西安石油大学本科毕业设计（论文）文献综述
曲线来定量定性的分析焊接电弧载流区的相关特征。为了实验的进行，我们有必要从各个角度详尽的了解有关电弧物理性质的相关知识。
在焊接过程，电弧带电粒子的运动和状态对电弧的产生有着重要的影响。单位电荷的定向运动产生了电流，于是在电弧中产生了有关电流密度的概念。
我们已经知道焊接电弧的本质是一种气体的放电现象。在对焊接电弧的研究过程中，人们最开始研究的是在稀薄气体中的放电。对于稀薄气体，我们可以将其近似的看作是一个真空。电弧由一个很高的电压引燃之后，不再需要同样高的电压来维持电弧的燃烧，其所需的维弧电压非常小，但其所产生的电流则非常大。气体分子电离之后形成无数个电子和正离子，且电子的数量要远大于正离子的数量。在TIG焊中，采用直流反接来进行焊接，电弧中的正离子在电场力的作用下向工件的方向运动，电子向钨极方向运动。电弧引燃之后，在电弧区域内的电子可以视为由两个部分组成，即一部分为电源提供的电子，另一部分为气体电离所产生的电子。在电弧燃烧过程中，正离子作为空间电荷[3]存在，由于电子的质量m远小于正离子的质量M，电子以相对速度v在电场中运动。同时，电子受到正离子的吸引，电子向正离子方向加速运动。在电弧区域内的不同高度方向又存在有正离子，那么电子飞离靠近底板（工件）处的正离子便又受到远离底板（工件）的正离子的吸引，又产生加速运动。依次类推，电子在相对于正离子很短的时间内便到达钨极。宏观上来看，电弧中产生电流是由于电子的移动所产生的，故可以称之为电子电流。其简要的原理图可见图1.3所示。由于其运动速度非常之快，故在以小电压驱动的电弧之中，有着非常大的电流。
图1.3 TIG焊电弧电流形成示意图
在电工学中可知，电流密度是描述电路中某点电流强弱和流动方向的物理量。它是矢量，其大小等于单位时间内通过某一单位面积的电量，方向向量为单位面积相应截面的法向量，指向由正电荷通过此截面的指向确定，如图1.4所示。对于电弧而言，可以将其看作一个由无数导线组成的导体，对焊接电弧进行无限的微分，相邻“导线”的沿电流方向的电流密度可以视为是相等的。但在导线不同点上与电流方向垂直的单位面积上流过的电流不同，为了描写每点的电流情况，
4
西安石油大学本科毕业设计（论文）文献综述
有必要引入一个矢量场——电流密度J，即面电流密度。每点的J的方向定义为该点的正电荷运动方向，J的大小则定义为过该点并与J垂直的单位面积上的电流。
图1.4 导体电流密度示意图
而对于电弧的电流密度分布，一般认为，在电弧中心线附近最高，远离中心线的区域电流密度较低。同时认为其电弧电流集中在电弧的中心线附近。对于电弧周围表现出的亮色，是由于电弧中气体的电离所发生的辐射所产生的。
我们不妨给电弧作一个比喻，将其比喻为在纵截面为上呈现的一个“扫把”，将扫把的每一个分枝看作为一个导线。通过上面的文章我们知道，每一个导体中都有电流通过，通过法拉第电磁感应定律可知，在两根相互平行导体中，通过同方向的电流时，导体间产生相互吸引的力，若电流方向相反，则产生排斥力。这个力的形成是由于一个导体中的电流在另一个导体的周围空间形成磁场，磁场间相互作用，使导体受到电磁力。因电流方向上的差异，电磁力表现为相互吸引或相互排斥。
当电流在一个导体中流过时，整个电流可看作由许多平行的电流线组成，这些电流线间将产生相互吸引力，使导体截面有收缩的倾向，如图1.5（a）所示。对于固态导体，此收缩力不能改变导体外形，但对于液态或气态导体，其将产生截面收缩，如图1.5（b）所示，这种现象称作电磁收缩放应，所产生的力称作电磁收缩力或电磁力。
