2电弧焊基础知识
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第二单元 电弧焊基础知识
1 焊接电弧
1.1 焊接电弧的物理基础 1.2 焊接电弧的导电性 1.3 焊接电弧的工艺特性
气体导电的两个基本条件 电场强度分布
两电极之间有带电粒子 两电极之间有电场
Hale Waihona Puke UA=Uk+Ua+Uc=a+blh
式中：a=Uk+Ua； UA——电弧电压，V； Uk——阴极压降，V； Ua——阳极压降，V； Uc——弧柱压降，V； b——单位长度的弧柱
阴极区的温度较低,在靠近阴极的区域,正电荷过剩形成 较强的正电场,并使阴极与弧柱之间形成一个正电性区.同时 使阴极产生场致发射,向弧柱提供所需要的电子流。
3.阳极区的导电特性
（1）阳极斑点:阳极斑点是电子集中轰击的区域。 （2）阳极区的导电形式: 1)阳极区场致电离：当电弧较小时,阳极前面的电子数必将 大于正离子数,形成负的空间电场,并使阳极与弧柱之间形成 一个负电性区-阳极区.阳极区内的带电粒子被这个电场加速, 使其在阳极区内与中性粒子碰撞产生场致电离，压降较大。 2)阳极区的热电离：当电弧电流较大时,阳极的过热程度加 剧,金属产生蒸发,阳极区温度也大大提高。阳极区将主要以 热电离为主,压降较低。
作用： 清除氧化物
3）电子发射的类型（根据外加能量形式）
热发射：阴极表面因受热的作用而使其内部的自由电 子产生电子发射的现象。 影响因素：材料的沸点
场致发射：阴极内部的电子受到电场力的作用，从阴 极表面逸出的现象。
光发射：当阴极表面受到光辐射时，阴极内的自由电 子能量达到一定程度而逸出阴极表面的现象。 粒子碰撞发射：电弧中高速运动的粒子碰撞阴极时， 把能量传递给阴极表面的电子，使电子能量增加而逸出 阴极表面的现象。
压降，一般为20～40V/cm；
lh——电弧长度，cm。
电弧及电压分布示意图
2.电弧中带电粒子的产生
带电粒子 （来源）
中性气体 粒子电离
⑴气体的电离
金属电极 发射电子
负离子形成
电离电压大小 与电弧导电的
关系？
1）电离与激励 气体电离：在外加能量作用下，使中性的气体分子或原子分离成 电子和正离子的过程称为气体电离。 电离实质：中性粒子吸收能量→电子脱离束缚→自由电子和正离子
电离能：中性气体粒子失去一个电子所需要的最小外加能量。
第一电离能、第二电离能…… 单位：电子伏（eV）→电离电压（V）
2）电离种类：热电离、场致电离、光电离
①热电离：气体粒子受热作用产生电离的过程。 电离度：单位体积内电离的粒子数与气体电离前粒 子总数的比值。（x） 热电离产生实质：气体粒子热运动→粒子间碰撞→电离 X=已电离的中性粒子密度/电离前的中性粒子密度 影响因素：①温度②气体压力③气体电离电压
PK=IUK-IUW-IUT
PK：阴极区总的产热功率 IUK：阴极压降UK下被加速获得的总能量 IUW：电子从阴极表面溢出带走的能量 IUT：电子从弧柱区带走的能量
当电流和电弧周围条件（如气体介质种类、温度、压力等） 一定时，稳定燃烧的电弧将自动选择一个确定的导电截面， 使电弧的能量消耗最小。
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2.阴极区的导电特性
（1）热发射型阴极区的导电特性 当采用热阴极且使用较大电流时，阴极区可加热到很高
温度时，这时阴极主要靠热发射提供电子流来满足弧柱导电 的需要。这种情况下，阴极斑点在电极表面十分稳定，其面 积较大而且比较均匀，紧挨阴极表面的弧柱不呈现收缩状态， 阴极区的电流密度与弧柱区也相近，阴极区电压降很小。 （2）电场发射型阴极区的导电特性
1.1.3焊接电弧的工艺特性
1、电弧的热能特性 2、电弧的力学特性 3、焊接电弧的稳定性
1、电弧的热能特性
（1）弧柱的产热特性：单位长度弧柱的电能为EI，它 的大小决定了弧柱产热量的大小。当电弧处于稳定状态 时，弧柱的产热与弧柱的热损失处于动平衡状态。 （2）阴极区的产热特性：阴极区的产热功率为：
②场致电离：在两电极间的电场作用下，气体中的带电 粒子数增加，电能将转换为带电粒子的动能，当带电粒 子的动能增加到一定数值时则可能与中性粒子发生非弹 性碰撞而使之产生电离。
