气体保护焊电弧特性一

气体保护焊电弧特性〔一〕1.1 什么是焊接电弧?电弧是一种气体放电现象，它能把电能有效而简便地转化为热能、机械能和光能定义：有焊接电源供应的，具有一定电压的两电极间或电极与母材间，在气体介质中产生的强烈而持久的放电现象称为焊接电弧1.2 焊接电弧的根本特点是什么.焊接电弧的根本特点为：1〕维持电弧稳定燃烧的电弧电压很低，只有10～50V2〕在电弧中能通过很大电流，可从几安～几千安3〕电弧具有很高的温度，弧柱温度是不均匀的，中心温度最高，可到达5000～30000K，而远离中心则温度降低4〕电弧能发出很强的光电弧的光辐射波长为〔1.7～50〕×10-7m它包括红外线，可见光和紫外线3个局部1.3 电弧由哪几局部组成.其特点是什么.电弧是由3局部组成，即弧柱区、阴极区和阳极区，如图1所示1、弧柱区弧柱区呈电中性，它是由分子、原子、受激的原子、正离子、负离子及电子所组成，其中带正电荷的离子与带负电荷的离子几乎相等，所以又称为等离子体带电的粒子在等离子体定向移动，根本上不消耗能量，所以才能够在低电压条件下，传输大电流传输电流的主要带电粒子是电子，大约占带电粒子总数的99.9%，其余为正离子。

因为阴极区和阳极区的长度极短，所以可以认为弧柱区长度为电弧长度弧柱区的电场强度较低，通常只有5～10V/cm2、阴极区阴极被认为是电子之源它向弧柱提供99.9%的带电粒子〔电子〕阴极发射电子的能力，对电弧稳定性影响极大阴极区的长度为10-5～10-6cm，如果阴极压降为10V，则阴极区的电场强度为106～107V/cm3、阳极区阳极区主要是承受电子，但还应向弧柱提供0.1%的带电粒子〔正离子〕通常阳极区的长度为10-2～10-3cm，则阳极区的电场强度为103～104V/cm由于阳极材料和焊接电流对阳极区压降影响很大，它可以在0～10V之间变化例如当电流密度较大，阳极温度很高，使阳极材料发生蒸发时，阳极压降将降低，甚至到0V1.4 试述短路引弧法的原理及提高引弧成功率的方法熔化极气体保护电弧焊都是利用短路引弧法进展引弧，钨极氩弧焊大都采用非接触引弧法，但也有采用短路引弧法下面以熔化极气体保护焊为例说明短路引弧法的原理熔化极气体保护电弧焊引弧时首先送进焊丝，并逐渐接近母材，如图2所示一旦与母材接触，电源将提供较大的短路电流，利用在A点附近的焊丝爆断，进展引弧如果在B点爆断，则引弧失败所以在A点爆断是引弧成功的必要条件。

在A点还是在B点爆断主要是由于焊丝在该点附近产生电阻热的大小，也就是其接触电阻的大小A、B两点的接触电阻如图3所示B点为焊丝与导电嘴的接触处，其接触电阻RB随时间变化很小，根本上不变在A点却不同，A点为焊丝端头与母材的接触点RA为接触电阻，在焊丝与母材接触瞬间RA为无穷大；随着短路电流的增加，A点迅速软化，使接触面积增加，于是RA急剧减小可见，为确保引弧成功，希望短路电流增长速度diS/dt越大越好，RA衰减速度越慢越好也就是在RA很大时，短路电流iS增加到较高的值，使得在A点发生爆断提高引弧成功率的方法如下：1〕提高短路电流增长速度diS/dt，主要是改善电源的工作状态如整流焊机中往往利用电流电感调节焊机的动态特性，以便减小飞溅和改善成形，但是却降低了diS/dt，而降低了引弧功率为此，在引弧时常常利用旁路电路将直流电感短接，而引弧成功后再将该电感接入此处，当逆变焊机出现后，充分利用电子电抗器调节电源动特性，而选用很小的直流电感，所以勿需采用上述方法，都可以得到很可靠的引弧过程2〕减小接触电阻RA的衰减速度引弧时令焊丝送进速度慢一些，以便减小焊丝与母材的压力增长速度，RA衰减速度减缓。

送丝速度太慢也不利，通常选用1.5～3m/min引弧成功后，应立刻转换为正常送丝速度3〕利用剪断效应引弧一般情况下，焊接时都利用钳子剪断焊丝端头残留的金属熔滴小球，以利于引弧但这样做很麻烦，所以现在许多气体保护焊设备增加了去球功能，也就是剪断效应在焊接完毕时，适当降低电弧电压和送丝速度，从而实现自动去球功能4〕导电嘴磨耗较大时，将增大B点处的接触电阻RB，不利于引弧为此应及时更换导电嘴1.5 试述高频高压引弧和高压脉冲引弧法的原理钨极氩弧焊时，主要采用高频高压引弧法或脉冲引弧法这两种方法都是将钨极接近工件，但是不接触，它们中间留有2～5mm的间隙这两种方法的电压都很高，到达2000～3000V引弧时利用高压击穿电极与工件的空间，形成火花放电，在高压作用下，电弧空间形成很强的电场，加强了阴极发射电子及电弧空间的电离作用，使电弧空间由火花放电或辉光放电很快就转变到电弧放电由于电弧放电时产生的高温，可以在低电压情况下维持电弧放电这样就完成了引弧过程引弧时需要高电压击穿电弧空间，为了平安而采用高频或脉冲电压1.6 何谓最小电压原理.最小电压原理是电弧的一种特性，用以表征电弧的最小能量消耗的性能。

