1.电弧焊基础知识

热发射（对电极有冷却作用）
热发射强弱受到阴极材料沸点的影响，沸点
高的钨或碳做阴极时，电极可以被加热到比
较高的温度，通过热发射可以提供足够多的
电子。
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电场发射：
电场发射：当金属表面存在一定强度的正电 场时，金属内部的电子会受到电场力的作用， 如果电场力足够大，电子飞出金属表面，这 种现象称为电场发射。
电离电压：电离能用电压来表示，电离电压低 说明气体的电离比较容易，电弧比较稳定。
气体 He Ar CO2
一次电离电压/v 24.5 15.7 13.7
气体 Fe蒸汽
一次电离电压/v 7.9
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气体电离的形式
热电离：是弧柱区产生带电粒子的 主要途径。
电场作用下的电离：阴极区和阳极 区的电场强度非常高，高达 105~107V/cm，气体电离以电场作 用下的电离为主。
弧柱区长度为电弧长度 弧柱区的电场强度较低： 通常只有5～10V/cm。 温度很高，5000~50000K， 分子、原子将产生热电离，形成等离子体。 弧柱区呈电中性 带电的粒子在等离子体定向移动，基本上不受空间
电场的作用，所以能够在低电压条件下，传输大电 流。传输电流的主要带电粒子是电子，大约占带电 粒子总数的99.9%，其余为正离子。
电弧焊基础知识
Basic knowledge of arc welding §1 焊接电弧及其特性 §2 焊丝熔化及熔滴过渡 §3 母材熔化及焊缝成形
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二、焊接电弧的极性
焊接电弧的极性：直流焊接时电弧的两极 与电源的连接方式称为电弧的极性。
直流正接，正极性
直流反接，负极性
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三、焊接电弧的导电特性
光电离：次要途径。
碰撞电离
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（2）电子发射
电子发射：电极表面受到外加能量的作 用，使其内部的电子冲破电极表面的束 缚飞到电弧空间的现象称为电子发射。
逸出功：使一个电子从金属表面飞出所 需的能量称为逸出功。通常用逸出电压 表示。
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常用金属的逸出功
金属
W
Fe
Al
纯金属
4.54
4.48
4.25
1. 电弧的伏安特性
非自持放电
自持放电
过渡区
过 电弧放电
渡
区
电流最大、 电压最低、 温度最高、 发光最强
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电弧放电区伏安特性
电弧的静特性曲线
A. 电弧成负阻特性 B. 电弧成平特性 C. 电弧成上升特性
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2. 带电粒子的产生
气体电离 电极发射电子 形成负离子
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（1）气体电离：
电离：中性气体分子或原子分离成电子和正离 子的现象。
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等离子型阴极区导电机构：
小电流，热发射不足 正离子堆积形成的电场Uk不足
以使阴极产生电场发射 Uk不足以使中性粒子电离 正离子到达阴极表面，与阴极发
生碰撞，碰出的电子与正离子中 和形成中性粒子，同时获得能量， 碰撞后被碰回阴极区，聚集形成 一个高亮度的高温区，使得中性 粒子在此处被热电离，电子流向
造成电弧不稳 不希望电弧中存在大量的负离子 大多数粒子亲和能比较小，不易形成负离子 F、Cl、O2、OH、NO等离子亲和能比较大，
易于形成负离子。
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3.焊接电弧的构成及其导电特性
焊接电弧由阴极区、 阳极区、弧柱区构 成。
Ua=UA+UC+UK
UA Ua
UC
UK 19
(1)弧柱区特点及导电机构
冷阴极主要是这种发射电子的机理
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光发射与粒子碰撞发射
光发射：金属表面受光能照射，使内部的自
由电子冲破表面约束而产生的电子发射称为 光发射。
粒子碰撞发射：焊接电弧中正离子撞击阴
极表面，将其动能传给阴极内部的电子，使 其逸出金属表面的发射过程称为碰撞发射。
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冷阴极与热阴极
热阴极：当使用沸点高的材料W或C作电极时，阴 极区的带电粒子主要靠热发射提供，这种阴极称 为热阴极。
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（2）阴极区的特点及导电机构
电子之源：向弧柱提供99.9%的电子。阴极 发射电子的能力，对电弧稳定性影响极大。
阴极区的长度：为10-5～10-6cm 高电场强度：如果阴极压降为10V，则阴极
区的电场强度为106～107V/cm。 阴极区的导电机构分为：
➢ 热发射型阴极区导电机构： ➢ 电场发射型阴极区导电机构： ➢ 等离子型阴极区导电机构：
弧柱，正离子又去碰阴极。
中性粒子 + 能量
中性粒子 能量 聚集、高温、高亮
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（3）阳极区的特点及导电机构
接受电子，提供0.1%的正离子 阳极区的长度：为10-2～10-3cm 阳极区的电场强度：如果阴极压降为10V，为
103～104V/cm。当电流密度较大，阳极温度 很高，使阳极材料发生蒸发时，阳极压降将 降低，甚至到0V。
冷阴极：钢Biblioteka Baidu铜、铝、镁等材料作阴极时，由于 它们沸点很低，电极加热温度受沸点的限制不可 能很高，热发射不能提供足够的带电粒子，此时 电场发射起主要作用，这种电极称为冷阴极。
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（3）负离子形成
负离子的形成主要是由中性气体粒子（原子 或分子）吸附一个电子形成的，负离子所带 电量与电子相同，但是质量大，不能有效参 与电弧导电过程
氧化物
3.92
3.9
可见有氧化物时逸出功比较低，所以电子容易 从氧化膜出逸出，形成阴极斑点。
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阴极斑点
阴极斑点：阴极表面经常可以看到发出闪烁的区域，
这个区域称为阴极斑点。
电子发射最集中的区域 电流最集中流过的区域 热阴极：斑点固定 W C 冷阴极：斑点不规则移动 Cu Fe Al 在焊有色金属及其合金时常用到电弧的阴极
清理作用，就是源于阴极斑点的特性。
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电子发射机构分类：
热发射 电场发射 光发射 粒子碰撞发射
实际焊接中往往是多种电子发射机构共同完成电 子发射的任务。
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热发射：
热发射：金属表面受热的作用，内部的自由 电子的热运动加剧，当自由电子的动能大于 逸出功时，电子飞出金属表面加入电弧，参 与电弧的导电过程。
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热发射型阴极区导电机构：
采用W、C等高熔点材料作阴极，电流 较大时（大电流TIG焊），阴极区可以 达到很高的温度，阴极的热发射能够提 供足够的电子，这时阴极压降甚至降为 0，没有明显的阴极区，与弧柱一样。
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电场发射型阴极区导电机构：
W、C阴极，小电流 Fe、Al、Cu等冷阴极 热发射不够，造成正 离子在阴极前的堆积， 从而形成正电场，在 电场作用下电极通过 电场发射形式发射电 子。所以热发射和电 场发射同时存在。