焊缝宽度均匀。焊接过程中要实时记录焊接速度。焊接完成后，注意延迟断水断气，焊接时的温度很高，如果焊接完成后立刻关掉冷却水和气的情况下会对焊接设备造成损害，尤其是水冷滑块，水冷滑块加工比较复杂，一旦损坏会造成许多不必要的经济损失。4.电弧模型与熔滴过渡(1)焊接电弧焊接电弧是在一定电压的两电极间或电极与焊接工件间的气体介质中产生的强烈而持久的放电现象。下面对电弧的物理本质及结构做出详细介绍。（一）焊接电弧的物理本质气体放电的基本概念：气体放电分为非自持放电及自持放电。气体的非自持放电指气体放电过程中，不能够产生足够的带电粒子使放电过程维持下去，而是要一直依靠外加措施（如加热、光照射等），才能维持气体放电。气体的自持放电指在气体放电过程中，能够产生足够多的带电粒子，使放电过程维持下去，这种放电只需要开始时通过外加措施产生放电所需要的带电粒子，一旦形成放电，即使取消外加措施，放电过程仍然可以维持下去气体放电过程中电压和电流之间的关系不遵守欧姆定律关系，而是一个十分复杂的关系，如图4所示。其中自持放电区包括暗放电、辉光放电和电弧放电三种形式，与其他气体放电形式相比，低电压、大电流是焊接电弧的显著特点之一。迁移区异常辉光绝缘破坏I/，暗放电/正规辉光放电/电弧放电话移1000A区800N甲60040020010-1010-10410-310-21011101001000电流/A图4直流放电的电压与电流特性及放电形式电弧中带电粒子产生的主要来源：（1）气体的电离：在一定条件下，中性气体粒子（分子或原子）分离为正离子和电子的现象。常态下的气体粒子（分子或原子），受外来能量作用失去一个或多D
4 焊缝宽度均匀。 焊接过程中要实时记录焊接速度。 焊接完成后，注意延迟断水断气，焊接时的温度很高，如果焊接完成后立刻 关掉冷却水和气的情况下会对焊接设备造成损害，尤其是水冷滑块，水冷滑块加 工比较复杂，一旦损坏会造成许多不必要的经济损失。 4. 电弧模型与熔滴过渡 (1) 焊接电弧 焊接电弧是在一定电压的两电极间或电极与焊接工件间的气体介质中产生 的强烈而持久的放电现象。下面对电弧的物理本质及结构做出详细介绍。 (一) 焊接电弧的物理本质 气体放电的基本概念：气体放电分为非自持放电及自持放电。 气体的非自持放电指气体放电过程中，不能够产生足够的带电粒子使放电过 程维持下去，而是要一直依靠外加措施(如加热、光照射等)，才能维持气体放电。 气体的自持放电指在气体放电过程中，能够产生足够多的带电粒子，使放电 过程维持下去，这种放电只需要开始时通过外加措施产生放电所需要的带电粒 子，一旦形成放电，即使取消外加措施，放电过程仍然可以维持下去。 气体放电过程中电压和电流之间的关系不遵守欧姆定律关系，而是一个十分 复杂的关系，如图 4 所示。其中自持放电区包括暗放电、辉光放电和电弧放电三 种形式，与其他气体放电形式相比，低电压、大电流是焊接电弧的显著特点之一。 图 4 直流放电的电压与电流特性及放电形式 电弧中带电粒子产生的主要来源： (1) 气体的电离：在一定条件下，中性气体粒子(分子或原子)分离为正离子 和电子的现象。常态下的气体粒子(分子或原子)，受外来能量作用失去一个或多
个电子后则成为正离子，使中性气体粒子失去第一个电子所需要的最低外加能量成为第一电离能，通常以电子伏（ev）为单位。生成的正离子称为一价正离子，这种电离称为一次电离。同理还有二次电离。普通焊接电弧中当焊接电流较小时只存在一次电离，而在大电流和压缩焊接电弧中，电弧温度达到儿方度时可以出现二次或三次电离，即使这种情况下，一次电离仍然占主要地位。在焊接电弧中，气体电离主要有以下几种：1）热电离：中性气体粒子受热的作用而产生的电离。弧柱中热电离是主要形式。2）场致电离：中性气体粒子受电场作用而产生的电离。动能增大，为碰撞电离提供条件。阴极压降区和阳极压降区，才可能产生电场作用下的电离现象。3）光电离：中性气体粒子吸收了光射线的光子能而产生的电离。电弧本身可以发出多种频率的光辐射，因此电弧本身具有向气体粒子提供辐射能量的条件。是电弧中产生带电粒子的一个次要途径。4）碰撞电离：带电粒子在定向运动过程中，与中性气体粒子发生碰撞而引起的电离。碰撞电离具有连锁反应的性质，会使带电粒子成倍增加，如图5所示。O一图5连锁反应电离过程示意图电弧中高温和电场的存在都是提高粒子动能的有利条件，高温可以提高所有粒子（中性粒子、电子、离子）的动能，而电场强度是提高带电粒子（电子、离子）动能的条件。实际电弧过程通过粒子间的碰撞将能量传递给中性粒子并使之电离，是电弧本身制造带电粒子、维持其导电的最主要途径。气体带电粒子运动过程中，带异性电荷的粒子也会发生碰撞，使正离子和电子复合成中性粒子，当气体的电离速度和复合速度相等时，就趋于相对稳定的动平衡状态。5