图1.5 焊接电弧电磁收缩现象示意图[1]
假设导体为圆柱体，电流线在导体中的分布是均匀的，则导体内部任意半径
5
西安石油大学本科毕业设计（论文）文献综述
r处的电磁力数值为：
(1-1) 式中，Pr为导体内任意半径r处的压力；J为导体的总电流；R为导体半径；K为系数。
导体中心轴上(r≈0)的径向压力为：
（1-2）
式中，P0为导体中心铀处的径向压力；j为电流密度。
对于流体，其内部各点处压力各向等值，径向压力等于轴向压力，轴向压力的合力方程为：
（1-3）
式中，F为轴向合力；I为电流值。
实际上焊接电弧不是圆柱体，而是截面直径变化的圆锥状的气态导体，如图1.6所示模型。因为电极直径限制了导电区的扩展，而在工件上电弧可以扩展的比较宽，所以电极前端电弧截面直径小．接近工件端电弧截面直径大，由式(1-1)可知。直径不同将引起压力差，从而产生由电极指向工件的推力Fa，其方程为：
形弧柱下底面半径。
（1-4）
式中，Fa为指向工件的推力或电弧静压力；Ra为锥形弧柱上底面半径；Rb为锥
图1.6 焊接电弧模型
推力Fa亦称作电弧静压力，数值与电弧电流、电弧形态有关，由于电弧中电流密度分布是不均匀的，弧柱中心区电流密度高于周边区域，所以电弧静压力在分布上是中心轴上的压力高于周边的压力[1]。由于在电弧周边区域的电流密度
6
西安石油大学本科毕业设计（论文）文献综述
很小，所以近似忽略其的存在，也就是上文所述的电弧电流集中在电弧中心轴线附近的原因。
对于整体焊接电弧电流密度分布规律来讲，由于焊接电弧并非是规则圆柱体，所以电弧的电流密度分布是不均匀的，对于电弧轴向来说，横截面积小的地方电流密度大，横截面积大的地方电流密度小。对于某一截面的径向来说，由于电弧中心处的带电粒子多于外围区域，所以电弧中心处的电流密度大，边缘区域的电流密度小。另外阳极附近的电子流多，所以其电流密度也大于阴极附近的电流密度。
焊接电流密度对焊缝成形有很大的影响[4,5]，在其他条件一定的情况下，随着电弧焊接电流增加，焊缝的熔深和余高均增加，熔宽略有增加。其原因如下：
（a）随着电弧焊焊接电流增加，作用在焊件上的电弧力增加，电弧对焊件的热输入增加，热源位置下移，有利于热量向熔池深度方向传导，使熔深增大。熔深与焊接电流近似成正比关系，即焊缝熔深H约等于Km×I。式中Km为熔深系数。
（b）电弧焊的焊芯或焊丝的熔化速度与焊接电流成正比。由于电弧的焊接电流增加导致焊丝熔化速度增加，焊丝熔化量近似成正比的增多，而熔宽增加较少，所以焊缝余高增大。
（c）焊接电流增大后，弧柱直径增大，但是电弧潜入工件的深度增大，电弧斑点移动范围受到限制，因而熔宽的增加量较小。气体保护熔化极氩弧焊时，焊接电流增加，焊缝熔深增加。若焊接电流过大、电流密度过高时，容易出现指状熔深，尤其焊铝时较明显。
此外，电弧动压力、斑点力、爆破力、熔滴冲击力等对于焊缝的成型都有很大的关系。电弧电流密度对其有一定的影响，故为保证焊接的良好成型，研究其电流密度有着举足轻重的意义。
由上文可知，电流密度和载流区形态是影响焊接过程的至关重要的因素，因此对于这几个参量的研究就显得非常有必要，正是基于这种情况，国内外学者给出了相当多的方法和结论，以下就对目前国内外的研究现状做一简要的分析。
7
