第1章 焊接电弧
电弧焊基础第一章
（2）弧柱区导电特点
弧柱即是维持电弧持续放电所必需电子和阳离子的产生源，同时也是 电能有效转化成热能的发热体
（3）阳极区导电特点
电子受阳极压降加速，与阳极区中的中性粒子碰撞并使其电离，由此 产生向弧柱区运动的阳离子，即是阳极压降区起到向弧柱区提供阳离 子的作用。
中性粒子存在于电弧空间，当处于高能量状态时，其 电子轨道上的电子脱离约束，分离成电子和离子称为 电离
3 带电粒子的扩散与复合
带电粒子在定向运动过程中从电弧内部向外部周边区 域移动称为带电粒子的扩散
复合即电子与正离子相遇后重新组合成中性粒子
1.1.3 电弧导电机构 1.维护电弧放电的条件
电弧的磁偏吹起因示意图
1.3电弧焊中的保护气 1.3.1 保护气种类与纯度 1.3.2 保护气的分解及在金属中的溶解 1.保护气的分解 2.气体在焊接金属中的溶解 1.3.3 混合气体的选择及作用 1.3.4 保护气气流与保护效果 1.保护气气流 2 气体保护效果的决定因素 （1）气体流量(2)喷嘴至工件的距离（3）焊接速度和
1、电弧静压力（电磁收缩力 ）2、电弧动压力（等离子流 力）3、斑点力 4、爆破力 5 、熔滴冲击力
液态导体中电磁力的收缩效应
焊接电弧模型
6 电弧力的影响因素 （1）气体介质 （2）电流和电压（弧长） （3）电极（焊丝）直径 （4）电极（焊丝）极性 （5）钨极端部几何形状 （6）脉动电流的影响
熔滴短路产生的爆破力
1.1.6直流电弧与交流电弧 1 直流电弧
极性不发生变化的电弧，其最大特点是稳定性好，根据电流形式的 不同，可以有恒定电流下的直流电弧和变得电流下的直流电弧
电弧焊-基础知识
27
（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。
28
（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。
9
（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
电弧焊基础知识
第一章电弧焊基础知识一、教学目的：能正确认识焊接电弧中带电粒子的产生原理了解焊接电弧的工艺特性及电弧力的种类了解阴极斑点及阳极斑点的定义了解熔滴上的作用力掌握熔滴过渡的主要形式及其特点能正确认识焊缝形成过程了解焊接工艺参数对焊缝成形的影响了解焊缝成形缺陷的产生及防止二、教学重点：焊接电弧中带电粒子的产生原理熔滴过渡的主要形式及其特点焊接工艺参数对焊缝成形的影响三、教学难点：电离和激励极斑点及阳极斑点最小电压原理焊缝成形缺陷的产生及防止四、参考学时数：4～6学时五、主要教学内容：第一节焊接电弧一、焊接电弧的物理基础（一）电弧及其电场强度分布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。
电弧有三个部分构成：阴极区、阳极区、弧柱区。
（二）电弧中带电粒子的产生1、气体的电离在外加能量作用下，使中性的气体分子或原子分离成电子和正离子的过程称为气体电离。
其本质是中性气体粒子吸收足够的能量，使电子脱离原子核的束缚而成为自由电子和正离子的过程。
电离种类：（1）热电离气体粒子受热的作用而产生电离的过程称为热电离。
其本质为粒子热运动激烈，相互碰撞产生的电离。
（2）场致电离带电粒子在电场中加速，和其中的中性粒子发生非弹性膨胀而产生的电离。
电离程度：电离度：单位体积内电离的粒子数浴气体电离前粒子总数的比值称为电离度。
（3）光电离中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电离过程称为光电离。
2、阴极电子发射（1）电子发射：阴极中的自由电子受到外加能量时从阴极表面逸出的过程称为电子发射。
其发射能力的大小用逸出功A w表示。
（2）阴极斑点阴极表面光亮的区域称为阴极斑点。
阴极斑点具有“阴极清理”（“阴极破碎”）作用，原因：由于氧化物的逸出功比纯金属低，因为阴极斑点会移向有氧化物的地方，将该氧化物清除。
（3）电子发射类型1）热发射阴极表面受热引起部分电子动能达到或超过逸出功时产生的电子发射。
热阴极以热发射为主要的发射形式。
焊接工艺学