产生位置：阴极压降区和阳极压降区 原因：在电场作用下→电场强度高 （阴、阳区E=105-107V/cm>>弧柱区E=10V/cm）
1.弧柱区的导电特性
（1）弧柱区的温度 弧柱区的温度随电弧气体介质、电流大小的不同而不同，
大约在5000-50000K之间。 （2）弧柱中的电流
弧柱中的电流是由向阴极运动的正离子流和向阳极运动的 电子流的组成。由于电子的运动速度大于正离子的运动速度， 因此弧柱中的电流主要由电子流构成。 （3）最小电压原理
逸出功：1个电子从金属表面逸出所需要的最低外加能 量称为逸出功。（Aw）单位：eV 逸出电压Uw=Aw/e 影响因素：电极材料种类和表面状态。
2）阴极斑点 定义：阴极微小、烁亮，发射电子最集中的区域 （电流最集中流过的区域）
形态： 与阴极类型有关 热阴极：斑点固定不动（钨、碳）
冷阴极：斑点在阴极表面做不规则游动（钢、铜）
3.带电粒子的消失
（1）复合 电弧空间的正负带电粒子（正离子、负离子、电子）
在一定条件下相遇而结合成中性粒子的过程称为复合。 高温有利于产生带电粒子，因此复合主要在电弧的
周边进行。当采用交流电弧焊时，过零瞬间电弧熄灭， 电弧温度瞬间降低，带电粒子大量复合，可能导致电弧 复燃困难。
（2）负离子的形成与影响
在一定条件下，有些中性原子或分子能吸附电子而形成 负离子。
负离子的产生，使得电弧空间的电子数量减少，导致电 弧导电困难，电弧稳定性降低。
负离子质量比电子大得多，运动速度低，易与正离子复 合形成中性粒子，故不能有效的担负转运电荷的作用。
1.1.2 焊接电弧的导电特性
一、弧柱区的导电特性 二、阴极区的导电特性 三、阳极区的导电特性
③光电离：中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电 离过程。 适用范围：K、Na、Ca、Al等金属蒸汽（次要途径）。
⑵阴极电子发射
从阴极发射的电子在电场加速下碰撞电弧导电空 间的中性气体粒子而使之电离，这样就使阴极发射充 当了维持电弧导电的“原电子之源”
1）电子发射与逸出功
电子发射：阴极中的电子受到一定外加能量作用时， 从阴极表面逸出的过程称为电子发射。
1 焊接电弧
1.1 焊接电弧的物理基础 1.2 焊接电弧的导电性 1.3 焊接电弧的工艺特性
气体导电的两个基本条件 电场强度分布
两电极之间有带电粒子 两电极之间有电场
Hale Waihona Puke UA=Uk+Ua+Uc=a+blh
式中：a=Uk+Ua； UA——电弧电压，V； Uk——阴极压降，V； Ua——阳极压降，V； Uc——弧柱压降，V； b——单位长度的弧柱
阴极区的温度较低,在靠近阴极的区域,正电荷过剩形成 较强的正电场,并使阴极与弧柱之间形成一个正电性区.同时 使阴极产生场致发射,向弧柱提供所需要的电子流。
3.阳极区的导电特性
（1）阳极斑点:阳极斑点是电子集中轰击的区域。 （2）阳极区的导电形式: 1)阳极区场致电离：当电弧较小时,阳极前面的电子数必将 大于正离子数,形成负的空间电场,并使阳极与弧柱之间形成 一个负电性区-阳极区.阳极区内的带电粒子被这个电场加速, 使其在阳极区内与中性粒子碰撞产生场致电离，压降较大。 2)阳极区的热电离：当电弧电流较大时,阳极的过热程度加 剧,金属产生蒸发,阳极区温度也大大提高。阳极区将主要以 热电离为主,压降较低。
作用： 清除氧化物
3）电子发射的类型（根据外加能量形式）
热发射：阴极表面因受热的作用而使其内部的自由电 子产生电子发射的现象。 影响因素：材料的沸点
场致发射：阴极内部的电子受到电场力的作用，从阴 极表面逸出的现象。
光发射：当阴极表面受到光辐射时，阴极内的自由电 子能量达到一定程度而逸出阴极表面的现象。 粒子碰撞发射：电弧中高速运动的粒子碰撞阴极时， 把能量传递给阴极表面的电子，使电子能量增加而逸出 阴极表面的现象。
压降，一般为20～40V/cm；
lh——电弧长度，cm。
电弧及电压分布示意图
2.电弧中带电粒子的产生
带电粒子 （来源）
中性气体 粒子电离
⑴气体的电离
金属电极 发射电子
负离子形成
电离电压大小 与电弧导电的
关系？
