电弧焊-基础知识

二、焊接电弧的导电特性
其中，暗放电和辉光放电的电流较小，电 压较高，发热发光较弱，而电弧放电的电流最 大，电压最低，温度最高、发光最强。正是因 为电弧具有这样的特点，因此在工业中广泛用 来作为热源和光源，在焊接技术中成为一种不 可缺少的能源。 综上所述，从电弧的物理本质来看，它是一种 在具有一定电压的两电极之间的气体介质中所 产生的电流最大、电压最低、温度最高、发光 最强的自持放电现象。
电极表面接受一定外加能量作用， 使其内部的电子冲破电极表面的束缚而 飞到电弧空间的现象称为电子发射。 电子发射在阴极和阳极皆可能发 生，但是从阳极发射出来的电子因受到 电场的排斥，不能参加导电过程，只有 从阴极发射出的电子，在电场的作用下 才能参加导电过程。

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（二）电子的发射
一般情况下，电子是不能自由地离开电极表 面向外发射的。要使电子飞出电极表面，必须给电 子施予一定的能量，使它克服电极内部正电荷对它 的静电引力。 使一个电子从电极表面飞出所需要的最低外 加能量称为逸出功（Ww），单位为电子伏。因电子 电量e是一个常数，通常以逸出电压Uw=Ww/e来反映 逸出功的大小，单位为伏。 几种金属及其氧化物的逸出电压如表1-4所示。 由表中可以看出，当金属表面附有其氧化物时，逸 出电压均会减小。

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（一）气体的电离
（2）电离的种类
2）场致电离
当气体中有电场作用时，气体中的带 电粒子被加速，电能被转换为带电粒子的 动能，当其动能增加到一定程度时，能与 中性粒子产生非弹性碰撞，使之电离，这 种电离称为场致电离。

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（一）气体的电离
（2）电离的种类 对于一般电弧来说，由于各个部位的温度、 电场强度不同，因而所产生的电离形式不尽相同。 其中，弧柱部分的温度高达5000～30000K，而电场 强度只有10V/cm左右，因此热电离是其产生带电粒 子的主要途径，场致电离是次要的；阳极压降区和 阴极压降区（即阳极和阴极前面的极小区间）温度 低于弧柱部分，而电场强度高达105～107V/cm，因 此场致电离很显著。

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（一）气体的电离
表1-1 常见气体的电离电压
元素 电离电压/V 元素 电离电压/V
H
He Li C N O F Na
13.5
24.5（54.2） 5.4（75.3，122） 11.3（24.4，48，65.4） 14.5（29.5，47，73，97） 13.5（35，55，77） 17.4（35，63，87，114） 5.1（47，50，72）

电子发射吸收的是光辐射能，不从金属表面 带走热量，因而对电极没有冷却作用。电弧焊时， 焊接电弧发出的光能够引起电极产生光发射，但 由于光亮不足够强。因此，光发射在阴极电子发 射中居于次要的地位。
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（二）电子的发射
（4）粒子碰撞发射
高速运动的粒子（电子或正离子）碰撞金 属电极表面时，将能量传给电极表面的电子， 使电子能量增加并飞出电极表面，这种现象称 为粒子碰撞发射。
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（二）电子的发射
（2）场致发射
当阴极表面空间有强电场存在时，金属 电极内的电子在电场静电库仑力的作用下， 从电极表面飞出的现象称为场致发射。

冷阴极电弧正是主要依靠这种方式获得足 够的电子以维持电弧稳定燃烧的。
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（二）电子的发射
（3）光发射
当金属电极表面接受光辐射时，电极表面的 自由电子能量增加，当电子的能量达到一定值时 能飞出电极的表面，这种现象称为光发射。

