一、焊丝的加热和熔化特性 二、熔滴上的作用力 三、熔滴过渡的主要形式及特点
一、焊丝的加热和熔化特性
1、焊丝的热源 电弧焊时，主要热源是电弧热和电阻热。 熔化极时，阴（阳）极区电弧热及电阻热； 非熔化极时，主要靠弧柱区产生的热量。 其中：阴极区的产热功率：PK=I（UK-UW）； 阳极区的产热功率：Pa=IUW 电阻热：PR=I2RS；RS=ρLS/S 2、焊丝的熔化特性 焊丝的熔化特性指焊丝的熔化速度和焊接电流之间的关系。 在其他条件相同的情况下，焊丝电阻率和熔化系数越大， 焊丝熔化速度越快，反之，熔化速度越慢。图示为熔化 下一页 特性与焊丝直径的关系及熔化特性与伸出长度的关系。
焊接工艺 （焊接方法与设备）
第一单元 电弧焊的基础知识
第一单元 电弧焊的基础知识
综合知识模块一 焊接电弧 综合知识模块二 焊丝的熔化与熔滴过渡 综合知识模块三 母材熔化与焊缝成形
综合知识模块一 焊接电弧
能力知识点1 焊接电弧的物理基础 能力知识点2 焊接电弧的导电性 能力知识点3 焊接电弧的工艺特性
焊丝的熔化特性与焊丝直径及伸出长度的关系
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二、熔滴上的作用力
1、重力：平焊时，促进熔滴过渡；其他位置时，阻碍熔滴过渡。 2、表面张力：表面张力是指向焊丝端头上保持熔滴的作用力。平 焊时，阻碍熔滴过渡；其他位置有利于熔滴过渡。如图所示。 3、电弧力：电弧力包括电磁收缩力、等离子流力、斑点压力等。 其中电弧力和等离子流力促进熔滴过渡；斑点压力总是阻碍熔滴 过渡。 4、熔滴爆破力：当熔滴内部因冶金作用而生成气体或含有易蒸发 金属时，在电弧高温作用下将使气体积聚、膨胀而产生较大的内 压力，致使熔滴爆破。它促使熔滴过渡。 5、电弧的气体吹力：焊条电弧焊时，焊条药皮的熔化滞后于焊芯 的熔化，在焊条端部形成套筒，此时，药皮中的造气剂产生的气 体在高温下急剧膨胀，从套筒中喷出作用于熔滴。不论何种位置 的焊接，电弧气体吹力总是促进熔滴过渡。
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三、焊接电弧的工艺特性
1、电弧的热能特性 2、电弧的力学特性 3、焊接电弧的稳定性
1、电弧的热能特性
（1）弧柱的产热特性：单位长度弧柱的电能为EI，它 的大小决定了弧柱产热量的大小。当电弧处于稳定状 态时，弧柱的产热与弧柱的热损失处于动平衡状态。 （2）阴极区的产热特性：阴极区的产热功率为： PK=IUK-IUW-IUT （3）阳极区的产热特性：阳极区的电流由电子流和正 离子流两部分组成，其中正离子流所占比例很小。阳 极区的总产热功率为：Pa=IUa+IUW+IUT
阳极区的导电特性
阳极斑点:阳极斑点是电子集中轰击的区域. 阳极区的导电形式: (1)阳极区的场致电离:当电弧较小时,阳极前面的电子数必将 大于正离子数,形成负的空间电场,并使阳极与弧柱之间形成 一个负电性区-阳极区.阳极区内的带电粒子被这个电场加速, 使其在阳极区内与中性粒子产碰撞产生场致电离.压降较大. (2)阳极区的热电离:当电弧电流较大时,阳极的过程程度加剧, 金属产生蒸发,阳极区温度也大大提高.阳极区将主要以热电 离为主,压降较低.
