陰極斑點(diǎn)的定義：，負(fù)電極表面上集中發(fā)射電子的光亮極小區(qū)域

當(dāng)陰極材料熔點(diǎn)、沸點(diǎn)較低，而且，即使陰極溫度達(dá)到材料的沸點(diǎn)開始蒸發(fā)，此溫度也不足以通過熱發(fā)射產(chǎn)生足夠數(shù)量的電子，陰極將進(jìn)一步自動(dòng)縮小其導(dǎo)電面積，直到在陰極導(dǎo)電面積前面形成密度很大的正離子空間電荷，形成很大的陰極壓降值，足以產(chǎn)生強(qiáng)的電場(chǎng)發(fā)射，以補(bǔ)足熱發(fā)射的不足，向弧柱提供足夠的電子流維持電弧燃燒。、電流密度更大的斑點(diǎn)（該斑點(diǎn)的電流密度達(dá)106～108A/cm2）來導(dǎo)通電流，這種導(dǎo)電斑點(diǎn)稱為陰極斑點(diǎn)。在用高熔點(diǎn)材料（W、C等），在小電流情況下，也可能產(chǎn)生上述的陰極斑點(diǎn)。當(dāng)用低熔點(diǎn)材料（A1、Cu、Fe等），無論電流大小都可能產(chǎn)生陰極斑點(diǎn)。，陰極表面將由許多分離的陰極斑點(diǎn)組成斑點(diǎn)區(qū)，這些斑點(diǎn)在斑點(diǎn)區(qū)以很高速度跳動(dòng)（其速度可達(dá)104～105cm/s）。形成新的陰極斑點(diǎn)應(yīng)具有如下條件，首先該點(diǎn)應(yīng)具有發(fā)射電子的條件（主要是場(chǎng)發(fā)射和熱發(fā)射），其次是電弧通過該點(diǎn)弧柱能量消耗較小，也就是IELC較小（I——電流，E——弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度，LC——弧柱長度）。總之陰極斑點(diǎn)的跳動(dòng)，總是自動(dòng)選。如采用直流，陰極斑點(diǎn)有自動(dòng)尋找氧化膜的傾向，如圖4所示。

陽極斑點(diǎn)的定義：，正電極表面上集中接受電子的光亮微小區(qū)域。

陽極的作用是接受電子和由陽極區(qū)提供弧柱所需要的0.001/I正離子流。當(dāng)采用低熔點(diǎn)（Fe、Cu、A1等），一旦陽極表面某處有熔化和蒸，由于金屬的電離能大大低于一般氣體的電離能，在有金屬蒸氣存在的地方，更容易產(chǎn)生熱電離而提供正離子流，電子流也更容易從這里進(jìn)入陽極，陽極表面上的導(dǎo)電區(qū)將在這里集中而形成陽極斑點(diǎn)。陽極斑點(diǎn)電流密度比陽極斑點(diǎn)要小，其數(shù)量級(jí)一般為102～103A/cn2。

對(duì)于低熔點(diǎn)陽極材料形成陽極斑點(diǎn)的條件是，

1)首先該點(diǎn)有金屬蒸發(fā)，

2)其次是電弧通過該點(diǎn)弧柱消耗能量較低（亦即IELC較?。?。

陽極斑點(diǎn)的移動(dòng)不可能連續(xù)進(jìn)行，總是跳動(dòng)形式，如圖5。新的陽極斑點(diǎn)總是自動(dòng)尋找純金屬表面而避開氧化膜，因?yàn)榇蠖鄶?shù)金屬氧化物的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)皆高于純金屬，而金屬氧化物的電離電壓較高。在小電流氬弧焊，易發(fā)生陽極斑點(diǎn)跳動(dòng)現(xiàn)象，這是十分不利的。

