第一章-焊接電弧課件

本章將講述有關(guān)焊接電弧的基礎(chǔ)理論知識(shí)，包括電弧的物理本質(zhì)、導(dǎo)電機(jī)構(gòu)、電特性、產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)和產(chǎn)力機(jī)構(gòu)，以及影響焊接電弧穩(wěn)定性的因素等。第一章焊接電弧本章將講述有關(guān)焊接電弧的基礎(chǔ)理論知識(shí)，包括電1.1焊接電弧的物理基礎(chǔ)

具有一定電壓的兩電極之間或電極與母材之間的氣體介質(zhì)中產(chǎn)生的強(qiáng)烈而持久的放電現(xiàn)象。所謂氣體放電，是指當(dāng)兩電極之間存在電位差時(shí)，電荷從一極穿過氣體介質(zhì)到達(dá)另一極的導(dǎo)電現(xiàn)象（圖1-1）。但是并不是所有的氣體放電現(xiàn)象都是電弧，電弧僅是其中的一種形式。1.1.1電弧的物理本質(zhì)1.1焊接電弧的物理基礎(chǔ)具有一定電壓的兩電極之間或電圖1-2氣體放電的伏安特性曲線

圖1-2氣體放電的伏安特性曲線

圖1-2是一對(duì)電極氣體放電的伏安特性曲線，根據(jù)氣體放電的特性，可以將其分為兩個(gè)區(qū)域，即非自持放電區(qū)和自持放電區(qū)。

當(dāng)導(dǎo)電電流大于一定值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生這種自持放電。在自持放電區(qū)內(nèi)，當(dāng)電流數(shù)值不同時(shí)，導(dǎo)電機(jī)構(gòu)也有差異，可以分為暗放電、輝光放電和電弧放電三種形式。

圖1-2是一對(duì)電極氣體放電的伏安特性曲線，根據(jù)

其中，暗放電和輝光放電的電流較小，電壓較高，發(fā)熱發(fā)光較弱，而電弧放電的電流最大，電壓最低，溫度最高、發(fā)光最強(qiáng)。正是因?yàn)殡娀【哂羞@樣的特點(diǎn)，因此在工業(yè)中廣泛用來作為熱源和光源，在焊接技術(shù)中成為一種不可缺少的能源。綜上所述，從電弧的物理本質(zhì)來看，它是一種在具有一定電壓的兩電極之間的氣體介質(zhì)中所產(chǎn)生的電流最大、電壓最低、溫度最高、發(fā)光最強(qiáng)的自持放電現(xiàn)象。其中，暗放電和輝光放電的電流較小，電壓較高

兩電極之間要產(chǎn)生氣體放電必須具備兩個(gè)條件，一是必須有帶電粒子，二是在兩極之間必須有一定強(qiáng)度的電場(chǎng)。電弧中的帶電粒子指的是電子、正離子和負(fù)離子。引燃電弧和維持電弧燃燒的帶電粒子是電子和正離子。這兩種帶電粒子主要是依靠電弧中氣體介質(zhì)的電離和電極的電子發(fā)射兩個(gè)物理過程產(chǎn)生的。在電弧引燃和燃燒的過程中，除了存在電離和發(fā)射這兩個(gè)過程外，還伴隨有氣體解離、激勵(lì)、生成負(fù)離子、復(fù)合等過程。1.1.2電弧中帶電粒子的產(chǎn)生

兩電極之間要產(chǎn)生氣體放電必須具備兩個(gè)條件，一1.氣體的電離

兩電極之間的氣體受到外加能量（如外加電場(chǎng)、光輻射、加熱等）作用時(shí)，氣體分子熱運(yùn)動(dòng)加劇。當(dāng)能量足夠大時(shí)，由多原子構(gòu)成的氣體分子就會(huì)分解為原子狀態(tài)，這個(gè)過程稱為解離。1.氣體的電離兩電極之間的氣體受到外加能量（如

在外加能量的作用下，使中性氣體分子或原子分離成為正離子和電子的現(xiàn)象稱為電離。電離時(shí)，中性氣體分子或原子吸收了足夠的能量，使得其中的電子脫離原子核的束縛而成為自由電子，同時(shí)使原子成為正離子。使中性氣體粒子失去第一個(gè)電子所需要的最低外加能量稱為第一電離能，生成的正離子稱為一價(jià)正離子，所發(fā)生的電離稱為一次電離。（1）電離與激勵(lì)在外加能量的作用下，使中性氣體分子或原子分離

a)電離能通常以電子伏（eV）為單位，1電子伏就是1個(gè)電子通過1V電位差的空間所獲得的能量，其數(shù)值為1.6×10-19J。為了便于計(jì)算，常把以電子伏為單位的能量轉(zhuǎn)換為數(shù)值上相等的電壓來處理，單位為伏（V），此電壓稱為電離電壓。a)電離能通常以電子伏（eV）為單位，1電子伏b)氣體電離電壓的大小說明電子脫離原子或分子所需要外加能量的大小，也說明某種氣體電離的難易程度。在相同的外加條件下，氣體電離電壓低說明產(chǎn)生帶電粒子比較容易，就此而言，有利于維持電弧穩(wěn)定燃燒。b)氣體電離電壓的大小說明電子脫離原子或分子所需要外加能量的

c)不僅原子狀態(tài)的氣體可以被電離，而且分子狀態(tài)的氣體也可以直接被電離。但由于一般情況下電子脫離氣體分子需要克服原子對(duì)電子和分子對(duì)電子的兩層約束，因此分子狀態(tài)時(shí)的氣體電離電壓比原子狀態(tài)時(shí)的電離電壓值要高一些。例如氫原子為13.5V，而氫分子為15.4V。但是有些氣體分子的電離電壓反而比原子的電離電壓低，如NO分子的電離電壓為9.5V，而N原子和O氧子的電離電壓分別為14.5V和13.5V。c)不僅原子狀態(tài)的氣體可以被電離，而且分子狀態(tài)的氣

d)當(dāng)電弧空間同時(shí)存在電離電壓不同的幾種氣體時(shí)，在外加能量的作用下，電離電壓較低的氣體粒子將首先被電離。如果這種低電離電壓的氣體供應(yīng)充分，電弧空間的帶電粒子將主要依靠這種氣體的電離來提供，所需外加的能量也主要是取決于這種氣體的電離電壓。

例如，F(xiàn)e的電離電壓為7.9V，比CO2（13.7V）或Ar（15.7V）低很多，當(dāng)用氣體保護(hù)焊焊接鋼材時(shí)，如果焊接電流足夠大，電弧空間將充滿由鐵蒸汽電離而生成的帶電粒子，外加能量相對(duì)較低。d)當(dāng)電弧空間同時(shí)存在電離電壓不同的幾種氣體時(shí)

e)激勵(lì)是當(dāng)中性氣體分子或原子受到外加能量的作用不足以使電子完全脫離氣體分子或原子，而使電子從較低的能級(jí)轉(zhuǎn)移到較高的能級(jí)的現(xiàn)象。通過加熱、電場(chǎng)作用或光輻射均可產(chǎn)生激勵(lì)現(xiàn)象。由于產(chǎn)生激勵(lì)時(shí)電子尚未脫離分子或原子，因此氣體分子或原子對(duì)外仍呈中性，但是激勵(lì)狀態(tài)是一種非穩(wěn)定狀態(tài)，它存在的時(shí)間很短暫。

使中性氣體分子或原子激勵(lì)所需要的最低外加能量稱為最低激勵(lì)能，若以伏為單位來表示，則稱為激勵(lì)電壓。

e)激勵(lì)是當(dāng)中性氣體分子或原子受到外加能量的作

（2）電離的種類根據(jù)外加能量種類的不同，電離可以分為以下三類：

1）熱電離氣體粒子受熱的作用而產(chǎn)生的電離稱為熱電離。其實(shí)質(zhì)是氣體粒子由于受熱而產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)和相互之間激烈碰撞而產(chǎn)生的一種電離。氣體粒子的平均速度與溫度的關(guān)系：（2）電離的種類根據(jù)外加能量種類的不同，電離可以分a)

