焊接电弧 PPT课件

表1.4 常见气体粒子的最低激励电压 粒子种类 激励电压 /V 10.2 粒子种类 激励电压 /V 1.6 粒子种类 激励电压 /V 6.2
H
K
CO
He
Ne
19.8
16.6
Fe
Ca
4.43
1.4
CO2
H2 O
3.0
7.6
Ar
N
11.6
2.4
H2
N2
7.0
6.3
O
O2
2.0
7.9
（2）电离种类
电弧中气体粒子的电离因外加能量种类的不同可分为三类： 热电离、电场作用下的电离和光电离。
1 2 4 2 r n
（1-5）
若A粒子为电子，B粒子为气体原子，可得到电子的自由程：
e 4 2
（1-6）
电子运动的自由程与气体粒子运动的自由程大小的关系为：
e 4 2
（1-7）
表1.1 标准状态下一些气体粒子的平均自由程
气体种类
空气 Ar Cl CO CO2 H2 He H2O Hg N2 O2 平均自由程 /10-8 cm 9.6 10.0 4.57 9.27 6.29 18.3 28.5 7.22 3.72 9.44 9.95 温度 /K 111 170 199 100 240 72 80 550 110 127 摩尔质量 /(g/mol) 29 40 71 28 44 2 4 18 201 28 32
m1v1 mV 1 1 m2V2
消去V2，可得：
2 m 2 2 1 m1v12 mV ( v V ) 2 1 1 1 1 m2
若令
0 ，当 V1
V1
m1 v1 m1 m2
时，最大消耗能量为： （1-19）
m2 1 m ( ) m1v12 m1 m2 2
（6）气体粒子的碰撞
气体粒子在运动中会发生碰撞，气体粒子以这种形式传递 能量称为碰撞传递。气体粒子的相互碰撞有两种情况：非 破坏性的弹性碰撞和破坏性的非弹性碰撞。 弹性碰撞只引起粒子温度的变化，不产生电离与激励过程， 是在气体粒子拥有的动能较低时产生的。当气体粒子拥有 较大动能时，则产生非弹性碰撞，使被碰撞的气体粒子的 内部结构发生变化。只有非弹性碰撞才产生电离过程，为 气体空间制造带电粒子。
m1v1 mV 1 1 m2V2
可得：
m1 m2 V1 v1 m1 m2 2m1 V2 v1 m1 m2
（1-15）
小球②碰撞后所具有的能量W2用碰撞前的能量w1来表示，则：
4m1m2 4m1m2 1 1 2 2 W2 m2V2 m1v1 w1 2 2 2 (m1 m2 ) 2 (m1 m2 )
dn q D dx
1 D C 3
式中：
（1-9）
（1-10）
q ——通过单位截面积的粒子数；
——气体粒子在x方向的密度变化率； D ——扩散系数； λ ——气体粒子的平均自由程； ——气体粒子热运动的平均速度。
由此可得：
1 kT T 2 D C T T nQ PQ P
图1.1 不同气体放电形式的伏安特性曲线
（2）产生气体放电的条件
a. 必须有带电粒子； b. 放电电极之间必须有一定强度的电场。 （3）电弧中带电粒子的产生方式 a. 依靠电弧中气体介质的电离； b. 依靠电极的电子发射。
2、气体粒子的运动
（1）气体粒子动能和温度的关系
单原子气体粒子的动能与温度的关系：
由此可知，要使处于静止状态的气体粒子②发生碰撞电离， 碰撞粒子①至少需具有
大小的能量。
m1 m2 Wi m2
（1-20）
由于电子的质量远远小于气体原子、离子或分子，在电弧气 氛中，电子运动速度比气体粒子运动速度大得多，因此在电 弧中通过碰撞传递使气体粒子电离的过程中，电子的作用是 所有粒子中最主要的。 电弧中的高温和电场的存在都是提高粒子动能的有利条件， 高温可以提高粒子(中性粒子、电子、离子)的动能，而电场 强度是提高带电粒子(电子、离子)动能的条件。实际电弧过 程中，通过粒子间的碰撞将能量传给中性粒子并使之电离， 就是电弧本身产生带电粒子，维持其导电的主要途径。
1 3 2 mC kT 2 2
（1-1）