此外，許多情況下也可能不形成陰極斑點(diǎn)或陽極斑點(diǎn)。如以高熔點(diǎn)電極（W、C等）作陰極，，陰極溫度很高，依靠熱發(fā)射就可以維持電弧，陰極表面的電流密度與弧柱接近，溫度均勻，不會(huì)形成陰極斑點(diǎn)。又如，陽，依靠陽極前面中性粒子熱電離就可以提供0.001/I的正離子流，則陽極壓降UA接近于零。任何收縮，也不能形成陽極斑點(diǎn)。

焊接電弧是一個(gè)熱源，。電弧產(chǎn)生的機(jī)械作用力對(duì)焊接質(zhì)量影響很大。焊接電弧的作用力統(tǒng)稱為電弧力，主要包括電磁力、等離子流力、斑點(diǎn)壓力和短路爆破力等。

1）電磁力

由電工學(xué)可知，在兩根相距不遠(yuǎn)的平行導(dǎo)線中，通過同，則產(chǎn)生相互吸引的力；反之，通過相反，則產(chǎn)生相互排斥的力。如圖6所示。

這個(gè)力的形成是由于在導(dǎo)體周圍空間形成磁場(chǎng)，而兩個(gè)通電導(dǎo)體又都處于磁場(chǎng)之中，受到磁場(chǎng)力作用，其單位長度導(dǎo)線受力大小與導(dǎo)線中流過的電流乘積成正比，與兩導(dǎo)線間的距離成反比，如式（1）所示：

F=KI1I2/l───（1）

式中F——單位長度受力大??；

K——常數(shù)；

I1、I2——導(dǎo)體1、2中流過的電流；

l——兩導(dǎo)體間的距離。

當(dāng)電流從一個(gè)，整個(gè)電流可看成是許多平行的電流線組成，這些電流線之間也產(chǎn)生相互吸引力，則導(dǎo)體斷面有收縮的傾向。如果導(dǎo)體是固態(tài)不能自由變形，此收縮力不能改變導(dǎo)體的外形；如果導(dǎo)體是可以自由變形的液態(tài)和氣態(tài)，導(dǎo)體將發(fā)生收縮，如圖7中液態(tài)段。

這種現(xiàn)象稱為電磁收縮效應(yīng)，由此產(chǎn)生的力稱為電磁力或電磁收縮力。這種力在導(dǎo)體內(nèi)將引起徑向力。假設(shè)導(dǎo)體為圓柱體，電流線在導(dǎo)體中的分布是均勻的，則導(dǎo)體任意半徑r處的壓力值可由式（2）表示：

Pr=KI2/πR4（R2-r2）（2）

式中Pr——導(dǎo)體內(nèi)任意半徑r處的壓力；

R——導(dǎo)體外徑；

I——導(dǎo)體的總電流；

K——系數(shù)，K=μ/4π──（μ——介質(zhì)磁導(dǎo)率）。

導(dǎo)體中心軸處的徑向壓力（P0）為：

I2

P0=KI2/πR2.KJI（3）

式中P0——導(dǎo)體中心軸處的徑向壓力；

J——電流密度。

因?yàn)樵诹黧w中各方向的壓力相同，所以由于徑向壓力的產(chǎn)生也將產(chǎn)生軸向壓力且大小相等，軸向壓力的合力為：

K

F=K/2I2（4）

式中F——軸向壓力的合力；

I——電流。

在焊接電弧中，F(xiàn)。

實(shí)際上焊接電弧不是圓柱體，而是斷面直徑變化的圓錐狀的氣體導(dǎo)體。由于焊絲直徑限制了電弧的擴(kuò)展，而在工件上電弧可以擴(kuò)散得比較寬，也就是從焊絲端頭到工件形成錐狀。由式（3）可知，直徑不同將引起壓力差，從而產(chǎn)生由焊絲指向工件的推力FP，其數(shù)值可由下式表示：

