焊接電弧 課件

第一章焊接電弧電弧是在一定條件下電荷通過(guò)兩電極間氣體的一種導(dǎo)電過(guò)程，或者說(shuō)是一種氣體放電現(xiàn)象。借助這種特殊放電現(xiàn)象，產(chǎn)生電弧等離子體，將電能轉(zhuǎn)換為熱能、機(jī)械能和光能。1、氣體放電概述電弧放電的特點(diǎn)是電流密度大、陰極電壓低和能產(chǎn)生高溫（5000-50000K）等特點(diǎn)，所以非常適合焊接需要。圖1.1不同氣體放電形式的伏安特性曲線（1）氣體放電的分類一、電弧物理基礎(chǔ)（2）產(chǎn)生氣體放電的條件必須有帶電粒子；放電電極之間必須有一定強(qiáng)度的電場(chǎng)。（3）電弧中帶電粒子的產(chǎn)生方式依靠電弧中氣體介質(zhì)的電離；依靠電極的電子發(fā)射。（1）氣體粒子動(dòng)能和溫度的關(guān)系單原子氣體粒子的動(dòng)能與溫度的關(guān)系：式中，m為氣體粒子的質(zhì)量；C為氣體粒子運(yùn)動(dòng)的均方根速度；k是為玻耳茲曼常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度。（1-1）圖1.2容器中氣體粒子的運(yùn)動(dòng)2、氣體粒子的運(yùn)動(dòng)單原子氣體溫度T，就是從整體上觀察氣體粒子總動(dòng)能的量度（2）麥克斯韋速度分布規(guī)律式中，c為氣體粒子的實(shí)際速度；C0為氣體粒子的基準(zhǔn)速度，大小為；C為氣體粒子的均方根速度；βc為粒子的相對(duì)速度，βc＝c／C0。（1-2）圖1.3氣體粒子運(yùn)動(dòng)速度的麥克斯韋曲線分布（3）玻耳茲曼關(guān)系圖1.4界面式中，n1和n2分別為空間①和②中的粒子數(shù)；W12為空間①和②之間的位能差；k是為玻耳茲曼常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度。（1-3）（4）自由程假設(shè)有半徑分別為rA和rB的兩種粒子，B粒子靜止且空間密度為n，A粒子以一定速度vA運(yùn)動(dòng)，則粒子A自由程大小為：（1-4）圖1.5粒子碰撞截面示意圖①平均自由程若A、B為同一種粒子，則其自由程可表示為：（1-5）若A粒子為電子，B粒子為氣體原子，可得到電子的自由程：（1-6）電子運(yùn)動(dòng)的自由程與氣體粒子運(yùn)動(dòng)的自由程大小的關(guān)系為：（1-7）表1.1標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下一些氣體粒子的平均自由程現(xiàn)以某一氣體體系內(nèi)的N0個(gè)粒子為考察對(duì)象，λ為其平均自由程。假定以這些粒子剛發(fā)生碰撞的瞬間為出發(fā)點(diǎn)，開始新的自由程，且自由程大于xcm的粒子數(shù)為N，則：（1-8）②自由程的分布圖1.6不發(fā)生碰撞的直線前進(jìn)距離與碰撞次數(shù)的關(guān)系（5）氣體粒子的擴(kuò)散當(dāng)氣體粒子密度呈不均勻分布時(shí)，粒子的移動(dòng)將通過(guò)熱運(yùn)動(dòng)相互交換位置來(lái)進(jìn)行，最終達(dá)到粒子密度的均勻分布，這種現(xiàn)象稱為熱擴(kuò)散。（1-9）（1-10）式中：q——通過(guò)單位截面積的粒子數(shù)；——?dú)怏w粒子在x方向的密度變化率；D——擴(kuò)散系數(shù)；λ——?dú)怏w粒子的平均自由程；——?dú)怏w粒子熱運(yùn)動(dòng)的平均速度。由此可得：（1-11）對(duì)于①②兩種氣體之間的（互）擴(kuò)散系數(shù)，可由下式表示：（1-12）表1.2中性氣體的擴(kuò)散系數(shù)（0℃，760mmHg）（6）氣體粒子的碰撞氣體粒子在運(yùn)動(dòng)中會(huì)發(fā)生碰撞，氣體粒子以這種形式傳遞能量稱為碰撞傳遞。氣體粒子的相互碰撞有兩種情況：非破壞性的彈性碰撞和破壞性的非彈性碰撞。彈性碰撞只引起粒子溫度的變化，不產(chǎn)生電離與激勵(lì)過(guò)程，是在氣體粒子擁有的動(dòng)能較低時(shí)產(chǎn)生的。當(dāng)氣體粒子擁有較大動(dòng)能時(shí)，則產(chǎn)生非彈性碰撞，使被碰撞的氣體粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。只有非彈性碰撞才產(chǎn)生電離過(guò)程，為氣體空間制造帶電粒子。以①②兩個(gè)小球?yàn)榭紤]對(duì)象，設(shè)其質(zhì)量為m1和m2，碰撞前速度為v1和v2，碰撞后速度為V1和V2，同時(shí)設(shè)小球②處于初始靜止?fàn)顟B(tài)（v2＝0），小球①以v1速度對(duì)心撞小球②：①?gòu)椥耘鲎矂t：可得：（1-13）（1-14）（1-15）小球②碰撞后所具有的能量W2用碰撞前的能量w1來(lái)表示，則：若m1《m2，則：對(duì)于電弧氣氛，如果考慮偏心碰撞，電子與氣體粒子碰撞的能量傳遞比率為：（1-18）（1-16）（1-17）②非彈性碰撞設(shè)非彈性碰撞所消耗的能量為Δ，在v2＝0的條件下，有：消去V2，可得：若令，當(dāng)時(shí)，最大消耗能量為：（1-19）由此可知，要使處于靜止?fàn)顟B(tài)的氣體粒子②發(fā)生碰撞電離，碰撞粒子①至少需具有大小的能量。（1-20）由于電子的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氣體原子、離子或分子，在電弧氣氛中，電子運(yùn)動(dòng)速度比氣體粒子運(yùn)動(dòng)速度大得多，因此在電弧中通過(guò)碰撞傳遞使氣體粒子電離的過(guò)程中，電子的作用是所有粒子中最主要的。電弧中的高溫和電場(chǎng)的存在都是提高粒子動(dòng)能的有利條件，高溫可以提高粒子(中性粒子、電子、離子)的動(dòng)能，而電場(chǎng)強(qiáng)度是提高帶電粒子(電子、離子)動(dòng)能的條件。實(shí)際電弧過(guò)程中，通過(guò)粒子間的碰撞將能量傳給中性粒子并使之電離，就是電弧本身產(chǎn)生帶電粒子，維持其導(dǎo)電的主要途徑。在一定條件下，中性氣體分子或原子分離為正離子和電子的現(xiàn)象稱為電離。常直接用電離電壓表示氣體電離的難易。