第一章 焊接电弧Word文件下载.docx
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电离电位与激励电位的大小取决于各种元素原子的性质。
电离现象不但发生于气体元素中，而且更容易发生在在金属元素中。
表1—1是表示各种元素所具有的电离电位和激励电位的大小。
表1-1某些元素的电离电位、激励电位和电子逸出功
电位/eV
元素
K
Na
Ca
Ti
Mn
Mg
Fe
W
H
O
N
Ar
F
He
电离
4.33
5.11
6.10
6.80
7.40
7.61
7.83
8.0
13.5
13.6
14.5
15.7
16.9
24.5
激励
1.60
2.10
1.90
3.30
3.10
4.79
10.2
7.90
6.30
11.6
19.7
电子逸出功
2.26
2.33
2.90
3.92
3.76
3.78
4.18
常态下，碱土金属的原子具有较小的的电离电位，因而较容易失去电子，电离成阳离子。
而卤族元素的原子电离电位较大，较难电离成阳离子，相反却容易形成阴离子。
电弧中的带电质点主要是电子和阳离子，如电弧中阴离子较多就容易与阳离子结合成中性粒子而降低电弧的稳定性。
因此，常在焊条中加入一些低电离电位的物质，如水玻璃、碳酸钠等，以提高焊接电弧的稳定性。
电弧焊接时，造成气体电离的方式主要有：
电厂作用下的电离、热电离、光电离等。
1.电场作用下的电离电场作用下的电离实质上就是带电质点与中性原子相互碰撞而发生电离的过程。
带点粒子在电场作用下，各作定向高速运动，产生较大的动能，当它们撞击中性原子时，就把能量传给中性原子，这时如果撞击的能量大于原子核与电子间的引力时，则使该原子发生电离。
当带电粒子不断与中性原子碰撞时，则中性原子不断电离成电子和阳离子。
如果被电离气体原子的电离电位越低，阴极电子发射越强烈，则电离的作用越剧烈。
当电弧长度不变，两电极间的电压越高，电场作用力越大，则电离作用越大，电弧燃烧越稳定。
2.热电离在高温下，由于气体原子受热的作用而产生的电离称为热电离。
其实质是由于原子间的热碰撞而产生的一种电离。
气体原子的运动与温度有关，当气体温度越高时，原子运动速度也越高，动能也越大，则热电离作用也越强烈。
在某一温度下，气体原子的质量越小，其运动速度越高。
由于气体原子的热运动是无规则的运动，原子间会发生频繁的碰撞，当原子的运动速度足够大时，原子间的碰撞会引起气体原子的电离或激励。
焊接电弧中心的温度约在6000K以上，热电离在该部分极易发生。
3.光电离中性原子受光辐射的作用而产生的电离，称为光电离。
（三）阴极电子发射
阴极表面的原子或分子，吸收了外界的某种能量而发射出自由电子的现象，称为阴极电子发射。
焊接时，气体的电离是产生电弧的必要条件，但是，如果没有气体电离而阴极不能发射电子，没有电流通过，那么电弧还是不能形成。
因此阴极电子发射也和气体电离一样，两者都是电弧产生和维持的重要条件。
一般情况下，电子是不能自由离开金属表面向外发射的。
要是电子逸出电极金属表面而产生电子发射，就必须嫁给电子一定的能量，使它克服电极金属内部正电荷对它的静电引力。
所加的能量越大，促使阴极产生电子发射的作用就越强烈。
电子从阴极金属表面逸出所需要的能量称为逸出功,电子的逸出功的大小与阴极的成分有关。
不同金属其逸出功是不一样（表1-1）。
若所加的能量相同，则逸出功小的金属其阴极电子发射程度就越大。
如电极中或电极表面含有稀土金属、碱金属或碱土金属元素的物质时，就能增强阴极的电子发射作用。
例如，在焊条中由于涂药含有较多的钾、钠、钙等化合物，有利于阴极电子的发射，从而促使电弧燃烧稳定。
