第一章焊接电弧

第一章焊接电弧电弧能放出强烈的光和大量的热。电弧焊接就是利用他的热能来溶化填充金属和母材的。因此，焊接时电弧的稳定性及热特征等性质，对焊接质量有着直接的影响。本章就是从理论上对焊接电弧的性质及作用进行分析。通过学习，使我们能把焊接电弧的理论知识应用到实际的焊接工作中去，从而达到提高焊接质量的目的。第一节焊接电弧的引燃一、焊接电弧及其形成的基本知识（一）焊接电弧的概念电弧是通过气体放电的现象之一，在日常生活中经常可以看到气体放电现象。如电车行驶时，电刷与电线之间有时会出现闪光，以及大自然中出现的闪电等。焊接电弧则是焊接时存在于焊条端部与焊件的间隙中（图1-1），它与日常所见的气体放电现象有所不同。焊接电弧不仅能量大，而且持续稳定。因此我们说由焊接电源供给的，具有一定电压的两极间或电极与焊件间，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。气体的分子和原子在正常的情况下都是呈中性的，所以气体中没有游离的带电质点，不能导电，因此，电流也就通不过。要使电流引燃和连续燃烧，就必须使两极间的气体变成电的导体，这是电弧产生和维持的重要条件。使气体电离的方法是气体电离。气体电离后，原来的气体中的一些中性微粒转变成电子、阳离子等带电质点，这时电流才能通过气体间隙而形成电弧。（二）气体电离自然界的一切物质，都是有原子组成的。原子本身又由带电正电荷的原子核及带负电荷的电子组成，电子则是按照一定的轨道环绕原子核运动。在常态下，原子核所带的正电荷与核外电子所带的负电荷相等，这时原子是呈中性的。如果此时气体收到电场或热能的作用，就会使气体原子中的电子获得足够的能量，以克服原子核对它的吸引而成为自由电子；同时中的原子由于失去带负电荷的电子而变成带正电荷的正离子。这种使中性的气体分子或原子释放电子形成正离子的过程叫做气体电离。要使电子克服原子核对它的引力，需要需要供给一定的能量。供给气体电离的能量有：电离电位----消耗于使电子与原子核分离的能，称为电离的功；一电子伏特来表示的功叫做电离电位或电离势。激励电位----为了使电子移动到距原子核更远的轨道，应使电子具有一定的速度。消耗在使电子具有这种速度的能，叫做激励电位，一电子伏特来表示。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KNaCaTiMnMgFeWHONArFHe电离4.335.116.106.807.407.617.838.013.513.614.515.716.924.5激励1.602.101.903.303.104.7910.27.906.3011.614.519.7电子逸出功2.262.332.903.923.763.784.18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