大家知道，自由电弧是在两个电极之间的气体放电现象，其导电截面可以自由扩大和缩小，也就是输入电弧的能量等于电弧散出的能量，于是表征电弧特性的各种物理参数，如弧柱直径〔D〕、弧柱温度〔T〕和弧柱电场强度〔E〕等都为确定值，其大小都遵循着能量消耗最小原则最小电压原理是：对一个轴线对称的电弧，在给定的电流和边界条件下，当电弧处于稳定状态时，其弧柱直径〔D〕或温度〔T〕应使弧柱电场强度〔E〕具有最小值利用最小电压原理可以解释许多电弧现象，例如当电弧被周围介质强迫冷却时〔高速气流或环境温度降低〕，电弧将自动收缩其断面，使其电流密度升高，电场强度和电弧温度也提高因为电弧的散热增加，要求电弧产生更多的热量给与补偿电弧产热为IE，如果电流I不变，则E必定要增加根据最小电压原理，电弧有自动使E增加到最小限度的倾向，也就是热损失最小的倾向所以在电弧被冷却时，电弧将自动收缩到*一个直径，这时电弧电场强度E增加得最小1.7 何谓阴极斑点和阳极斑点.它们有什么特点.阴极斑点的定义：电弧放电时，负电极外表上集中发射电子的光亮极小区域当阴极材料熔点、沸点较低，而且导热性很强时，即使阴极温度到达材料的沸点开场蒸发，此温度也缺乏以通过热发射产生足够数量的电子，阴极将进一步自动缩小其导电面积，直到在阴极导电面积前面形成密度很大的正离子空间电荷，形成很大的阴极压降值，足以产生强的电场发射，以补足热发射的缺乏，向弧柱提供足够的电子流维持电弧燃烧。

此时阴极将形成面积更小、电流密度更大的斑点〔该斑点的电流密度达106～108A/cm2〕来导通电流，这种导电斑点称为阴极斑点在用高熔点材料〔W、C等〕作阴极时，在小电流情况下，也可能产生上述的阴极斑点当用低熔点材料〔A1、Cu、Fe等〕作阴极时，无论电流大小都可能产生阴极斑点此时，阴极外表将由许多别离的阴极斑点组成斑点区，这些斑点在斑点区以很高速度跳动〔其速度可达104～105cm/s〕形成新的阴极斑点应具有如下条件，首先该点应具有发射电子的条件〔主要是场发射和热发射〕，其次是电弧通过该点弧柱能量消耗较小，也就是IELC较小〔I——电流，E——弧柱电场强度，LC——弧柱长度〕总之阴极斑点的跳动，总是自动选择发射电子时消耗能量最低的点如采用直流反极性焊铝时，阴极斑点有自动寻找氧化膜的倾向，如图4所示阳极斑点的定义：电弧放电时，正电极外表上集中承受电子的光亮微小区域阳极的作用是承受电子和由阳极区提供弧柱所需要的0.001/I正离子流当采用低熔点材料作阳极时〔Fe、Cu、A1等〕，一旦阳极外表*处有熔化和蒸发现象发生时，由于金属的电离能大大低于一般气体的电离能，在有金属蒸气存在的地方，更容易产生热电离而提供正离子流，电子流也更容易从这里进入阳极，阳极外表上的导电区将在这里集中而形成阳极斑点。

阳极斑点电流密度比阳极斑点要小，其数量级一般为102～103A/2对于低熔点阳极材料形成阳极斑点的条件是，首先该点有金属蒸发，其次是电弧通过该点弧柱消耗能量较低〔亦即IELC较小〕阳极斑点的移动不可能连续进展，总是跳动形式，如图5新的阳极斑点总是自动寻找纯金属外表而避开氧化膜，因为大多数金属氧化物的熔点和沸点皆高于纯金属，而金属氧化物的电离电压较高在小电流氩弧焊不锈钢薄板时，易发生阳极斑点跳动现象，这是十分不利的此外，许多情况下也可能不形成阴极斑点或阳极斑点如以高熔点电极〔W、C等〕作阴极，在大电流时，阴极温度很高，依靠热发射就可以维持电弧，阴极外表的电流密度与弧柱接近，温度均匀，不会形成阴极斑点又如当电流较大时，阳极温度很高时，依靠阳极前面中性粒子热电离就可以提供0.001/I的正离子流，则阳极压降UA接近于零这时电弧与阳极接触不产生任何收缩，也不能形成阳极斑点1.8 焊接电弧中存在哪些作用力.其产生机理是什么.焊接电弧是一个热源，同时也是一个力源电弧产生的机械作用力对焊接质量影响很大焊接电弧的作用力统称为电弧力，主要包括电磁力、等离子流力、斑点压力和短路爆破力等1、电磁力由电工学可知，在两根相距不远的平行导线中，通过同方向的电流时，则产生相互吸引的力；反之，通过相反方向的电流时，则产生相互排斥的力。

如图6所示这个力的形成是由于在导体周围空间形成磁场，而两个通电导体又都处于磁场之中，受到磁场力作用，其单位长度导线受力大小与导线中流过的电流乘积成正比，与两导线间的距离成反比，如式〔1〕所示： I1I2 F= K ─── 〔1〕 l式中 F——单位长度受力大小； K——常数； I1、I2——导体1、2中流过的电流； l——两导体间的距离当电流从一个导体中流过时，整个电流可看成是许多平行的电流线组成，这些电流线之间也产生相互吸引力，则导体断面有收缩的倾向如果导体是固态不能自由变形，此收缩力不能改变导体的外形；如果导体是可以自由变形的液态和气态，导体将发生收缩，如图7中液态段这种现象称为电磁收缩效应，由此产生的力称为电磁力或电磁收缩力这种力在导体将引起径向力假设导体为圆柱体，电流线在导体中的分布是均匀的，则导体任意半径r处的压力值可由式〔2〕表示： I2 Pr =K─── 〔R2-r2〕 〔2〕πR4式中 Pr——导体任意半径r处的压力； R——导体外径； I——导体的总电流；μ K——系数，K = ──〔μ——介质磁导率〕。