3、電弧中氣體的電離和激勵(lì)現(xiàn)象（1）電離電壓及激勵(lì)電壓①電離與電離電壓表1.3常見分子和原子的電離電壓（括號(hào)中為二次電離電壓）當(dāng)外來(lái)能量作用不足以使氣體發(fā)生電離，但能使電子從低的能級(jí)轉(zhuǎn)移到較高的亞穩(wěn)定能級(jí)時(shí)，則中性粒子內(nèi)部的原有穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，這種狀態(tài)稱為激勵(lì)。使中性粒子激勵(lì)所需要的最低外加能量對(duì)應(yīng)的電壓稱為最低激勵(lì)電壓，激勵(lì)電壓數(shù)值低于該元素電離電壓的數(shù)值②激勵(lì)與激勵(lì)電壓表1.4常見氣體粒子的最低激勵(lì)電壓（2）電離種類電弧中氣體粒子的電離因外加能量種類的不同可分為三類：熱電離、電場(chǎng)作用下的電離和光電離。①熱電離高溫下，氣體粒子受熱的作用，在熱運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相互碰撞而產(chǎn)生的電離稱為熱電離。單位體積內(nèi)被電離的粒子數(shù)與氣體電離前粒子總數(shù)的比稱為電離度，以α表示:（1-21）熱電離的薩哈方程：當(dāng)氣體中各粒子處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)時(shí)式中，P為氣體壓力，Pa；T為氣體熱力學(xué)溫度，K；e為電子電量，C；k是為玻耳茲曼常數(shù)1.38×10-23J/K；Ui為氣體電離電壓，V。（1-22）圖1.7熱電離的電離度與溫度和粒子種類的關(guān)系圖1.8熱電離的電離度與溫度的關(guān)系由于弧柱的溫度一般在5000～50000K范圍，所以熱電離是弧柱部分產(chǎn)生帶電粒子的最主要途徑。熱解離：電弧中的多原子氣體(由兩個(gè)以上原子構(gòu)成的氣體分子)由于熱的作用將分解為原子的現(xiàn)象。氣體分子產(chǎn)生熱解離所需要的最低能量稱為解離能。表1.5幾種氣體的解離能②電場(chǎng)作用下的電離帶電粒子從電場(chǎng)中獲得能量，通過(guò)碰撞而產(chǎn)生的電離過(guò)程稱為電場(chǎng)作用下的電離。在一定溫度和壓力下，電離氣體中電子運(yùn)動(dòng)的自由程（λe）與氣體中性粒子（λg）和離子（λi）存在以下關(guān)系：（1-23）由于電子運(yùn)動(dòng)速度快，自由程大，在同樣電場(chǎng)下獲得的動(dòng)能也大，加之與粒子碰撞時(shí)更易產(chǎn)生非彈性碰撞使其電離，所以電場(chǎng)作用下的電離主要由電子的碰撞引起。由于弧柱的電場(chǎng)強(qiáng)度弱(10V/cm左右)，所以在弧柱中電場(chǎng)作用下的電離較小，弧柱中的電離以熱電離為主。而在陰極壓降區(qū)和陽(yáng)極壓降區(qū)，電場(chǎng)強(qiáng)度大(105～l07V/cm)，會(huì)產(chǎn)生明顯的電場(chǎng)作用下的電離。③光電離中性粒子接受光輻射的作用而產(chǎn)生的電離現(xiàn)象稱為光電離。波長(zhǎng)越短，能量越強(qiáng)，只有當(dāng)接受的光輻射波長(zhǎng)小于臨界波長(zhǎng)時(shí)，中性氣體粒子才可能直接被電離。光電離是電弧產(chǎn)生帶電粒子的次要途徑。中性粒子吸附電子形成陰離子時(shí)，其內(nèi)部能量不是增加而是減少，減少的這部分能量稱為中性粒子的電子親和能。電子親和能越大的元素形成陰離子傾向越大。表1.6幾種原子的電子親和能4、陰離子形成與電子親和能陰極表面的分子或原子，接受外界能量而釋放自由電子到電弧空間的現(xiàn)象，稱為電子發(fā)射。5、電子發(fā)射（1）電子發(fā)射與逸出功產(chǎn)生電子發(fā)射所需要的最低外加能量，稱為逸出功。因電子電量是常數(shù)，通常以電子的逸出電壓表示逸出功的大小。圖1.9金屬表面發(fā)射電子時(shí)的感應(yīng)電荷及其作用示意圖逸出功大小與金屬材料種類、金屬表面狀態(tài)密切相關(guān)。所有金屬表面帶有氧化物時(shí)其逸出功皆減小。如果在鎢極加入一些氧化物時(shí)，其電子發(fā)射能力明顯提高，可提高引弧性能。表1.7幾種金屬及其表面具有吸附薄膜時(shí)的逸出功根據(jù)外加能量形式的不同，電子發(fā)射可分為熱發(fā)射、強(qiáng)電場(chǎng)作用下的自發(fā)射、光發(fā)射和重粒子碰撞發(fā)射。在焊接電弧中，電極的熱發(fā)射和強(qiáng)電場(chǎng)作用下的自發(fā)射，起著十分重要的作用。（2）電子發(fā)射的種類①熱發(fā)射金屬表面承受熱作用而產(chǎn)生電子發(fā)射的現(xiàn)象為熱發(fā)射。式中，me為電子質(zhì)量；ve為電子運(yùn)動(dòng)速度；e為電子電量；eUw為逸出功。金屬表面的溫度越高，電子獲得的動(dòng)能越大，逸出的電子數(shù)量越多，熱發(fā)射作用就增強(qiáng)。（1-24）陰極發(fā)射電子而使得能量損失造成陰極表面的冷卻。陽(yáng)極則流入電子流，以凝固熱的形式吸收功率。能量傳輸圖1.10熱發(fā)射的能量傳輸過(guò)程金屬表面熱發(fā)射電子流密度與金屬表面的溫度成指數(shù)關(guān)系，如式(1-25)所示：式中，A為與材料表面狀態(tài)有關(guān)的常數(shù)；T為金屬表面熱力學(xué)溫度；e為電子電量；eVw為逸出功；k是為玻耳茲曼常數(shù)。（1-25）熱陰極電?。菏褂梅悬c(diǎn)高的鎢作陰極材料（其沸點(diǎn)為5950K），電極溫度很高（一般可達(dá)2500K以上），電弧陰極區(qū)主要靠熱發(fā)射來(lái)提供電子。冷陰極電?。菏褂娩?、銅、鋁、鐵等材料作陰極，陰極不很高，電弧陰極區(qū)必須依靠其他方式補(bǔ)充發(fā)射電子。②電場(chǎng)發(fā)射當(dāng)金屬表面的溫度不高，但存在強(qiáng)電場(chǎng)并在表面附近形成較大的電位差時(shí)，金屬內(nèi)的電子受此電場(chǎng)靜電庫(kù)侖力的作用，當(dāng)此力達(dá)到一定程度時(shí)，使陰極有較多的電子發(fā)射出來(lái)，這種現(xiàn)象稱為強(qiáng)電場(chǎng)作用下的發(fā)射，簡(jiǎn)稱電場(chǎng)發(fā)射或自發(fā)射。電場(chǎng)越強(qiáng)，發(fā)射出的電子形成的電流密度就越大。電場(chǎng)發(fā)射電子不像熱發(fā)射那樣對(duì)陰極有強(qiáng)烈的冷卻作用。