电弧的产热机构及温度分布 explained by GPT-3

1.弧柱的产热机构

前面已经谈过，弧柱的导电主要是靠电子在电场作用下的定向运动来实现的，正离子流在整个电流中只占极小的比例，但它的存在却保证了弧柱空间呈中性，决定弧柱电压降可以很小，通过的电流可以很大。正离子的密度应等于电子的密度，而正离子的体积却显著大于电子，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。在弧柱中电子实际上是在密集的粒子之间运动，它并不是由阴极直接跑向阳极，而是在不断地与正离子或中性粒子碰撞的过程中从阴极移向阳极的。因此，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，也就是说在弧柱中外加电能以这种形式转变为热能。在常压下的焊接电弧中，由于电子频繁地与正离子相撞，电子所得到的较高的动能将转移给正离子，电子与正离子的散乱运动趋向均衡，因此电子与正离子的温度基本上是均匀的。如果电弧在较低的气压下燃烧，电子散乱运动的动能转移给正离子的较少，故电子的温度将高于正离子温度，压力越低，其温度差别越大。

单位长度弧柱的电能为IE，IE大小也就代表了弧柱产热能量的大小，它将与弧柱的热损失相平衡。弧柱的热损失分为对流、传导和辐射（包括光辐射）等几个方面。根据许多研究者测量的结果，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。

弧柱的产热情况不像固态导体那样，只要电流一定，其产热量也就一定。而弧柱当电流一定时其产热量将因热损失的大小而自行调整，它是按最小电压原理通过电场强度E而自行调节的。由于气体质量、导热性、解离程度的不同，电弧在不同的气体中燃烧时的热损失也不同，使弧柱部分的电场强度也不相同。当电流不变时，弧柱电场强度E的升高意味着弧柱的产热量增加，当然意味着弧柱的温度升高。弧柱外围有强迫气流冷却时将带来电场强度E的升高和弧柱温度的上升，气压的升高也将带来相同的倾向。

一般电弧焊过程中，弧柱的热量不能直接用于对焊条（焊丝）和母材的加热，只能有很少一部分热量通过辐射传给焊条（焊丝）和焊件。当电流较大有等离子流产生时，等离子流将把弧柱的一部分热量带到焊件[因为等离子流一般是由焊条（焊丝）流向焊件]，增加焊件的热量。

2.阴极区的产热机构

由于阴极区的长度很小（数量级为10^-6～10^-5cm），所以阴极区热能直接影响阴极的加热，即影响焊丝的熔化和焊缝熔深。一般情况下，阴极区是由电子与正离子两种带电粒子所构成的。在此区域，这两种带电粒子不断产生、消失和运动，同时伴随着能量的转变与传递。弧柱中只有0.001I的正离子流，其数量相对于整个电流是很小的，可以认为它的产热对阴极区的产热忽略不计。影响阴极区能量状态的带电粒子，全部在阴极产生，最后由阴极区提供足够数量的电子进入弧柱，实现电弧放电过程。因此可以从这些电子在阴极区的能量平衡过程来分析阴极区的产热。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脱离阴极并受到加速作用，获得的总能量为IU_C。这是在阴极区由电能转变为热能的主要来源。电子从阴极表面逸出时，克服阴极表面的束缚而消耗能量为IU_w。这部分能量对阴极有冷却作用。电子流离开阴极区进入弧柱区时，它具有与弧柱相应温度的热能，电子流离开阴极区时所带走这部分能量为IU_T（U_T为弧柱温度的等效电压）。根据以上分析，电子离开阴极时的总能量为

E_C=I（U_C-U_w-U_T） （2-26）

式中 E_C——阴极区的总能量（J）；

U_C——阴极压降（V）；

U_w——逸出功（V）；

U_T——弧柱温度的等效电压（V）。

式（2-26）为阴极的产热量表达式，阴极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焊件的热量主要是由这部分能量提供。

3.阳极的产热机构

前面已经谈到，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。电子到达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U_A加速的电子而获得的动能IU_A；第二部分为电子进入阳极后释放出的阳极材料逸出功又传给阳极，这部分能量为IU_w；第三部分为从弧柱带来的与弧柱温度相对应的热能IU_T（U_T为弧柱温度的等效电压）。因此，阳极上产生的总能量为

E_A=I（U_A+U_w+U_T） （2-27）

式中 E_A——阳极获得的总能量（J）；

U_A——阳极电压降（V）。

式（2-27）为阳极产热量的表达式。阳极产热量主要用于阳极的加热、熔化和散热损失。这部分能量也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。熔化电极焊接法在焊接过程中焊条（或焊丝）熔化，熔滴把加热和熔化焊丝的热量带给熔池。而钨极氩弧焊在焊接过程中电极不熔化，母材只利用一部分电弧的热量。如果用P₀表示加于电弧的总功率，则

P₀=IU_a （2-28）

式中 I——焊接电流（A）；

U_a——电弧电压（V）。设P为用来加热工件和焊丝的有效功率，则

P=λP₀ （2-29）

式中 λ——电弧有效功率因数，与焊接方法、焊接参数、周围条件有关。

（1-λ）P₀这部分功率将消耗在辐射、对流等热损失上。各种弧焊方法在通用规范下的电弧有效功率因数λ见表2-9。

表2-9 各种弧焊方法的有效功率因数λ

各种弧焊方法的有效功率因数在其他条件不变的情况下，均随电弧电压的升高而降低。因焊接电弧的电压分布是不均匀的，靠近电极很小区域的阴极和阳极区对焊条（焊丝）和母材的加热熔化起决定作用。因此，两个极区产热量多少也决定了焊接电弧的有效功率因数大小。已知两个电极区产热量公式为