這些高速運(yùn)動(dòng)的氣體粒子相互之間頻繁而激烈地碰撞，碰撞的結(jié)果有兩種情況：彈性碰撞：碰撞時(shí)粒子之間只發(fā)生動(dòng)能的傳遞和再分配，碰撞前后兩個(gè)粒子的動(dòng)能之和基本不變，粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不發(fā)生任何變化，只能引起粒子運(yùn)動(dòng)速度和溫度變化。這種情況通常是在氣體粒子擁有的動(dòng)能較低時(shí)發(fā)生的。非彈性碰撞：是破壞性的，通常在氣體粒子擁有較大動(dòng)能時(shí)發(fā)生。碰撞時(shí)，部分或全部動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，被碰撞的氣體粒子內(nèi)部結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化。如果此內(nèi)能大于激勵(lì)電壓，則粒子被激勵(lì)，如果此內(nèi)能大于電離電壓，則粒子被電離a)這些高速運(yùn)動(dòng)的氣體粒子相互之間頻繁而激烈地隨著（T升高，P減小，Ui減?。?；X增大相互碰撞的兩物體的能量傳遞情況與它們的質(zhì)量有密切關(guān)系。電子的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氣體原子、分子或離子，因此當(dāng)具有足夠動(dòng)能的電子與中性粒子進(jìn)行非彈性碰撞時(shí)，它的動(dòng)能幾乎可以全部傳給中性粒子，轉(zhuǎn)換為中性粒子的內(nèi)能，使其激勵(lì)或電離。b)

電離度X隨著（T升高，P減小，Ui減?。籜增大相互碰撞的兩物體的能2）場(chǎng)致電離

當(dāng)氣體中有電場(chǎng)作用時(shí)，氣體中的帶電粒子被加速，電能被轉(zhuǎn)換為帶電粒子的動(dòng)能，當(dāng)其動(dòng)能增加到一定程度時(shí)，能與中性粒子產(chǎn)生非彈性碰撞，使之電離，這種電離稱為場(chǎng)致電離。2）場(chǎng)致電離a)連鎖反應(yīng)電離b)對(duì)于一般電弧來說，由于各個(gè)部位的溫度、電場(chǎng)強(qiáng)度不同，因而所產(chǎn)生的電離形式不盡相同?；≈糠郑簻囟雀哌_(dá)5000～30000K，而電場(chǎng)強(qiáng)度只有10V/cm左右，因此熱電離是其產(chǎn)生帶電粒子的主要途徑，場(chǎng)致電離是次要的；陽極壓降區(qū)和陰極壓降區(qū)（即陽極和陰極前面的極小區(qū)間）溫度低于弧柱部分，而電場(chǎng)強(qiáng)度高達(dá)105～107V/cm，因此場(chǎng)致電離很顯著。a)連鎖反應(yīng)電離3）光電離

中性粒子接受光輻射的作用而產(chǎn)生的電離現(xiàn)象稱為光電離。氣體都存在一個(gè)能產(chǎn)生光電離的臨界波長(zhǎng)，氣體的電離電壓不同，其臨界波長(zhǎng)也不同，只有當(dāng)接受的光輻射波長(zhǎng)小于臨界波長(zhǎng)時(shí)，中性氣體粒子才可能被直接電離。電弧的光輻射波長(zhǎng)170-500nm，對(duì)K,Na,Ca,Al能直接引起光電離。光電離是產(chǎn)生帶電粒子的次要途徑。3）光電離2.電子的發(fā)射

電極表面接受一定外加能量作用，使其內(nèi)部的電子沖破電極表面的束縛而飛到電弧空間的現(xiàn)象稱為電子發(fā)射。電子發(fā)射在陰極和陽極皆可能發(fā)生，但是從陽極發(fā)射出來的電子因受到電場(chǎng)的排斥，不能參加導(dǎo)電過程，只有從陰極發(fā)射出的電子，在電場(chǎng)的作用下才能參加導(dǎo)電過程。2.電子的發(fā)射電極表面接受一定外加能量作用，使使一個(gè)電子從電極表面飛出所需要的最低外加能量稱為逸出功（Ww），單位為電子伏。因電子電量e是一個(gè)常數(shù)，通常以逸出電壓Uw=Ww/e來反映逸出功的大小，單位為伏。幾種金屬及其氧化物的逸出電壓如表1-4所示。由表中可以看出，當(dāng)金屬表面附有其氧化物時(shí)，逸出電壓均會(huì)減小。使一個(gè)電子從電極表面飛出所需要的最低外加能量稱為逸出功（Ww表1-4幾種金屬及其氧化物的逸出功金屬種類WFeAlCuKCaMg逸出功（eV）純金屬4.544.484.254.362.022.123.78金屬氧化物3.923.93.850.461.83.31表1-4幾種金屬及其氧化物的逸出功金屬種類WFeAl

根據(jù)外加能量的不同形式，電子發(fā)射有以下幾種：

（1）熱發(fā)射

金屬表面承受熱作用而產(chǎn)生電子發(fā)射的現(xiàn)象稱為熱發(fā)射。過程：金屬電極內(nèi)部的自由電子受到熱作用以后，熱運(yùn)動(dòng)加劇，動(dòng)能增加，當(dāng)自由電子的動(dòng)能大于該金屬的電子逸出功時(shí)，就會(huì)從金屬電極表面飛出，參加電弧的導(dǎo)電過程。能量：電子發(fā)射時(shí)從金屬電極表面帶走能量，故能對(duì)金屬產(chǎn)生冷卻作用。當(dāng)電子被另外的同種金屬表面接受時(shí)，將釋放能量，使金屬表面加熱。根據(jù)外加能量的不同形式，電子發(fā)射有以下幾種：影響電子流密度的因素：溫度：T升高，i增大；材料：熱陰極電弧：W(5950k),C(4200K),主要依靠熱發(fā)射；冷陰極電?。轰摚?008K），銅（2868K），鋁（2770K），須依靠其它方式補(bǔ)充發(fā)射電子。

影響電子流密度的因素：（2）場(chǎng)致發(fā)射

當(dāng)陰極表面空間有強(qiáng)電場(chǎng)存在時(shí)，金屬電極內(nèi)的電子在電場(chǎng)靜電庫侖力的作用下，從電極表面飛出的現(xiàn)象稱為場(chǎng)致發(fā)射。

冷陰極電弧正是主要依靠這種方式獲得足夠的電子以維持電弧穩(wěn)定燃燒的。電子從陰極帶走的熱量減少，對(duì)陰極的冷卻作用降低。（2）場(chǎng)致發(fā)射冷陰極電弧正是主要依靠這（3）光發(fā)射

當(dāng)金屬電極表面接受光輻射時(shí)，電極表面的自由電子能量增加，當(dāng)電子的能量達(dá)到一定值時(shí)能飛出電極的表面，這種現(xiàn)象稱為光發(fā)射。

電子發(fā)射吸收的是光輻射能，不從金屬表面帶走熱量，因而對(duì)電極沒有冷卻作用。電弧焊時(shí)，焊接電弧發(fā)出的光能夠引起電極產(chǎn)生光發(fā)射，但由于光亮不足夠強(qiáng)。因此，光發(fā)射在陰極電子發(fā)射中居于次要的地位。（3）光發(fā)射電子發(fā)射吸收的是光輻射能，不從金屬表（4）粒子碰撞發(fā)射

高速運(yùn)動(dòng)的粒子（電子或正離子）碰撞金屬電極表面時(shí)，將能量傳給電極表面的電子，使電子能量增加并飛出電極表面，這種現(xiàn)象稱為粒子碰撞發(fā)射。

