焊接光纤激光焊接机7.何谓阴极斑点和阳极斑点？它们有什么特点？

阴极斑点的定义：，负电极表面上集中发射电子的光亮极小区域

当阴极材料熔点、沸点较低，而且，即使阴极温度达到材料的沸点开始蒸发，此温度也不足以通过热发射产生足够数量的电子，阴极将进一步自动缩小其导电面积，直到在阴极导电面积前面形成密度很大的正离子空间电荷，形成很大的阴极压降值，足以产生强的电场发射，以补足热发射的不足，向弧柱提供足够的电子流维持电弧燃烧。、电流密度更大的斑点（该斑点的电流密度达106～108A/cm2）来导通电流，这种导电斑点称为阴极斑点。在用高熔点材料（W、C等），在小电流情况下，也可能产生上述的阴极斑点。当用低熔点材料（A1、Cu、Fe等），无论电流大小都可能产生阴极斑点。，阴极表面将由许多分离的阴极斑点组成斑点区，这些斑点在斑点区以很高速度跳动（其速度可达104～105cm/s）。形成新的阴极斑点应具有如下条件，首先该点应具有发射电子的条件（主要是场发射和热发射），其次是电弧通过该点弧柱能量消耗较小，也就是IELC较小（I——电流，E——弧柱电场强度，LC——弧柱长度）。总之阴极斑点的跳动，总是自动选。如采用直流，阴极斑点有自动寻找氧化膜的倾向，如图4所示。

阳极斑点的定义：，正电极表面上集中接受电子的光亮微小区域。

阳极的作用是接受电子和由阳极区提供弧柱所需要的0.001/I正离子流。当采用低熔点（Fe、Cu、A1等），一旦阳极表面某处有熔化和蒸，由于金属的电离能大大低于一般气体的电离能，在有金属蒸气存在的地方，更容易产生热电离而提供正离子流，电子流也更容易从这里进入阳极，阳极表面上的导电区将在这里集中而形成阳极斑点。阳极斑点电流密度比阳极斑点要小，其数量级一般为102～103A/cn2。

对于低熔点阳极材料形成阳极斑点的条件是，

1)首先该点有金属蒸发，

2)其次是电弧通过该点弧柱消耗能量较低（亦即IELC较小）。

阳极斑点的移动不可能连续进行，总是跳动形式，如图5。新的阳极斑点总是自动寻找纯金属表面而避开氧化膜，因为大多数金属氧化物的熔点和沸点皆高于纯金属，而金属氧化物的电离电压较高。在小电流氩弧焊，易发生阳极斑点跳动现象，这是十分不利的。

此外，许多情况下也可能不形成阴极斑点或阳极斑点。如以高熔点电极（W、C等）作阴极，，阴极温度很高，依靠热发射就可以维持电弧，阴极表面的电流密度与弧柱接近，温度均匀，不会形成阴极斑点。又如，阳，依靠阳极前面中性粒子热电离就可以提供0.001/I的正离子流，则阳极压降UA接近于零。任何收缩，也不能形成阳极斑点。

焊接电弧是一个热源，。电弧产生的机械作用力对焊接质量影响很大。焊接电弧的作用力统称为电弧力，主要包括电磁力、等离子流力、斑点压力和短路爆破力等。

1）电磁力

由电工学可知，在两根相距不远的平行导线中，通过同，则产生相互吸引的力；反之，通过相反，则产生相互排斥的力。如图6所示。

这个力的形成是由于在导体周围空间形成磁场，而两个通电导体又都处于磁场之中，受到磁场力作用，其单位长度导线受力大小与导线中流过的电流乘积成正比，与两导线间的距离成反比，如式（1）所示：

F=KI1I2/l───（1）

式中F——单位长度受力大小；

K——常数；

I1、I2——导体1、2中流过的电流；

l——两导体间的距离。

当电流从一个，整个电流可看成是许多平行的电流线组成，这些电流线之间也产生相互吸引力，则导体断面有收缩的倾向。如果导体是固态不能自由变形，此收缩力不能改变导体的外形；如果导体是可以自由变形的液态和气态，导体将发生收缩，如图7中液态段。