焊接工艺学第一章焊接电弧1.什么叫焊接电弧？电弧是两电极之间或电极与母材之间的气体介质中产生强烈而持久的放电现象2.最小电压原理在电流和周围条件一定的情况下，稳定燃烧的电弧将自动选择一个适当的断面，以保证电弧的电场强度具有最小的数值，即在固定弧长上的电压最小。
这意味着电弧总是保持最小的能量消耗。
3.电离电子发射电弧放电两个最基本物理现象气体介质的电离和电极的电子发射4.电离种类1）热电离气体粒子受热的作用而产生的电离称热电离。
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。
根据气体分子运动理论可知，气体的温度高低意味着气体粒子（包括中性粒子、电子和离子）总体动能的大小，亦即气体粒子平均运动速度的快慢。
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。
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。
5.电子发射种类根据外加能量的不同，电子发射可分为：（1）热发射：金属表面承受热作用而产生电子发射的现象称为热发射。
（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（自发射）。
（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。
（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，这种现象称为粒子的碰撞发射。
6.阳极区导电机构电弧燃烧时，阳极区的任务主要是接受来自弧柱占总电流 99.9% 的电子流，同时还要向弧柱区发送约占总电流 0.1% 的正离子流。
焊接电弧及其电特性
由原子形成正离子所需要的能量称为电离能 由原子形成正离子所需要的能量称为电离能
2.气体原子的电离 (1)撞击电离:在电场中,被加速的带电质点(电子,离子) 撞击电离: 电场中 被加速的带电质点(电子,离子) 和中性质点(原子)碰撞后发生的电离. 和中性质点(原子)碰撞后发生的电离. (2)热电离:在高温下,具有高动能的气体原子(或分子)互 热电离: 高温下 具有高动能的气体原子(或分子) 相碰撞而引起的电离. 相碰撞而引起的电离. (3)光电离:气体原子(或分子)吸收了光射线的光子能而产 光电离:气体原子(或分子)吸收了光射线的光子能而产 光子能 生的电离. 生的电离. 常见气体及元素的电离能E 常见气体及元素的电离能EL(eV)
第二节
焊接电弧的结构以及伏安特性
弧柱区
一,焊接电弧的结构以及压降分布
三个区域: 三个区域:阳极区 阴极区
阴极区:长度极短10 电压较大, 阴极区:长度极短10-510-6cm ,电压较大,E电场强度极高 阳极区:长度也极短10 电压较大, 阳极区:长度也极短10-210-4cm ,电压较大,E极高 弧柱区:长度基本上等于电弧长度, 弧柱区:长度基本上等于电弧长度,E较小
Ⅰ Ⅱ
Ⅲ
Uf
影响电弧静特性的因素: 影响电弧静特性的因素: 电弧长度
Ua
L2 >L1 L2 L1 电弧长度对电弧静特性的影响
周围气体种类
焊接电弧静特性的应用 对于不同的焊接方法,电弧静特性曲线有所不同. 对于不同的焊接方法,电弧静特性曲线有所不同.静特性下 降段电弧燃烧不稳定而很少采用. 降段电弧燃烧不稳定而很少采用. 焊条电弧焊,埋弧焊多半工作在静特性水平段. 焊条电弧焊,埋弧焊多半工作在静特性水平段. 水平段 熔化极气体保护焊,微束等离子弧焊, 熔化极气体保护焊,微束等离子弧焊,等离子弧焊也多半工 作在水平段,当焊接电流很大时才工作在上升段. 作在水平段,当焊接电流很大时才工作在上升段. 水平段 上升段 熔化极气体保护焊和水下焊接基本上工作在上升段. 熔化极气体保护焊和水下焊接基本上工作在上升段. 上升段
《电弧焊基础》重点整理
第一章焊接电弧基础1. 电弧的本质是气体放电，是气体放电的一种表现形态。
2. 三种放电形式：（自持，非自持，辉光）放电3. 带电粒子来源：一是电源通过电极（阴极）向气隙空间发射电子。
二是气隙中的中性粒子被电离产生电子和离子。