焊接電弧中正離子撞擊陰極表面產(chǎn)生的電子發(fā)射是很典型的粒子碰撞發(fā)射:過程：電場(chǎng)加速正離子（獲得動(dòng)能

），撞擊陰極表面（將動(dòng)能WK傳給陰極），從陰極奪取一個(gè)電子與其復(fù)合（釋放出電離能Wi,奪取電子消耗逸出功Ww）剩余的能量：Wk+Wi-Ww發(fā)射電子的條件Wk+Wi≥2Ww（4）粒子碰撞發(fā)射焊接電弧中正離子撞擊陰極表面熱發(fā)射：當(dāng)所用的電極是熱陰極型且電流較大時(shí)，主要依靠熱發(fā)射向電弧提供電子；場(chǎng)致發(fā)射而當(dāng)所用的電極是冷陰極型時(shí)，熱發(fā)射不能提供足夠的電子，此時(shí)場(chǎng)致發(fā)射起主要作用；碰撞發(fā)射由于焊接電弧的陰極區(qū)前面有大量正離子聚集，形成具有一定強(qiáng)度的電場(chǎng)，能使正離子加速撞擊陰極，因而在一定條件下，粒子碰撞發(fā)射能夠成為向電弧提供導(dǎo)電所需電子的主要途徑；光發(fā)射：在陰極電子發(fā)射中則居于次要地位。熱發(fā)射：當(dāng)所用的電極是熱陰極型且電流較大時(shí)，主要依靠熱發(fā)射向

電弧中的帶電粒子除了電子和正離子之外，還有負(fù)離子。負(fù)離子是在一定條件下一些中性原子或分子吸附一個(gè)電子而形成的。a)中性粒子吸附電子形成負(fù)離子時(shí)，其內(nèi)部的能量不是增加而是減少。減少的這部分能量稱為中性粒子的電子親和能。通常是以熱或輻射能（光）的形式釋放出來。b)電子親和能:（F,Cl,Br,I)大，易形成負(fù)離子；

O，O2，OH，NO，H2O，Li等可形成負(fù)離子；惰性氣體不能形成。c)在溫度較低的電弧周邊形成（原因：電弧中心，電子速度快；形成過程是發(fā)熱過程）d)質(zhì)量大，速度低，抵消電子數(shù)量，降低電弧穩(wěn)定性。3．產(chǎn)生負(fù)離子電弧中的帶電粒子除了電子和正離子之外，還有負(fù)1.1.3電弧中帶電粒子的消失

電弧導(dǎo)電過程中不僅有帶電粒子的產(chǎn)生過程，而且有帶電粒子的消失過程，而且，當(dāng)電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)這兩個(gè)過程處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，即在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的帶電粒子數(shù)目等于消失的帶電粒子的數(shù)目。

主要有兩種方式：“擴(kuò)散”：即帶電粒子離開它們?cè)瓉淼牡胤?，而逃逸到電弧的四周，不再參加放電過程；“復(fù)合”：即正的帶電粒子和負(fù)的帶電粒子結(jié)合成中性的原子或分子，這里既有電子與正離子的復(fù)合，也有負(fù)離子與正離子的復(fù)合。在復(fù)合的過程中釋放出大量的熱和光。包括：空間復(fù)合和電極表面復(fù)合。1.1.3電弧中帶電粒子的消失電弧導(dǎo)電過程空間復(fù)合:電弧中心，帶電粒子數(shù)量多，溫度高，速度大，復(fù)合幾率??；電弧周邊：溫度低，速度低，可以產(chǎn)生復(fù)合；中心正離子受周邊負(fù)離子的吸引，在電弧周邊可能復(fù)合；交流電弧，由于電流瞬間熄滅，溫度降低，帶點(diǎn)粒子大量復(fù)合，引弧困難。電極表面復(fù)合：正離子撞擊陰極，并從陰極奪取一個(gè)電子與其復(fù)合：

剩余的能量：Wk+Wi-Ww

若Wk+Wi≥2Ww則還可能發(fā)射一個(gè)電子空間復(fù)合:電弧中心，帶電粒子數(shù)量多，溫度高，速度大，復(fù)合幾率1.2焊接電弧的產(chǎn)生過程

電弧焊時(shí)，僅僅把焊接電源電壓加到電極和焊件兩端是不能產(chǎn)生電弧的，首先需要在電極和焊件之間提供一個(gè)導(dǎo)電的通道，才能引燃電弧。兩種引弧方式：

接觸式引弧和非接觸式引弧。1.2焊接電弧的產(chǎn)生過程電弧焊時(shí)，僅僅把焊接電1.2.1接觸式引弧

接觸式引弧亦稱為短路引弧，常用于焊條電弧焊、埋弧焊、熔化極氣體保護(hù)電弧焊等。操作方法:將焊條（或焊絲）和焊件分別接通于弧焊電源的兩極，將焊條（或焊絲）與焊件輕輕地接觸，然后迅速提拉或焊絲自動(dòng)爆斷，這樣就能在焊條（或焊絲）端部與焊件之間產(chǎn)生一個(gè)電弧。這是一種最常見的引弧方式。焊接電弧雖然是在一瞬間產(chǎn)生的，但實(shí)際上包含了短路、分離和燃弧三個(gè)階段。1.2.1接觸式引弧接觸式引弧亦稱為短路引弧，常1）短路階段

當(dāng)焊條（或焊絲）一經(jīng)接觸焊件，便發(fā)生了短路。短路時(shí)電壓等于零，而電流急劇增大。由于焊條（或焊絲）端部表面和焊件表面都不可能是絕對(duì)平整光潔的，因此，它們之間只是在幾個(gè)突出的點(diǎn)上接觸，電流也只是從這些點(diǎn)流過（見圖1-4）。由于接觸點(diǎn)的面積很小，因此流過這些點(diǎn)的電流密度極大，這導(dǎo)致在接觸點(diǎn)上產(chǎn)生大量的電阻熱，使接觸點(diǎn)處的溫度驟然升高并發(fā)生熔化，形成液態(tài)金屬間層。1）短路階段當(dāng)焊條（或焊絲）一經(jīng)接觸焊件，便發(fā)生圖1-4焊絲與焊件短路時(shí)的接觸狀態(tài)圖1-4焊絲與焊件短路時(shí)的接觸狀態(tài)2）分離階段

在焊條（或焊絲）與焊件短路后，如果是焊條電弧焊或埋弧焊，一般是迅速將焊條（或焊絲）從焊件上稍稍提起，這使液態(tài)金屬橫截面減小，電流密度急劇增大，溫度猛烈升高和電磁收縮力增大，因而使液態(tài)金屬很快斷開；如果是熔化極氣體保護(hù)電弧焊，由于焊絲直徑一般較細(xì)，液態(tài)金屬則會(huì)發(fā)生爆斷。在焊條（或焊絲）與焊件分離的瞬間，一方面焊條（或焊絲）與焊件之間的電場(chǎng)強(qiáng)度急劇增大；另一方面兩極之間能產(chǎn)生大量電離勢(shì)較低的金屬蒸汽和藥皮蒸汽。2）分離階段在焊條（或焊絲）與焊件短路后，如3）燃弧階段

當(dāng)兩極之間既具有足夠強(qiáng)的電場(chǎng)作用，又具有足夠多的帶電粒子時(shí)，就會(huì)引燃電弧。電弧引燃后，溫度繼續(xù)升高，還產(chǎn)生了弧光，各種形式的發(fā)射和電離均得到加強(qiáng)，正、負(fù)粒子分別跑向兩極。在這個(gè)過程中，帶電粒子的產(chǎn)生和消失交織在一起，各種能量的釋放和消耗交織在一起。經(jīng)過短暫的調(diào)整，帶電粒子的產(chǎn)生和消失、能量的釋放和消耗達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，焊接電弧就進(jìn)入了穩(wěn)定燃燒階段。在燃弧階段，由于電極為冷陰極，電子發(fā)射仍以場(chǎng)致發(fā)射為主。3）燃弧階段當(dāng)兩極之間既具有足夠強(qiáng)的電場(chǎng)作1.2.2非接觸式引弧