焊接时，根据阴极所吸收能量的不同，所产生的电子发射有热发射、电场发射、撞击发射等。
阴极发射电子后，又从焊接电源获得新的电子。
1.热发射焊接时，电极金属表面因受热能作用而产生的电子发射现象，称为热发射。
电弧焊时，阴极表面的温度很高，阴极中的电子运动速度也很快，当电子的动能大于电极内部正电荷对它的静电引力时，电子就会冲出阴极表面而产生热发射。
电极加热温度越高，则从其表面逸出电子的数目也就越多，电子发射的能量就越强，从而促使电弧空间气体的碰撞电离也就越强烈，因此就月有利于电弧的稳定燃烧。
2.电场发射当电极金属表面空间存在一定强度的正电场时，金属内的电子，使其能量增加而逸出金属表面。
这种现象称为电场发射。
增大两电极的电压或减小两电极间距离都能增加电子发射。
电场强度越大，电场发射作用就越大。
3.撞击发射高速运动的阳离子撞击金属表面时，将能量传给金属表面的电子，使其能量增加而逸出金属表面。
这种现象称为撞击发射。
如果电极强度越大，在电场的作用下正离子的运动速度也越高，则产生的撞击分发射作用就越大。
在电弧焊时，以上集中电子发射作用常常是同时存在的，相互促进的，但在不同的条件下，它们所起的作用可能可能稍微有差异。
例如，在引弧过程中，热发射作用和电场发射起着主要作用，电弧正常燃烧时，如果用熔点较高的材料（钨或碳等）作阴极，则热发射作用较显著；
若用同或铝等作阴极时，撞击发射和电场发射就成主要因素；
而钢作阴极时，则和热发射、撞击发射、电场发射都有关系。
二、焊接电弧的引燃过程
我们把开始造成两极间气体发生电离及阴极电子发射而引起电弧燃烧的过程叫做电弧的引燃过程。
电弧的引燃可以用如下两种方法：
第一种方法是将两极相互靠近到只有1~2mm的间距，这时如果在两极间加有很高的电压（月在1000V以上），那么在强电场作用下，阴极上的电子即可以克服内部正电荷对它的静电引力而引出阴极表面，，产生电场发射，造成空气中放电而形成电弧，但是，种种方法因为电压极高，危险性很大，因此实际上并不采用。
第二种方法是先将两电极相互接触，然后迅速拉开两电极相互接触，然后迅速拉开3~4mm的距离来引燃电弧。
焊条电弧焊和埋弧焊就是利用这种方法来引燃电弧的。
将通上焊接电源的焊条或焊丝末端与焊件表面相接触，然后很快地将焊条或焊丝拉开至与焊件表面3~4mm的距离，则电弧就在焊条或焊丝与焊件的间隙中燃烧了。
焊条电弧焊时，当焊条末端与焊件接触时，它们的表面都不是绝对平整的，只是在少数突出点上接触，接触部分通过的短路电流密度非常大，而接触面积又很小，这时产生大量电阻热，使电极金属表面发热、溶化，甚至蒸发、汽化，引起相当强烈的热发射和热电离。
随后在拉开电极的瞬间由于电场作用的迅速增强，又促使产生电场发射。
同时，已经形成的带，点知点在电场的作用下加速运动，并在高温条件下相互碰撞，出现了电场作用下的电离和撞击发射。
这样，使带电质点的数量猛增，大量电子通过空间流向阳极，电弧便引燃了。
电弧引燃后，在不同的焊接电源条件下，电离和中和是处于不同的动平衡状态，弧焊电源不断地供给电能，新的带电粒子不断得到补充，维持了电弧的稳定燃烧如图1-2所示。
焊接电源能否顺利的引燃，还与焊接电源的特征、电弧特性、焊接电流的大小和种类、焊条药皮的成分及电弧长度等因素有关。
第二节焊接电弧的构造极其静特征
一、焊接电弧的构造及温度
焊接电弧是阴极区、阳极区、狐柱三个部分组成的，以直流碳极电弧为例，如图1-3所示。
1.阴极区在阴极区的阴极表面有明亮的斑点，它是电弧放电时，阴极表面集中发射电子的微笑区域，称为阴极斑点。