1）电离与激励 气体电离：在外加能量作用下，使中性的气体分子或原子分离成 电子和正离子的过程称为气体电离。 电离实质：中性粒子吸收能量→电子脱离束缚→自由电子和正离子
电离能：中性气体粒子失去一个电子所需要的最小外加能量。
第一电离能、第二电离能…… 单位：电子伏（eV）→电离电压（V）
2）电离种类：热电离、场致电离、光电离
①热电离：气体粒子受热作用产生电离的过程。 电离度：单位体积内电离的粒子数与气体电离前粒 子总数的比值。（x） 热电离产生实质：气体粒子热运动→粒子间碰撞→电离 X=已电离的中性粒子密度/电离前的中性粒子密度 影响因素：①温度②气体压力③气体电离电压
PK=IUK-IUW-IUT
PK：阴极区总的产热功率 IUK：阴极压降UK下被加速获得的总能量 IUW：电子从阴极表面溢出带走的能量 IUT：电子从弧柱区带走的能量
当电流和电弧周围条件（如气体介质种类、温度、压力等） 一定时，稳定燃烧的电弧将自动选择一个确定的导电截面， 使电弧的能量消耗最小。
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2.阴极区的导电特性
（1）热发射型阴极区的导电特性 当采用热阴极且使用较大电流时，阴极区可加热到很高
温度时，这时阴极主要靠热发射提供电子流来满足弧柱导电 的需要。这种情况下，阴极斑点在电极表面十分稳定，其面 积较大而且比较均匀，紧挨阴极表面的弧柱不呈现收缩状态， 阴极区的电流密度与弧柱区也相近，阴极区电压降很小。 （2）电场发射型阴极区的导电特性
1.1.3焊接电弧的工艺特性
1、电弧的热能特性 2、电弧的力学特性 3、焊接电弧的稳定性
1、电弧的热能特性
（1）弧柱的产热特性：单位长度弧柱的电能为EI，它 的大小决定了弧柱产热量的大小。当电弧处于稳定状态 时，弧柱的产热与弧柱的热损失处于动平衡状态。 （2）阴极区的产热特性：阴极区的产热功率为：
②场致电离：在两电极间的电场作用下，气体中的带电 粒子数增加，电能将转换为带电粒子的动能，当带电粒 子的动能增加到一定数值时则可能与中性粒子发生非弹 性碰撞而使之产生电离。
产生位置：阴极压降区和阳极压降区 原因：在电场作用下→电场强度高 （阴、阳区E=105-107V/cm>>弧柱区E=10V/cm）
1.弧柱区的导电特性
（1）弧柱区的温度 弧柱区的温度随电弧气体介质、电流大小的不同而不同，
大约在5000-50000K之间。 （2）弧柱中的电流
弧柱中的电流是由向阴极运动的正离子流和向阳极运动的 电子流的组成。由于电子的运动速度大于正离子的运动速度， 因此弧柱中的电流主要由电子流构成。 （3）最小电压原理
逸出功：1个电子从金属表面逸出所需要的最低外加能 量称为逸出功。（Aw）单位：eV 逸出电压Uw=Aw/e 影响因素：电极材料种类和表面状态。
2）阴极斑点 定义：阴极微小、烁亮，发射电子最集中的区域 （电流最集中流过的区域）
形态： 与阴极类型有关 热阴极：斑点固定不动（钨、碳）
冷阴极：斑点在阴极表面做不规则游动（钢、铜）
3.带电粒子的消失
（1）复合 电弧空间的正负带电粒子（正离子、负离子、电子）
在一定条件下相遇而结合成中性粒子的过程称为复合。 高温有利于产生带电粒子，因此复合主要在电弧的
周边进行。当采用交流电弧焊时，过零瞬间电弧熄灭， 电弧温度瞬间降低，带电粒子大量复合，可能导致电弧 复燃困难。
（2）负离子的形成与影响
在一定条件下，有些中性原子或分子能吸附电子而形成 负离子。
负离子的产生，使得电弧空间的电子数量减少，导致电 弧导电困难，电弧稳定性降低。
负离子质量比电子大得多，运动速度低，易与正离子复 合形成中性粒子，故不能有效的担负转运电荷的作用。
1.1.2 焊接电弧的导电特性
一、弧柱区的导电特性 二、阴极区的导电特性 三、阳极区的导电特性
③光电离：中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电 离过程。 适用范围：K、Na、Ca、Al等金属蒸汽（次要途径）。
⑵阴极电子发射
从阴极发射的电子在电场加速下碰撞电弧导电空 间的中性气体粒子而使之电离，这样就使阴极发射充 当了维持电弧导电的“原电子之源”
1）电子发射与逸出功
电子发射：阴极中的电子受到一定外加能量作用时， 从阴极表面逸出的过程称为电子发射。