第一章焊接电弧及其电特性.

1.2.2焊接电弧的电特性
1.2.2.1焊接电弧的静特性 在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下，电弧稳 定燃烧时，焊接电流和电弧电压变化的关系，又称伏 安特性。
Uf
下降特性 段
平特性段
上升特性段
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
电弧静特性不服从一般导体的欧姆定律，弧压 图1-5 焊接电弧的静特性曲线形状 与气体介质、电离度、电流密度等因素有关。
O
13.61
2.0
Fe
7.87
0.85
4.40
F
17.42
3.62
/
阴极表面的分子或原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,电子发射所需要 的能量成为逸出功 Wy 。
（1）热发射 固态或者液态物质表面受热后其中 的某些电子具有大于逸出功的动能而逸出到表面以 外的空间中去。 （2）光电发射 固态或者液态物质表面接受光射 线的能量而释放出自由电子的现象。 （3）重粒子撞击发射 能量大的重粒子撞击到 阴极上，引起电子的逸出。
气体 El Eq 元素 El Eq Wy 元素 El Eq Wy
He
Ar N H O
24.58
15.76 14.53 13.60 13.61
<0
<0 0.54 0.8 2.0
Cu
Cr Mo W Fe
7.72
6.76 7.10 7.98 7.87
1.8
0.98 1.3 / 0.85
4.36
4.59 4.29 4.50 4.40
（4）自发射 固态或者液态物质表面存在强电场， 使阴极有较多的电子发射出来，又称为场强发射。
复合电极材料的逸出功
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Hale Waihona Puke Baidu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， 以及原子、分子吸附电子复合成负离子的过程。
a) 气体放电
b)金属导电
电弧是低压、大电流、产生高温、强光的一种自持气体放电现象
非自持放电：气体导电所需要的带电粒子不能通过导 电过程本身产生，而需要外加措施来产生带电粒子 （加热、施加一定能量的光子等等）。 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。
1.1.1气体原子的激发、电离和电子发射
1．气体原子的激发
气体原子得到外加能 量电子从低能级跃迁 到高能级，这时原子 处于“激发”状态 电子完全脱离原子核 的束缚形成自由电子 的过程称为“电离”
+
激发
电离
-
-
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）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 子能而产生的电离。
C
K Na B F
11.26
4.34 5.14 8.30 17.42
1.33
0.30 0.35 0.3 3.62
4.45
2.22 2.33 4.30 /
卤族元素（ F、Cl、Br、I 等）的电子亲和能最大，降低电弧 K 、 N 元素的电离能与亲和能较低，能起到稳弧 a 惰性体（ Ar、He)与电子的亲和能最小，所以 的电离度，影响电弧的稳定性。 作用。 不可能形成负离子；金属元素介于两者之间。 碱性焊条药皮中含有大量 CaF2，因此电弧的稳定性较差。
1.1.2焊接电弧的引燃
1.1.2.1接触引弧
接触点面积小，电流密度大，发热，熔化，汽化， 引起热发射以及热电离，拉开时发生强场发射，带电 质点被加速，碰撞，引起撞击电离，并进一步引起光 电离和热电离从而维持电弧的稳定燃烧。
应用场合： 焊条电弧焊
熔化极气体保护焊
1.1.2.2非接触引弧
用高电压击穿间隙使电弧引燃。引弧器有两种， 高频高压引弧和高压脉冲引弧。前者是在工频电源 的半波时间内振荡一小段时间，频率为150-250kHz, 电压峰值2000-3000V,后者每半波产生一个30005000V的高压脉冲。
第1章 焊接电弧及其电 特性
1.1 焊接电弧的物理本质及其引燃
研究意义：弧焊电源是电弧能量的供应者，其电特性影响 到电弧燃烧的稳定性，从而直接影响到焊缝的质量。
焊接电弧：在电极与工件之间的气体中，产生持久、强烈的自 持放电现象。 特性：电压低、电流大、温度高、发光强。
要使两电极之间的气体导电必须具备两个条件： (1) 两电极之间有带电粒子 (2) 两电极之间有电场
常见气体及元素的电离能EL(eV)
气体离子与电子的复合
正离子 电子
→
中性原子
中和
中性原子
（电离）
气体原子与电子的结合 → 负离子
中性原子 电子 各种元素与电子形成负离子的倾向决定于电子的亲 和能 Eq 。 Eq 越大，形成负离子的倾向越大。
吸附、结合
负离子
电弧中常见气体元素的电离能 El、逸出功 Wy、亲和 能 Eq(ev)
应用场合:钨极氩弧焊和等离子弧焊。
1.2 焊接电弧的结构以及伏安特性
1.2.1焊接电弧的结构以及压降分布
三个区域：阳极区 阴极区 弧柱区
Ui 、Uy 基本不变， Uz与弧长成正比。
U = Ui + Uy + Uz
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10-210-4cm 、电压较大、E极高 弧柱区：长度基本上等于电弧长度，E较小
3. 电子发射 固态物质表面电子发射所需的能量称为 “逸出功 在阴极表面的原子或分子，接受外界的能量 WY ” 。逸出功一般只为电离能的 一半 。 而释放出自由电子的现象称为“电子发射”。
气体 He Ar N H El 24.58 15.76 14.53 13.60 Eq <0 <0 0.54 0.8 元素 Cu Cr Mo W El 7.72 6.76 7.10 7.98 Eq 1.8 0.98 1.3 / Wy 4.36 4.59 4.29 4.50 元素 C K Na B El 11.26 4.34 5.14 8.30 Eq 1.33 0.30 0.35 0.3 Wy 4.45 2.22 2.33 4.30