第一章_电弧焊基础知识详解
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处逸出，形成阴极 斑点。如铝合金的
阴极雾化 13
第一节 焊接电弧
阴极电子发射机构可分为 ：
对电极有 冷却作用
（1）热发射 阴极表面因受到热作用而使其内部的自由电 子热运动加剧，动能增加，当一部分电子的动能大于大 于逸出功时，则飞出到表面外的空间中去而产生的电子 发射现象。
热发射电子流密度：i=AT2exp(-eUω/kT) 热阴极电弧：热发射强弱受到阴极材料沸点的影响，沸 点高的钨或碳做阴极时，电极可以被加热到比较高的温 度，通过热发射可以提供足够多的电子。
逸出功(eV)
氧化物
3.92 3.9 3.85 0.46 1.8 3.31
钨极成分 逸出功(eV)
W W-Cs W-Ba W-Th 4.54 1.36 1.56 2.63
钨极加入Th、Cs等成
2020/9/30
分提高电子发射能力 和改善工艺性能。
第一章 电弧焊基础知识
W-Zr 氧化物逸出功较低， 3.14 电子容易从氧化膜
e U i） kT
2020/9/30
第一章 电弧焊基础知识
9
第一节 焊接电弧
说明
1、Ui为实效电离电压，主要取决于电离电压较低的气体
成分，例如焊条药皮中加K、Na、Ca稳弧。 CO2、N2气氛电
弧电压和电弧温
2、气氛中的多原子气体电离前首先解离。 度比Ar气氛高。
3、弧柱区温度为5000～30000K，热电离是其产生带电 粒子的最主要途径。
2020/9/30
第一章 电弧焊基础知识
10
Biblioteka Baidu一节 焊接电弧
❖ 电场作用下的电离——场致电离
定义：在两电极间电场的作用下，气体中的带电粒子被
加速，电能转化为带电粒子的动能，当带电粒子的动能 达到一定数值时，则可能与中性粒子发生非弹性碰撞而 使之电离。
场致电离发生的位置
主要是两极区，由于在这两个区域内电场强度可达 105～107V/cm 弧柱区电场强度为：10V/cm左右，电场作用不明显 场致电离中电子起主要作用。
焊接电弧导电示意图
2020/9/30
第一章 电弧焊基础知识
3
第一节 焊接电弧
气体导电时，导电部分的电压与电流不遵循欧姆定律。
电弧的特点： 低电压、大 电流、温度 高、亮度大
金属导电伏安特性
2020/9/30
气体导电伏安特性
Ⅰ－非自持放电 Ⅱ－自持放电 Ⅲ－辉光放电 Ⅳ－电弧放电
第一章 电弧焊基础知识
2020/9/30
第一章 电弧焊基础知识
12
第一节 焊接电弧
（二）电子发射
电极表面受到外加能量的作用，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。
使一个电子从金属表面飞出所需要的最低外加能量称为逸
出功（Wω）。
几种金属及其氧化物的逸出功
金属
W
Fe
Al
Cu
K
Ca Mg
纯金属 4.54 4.48 4.25 4.36 2.02 2.12 3.78
电弧中带电粒子的产生过程
电弧的带电粒子主要依靠气体的电离和电极发射电子产生。
（一）气体电离 在外加能量作用下，中性气体分子或原子分离成正离子和电子
的现象。 使中性气体粒子失去第一个电子所需要的最低外加能量称
为第一电离能，生成的正离子称为一价正离子，这种电离 称为一次电离。电离能转换为数值上相等的电压来表示则 为电离电压或电离势。
第五节 2020/9/30 母材熔化和第焊一章缝电成弧焊形基础知识
2
第一节 焊接电弧
电弧是所有电弧焊方法的能源，能有效而简便地把弧焊电 源输送的电能转换成焊接过程所需要的热能和机械能。
一、焊接电弧的导电特点
电弧是一种气体放电现 象，是指两电极存在电
位差时，电荷通过两电
极之间气体空间的一种
导电现象。电能转换为 热能、机械能和光能。
500nm
气体
K
Na
Al Ca Mg Cu Fe
O
H CO N Ar He
电离能 (eV)
4.3
5.1 5.96 6.1 7.61 7.7
7.8 13.5 13.5 14.1 14.5 15.7 24.5
临界波 长(nm) 287.4 242.3 207.3 202.6 162.4 160.5 158.5 91.5 91.5 87.6 85.2 78.7 50.4
外加能量可以通过碰撞和光辐射两种方式传递给中性气体
粒子。
电弧本身制造带电粒子维
持其导电的最主要途径。
碰撞传递：只有非弹性碰撞才产生电离过程。