對(duì)于低沸點(diǎn)材料的冷陰極電弧，電場(chǎng)發(fā)射對(duì)陰極區(qū)提供帶電粒子起重要作用。這時(shí)陰極區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)105～107V/cm，具備產(chǎn)生電場(chǎng)發(fā)射的有利條件。（1-26）金屬表面電場(chǎng)發(fā)射的電子流密度與金屬表面的溫度成指數(shù)關(guān)系，如式(1-26)所示：③光發(fā)射當(dāng)金屬表面接受光輻射時(shí)，使金屬表面自由電子能量增加，沖破金屬表面的制約飛到金屬外面來(lái)，這種現(xiàn)象稱為光發(fā)射。（1-27）圖1.11光發(fā)射示意圖不同材料產(chǎn)生光發(fā)射所要求的臨界波長(zhǎng)由下式確定：電弧弧光波長(zhǎng)范圍包括紅外線、可見光和紫外線，可引起電極的光發(fā)射，但光發(fā)射在陰極發(fā)射現(xiàn)象中處于次要地位。（1-28）④粒子碰撞發(fā)射高速運(yùn)動(dòng)的粒子(電子或離子)碰撞金屬表面時(shí)，將能量傳給金屬表面的電子，使得其能量增加而跑出金屬表面，這種現(xiàn)象稱為粒子碰撞發(fā)射。式中，Wh為正離子動(dòng)能，Wi正離子和電子中和所釋放的電離能，Ww逸出功。（1-29）焊接電弧的電子發(fā)射形式與電極材料有關(guān)：在TIG焊中，使用沸點(diǎn)較高的鎢陰極材料，這時(shí)陰極區(qū)主要靠熱發(fā)射來(lái)提供電子。在采用熔化極作為陰極材料時(shí)，其電極溫度受熔化極沸點(diǎn)限制，陰極區(qū)不可能通過(guò)熱發(fā)射提供足夠的電子，這時(shí)陰極區(qū)靠熱發(fā)射和自發(fā)射共同作用來(lái)提供電子。6、帶電粒子的運(yùn)動(dòng)（1）電子在真空中的運(yùn)動(dòng)式中：e——電子的電量；m——電子的質(zhì)量；x——距陰極的距離；V——距陰極x距離處的電位。（1-30）圖1.12平板電極間的電子運(yùn)動(dòng)圖1.13真空管的伏安特性（2）帶電粒子在氣體中的運(yùn)動(dòng)低壓放電條件下，由于碰撞的機(jī)會(huì)少，即使處在同一放電空間，缺共存著兩種溫度完全不同的粒子氣體——高溫電子氣和低溫中性氣體。在大氣中的電弧，由于粒子密度高，通過(guò)碰撞傳遞能量過(guò)程，使得電子氣與中性氣體溫度幾乎相同。圖1.14氣體壓力與電子溫度、氣體溫度之間的關(guān)系（3）遷移率電子沿電場(chǎng)方向遷移的平均速度為:其中Ke為電子遷移率為：（1-31）（1-32）（1-33）對(duì)于離子，其遷移率為：（1-34）圖1.15電子在與中性粒子的碰撞中沿電場(chǎng)方向移動(dòng)表1.8幾種陽(yáng)離子、陰離子和電子的遷移率測(cè)定結(jié)果圖1.16離子在氮?dú)庵械倪w移率（4）電子溫度和氣體溫度一般大氣中的電弧放電，其弧柱的電場(chǎng)強(qiáng)度不太高，且平均自由程較短，所以電子（或離子）在平均自由程期間從電場(chǎng)獲得的能量要比電子（或離子）以溫度形式所擁有的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的能量小的多，電子溫度（或離子溫度）與中性氣體溫度并沒(méi)有太大區(qū)別?？傻茫海?-35）（5）帶電粒子的擴(kuò)散當(dāng)帶電粒子帶有同號(hào)電荷時(shí)，由于相互排斥作用，促進(jìn)擴(kuò)散；當(dāng)代異號(hào)電荷時(shí)，正負(fù)電荷相互吸引，有以整體方式擴(kuò)散的傾向。其中，是正負(fù)帶電粒子作為整體擴(kuò)散時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)，一般把這種形式的擴(kuò)散稱為雙極性擴(kuò)散。（1-36）圖1.17弧柱中陽(yáng)離子和電子的分布7、電弧中帶電粒子的復(fù)合電離與復(fù)合的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程可以用式（1-37）描述：式中，A為中性氣體粒子；A+為帶正電荷的離子；e-為電子；eUi為電離能。（1-37）電?。ɑ蜉x光）放電空間同時(shí)存在著電子，陽(yáng)離子和陰離子時(shí)，它們有時(shí)會(huì)再次結(jié)合為中性粒子。這種現(xiàn)象叫復(fù)合。（1-38）（1-39）圖1.18陽(yáng)離子和陰離子的復(fù)合在rm所確定的范圍內(nèi)，只要發(fā)生碰撞，陰離子A就會(huì)與陽(yáng)離子B復(fù)合。高速運(yùn)動(dòng)的電子即使碰撞，也不能發(fā)生復(fù)合。當(dāng)在電弧弧柱周邊區(qū)域，電子經(jīng)過(guò)多次碰撞降低動(dòng)能，將吸附到低溫中性粒子上形成陰離子，可通過(guò)碰撞發(fā)生復(fù)合。（1-40）表1.9復(fù)合系數(shù)αi單位體積內(nèi)陰陽(yáng)粒子發(fā)生復(fù)合的速率可以表示為：其中，n為陰陽(yáng)粒子的密度，αi為復(fù)合系數(shù)。空間復(fù)合電弧中心區(qū)域溫度高，粒子運(yùn)動(dòng)速度快，不容易產(chǎn)生復(fù)合，即使復(fù)合，也會(huì)很快分開。而在電弧周邊區(qū)域，溫度低，粒子運(yùn)動(dòng)速度慢，則很容易產(chǎn)生復(fù)合。電極表面復(fù)合在陰極區(qū)電場(chǎng)作用下，陽(yáng)離子加速?zèng)_向陰極，當(dāng)與陰極表面發(fā)射的電子相碰撞，形成中性粒子。1、電弧結(jié)構(gòu)圖1.19電弧及其電壓分布電弧由弧柱、陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)組成。Ua=UA+UP+UK（1-41）二、電弧概論（1）弧柱（電弧等離子體）弧柱雖因氣體介質(zhì)種類、電流大小等不同而異，其溫度大致在5000-50000K之間，并處于熱平衡狀態(tài)?；≈鶎?duì)外呈現(xiàn)電中性，帶電粒子主要由電子和陽(yáng)離子組成，但由于電子比陽(yáng)離子質(zhì)量小很多，所以約99.9%的電流由電子流組成?；≈碾娢惶荻入S氣體介質(zhì)種類和電流大小不同而異，但大致為3-50V/cm左右。