4. 阳离子和电子来源：阳离子（电离）电子（阴极电子发射，包括热发射，场致发射）5. 电弧压降包括哪三部分：（阳极，弧柱，阴极）压降6. 维持电弧放电的条件：1、放电气隙内带电粒子的生成。
2、保持阴极、阳极与电弧间电的连续性。
7. 焊接电弧的热量的来源：焊接电弧的热量来自电源提供的电能，电源向电弧的弧柱区、阳极区和阴极区即电弧整体提供的电能：Pa=IUa=I（Ua+Uc+Up）8. 焊接电弧的热效率影响因素：热效率的数值与焊接方法、弧长因素、母材情况等有关。
热效率：相对于电弧功率（电弧电压X电弧电流），向母材传送的热量（热输入量）所占的比例称作焊接电弧热效率。
9. 电弧静压力（电磁收缩力）在两根互相平行导体中，通过同方向的电流时，导体间产生相互吸引的力，若电流方向相反，则产生排斥力。
10. 交流电弧：是指电弧（电极）极性随时间交替变化的电弧，也就是焊接电流方向按照一定的时间间隔变化，一般用在TIG焊接、等离子弧焊接和焊条电弧焊中。
11. 直流正/反接的区别：直流正接的热量比反接的热量要高，所以焊接厚板的时候多用直流正接。
焊接薄板的时候为了防止焊穿，采用直流反接的方法。
而焊接铝镁合金的时候直流反接，钨极为正极，电流大，对氧化膜有冲击清理的作用，但是容易烧穿，所以用交流焊接交替电波焊接，这样可以有效清理氧化膜还防止烧穿。
12. 焊接电弧静特性产生原因:小电流区，电弧温度低，其间粒子电离度低，电弧导电性较差，需要有较高的电场推动电荷运动在电弧极区，特别是阴极区，由于电极温度较低，极区的电子提供能力较差，不能实现大量的热电子发射，会形成较强的极区电压降，表现出较高的电压值。
增大电流值弧柱温度增加，电弧中的粒子电离度增加，电弧的导电性增加，同时电极温度提高，阴极热发射能力增强，Uc值降低，阳极蒸发量增加UA值降低，两极区电场相对减弱，电弧电压下降。
第一章焊接电弧
热发射：当所用的电极是热阴极型且电流较大时， 主要依靠热发射向电弧提供电子； 场致发射而当所用的电极是冷阴极型时，热发射不 能提供足够的电子，此时场致发射起主要作用； 碰撞发射由于焊接电弧的阴极区前面有大量正离子 聚集，形成具有一定强度的电场，能使正离子加速 撞击阴极，因而在一定条件下，粒子碰撞发射能够 成为向电弧提供导电所需电子的主要途径； 光发射：在阴极电子发射中则居于次要地位。
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。
1.1.3 电弧中带电粒子的消失
电弧导电过程中不仅有带电粒子的产生过程，而且 有带电粒子的消失过程，而且，当电弧稳定燃烧时这两 个过程处于动态平衡状态，即在单位时间内产生的带电 粒子数目等于消失的带电粒子的数目。 主要有两种方式： “扩散”：即带电粒子离开它们原来的地方，而逃逸到 电弧的四周，不再参加放电过程； “复合”：即正的带电粒子和负的带电粒子结合成中性 的原子或分子，这里既有电子与正离子的复合，也有负 离子与正离子的复合。在复合的过程中释放出大量的热 和光。包括：空间复合和电极表面复合。
2.电子的发射
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。
第一章---焊接电弧基础.
光电离：再次之。
热解离：吸热对电弧有冷却作用。
（三）带电粒子的扩散与复合
1 带电粒子的扩散 ：电弧空间中如果带电粒子的分布不 均匀，则带电粒子将从密度高的地方向密度低的地 方迁移而使密度趋于均匀；危害：使弧柱中心带电
粒子数减少，还将中心的一部分热量带到电弧周边 ，
影响导电。
2 复合：电弧空间的正负带电粒子(正离子、负离子、电 子)在一定条件下相遇而结合成中性粒子的过程 。
３） 光电离
a. 定义：中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电离过
程称为光电离。
b. 电离条件：
h eui
c
hc
e ui
焊接电弧的光辐射只能对K、Na、Ca、A1等金属蒸气可能
直接引起光电离，而对其它气体则不能，因此，光电离只是 电
弧中产生带电粒子的一种次要途径。
带电粒子产生小结
电子发射：
２）特点：阳极区的压降较低；出现在大电流弧焊时。
四 电弧产热及温度分布
（一） 焊接电弧的产热