4π导体中心轴处的径向压力〔P0〕为： I2 P0 =K─── KJI 〔3〕πR2式中 P0——导体中心轴处的径向压力； J——电流密度因为在流体中各方向的压力一样，所以由于径向压力的产生也将产生轴向压力且大小相等，轴向压力的合力为： K F =K─── I2 〔4〕 2式中 F——轴向压力的合力； I——电流在焊接电弧中，F将同时作用于焊丝和工件上实际上焊接电弧不是圆柱体，而是断面直径变化的圆锥状的气体导体由于焊丝直径限制了电弧的扩展，而在工件上电弧可以扩散得比拟宽，也就是从焊丝端头到工件形成锥状由式〔3〕可知，直径不同将引起压力差，从而产生由焊丝指向工件的推力FP，其数值可由下式表示： Rb FP =KI21n〔──〕 〔5〕 Ra式中 FP——电弧指向工件的推力； I——电流； Rb、Ra——锥形电弧柱的下底面半径和上底面半径。

圆锥状电弧中任意点A的压力可由下式决定：式中的参数含义如图8所示从式〔6〕可知，A点的电磁压力与电流的平方成正比，与l2成反比，且与θ、ψ角有关这种由电磁力引起的压力称为电磁静压力其特点是靠近焊丝处和电弧中心压力大些，而相反靠近母材和电弧边缘处压力减弱2、等离子流力焊接电弧呈锥形，如图9所示靠近电极〔焊丝〕一端的电弧断面积比靠近工件一端的小，所以电极端电弧的电磁收缩力比工件端的大，从电极A到工件B形成一定的压力差，在该压力差的作用下，形成轴向推力FP在电极附近电弧中的气体离子将向工件方向流动高温气体流动时，将从上方吸入电弧周围的气体介质，而形成有一定速度的连续气流进入电弧区，在这里新参加的气体被加热和电离后，在电弧轴向推力作用下，冲向熔池，并对熔池产生附加压力，在电弧中，由于电弧推力引起高温气流的运动所形成的力称为等离子力，或称为等离子流力由于该力是由电磁收缩力引起的，所以又称为电磁动压力等离子流速度很快，其速度高达几十～几百米/秒，所以将对熔滴过渡和焊缝形成造成很大影响3、斑点压力在焊丝端头形成斑点时，在阴极或阳极斑点处，由于电子流或离子流的冲击和金属蒸气的反作用力，对斑点所造成的压力称为斑点压力，如图10所示。

斑点压力常常不是*种单一原因造成的，而是多种因素同时作用的结果主要因素如下：〔1〕正离子流或电子流对电极的冲击力阳极承受电子流撞击或阴极承受正离子流的撞击由于正离子的质量远远大于电子的质量，同时一般情况下阴极压降UK大于阳极压降UA，所以斑点压力在阴极上表现较大，在阳极上表现较小〔2〕电磁收缩力当电极上形成熔滴并出现斑点时，在焊丝、熔滴及电弧中的电流分布如图11所示熔滴和电弧空间的电流线都是在斑点处集中根据前面电磁收缩力产生的原理，电磁力的合力方向是由小断面指向大断面，所以在熔滴从斑点处将产生向上的电磁收缩力，阻碍熔滴下落〔3〕电极材料强烈蒸发的反作用力由于斑点上的电流密度很高，局部温度也很高而造成金属材料强烈地蒸发，使金属蒸气以较高速度从斑点外表发射出来，这种物质的发射将对斑点形成反作用力由于阴极斑点电流密度比阳极斑点的高，发射也要更强烈，所以阴极斑点压力也将比阳极斑点压力大〔4〕爆破力在短路过渡时，熔滴与熔池金属短路，电弧熄灭，电流通过短路液态金属流过，在电磁收缩力作用下，形成液态金属小桥随着小桥直径变细，电流密度增加，则液体金属小桥的温度急剧升高，最终使液柱气化而爆断，这种作用力称为爆破力，如图12所示。

爆破力的大小对焊接飞溅影响很大，所以应适当控制1.9 什么是焊接电弧静特性.焊接电弧静特性的定义是：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之间关系的曲线，也称伏-安特性，如图13所示图中所示的电弧静特性曲线分为3个局部ab段为电流较小时，电弧静特性为负阻特性，即随着电流的增加而电压减小；当电流稍大时为bc段，随着焊接电流的增加，电弧电压值根本不变，为水平特性；当电流更大时为cd段，电弧电压随焊接电流的增加而增加，电弧静特性为上升特性由于电弧电压决定于弧长，所以当弧长增加时，电弧静特性曲线上移，而弧长缩短时，电弧静特性曲线下移1.10 试问各种弧焊方法的电弧静特性曲线有什么特点.各种弧焊方法的电弧静特性曲线是不同的它们是在一定条件下求得的，所以其静特性只是图1-13曲线中的一局部，如图14所示1〕小电流区间电弧静特性呈下降特性如图14a的示，在小电流区间，因电弧电流较小，弧柱的电流密度根本不变，弧柱断面将随电流的增加而按比例增加如果电流增加到原来电流的4倍，则弧柱断面面积也增加到原弧柱的4倍，而弧柱周长却只增加2倍，使电弧向周围空间散失热量也只增加2倍。