圖1.20弧柱中的電子流和離子流（2）陽(yáng)極區(qū)陽(yáng)極區(qū)的長(zhǎng)度大約為10-2~10-3cm。陽(yáng)極區(qū)壓降隨電極材料和電流大小有很大差異，但一般均在3~20V之間，對(duì)于碳極電弧，大于10V，對(duì)于碳鋼極焊接電弧，其值低于1V，幾乎接近于零。圖1.21陽(yáng)極區(qū)的電子流和離子流圖1.23高速移動(dòng)的陽(yáng)極斑點(diǎn)痕跡圖1.22陽(yáng)極和陰極的行為特征（3）陰極區(qū)陰極區(qū)的長(zhǎng)度大約為10-5~10-6cm。陰極壓降介于氛圍氣體電離電壓和陰極物質(zhì)蒸氣的電離電壓之間，大約為10V左右。陰極電流密度大約為102~107A/cm2。圖1.24陰極區(qū)的電子流和離子流比率3、電弧弧柱現(xiàn)象（1）弧柱中的電子流和離子流弧柱中的總電流為：由于Ie/Ii約為0.001，所以：（1-42）（1-43）在電弧中，電子和陽(yáng)離子各自作不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，其熱運(yùn)動(dòng)電流密度為：（1-44）電場(chǎng)X產(chǎn)生的電流密度為：（1-45）則（1-46）單位時(shí)間內(nèi)弧柱區(qū)產(chǎn)生的熱量：在弧柱區(qū)壓降VP的作用下電子和正離子被加速所獲得的能量IVP；弧柱區(qū)周邊正負(fù)粒子復(fù)合所釋放的電離能Wi。單位時(shí)間內(nèi)弧柱區(qū)消耗的熱量：弧柱區(qū)中心部位中性粒子電離所消耗的電離能，其值與弧柱周邊正負(fù)粒子復(fù)合所釋放的電離能Wi基本相等。單位時(shí)間內(nèi)弧柱區(qū)的總熱量為：P=IVP（1-47）（2）弧柱熱量的輸入和耗散弧柱區(qū)的熱損失一般可分為傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射，其中，大氣壓下的電弧對(duì)流熱損失一般估計(jì)約占總熱損失的80％左右，輻射熱損失和傳導(dǎo)熱損失都占比較少，約占10％左右。表1.10弧柱的冷卻特性（3）弧柱區(qū)的電流密度表1.11弧柱電流密度在小電流范圍，電流密度隨電流增大而減小，而在大電流范圍，電流密度卻隨著電流增大而增大。（4）弧柱區(qū)的溫度分布圖1.25電弧的徑向溫度分布示意圖弧柱的溫度受電極材料、氣體介質(zhì)、電流大小、拘束程度等多種因素的影響。圖1.26金屬蒸氣電離能與弧柱溫度的關(guān)系圖1.27焊接電流與弧柱溫度的關(guān)系（5）氣體電弧和蒸氣電弧陽(yáng)極或陰極材料參與弧柱導(dǎo)電的電弧稱為蒸氣電??；弧柱導(dǎo)電靠氣氛氣體電離導(dǎo)電的電弧稱為氣體電弧。表1.12大氣中弧柱的有效電離電位、溫度和其它（6）弧柱區(qū)的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率①電導(dǎo)率設(shè)弧柱中某一點(diǎn)的電子密度是ne，遷移率為Ke，電場(chǎng)強(qiáng)度為X，溫度為T，電子平均自由程為λe，則電導(dǎo)率σ為（1-48）當(dāng)溫度和電離度較低時(shí)：當(dāng)溫度和電離度較高時(shí)：（1-49）（1-50）圖1.28高溫氣體的電導(dǎo)率②熱導(dǎo)率圖1.29幾種氣體的導(dǎo)熱率（7）弧柱區(qū)徑向電場(chǎng)——弧柱的擴(kuò)展圖1.30陽(yáng)極和陰極附近的等電位面從弧柱外圍指向中心線方向存在著徑向電場(chǎng)，且該電場(chǎng)在陽(yáng)極附近和陰極附近的方向相反。受徑向電場(chǎng)作用，弧柱截面在陰極附近收縮，而在陽(yáng)極附近擴(kuò)展。（8）最小電壓原理對(duì)一個(gè)與軸線對(duì)稱的電弧，在電流一定，周圍條件一定時(shí)，處于穩(wěn)定燃燒狀態(tài)的電弧，其弧柱直徑或溫度應(yīng)使弧柱的電場(chǎng)強(qiáng)度具有最小值。①定義當(dāng)電弧周圍氣體介質(zhì)導(dǎo)熱性比較差時(shí)，電弧的散熱減少，熱損失降低，則電弧的弧柱發(fā)散，導(dǎo)電半徑增加，電流密度小，弧柱的電場(chǎng)強(qiáng)度Ec值也較低。當(dāng)保持電流不變，改變電弧氣氛使電弧周圍氣體導(dǎo)熱性增加，或者對(duì)電弧進(jìn)行強(qiáng)迫冷卻使電弧的熱損失增加時(shí)，根據(jù)最小電壓原理，電弧一方面要收縮，以減小導(dǎo)電截面來(lái)減少散熱；另一方面由于導(dǎo)電截面的減小使得電流密度增加，弧柱的電場(chǎng)強(qiáng)度Ec值增加來(lái)增加產(chǎn)熱，并在新的條件下達(dá)到新的平衡。②應(yīng)用4、電弧陽(yáng)極現(xiàn)象（1）陽(yáng)極導(dǎo)電機(jī)構(gòu)為了維持電弧的導(dǎo)電，陽(yáng)極區(qū)的任務(wù)是接受電弧弧柱區(qū)過(guò)來(lái)的0.999I的電子流和向弧柱區(qū)提供0.001I的正離子流。由于陽(yáng)極不能直接發(fā)射正離子，正離子是由陽(yáng)極區(qū)來(lái)提供。陽(yáng)極區(qū)提供正離子的可能機(jī)構(gòu)，根據(jù)電流密度不同有兩種：（1）熱電離；（2）場(chǎng)致電離。①熱電離當(dāng)電流密度較大，陽(yáng)極表面及陽(yáng)極區(qū)溫度很高，超過(guò)陽(yáng)極材料的沸點(diǎn)時(shí)，將產(chǎn)生蒸發(fā)現(xiàn)象，使陽(yáng)極區(qū)充斥大量陽(yáng)極材料的金屬蒸氣，由于電離能較低，在高溫作用下很容易發(fā)生熱電離，所生成的電子與來(lái)自弧柱區(qū)的電子一起流向陽(yáng)極，而所得陽(yáng)離子則形成向弧柱區(qū)供給的0.001I的正離子流。如果電流足夠大，陽(yáng)極區(qū)溫度足夠高，陽(yáng)極區(qū)能通過(guò)熱電離完全滿足弧柱區(qū)對(duì)正離子流的需要，則可以降到很低，甚至接近于零。②場(chǎng)致電離當(dāng)電流密度較小，陽(yáng)極區(qū)溫度較低，不足以發(fā)生熱電離時(shí)，陽(yáng)極區(qū)的正離子不足，正離子數(shù)少于電子數(shù)，從而形成負(fù)的空間電場(chǎng)，產(chǎn)生陽(yáng)極壓降UA>0。隨著電流密度增大，陽(yáng)極區(qū)溫度隨之上升，中性粒子動(dòng)能增大，其碰撞電離所需電子的動(dòng)能減小，從而陽(yáng)極壓降UA減小。圖1.31陽(yáng)極壓降區(qū)示意圖（2）陽(yáng)極壓降UA圖1.32銅電極的陽(yáng)極壓降（探極法測(cè)定）圖1.33陽(yáng)極前方溫度與陽(yáng)極壓降的關(guān)系（3）陽(yáng)極區(qū)產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)陽(yáng)極區(qū)的電流主要由電子流組成，尤其在陽(yáng)極表面，為100％電子流。單位時(shí)間內(nèi)陽(yáng)極接受電子流的熱量：電子流被陽(yáng)極壓降加速所得能量IVA；電子流從弧柱區(qū)帶來(lái)的與弧柱溫度相對(duì)應(yīng)的能量IVT；電子流進(jìn)入陽(yáng)極所釋放出的逸出功IVw