焊接电弧的物理基础
场致电离：在两电极间的电场作用下，气体中的带电 粒子数增加，电能将转换为带电粒子的动 能，当带电粒子的动能增加到一定数值时 则可能与中性粒子发生非弹性碰撞而使之 产生电离。 产生位置：阴极压降区和阳极压降区 原因：在电场作用下→电场强度高 （阴、阳区E=105-107V/cm>>弧柱区E=10V/cm）
磁偏吹形成示意图
引起磁力线分布不均示意图

(5)其他影响因素
电弧长度的影响:如果电弧过长,电弧就会发生 剧烈摆动,从而破坏焊接电弧的稳定性。 焊接件表面状态的影响：焊接处如有油漆、水 分和锈层等，也会使稳定性下降。 外界环境的影响：强风、气流等因素会造成电 弧偏吹，使电弧稳定性下降。
第二节 焊丝的熔化与熔滴过渡
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电弧的温度分布
（1）轴向：阴极区和阳极区的温度较低，弧柱温度较高。 （2）径向：弧柱轴线温度最高，沿径向由中心至周围温度 逐渐降低，如图所示。
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2、电弧的力学特性
（1）电磁收缩力：当电流流过 导体时，电流可看成是由许多 相距很近的平行同向电流线组 成，这些电流线之间产生相互 吸引力。电弧是可变形导体， 将使导体产生收缩，这种现象 称为电磁收缩效应，产生电磁 收缩效应的力称为电磁收缩力。 如图所示。
焊接电弧的物理基础
3.带电粒子的消失 3.带电粒子的消失
焊接电弧的导电特性
一、弧柱区的导电特性
二、阴极区的导电特性
三、阳极区的导电特性
弧柱区的导电特性
1、弧柱区的温度 弧柱区的温度随电弧气体介质、电流大小的不同而不 同，大约在5000~50000K之间。 2、弧柱中的电流 弧柱中的电流是由向阴极运动的正离子流和向阳极 运动的电子流的组成。由于电子的运动速度大于正 离子的运动速度，因此弧柱中的电流主要由电子流 构成。 3、最小电压原理 当电流和电弧周围条件（如气体介质种类、温度、 压力等）一定时，稳定燃烧的电弧将自动选择一个 确定的导电截面，使电弧的能量消耗最小。
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三、焊接电弧的稳定性
定义：焊接电弧的稳定性是指电弧保持稳定燃烧（不 产生断弧、飘移和偏吹等）的程度。 影响稳定性的因素： （1）焊接电源 （2）焊条药皮或焊剂 （3）焊接电流 （4）磁偏吹 （5）其它影响因素
（1）焊接电源的影响
焊接电源的特性：电弧焊时，电源必须提供一 种能与电弧静特性相匹配的外特性才能保证电 弧稳定燃烧。 焊接电源种类：直流电源比交流电源稳定。 焊接电源的空载电压：具有较高空载电压的焊 接电源引弧容易，电弧稳定。
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电弧的力学特性
（2）等离子流力：因电弧呈圆锥状， 使电磁收缩力在电弧各处分布不均匀 ，具有一定的压力差，形成了轴向推 力。在此推力作用下，将指导靠近电 极处的高温气体推向焊件方向流动， 形成有一定速度的连续气流进入电弧 区。新加入的气体被加热和部分电离 后，受轴向推力作用继续冲向焊件， 对熔池形成附加的压力，熔池这部分 附加压力是由高温气流（等离子流） 的高速运动引起的，称为等离子流。
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阴极区的导电特性
1、热发射型阴极区的导电特性 当采用热阴极且使用较大电流时，阴极区可加热到很高温度时， 这时阴极主要靠热发射提供电子流来满足弧柱导电的需要。 这种情况下，阴极斑点在电极表面十分稳定，其面积较大而 且比较均匀，紧挨阴极表面的弧柱不呈现收缩状态，阴极区 的电流密度与弧柱区也相近，阴极区电压降很小。 2、电场发射型阴极区的导电特性 阴极区的温度较低,在靠近阴极的区域,正电荷过剩形成较强的 正电场,并使阴极与弧柱之间形成一个正电性区.同时使阴极 返回 产生场致发射,向弧柱提供所需要的电子流.