1 弧柱的产热
一般电弧焊时，弧柱损失的热能中对流损失约占80％ 以上，传导与辐射损失约占10％左右，所以仅剩很少 一部分能量通过辐射传给焊丝和焊件。当电流较大有 等离子流产生时，等离子流把弧柱一部分热量带给 工件，从而增加焊件的热量。
４ 焊接电弧的热效率
焊接电弧一部分热量因对流、辐射及传导等损失掉
了。用于加热、熔化填充材料及工件的电弧热功率占总电
弧功率的比例称为热效率系数，用η表示。
目前的测量方法有两种（P21)，所得数据有较大差异，因此， 只能是粗略估计。
常用焊接方法的热效率系数见P21表1.2。
５ 电弧的温度
电弧温度的分布特点可从轴向和径向两个方面比较： 1) 轴向分布 阴极区和阳极区的温度较低，弧柱温度较高。原因：电
第1章电弧焊基础知识
-
-
-
-
+
+
+
-
- -+----
+
+ -+ - +
--
+-
-
- + -+ - +
-
-
阳极压降的形成
3）阳极区的产热机构 （1）本质：接受电子、产生过程中伴随的能量转换，由三部分组成：
a 电子被加速所得到的能量： b 电子带来的逸出功： c 电子带来的相当于弧柱温度那部分能量 （ 2）产热公式
（） （3）作用
自持放电：放电本身能产生导电所需的带电粒子 （、e）；有暗放电、 辉光放电、 电弧放电
等三种。
电弧
+
非自持放电
自持放电
暗放电 辉光放电
A+ e
U
电弧放电
I 导体导电
❖ 焊接时，将焊条与焊件接触后很快拉开，在焊条端部和焊件之间会立即产生明亮的电弧，即焊接电弧 见图1-1（a)示
❖ 注意：
❖ 焊接电弧是有焊接电源供电，在具有一定电压的两电极间或电极与焊件间，在气体介质中产生的强烈 而持久的放电现象
用于加热阳极
4、阴极斑点与阳极斑点 1）阴极斑点：阴极上导通电流的一些烁亮的弧斑点。 （1）产生条件：
a、W、C阴极且I很小 b、、、作阴极 （2）某点充当阴极斑点的条件 a、电弧通过该点时耗能最小 b、该点能发射电子 （3）特点 a、电流密度大、温度高 b、跳跃性及粘着性(见图1-4示） c、存在斑点力：蒸发反力、的撞击力 d、自动寻找氧化膜，该点对于铝、镁及其合金的焊接是
❖ 4）弧柱的产热机构
❖ 电能→热能（导电机构就是指带电粒子产生、运动方式。）
第一章 电弧焊基础知识
下面为冷金属过渡过程及其所焊的铝合金薄板对接焊缝。 下面为冷金属过渡过程及其所焊的铝合金薄板对接焊缝。
瑞典ESAB公司发展的 瑞典ESAB公司发展的super pulse技术，在一个电流周期内可以采 公司发展的super pulse技术 技术， 用不同熔滴过渡形式的组合，即正、 用不同熔滴过渡形式的组合，即正、负半波可以分别采用不同的熔滴过 渡形式，使焊缝成形比以往更加美观、精确并且容易控制、飞溅极少。 渡形式，使焊缝成形比以往更加美观、精确并且容易控制、飞溅极少。 焊缝成形更多地依靠机器来完成， 焊缝成形更多地依靠机器来完成，大大降低了人为因素对焊缝成形的影 降低对焊工操作技能培训的要求，不但节省了生产成本， 响、降低对焊工操作技能培训的要求，不但节省了生产成本，而且使以 往难于解决的焊接问题（如极薄的铝或不锈钢板的MIG焊 变得简单， 往难于解决的焊接问题（如极薄的铝或不锈钢板的MIG焊）变得简单， 焊缝质量的稳定性、再现性得到极大的提高。 焊缝质量的稳定性、再现性得到极大的提高。 点击看双脉冲（ pulse）过渡技术（瑞典ESAB公司 公司）。 点击看双脉冲（super pulse）过渡技术（瑞典ESAB公司）。 点击了解冷金属过渡（CMT）技术（奥地利Fronius公司） 公司） 点击了解冷金属过渡（CMT）技术（奥地利Fronius公司
v cm
第一节
焊接电弧
弧柱区 阳极区
二、焊接电弧的导电特性
电弧的三个区域：阴极区 电弧的三个区域： （一）弧柱区的导电特性 热电离是弧柱部分产生带电粒子的主要途径 （二）阴极区的导电特性
（阴极区长度10-5～10-6cm ,阴极区压降约为106～107 V/cm） 阴极区长度10 ,阴极区压降约为 阴极区压降约为10 V/cm）
焊接方法与设备-1焊接电弧
3.复合
电弧空间的正负带电粒子（正离子、负离子、电子）， 在一定条件下相遇而互相结合成中性粒子的过程称为 复合，放热反应。
.