非接觸式引弧是指在電極與焊件之間存在一定間隙，施以高電壓擊穿間隙，使電弧引燃的方法，常用于鎢極氬弧焊、等離子弧焊等。為了避免鎢極被污染或造成焊縫夾鎢，一般不允許鎢極與焊件接觸，此時(shí)只能采用非接觸式引弧。1.2.2非接觸式引弧非接觸式引弧是指在電極

非接觸式引弧有兩種方式：高頻高壓引弧：電壓峰值一般為2000～3000V，每秒震蕩100次，每次震蕩頻率為150～260KHZ；高壓脈沖引弧：電壓峰值一般為3000～5000V，頻率為50HZ或100HZ。引弧施加方式有并聯(lián)和串連兩種：并聯(lián)方式是直接把引弧電壓接到鎢極和焊件兩端，串聯(lián)方式是把引弧電壓串聯(lián)到焊接回路中，通過高頻輸出變壓器和旁路電容加到鎢極和焊件上。串聯(lián)方式主回路構(gòu)成簡(jiǎn)單，而且引弧效果好，目前用的比較多。圖1-5高頻和脈沖引弧示意圖

a)引弧器接入方式b）高頻高壓引弧電壓波形c）高壓脈沖引弧電壓波形Uyh—引弧電壓t—時(shí)間非接觸式引弧有兩種方式：圖1-5高頻和脈沖引弧示意圖非接觸式引弧只包含激發(fā)和燃弧兩個(gè)階段：激發(fā)階段：在鎢極和焊件之間除了施加焊接電源的空載電壓外，還施加了高頻高壓引弧電壓或高壓脈沖引弧電壓。由于引弧電壓很高，在陰極表面能產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的場(chǎng)致發(fā)射，因此能為電極空間提供大量的電子。這些電子在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下被加速運(yùn)動(dòng)，能撞擊中性原子，因此也能產(chǎn)生強(qiáng)烈的場(chǎng)致電離，使帶電粒子數(shù)量進(jìn)一步增加。燃弧階段

非接觸式引弧只包含激發(fā)和燃弧兩個(gè)階段：1.3焊接電弧的構(gòu)造及其導(dǎo)電機(jī)構(gòu)

焊接電?。宏帢O區(qū)：狹窄（10-5，10-6）cm，UK大，場(chǎng)強(qiáng)大，陰極斑點(diǎn)陽極區(qū)：稍寬（10-2，10-3）cm，UA較小，場(chǎng)強(qiáng)較小，陽極斑點(diǎn)弧柱區(qū)：很長(zhǎng)，Uc小，場(chǎng)強(qiáng)很小在長(zhǎng)度方向上,帶電粒子的分布是均勻的,因此電壓降UC與電弧長(zhǎng)度成正比,

其徑向方向上,中心的帶電粒子密度大，而周圍的小。1.3.1焊接電弧的構(gòu)造圖1-6電弧各區(qū)的電壓分布1.3焊接電弧的構(gòu)造及其導(dǎo)電機(jī)構(gòu)焊接電?。?.3.1焊

對(duì)于每一個(gè)焊接電弧,電弧的電壓Ua都等于陰極電壓降UK

、弧柱電壓降UC和陽極電壓降UA之和,即Ua=UK

+

UC

+

UA對(duì)于每一個(gè)焊接電弧,電弧的電壓Ua都等于陰極電1.3.2焊接電弧的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)

組成：陰極區(qū)的總電流是由電子流和正離子流共同組成的。電子流占總電流的比率（60-80%）取決于電極材料的種類、電流大小、氣體介質(zhì)等工作條件。1.陰極區(qū)的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)導(dǎo)電機(jī)構(gòu)三類:（1）熱發(fā)射型（2）場(chǎng)致發(fā)射型（3）等離子型1.3.2焊接電弧的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)組成：陰極區(qū)的總電流是由電子（1）熱發(fā)射型

條件：當(dāng)采用W,C等熱陰極材料作為陰極,而且流過大電流時(shí),能發(fā)生熱發(fā)射型導(dǎo)電。在這種情況下,陰極區(qū)可以達(dá)到很高的溫度,因此可以產(chǎn)生很強(qiáng)烈的電子熱發(fā)射。

特點(diǎn)：a)如果電流足夠大，陰極通過熱發(fā)射就能夠提供弧柱區(qū)所需要的電子比率。b)陰極表面以外的區(qū)域?qū)⑴c弧柱區(qū)沒有區(qū)別：①其電流組成與弧柱區(qū)相同(電子流比率約占99.9%)，其空間電荷總和為零,對(duì)外呈中性,②弧柱的斷面一直到陰極表面不發(fā)生很大變化，不產(chǎn)生收縮。③陰極表面導(dǎo)電區(qū)域的電流密度也與弧柱區(qū)相近(約為103A/cm2),陰極表面不再存在陰極斑點(diǎn)，④陰極區(qū)的電壓降很小，甚至為零。c)在大電流鎢極氬弧焊時(shí)這種陰極導(dǎo)電機(jī)構(gòu)占主要地位。（1）熱發(fā)射型特點(diǎn)：

（2）場(chǎng)致發(fā)射型

條件：當(dāng)采用Cu、Fe、Al等冷陰極型材料作為陰極,或采用W、C等熱陰極型材料作為陰極但電流比較小時(shí),將主要發(fā)生場(chǎng)致發(fā)射型導(dǎo)電。導(dǎo)電機(jī)構(gòu)：冷陰極型電極受材料沸點(diǎn)的限制，其表面的溫度不能升得很高.因此陰極表面不可能產(chǎn)生強(qiáng)烈的電子熱發(fā)射。由于最初電子供應(yīng)不足,使得靠近陰極的區(qū)域正負(fù)電荷處于非平衡狀態(tài)，正離子過剩并造成堆積,形成正的空間電荷,因而在陰極表面前面形成局部較高的電場(chǎng)。只要陰極不能發(fā)出足夠的電子數(shù)量,正離子將繼續(xù)堆積,電場(chǎng)強(qiáng)度將繼續(xù)增加。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大時(shí),就會(huì)使陰極表面的電子沖破束縛發(fā)射出來,即產(chǎn)生場(chǎng)致發(fā)射。（2）場(chǎng)致發(fā)射型從陰極發(fā)射的電子被該電場(chǎng)加速，當(dāng)動(dòng)能大于氣體的電離能時(shí)，就會(huì)在陰極區(qū)的終端與中性粒子碰撞并電離。電離出來的正離子與從弧柱區(qū)來的正離子一起向陰極運(yùn)動(dòng),使正離子流占陰極區(qū)總電流的比率大大增加。陰極區(qū)的電子流和正離子流比率的變化如圖1-7所示。圖1-7陰極壓降區(qū)的電子流和離子流從陰極發(fā)射的電子被該電場(chǎng)加速，當(dāng)動(dòng)能大于氣體的電離能時(shí)

特點(diǎn)：在場(chǎng)致發(fā)射型導(dǎo)電時(shí),陰極表面有陰極斑點(diǎn)：a)當(dāng)用W、C等材料作陰極且電流比較小時(shí),陰極斑點(diǎn)是固定不動(dòng)的,電流密度較低,即使是交流電弧也很穩(wěn)定。b)當(dāng)用Cu、Fe、Al等材料做陰極時(shí),陰極斑點(diǎn)是游動(dòng)的,電弧自動(dòng)選擇最有利于場(chǎng)致發(fā)射的點(diǎn)作為陰極斑點(diǎn),陰極斑點(diǎn)可能是一個(gè),也可能是多個(gè),電流密度較高，在交流情況下電弧不穩(wěn)定。特點(diǎn)：特點(diǎn):a)這種形式的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)是熔化極電弧焊常見的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)。b)在通常的情況下場(chǎng)致發(fā)射型和熱發(fā)射型兩種導(dǎo)電機(jī)構(gòu)并存。c)當(dāng)電極材料的熔點(diǎn)較高或逸出功較小時(shí),熱發(fā)射的比例較大，場(chǎng)致發(fā)射的比例較?。环粗?熱發(fā)射的比例較小,場(chǎng)致發(fā)射的比例較大,陰極壓降也比較大。d)當(dāng)焊接電流增大時(shí),一般熱發(fā)射的比例增大,場(chǎng)致發(fā)射的比例減小,陰極壓降也減小。特點(diǎn):（3）等離子型這是低氣壓鎢極氬弧焊或使用冷陰極、小電流時(shí)容易產(chǎn)生的一種導(dǎo)電機(jī)構(gòu)。在這種情況下,在陰極的前方會(huì)出現(xiàn)一個(gè)很亮的球形區(qū)域,溫度很高,有時(shí)甚至接近100000C,在此處能產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱電離。（3）等離子型這是低氣壓鎢極氬弧焊或使用冷陰極、小2.弧柱區(qū)的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)