式中， m 为气体粒子的质量； C 为气体 粒子运动的均方根速度； k 是为玻耳兹 曼常数；T为热力学温度。
图1.2 容器中气体粒子的运动
单原子气体温度 T ，就是从整体上观 察气体粒子总动能的量度
（2）麦克斯韦速度分布规律
c 4 2 c2 F ( ) F ( c ) c e C0
①弹性碰撞
以① ②两个小球为考虑对象，设其质量为 m1 和 m2 ，碰撞前 速度为 v1 和 v2 ，碰撞后速度为 V1 和 V2 ，同时设小球②处于初 始静止状态（v2＝0），小球①以v1速度对心撞小球②：
则：
1 1 1 2 2 m1v1 m1V1 m2V22 2 2 2
（1-13） （1-14）
（1-23）
由于电子运动速度快，自由程大，在同样电场下获得的动 能也大，加之与粒子碰撞时更易产生非弹性碰撞使其电离， 所以电场作用下的电离主要由电子的碰撞引起。 由于弧柱的电场强度弱(10 V/cm左右)，所以在弧柱中电场 作用下的电离较小，弧柱中的电离以热电离为主。而在阴极 压降区和阳极压降区，电场强度大(105～l07 V/cm)，会产生明 显的电场作用下的电离。
产生电子发射所需要的最低外加能量，称为逸出功。因电子 电量是常数，通常以电子的逸出电压表示逸出功的大小。
图1.9 金属表面发射电子时的感应电荷及其作用示意图
逸出功大小与金属材料种类、金属表面状态密切相关。
表1.7 几种金属及其表面具有吸附薄膜时的逸出功 元素
（1-2）
；
式中，c为气体粒子的实际速度；C0为气体粒子的基准速度，大小为 C为气体粒子的均方根速度；βc为粒子的相对速度，βc＝c／C0。
图1.3 气体粒子运动速度的麦克斯韦曲线分布
（3）玻耳兹曼关系
n2 W12 e n1
kT
（1-3）
式中， n1 和 n2 分别为空间①和②中的粒 子数； W12 为空间①和②之间的位能差； k是为玻耳兹曼常数；T为热力学温度。 图1.4 界面
3、电弧中气体的电离和激励现象
（1）电离电压及激励电压 ①电离与电离电压
在一定条件下，中性气体分子或原子分离为正离子和电子的 现象称为电离。常直接用电离电压表示气体电离的难易。
表1.3 常见分子和原子的电离电压（括号中为二次电离电压）
粒子种类 H He Li B C N O F Na Cl 电离电压 /V 13.5 24.5(54.2) 5.4(75.3) 8.30 11.26(24.4) 14.53 13.5(35) 17.4(35) 5.1(47) 13(22.5) 粒子种类 Ar K Ca K Ni Cr Mo Cs Fe W 电离电压 /V 15.7 4.3 6.1 4.34 7.6 7.7 7.4 3.9 7.9 8.0 粒子种类 H2 O2 N2 H 2O O2 Cl CO NO OH La 电离电压 /V 15.4 12.2 15.5 12.6 12.2 13 14.1 9.6 13.8 5.61
（1-22）
式中， P 为气体压力， Pa ； T 为气体热力学温度， K ； e 为电 子电量，C；k是为玻耳兹曼常数1.38×10-23J/K；Ui为气体电 离电压，V。
图1.8 热电离的电离度与温度的关系
图 1.7 热电离的电离度与温度和 粒子种类的关系
由 于 弧 柱 的 温 度 一 般 在 5000 ～ 50000K范围，所以热电离是弧柱部 分产生带电粒子的最主要途径。
（1-16） 若m1《 m2，则：
m1 W2 4 w1 m2
（1-17）
对于电弧气氛，如果考虑偏心碰撞，电子与气体粒子碰撞的 能量传递比率为：
me W2 m1 f 2 2 w1 m2 mg
（1-18）
②非弹性碰撞
设非弹性碰撞所消耗的能量为Δ，在v2＝0的条件下，有：
1 1 1 2 2 m1v1 m1V1 m2V22 2 2 2
③光电离
中性粒子接受光辐射的作用而产生的电离现象称为光电离。
波长越短，能量越强，只有当接受的光辐射波长小于临界波 长时，中性气体粒子才可能直接被电离。
光电离是电弧产生带电粒子的次要途径。