熔滴上的作用力示意图
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三、熔熵过渡的主要形式及特点
1、自由过渡 （1）滴状过渡：滴状过渡分为粗滴过渡和细滴过渡两种。 粗滴过渡：在电流较小，电弧电压较大时易形成； 特点：靠重力克服表面张力实现过渡，熔滴存在时长， 尺寸大，飞溅大，电弧的稳定性及焊缝质量都较差。 细滴过渡：在电流较大时易形成。 特点：靠重力与电磁收缩力的作用实现过渡，熔滴存在 时间短，熔滴细化，过渡频率增加；电弧稳定性较高， 飞溅较少，焊缝质量提高。 （2）喷射过渡：形成机理如图所示。 特点：过渡频率快，飞溅少，电弧稳定，热量集中，对 下一页 焊件穿透力强，可得到指状焊缝，适合焊厚板。
焊接电弧的物理基础
电离种类：热电离、场致电离、 2）电离种类：热电离、场致电离、光电离
热电离：气体粒子受热作用产生电离的过程。 热电离产生实质：气体粒子热运动→粒子间碰撞→电离 电离度：单位体积内电离的粒子数与气体电离前粒 子总数的比值。（x） X=已电离的中性粒子密度/电离前的中性粒子密度 影响因素：①温度②气体压力③气体电离电压
喷射过渡形成机理示意图
在氩或富氩保护气体中，当焊接电流较小时，电弧与熔滴的形态如图a) 所示，此时的电磁收缩力较小，所以熔滴在重力作用下呈大颗粒状过 渡。随着焊接电流的增加，电弧的电极斑点笼罩面积逐渐扩大，以致 达到熔滴的根部，如图b)所示。这时熔滴与焊丝间形成细颈，全部电流 都通过细颈流过，该处电流密度很高，细颈被过热，其表面将产生大 量金属蒸气，从而使细颈表面具备了产生电极斑点的有利条件，电弧 将从熔滴根部跳至细颈根部， 如图c)所示。形成跳弧之后， 焊丝未端已经存在的熔滴脱 离焊丝，电弧随之变成图d） 所示的圆锥状，形成较强的 等离子流力，在各种电弧力 的作用下，液态金属以细小 颗粒连续不断地冲向熔池。 形成喷射过渡。 下一页
焊接电弧的物理基础
光电离：中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电 离过程。 适用范围：K、Na、Ca、Al等金属蒸汽（次要途径）
焊接电弧的物理基础
⑵阴极电子发射
从阴极发射的电子在电场加速下碰撞电弧导电空间的中性 气体粒子而使之电离，这样就使阴极发射充当了维持电弧导电 的“原电子之源” 1）电子发射与逸出功 电子发射：阴极中的电子受到一定外加能量作用时，从 阴极表面逸出的过程称为电子发射。 逸出功： 1个电子从金属表面逸出所需要的最低外加能 量称为逸出功。（Aw） 单位：eV 逸出电压Uw=Aw/e 影响因素：电极材料种类和表面状态
焊接电弧的物理基础
2）阴极斑点 特征：微小、烁亮，发射电子最集中的区域（电流最集中 流过的区域） 形态： 与阴极类型有关 热阴极：斑点固定不动（钨、碳） 冷阴极：斑点在阴极表面做不规则游动（钢、铜） 作用： 清除氧化物
焊接电弧的物理基础
电子发射的类型（根据外加能量形式） 2）电子发射的类型（根据外加能量形式） 热发射：阴极表面因受热的作用而使其内部的自由电子产生 电子发射的现象。 影响因素：材料的沸点 场致发射：阴极内部的电子受到电场力的作用，从阴极表面 逸出的现象。 光发射：当阴极表面受到光辐射时，阴极内的自由电子能量 达到一定程度 而逸出阴极表面的现象。 粒子碰撞发射：电弧中高速运动的粒子碰撞阴极时，把能量 传递给阴极表面的电子，使电子能量增加而 逸出阴极表面的现象。