这种现象称为电磁收缩效应，由此产生的力称为电磁力或电磁收缩力。这种力在导体内将引起径向力。假设导体为圆柱体，电流线在导体中的分布是均匀的，则导体任意半径r处的压力值可由式（2）表示：

Pr=KI2/πR4（R2-r2）（2）

式中Pr——导体内任意半径r处的压力；

R——导体外径；

I——导体的总电流；

K——系数，K=μ/4π──（μ——介质磁导率）。

导体中心轴处的径向压力（P0）为：

I2

P0=KI2/πR2.KJI（3）

式中P0——导体中心轴处的径向压力；

J——电流密度。

因为在流体中各方向的压力相同，所以由于径向压力的产生也将产生轴向压力且大小相等，轴向压力的合力为：

K

F=K/2I2（4）

式中F——轴向压力的合力；

I——电流。

在焊接电弧中，F。

实际上焊接电弧不是圆柱体，而是断面直径变化的圆锥状的气体导体。由于焊丝直径限制了电弧的扩展，而在工件上电弧可以扩散得比较宽，也就是从焊丝端头到工件形成锥状。由式（3）可知，直径不同将引起压力差，从而产生由焊丝指向工件的推力FP，其数值可由下式表示：

Rb

FP=KI21n（──）（5）

Ra

式中FP——电弧指向工件的推力；

I——电流；

Rb、Ra——锥形电弧柱的下底面半径和上底面半径。

圆锥状电弧中任意点A的压力可由下式决定：

式中的参数含义如图8所示。

从式（6）可知，A点的电磁压力与电流的平方成正比，与l2成反比，且与θ、ψ角有关。这种由电磁力引起的压力称为电磁静压力。其特点是靠近焊丝处和电弧中心压力大些，而相反靠近母材和电弧边缘处压力减弱。

2）等离子流力

焊接电弧呈锥形，如图9所示靠近电极（焊丝）一端的电弧断面积比靠近工件一端的小，所以电极端电弧的电磁收缩力比工件端的大，从电极A到工件B形成一定的压力差，在该压力差的作用下，形成轴向推力FP在电极附近电弧中的气体离子将向工件方向流动。

高，将从上方吸入电弧周围的气体介质，而形成有一定速度的连续气流进入电弧区，在这里新加入的气体被加热和电离后，在电弧轴向推力作用下，冲向熔池，并对熔池产生附加压力，在电弧中，由于电弧推力引起高温气流的运动所形成的力称为等离子力，或称为等离子流力。由于该力是由电磁收缩力引起的，所以又称为电磁动压力。等离子流速度很快，其速度高达几十～几百米/秒，所以将对熔滴过渡和焊缝形成造成很大影响。

3）斑点压力

在焊丝端，在阴极或阳极斑点处，由于电子流或离子流的冲击和金属蒸气的反作用力，对斑点所造成的压力称为斑点压力，如图10所示。

斑点压力常常不是某种单一原因造成的，而是。主要因素如下：

（1）正离子流或电子流对电极的冲击力阳极接受电子流撞击或阴极接受正离子流的撞击。由于正离子的质量远远大于电子的质量，UK大于阳极压降UA，所以斑点压力在阴极上表现较大，在阳极上表现较小。

（2）电磁收缩力当电极上形成熔滴，在焊丝、熔滴及电弧中的电流分布如图11所示。熔滴和电弧空间的电流线都是在斑点处集中。根据前面电磁收缩力产生的原理，电磁力的合力方向是由小断面指向大断面，所以在熔滴内从斑点处将产生向上的电磁收缩力，阻碍熔滴下落。

（3）电极材料强烈蒸发的反作用力由于斑点上的电流密度很高，局部温度也很高而造成金属材料强烈地蒸发，使金属蒸气以较高速度从斑点表面发射出来，这种物质的发射将对斑点形成反作用力。由于阴极斑点电流密度比阳极斑点的高，发射也要更强烈，所以阴极斑点压力也将比阳极斑点压力大。

（4）爆破力，熔滴与熔池金属短路，电弧熄灭，电流通过短路液态金属流过，在电磁收缩力作用下，形成液态金属小桥。随着小桥直径变细，电流密度增加，则液体金属小桥的温度急剧升高，最终使液柱气化而爆断，这种作用力称为爆破力，如图12所示。爆破力的大小对焊接飞溅影响很大，所以应适当控制。

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