5 个电子后则成为正离子，使中性气体粒子失去第一个电子所需要的最低外加能量 成为第一电离能，通常以电子伏(ev)为单位。生成的正离子称为一价正离子，这 种电离称为一次电离。同理还有二次电离。普通焊接电弧中当焊接电流较小时只 存在一次电离，而在大电流和压缩焊接电弧中，电弧温度达到几万度时可以出现 二次或三次电离，即使这种情况下，一次电离仍然占主要地位。 在焊接电弧中，气体电离主要有以下几种： 1) 热电离：中性气体粒子受热的作用而产生的电离。弧柱中热电离是主要 形式。 2) 场致电离：中性气体粒子受电场作用而产生的电离。动能增大，为碰撞 电离提供条件。阴极压降区和阳极压降区，才可能产生电场作用下的电离现象。 3) 光电离：中性气体粒子吸收了光射线的光子能而产生的电离。电弧本身 可以发出多种频率的光辐射，因此电弧本身具有向气体粒子提供辐射能量的条 件。是电弧中产生带电粒子的一个次要途径。 4) 碰撞电离：带电粒子在定向运动过程中，与中性气体粒子发生碰撞而引 起的电离。碰撞电离具有连锁反应的性质，会使带电粒子成倍增加，如图 5 所示。 图 5 连锁反应电离过程示意图 电弧中高温和电场的存在都是提高粒子动能的有利条件，高温可以提高所有 粒子(中性粒子、电子、离子)的动能，而电场强度是提高带电粒子(电子、离子) 动能的条件。实际电弧过程通过粒子间的碰撞将能量传递给中性粒子并使之电 离，是电弧本身制造带电粒子、维持其导电的最主要途径。 气体带电粒子运动过程中，带异性电荷的粒子也会发生碰撞，使正离子和电 子复合成中性粒子，当气体的电离速度和复合速度相等时，就趋于相对稳定的动 平衡状态
(2)电子的发射电弧中起导电作用的带电粒子除依靠电离过程产生外，还可以从电极表面发射出来。在焊接电弧中电极只能发射电子而不能发射离子。在焊接电弧中，阴极和阳极表面都可能发射电子，但是只有从阴极发射出来的电子在电场的作用下才参与导电过程，而从阳极发射出来的电子因受电场的排斥，不可能参与导电过程。因此，阴极发射电子对产生和维持电弧稳定是非常重要的。电极的电子发射需要一定的外加能量，使一个电子由金属表面逸出所需要的最低外加能量成为逸出功W，逸出功的大小与电极材料种类、表面状态和金属电极表面氧化物情况有关。金属内部的电子只有在接受外加能量作用后，其能量开高超出逸出功才能冲破金属表面的束缚而发射到外部空间，由于外加能量形式不同，电子发射类型可分为如下四种：(1）热发射：金属表面受热作用而产生的电子发射现象。电子发射将从金属表面带走能量对金属表面产生冷却作用。(2）电场发射：当金属表面空间存在一定强度的正电场时，金属内的电子受此电场静电库仑力的作用，当此力达到一定程度时，电子可以飞出金属表面。当温度很低时，基至是0℃，如果存在足够强的电场强度，也可以从电极发射足够数量的电子流密度以供电弧导电的需要。不产生冷却作用。(3）光发射：当金属表面接受光辐射时，也可以使金属表面自由电子能量增加，冲破金属表面的制约飞到金属外面来。光发射在阴极发射现象中居次要地位。不产生冷却作用。(4）粒子碰撞发射：高速运动的粒子（电子或离子)碰撞金属表面时，将能量传给金属表面的电子，使其能量增加而跑出金属表面。在一定条件下，离子碰撞发射是电弧阴极区提供导电所需电子的主要途径。焊接电弧的形成和维持是在电场、热、光和质点动能的共同作用下，气体分子、原子不断地被激发、电离以及阴极电子发射的结果，同时伴随看一些其他过程，如扩散、复合、负离子的产生等。（二）焊接电弧的结构以直流电弧为例，进行分析。焊接电弧包括阴极区、弧柱区及阳极区，如图6所示。从图6中可以看出，阴极区和阳极区电压变化比较大，弧柱区电压变化比较小，而且比较均匀。阴极区和阳极区在长度方向的尺寸均很小，分别为10~cm和10-cm左右，其余为弧柱区，由于弧柱区的长度占电弧长度的绝大部分，因此可以近似认为两极间的距离即为弧柱区的长度，即为电弧的长度。弧柱压降与6