。單位時(shí)間內(nèi)陽(yáng)極區(qū)的總熱量為：PA=I（VA+VT+VW）（1-51）（4）陽(yáng)極斑點(diǎn)當(dāng)電流較大，陽(yáng)極溫度很高時(shí)，由于依靠熱電離可獲得0.001I的正離子流，陽(yáng)極壓降接近于零，電弧與陽(yáng)極接觸處不產(chǎn)生任何收縮，也不形成陽(yáng)極斑點(diǎn)，只存在陽(yáng)極導(dǎo)電區(qū)，這種情況時(shí)在采用熔點(diǎn)高的材料作陽(yáng)極時(shí)（C，W等）經(jīng)常產(chǎn)生。當(dāng)采用低熔點(diǎn)材料（Fe，Al，Cu等）作陽(yáng)極時(shí)，由于金屬蒸氣的電離能大大低于一般氣體的電離能，在金屬蒸氣大量產(chǎn)生的地方更容易產(chǎn)生熱電離而提供弧柱所需0.001I的正離子流。一旦某處有熔化和蒸發(fā)現(xiàn)象產(chǎn)生時(shí)，電流更容易從此處進(jìn)入陽(yáng)極，陽(yáng)極導(dǎo)電區(qū)在這里集中而形成陽(yáng)極斑點(diǎn)。①定義陽(yáng)極表面的發(fā)亮區(qū)域。②產(chǎn)生原理③形成條件如果陽(yáng)極表面某一區(qū)域產(chǎn)生均勻的熔化和蒸發(fā)，則此區(qū)域可全部稱為陽(yáng)極導(dǎo)電區(qū)，而不形成陽(yáng)極斑點(diǎn)。當(dāng)陽(yáng)極材料導(dǎo)熱能力較強(qiáng)，只能在個(gè)別點(diǎn)存在熔化和蒸發(fā)時(shí)，則在此區(qū)域形成陽(yáng)極斑點(diǎn)。如果陽(yáng)極表面產(chǎn)生熔化區(qū)，但在熔化區(qū)內(nèi)存在蒸發(fā)強(qiáng)度不均勻的部位，則陽(yáng)極導(dǎo)電區(qū)降集中在蒸發(fā)較強(qiáng)的部位，形成陽(yáng)極斑點(diǎn)。該點(diǎn)存在金屬的蒸發(fā)；電弧通過(guò)該點(diǎn)時(shí)弧柱的能量消耗較低（亦即IELc較低）對(duì)于低熔點(diǎn)陽(yáng)極材料，其陽(yáng)極斑點(diǎn)形成的條件是：④電流密度對(duì)于低熔點(diǎn)金屬陽(yáng)極材料，陽(yáng)極斑點(diǎn)的電流密度比陰極斑點(diǎn)的小，其數(shù)量級(jí)一般為102～104A/cm2。圖1.34碳

陽(yáng)極的電流密度圖1.35陽(yáng)極斑點(diǎn)的電流密度⑤行為特點(diǎn)由于大多數(shù)金屬的氧化物的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)都高于該純金屬的，所以陽(yáng)極斑點(diǎn)有自動(dòng)尋找純金屬表面而避開氧化膜的傾向圖1.36陽(yáng)極斑點(diǎn)跳動(dòng)示意圖圖1.37陽(yáng)極斑點(diǎn)跳動(dòng)時(shí)電壓和電流變化圖1.38陽(yáng)極斑點(diǎn)噴射氣流和微粒子流圖1.39陽(yáng)極斑點(diǎn)移動(dòng)的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)圖1.40母材表面有缺陷時(shí)陽(yáng)極斑點(diǎn)的移動(dòng)5、電弧陰極現(xiàn)象（1）陰極導(dǎo)電機(jī)構(gòu)根據(jù)陰極材料的種類、電流大小和氣體介質(zhì)等不同，陰極區(qū)導(dǎo)電結(jié)構(gòu)可分為三大類：熱發(fā)射型陰極區(qū)導(dǎo)電機(jī)構(gòu)電場(chǎng)發(fā)射型陰極導(dǎo)電結(jié)構(gòu)正離子型（正離子流型）陰極導(dǎo)電機(jī)構(gòu)①熱發(fā)射型當(dāng)陰極采用W、C等高熔點(diǎn)材料而電流也較大時(shí)，由于因陰極可達(dá)到很高的溫度，弧柱所需要的電子流主要靠陰極的熱發(fā)射來(lái)供應(yīng)，這樣的陰極區(qū)稱為熱發(fā)射型陰極區(qū)。特點(diǎn)：如果陰極發(fā)生能提供全部所需電子，則不存在陰極壓降區(qū)，特性與弧柱區(qū)完全相同。陰極也不存在陰極斑點(diǎn)。具有這種導(dǎo)電機(jī)構(gòu)的陰極稱為熱陰極。大電流的鎢極氬弧焊時(shí)，這種陰極導(dǎo)電機(jī)構(gòu)占主要地位。電子發(fā)射將從陰極帶走相當(dāng)于IUw的熱量可以從兩個(gè)主要途徑得到補(bǔ)充：0.1%的正離子流進(jìn)入陰極時(shí)，正離子一方面將其原有的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能傳送給陰極；另一方面正離子將在陰極表面得到電子而中和放出電離能，也使陰極加熱。電流流過(guò)陰極時(shí)將產(chǎn)生電阻熱使陰極加熱。②電場(chǎng)發(fā)射型當(dāng)陰極材料為W、C，而電流較小時(shí)或者陰極材料采用熔點(diǎn)較低的Fe、A1、Cu時(shí)，陰極表面溫度受材料沸點(diǎn)的限制不能升得很高，熱發(fā)射電子不能滿足弧柱99.9%I的要求，導(dǎo)致正離子堆積，形成局部較高的正電場(chǎng)，從而形成陰極壓降區(qū)。陰極壓降區(qū)的作用：使陰極產(chǎn)生電場(chǎng)發(fā)射；將陰極發(fā)射出的電子加速。加速陰極區(qū)的正離子流，與陰極碰撞后將其動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能加熱陰極，加強(qiáng)陰極的熱發(fā)射。