总之，减小了散热，提高了电弧温度和电离度，所以必然使电弧点电场强度下降，弧柱压降也呈下降趋势同时阴极与阳极压降也为下降特性，于是在小电流区间，电弧电压Ua呈下降趋势，也就是电弧静特性呈负阻特性小电流TIG焊接属于这种2〕中电流区间电弧静特性呈水平特性如图14b所示，电流较大时，焊丝金属将产生金属蒸气和等离子流金属蒸气以一定速度喷射和等离子流将对电弧产生附加的冷却使用此时电弧的产热不但有周边散热损失，而且还有金属蒸气与等离子流的附加损耗这些能量消耗将随电流的增加而增加，因此在*一电流区间，可以保持电弧电场强度E不变，使电弧静特性呈平特性，如埋弧焊、焊条电弧焊和大电流TIG焊都是这种情况3〕大电流区间电弧静特性呈上升特性如图14c所示，当电流进一步增大时，特别是用细焊丝GMAW焊接时，电弧弧柱区尺寸受焊丝直径的限制，随着焊接电流的增加，电弧柱电流密度增大同时，金属蒸气的喷射和等离子流冷却作用进一步加强以及电磁收缩力的作用，电弧断面不能随电流的增加而成比例地增大，使得电弧电导率减小，要保证一定的电流通过则要求较大的电场强度E所以在大电流区间，随着电流的增加，弧柱的电场强度增大另外，阴极压降和阳极压降在这种情况下影响不大。

所以电弧压降Ua主要受弧柱压降的影响，它随着电流的增加而升高，使得电弧静特性呈上升趋势如GMAW焊的电弧特性大多为上升特性1.11 电弧周围的介质对电弧静特性有什么影响.电弧周围的介质包括气体介质的特性和气体介质的压力两个方面气体介质的特性主要是气体的热传导性和气体的热容，如图15和图16所示可以看到热容较高的和热传导性好的气体〔如H2和He〕，对电弧产生冷却作用，引起电弧收缩，增大了电弧电场强度而Ar气为单原子气体，同时具有较低的热容和热导率，有较强的保持弧柱温度的能力，所以电弧电场强度较低这样一来，将得到如图17所示的电弧静特性偏低相反，氦气保护的电弧，电弧静特性较高气体介质压力的影响主要表现在随着气体压力增大，则气体离子密度也增加，气体离子通过散乱运动从电弧带走更多的热量因此气体压力越大，冷却作用就越强，弧压就越高同样道理，压缩电弧与自由电弧相比，压缩电弧的电场强度更高些所以气体介质的压力增大时电弧静特性将提高1.12 什么是电弧动特性.电弧动特性的定义为：对于一定弧长的电弧，当电弧电流发生连续的快速变化时，电弧电压与电流瞬时值之间的关系这里所指的快速变化的电流有交流电弧、短路过渡电弧、脉冲电弧以及引弧熄弧过程等。

由于焊接电流是时间的函数，则电弧弧柱中带电粒子的密度以及弧柱半径和温度等都随之变化，同时阴极与阳极的温度也随之变化，因此电弧电压也必然随时间而变化以交流电弧为例说明其动特性，如图18所示，电弧电流根本上按正弦规律变化由图18b可见电流从零向最大值变化过程中，电弧电压按PQR点的顺序变化当电压由最大值向零变化时，电压按PQR点的顺序变化PQR点电弧电压值大于RST点的值，ur为再引弧电压因两个电极均为碳极，所以其正负半波是对称的交流电弧的这种特性是由电弧空间气体的惯性所决定的每次电弧在引燃时都要求较高的再引燃电压一旦电弧引燃，电弧空间气体被加热而电离，并具有较高的温度，电弧空间的温度降低也有一定的惯性，所以要求较低的电压，因此形成上述那样的动特性曲线从上述的分析可以认为，但凡影响电弧空间散热条件，影响电极发射电子能力，影响气体电离的因素等都会影响交流电弧动特性曲线形状，也就直接影响交流电弧焊接过程稳定性1.13 为什么电弧可作为热源.焊接电弧是一个将电能转换成热能的元件电弧是由3局部组成〔弧柱区、阴极区和阳极区〕，其导电机构不同，决定了电弧各组成局部的产热机构各有不同特点1、弧柱区的产热机构弧柱区是由电子、正离子和中性粒子组成的。

在电场作用下电子和离子进展定向运动，由于质量相差悬殊，所以参与导电的主要是电子，而正离子流只占很小的比例，它的作用是保持电弧空间呈电中性带电粒子在外加电场作用下运动，将电场能〔位能〕变成热能〔动能〕在弧柱中，电子并不是由阴极直接跑到阳极，而是在不断地与正离子或中性粒子相互碰撞过程中从阴极移向阳极因此电子的运动是由两局部组成：一局部是与正离子〔或中性粒子〕碰撞过程的散乱运动；另一局部是沿电场方向的定向运动散乱运动的动能就是电子的热能，它占有弧柱区外加电能中的主要局部单位弧柱长度上的电能IE的大小就代表了弧柱的产热能量，它将与弧柱的热损失相平衡弧柱的热损失包括有对流、传导和辐射〔包括光辐射〕等根据测试结果，弧柱局部的对流损失占80%以上，辐射损失为10%左右，而传导损失是很少的弧柱的产热情况与固态导体不同，固态导体只要电流一定，其产热量也就一定电弧是一个气体放电过程，当电流一定时，弧柱的产热服从最小电压原理，将根据热损失大小而自行调整由于气体的质量、导热性能、解离程度的不同，电弧的热损失也不一样几种气体弧柱电场强度的比拟如表1所示电流不变时，弧柱电场强度值E的升高意味着弧柱产热量增加，也意味着弧柱温度的升高。