Rb

FP=KI21n（──）（5）

Ra

式中FP——電弧指向工件的推力；

I——電流；

Rb、Ra——錐形電弧柱的下底面半徑和上底面半徑。

圓錐狀電弧中任意點(diǎn)A的壓力可由下式?jīng)Q定：

式中的參數(shù)含義如圖8所示。

從式（6）可知，A點(diǎn)的電磁壓力與電流的平方成正比，與l2成反比，且與θ、ψ角有關(guān)。這種由電磁力引起的壓力稱為電磁靜壓力。其特點(diǎn)是靠近焊絲處和電弧中心壓力大些，而相反靠近母材和電弧邊緣處壓力減弱。

2）等離子流力

焊接電弧呈錐形，如圖9所示靠近電極（焊絲）一端的電弧斷面積比靠近工件一端的小，所以電極端電弧的電磁收縮力比工件端的大，從電極A到工件B形成一定的壓力差，在該壓力差的作用下，形成軸向推力FP在電極附近電弧中的氣體離子將向工件方向流動(dòng)。

高，將從上方吸入電弧周圍的氣體介質(zhì)，而形成有一定速度的連續(xù)氣流進(jìn)入電弧區(qū)，在這里新加入的氣體被加熱和電離后，在電弧軸向推力作用下，沖向熔池，并對(duì)熔池產(chǎn)生附加壓力，在電弧中，由于電弧推力引起高溫氣流的運(yùn)動(dòng)所形成的力稱為等離子力，或稱為等離子流力。由于該力是由電磁收縮力引起的，所以又稱為電磁動(dòng)壓力。等離子流速度很快，其速度高達(dá)幾十～幾百米/秒，所以將對(duì)熔滴過渡和焊縫形成造成很大影響。

3）斑點(diǎn)壓力

在焊絲端，在陰極或陽極斑點(diǎn)處，由于電子流或離子流的沖擊和金屬蒸氣的反作用力，對(duì)斑點(diǎn)所造成的壓力稱為斑點(diǎn)壓力，如圖10所示。

斑點(diǎn)壓力常常不是某種單一原因造成的，而是。主要因素如下：

（1）正離子流或電子流對(duì)電極的沖擊力陽極接受電子流撞擊或陰極接受正離子流的撞擊。由于正離子的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子的質(zhì)量，UK大于陽極壓降UA，所以斑點(diǎn)壓力在陰極上表現(xiàn)較大，在陽極上表現(xiàn)較小。

（2）電磁收縮力當(dāng)電極上形成熔滴，在焊絲、熔滴及電弧中的電流分布如圖11所示。熔滴和電弧空間的電流線都是在斑點(diǎn)處集中。根據(jù)前面電磁收縮力產(chǎn)生的原理，電磁力的合力方向是由小斷面指向大斷面，所以在熔滴內(nèi)從斑點(diǎn)處將產(chǎn)生向上的電磁收縮力，阻礙熔滴下落。

（3）電極材料強(qiáng)烈蒸發(fā)的反作用力由于斑點(diǎn)上的電流密度很高，局部溫度也很高而造成金屬材料強(qiáng)烈地蒸發(fā)，使金屬蒸氣以較高速度從斑點(diǎn)表面發(fā)射出來，這種物質(zhì)的發(fā)射將對(duì)斑點(diǎn)形成反作用力。由于陰極斑點(diǎn)電流密度比陽極斑點(diǎn)的高，發(fā)射也要更強(qiáng)烈，所以陰極斑點(diǎn)壓力也將比陽極斑點(diǎn)壓力大。

（4）爆破力，熔滴與熔池金屬短路，電弧熄滅，電流通過短路液態(tài)金屬流過，在電磁收縮力作用下，形成液態(tài)金屬小橋。隨著小橋直徑變細(xì)，電流密度增加，則液體金屬小橋的溫度急劇升高，最終使液柱氣化而爆斷，這種作用力稱為爆破力，如圖12所示。爆破力的大小對(duì)焊接飛濺影響很大，所以應(yīng)適當(dāng)控制。

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