电弧焊-基础知识

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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
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。
（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。
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。
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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（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
W
Cu H2 N2 O2 Cl2 CO NO
8.0
7.68 15.4 15.5 12.2 13 14.1 9.5
13
（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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（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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（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：

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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（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。
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。
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。
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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。
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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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（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）

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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。

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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、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。