同样道理，弧柱外围有强迫气流冷却或气压较高时，都能引起电场强度E的升高和弧柱温度上升表1 不同气体弧柱电场强度的比拟气体种类Ar空气N2CO2O2H2OH2电场强度之比〔空气为1〕0.511.11.52.04.010弧柱的产热主要消耗在向四周散失,只有极少局部通过辐射和热传导传给电极和工件而当电流较大或压缩电弧时，通过等离子流能把一局部热量带到工件上2、阴极区的产热机构由于阴极区的长度很短〔其数量级为10-5～10-6cm〕，所以阴极区热量直接影响焊丝的熔化和工件加热一般情况下，阴极区的带电粒子是由电子和正离子组成，这两种带电粒子的不断产生、运动和消失，同时伴随着能量的转变和传递弧柱中只有0.001I的正离子流，其数量相对总电流是很少的，可以认为它的产热对于阴极区产热可忽略不计影响阴极区能量状态的带电粒子，全部在阴极区产生，最后由阴极区提供足够能量的电子进入弧柱，实现放电过程因此可以从这些电子在阴极区的能量平衡过程来分析阴极区的产热阴极区提供的电子流与总电流I相近，这些电子在阴极压降作用下跑出阴极并受到加速作用，获得的总能量为IUK，这是在阴极区由电能转换热能的主要来源电子在阴极外表逸出时，抑制阴极外表的束缚而消耗能量为IUW。

这局部能量对阴极有冷却作用电子流离阴极区进入弧柱区时，它应具备与弧柱温度相应的热能，电子流离开阴极区时带走这局部能量为IUT〔UT为弧柱温度等效电压〕根据上述分析电子流离开阴极区时能量平衡为： QK=I〔UK－UW－UT〕 〔7〕式中 QK——阴极区的产热； UK——阴极区压降； UW——逸出功； UT——弧柱温度的等效电压式〔7〕为阴极产热表达式由上式决定的产热量主要用于阴极的加热和阴极区的散热损失，焊接过程中直接加热焊丝或工件的热量主要由这局部能量提供3、阳极区的产热机构阳极区向弧柱输送的正离子流只占总电流的0.001，所以可以忽略正离子流对阳极能量变化的影响，认为阳极区的电流等于电子流，只考虑承受电子流的能量转换电子到阳极时将带给阳极三局部能量；第一局部是电子经阳极压降区被UA加速而获得的动能IUA；第二局部为进入阳极的电子将释放逸出功，这局部能量为IUW；第三局部为从弧柱带来的与弧柱温度相对应的热能IUT因此阳极上的总产热能为： QA=I〔UA+UW+UT〕 〔8〕式中 QA——阳极区的产热； UA——阳极区压降。

式〔8〕为阳极产热表达式阳极产热的能量主要用于阳极的加热、熔化和散热损失这也是焊接过程中可以直接利用的能量1.14 试述焊接电弧的温度及温度分布焊接电弧是一个不均匀的导体焊接电弧的温度与其导电机构有关，也与其电流密度分布有关，也就是与能量密度的分布有关；另一方面还与散热条件有关电弧的温度是产热与散热能量平衡的结果在弧柱局部温度的轴向分布如图19所示温度分布与电流密度及能量密度分布相对应，但在两极却不同，在两极的能量密度很高，但由于受到电极材料沸点的限制，两个电极的温度较低表2列出了不同电极材料为阴极和阳极时的温度数据表2 各种材料作为阴极与阳极时的温度金属CWFeNiCuAl阴极350030002400240022003400阳极420042002600240024003400熔点－3683181217281356933沸点－62033013300328682333可以看出，一般情况下阴极与阳极的温度要低于电极材料的沸点阳极的温度往往高于阴极的温度这里铝例外，由于铝外表有氧化膜，对测量温度有影响，所以铝阴极和阳极温度高于铝的沸点弧柱的温度受电极材料、气体介质、电流大小和拘束程度等多种因素的影响。

在常压下，当电流由1～1000A变化时，弧柱温度可在5000～30000K之间变化钨和铜电极与碳和碳电极之间的电弧纵断面等温线如图20所示可以看到，靠近电极小的一端〔靠近焊丝或焊条〕电流密度高，则电弧温度也高，而与电极极性无关电弧空间的温度上下，受电弧空间金属蒸气成分的影响很大，图21说明了弧柱温度与金属蒸气电离能的关系如果电弧空间无金属蒸气，由于Ar的电离势较高，电弧空间的电离度较小，则电场强度提高当电极金属大量蒸发时，由于金属蒸气的电离能显著大于Ar，故电离度增加，则电弧温度降低电弧周围的气氛是多原子气体，如CO2、O2、H2、H2O和N2等由于气体解离吸热，也将使电弧温度升高同样道理，当电弧周围有气流高速流动时，电弧温度将升高；当焊接电流增大时，弧柱温度增加1.15 试述焊接电弧的热效率焊接时通过电弧将电能转换为热能，利用这种热能来加热和熔化焊丝与工件但是这一局部热能并不全部用于加热工件，只是其中一局部热能加热了工件为了说明这一性能，提出了焊接电弧热效率的概念，即由焊接电弧析出的热能并真正用于加热焊件的功率与总功率之比焊接电弧总功率PO为： Po=IaUa 〔9〕式中 Ia——电弧电流； Ua——电弧电压。

设P为有效加热工件和焊丝的功率，则： P=ηPo 〔10〕式中 η——焊接电弧热效率，它与焊接方法、焊接参数和周围条件有关常用焊接方法的热效率见表3由表3可见，熔化极电弧焊的η值较高，而钨极电弧焊的η值较低因为钨极不熔化，它不能像熔化极那样，可以通过熔滴将加热焊丝的能量带给熔池焊接参数的影响也很明显，电弧的热效率η随着弧长的增加，电弧电压的提高而下降，随着电弧电流的增大或电弧潜入熔池而增加这主要反映在弧柱局部的辐射与对流损失上表3 各种弧焊方法的热效率η弧焊方法η弧焊方法η焊条电弧焊0.65～0.85熔化极氩弧焊〔MIG〕0.70～0.80埋弧自动焊0.80～0.90钨极氩弧焊〔TIG〕0.65～0.70CO2气体保护焊0.75～0.901.16 什么是冷阴极和热阴极.它们有哪些特征.冷阴极是熔点和沸点低的阴极，如铜、铁、铝阴极等热阴极是熔点和沸点高的阴极，如碳、钨阴极等热阴极因其温度高，阴极具有较多的高速自由电子，它们有较高的动能，类似于外表气化现象，这些高速电子可以抑制金属外表的约束力而逸出金属外表，这种形式的电子发射称为热电子发射。