組成：

弧柱區(qū)充滿了電子、正離子、氣體原子、氣體分子,以及負(fù)離子。由于負(fù)離子的數(shù)量比較少,弧柱區(qū)的帶電粒子主要是電子和正離子。研究表明,弧柱區(qū)的總電流是由約占99.9%的電子流和約占0.1%的正離子流組成的。在每個(gè)瞬間，每個(gè)單位體積內(nèi)的正、負(fù)帶電粒子數(shù)量是相等的，因此從整體上看，弧柱是呈電中性的。2.弧柱區(qū)的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)組成：弧柱區(qū)充滿了電子、正離子、氣體

從宏觀上看,弧柱區(qū)的電子流是來自陰極區(qū),正離子流是來自陽極區(qū)，在外加電場(chǎng)的作用下,分別沿著相反的方向運(yùn)動(dòng)。但從微觀上來看,弧柱內(nèi)粒子的碰撞、擴(kuò)散、解離、激勵(lì)、電離、復(fù)合等過程都進(jìn)行得非常激烈。

弧柱的溫度很高,可以達(dá)到5000-50000K。其電離和復(fù)合過程也進(jìn)行得非常激烈。復(fù)合過程主要在弧柱的周邊進(jìn)行，由于復(fù)合,雖然使正、負(fù)帶電粒子的數(shù)量減少，但是在弧柱中心部位激烈地進(jìn)行著電離過程，又可產(chǎn)生大量的電子和正離子。當(dāng)電弧穩(wěn)定燃燒時(shí),這兩個(gè)過程處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

從宏觀上看,弧柱區(qū)的電子流是來自陰極區(qū),正離子流

弧柱區(qū)的能量也在激烈地轉(zhuǎn)換，由電源提供的電能不斷地轉(zhuǎn)化成熱能、輻射能、機(jī)械能等，當(dāng)電弧穩(wěn)定燃燒時(shí),能量轉(zhuǎn)換也處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)?；≈鶈挝婚L(zhǎng)度上的電壓降即為弧柱的電場(chǎng)強(qiáng)度E。E的大小反映了弧柱的導(dǎo)電性能,E值越小,說明弧柱的導(dǎo)電性能越好。弧柱區(qū)的能量也在激烈地轉(zhuǎn)換，由電源提供的電能不斷地轉(zhuǎn)3.陽極區(qū)的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)

電弧燃燒時(shí),陽極區(qū)主要接受來自弧柱的占總電流99.9%的電子流，同時(shí)，還要向弧柱區(qū)發(fā)送約占總電流0.1%的正離子流。每一個(gè)電子到達(dá)陽極時(shí)，將向陽極釋放出相當(dāng)于電子逸出功的能量。但是，陽極向弧柱區(qū)提供正離子流相對(duì)復(fù)雜一些，因?yàn)殛枠O不能發(fā)射正離子,正離子只能由陽極區(qū)供給。根據(jù)電弧電流密度的大小，陽極區(qū)可以通過兩種不同的方式（場(chǎng)致電離，熱電離）提供正離子。3.陽極區(qū)的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)電弧燃燒時(shí),陽極區(qū)主要接受（1）場(chǎng)致電離當(dāng)電流密度較小時(shí),在陽極區(qū)難以發(fā)生熱電離過程,陽極前面的正離子不足,正離子數(shù)少于電子數(shù),因此陽極前方能形成負(fù)的空間電荷和空間電場(chǎng),因此能產(chǎn)生一定的陽極壓降UA。在陽極壓降的作用下,來自弧柱區(qū)的電子被加速,其動(dòng)能大大提高。此時(shí),電子不僅擁有弧柱區(qū)給予的動(dòng)能,而且增加了陽極區(qū)給予的動(dòng)能。當(dāng)陽極壓降UA增加到一定程度時(shí)，其中有一部分電子與中性粒子發(fā)生碰撞后產(chǎn)生場(chǎng)致電離。（1）場(chǎng)致電離當(dāng)電流密度較小時(shí),在陽極區(qū)難以發(fā)生熱電離生成的電子與從弧柱來的電子共同組成陽極電流進(jìn)入陽極，生成的正離子向弧柱區(qū)輸送。當(dāng)通過場(chǎng)致電離提供給弧柱的正離子流達(dá)到總電流的0.1%時(shí)，陽極壓降UA不再繼續(xù)升高,而保持穩(wěn)定。圖1-9陽極區(qū)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)情況和電位分布示意圖生成的電子與從弧柱來的電子共同組成陽極電流進(jìn)入陽極，（2）熱電離

當(dāng)電流密度較大時(shí),陽極表面及其前面的溫度都很高,陽極的溫度可以達(dá)到陽極材料的沸點(diǎn),因此能發(fā)生蒸發(fā),使陽極區(qū)充滿大量的蒸汽。金屬蒸氣中原子的電離能一般都比較低,因此在高溫的作用下容易發(fā)生電離。如果電流足夠大，陽極區(qū)的溫度很高，陽極區(qū)完全能通過電離滿足弧柱區(qū)對(duì)正離子流的需要，此時(shí)，陽極區(qū)壓降很低，可接近于零。電弧與陽極接觸處，不產(chǎn)生收縮，也不形成陽極斑點(diǎn)。（2）熱電離1.3.3最小電壓原理含義:在電流和周圍條件一定的情況下,穩(wěn)定燃燒的電弧將自動(dòng)選擇一適當(dāng)?shù)臄嗝?以保證電弧的電場(chǎng)強(qiáng)度具有最小的數(shù)值,即在固定弧長(zhǎng)上的電壓最小。這意味著電弧總是保持最小的能量消耗。

ErR*E*電弧半徑的穩(wěn)定值由電場(chǎng)的最小值決定1.3.3最小電壓原理ErR*E*電弧半徑的穩(wěn)定值由電場(chǎng)

根據(jù)最小電壓原理,在電流和周圍條件一定時(shí),電弧的斷面既不能大于其自動(dòng)確定的值,也不能小于其自動(dòng)確定的值。如果斷面大了,電弧與周圍介質(zhì)的接觸面將增大,電弧向周圍介質(zhì)散失的熱量要增加,必須增加電場(chǎng)強(qiáng)度，以產(chǎn)生更多的熱量才能與其相平衡。在這種情況下,電弧會(huì)自動(dòng)縮小其斷面積,以減小能量損耗；如果斷面小了,電弧的電流密度要增加,即在較小的斷面里要通過相同數(shù)量的帶電粒子,使電阻率增加,要維持相同的電流也必須增加電場(chǎng)強(qiáng)度。在這種情況下,電弧會(huì)自動(dòng)增大其斷面,以減少能量損耗。根據(jù)最小電壓原理,在電流和周圍條件一定時(shí),1.4焊接電弧的電特性

焊接電弧的電特性主要指的是焊接電弧的靜特性和焊接電弧的動(dòng)特性。1.4焊接電弧的電特性焊接電弧的電特性主要指1.4.1焊接電弧的靜特性

焊接電弧的靜特性是指在電極材料、氣體介質(zhì)和弧長(zhǎng)一定的情況下，電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)，焊接電流與電弧電壓變化的關(guān)系，也稱伏-安特性。

影響因素：弧長(zhǎng)；氣體介質(zhì)；電極材料1.4.1焊接電弧的靜特性影響因素：弧長(zhǎng)；氣體介質(zhì)；電極材圖1-10W電極-CU母材之間的TIG電弧靜特性曲線第一章-焊接電弧課件