特點(diǎn)：陰極表面存在很高電流密度的陰極斑點(diǎn)。陰極壓降區(qū)中，Ie<99.9%I，Ii>0.1%I，正離子過(guò)剩，對(duì)外呈現(xiàn)正電性。在小電流鎢極氬弧焊和熔化極電弧焊時(shí)這種陰極導(dǎo)電機(jī)構(gòu)起著重要作用。用Cu、Fe、Al材料作陰極焊接時(shí)（這種陰極也稱冷陰極），事實(shí)上熱發(fā)射型和電場(chǎng)發(fā)射型陰極導(dǎo)電機(jī)構(gòu)是并存的，這主要決定于電極材料的種類，電流大小和氣體介質(zhì)的種類。當(dāng)電極材料的熔點(diǎn)較高或逸出功較小時(shí)，則熱發(fā)射的比例較大，陰極壓降較小，反之則電場(chǎng)發(fā)射的比例增大，陰極壓降也較大。當(dāng)電流較大時(shí)，一般熱發(fā)射的比例增大，陰極壓降將減小。③等離子型當(dāng)電弧電流較小或者采用冷陰極材料時(shí)，陰極熱發(fā)射電子數(shù)量不能滿足弧柱的需要時(shí)，則在陰極與弧柱之間可能產(chǎn)生一局部高溫區(qū)，其溫度比陰極和弧柱都要高，在這里產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱電離而生成大量電子和正離子，電子向弧柱運(yùn)動(dòng)，供給弧柱導(dǎo)電的需要，正離子向陰極運(yùn)動(dòng)構(gòu)成陰極電流。陰極電流中電子流比率減小而正離子流比率增加，甚至陰極完全不發(fā)射電子，陰極電流全由正離子流構(gòu)成。這種情況下，陰極不發(fā)生電子，只接受正離子。陰極前方高溫區(qū)的產(chǎn)生機(jī)理：當(dāng)Uk<Ui情況下，自陰極發(fā)射出來(lái)的電子不足以在陰極區(qū)引起中性粒子的碰撞電離，而且也不能引起強(qiáng)烈的電場(chǎng)發(fā)射時(shí)，陰極區(qū)的正離子通過(guò)陰極壓降區(qū)獲得一定的動(dòng)能，到達(dá)陰極時(shí)將與電了中和，釋放出電離能。中和后生成的中性粒子將彈回到陰極區(qū)，并帶回一部分能量，其余部分能量傳遞給陰極。這些從陰極彈回而且?guī)в休^高能量的中性粒子聚積在一起則形成高溫區(qū)，這些中性粒子在高溫作用下再次被熱電離生成的電子供給弧柱，形成弧柱的電子流，生成的正離子跑向陰極形成陰極的正離子流。特點(diǎn)：陰極前方存在很亮的輝光區(qū)（即高溫區(qū)，溫度可達(dá)10000K以上），陰極壓降在0與Ui之間，陰極電流密度介于熱發(fā)射型導(dǎo)電機(jī)構(gòu)和電場(chǎng)發(fā)射型機(jī)構(gòu)之間，其數(shù)量級(jí)約為104安/厘米2。等離子型陰極導(dǎo)電機(jī)構(gòu)一般在中小電流區(qū)間出現(xiàn)，當(dāng)電流逐漸增加時(shí)，則逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊岚l(fā)射型導(dǎo)電機(jī)構(gòu)，輝光區(qū)逐漸消失，陰極表面電流密度逐漸減小。這種等離子型導(dǎo)電機(jī)構(gòu)也是冷陰極時(shí)可能發(fā)生的一種導(dǎo)電機(jī)構(gòu)。低氣壓鎢極氬弧焊時(shí)，陰極前面出現(xiàn)球形輝光區(qū)即屬于這種導(dǎo)電機(jī)構(gòu)。（2）陰極壓降雖然隨著陰極材料不同，陰極導(dǎo)電機(jī)構(gòu)不同，但一般陰極壓降介于氛圍氣體電離電壓和陰極物質(zhì)蒸氣電離電壓之間，陰極產(chǎn)生的蒸氣對(duì)陰極導(dǎo)電機(jī)構(gòu)影響很大。小電流時(shí)，隨著電流增大，陰極壓降減小。電流大到一定程度時(shí)，陰極壓降與氣壓無(wú)關(guān)，幾乎為一恒定值。圖1.41鎢電極的陰極壓降（氬氣中）圖1.42鎢電極的陰極壓降（氙氣中）（3）陰極區(qū)產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)陰極區(qū)中電子流和正離子流的比率f

因電極材料種類、電流大小、氣體介質(zhì)等因素而異。在鄰近弧柱區(qū)的部分，f可達(dá)99.9%左右，而在其它部分一般則為60~80%。比率f的這種變化增加了產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)分析的復(fù)雜性。單位時(shí)間內(nèi)陰極區(qū)所獲得的能量：電子流從陰極表面發(fā)射后被陰極壓降加速所得能量fIVK；正離子流在達(dá)到陰極表面前被陰極壓降加速所獲得的能量（1-f）IVK；正離子在陰極表面與電子復(fù)合所釋放出的電離能（1-f）IVi

?？珊雎詠?lái)自弧柱區(qū)的正離子流（約占0.1%），將陰極區(qū)得正離子流看成由陰極區(qū)終端處的中性粒子熱電離產(chǎn)生，進(jìn)行陰極區(qū)產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)分析。單位時(shí)間內(nèi)陰極區(qū)所失去的能量：陰極表面發(fā)射電子所消耗的逸出功能量fIVW；正離子流在陰極表面拉出電子與之復(fù)合所消耗的逸出功（1-f）IVW；在鄰近弧柱區(qū)，中性粒子電離成電子和正離子所消耗的電離能（1-f）IVi

。從陰極區(qū)終端進(jìn)入弧柱區(qū)的電子流應(yīng)具有與弧柱區(qū)溫度相對(duì)應(yīng)的熱能，這由陰極區(qū)提供，該能量為IVT。單位時(shí)間內(nèi)陰極區(qū)的總熱量為：PK=I（VK–VT–VW）（1-52）（4）陰極斑點(diǎn)及其電流密度因具體條件的不同電流流入陰極表面的情況可能有三種：第一種情況：在陰極表面上電流導(dǎo)入的面積與弧柱的斷面相近，在陰極上沒(méi)有明顯的收縮；第二種情況：在陰極上的電流導(dǎo)入面積比弧柱斷面顯著減小，在陰極上有顯著的收縮；第三種情況：陰極上的電流是通過(guò)許多微小的斑點(diǎn)導(dǎo)入的。這些斑點(diǎn)上的電流密度和亮度很高，稱為陰極斑點(diǎn)。第一種情況：當(dāng)采用高熔點(diǎn)材料做陰極（C，W等），并電流較大時(shí)。高溫，熱發(fā)射提供足夠電子，弧柱與陰極相接處未出現(xiàn)明顯收縮，電流密度與弧柱相近，陰極加熱面積較大且均勻，不形成陰極斑點(diǎn)，沒(méi)有劇烈局部加熱和蒸發(fā)現(xiàn)象。亮度比弧拄區(qū)還暗。