在阴极斑点中，电子在电场和热能的作用下，得到足够的能量而逸出。
因此，阴极斑点是一次电场发射的发源地，也是阴极区温度最高的部分。
从阴极斑点发射出来的电子，受电场的作用迅速向阳极移动，电弧中被电离的微粒——阳离子则向阴极移动。
由于阳离子的质量比电子的质量大，因此阳离子的运动速度比电子要慢得多，结果在阴极表面附近的空间（约为10-5~10-6cm）每一瞬间运动着的阳离子的浓度比电子大得多，就使阴极表面附近所有阳离子的正电荷总和大大地超过所有电子的负电荷总和，所以在阴极表面附近的空间形成了一层阳离子层。
这样从阴极表面到阳离子层之间就形成较大的电位差，这部分电位差称为阴极压降。
由于阴极压降的存在，使阴极区造成局部的强电场（约为107~108V/m），加速了阴极表面的电子发射，同时也使阳离子加速进入阴极。
阴极获得的能量主要有：
阳离子到达阴极表面与电子复合成中性微粒时放出的能量；
由于阴极区的局部强电场也使阳离子得到加速动能，当它撞击到阴极表面时也析出能量。
这些能量都是传给阴极，使阴极温度升高。
阴极消耗的能量有：
阴极发射电子要消耗一些能量；
同时阴极金属材料的加热、熔化和蒸发要消耗很多能量。
阴极温度的高低主要是取决于阴极的电极材料，而且阴极的温度一般都不低于阴极金属材料的沸点，如碳极材料的沸点为4640K。
此外，如果增加电极中的电流密度，那么阴极区的温度也可以相应的提高。
2.阳极区电弧中的电子受阳极的吸引力向阳极移动，运动着的电子在阳极表面的空间（月10-3~10-4cm），相应的浓度较大，形成空间电场，造成电位差，这部分电位差称为阳极压降。
由于电子的质量小，运动速度大，所以电子在阳极表面附近聚集的浓度比阳离子在阴极附近聚集的浓度相应要小，因此阳极压降通常要低于阴极压降。
在阳极上也有光亮的斑点，它是电弧放电时，正电极表面上集中接受点的微小区域，叫做阳极斑点。
阳极获得的能量主要是：
电子对阳极撞击时析出的能量和电子到达阳极复合时放出的能量。
在一般情况下，和阴极比较，由于阳极能量只消耗于材料的熔化和蒸发，而不需要消耗发射电子的能量。
因此在和阴极的材料相同时，阳极斑点的温度略高于阴极斑点。
在实际生产中，还发现用不同的工艺方法焊接时，阳极与阴极的温度高低有变化（表1-2）。
这是由于电弧各区域的点过程特点不同，因而电弧的阴极和阳极所得到的能量也不同的缘故。
表1-2各种焊接工艺方法的阴极与阳极温度比较
工艺方法
一般的焊条电弧焊
钨极氩弧焊
熔化极氩弧焊
CO2气体保护焊
埋弧焊
温度比较
阳极温度>
阴极温度
阴极温度>
阳极温度
一般焊条电弧焊时，阳极温度比阴极温度高一些。
钨极氩弧焊时，阳极温度也比阴极温度高，这是因为钨极发射电子的能力较强，在较低的温度下就能满足发射电子的要求。
气体保护焊时，气体对阴极有较强的冷却作用，这样就要求阴极具有更高的温度及更大的发射电子的能力。
由于采用的电流密度较大，故阴极温度较阳极温度高。
例如CO2气体保护焊或Ar+CO2气体保护焊时，采用直流电源，熔化电极接负极，焊接时生产率能较高。
在使用含CaF2焊剂的埋弧焊时，因氟等蒸汽容易形成阴离子，则要求阴极能具备更强的发射电子的能力。
由于这些阴离子在阴极区与正离子中和时放出大量的能量，同时使用的电流密度也较大，所以阴极温度较阳极高
3.弧柱弧柱是电弧阴极区和阳极区之间的区域，由于阴极区和阳极区的长度极小，故弧柱长度就可以认为是弧长。
弧柱是自由电子、阴离子向阳极转移与阳离子向阴极转移过程的通路，也是发生电离作用以及电子、离子在转移过程中发生相互复合的场所。
弧柱的温度由于不受材料沸点的限制，因此因此通常高于阴极斑点和阳极斑点的温度，在弧柱中心温度可达6000K以上。