光辐射传递：气体粒子接受光量子形式施加的能量，产生 激励或电离，超过电离能部分转换为电离生成电子的动能。
2020/9/30
第一章 电弧焊基础知识
次要途径
8
第一节 焊接电弧
电离种类
❖ 热电离：气体粒子受热作用而产生的电离过程。
实质：气体粒子的热运动形成频繁而激烈的碰撞
气体热电离的电离度：单位体积内被电离的粒子数与气
体电离前粒子总数的比率。
x=电离后的电子或离子密度/电离前中性粒子密度
萨哈公式
1
x2 - x2
P
3.16 10-7 T
2.5
exp（-
2020/9/30
第一章 电弧焊基础知识
11
第一节 焊接电弧
❖ 光电离
定义：中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电离。
范围：电弧的辐射只可能对K、Na、Ca、Al等金属蒸气直
接引起电离，而对焊接电弧气氛中的其他气体则不能直接
引起电离。
光电离是产生带电粒子的次要途径。
常见气体光电离的临界波长
电弧的光辐射 波长在170～
2020/9/30
第一章 电弧焊基础知识
6
第一节 焊接电弧
2020/9/30
第一章 电弧焊基础知识
稳弧剂：电离电压低、
易电离的元素
7
第一节 焊接电弧
当中性粒子受外来能量作用其能量还不足以使电子完全脱 离气体原子或分子，但可能使电子从较低的能级转移到较 高的能级时，则中性粒子内部的稳定状态也被破坏，这种 状态称为激励。
第一章 电弧焊基础知识
第一章 电弧焊基础知识
学习目标
1、掌握焊接电弧的物理基础；
2、深入了解焊接电弧的主要工艺特性；
3、明确焊丝熔化与熔滴过渡的过程以及母材熔化与焊 缝成形的基本规律等。
主要内容
第一节 焊接电弧
第二节 焊接电弧中的能量平衡及电弧力
第三节 磁场对电弧的作用
第四节 焊丝的熔化及熔滴过渡
4
第一节 焊接电弧
气体导电与金属导电的比较
气体
金属
不含自由移动带电粒子； 所有粒子都可以自由移动
含自由移动带电电子； 离子不可以自由移动
不呈现导电性
呈现导电性
气体导电必须具备两个基本条件：两电极之间有带电粒子；
2020/9/30
两电极之间有电场。
第一章 电弧焊基础知识
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第一节 焊接电弧
电弧产生的必要条件
阴极雾化 13
第一节 焊接电弧
阴极电子发射机构可分为 ：
对电极有 冷却作用
（1）热发射 阴极表面因受到热作用而使其内部的自由电 子热运动加剧，动能增加，当一部分电子的动能大于大 于逸出功时，则飞出到表面外的空间中去而产生的电子 发射现象。
热发射电子流密度：i=AT2exp(-eUω/kT) 热阴极电弧：热发射强弱受到阴极材料沸点的影响，沸 点高的钨或碳做阴极时，电极可以被加热到比较高的温 度，通过热发射可以提供足够多的电子。
逸出功(eV)
氧化物
3.92 3.9 3.85 0.46 1.8 3.31
钨极成分 逸出功(eV)
W W-Cs W-Ba W-Th 4.54 1.36 1.56 2.63
钨极加入Th、Cs等成
2020/9/30
分提高电子发射能力 和改善工艺性能。
第一章 电弧焊基础知识
W-Zr 氧化物逸出功较低， 3.14 电子容易从氧化膜
e U i） kT
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第一章 电弧焊基础知识
9
第一节 焊接电弧
说明
1、Ui为实效电离电压，主要取决于电离电压较低的气体
成分，例如焊条药皮中加K、Na、Ca稳弧。 CO2、N2气氛电
弧电压和电弧温
2、气氛中的多原子气体电离前首先解离。 度比Ar气氛高。
3、弧柱区温度为5000～30000K，热电离是其产生带电 粒子的最主要途径。
2020/9/30
第一章 电弧焊基础知识
10
Biblioteka Baidu一节 焊接电弧
❖ 电场作用下的电离——场致电离
定义：在两电极间电场的作用下，气体中的带电粒子被
加速，电能转化为带电粒子的动能，当带电粒子的动能 达到一定数值时，则可能与中性粒子发生非弹性碰撞而 使之电离。
场致电离发生的位置
主要是两极区，由于在这两个区域内电场强度可达 105～107V/cm 弧柱区电场强度为：10V/cm左右，电场作用不明显 场致电离中电子起主要作用。
焊接电弧导电示意图
2020/9/30
第一章 电弧焊基础知识
3
第一节 焊接电弧