§1-1 电弧的导电机理
复合条件
3kT 2
e
40
在电弧中心部分由于温度较高，所有粒
子的热运动能量很高，不可能产生复合。在
电弧周边由于粒子温度较低，动能较小，由
于扩散作用而存在一部分电子和负离子，如
主要问题：激励能、激励与电离关系、激励作用
2.能量传递方式
.
§1-1 电弧的导电机理
碰撞传递
粒子之间以相互碰撞传递能量的形式称为碰撞 传递。 碰撞 弹性 E1+E2=E1’+E2’ (低动能时)
非弹性 E1+E2=E1’+E2’+ΔE (高动能时) ΔE〉W激励 发生激励 ΔE〉W电离 发生电离。
.
§1-1 电弧的导电机 理
电场电离
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。
自由行程λ ：两次碰撞之间的路程长度。
Wk Ee
当某一气体中同时存在中性粒子、离子和电子 时，在一定温度和压力下它们的自由行程分别为：
e:i:grg12ng:4r1 g2ng:421rg2ng
光辐射传递
中性气体粒子可以接受外界以光量子形式所施 加的能量，提高其内能并改变其内部结构，使气体 粒子被激励或电离。
比较：在电弧燃烧过程中碰撞.传递是主要形式
§1-1 电弧的导电机 理
3.电离种类
f 热电离
电离
电场电离
T1 T2
光电离
v
热电离
T1〈T2
1 焊接电弧基础全
大电流时，由于有电磁收缩效应，弧柱变成紧缩 的形状。碳极电弧的临界值为80A.
小电流电流密度：10-300A/cm2，温度低于
7000K；而大电流可达103-104 A/cm2，温度超
过10000K
45
3、阳极区和阳极斑点
⑴阳极区 ➢ 概念：指阳极外紧靠阳极表面的导电区,其
长度约为10-2～10-6cm。 ➢ 任务：接受电子流；
72
（二）阴极和阳极产热
即：阴极区和阳极区的产热主要决定于Uc和Uω。 熔化极电弧焊时： ∵ Uc>>Uω ∴ Pc> PA。 ∴熔化极电弧焊时为了保证熔深， 一般
均采用直流反接（即工件接电源负极）。
73
（三）电弧的温度和温度分布
74
1、弧柱温度测定
75
2、弧柱的温度分布
氩气保护电弧温度分布
Ua= Uc+ Up+ UA
19
（二）电弧的导电机构
1、阴极区和阴极斑点 ⑴阴极区 ①概念：指阴极外紧靠阴极表面的导电区，其
长度约为10-2～10-6cm。 ②任务：向弧柱区提供所需要的电子流。 ③阴极区导电机构的类型：
a、热发射型：阴极为C、W，大电流. 正离子流=总电流的0.1% 。
20
b、电场发射型
阴极
弧柱
●
● ●
●
● ●
● ●
● ● ● ●
阳极
54
阳极压降的形成过程
阴极
弧柱
●
● ●
●
● ●
● ●
● ● ● ●
阳极
55
阳极压降的形成过程
阴极
弧柱
●
● ●
●
● ●
第1章焊接电弧
弧电压波形
uyh— 引弧电压 t— 时间
引弧器有两种，高频震荡引弧和高压脉冲引弧。直流钨极氩弧焊 和方波交流钨极氩弧焊一般采用高频振荡器引弧，而正弦波交流 钨极氩弧焊一般采用高压脉冲引弧。引弧器一般串联在焊接主回 路中，如图1-4所示。高频振荡器输出振荡频率为150260 kHz左 右，峰值为25005000 V的电压。高压脉冲引弧的频率一般为 50100Hz，峰值为50001000 V。无论是高频振荡器引弧，还是 高压脉冲引弧器引弧，均是依靠高压电使电极表面产生场致电子 发射来引燃电弧的。
总结：
1.焊接电弧是气体放电的一种形式 2.能量来源：焊接电源提供了空载以及焊接电压、电流，形成和 维持了电弧所需要的电场、产生了大量的光和热， 以及带电粒子的运动，包括热运动和电场定向运动 的动能。 3.作用结果：引起电极表面电子发射，导致气体原子的激发、电 离，从而维持了电弧的气体放电。
4.复合过程：同时存在正离子和电子复合成中性原子，以及原
• 碰撞传递:气体粒子通过碰撞而传递能量的途径.