在弧柱的径向温度分布是不均匀的，弧柱中心的电离度高带电质点密度大，导电性能好，温度最高，越到外围温度越低。
但沿弧长方向，温度分布是均匀的。
弧柱的温度取决于弧柱中的气体介质（当介质为Na2CO3蒸汽时，弧柱温度约5000K）和焊接电流。
焊接电流越大，弧柱中电离程度也越大，弧柱温度也越高，如图1-4所示。
以上是直流电弧的热量和温度分布情况，而交流电弧由于殿宇的极性是周期性地改变的（50Hz）,所以两个电极区的温度趋于一致（近似于它们的平均值）。
4.电弧电压通常我们测量出的电弧电压是由阴极压降、阳极压降以及弧柱压降所组成的。
当弧长一定时，电弧电压的分布如图1-5所示。
电弧电压用下式表示
Uh=Uy+Uya+Uz=a+blh
式中a=Uy+Uya;
Uh-------------电弧电压/（V）;
Uy-------------阴极压降/（V）;
Uya------------阳极压降/（V）;
Uz-------------弧柱压降/（V）;
b-------------单位长度的弧柱压降，一般为20~40V/cm;
lh------------电弧长度/（cm）。
二、焊接电弧的静特征
焊接电弧是焊接回路中的负载，它起着把电能转变为热能的作用，在这一点上它与普通的电阻有相似之处。
但是它与普通的电阻相比又有其明显的特点。
当电阻通过电流时，电阻两端的电压降与所通过的电流值总是成正比（U=IR），这种特性称为电阻静特性，如图1-6中的曲线1所示。
但是在电弧放电时，电弧两端的电压降与通过电弧的电流值就不成正比，其比值随电流值的不同而变化。
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，焊接电源与电弧电压变化的关系，叫做电弧静特性。
一般也称伏----安特性。
表示它们关系的曲线叫做电弧的静特性曲线，如图1-6中的曲线2所示。
从图1-6可以看到，电弧静特性曲线呈U形。
曲线2左边的ab段，是在电流很小的情况下的变化。
电流小，电弧电压就高，电流增大使电弧的温度升高，结果气体电离和阴极电子发射就增加，所以这时维持电弧电压就随电流的增大而降低。
bc段是正常焊接时，加大焊接电流只是增加对电极材料的加热和熔化程度。
这时的电弧电压随电极材料，弧柱中气体的成分，电弧长度而变化（图1-7）。
cd段是焊接电流继续增加时，电极斑点的电流密度也不断的增加，由于电极端面积所限，使得电极斑点的电流密度达到了极限值。
因此，如需再增加焊接电流，就要求在电极区有较大的电压降，这时维持电弧所需的电弧电压随着焊接电流的增加而增加，因此形成了图1-6曲线2的cd段。
一般这种情况只有在采用细焊丝、大电流的气体保护焊时才可能出现。
三、各种焊接方法的电弧静特性曲线
（一）焊条电弧焊
焊条电弧焊时，由于使用的焊接电流受到限制（焊条电弧焊设备的额定电流值不大于500A），故其电弧静特性曲线为下降特性曲线。
（二）埋弧焊
在正常电流密度下焊接时，其电弧静特性为平特性区；
采用大电流焊接时，其电弧静特性为上升特性曲线。
（三）钨极氩弧焊
在小电流区间焊接时，其电弧静特性为下降特性区；
在大电流区间焊接时，其电弧静特性为平特性曲线。
图1-8为焊接铝板、弧长为4mm、保护气体为Ar时钨极氩弧焊（简称TIG）的点电弧静特性曲线。
（四）细丝熔化极气体保护焊
由于电流密度，所以电弧静特性曲线为上升特性曲线，并且焊丝直径越细，则上升的程度越大，见图1-9.
在一般情况下，电弧电压总是和电弧长度成正比，当电弧长度增加时，电弧电压升高，其电弧静特性曲线位置也随之上升。
见图1-7.