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（一）气体的电离
（1）电离与激励 气体电离电压的大小说明电子脱离原子或 分子所需要外加能量的大小，也说明某种气体 电离的难易程度。在相同的外加条件下，气体 电离电压低说明产生带电粒子比较容易，就此 而言，有利于维持电弧稳定燃烧。
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（一）气体的电离
（1）电离与激励 不仅原子状态的气体可以被电离，而且分 子状态的气体也可以直接被电离。但由于一般情 况下电子脱离气体分子需要克服原子对电子和分 子对电子的两层约束，因此分子状态时的气体电 离电压比原子状态时的电离电压值要高一些。 例如氢原子为13.5V，而氢分子为15.4V。 但是有些气体分子的电离电压反而比原子的电离 电压低，如NO分子的电离电压为9.5V，而N原子 和O氧子的电离电压分别为14.5V和13.5V。
第一章电弧焊基础知识
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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§1 焊接电弧及其特性
Welding arc and its characteristics 一、焊接电弧的概念 二、焊接电弧的导电特性 三、焊接电弧的能量特性 四、焊接电弧的温度分布 五、焊接电弧的电磁特性
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二、焊接电弧的导电特性
图1-2是一对电极气体放电的伏安特性曲线，
根据气体放电的特性，可以将其分为两个区域， 即非自持放电区和自持放电区。 当导电电流大于一定值时，就会产生这种自 持放电。在自持放电区内，当电流数值不同时， 导电机构也有差异，可以分为暗放电、辉光放 电和电弧放电三种形式。
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源自文库
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一、焊接电弧的概念
电弧：电压的两电极之间或电极与母材之间的气体介质 中产生的强烈而持久的放电现象。 所谓气体放电，是指当两 电极之间存在电位差时， 电荷从一极穿过气体介质 到达另一极的导电现象 （图1-1）。 但是并不是所有的气体放 电现象都是电弧，电弧仅 是其中的一种形式。
图1-1 电弧示意图

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（二）电子的发射
表1-4 几种金属及其氧化物的逸出功
金属种类 逸出 纯金 属 功 （eV） 金属 氧化 物
W 4.54
Fe 4.48 3.92
Al 4.25 3.9
Cu 4.36 3.85
K 2.02 0.46
Ca 2.12 1.8
Mg 3.78 3.31
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（二）电子的发射

根据外加能量的不同形式，电子发射有以下几种：

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（一）气体的电离
两电极之间的气体受到外加能量（如外 加电场、光辐射、加热等）作用时，气体分子 热运动加剧。当能量足够大时，由多原子构成 的气体分子就会分解为原子状态，这个过程称 为解离。

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（一）气体的电离
（1）电离与激励
在外加能量的作用下，使中性气体 分子或原子分离成为正离子和电子的现象称 为电离。电离时，中性气体分子或原子吸收 了足够的能量，使得其中的电子脱离原子核 的束缚而成为自由电子，同时使原子成为正 离子。 使中性气体粒子失去第一个电子所需 要的最低外加能量称为第一电离能，生成的 正离子称为一价正离子，所发生的电离称为 一次电离。
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二、焊接电弧的导电特性
1.电弧的伏安特性
电流最大、 电压最低、 温度最高、 发光最强
图1-2 气体放电的伏安特性曲线
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2.电弧中带电粒子的产生
两电极之间要产生气体放电必须具备 两个条件，一是必须有带电粒子，二是在两 极之间必须有一定强度的电场。 电弧中的带电粒子指的是电子、正离 子和负离子。引燃电弧和维持电弧燃烧的带 电粒子是电子和正离子。这两种带电粒子主 要是依靠电弧中气体介质的电离和电极的电 子发射两个物理过程产生的。 在电弧引燃和燃烧的过程中，除了存 在电离和发射这两个过程外，还伴随有气体 解离、激励、生成负离子、复合等过程。
（1）热发射 金表面承受热作用而产生电子发射的现象称 为热发射。金属电极内部的自由电子受到热作用 以后，热运动加剧，动能增加，当自由电子的动 能大于该金属的电子逸出功时，就会从金属电极 表面飞出，参加电弧的导电过程。电子发射时从 金属电极表面带走能量，故能对金属产生冷却作 用。当电子被另外的同种金属表面接受时，将释 放能量，使金属表面加热。
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（一）气体的电离
（1）电离与激励
使中性气体分子或原子激励所需要 的最低外加能量称为最低激励能，若以伏 为单位来表示，则称为激励电压。 表1-2是常见气体粒子的最低激励电 压。激励电压越小，说明这种气体分子或 原子越容易发生激励。

