第一节熔焊原理及过程.

2．电场发射型 １）产生条件：当采用冷阴极（低熔点、沸点材料如铝、铁、铜等）或 虽然采用热阴极但使用较小电流时。原因：不可能加热到很高的温度， 不足以产生较强的热发射来提供弧柱导电所需要的电子流，则在靠近 阴极的区域，正电荷过剩而形成较强的正电场，并使阴极与弧柱之间 形成一个正电性区——阴极区。
3
（二）
阴极区的导电机构
阴极区的任务：向弧柱提供电子流和接收来自弧柱的正离子流，阴 极区的导电机构受气体介质、阴极材料、电流大小影响。
1．热发射型
1) 产生条件：当采用热阴极材料（高熔点、沸点材料如钨、碳）且使用 较大电流时，阴极区可加热到很高的温度，这时阴极主要靠热发射提 供电子流。 2) 特点：几乎不存在阴极区，阴极区不收缩，阴极区的电流密度与弧柱 区也相近，阴极区电压降很小；不存在阴极斑点；在大电流TIG焊时 这种热发射型导电占主导地位。
1
电子发射的基本概念 a. 定义：阴极中的自由电子受到一定的外加能量
作用时，从阴极表面逸出的过程称为电子发射。
b.
逸出功：电子从阴极表面逸出需要的最低外加
能量。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 (Wω)，单位是电子伏。因电子电量为 常数e，故通常用逸出电压(Uω)来表示，Uω＝Wω／e， 单位为V。逸出功的大小受电极材料种类及表面状态
U(V)
暗放电
1000 非自持放电
自持放电 辉光放电
电弧放电
I(A) I/A 10- 4 1
自持放电：当电流大于一定值时，一旦放电开始，气体导电过程本身 就可以产生维持导电所需要的带电粒子。
自持放电类型：暗放电（电池）、辉光放电（日光灯）、电弧放电 （焊接电弧）。
2 气体导电与金属导电的区别
金属：I=U/R， 电流与电压之间满足线性关系，原因：金属中有大量 可以自由移动的带电粒子（电子）。
的影响。
几种金属材料的逸出功
由表可见，金属与其氧化物相比，其氧化物的逸出 功低，因此，当金属表面存在氧化物时逸出功都会减 小。
四
焊接电弧各区域的导电机构
电弧由弧柱区、阴极区、阳极区构成，但并不是任何电弧都包 含三个部分。
UA UC Ua
UK
阴极压降区 弧柱区 阳极压降区
四
焊接电弧各区域的导电机构
气体：电流与电压之间为非线性关系，原因：在正常状态下，气体中 不含带电粒子（正离子、负离子、电子）。
三
电弧中带电粒子的产生
两电极空间的气体电离、电极的电子发射。
（一）气体的电离
1 2 电离的概念：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。 电离能及其表示方法：
概念： 中性气体粒子失去第一个电子所需的最小外加能量称为第一电离能， 失去第二个电子所需的能量称为第二电离能，依此类推 表示方法：电离能通常以电子伏(eV)为单位。1电子伏就是使得1个电子通 过电位差为1伏的两点间所需做的功，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离电压来表示。 注意：1）气体电离电压的高低说明了该种气体产生带电粒子的难易。 2）电弧焊中的气体粒子电离现象主要是一次电离。
热电离是主要的（在弧柱区和两极区）； 场电离是次要的，主要发生在阴极区和阳 极区； 光电离再次之。 原因：电压降：弧柱：10V/cm;阴极区和阳 极区： 105～ 107 V/cm
（二）电极的电子发射
在电弧焊中，电弧气氛中的带电粒子一方面由电离产
生，另一方面则由电极电子发射获得。两者都是电弧产生 和维持不可缺少的必要条件。
二 气体放电基本概念
1 气体放电及类型
电弧是一种气体放电现象，它是带电粒子通过两电极之间气体 空间的一种导电过程。要使两电极之间的气体导电必须具备两个条 件：(1) 两电极之间导电所需要的带电粒子不能通过导电过程本身 产生，而需要外加措施来产生带电粒子（加热、施加一定能量的光 子）。
电弧由弧柱区、阴极区、阳极区构成，但并不是任何电弧都包含三个部分。
（一）弧柱区的导电机构
1 弧柱的功能：
1) 在热电离的作用下产生电子和正离子，形成电子流和正离子流，保 证弧柱的导电。
2）通过热电离，产生带电粒子，补充因扩散和复合而消失的带电粒子， 使弧柱始终处于动平衡状态，呈电中性。 2 具有上述功能的原因：弧柱的温度很高（大约在5000～50000K之间）， 当弧柱温度很高时，可使其中的大部分中性粒子电离成电子和正离子； 由于正离子和电子的空间密度相同，两者的总电荷量相等，所以宏观 上看弧柱呈电中性。正因如此，才使得焊接电弧具有低电压、大电流 的特点。 导电机构：热电离产生电子和正离子，形成电子流和正离子流，但电 流主要是电子流（99.9%），而正离子流所占比例很小。
在焊接电弧中，电极只能发射电子，不能发射离子， 从阴极和阳极都可发射电子，但只有阴极发射的电子才参 与导电过程，因此，只叙述阴极的电子发射。 由于从阴极发射的电子，在电场的加速下碰撞电弧导 电空间的中性气体粒子而使之电离，这样就使阴极电子发 射充当了维持电弧导电的“原电子之源”。因此，阴极电 子发射在电弧导电过程中起着特别重要的作用。
第一节 熔焊原理及过程
电弧的物理基础
一 电弧的概念及研究电弧的必要性
1 电弧的概念
电弧是通过两电极之间的气体所产生的强力的自持放电现象。 电弧放电的特点：电压低、电流大、温度最高、发光最强。
2
研究电弧的必要性
电弧是所有电弧焊方法的能源。到目前为止，电弧焊之所以能 在焊接方法中占据主要地位，一个重要的原因就是电弧能有效而简 便地把弧焊电源输送的电能转换成焊接过程所需要的热能和机械能。 因此，为了认识和发展电弧焊方法，首先就必须弄清楚电弧是怎样 实现这种能量转换和焊接中是如何利用这种能源的，这就需要深入 了解焊接电弧的物理本质和各种特性。
3）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，电离电压低的气体粒子将先电离；如果这种气体供应充足，则 电弧空间的带电粒子将主要由该种气体产生。
4)激励：当中性气体粒子受外加能量作用而不足以使其电离时，但 可能使其内部的电子从原来的能级跃迁到较高的能级，这种现象称为激 励。
气体电离小结