气体导电时，导电部分的电压与电流不遵循欧姆定律。
电弧的特点： 低电压、大 电流、温度 高、亮度大
金属导电伏安特性
2020/9/30
气体导电伏安特性
Ⅰ－非自持放电 Ⅱ－自持放电 Ⅲ－辉光放电 Ⅳ－电弧放电
第一章 电弧焊基础知识
2020/9/30
第一章 电弧焊基础知识
12
第一节 焊接电弧
（二）电子发射
电极表面受到外加能量的作用，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。
使一个电子从金属表面飞出所需要的最低外加能量称为逸
出功（Wω）。
几种金属及其氧化物的逸出功
金属
W
Fe
Al
Cu
K
Ca Mg
纯金属 4.54 4.48 4.25 4.36 2.02 2.12 3.78
电弧中带电粒子的产生过程
电弧的带电粒子主要依靠气体的电离和电极发射电子产生。
（一）气体电离 在外加能量作用下，中性气体分子或原子分离成正离子和电子
的现象。 使中性气体粒子失去第一个电子所需要的最低外加能量称
为第一电离能，生成的正离子称为一价正离子，这种电离 称为一次电离。电离能转换为数值上相等的电压来表示则 为电离电压或电离势。
第五节 2020/9/30 母材熔化和第焊一章缝电成弧焊形基础知识
2
第一节 焊接电弧
电弧是所有电弧焊方法的能源，能有效而简便地把弧焊电 源输送的电能转换成焊接过程所需要的热能和机械能。
一、焊接电弧的导电特点
电弧是一种气体放电现 象，是指两电极存在电
位差时，电荷通过两电
极之间气体空间的一种
导电现象。电能转换为 热能、机械能和光能。
500nm
气体
K
Na
Al Ca Mg Cu Fe
O
H CO N Ar He
电离能 (eV)
4.3
5.1 5.96 6.1 7.61 7.7
7.8 13.5 13.5 14.1 14.5 15.7 24.5
临界波 长(nm) 287.4 242.3 207.3 202.6 162.4 160.5 158.5 91.5 91.5 87.6 85.2 78.7 50.4
外加能量可以通过碰撞和光辐射两种方式传递给中性气体
粒子。
电弧本身制造带电粒子维
持其导电的最主要途径。
碰撞传递：只有非弹性碰撞才产生电离过程。
光辐射传递：气体粒子接受光量子形式施加的能量，产生 激励或电离，超过电离能部分转换为电离生成电子的动能。
2020/9/30
第一章 电弧焊基础知识
次要途径
8
第一节 焊接电弧
电离种类
❖ 热电离：气体粒子受热作用而产生的电离过程。
实质：气体粒子的热运动形成频繁而激烈的碰撞
气体热电离的电离度：单位体积内被电离的粒子数与气
体电离前粒子总数的比率。
x=电离后的电子或离子密度/电离前中性粒子密度
萨哈公式
1
x2 - x2
P
3.16 10-7 T
2.5
exp（-
2020/9/30
第一章 电弧焊基础知识
11
第一节 焊接电弧
❖ 光电离
定义：中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电离。
范围：电弧的辐射只可能对K、Na、Ca、Al等金属蒸气直
接引起电离，而对焊接电弧气氛中的其他气体则不能直接
引起电离。
光电离是产生带电粒子的次要途径。
常见气体光电离的临界波长
电弧的光辐射 波长在170～
2020/9/30
第一章 电弧焊基础知识
6
第一节 焊接电弧
2020/9/30
第一章 电弧焊基础知识
稳弧剂：电离电压低、
易电离的元素
7
第一节 焊接电弧
当中性粒子受外来能量作用其能量还不足以使电子完全脱 离气体原子或分子，但可能使电子从较低的能级转移到较 高的能级时，则中性粒子内部的稳定状态也被破坏，这种 状态称为激励。
第一章 电弧焊基础知识
第一章 电弧焊基础知识
学习目标
1、掌握焊接电弧的物理基础；
2、深入了解焊接电弧的主要工艺特性；
3、明确焊丝熔化与熔滴过渡的过程以及母材熔化与焊 缝成形的基本规律等。
主要内容
第一节 焊接电弧
第二节 焊接电弧中的能量平衡及电弧力
第三节 磁场对电弧的作用
第四节 焊丝的熔化及熔滴过渡
4
第一节 焊接电弧
气体导电与金属导电的比较
气体
金属
不含自由移动带电粒子； 所有粒子都可以自由移动
含自由移动带电电子； 离子不可以自由移动
不呈现导电性
呈现导电性
气体导电必须具备两个基本条件：两电极之间有带电粒子；
2020/9/30
两电极之间有电场。
第一章 电弧焊基础知识
5
第一节 焊接电弧
电弧产生的必要条件