它所用的电极称为热阴极热阴极的特征是，阴极斑点固定不动，电流密度低和交流电弧稳定冷阴极因其温度低，不能实现电子发射，而依靠场发射的作用，向弧柱提供电子冷阴极的特征是，阴极斑点游动，电流密度高和交流电弧不稳定1.17 什么是正极性和反极性.直流电弧焊或电弧切割时，焊件与焊接电源输出端正、负极的接法称为极性极性分正极性和反极性两种焊件接电源输出端的正极，电极接电源输出端的负极的接法为正极性〔常表示为DCSP〕反之，焊件接电源输出端的负极，电极接电源输出端的正极的接法为反极性〔常表示为DCRP〕欧美常常用另外一种表示方法，将DCSP称为DCEN，而将DCRP称为DCEP1.18 熔化极气体保护电弧焊〔GMAW〕时是阴极产热多，还是阳极产热多.熔化极气体保护电弧焊〔GMAW〕时，电极均为低熔点材料〔Fe、Cu和Al等〕，这时阴极为冷阴极假定弧柱温度为6000K，则弧柱温度的等效电压UT≈1V，当电流密度较大时，UA≈OV阴极与阳极产热为： QK =I〔UK－UW－UT〕 QA =I〔UA＋UW＋UT〕因UT、UA较小，可以忽略，则上式可以简化为： QK =〔UK－UW〕IQA =IUW因UK >> UW〔UK =11～14V，UW =4.2～4.5 V〕。

所以QK>> QA，也就是在GMAW中，阴极产热大于阳极产热例如焊丝的熔化系数，DCSP为DCRP的1.5倍从熔池形状看，DCSP的熔深比DCRP小1.19 熔化极气体保护电弧焊如何选择极性.选择极性的原则首先应满足电弧稳定性，其次才是焊丝的熔化系数和焊缝成形等通常GMAW都采用DCRP尽管焊丝熔化系数低些，但由于电弧稳定，也就是阳极主要分布在焊丝端头，保证弧长根本不变，从而保证了焊丝熔化和熔滴过渡均匀反之，采用DCSP接法，焊丝为阴极，这时阴极斑点沿焊丝外表上下跳动，引起电弧十分不稳定和熔滴过渡缺乏规律性另一方面从焊透情况看，也希望采用DCRP接法这时焊缝成形好，焊铝时又有阴极清理作用而DCSP接法时，焊缝余高较大，熔深浅，焊缝成形不良只有在堆焊工艺时，采用DCSP接法，为的是熔敷速度快总之，GMAW法焊接时，通常均采用直流反极性〔DCRP〕1.20 钨极氩弧焊时如何选择极性.钨极氩弧焊采用直流正极性〔DCSP〕，钨极为阴极，因钨极的熔点和沸点高，为热阴极钨极发射电子能力强，在其发射电子的同时，带走了逸出功的热量，对钨极产生了冷却作用因此可以采用较细的钨极，通过较大电流，电流密度较大，则电弧稳定，焊缝成形良好，形成深而窄的焊缝形状。

甚至在将钨极端头磨成圆锥状的情况下，焊接时仍能保持圆锥尖的形状，使得电弧在尖端处产生，于是尽管小电流时，电弧仍十分稳定，有利于焊接薄板DCSP法主要用于钢、铜和钛等金属的焊接直流反极性〔DCRP〕时，钨极为阳极，弧柱中的电子带来弧柱高温和进入阴极时释放逸出功，这些能量均用于加热钨极，而使钨极过热和熔化因此在钨极为阳极时许用电流很小，仅为钨极为阴极时的1/10左右钨极端头形状都是圆球状另一方面，工件为阴极，阴极斑点不稳定由于阴极斑点的游动，使得电弧分散，加热不集中，而得到浅而宽的焊缝，如图22所示同时对于铝及其合金，由于其氧化膜的逸出功较低，所以阴极斑点游动时，不断地寻找和清理氧化膜，从而该接法适于焊接铝基和镁基合金由于反极性易使钨极烧损而造成焊缝夹钨，实际上DCRP法很少采用考虑到钨极的许用电流、电弧稳定性、焊缝成形及阴极清理作用等因素，焊接铝合金时不宜采用直流电流DCRP法有钨极烧损和阴极清理作用，而DCSP法钨极许用电流大，较小烧损，但却没有阴极清理作用因此焊接铝合金时，主要采用交流电流〔AC〕总之，钨极氩弧焊时，对钨极而言，阳极比阴极产热多，这一点不同于GMAW铝、镁及其合金采用交流，薄件也可以采用DCRP法〔但不推荐〕。