6 (2)电子的发射 电弧中起导电作用的带电粒子除依靠电离过程产生外，还可以从电极表面发 射出来。在焊接电弧中电极只能发射电子而不能发射离子。 在焊接电弧中，阴极和阳极表面都可能发射电子，但是只有从阴极发射出来 的电子在电场的作用下才参与导电过程，而从阳极发射出来的电子因受电场的排 斥，不可能参与导电过程。因此，阴极发射电子对产生和维持电弧稳定是非常重 要的。 电极的电子发射需要一定的外加能量，使一个电子由金属表面逸出所需要的 最低外加能量成为逸出功 W，逸出功的大小与电极材料种类、表面状态和金属 电极表面氧化物情况有关。金属内部的电子只有在接受外加能量作用后，其能量 升高超出逸出功才能冲破金属表面的束缚而发射到外部空间，由于外加能量形式 不同，电子发射类型可分为如下四种： (1) 热发射：金属表面受热作用而产生的电子发射现象。电子发射将从金属 表面带走能量对金属表面产生冷却作用。 (2) 电场发射：当金属表面空间存在一定强度的正电场时，金属内的电子受 此电场静电库仑力的作用，当此力达到一定程度时，电子可以飞出金属表面。当 温度很低时，甚至是 0℃，如果存在足够强的电场强度，也可以从电极发射足够 数量的电子流密度以供电弧导电的需要。不产生冷却作用。 (3) 光发射：当金属表面接受光辐射时，也可以使金属表面自由电子能量增 加，冲破金属表面的制约飞到金属外面来。光发射在阴极发射现象中居次要地位。 不产生冷却作用。 (4) 粒子碰撞发射：高速运动的粒子(电子或离子)碰撞金属表面时，将能量 传给金属表面的电子，使其能量增加而跑出金属表面。在一定条件下，离子碰撞 发射是电弧阴极区提供导电所需电子的主要途径。 焊接电弧的形成和维持是在电场、热、光和质点动能的共同作用下，气体分 子、原子不断地被激发、电离以及阴极电子发射的结果，同时伴随着一些其他过 程，如扩散、复合、负离子的产生等。 (二) 焊接电弧的结构 以直流电弧为例，进行分析。焊接电弧包括阴极区、弧柱区及阳极区，如图 6 所示。从图 6 中可以看出，阴极区和阳极区电压变化比较大，弧柱区电压变化 比较小，而且比较均匀。阴极区和阳极区在长度方向的尺寸均很小，分别为 10-4 cm 和 10-6 cm 左右，其余为弧柱区，由于弧柱区的长度占电弧长度的绝大部分，因 此可以近似认为两极间的距离即为弧柱区的长度，即为电弧的长度。弧柱压降与
弧柱长度成正比。?-阴极阳极电弧1UAipUaLUc阴极压降区弧柱区阳极压降区图6电弧各区域电压分布示意图(三）电弧的能量转换(1）弧柱的产热机构带电粒子在外加电场的作用下产生运动，位能（电场能）转变为热能、动能。电子的运动由两部分组成：一部分是与正离子（或中性粒子）碰撞过程的散乱运动；另一部分是沿电场方向的定向运动。这种散乱运动的动能实质就是电子热能，这部分能量占电子总能量的大部分，而电子沿电场方向运动的动能只占较小部分，弧柱中外加电能以这种形式转变为热能弧柱的热损失分为对流、传导和辐射等，弧柱部分的热能对流损失约占80%以上，传导与辐射均为10%左右。(2）阴极区的产热机构由于阴极区的长度很小（数量级为10~5-10°cm），所以阴极区热能直接影响阴极的加热，影响熔深。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的作用下跑出阴极并受到加速作用，这是在阴极区由电能转变为热能的主要来源。阴极的产热表达式为：(1)E.=I(U.-U.-U)式中，Ec-阴极区的总能量(J);U-阴极压降(V);Uw-逸出功(V);Ur-弧柱温度的等效电压(V)。7
