[连载]气体保护焊电弧特性（4）

13.为什么电弧可作为热源？

焊接电弧是一个将电能转换成热能的元件。电弧是由3部分组成（弧柱区、阴极区和阳极区），其导电机构不同，决定了电弧各组成部分的产热机构各有不同特点。

1）弧柱区的产热机构

弧柱区是由电子、正离子和中性粒子组成的。在电场作用下电子和离子进行定向运动，由于质量相差悬殊，所以参与导电的主要是电子，而正离子流只占很小的比例，它的作用是保持电弧空间呈电中性。带电粒子在外加电场作用下运动，将电场能（位能）变成热能（动能）。在弧柱中，电子并不是由阴极直接跑到阳极，而是在不断地与正离子或中性粒子相互碰撞过程中从阴极移向阳极。因此电子的运动是由两部分组成：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。散乱运动的动能就是电子的热能，它占有弧柱区外加电能中的主要部分。

单位弧柱长度上的电能IE的大小就代表了弧柱的产热能量，它将与弧柱的热损失相平衡。弧柱的热损失包括有对流、传导和辐射（包括光辐射）等。根据测试结果，弧柱部分的对流损失占80%以上，辐射损失为10%左右，而传导损失是很少的。

弧柱的产热情况与固态导体不同，固态导体只要电流一定，其产热量也就一定。电弧是一个气体放电过程，当电流一定时，弧柱的产热服从最小电压原理，将根据热损失大小而自行调整。由于气体的质量、导热性能、解离程度的不同，电弧的热损失也不相同。几种气体弧柱电场强度的比较如表1所示。电流不变时，弧柱电场强度值E的升高意味着弧柱产热量增加，也意味着弧柱温度的升高。同样道理，弧柱外围有强迫气流冷却或气压较高时，都能引起电场强度E的升高和弧柱温度上升。

表1 不同气体弧柱电场强度的比较

弧柱的产热主要消耗在向四周散失,只有极少部分通过辐射和热传导传给电极和工件。而当电流较大或压缩电弧时，通过等离子流能把一部分热量带到工件上。

2）阴极区的产热机构

QK=I（UK－UW－UT）（7）

式中QK——阴极区的产热；

UK——阴极区压降；

UW——逸出功；

UT——弧柱温度的等效电压。

式（7）为阴极产热表达式。由上式决定的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焊丝或工件的热量主要由这部分能量提供。

3）阳极区的产热机构

阳极区向弧柱输送的正离子流只占总电流的0.001，所以可以忽略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。电子到阳极时将带给阳极三部分能量；第一部分是电子经阳极压降区被UA加速而获得的动能IUA；第二部分为进入阳极的电子将释放逸出功，这部分能量为IUW；第三部分为从弧柱带来的与弧柱温度相对应的热能IUT。因此阳极上的总产热能为：

QA=I（UA+UW+UT）（8）

式中QA——阳极区的产热；

UA——阳极区压降。

式（8）为阳极产热表达式。阳极产热的能量主要用于阳极的加热、熔化和散热损失。这也是焊接过程中可以直接利用的能量。

14.试述焊接电弧的温度及温度分布。

焊接电弧是一个不均匀的导体。焊接电弧的温度与其导电机构有关，也与其电流密度分布有关，也就是与能量密度的分布有关；另一方面还与散热条件有关。电弧的温度是产热与散热能量平衡的结果。

在弧柱部分温度的轴向分布如图19所示。

温度分布与电流密度及能量密度分布相对应，但在两极却不同，在两极的能量密度很高，但由于受到电极材料沸点的限制，两个电极的温度较低。表2列出了不同电极材料为阴极和阳极时的温度数据。

表2 各种材料作为阴极与阳极时的温度

可以看出，一般情况下阴极与阳极的温度要低于电极材料的沸点。阳极的温度往往高于阴极的温度。这里铝例外，由于铝表面有氧化膜，对测量温度有影响，所以铝阴极和阳极温度高于铝的沸点。

弧柱的温度受电极材料、气体介质、电流大小和拘束程度等多种因素的影响。在常压下，当电流由1～1000A变化时，弧柱温度可在5000～30000K之间变化。钨和铜电极与碳和碳电极之间的电弧纵断面等温线如图20所示。可以看到，靠近电极小的一端（靠近焊丝或焊条）电流密度高，则电弧温度也高，而与电极极性无关。

电弧空间的温度高低，受电弧空间金属蒸气成分的影响很大，图21表明了弧柱温度与金属蒸气电离能的关系。

如果电弧空间无金属蒸气，由于Ar的电离势较高，电弧空间的电离度较小，则电场强度提高。当电极金属大量蒸发时，由于金属蒸气的电离能显著大于Ar，故电离度增加，则电弧温度降低。电弧周围的气氛是多原子气体，如CO2、O2、H2、H2O和N2等。由于气体解离吸热，也将使电弧温度升高。同样道理，当电弧周围有气流高速流动时，电弧温度将升高；当焊接电流增大时，弧柱温度增加。

15.试述焊接电弧的热效率。

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工件。但是这一部分热能并不全部用于加热工件，只是其中一部分热能加热了工件。为了说明这一性能，提出了焊接电弧热效率的概念，即由焊接电弧析出的热能并真正用于加热焊件的功率与总功率之比。

焊接电弧总功率PO为：

Po=IaUa （9）

式中Ia——电弧电流；

Ua——电弧电压。

设P为有效加热工件和焊丝的功率，则：

P=ηPo （10）

式中η——焊接电弧热效率，它与焊接方法、焊接参数和周围条件有关。

常用焊接方法的热效率见表3。

由表3可见，熔化极电弧焊的η值较高，而钨极电弧焊的η值较低。因为钨极不熔化，它不能像熔化极那样，可以通过熔滴将加热焊丝的能量带给熔池。焊接参数的影响也很明显，电弧的热效率η随着弧长的增加，电弧电压的提高而下降，随着电弧电流的增大或电弧潜入熔池而增加。这主要反映在弧柱部分的辐射与对流损失上。

表3 各种弧焊方法的热效率η

想学习机器人集成技术？

▼