弹性碰撞:粒子之间不发生内能的交换,碰撞的结果只发
生速度的改变.
非弹性碰撞:粒子之间有内能的交换.当中性粒子之间进 行非弹性碰撞时,由于它们的质量相近,最多将原动能的一 半传递给对方.当电子与原子,分子进行非弹性碰撞时,电子 的动能几乎可以全部传递给原子或分子,可能引起对方发 生电离或激励.
c:然后将焊
条稍微提起， 在这瞬间大量 的电流由熔化 的金属细颈通 过，如图(c)所 示。
三个阶段： 短路阶段 分离阶段 d:此时，因大电流密度而产生的电阻热突然增 大，使细须部分的液体金属温度猛烈高．随着 燃弧阶段 焊条与焊件的迅速分开，两电极间的空气间隙，
强烈地受热而发生热电离，使中性原子变成带 电离子和电子。同时，被加热的阴极上有高速 的电子飞出(热发射电子)，撞击空气中的分子 和原子，空气发生碰撞电离．产生了正离子、 负离子和电子，同时在电场的作用下带电微粒 按一定的方向移动。正离子移向阴极并与阴极 碰撞；负离子和电子移向阳极并与阳极碰撞， 碰撞结果更加速了电子的发射，最终使两电极 间的空气剧烈电离而产生电弧，如(d)所示。
焊接电弧
式中We——激励能；e——电子电荷量；Ue-----气体粒子的激励电压
产生电离的条件：
式中Wi——电离能；Ui——电高电压。
在一般焊接电弧中，通过光辐射传递方式来制造带电粒子与碰撞传递相比，则是次要的。
3、电离种类
(1)热电离高温下，气体粒子受热的作用相互碰撞而产生的电离称为热电离。
要使中性气体粒子失去第二个电子则需要更大的电离电压，称为第二电离电压，生成的离子移为二价正离子，这种电离称为二次电离，依此类推。
电弧气氛中可能遇到的气体电离电压列于表1—1
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先被电离，如果这种低电离电压气体供应充分，则电弧空间的带电粒子将主要依靠这种气体的电离过程来提供，所需要的外加能量也主要取决于这种气体的电离电压。
气体粒子的平均运动速度与温度在数值上的关系如下
式中 ——气体粒子的平均速度(cm／s)；
T——气体的热力学温度(K)；
m——粒子的质量(g)。
由上式可见，气体温度越高，气体粒子的平均运动速度也越高，即动能也越大。
※在某一温度下粒子所具有动能并不都相同，只是拥有大于电离电压能量的那部分粒子才可能引起中性粒子的电离。
1、气体的放电：正常状态的气体导电时，带电粒子的产生过程，这就是气体的放电过程。
气体放电在形式和性质的取决因素：气体的种类和压力、电极材料和几何形状、两极间距离以及施加在两极间电压高低
因此，其导电部分的电流与电压之间呈现出一个很复杂的关系曲线，如图1-2中所示。图1—2中所示曲线，是从测量一系列同类型但电极尺寸不同的放电管中得出的气体放电伏安特性曲线。
1、热发射金属表面承受热作用而产生的电子发射现象称为热发射。
第1章 焊接电弧及其电特性
第1章焊接电弧及其电特性1 气体原子的电离使电子完全脱离原子核的束缚，形成离子和自由电子的过程为电离。
由原子形成正离子所需的能量称为电离能。
2 电离的形式在焊接电弧中，根据引起电离的能量来源，有如下三种电离形式：(1) 撞击电离； (2) 热电离； (3) 光电离。
2 电子发射在阴极表面的原子或分子，接受外界的能量而释放出自由电子的现象称为电子发射。
电子发射是引弧和维持电弧稳定燃烧的一个很重要的因素。
按其能量来源的不同，可分为热发射，光电发射，重粒子碰撞发射和强电场作用下的自发射等3 焊接电弧的引燃 1 接触引弧即是在弧焊电源接通后，电极（焊条或焊丝）与工件直接短路接触，随后拉开，从而把电弧引燃起来。
这2 非接触引弧它是指在电极与工件之间存在一定间隙，施以高电压击穿间隙，使电弧引燃。
4 交流电弧的特点；电弧周期性地熄灭和引燃交流电流每当经过零点并改变极性时，电弧熄灭、电弧空间温度下降。
电弧电压和电流波形发生畸变。
热惯性作用较为明显。
5影响交流电弧稳定燃烧的因素z 空载电压z 引燃电压z 电路参数z 电弧电流--z 电源频率 fz 电极的热物理性能和尺寸6 提高交流电弧稳定性的施z 为了提高交流电弧的稳定性，在焊接电源方面除了焊接回路要有足够大的电感量之外，还可以采用如下措施：（1）提高弧焊电源频率；（2）提高电源的空载电压；但不应该太高（3）改善电弧电流的波形；如改为矩形波（4）叠加高压电。
7交流电弧的分类（1）按电流种类可分为：交流电弧、直流电弧和脉冲电弧(包括高频脉冲电弧)。
（2）按电弧状态可分为：自由电弧和压缩电弧。
（3）按电极材料可分为：熔化极电弧和不熔化极电弧。
第2章对弧焊电源的基本要求1弧焊工艺对弧焊电源的要求（1）保证引弧容易；（2）保证电弧稳定；（3）保证焊接规范稳定；（4）具有足够宽的焊接规范调节范围。
2 “电源一电弧”系统的稳定性（1）系统在无外界因素干扰时，能在给定电弧电压和电流下，维持长时间的连续电弧放电，保持静态平衡。
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电压降与电场强度、电流密度、电导率 的关系？ 阴极斑点和阳极斑点？