其余金属如钢、铜和钛等都采用直流正极性〔DCSP〕接法1.21 为什么小电流电弧不稳定.电弧的主要特征是在低电压下通以大电流〔几～几万安〕在电流较小〔＜电源电压较高时，可能产生辉光放电只有当电流大于几安以上时，才有可能产生电弧放电过程从电弧静特性曲线可知，在小电流时局部电弧静特性是下降特性也就是电流越小，越要求电弧电压高才能稳定燃烧这是因为焊接电流越小，弧柱越细，弧柱周围空间散热的相对面积越大，于是周围气体对电弧的冷却作用越强，电弧越难以维持弧柱高温〔电弧空间温度必须在3000K以上才能保持碱金属的热电离〕，为此要求电弧具有较高的电场强度和电弧电压另一方面，焊接电流较小时，阴极和阳极斑点都不停地跳动，对电极的加热作用也差，则电极温度低，热电子发射能力也低，只有依靠场致发射来提高阴极压降这就说明为使小电流电弧稳定，电源必须提供较高的电压总之，小电流电弧在外界条件影响下，极易受干扰，电弧不稳定，甚至熄弧通常TIG焊〔DCSP〕时最小稳弧电流远远小于GMAW法如在TIG焊〔DCSP〕，使用小于φ1的细钨极在3～5A小电流时可以获得稳定的电弧过程但是工件一侧的阳极斑点粘着作用十清楚显，阳极斑点不断地跳动。

如在TIG焊不锈钢薄板时，由于阳极斑点跳动，而引起焊缝不连续如图23所示TIG焊薄板铝合金时，应使用交流小电流焊接这时除与直流特点一样外，交流电流过零点时电弧熄灭，电弧空间消失，需要较高的再引燃电压才能引弧随着焊接电流的减小，再引燃电压提高尤其在铝为负半波时，如果不加再引燃电压，则电弧将难以再引燃通常最小稳弧电流可以到达10A左右对于熔化极气体保护电弧焊的小电流稳弧问题主要是由于熔滴过渡而引起的电弧不稳，而且最小稳弧电流往往比TIG焊更大些1.22 为什么气体保护电弧焊怕风.风对气体保护电弧焊的影响主要表现在两个方面：首先风影响电弧稳定性当风直接吹到电弧上，对电弧产生冷却作用，按最小电压原理，电弧在风作用下具有保持最小能量消耗的特性，则电弧将自动收缩当产热不能与散热平衡时，电弧熄灭可以认为当风较大时电弧可能被风吹灭其次风能破坏保护气流形状，缩小有效保护围图24是CO2气体保护焊焊枪喷出的CO2气体自由喷流，可见无风时，有效保护围大；而有风时，气流变形而减小有效保护区总之，气体保护电弧焊怕风〔包括自然风或强迫通风〕当风不太大时就可能破坏保护效果，甚至吹熄电弧1.23 为什么在电流一样的情况下，不同保护气体的电弧电压不同.前面已经谈到，沿弧长按导电机理的不同分为3个区域，即阴极区、弧柱区和阳极区。

其中阴极区与阳极区都是很小的长度，与弧柱区相比均可忽略不计，也就是弧长主要指弧柱的长度当弧长一定时，电弧电压主要由弧柱电场强度E来决定如表4中所示，以空气的电场强度为1，CO2的弧柱电场强度为空气的1.5倍H2在高温下分解吸热和有较大的扩散能力，对电弧产生冷却作用，使得已具有更高的电场强度，大约为空气的10倍相反，单原子Ar的电场强度较低，仅为空气的一半实际上当弧长一定时，各种保护气体情况下的电弧电压Ua也就能确定，如图25所示与表4的弧柱电场强度E的规律类似表4 几种气体弧柱电场强度值气体Ar空气N2CO2O2H2OH2电场强度相对值0.511.11.52.04.0101.24 外加磁场对电弧能产生什么作用.电弧是一种等离子体，其中充满了正离子、电子和原子等带电粒子在磁场作用下将受到劳伦兹力的作用，其结果将改变电弧形态或移动轨迹因此常常利用外加磁场对电弧进展控制主要控制方式有3种：外加横向磁场、外加纵向磁场及外加尖角形磁场1、外加横向磁场对电弧的作用外加横向磁场是指磁力线垂直通过电弧轴线，如图26所示如果加一个固定的横向磁场，根据左手法则电弧偏向一侧，如图26b所示假设外加一个交变的磁场，在交变磁场的作用下，电弧也按同样频率摆动，相当于把电弧的加热区加宽，如图26c所示。

这种方法可以用来焊接薄板，也可以用来控制堆焊电弧得到较浅的熔深，还有用于旋弧焊管2、外加纵向磁场对电弧的作用通过绕组如图27所示的形式绕在电极的轴线上，则外加磁场磁力线的方向与电弧轴线方向平行，这种磁场称为纵向磁场弧柱中的每一带电粒子在磁场中运动，所受劳伦兹力为： F=BνQ 〔11〕在弧柱中带电粒子的运动方向与磁场B的方向一样时，产生的电场力为0然而，在弧柱断面带电粒子的浓度从中心到周边逐渐减小该浓度差引起从中心向四周的扩散如果带电粒子沿弧柱的径向运动分量为ν*，它垂直于纵向磁场强度B，这时产生的劳伦兹力FZ对正在扩散中的电子〔或离子〕进展作用〔如图27c所示〕，使之产生圆周运动，其运动速度为νZ沿半径γ作圆周运动的电子，在纵向磁场β的作用下，产生向心力F*〔如图27d〕，此点的向心加速度α为：ν2*α = ── 〔12〕γ在此处受到的向心力F=mα，劳伦兹力为F=BνZQ，则： mα=BνZQν2*m── = BνZQγ mνz所以： γ =───〔13〕 QB式中 m——电子质量，g；νz——电子运动速度在垂直磁力线方向的分量，m/s； B——磁感应强度，T。