四、焊接电弧引燃的稳定性
焊接电弧的稳定性是指电弧保持稳定燃烧（不产生断弧、飘移和磁偏吹等）的程度，即在电弧燃烧过程中电弧能维持一定的长度，不骗吹、不摇摆、不熄灭、电弧电压和焊接电流保持稳定。
焊接电弧的稳定性主要取决焊工技能以及焊接电源的种类和极性、焊条药皮成分、气流特点、磁偏吹和焊接处的清洁程度等因素。
焊接电流大，电弧的温度就越高，则电弧中气体的电离程度越高，电弧燃烧就越稳定。
通过实验测定电弧稳定性的结果表明：
随着焊接电流的增大，电弧的引燃电压就降低。
随着焊接电流的增大，自然断弧的最大弧长也增大。
所以焊接电流越大，电弧燃烧越稳定。
电流的种类及焊条的涂药成分不同，电弧的稳定性也不同。
如用交流电源焊接时，电弧燃烧不如用直流电源稳定。
这是因为用交流电源焊接时，电弧的极性是周期性地改变的，就是每秒钟电弧的燃烧和熄灭要重复100次。
为了保证交流电源焊接时，电弧能稳定地燃烧，一般可采用两种方法。
一种方法是提高焊接电源的空载电源但这种方法不安全，不宜采用。
所以最常用的方法是在焊条涂药或焊剂中加入电离电位比较的物质（如K、Na、Ca的氧化物），以增加电极间的带电质点，这样就可以提高气体的导电性，因而也就可以保证电弧的稳定燃烧了。
但是也有某些物质，它们能破坏电弧燃烧的稳定性。
例如，氯化物（KCl、NaCl）及氟化物（CaF2）等，因为这些物质在高温时，分解出的气体（Cl2、F、）的电离电位很高，容易获取电子变成阴离子。
如果电弧中这些气体成分增加时，特别是氟增多使得弧柱中有大量的氟阴离子存在，与弧柱中的阳离子结合成中性微粒的可能性增大，从而降低了弧柱中的电离程度，因此使电弧燃烧不稳定。
弧长对电弧的稳定性燃烧也有着较大的影响。
另外，在这种情况下，空气中氧、氮有害气体易侵入电弧区，使焊缝金属产生气孔的倾向增大，且飞溅也大，焊缝成形不良。
正常的弧一般为焊条直径的0.5~1.1倍。
另外，环境气流流速越小，电弧燃烧越稳定；
焊接处的铁锈、氧化皮、油污、水分等杂质越少，电弧燃烧越稳定；
电弧偏吹越小，电弧燃烧越稳定。
第三节焊接时的极性和偏吹
一、焊接时的极性及其应用
（一）焊接时的极性
极性是指直流电弧焊或直流电弧切割时，焊件与电源输出端正、负极的接法。
有正接和反接两种；
焊件接电源正极，电极接电源负极的接线法，称正接也叫正极性；
焊件接电源负极，电极接电源正极的接线法，称反接也叫反极性，见图1-10.