E_C=I（U_C-U_w-U_T）

E_A=I（U_A+U_w+U_T）(www.xing528.com)

则阴极区和阳极区的产热量之和为

E_C+E_A=I（U_C-U_w-U_T）+I（U_A+U_w+U_T）=I（U_C+U_A） （2-30）

由式（2-30）可见：在焊接电流一定的条件下，两个电极区的产热量之和决定于阴极和阳极压降数值的大小。前边已讲过，弧柱部分的热量通过辐射和对流影响焊条（焊丝）与母材的加热与熔化，但这种加热作用是很小的，同时在通常情况下两极压降（U_A+U_C）的数值都大于弧柱压降。表2-10给出了几种典型电弧U_A+U_C与弧柱电场强度的数值比较。

表2-10 几种典型电弧（U_A+U_C）与弧柱电场强度的数值比较

（续）

阳极和阴极电压降是随着规范变化的参数，特别是电极材料和气体介质对阴极和阳极电压降数值有明显的影响。一般情况下，钢、铜、铝等金属材料电弧的阴极与阳极电压降之和往往远远大于弧柱电压降，弧柱电压降只占较小部分，两个极区的产热量对母材和焊条（焊丝）的加热与熔化起决定作用。因此，电弧的有效功率因数可以近似地看做两个电极区产热量与总电弧产热量之比，即

例如，在一般焊条电弧焊时，焊条未深入到熔池中的情况下，电弧电压数值为25V，而阴极与阳极电压降之和（U_C+U_A）为19V，则，与表2-9中的数据相符。对熔化极惰性气体保护焊或CO₂气体保护焊也有类似的情况，在CO₂气体保护焊短路过渡焊接时，U_C+U_A=18V左右，而电弧电压为20～21V，则。CO₂气体保护焊中等参数焊接时，电弧长度大，电弧电压数值较高，若焊丝不插入熔池则电弧的有效功率因数有所下降。

在埋弧焊情况下，电弧埋在焊剂层下及熔化的金属中，由于弧柱部分产生的热量也影响母材和焊丝的加热与熔化，因此，埋弧焊时的有效功率因数可用下式来描述：

式中，ΔU_P为弧柱部分能量对母材和焊丝加热的影响，这项数值不是太大。

从上述的简单分析可以看出，电弧的有效功率因数随着弧长的增加、电弧电压的提高而下降，随着焊接电流的增大或电弧潜入熔池而增加。

采用某热源来加热焊件时，单位有效面积上的热功率为能量密度，以W/cm²来表示。能量密度大时，可以更有效地将热源的有效功率用于熔化金属，容易得到窄而深的焊缝，减少热影响区，达到焊接的目的。电弧的能量密度可达10²～10⁴W/cm²，而气焊火焰的能量密度只有1～10W/cm²，电子束焊接时能量密度可达10⁶～10⁷W/cm²。

5.电弧的温度分布

电弧各部分导电机构的特点决定了电弧各部分轴向能量密度分布与电流密度分布相对应，电弧的温度是能量平衡的总结果。在弧柱部分温度的轴向分布与电流密度及能量密度分布相对应，而在两极能量密度很高，但由于受到电极材料沸点的限制，两个电极上的温度较低，如图2-17所示。这是因为电极温度的升高受电极材料熔点和沸点的限制。表2-11给出了不同电极材料为阴极和阳极时的温度数据。由表2-11中的数值可以看出，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。铝阴极与阳极的温度较高，可能是由于铝表面的氧化膜对测量温度有影响的结果。

弧柱的温度受电极材料、气体介质、电流大小、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之间的电弧纵断面的等温线如图2-18所示。

图2-17 电弧温度、电流和能量密度的轴向分布

表2-11 不同电极材料为阴极与阳极时的温度 （单位：K）

图2-18 电弧温度分布示意图

a）W-Cu电极之间的电弧等温线（焊接电流200A，Ar气，电压14V）

b）200A碳弧等温线

焊接电弧的温度分布具有这样一个特点：靠近电极直径小的一端，如焊丝或焊条一端电流密度和能量密度高，电弧的温度也高。不管焊丝（或焊条）接正极还是接负极都有这个特点。电弧空间的温度高低，受电弧空间金属蒸气成分的影响。不同金属蒸气的电离能不一样，电弧温度也有很大的差异，图2-19就表示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。当电极材料大量蒸发时，由于金属蒸气的电离能显著小于Ar，故电离度增加，电弧温度却降低。如焊条电弧焊时，由于药皮中含有易电离的K、Na等稳弧剂，电弧空间存在有K、Na等金属蒸气，则电弧温度较低。焊接电流大小直接改变弧柱的能量密度，它也影响弧柱温度的高低。焊接电流增大，弧柱温度增加，如图2-20所示。另外，当电弧周围有气体高速流动时，如等离子弧，由于周围高速气流的冷却使弧柱电场强度显著升高，则温度上升。周围气氛是多原子气体时，如CO₂、O₂、H₂、H₂O、N₂等，由于气体解离吸热，也将使电弧温度升高。

图2-19 金属蒸气电离能与弧柱温度的关系

图2-20 弧柱温度与焊接电流的关系（钢焊条，空气中）