第一章焊接电弧

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。
光电离是产生带电粒子的次要途径
2.电子的发射
电子发射：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。
逸出功：使一个电子从电极表面飞出所需要的最低外
加能量（Ww），
几种金属及其氧化物的逸出电压如表1-4所示。
带电粒子的产生：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。
1.气体的电离
电离：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
电离能：中性的气体粒子失去电子所需的最低外加能量 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。
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11）。
图1-1 电弧示意图
图1-2 气体放电的伏安特性曲线
非自持放电区和自持放电区。
非自持放电:参加导电的带电粒子是外界直接 输入或外加措施造成,取消外加措施放电停止. 导电本身不能产生带电粒子.
自持放电:导电过程本身可以产生带电粒子,只 需在放电开始时需要外加措施,进行点燃一旦 放电开始,取消外加措施放电过程仍可继续进 行.
表1-4 几种金属及其氧化物的逸出功
金属种类 W Fe Al Cu K Ca Mg
逸出 纯金 4.54 4.48 4.25 4.36 2.02 2.12 3.78
功
属
（eV）
金属 氧化
物
3.92 3.9 3.85 0.46 1.8 3.31
由表中可以看出，当金属表面附有其氧化物 时，电子逸出功均会减小
在自持放电区间,有三种放电形式:暗放电,辉
光放电,电弧放电.
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。
1.1.2 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。
激励电压: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。
能量传递途径
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.
光辐射传递:中性气体粒子直接接受外界以光量子的形 式所施加的能量.
（2）电离的种类 根据外加能量种类的不同， 电离可以分为以下三类
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。
电离度
电离度:单位体积内被电离的粒子数与气体电离 前粒子总数的比.
根据外加能量的不同形式，电子发射有以下几种：
（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。
NO2
11
Ni
7.6（18）
Al
5.96
Cr
7.7（20，30）
Mg
7.61
Mo
7.4
Ti
6.81
Cs
3.9（33，35，51，58）
Fe
7.9（16，30）
注：括号内的数字依次为二次、三次、……电离电压。
一次电离：原子（分子）失去第一个电子，所 发生的电离称为一次电离。
第一电离能：使中性气体粒子失去第一个电子 所需要的最低外加能量。
X=电离后的电子或离子的密度/电离前的中性粒子的密度
电弧焊时为提高电弧稳定性,只需加少量低电离 电压物质则可获得显著的效果.
热解离
热解离:气体分子在热的作用下分解为原子的现 象. 解离能:气体分子产生热解离所需要的最低能量。 解离能小于电离能 先解离,后电离,是吸热反应.
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。
元素 W Cu H2 N2
O2 Cl2 CO NO
电离电压/V 8.0 7.68 15.4 15.5
12.2 13 14.1 9.5
续表1-1
Cl
13（22.5，40，47，68）
OH
13.8
Ar
15.7（28，41）
H2O
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12.6
K
4.3（32，47）
CO2
13.7
Ca
6.1（12，51，67）
表1-1 常见气体的电离电压
元素 H He Li C
N O F Na
电离电压/V
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）
激励: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。
熔焊方法及设备
主讲教师：林文光
第一章 焊接电弧
本章将讲述有关焊接电弧的基础理论知识， 包括电弧的物理本质、导电机构、电特性、产 热机构和产力机构，以及影响焊接电弧稳定性 的因素等。
1.1焊接电弧的物理基础
1.1.1电弧的物理本质
电弧是一种气体放电现象。是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。