（二）焊接时的极性作用
焊接时极性的选用，主要根据焊件所需的热量和焊条的性能而定。
直流弧焊时，未获得较大的熔深，可采用正接，这是因为此时焊件处于电弧的阳极区温度较高；
在焊接薄板时，为了防止烧穿，可采用反接。
采用低氢型焊条焊接时，必须用反接，这是因为在碱性焊条药皮中，含有较多的氟石（CaF2），在电弧气氛中分解出电离电位较高的氟，这会使电弧的稳定性大大降低；
若采用正接，在熔滴向熔池过渡时，将受到由熔池方向射来的正离子流的撞击，阻碍了熔滴过渡，以致出现飞溅和电弧不稳定的现象；
采用反接使熔池处于处于阴极，则由焊条方向射来的氢正离子与熔池表面的电子中和形成氢原子，减少氢气孔的出现。
在实际生产中由于某些直流弧焊机使用时间已久，两次接线板上没有正负标志。
在这种情况下，可通过观察电弧的形态来判断电源的正负极。
当使用碱性焊条时，如果电弧燃烧不稳定，出现爆裂声和飞溅等现象，则表明极性是正接，与焊条要求反接不符。
如果电弧燃烧稳定，声音较平静均匀，飞溅也小，则说明是反接。
二、焊接电弧的偏吹
一般在正常情况下焊接时，电弧的中心总是沿着焊条轴线的方向。
随着焊条变换倾斜角度，电弧的轴线也跟着焊条的轴线方向而改变，如图1-11所示。
因此我们就得以利用电弧这一特性来控制焊缝的成形，吹去覆盖在熔池表面过多的熔渣。
在焊接薄钢板的时候也常利用电弧这一特性，将焊条倾斜成适当的角度，以防止焊件烧穿。
但在焊接过程中，因气流的干扰，磁场的作用或焊条偏心的影响，会出现使电弧中心偏离电极轴线的现象。
这就是所谓的电弧偏吹。
它不仅使焊接发生困难，甚至熄弧。
对焊接质量也将带来较大的影响。
（一）焊条偏心度过大
这主要是焊条的质量问题。
由于焊条药皮厚薄不匀，药皮较厚的一边比药皮较薄的一边熔化时需要吸收更多的热，因此药皮较薄的一边很快熔化而使电弧外漏，迫使电弧往外偏吹，如图1-12所示。
在焊接时遇到这种情况，通常采用调整焊条倾斜角度（使偏吹方向转向熔池）的方法来解决。
但如果焊条的偏心度过大时，仅依靠调整焊条倾斜角度是不能确保焊接质量的。
为保证焊接质量，在焊条生产中对焊条的偏心度有一定的限制。
（二）电弧周围气流的干扰
电弧周围气体的流动也会把电弧吹向一侧而造成偏吹。
造成电弧周围气体剧烈流动的原因是多方面的，有时是由于热对流的影响。
例如：
在露天大风操作或在狭窄焊缝处焊接时，电弧偏吹情况很严重，使焊接发生困难；
在管子焊接时，由于空气在管子中流动速度较大，形成所谓“穿堂风”使电弧发生偏吹；
在开坡口的对接接头第一层焊缝的焊接时如果接头间隙较大，往往由于热对流的影响也会使电弧发生偏吹现象。
一般由气流干扰而产生偏吹，只要根据具体情况查明气流来源、方向，进行遮挡即可解决。
（三）磁偏吹
使用直流弧焊机进行焊接时，因受到焊接回路所产生的电磁力的作用而产生的电弧偏吹。
造成磁偏吹的主要原因是下列几种：
1.接地线位置不适当引起的偏吹焊接时，由于接地线的位置不适当，使电弧周围的磁场分布不均匀，从而造成电弧的偏吹，如图1-13所示。
当焊接电流从接点“+”流经焊接件，通过电弧到焊条再进入接点“-”时，沿途产生的磁力线分布在电流通路的四周，但电流流经焊件拐弯到电弧时，在电弧两侧的磁力线分布就极不均匀，电弧左侧（在接点方向的一边）的磁力线较右侧的磁力线更密集，结果造成了电弧左侧的磁场大于右侧的磁场，使电弧向磁场较小的右侧偏吹，从而产生磁偏吹现象。
2.铁磁物质引起的磁偏吹由于铁磁性物质（钢板、铁块等）的导磁能力远远大于空气，因此，当焊接电弧周围有铁磁物质存在时，在靠近铁磁一侧的磁力线大部分都通过铁磁体形成封闭曲线，是电弧同铁磁体之间的磁力线变得稀疏，而电弧的另一侧磁力线就显得密集，因此电弧就向铁磁体一侧偏吹，就像铁磁体吸引电弧一样，如图1-14所示。
如果钢板受热后温度升的较高，导磁能力就降低，对电弧磁偏吹的影响也就减少了
3.焊条和焊件的位置不对称引起的磁偏吹当我们在靠近焊件边缘处开始进行焊接的时候，经常会发生电弧偏吹，而当逐渐靠近焊件的中心时，则电弧的偏吹现象就逐渐减小或消失。
这是由于在焊接焊缝的起头时，焊条与焊件所处的位置不对称，造成电弧周围的磁场分布不平衡，再加上热对流的作用，就产生电磁偏吹，如图：
1-15所示。
在焊缝的收尾时，往往也发生电弧偏吹，它产生
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