陰極材料的逸出功愈小和導(dǎo)熱性愈弱時(shí)，產(chǎn)生的傾向愈大。第二種情況：當(dāng)采用高熔點(diǎn)材料做陰極（C，W等），但電流較小時(shí)。溫度較低，陰極熱發(fā)射不能提供足夠電子，電場(chǎng)發(fā)射型或等離子流型陰極導(dǎo)電機(jī)構(gòu)，陰極發(fā)射電子流的比率減少而接受正離子流的比率增加，導(dǎo)電區(qū)域自動(dòng)收縮。第三種情況：溫度低，即使蒸發(fā)，熱發(fā)射也不能提供足夠，進(jìn)一步自動(dòng)收縮導(dǎo)電面積，形成陰極斑點(diǎn)，很高陰極壓降，較強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射。當(dāng)用高熔點(diǎn)材料(C，W等)作陰極時(shí)，只有在電流很小，陰極溫度較低的情況下;但當(dāng)用低熔點(diǎn)材料（Fe、Al、Cu等）作陰極時(shí)，則大都屬于這種情況。對(duì)于C、W等材料，陰極斑點(diǎn)的電流密度較低；對(duì)于Fe、Cu、Al等材料，陰極斑點(diǎn)密度較高。表1.13陰極斑點(diǎn)的電流密度圖1.43陰極斑點(diǎn)附近的溫度、亮度等的分布一般，陰極斑點(diǎn)在C、W等熱陰極電弧中固定不動(dòng)，而在Fe、Cu、Al等冷陰極材料中作不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，即所謂固定型陰極斑點(diǎn)和移動(dòng)型陰極斑點(diǎn)（亮點(diǎn)型、無(wú)亮點(diǎn)型）。除W電極以外的所有金屬極電弧，屬移動(dòng)型陰極斑點(diǎn)，電流密度一般在104~107A/cm2之間。陰極斑點(diǎn)的形成條件：具有通過(guò)熱發(fā)射或者電場(chǎng)發(fā)射電子的條件；電弧通過(guò)該點(diǎn)所消耗的能量較小。（5）陰極斑點(diǎn)的移動(dòng)陰極斑點(diǎn)有自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到溫度高、熱發(fā)射作用強(qiáng)物質(zhì)上產(chǎn)生的性能，所以陰極斑點(diǎn)會(huì)自動(dòng)避開純金屬而自動(dòng)尋找氧化膜的傾向。以Fe、Cu等材料作陰極時(shí)，陰極斑點(diǎn)的移動(dòng)速度為103~104cm/s，通過(guò)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)也可使其速度達(dá)到104~105cm/s。陰極斑點(diǎn)的“粘著”作用圖1.44陰極斑點(diǎn)的“粘著”作用示意圖（6）熱陰極和冷陰極一般，C、W等電極是熱陰極型，Cu、Hg、Au、Ag等電極是冷陰極型，而Fe、Ni、Al、Zn等電極介于兩者之間。但電弧剛起弧或者小電流時(shí)，即使是W也是作為冷陰極來(lái)工作的。熱陰極型的特征是，陰極斑點(diǎn)固定不動(dòng)，電流密度低，交流電弧穩(wěn)定；冷陰極型的特征是，陰極斑點(diǎn)游動(dòng)，電流密度高，交流電弧不穩(wěn)定。冷陰極和熱陰極的明顯差別在再引燃電弧現(xiàn)象中表現(xiàn)明顯：對(duì)于C電極，熄弧數(shù)秒，電弧再引燃仍非常容易；對(duì)于Cu電極，熄弧10-3秒或者更短時(shí)間內(nèi)都不能實(shí)現(xiàn)再引燃電?。粚?duì)于Fe電極在空氣中再引弧的特性，介于C和Cu之間。由于Fe表面的氧化膜的熱發(fā)射電子可啟動(dòng)小電流電弧，起弧后可發(fā)展成穩(wěn)定電弧。（7）陰極前方電子流與陽(yáng)離子流的比率隨著陰極表面電子發(fā)射變得困難，陽(yáng)離子流占總電流的比率增大。陰極前電子流的比率一般認(rèn)為是60~80％，但電弧種類不同，該比率相差很大，有時(shí)超過(guò)97.5%，有時(shí)可認(rèn)為小到接近于零。圖1.45陰極區(qū)示意圖（8）氧對(duì)陰極現(xiàn)象的影響陰極斑點(diǎn)有避開純金屬自動(dòng)尋找氧化膜的傾向。當(dāng)氣氛中氧低于某一臨界值時(shí)，陰極斑點(diǎn)不斷尋找氧化膜，氧化膜不斷被破壞而消失，斑點(diǎn)高速跳動(dòng)，電弧不穩(wěn)定，電極消耗量增加。當(dāng)氧含量超過(guò)該臨界值，在電弧熱的作用下就能生成氧化物，陰極斑點(diǎn)固定，電弧變穩(wěn)定。圖1.46氧與陰極消耗量的關(guān)系圖1.47不穩(wěn)定的陰極斑點(diǎn)（9）陰極焰及其對(duì)陰極壓降的影響由于陰極斑點(diǎn)的電流密度比弧柱大，將產(chǎn)生從緊挨陰極的弧柱吹向離開陰極的弧柱區(qū)的等離子流，這種氣流一般稱為陰極焰。由于陰極焰的產(chǎn)生，使得周圍冷態(tài)氣體侵入陰極區(qū)域，陰極區(qū)壓降或靠近陰極的弧柱區(qū)壓降增大。而陰極焰的產(chǎn)生并不會(huì)使弧柱受冷，增大弧柱壓降。圖1.48陰極焰（10）陰極物質(zhì)的蒸發(fā)與超收縮現(xiàn)象當(dāng)電流超過(guò)某一臨界值，弧柱會(huì)發(fā)生自收縮現(xiàn)象，在弧柱中有發(fā)亮的線條，一般把這種現(xiàn)象稱為超收縮現(xiàn)象。圖1.49大電流碳極電弧弧柱中的線條圖1.50電流與線條數(shù)及電弧電壓的關(guān)系圖1.51電極消耗速度與電流的關(guān)系圖1.52作用于電極上的力1、焊接電弧的靜特性一定長(zhǎng)度的電弧在穩(wěn)定狀態(tài)下，電弧電壓Uf與電弧電流If

