1、焊接電源（電源的空載電壓；電源的極性；電源的接法）

2、焊條藥皮或焊劑

3、焊接電流

4、磁偏吹

5、電弧長度

6、焊前清理

7、其他2100433B

《焊接電弧現(xiàn)象與焊接材料工藝性》討論了焊條電弧焊，熔化極氣體保護(hù)焊的焊接材料工藝性問題。王寶、宋永倫從對電弧現(xiàn)象的觀察入手，以影響電弧物理特性的主要因素——熔滴過渡現(xiàn)象為切入點，并對其特征及其物理意義進(jìn)行分析和解讀，提出了基于漢諾威分析儀的電弧焊接材料（焊條、焊絲）電弧物理特性分析及工藝性定量評價方法。

《焊接電弧現(xiàn)象與焊接材料工藝性》首先以焊接材料焊接時電弧現(xiàn)象的大量細(xì)致的觀察為基礎(chǔ)，以影響電弧物理特性的主要因素金屬過渡為切入點，對熔化極電弧焊（焊條電弧焊、CO2氣體保護(hù)焊、混合氣體保護(hù)焊等）焊接材料（藥皮焊條、實心焊絲、藥芯焊絲等）焊接過程的熔滴過渡現(xiàn)象與工藝性之間的具體聯(lián)系、信息特征和物理屬性進(jìn)行分析和解讀，完善了對焊接材料工藝性的定量評價。