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1.3 焊接电弧的构造及其导电机构
1.3.2 焊接电弧的导电机构 电弧各区粒子流的构成
从图中看到：I = Ie + Ii 但是各区中Ie/Ii的比例不一样。 0.1％正离子流和99.9％电子流
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1.1电弧物理基础-气体放电与焊接电弧 1.1.1 电弧的物理本质
焊接电弧的产生 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。 气体导电必须具备两个条件： ① 两电极之间有带电粒子； ② 两电极之间有电场。 带电粒子在电场 作 用 下运动形 成 电 流 ， 从而 使两电极之间的气体 空间成为导体，也就形成了电弧。
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1.2焊接电弧的产生过程(引燃)
电弧引燃分为接触式和非接触式两种 1.2.1 非接触式引弧
根据引弧电压特点又有: 高压脉冲式引弧和 高压脉冲式引弧 高频震荡式引弧
Uyh
3000-5000v
第一章 焊接电弧
Weld Arc
燕山大学 材料科学与工程学院 金属材料工程系
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本章主要内容
Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø
焊接电弧物理基础 焊接电弧的产生过程 电弧构造及其导电机构 焊接电弧的电特性 电弧的产热及温度分布 电弧力及其影响因素 电弧的稳定性及其影响因素
热发射：主要形状 光电发射 负离子 激发能 气体原子激发 电离能 电离电压 电离 离子(+） 电子发射 重粒子撞击发射 维 持 ？ 电 弧 电场作用下的自发射 焊接电弧
动态平衡 场 至 电 离 热 电 离 光 电 离 复合
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电子发射
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1.1电弧物理基础
负离子的产生
在一定条件下，中性粒子或分子可以吸附一个电子而成为 负离子。形成负离子倾向取决于其与电子的亲和能。
几种原子的电子亲和能
原子种类 电子亲和能(eV) F 3.94 Cl 3.70 O 3.8 H 0.76 Li 0.34 Na 0.08 N 0.04
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电离种类
n
热电离：是弧柱区产生带电粒子的主要 途径。 场至电离：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。 光电离：次要途径。
n
碰撞电离
Ca 2.12 1.8
Mg 3.78 3.31
钨及其合金钨极的逸出功
钨的成分 逸出功(eV) w 4.54 W-Cs 1.36 W-Ba 1.56 W-Th 2.63 W-Zr 3.14
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1.1电弧物理基础
各导电区电弧电流的构成
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1.3 焊接电弧的构造及其导电机构
1.3.2 焊接电弧的导电机构 1 阴极区的导电特点
阴极的作用：接受正离子和发射电子 阴极电子产生机构： Ø阴极表面的热电子发射、电场发射、碰撞发射 Ø局部等离子体阴极产生热电离 热阴极（钨、碳等）：热发射 冷阴极（铁、铝等）：电场发射 碰撞发射 等离子体导致热电离
温度最高
1.1电弧物理基础－电弧中带电粒子产生过程
电离与激励
基本概念：一次电离、二次电离；激励能
外界能量——碰撞和光辐射
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电离与激励
基本概念： 电离能 (eV) —— 使电子脱离原子束缚所需要的最低能量值 电离电压(V) —— 把以电子伏特为单位的能量转换为数值相等的电压值 常见粒子的电离电压
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1.1电弧物理基础
扩散和复合
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1.1电弧物理基础
电弧中各种粒子的产生及相互关联图
采取非接触引弧有两项原因: 一是不允许电极与工件接触; 二是电极无法与工件接触 非接触式引弧是指在电极和工件之间存在一定间隙, 施以高电 压击穿间隙使电弧引燃的方法,常见于钨极氩弧焊和等离子弧焊.