因为这个带电粒子除了有νz运动速度外，还有νy运动速度，所以带电粒子的实际运动路线是以γ为半径的螺旋线因此在外加纵向磁场的作用下，电弧中带电粒子的运动将变成沿磁力线方向的螺旋运动外加磁场强度越大，螺旋的半径越小带电粒子在劳伦兹力作用下进展着螺旋运动，在运动的过程中不断地与中性粒子发生碰撞，结果带动电弧发生旋转随着磁场强度B增大，旋转半径减小，电弧收缩，可以使焊缝熔深增大，改善焊缝成形3、外加尖角形磁场对电弧的作用外加尖角形磁场产生装置如图28所示由于磁场的作用可以使电弧断面成为椭圆形使弧柱的能量密度和电场强度提高通过改变磁场的励磁电流的特点，就能改变电弧特点于是能改变电弧形态，焊缝成形以及焊缝结晶特点等1.25 保谓电弧挺度.电弧挺度是指在热收缩和磁收缩等效应的作用下，电弧沿电极轴向挺直的程度产生电弧挺直性的原因是在电极〔焊丝〕过电流，则在电极及其延长线的电弧中，将按右手法则产生磁场，该磁力线所在平面垂直于电极轴，并为绕轴的同心圆，如图29a所示沿电极轴线的电流与磁力线相交而产生电磁力，按左手定则确定电磁力的方向，该力使电弧向中心收缩使电弧不是在与工件最近处发生，而是沿电极轴线的延长线上，如图29b所示。

这就说明了电弧的挺直度通常焊接电流越大或电弧周围冷气流的流速越大，则电弧的挺度也越大1.26 什么是焊接电弧的磁偏吹.直流电弧焊时，因受到焊接回路中电磁力的作用而产生的电弧偏吹称为电弧的磁偏吹正常情况下，如图30a所示电级通电，在其周围产生的磁场是对称的，所以不产生磁偏吹而有时由于磁场的不均匀，如图30b所示，电极左边的磁力线密度比右边大，则在左边将产生较大的作用力FL，而右边的作用力FR较小，于是电弧被推向右侧，而成为磁偏吹磁偏吹常常在如下几种情况下产生：〔1〕电源与工件的接线位置引起的磁偏吹焊接时不仅电流通过焊条与电弧在空间产生磁场，通过工件的电流也会在空间产生磁场当焊条垂直于工件时，由于电流通路在电弧处相互垂直，则在电弧左侧的空间为两段导体周围产生的磁力线叠加〔图31〕，提高了该处磁力线密度，而电弧右侧的空间只有电弧本身产生的磁力线，因此磁力线密度比左侧的小，在电弧周围磁力线密度分布不均匀，使磁力线密度大的地方产生对电弧的推力，并指向磁力线密度小的地方，使电弧偏离焊条轴向，形成电弧的磁偏吹如果焊条向右方倾斜，调整一下电弧左右两侧空间的大小，使两侧磁力线密度趋向平衡，则可以减小电弧偏离焊条轴线的程度，亦即减小磁偏吹。

电弧长度减小，磁偏吹现象也要减弱，因为电弧长度减小，磁场对电弧作用的合力也减弱〔2〕电弧附近的铁磁物质所产生的磁偏吹当电弧的一侧放置一块钢板〔良导磁体〕时，则电弧偏离焊条轴线指向钢板，如图32所示因为在电弧一侧放置钢板后，钢板是良导磁体，磁力线将力求走磁阻小的通路，使较多的磁力线集中到钢板中，电弧空间右侧的磁力线密度显著降低，破坏了空间磁力线分布的均匀性，电弧偏向钢板的一侧，看上去好似钢板吸引了电弧，实质上电弧是被另一侧较强的磁场推了过去，电弧一侧放的钢板越大或距离越近，引起磁力线密度分布不对称越加剧，电弧的磁偏吹就越厉害当焊接电弧走到钢板的端部时，也容易发生电弧向钢板一侧的磁偏吹现象，如图33所示这是因为电弧到达钢板端头时，导磁面积发生变化引起的靠近端部导磁面积小，电弧加热过的焊缝靠近电弧的局部温度很高，可能在居里点以上而导磁性不好，结果都使靠近工件边缘的地方通过磁力线密度增加，也造成了空间磁力线密度的不均匀，故产生指向工件侧的磁偏吹，这种磁偏吹对坡口中心电弧尤其明显〔3〕交流电弧的磁偏吹前边介绍的是直流电弧磁偏吹的情况，下面介绍交流电弧的情况，交流电流的方向在不断地变化，同时电弧自身引起的磁场的方向也在不断地变化，而电流导体受磁场作用力的方向与直流一样是不变的，如果在电弧空间周围磁场与直流一样，分布不均匀，也引起磁偏吹，磁偏吹的方向也与直流一样。

实际经历证明交流电弧的磁偏吹比直流电弧弱得多，如在直流焊接情况下150A电流就会出现磁偏吹问题，而交流电弧电流为300A时磁偏吹现象也不明显造成这种现象的原因之一是交流电流引起的磁场是在不断地改变方向，变化的磁力线在母材中引起的涡流损失增加，这个涡流电流有抵消形成磁场的作用，使合成的磁场变弱另外因交流电流和磁场都是变化的，不均衡磁场对电弧的作用力也是同相位进展变化，磁场强度与电流大小成比例，不均衡磁场对电弧磁偏吹作用力也与电流成比例正弦波电流在1/2半波电流由零增到最大值电弧偏离焊条轴线到最大值需要一定的时间，而电流到达最大值时〔1/2 半波处〕立刻减小，磁偏吹力也减小，电弧来不及偏离到最大值也要随磁偏吹力的减小而回到焊条轴线位置因此交流电弧磁偏吹现象比直流电弧显著减弱生产中经常遇到磁偏吹现象，磁偏吹严惩时焊接过程不稳定，操作难以控制，焊缝成形不良可用以下方法消除和减少磁偏吹：1〕在可能时用交流电源代替直流电源2〕尽量用短弧进展焊接，电弧压得越低，磁偏吹越小3〕对于长和大的工件可以采用两边连接地线的方法4〕假设工件有剩磁，焊前要设法消除5〕尽量用厚皮焊条代替薄皮焊条6〕防止周围铁磁物质的影响。

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