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（一）气体的电离
（2）电离的种类
根据外加能量种类的不同，电离可以分为以
Cs
Fe
3.9（33，35，51，58）
7.9（16，30）
注：括号内的数字依次为二次、三次、……电离电压。
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（一）气体的电离
（1）电离与激励 当电弧空间同时存在电离电压不同的几种 气体时，在外加能量的作用下，电离电压较低的 气体粒子将首先被电离。如果这种低电离电压的 气体供应充分，电弧空间的带电粒子将主要依靠 这种气体的电离来提供，所需外加的能量也主要 是取决于这种气体的电离电压。 例如，Fe的电离电压为7.9V，比CO2（13.7V） 或Ar（15.7V）低很多，当用气体保护焊焊接钢材 时，如果焊接电流足够大，电弧空间将充满由铁 蒸汽电离而生成的带电粒子，外加能量相对较低。
下三类： 1）热电离 气体粒子受热的作用而产 生的电离称为热电离。其实质是气体粒子由 于受热而产生高速运动和相互之间激烈碰撞 而产生的一种电离。
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（一）气体的电离
（2）电离的种类 这些高速运动的气体粒子相互之间频繁而激 烈地碰撞，碰撞的结果有两种情况：产生弹性 碰撞或产生非弹性碰撞。其中弹性碰撞是非破 坏性的。碰撞时粒子之间只发生动能的传递和 再分配，碰撞前后两个粒子的动能之和基本不 变，粒子的内部结构也不发生任何变化，只能 引起粒子运动速度和温度变化。这种情况通常 是在气体粒子拥有的动能较低时发生的。非弹 性碰撞是破坏性的，通常在气体粒子拥有较大 动能时发生。碰撞时，部分或全部动能转化为 内能，被碰撞的气体粒子内部结构将发生变化。

焊接电弧中正离子撞击阴极表面产生的电子 发射是很典型的粒子碰撞发射。
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（二）电子的发射
在实际焊接电弧中，上述几种电子发射形 式常常同时存在，而且相互补充。但是在不同的 条件下，有的发射形式比较强，有的则比较弱。

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（三）产生负离子
电弧中的带电粒子除了电子和正离 子之外，还有负离子。负离子是在一定条 件下一些中性原子或分子吸附一个电子而 形成的。中性粒子吸附电子形成负离子时， 其内部的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。 通常是以热或辐射能（光）的形式释放出 来。

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（一）气体的电离
（1）电离与激励 激励是当中性气体分子或原子受到外加能量 的作用不足以使电子完全脱离气体分子或原子，而 使电子从较低的能级转移到较高的能级的现象。通 过加热、电场作用或光辐射均可产生激励现象。由 于产生激励时电子尚未脱离分子或原子，因此气体 分子或原子对外仍呈中性，但是激励状态是一种非 稳定状态，它存在的时间很短暂。
W
Cu H2 N2 O2 Cl2 CO NO
8.0
7.68 15.4 15.5 12.2 13 14.1 9.5
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（一） 气体的电离 续表1-1
Cl Ar K Ca Ni Cr Mo 13（22.5，40，47，68） 15.7（28，41） 4.3（32，47） 6.1（12，51，67） 7.6（18） 7.7（20，30） 7.4 OH H2O CO2 NO2 Al Mg Ti 13.8 12.6 13.7 11 5.96 7.61 6.81

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（二）气体的电离
（2）电离的种类
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。不是所有的光辐射 都可以引发电离，气体都存在一个能产生 光电离的临界波长，气体的电离电压不同， 其临界波长也不同，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 能被直接电离。

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（二）电子的发射

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（一）气体的电离
（1）电离与激励
电离能通常以电子伏（eV）为单位， 1电子伏就是1个电子通过1V电位差的空间所 获得的能量，其数值为1.6×10-19J。为了便 于计算，常把以电子伏为单位的能量转换为 数值上相等的电压来处理，单位为伏（V）， 此电压称为电离电压。电弧气氛中常见气体 的电离电压如表1-1所示。
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（一）气体的电离
（2）电离的种类 如果此内能大于激励电压，则粒子被激 励，如果此内能大于电离电压，则粒子被电 离。相互碰撞的两物体的能量传递情况与它 们的质量有密切关系。电子的质量远远小于 气体原子、分子或离子，因此当具有足够动 能的电子与中性粒子进行非弹性碰撞时，它 的动能几乎可以全部传给中性粒子，转换为 中性粒子的内能，使其激励或电离。