7 弧柱长度成正比。 图 6 电弧各区域电压分布示意图 (三) 电弧的能量转换 (1) 弧柱的产热机构 带电粒子在外加电场的作用下产生运动，位能(电场能)转变为热能、动能。 电子的运动由两部分组成：一部分是与正离子(或中性粒子)碰撞过程的散乱运 动；另一部分是沿电场方向的定向运动。这种散乱运动的动能实质就是电子热能， 这部分能量占电子总能量的大部分，而电子沿电场方向运动的动能只占较小部 分，弧柱中外加电能以这种形式转变为热能。 弧柱的热损失分为对流、传导和辐射等，弧柱部分的热能对流损失约占 80% 以上，传导与辐射均为 10%左右。 (2) 阴极区的产热机构 由于阴极区的长度很小(数量级为 10-5 -10-6 cm)，所以阴极区热能直接影响阴 极的加热，影响熔深。阴极区提供的电子流与总电流 I 相近，这些电子在阴极压 降的作用下跑出阴极并受到加速作用，这是在阴极区由电能转变为热能的主要来 源。阴极的产热表达式为： c c ) E I U U U （ w T (1) 式中，Ec-阴极区的总能量(J)； Uc-阴极压降(V)； Uw-逸出功(V)； UT-弧柱温度的等效电压(V)
阴极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母材的热量主要由这部分能量提供。(3）阳极区的产热机构阳极区往弧柱区输送的正离子流只占电流的0.001，所以考虑能量转换时也可以考虑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，只考虑接受电子流的能量转换。阳极总能量表达式如下：(2)E,=I(UA+U+U)式中，EA-阳极区的总能量(J)：UA-阳极压降(V)。阳极产热量主要用于焊丝的加热、熔化和散热损失，这部分能量是焊接过程可以直接利用的能量。(4）焊接电弧的有效功率及能量密度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焊件。对于熔化电极焊接，焊接过程中焊条(或焊丝)熔化，熔滴把加热和熔化焊丝的热量带给熔池。如果用Po表示电弧的总功率，则(3)P = IU.式中，I-焊接电流(A);U-电弧电压(V)。设P为用来有效加热工件和焊丝的有效功率，则P=AP(4)式中，入为电弧有效功率因数，与焊接方法、焊接规范及周围条件等有关。(1-2)Po将消耗在辐射、对流等热损失上。各种弧焊方法的有效功率因数如表4所示。表4各种弧焊方法的有效功率因数入入入弧焊方法弧焊方法药皮焊条电弧焊0.65-0.85熔化极氩弧焊(MIG)0.70-0.80埋弧焊0.80-0.90钨极氩弧焊(TIG)0.65-0.70CO,气体保护焊0.75-0.90有效功率因数皆随电弧电压的升高而降低。阳极区和阴极区产热之和对焊丝和母材的加热熔化起决定作用，产热之和8
8 阴极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 母材的热量主要由这部分能量提供。 (3) 阳极区的产热机构 阳极区往弧柱区输送的正离子流只占电流的 0.001，所以考虑能量转换时也 可以考虑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 虑接受电子流的能量转换。阳极总能量表达式如下： ) E I U U U A A w T （ (2) 式中，EA-阳极区的总能量(J)； UA-阳极压降(V)。 阳极产热量主要用于焊丝的加热、熔化和散热损失，这部分能量是焊接过程 可以直接利用的能量。 (4) 焊接电弧的有效功率及能量密度 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焊 件。对于熔化电极焊接，焊接过程中焊条(或焊丝)熔化，熔滴把加热和熔化焊丝 的热量带给熔池。 如果用 P0 表示电弧的总功率，则 P IU 0 a (3) 式中，I-焊接电流(A)； Ua-电弧电压(V)。 设 P 为用来有效加热工件和焊丝的有效功率，则 P P 0 (4) 式中，λ 为电弧有效功率因数，与焊接方法、焊接规范及周围条件等有关。 (1-λ)P0 将消耗在辐射、对流等热损失上。各种弧焊方法的有效功率因数如表 4 所示。 表 4 各种弧焊方法的有效功率因数 λ 弧焊方法 λ 弧焊方法 λ 药皮焊条电弧焊 0.65-0.85 熔化极氩弧焊(MIG) 0.70-0.80 埋弧焊 0.80-0.90 钨极氩弧焊(TIG) 0.65-0.70 CO2 气体保护焊 0.75-0.90 有效功率因数皆随电弧电压的升高而降低。 阳极区和阴极区产热之和对焊丝和母材的加热熔化起决定作用，产热之和