焊接电弧及其电特性

Ar 15.76 <0 Cr 6.76 0.98 4.59 K 4.34 0.30 2.22
N 14.53 0.54 Mo 7.10 1.3 4.29 Na 5.14 0.35 2.33
H 13.60 0.8 W 7.98 / 4.50 B 8.30 0.3 4.30
O 13.61 2.0 Fe 7.87 0.85 4.40 F 17.42 3.62 /
3. 电子发射 固在态阴物质极表表面面电的子原发子射或所需分的子能，量接称受为外“界逸的出能功量
W而Y ”释。放逸出出自功由一电般只子为的电现离象能称的为一“半电。子发射”。
气体 El
Eq 元素 El
Eq
Wy 元素 El
Eq
Wy
He 24.58 <0 Cu 7.72 1.8 4.36 C 11.26 1.33 4.45
气体 El
Eq 元素 El
Eq
Wy 元素 El
Eq
Wy
He 24.58 <0 Cu 7.72 1.8 4.36 C 11.26 1.33 4.45
Ar 15.76 <0 Cr 6.76 0.98 4.59 K 4.34 0.30 2.22
N 14.53 0.54 Mo 7.10 1.3 4.29 Na 5.14 0.35 2.33 H 13.60 0.8 W 7.98 / 4.50 B 8.30 0.3 4.30
a) 气体放电
b)金属导电
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。
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
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
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。
（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， 以及原子、分子吸附电子复合成负离子的过程。
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
U = Ui + Uy + Uz
Ui 、Uy 基本不变， Uz与弧长成正比。
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
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
+
激发
-
电离 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”
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ห้องสมุดไป่ตู้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。
常见气体及元素的电离能EL(eV)
气体离子与电子的复合 → 中性原子
正离子 电子
中和
（电离）
中性原子
气体原子与电子的结合 → 负离子
中性原子 电子
吸附、结合
负离子
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。
电弧中常见气体元素的电离能 El、逸出功 Wy、亲和 能 Eq(ev)
O 13.61 2.0 Fe 7.87 0.85 4.40 F 17.42 3.62 /
作K卤的惰、用族电性元离N。素度体a元，（（素影F、A响的Cr电、l电、弧HB离的re、稳能)与I定等与电性）亲。子的和电的子能亲亲较和和低能能最，最大能小，起降，低到所电稳以弧弧 碱不性可焊条能药形皮成中含负有离大子量C；aF金2，属因元此电素弧介的于稳定两性者较之差。间。
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150250kHz,电压峰值2000-3000V,后者每半波产生一 个3000-5000V的高压脉冲。
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
Ⅰ
平特性段
Ⅱ
上升特性段
Ⅲ
电弧静特性不服从一般导体的欧姆定律，弧压
与气体图介1-质5 、焊 电接离电度弧、的电静流特密性度曲等线因形素状有关。