之間的關(guān)系，稱為焊接電弧的靜態(tài)伏安特性，簡(jiǎn)稱伏安特性或靜特性，可用式Uf＝f（If）表示。三、焊接電弧特性（1）靜特性曲線A區(qū)：負(fù)阻特性區(qū)。（由于電弧燃燒不穩(wěn)定而很少采用）B區(qū)：平特性區(qū)。（手弧焊，埋弧焊；非熔化極氣保焊，等離子弧焊）C區(qū)：上升特性區(qū)。（熔化極氣保焊，水下焊接；大電流時(shí)的非熔化極氣保焊，等離子弧焊）圖1.53焊接電弧的靜特性曲線（2）大氣中鐵極電弧的特性曲線圖1.54小電流區(qū)的鐵電極電弧伏安特性圖1.55大電流區(qū)的鐵電極電弧伏安特性圖1.56軟鋼裸電極電弧的Va-L特性曲線圖1.57藥皮焊條電弧的Va-L特性曲線（3）TIG焊電弧的靜特性圖1.58傾斜母材時(shí)所測(cè)得的電弧Va-L特性曲線（a）純W（b）Th-W圖1.59N.M.和C.S.M電弧的特性曲線（C.E.杰克遜）（a）電弧形態(tài)（b）伏安特性（c）Va-L特性圖1.60N.M.和C.S.M電弧的弧柱區(qū)電位梯度分布圖1.61TIG電弧的電極尖端角度和電弧電壓的關(guān)系（4）MIG焊電弧的靜特性圖1.63MIG電弧的伏安特性圖1.62MIG電弧的Va-L特性1、氛圍氣體成分的影響氣體介質(zhì)成分、電離電壓及熱物理性能的不同，對(duì)電弧靜特性的影響也不同。電離電壓較高的氣體不易電離，電流一定時(shí)要求較高的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而使電弧電壓升高。導(dǎo)熱性好的氣體及多原子氣體的熱解離能高，對(duì)電弧冷卻作用強(qiáng)，使電弧熱損失增加，要求較大電弧能量（IE）與之平衡，電流I一定時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度E必然增加，電弧電壓升高。氛圍氣體對(duì)弧柱電位梯度的影響圖1.64氛圍氣體對(duì)弧柱電位梯度的影響表1.14各種氛圍氣體中的弧柱電位梯度（空氣中的弧柱電位梯度為1）表1.15氣體分子的分解度圖1.65氬氣中的電弧特性圖1.66氫加入氬氣中對(duì)電弧特性的影響2、電極材料的影響圖1.67電極材料對(duì)弧柱電位梯度的影響圖1.68銅極電弧的弧柱電位梯度3、氣體壓力的影響圖1.69高壓氣體中的伏安特性圖1.70氣體壓力對(duì)電位梯度的影響4、器壁的影響圖1.71平板間距和弧柱電位梯度的關(guān)系圖1.72藥皮焊條交流電弧得電壓波形圖1.73噴嘴的收縮圖1.74噴嘴收縮的影響圖1.75脈動(dòng)電流圖1.76電弧動(dòng)特性2、電流變動(dòng)的直流電弧的動(dòng)特性對(duì)于一定弧長(zhǎng)的電弧，當(dāng)電弧電流發(fā)生連續(xù)的快速變化時(shí)，電弧電壓與電流瞬時(shí)值之間的關(guān)系，稱為電弧動(dòng)特性。它反應(yīng)的是電弧導(dǎo)電性能對(duì)電流變化的響應(yīng)能力。圖1.77脈沖電弧動(dòng)特性（1）交流電弧的電壓和電流特性電流從零增大到最大值所對(duì)應(yīng)的電壓高于電流從最大值減小到零所對(duì)應(yīng)的電壓的現(xiàn)象，稱為交流電弧的滯后現(xiàn)象。圖1.78交流電弧的典型電壓、電流波形3、交流電弧的動(dòng)特性圖1.79頻率對(duì)交流電弧動(dòng)特性的影響(a)低頻；(b)中頻；(c)高頻圖1.80電極材料對(duì)交流電弧動(dòng)特性的影響（a）碳極電??；（b）鋁極電?。╝）（b）（2）交流電弧弧柱溫度的變化圖1.81弧柱溫度在一個(gè)周期內(nèi)的變化圖1.82沿弧長(zhǎng)的溫度分布（3）交流電弧的再引燃現(xiàn)象交流電弧電流每半周改變一次流動(dòng)方向，電弧隨之熄滅再反方向再次引燃，這就是交流電弧的再引燃。交流電弧的再引燃按哪種導(dǎo)電機(jī)構(gòu)進(jìn)行，與電極材料的種類和電弧電流大小有很大關(guān)系。冷陰極型：Ag，Cu，黃銅等；熱陰極型：W，C等中間類型：Fe，Al，一般藥皮焊條。1、冷陰極型圖1.83銅電極交流電弧再引燃前后電壓、電流的變化及其電壓-電流特性2、熱陰極型圖1.84不同弧長(zhǎng)的碳極電弧的電壓-電流特性（a）（b）（c）（d）（e）（f）ABCODEF圖1.85中等弧長(zhǎng)碳極電弧再引弧時(shí)特性曲線的局部放大圖圖1.86氬氣中W-W電極交流電弧動(dòng)特性和直流電弧靜特性的比較圖1.87氬氣鎢極交流電弧動(dòng)特性隨弧長(zhǎng)的變化3、中間類型所謂中間類型電極，是指那些不具備W、C電極那樣強(qiáng)烈的熱電子發(fā)射能力，但借助電極表面氧化膜等，又多少具備一些熱電子發(fā)射能力的一類電極。圖1.88軟鋼藥皮焊條交流電弧的動(dòng)特性（4）交流電弧的穩(wěn)定性交流焊接電弧為了在較低電源電壓下穩(wěn)定地再引燃，必須在電源極性變換，電壓重新加于兩電極之間地時(shí)間內(nèi)，具備以下條件：弧柱溫度降低不多，并保持著足夠高的電離度；新成為陰極的電極表面應(yīng)尚未失去電子發(fā)射的能力。在電極間加以沖擊電壓使之重新放電所需的外電壓大小隨放電停止時(shí)間變長(zhǎng)而增大的特性曲線，稱為絕緣恢復(fù)特性曲線，或者再引弧特性曲線。圖1.89電壓恢復(fù)特性（a）銅電極（實(shí)線：電極間距10cm，點(diǎn)劃線：電極間距0.5cm（b）碳電極（電極間距10cm）（c）碳銅電極（電極間距10cm））交流電弧動(dòng)特性曲線可以表征交流電弧的穩(wěn)定性：動(dòng)特性曲線在過(guò)零點(diǎn)時(shí)電壓突增值越小，說(shuō)明電弧穩(wěn)定性越好，因?yàn)殡妷和辉鲋荡笮∫馕吨僖茧妷旱拇笮?；?dòng)特性曲線過(guò)零點(diǎn)的斜率越小，表面電弧穩(wěn)定性越好，因?yàn)樾甭蚀笮∫馕吨娀?dòng)態(tài)導(dǎo)電率的大小，也就是電弧空間帶電粒子濃度的大小。動(dòng)特性曲線的增值回線與降值回線越趨向重合，電弧穩(wěn)定性越好，因?yàn)檫@意味著電弧空間溫度的穩(wěn)定，即空間帶電粒子的穩(wěn)定。動(dòng)特性曲線越接近橫坐標(biāo)，電弧穩(wěn)定性越好，因?yàn)檫@意味著電弧的動(dòng)態(tài)導(dǎo)電率大，即電弧空間的帶電粒子的濃度高。從焊接電源的角度：應(yīng)提供足夠的空載電壓以滿足再引燃電壓的要求，或者在電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)加以適當(dāng)?shù)碾妷好}沖來(lái)幫助引弧。從提高電弧導(dǎo)電能力的角度：設(shè)法增加電弧空間氣氛的電離度，在電流過(guò)零點(diǎn)電弧熄滅后，使電弧空間在盡可能長(zhǎng)的延時(shí)內(nèi)保留較多的帶電粒子以降低再引燃電壓的數(shù)值。保證交流電弧穩(wěn)定燃燒的措施對(duì)于藥皮焊條手工焊或埋弧焊：如果藥皮或者焊劑中不含穩(wěn)弧劑，要求焊接電源空載電壓在100V以上；如果含有充分的穩(wěn)弧劑，空載電壓可降到70V。對(duì)于鎢極氬弧焊：要求焊接電源的空載電壓在150V以上；當(dāng)鎢極為正極的每個(gè)半波的起點(diǎn)（電流過(guò)零后）加一個(gè)超過(guò)150V的電壓脈沖，空載電壓可