引弧电压的施加方式有并联引弧和串联引弧两种，并联方式是直接把 引弧电压接续到电极和工件上．串联方式是把引弧电压串联到焊接主 回路中, 通过变压器回路或旁路电容施加到电极和工件. 实践表明，串 联方式引弧效果好，而且主回路构成简单．不需要有大的电抗器．在 目前的焊机中被广泛采用。
电子发射是阴极特有的一种带电粒子的产生过 程，是电源持续向电弧供给能量的唯一途径。
热发射-电子电流密度是温度的函数 电场发射-电子电流密度是电场强度的函数 光发射 粒子碰撞发射
电子发射种类
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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电离种类
正离子获得的能量： Wk=λEe λ－平均自由行程 E－电场强度 e－一个电子的电荷量
1
U1
电子、离子和中性粒子 平均自由行程之比为： λe:λi:λg=4.56:1.41:1 电子的贡献最大； 两极区的贡献最大；
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1.1焊接电弧基础-气体放电与焊接电弧
焊接电弧的放电过程是可 控的，不同电弧焊方法中 的电弧放电本质相同。
自然界的雷电就是最常见的气体放电现 象，但是其很难被人类控制并利用。
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n
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电离种类
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1.1电弧物理基础
一价电离度表达式：（教材中单一气体的公式与下式的相似处）
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1.1电弧物理基础-气体放电与焊接电弧 1.1.1 电弧的物理本质
电压最低
非自持放电
自持放电
电流最大 非自持放电：在较小的电流区间，气体导电所需要的带电粒子不能通过导电过程 非自持放电：在较小的电流区间，气体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造成带电粒子(加热，施加一定能量的光量子等)。 这种气体导电现象称为非自持放电。
L 2
E
U2
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电离种类
产生光电离的条件：
h γ ≥ e Ui
λ0=1236∗(1/Ui) λ0－临界光辐射波长（nm） Ui－电离电压（V）
常见气体电离的临界波长
气 体 K
4.8 287.4
Na
自持放电： 当 电流 大 于 一定数值时 ， 取消外加诱发措施，放电过程 仍可以继 续下 发光最强 去，放电过程自身可以产生维持放电所需要的带电粒子，这种放电现象称为自 持放电。 电弧放电的特点：电弧是自持放电中 ：电弧是自持放电中
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5.1 242.3
Al
5.69 207.3
Ca
6.1 202.6
Mg
7.61 162.4
Cu
7.7 160.6
Fe
7.8 168.6
O
13.5 91.5
H
13.5 91.5
CO
14.1 87.6
N
14.5 85.2
Ar
15.7 78.7
He
24.5 50.4
电离能(eV) 临界波长(nm)
这些气体光电离所要求的临界波长皆在紫外线光谱区内0.8-400nm 可见光的光辐射波长在400-700nm区间，几乎对所有气体都不能直接引起光电离 电弧的光辐射波长在170-500nm区间，包括红外线、可见光和紫外线 对小临界波长或处于激励状态的大临界波长气体粒子可直接电离，是电弧产生 带电粒子的一个次要途径。
式中 #p— 实效 电离 度压 ：力(大气压)；
T — 温度(K)； 如果某 气体中 有 Vi — 电 离电压混 (V) ；其他 成分 时 ，此 时 电子 密度 与电离 前中性粒子 密度 z+ —离 子的 内部分配函数 ； z比值 —原 子的内部分配函数； 的 。 h — 普朗克常数 =6.626×10-34(J·s)； 混合 实效 电离电 压主 要 取决； k —气体的 玻尔兹曼 常数 =1.380 ×10-23(J/K) 于 其 中电离电 压=9.109 较 低的气体成分， m e— 电子质量 ×10-31(kg)； 这 稳弧剂 机 理。 e也 —是 电子电 荷的作用 =1.602 × 10-19(C)。