《熔焊方法及设备(第2版)》课件 第一章 焊接电弧
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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。
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。
图1-2 气体放电的伏安特性曲线
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。
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。
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。
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。
1.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。
（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。
气体电离电压的大小说明电子脱离原子或 分子所需要外加能量的大小，也说明某种气体 电离的难易程度。在相同的外加条件下，气体 电离电压低说明产生带电粒子比较容易，就此 而言，有利于维持电弧稳定燃烧。
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。
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
12.6
K
4.3（32，47）
CO2
13.7
Ca
6.1（12，51，67）
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。
不仅原子状态的气体可以被电离，而且分子 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。
熔焊方法及设备
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
焊接电弧是由焊接电源供给能量，在具有一定 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。
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。
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。
图1-1 电弧示意图
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。
其中，暗放电和辉光放电的电流较小，电
元素 H He Li C N O F Na
表1-1 常见气体的电离电压
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）
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。
（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。
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。
图1-2 气体放电的伏安特性曲线
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。
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。
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。
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。
1.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。
（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。
气体电离电压的大小说明电子脱离原子或 分子所需要外加能量的大小，也说明某种气体 电离的难易程度。在相同的外加条件下，气体 电离电压低说明产生带电粒子比较容易，就此 而言，有利于维持电弧稳定燃烧。
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。
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
12.6
K
4.3（32，47）
CO2
13.7
Ca
6.1（12，51，67）
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。
不仅原子状态的气体可以被电离，而且分子 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。
熔焊方法及设备
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
焊接电弧是由焊接电源供给能量，在具有一定 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。
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。
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。
图1-1 电弧示意图
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。
其中，暗放电和辉光放电的电流较小，电
元素 H He Li C N O F Na
表1-1 常见气体的电离电压
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）
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。
（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。