4、阴离子形成与电子亲和能
中性粒子吸附电子形成阴离子时，其内部能量不是增加而是 减少，减少的这部分能量称为中性粒子的电子亲和能。
热解离： 电弧中的多原子气体 ( 由两个以上原子构成的气体
分子)由于热的作用将分解为原子的现象。气体分子产生热解 离所需要的最低能量称为解离能。
表1.5 几种气体的解离能
解离过程
H2→H+H
解离能 /eV
4.4
解离过程
NO→N+O
解离能 /eV
6.1
N2→N+N O2→O+O
H2O→OH+H
9.1 5.1
4.7
CO→C+O CO2→CO+O
10.0 5.5
②电场作用下的电离
带电粒子从电场中获得能量，通过碰撞而产生的电离过程称 为电场作用下的电离。 在一定温度和压力下，电离气体中电子运动的自由程（λe） 与气体中性粒子（λg）和离子（λi）存在以下关系：
e : i : g 4 2 : 2 :1
②自由程的分布
现以某一气体体系内的N0个粒子为考察对象，λ为其平均自由 程。假定以这些粒子刚发生碰撞的瞬间为出发点，开始新的 自由程，且自由程大于x cm的粒子数为N，则：
N N0e
x

（1-8）
图1.6
不发生碰撞的直线前进距离与碰撞次数的关系
（5）气体粒子的扩散
当气体粒子密度呈不均匀分布时，粒子的移动将通过热运 动相互交换位置来进行，最终达到粒子密度的均匀分布， 这种现象称为热扩散。
3
（1-11）
对于① ②两种气体之间的（互）扩散系数，可由下式表示：
1 n12C2 n21C1 D12 3 n1 n2
（1-12）
表1.2 中性气体的扩散系数
（0℃，760 mmHg） 气体 空气-CO2 空气-O2 H2-空气 H2-CO2 H2-O2 H2O-空气ห้องสมุดไป่ตู้D（cm2/s） 0.184 0.178 0.611 0.534 0.885 0.220
（4）自由程 ①平均自由程
假设有半径分别为 rA 和 rB 的两种粒子， B 粒子静止且空间密度为n，A粒子以一定速 度vA运动，则粒子A自由程大小为：
vA 1 2 n (rA rB ) vA n (rA rB ) 2
图1.5 粒子碰撞截面示意图
（1-4）
若A、B为同一种粒子，则其自由程可表示为：
电子亲和能越大的元素形成阴离子倾向越大。
表1.6 几种原子的电子亲和能
原子种类 F Cl O H Li Na N
电子亲和能 /eV
3.94
3.70
3.8
0.76
0.34
0.08
0.04
5、电子发射
（1）电子发射与逸出功 阴极表面的分子或原子，接受外界能量而释放自由 电子到电弧空间的现象，称为电子发射。
①热电离
高温下，气体粒子受热的作用，在热运动过程中相互碰撞而 产生的电离称为热电离。 单位体积内被电离的粒子数与气体电离前粒子总数的比称为
电离度，以α表示:
电离后的电子或离子密度 电离前的中性粒子密度
（1-21）
热电离的萨哈方程：
当气体中各粒子处于热力学平衡状态时
eU i 2 7 2.5 P 3.16 10 T exp( ) 2 1- kT
第一章
焊接电弧
电
是在一定条件下电荷通过两电极间气体 的一种导电过程，或者说是一种气体放电现象。借 助这种特殊放电现象，产生电弧等离子体，将电能 转换为热能、机械能和光能。
弧
一、电弧物理基础
1、气体放电概述
（1）气体放电的分类 电弧放电的特点是 电流 密度大 、阴极电压低 和 能 产 生 高 温 （ 500050000K ）等特点，所以 非常适合焊接需要。
CO2 NO2
HF
13.2 11
15.7
Al Mg
Mn
5.96 7.61
7.43
Ti Ca
Si
6.81 7.68
8.15
②激励与激励电压
当外来能量作用不足以使气体发生电离，但能使电子从低的能 级转移到较高的亚稳定能级时，则中性粒子内部的原有稳定状 态被破坏，这种状态称为 激励 。使中性粒子激励所需要的最 低外加能量对应的电压称为最低激励电压，激励电压数值低于 该元素电离电压的数值