當(dāng)焊接電流在很大范圍內(nèi)變化時(shí)，焊接電弧的靜特性曲線是一條呈U型的曲線，故也稱為U型特性。包含下降特性、平特性和上升特性三個(gè)階段：下降特性區(qū)：電流小，電弧電壓隨著電流的增大而下降，呈負(fù)阻性；平特性區(qū)：電流中等，電弧電壓在電流變化時(shí)可近似地看成不變；上升特性區(qū)電流大，電弧電壓隨電流的增大而增大，呈正阻性。當(dāng)焊接電流在很大范圍內(nèi)變化時(shí)，焊接電弧的靜特性曲線是各種電弧焊方法的電弧靜特性：圖1-15鎢極氬弧焊電弧靜特性曲線各種電弧焊方法的電弧靜特性：圖1-15鎢極氬弧焊電弧靜圖1-16鋁合金MIG焊電弧靜特性曲線圖1-17埋弧焊電弧靜特性曲線圖1-16鋁合金MIG焊電弧靜特性曲線圖1-17埋弧焊電弧SAW——submergedarcwelding——埋弧焊

;SMAW——shieldedmetalarcwelding——焊條電弧焊

鎢極氬弧焊（TIG)的電弧靜特性曲線一般都能明顯地表現(xiàn)出三個(gè)階段鋁合金熔化極惰性氣體保護(hù)焊的電弧靜特性曲線在小電流區(qū)幾乎看不到下降特性，在可用電流以上區(qū)域都呈現(xiàn)上升特性；埋弧焊電弧靜特性曲線呈下降趨勢(shì)。UaIa小電流TIGSAWTIG

MIGMAGSAW——submergedarcwelding——埋弧1.4.2焊接電弧的動(dòng)特性

焊接電弧動(dòng)特性的定義：對(duì)于一定弧長(zhǎng)的電弧，當(dāng)電弧電流發(fā)生連續(xù)快速變化時(shí)，電弧電壓與電流瞬時(shí)值之間的關(guān)系，稱為焊接電弧的動(dòng)特性。它反映了電弧的導(dǎo)電性對(duì)電流變化的響應(yīng)能力。當(dāng)焊接電弧燃燒時(shí)，恒定不變的直流電弧不存在動(dòng)特性問題，只有交流電弧和電流變動(dòng)的直流電?。ㄈ缑}沖電流，脈動(dòng)電流，高頻電流等）存在動(dòng)特性問題。1.4.2焊接電弧的動(dòng)特性1.交流電弧的動(dòng)特性

PQR是電流從零增加到最大值期間的電弧電壓曲線，RST是電流從最大值減小至零期間的電弧電壓曲線。從圖1-18b可以看出PQR曲線段的電弧電壓要比RST曲線段的電弧電壓高，交流電弧的動(dòng)特性是回線形狀。圖1-18交流電弧動(dòng)特性曲線1.交流電弧的動(dòng)特性圖1-18交流電弧動(dòng)特性曲線交流電弧的動(dòng)特性是回線形狀的原因：交流電弧的電流每半周要改變一次流動(dòng)方向，在轉(zhuǎn)換之際電流等于零，電弧熄滅。再引燃時(shí)，電流方向轉(zhuǎn)換，如果原來是陽極，則變?yōu)殛帢O，重新發(fā)射電子，而且，上半周內(nèi)在電極附近所形成的負(fù)的電荷要向另一極運(yùn)動(dòng)，使帶電粒子的復(fù)合加強(qiáng)，降低了電弧空間的導(dǎo)電能力，使電弧引燃困難；同時(shí)在電流增加期間由于要產(chǎn)生新的帶電粒子，需要更多的能量，因此電壓較高。電流減小區(qū)間，由于電弧的熱慣性，處于較高的溫度狀態(tài)，電弧中有較多的帶電粒子，導(dǎo)電性很強(qiáng)，需要的電弧電壓較低。交流電弧的動(dòng)特性是回線形狀的原因：2.電流變動(dòng)的直流電弧的動(dòng)特性

以圖1-19所示的脈動(dòng)電流電弧為例，其動(dòng)特性曲線如圖1-20所示，也是呈回線特征。

圖1-19脈動(dòng)電流圖1-20電弧動(dòng)特性（弧長(zhǎng)＝6.5mm,焊絲直徑ds=2mm）2.電流變動(dòng)的直流電弧的動(dòng)特性圖1-19脈動(dòng)電流圖1-這種現(xiàn)象可以作如下解釋：在焊接電流增大的過程中，由于焊接電弧此前處于相對(duì)低的溫度狀態(tài)，電流的增加需要有較強(qiáng)的電場(chǎng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此表現(xiàn)出電弧電壓有某種程度的增加；在焊接電流減小的過程中，由于焊接電流此前已處于較高的溫度狀態(tài)，電弧的熱慣性不能立即對(duì)電流減小作出反應(yīng)，電弧中仍然有較多的游離的帶電粒子，電弧導(dǎo)電性仍然很強(qiáng)，使電弧電壓處于相對(duì)較低的水平，從而形成了回線狀的電弧動(dòng)特性曲線。這種現(xiàn)象可以作如下解釋：圖1-21脈沖電弧動(dòng)特性a)di/dt=3600kA/s;b)di/dt=2500kA/s

電弧動(dòng)特性曲線的形狀隨電流脈沖峰值和變化速率的不同而不同。在相同弧長(zhǎng)下，電流脈沖峰值越大，其回線越長(zhǎng)；脈沖電流的變化速率di/dt越快，由于電弧熱慣性越大，其回線包圍的面積越大，如圖1-21所示。圖1-21脈沖電弧動(dòng)特性電弧動(dòng)特性曲線的形狀

燃燒時(shí)能夠產(chǎn)生熱量，這是焊接電弧的一個(gè)重要的性能。正是這種性能，使焊接電弧成為一種非常重要的熱源被應(yīng)用于熔焊方法中，并構(gòu)成了熔焊方法中的一個(gè)重要分支，即電弧焊方法。1.5焊接電弧的產(chǎn)熱及溫度分布燃燒時(shí)能夠產(chǎn)生熱量，這是焊接電弧的一個(gè)重要的性1.5.1焊接電弧的產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)

焊接電弧是具有很強(qiáng)能量的導(dǎo)電體，其能量來自于焊接電源。單位時(shí)間焊接電源向陰極區(qū)、弧柱區(qū)和陽極區(qū)提供的總能量P可以用下式表示：P=IUk+IUc+IUA

＝

I（Uk+Uc+UA）(1-10)1.5.1焊接電弧的產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)1.陰極區(qū)的產(chǎn)熱

陰極區(qū)電流I是由電子和正離子兩種帶電粒子組成的。在陰極區(qū)，這兩種帶電粒子不斷地產(chǎn)生、消失和運(yùn)動(dòng)，便構(gòu)成了能量的轉(zhuǎn)變和傳遞過程。1.陰極區(qū)的產(chǎn)熱陰極區(qū)單位時(shí)間獲得的能量有:（1）電子從陰極表面發(fā)射后,電子流穿過陰極區(qū)時(shí)被陰極壓降UK加速,在單位時(shí)間里獲得的能量fIUK；（2）向陰極運(yùn)動(dòng)的正離子流在到達(dá)陰極前，被陰極壓降UK加速，在單位時(shí)間里獲得的能量(1-f)IUK；（3）正離子在陰極表面與電子復(fù)合釋放出原來電離時(shí)所吸收的能量（1-f）IUi（注Ui為電離電壓）。陰極區(qū)單位時(shí)間獲得的能量有:陰極區(qū)在單位時(shí)間失去的能量有：（1）陰極表面發(fā)射電子流在單位時(shí)間消耗的逸出功fIUw（注Uw為逸出電壓）；（2）正離子在陰極表面拉出電子與之復(fù)合，單位時(shí)間消耗的逸出功（1-f）IUw；（3）在陰極區(qū)的終端(鄰近弧柱區(qū))，中性粒子電離成電子和正離子時(shí)單位時(shí)間消耗的電離能（1-f）IUi；（4）從陰極區(qū)的終端進(jìn)入了弧柱區(qū)的電子流應(yīng)具有與弧柱區(qū)溫度相對(duì)應(yīng)的熱能，這部分熱能由陰極區(qū)提供，其功率為IUT（注：UT為弧柱區(qū)溫度的等效電壓）。陰極區(qū)單位時(shí)間得到的熱能PK為:

PK=I(UK-UW-UT)(1-11)

陰極區(qū)在單位時(shí)間失去的能量有：陰極區(qū)單位時(shí)間得到的熱能PK為2.陽極區(qū)的產(chǎn)熱陽極接受電子流時(shí)可得到以下三部分能量:（1）電子流穿過陽極區(qū)時(shí)被陽極壓降UA加速，在單位時(shí)間里獲得的能量IUA；（2）電子流被拉進(jìn)陽極時(shí),單位時(shí)間釋放出的逸出功IUw；（3）電子流從弧柱帶來的與弧柱溫度相對(duì)應(yīng)的熱能IUT。

單位時(shí)間陽極區(qū)所得到的熱能PA為：PA=I(UA+UW+UT)(1-12)

2.陽極區(qū)的產(chǎn)熱單位時(shí)間陽極區(qū)所得到的熱能PA為：3.弧柱區(qū)的產(chǎn)熱弧柱區(qū)單位時(shí)間獲得的能量主要有:（1）在弧柱壓降Uc的作用下,電子流被加速,在單位時(shí)間里獲得的能量99.9%IUc,以及正離子流被加速，在單位時(shí)間里獲得的能量0.1%IUc。兩者之和為IUc；（2）從陰極區(qū)進(jìn)入弧柱區(qū)的電子流(占99.9%)單位時(shí)間帶來的熱能99.9%IUT；（3）弧柱區(qū)周邊發(fā)生的正、負(fù)粒子復(fù)合所釋放出的電離能Wi。

3.弧柱區(qū)的產(chǎn)熱

弧柱區(qū)單位時(shí)間失去的能量主要有:（1）離開弧柱區(qū)進(jìn)入陽極區(qū)的電子流(占99.9%)單位時(shí)間帶走的熱能99.9%IUT；（2）弧柱中心部位發(fā)生的中性粒子電離消耗的電離能,其值與周邊正、負(fù)粒子復(fù)合時(shí)釋放的電離能Wi基本相等。

弧柱區(qū)單位時(shí)間里得到的熱能為:Pc=IUc(1-13)

弧柱區(qū)單位時(shí)間失去的能量主要有:弧柱區(qū)單位時(shí)間里得到

弧柱區(qū)的熱能在一般情況下不能直接作用于電極或母材,主要是通過對(duì)流、輻射和傳導(dǎo)散失在周圍氣體中。一般電弧焊時(shí),對(duì)流損失約占總損失的80%以上，輻射損失為10%左右，而傳導(dǎo)的損失是很少的。當(dāng)采用等離子弧焊接、切割或鎢極氬弧焊時(shí)，則可以利用弧柱的熱量來加熱焊絲和焊件。弧柱區(qū)的熱能在一般情況下不能直接作用于電極或1.5.2焊接電弧的溫度分布1.焊接電弧軸向溫度分布

弧柱區(qū)溫度高：電極受材料的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)限制，而弧柱中的氣相不受限制；金屬電極導(dǎo)熱好，熱量散失多。陰極和陽極產(chǎn)生的熱量相近，但陰極發(fā)射電子消耗的較多，溫度比陽極低。陰極溫度約為2200-3500K，而陽極溫度約為2400-4200K溫度電流密度功率密度1.5.2焊接電弧的溫度分布1.焊接電弧軸向溫度分布溫度影響因素：電極的溫度受電極材料的種類、導(dǎo)熱性、電極的幾何尺寸影響較大。一般來說,材料的沸點(diǎn)越低、導(dǎo)熱性越好、電極的尺寸越大,電極的溫度越低,反之，則越高?；≈鶇^(qū)的溫度受電流大小、電極材料、氣體介質(zhì)、弧柱的壓縮程度等因素的影響較大。1）焊接電流增大,弧柱區(qū)的溫度增加，在常壓下，當(dāng)電流由1A至1000A變化時(shí),弧柱區(qū)的溫度可在5000K至30000K之間變化；2）金屬蒸汽的電離電壓一般比較低，當(dāng)電極材料不同時(shí)，其蒸汽的電離電壓不同，因而對(duì)弧柱區(qū)溫度的影響不同，其電離電壓越低，弧柱的溫度也越低；3)當(dāng)電弧周圍有高速氣流流動(dòng)時(shí)(如等離子弧)，由于氣流的冷卻作用，使弧柱區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度提高,溫度上升；4)當(dāng)氣體介質(zhì)中含有較多易電離的物質(zhì)(如堿金屬、堿土金屬的蒸氣等)時(shí),雖然能提高電弧的穩(wěn)定性,但弧柱區(qū)的溫度有所降低,反之，如果介質(zhì)中含有電離能較高的物質(zhì),特別是存在負(fù)電性元素氟時(shí),能顯著地提高弧柱區(qū)的溫度。例如,用含氟的焊劑進(jìn)行埋弧焊時(shí),弧柱區(qū)的溫度可高達(dá)7850K。含氟越多，溫度越高。其原因是:氟易與電子在電弧周邊容易結(jié)合形成負(fù)離子F-,使得電弧周邊難以導(dǎo)電，電弧電流主要從電弧中心流過，這相當(dāng)于對(duì)電弧產(chǎn)生了壓縮作用，因而使弧柱的溫度提高影響因素：2.焊接電弧徑向溫度分布

在焊接電弧的橫斷面內(nèi),溫度沿徑向的分布是不均勻的,中心軸溫度最高,離開中心軸的溫度逐漸降低,如圖1-22所示。這主要是由于外圍散熱快造成的。焊接電流越大,電弧中心的溫度越高,如圖1-23所示。圖1-23電弧徑向溫度分布2.焊接電弧徑向溫度分布圖1-23電弧徑向溫度分布1.6焊接電弧力及其影響因素

焊接電弧燃燒時(shí),不僅能產(chǎn)生熱，而且能產(chǎn)生機(jī)械作用力,包括電磁收縮力、等離子流力、斑點(diǎn)壓力等,這些力統(tǒng)稱為焊接電弧力。焊接電弧力對(duì)熔滴過渡、熔深尺寸、焊縫成形、飛濺大小,以及焊縫的外觀缺陷(如咬肉、焊瘤、燒穿等)均產(chǎn)生很大的影響。1.6焊接電弧力及其影響因素1.6.1焊接電弧力

焊接時(shí),焊接電弧能產(chǎn)生以下機(jī)械作用力:1.電磁收縮力

柱形導(dǎo)體中的電磁收縮力流態(tài)導(dǎo)體中電磁收縮力的影響1.6.1焊接電弧力柱形導(dǎo)體中的電磁收縮力流態(tài)導(dǎo)體中電磁收1）圓柱形電弧電弧壓力中心軸上的徑向壓力式中：I-電流，R-電弧半徑，K-系數(shù)流體中壓力各個(gè)方向相同，因此作用于焊條及工作上的軸向力為：1）圓柱形電弧電弧壓力中心軸上的徑向壓力式中：I-電流，R

2）錐形電弧

焊接電弧是斷面直徑變化的圓錐狀的氣體導(dǎo)體,其模型如圖1-26所示，這是因?yàn)殡姌O直徑限制了導(dǎo)電區(qū)的擴(kuò)展,而焊件上電弧可以擴(kuò)展得比較寬的緣故。由式(1-14)可知,直徑不同將引起壓力差,從而產(chǎn)生由電弧指向焊件的推力F推,其方程為:

式中，Rb是錐形弧柱下底面半徑；Ra是錐形弧柱上底面半徑。圖1-26焊接電弧模型2）錐形電弧焊接電弧是斷面直徑變化的圓錐狀的氣體導(dǎo)體,其2.等離子流力(電弧動(dòng)壓力)

由于焊接電弧呈圓錐狀,使得靠近電極處的電磁收縮力大,靠近焊件處的電磁收縮力小,因而形成沿弧柱軸線的推力F推

。在F推的作用下,較小截面處(如圖1-27中A點(diǎn)處)的高溫粒子向焊件方向(如圖1-27中B點(diǎn)處)流動(dòng),同時(shí)在電極上方不斷補(bǔ)充新的氣體進(jìn)入電弧區(qū),并被加熱和強(qiáng)烈電離,從而形成連續(xù)不斷的等離子氣流，并沖向焊件表面,產(chǎn)生壓力作用。這種由電弧推力引起的等離子氣流高速運(yùn)動(dòng)所形成的力稱為等離子流力,也稱為電弧動(dòng)壓力。圖1-27電弧等離子氣流的產(chǎn)生2.等離子流力(電弧動(dòng)壓力)圖1-27電弧等離子氣流3.斑點(diǎn)壓力

當(dāng)電極上形成斑點(diǎn)時(shí),由于斑點(diǎn)上導(dǎo)電和導(dǎo)熱的特點(diǎn)，在斑點(diǎn)上將產(chǎn)生斑點(diǎn)壓力。斑點(diǎn)壓力包括以下幾種力:（1）正離子和電子對(duì)電極的撞擊力

(2）電磁收縮力（3）電極材料蒸發(fā)產(chǎn)生的反作用力3.斑點(diǎn)壓力（1）正離子和電子對(duì)電極的撞擊力(2）電（1）正離子和電子對(duì)電極的撞擊力

電弧焊時(shí),陰極受到正離子的撞擊,陽極受到電子的撞擊,因正離子的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子的質(zhì)量,而陰極壓降UK又大于陽極壓降UA,因此撞擊力在陰極上較大,而在陽極上較小。（1）正離子和電子對(duì)電極的撞擊力（2）電磁收縮力

當(dāng)電極上形成熔滴并出現(xiàn)斑點(diǎn)時(shí),焊絲、熔滴及電弧中電流線的分布如圖1-29所示。電弧空間和熔滴中的電流線都在斑點(diǎn)處集中,由于電磁力合成的方向都是由小斷面指向大斷面,故在斑點(diǎn)處產(chǎn)生向上的電磁力,阻礙熔滴過渡。一般情況下,陰極斑點(diǎn)尺寸小于陽極斑點(diǎn)尺寸,故陰極斑點(diǎn)受到的力要大于陽極斑點(diǎn)受到的力。FF斑Fmg斑點(diǎn)力（2）電磁收縮力FF斑Fmg斑點(diǎn)力圖1-29斑點(diǎn)的電磁收縮力圖1-29斑點(diǎn)的電磁收縮力（3）電極材料蒸發(fā)產(chǎn)生的反作用力

斑點(diǎn)上的電流密度很高,使這個(gè)部位的溫度很高,因而產(chǎn)生強(qiáng)烈的蒸發(fā),使金屬蒸氣以一定的速度從斑點(diǎn)處發(fā)射出來,同時(shí)給斑點(diǎn)施加一個(gè)反作用力。通常陰極斑點(diǎn)的電流密度比陽極斑點(diǎn)大,因此，導(dǎo)致陰極斑點(diǎn)受到的反作用力大于陽極斑點(diǎn)。（3）電極材料蒸發(fā)產(chǎn)生的反作用力1.6.2焊接電弧力的影響因素

影響焊接電弧力大小的主要因素有:1焊接電流和電弧電壓

當(dāng)增大焊接電流時(shí),電弧力顯著增加(見圖1-30)，這主要與電磁收縮力和等離子流力顯著增加有關(guān)。當(dāng)電弧電壓升高時(shí),意味著電弧長(zhǎng)度增加,由于電弧范圍的擴(kuò)展,使電弧力降低,如圖1-31所示。1.6.2焊接電弧力的影響因素影響焊接電弧力大小的主要因圖1-30MIG電弧的電弧力與電流的關(guān)系圖1-31電弧力與弧長(zhǎng)的關(guān)系圖1-30MIG電弧的電弧力與電流的關(guān)系圖1-31電弧2.焊絲直徑

當(dāng)焊接電流相同時(shí),焊絲直徑越小,電流密度越大,因此電弧電磁力越大。同時(shí),造成電弧錐形越明顯,等離子流力越大,使總的電弧力增大,如圖1-32所示。圖1-32電弧力F與焊絲直徑的關(guān)系2.焊絲直徑圖1-32電弧力F與焊絲直徑的關(guān)系3.電極的極性

電極的極性對(duì)不同焊接方法的電弧力的影響不同。對(duì)于熔化極氣體保護(hù)焊,當(dāng)采用直流正接時(shí),焊絲接負(fù),電弧中正離子對(duì)熔滴的沖擊比較大,有較大的斑點(diǎn)壓力作用在熔滴上,不利于熔滴過渡,且熔滴容易長(zhǎng)大,但不能形成很強(qiáng)的電磁力和等離子流力,因此電弧力較小,如圖1-33所示。圖1-33MIG焊電弧力與焊絲極性的關(guān)系3.電極的極性圖1-33MIG焊電弧力與焊絲

對(duì)于鎢極氬弧焊,由于通常情況下陰極區(qū)收縮的程度比陽極區(qū)大,因此當(dāng)采取正接時(shí)將形成錐度較大的錐形電弧,產(chǎn)生的軸向推力大,電弧壓力也大,如圖1-34所示。圖1-34鎢極氬弧焊電弧力與電極極性的關(guān)系對(duì)于鎢極氬弧焊,由于通常情況下陰極區(qū)收縮的程度比陽極4.氣體介質(zhì)

不同種類的氣體介質(zhì)熱物理性能不同,故對(duì)電弧力的影響也不同。導(dǎo)熱性強(qiáng)的氣體，或分子是由多原子組成的氣體消耗的熱能多,能引起電弧的收縮,因而導(dǎo)致電弧力的增加,如圖1-35所示。當(dāng)電弧空間氣體壓力增加或氣體流量增加時(shí)，也會(huì)引起電弧收縮,導(dǎo)致電弧力增加。圖1-35電弧力與氣體介質(zhì)的關(guān)系4.氣體介質(zhì)圖1-35電弧力與氣體介質(zhì)的關(guān)系5.鎢極端部的幾何形狀鎢極端部的幾何形狀與電弧作用在熔池上的力有密切關(guān)系。當(dāng)鎢極端部的角度變化時(shí),電弧力也發(fā)生變化,如圖1-36所示,當(dāng)角度為45度時(shí)具有最大的電弧壓力。圖1-36電弧力與電極端部角度的關(guān)系5.鎢極端部的幾何形狀圖1-36電弧力與電極端部角度的關(guān)6.電流的脈動(dòng)

當(dāng)電流以某一規(guī)律變化時(shí),電弧壓力也相應(yīng)的發(fā)生變化。低頻脈沖焊時(shí),電弧壓力隨電流的變化而變化,如圖1-37所示。對(duì)于工頻交流鎢極氬弧焊,其電弧壓力低于直流正接時(shí)的壓力,而高于直流反接時(shí)的壓力。

圖1-37脈沖電流下電弧力的變化6.電流的脈動(dòng)圖1-37脈沖電流下電弧力的變化

當(dāng)脈沖頻率增加時(shí),電弧壓力的變化逐漸滯后于電流的變化。當(dāng)頻率高于幾千赫茲時(shí),由于高頻效應(yīng)增強(qiáng),在平均電流值相同的情況下，隨著電流脈沖頻率的增加，電弧壓力增大,如圖1-38所示。圖1-38電弧力隨電流頻率的變化當(dāng)脈沖頻率增加時(shí),電弧壓力的變化逐漸滯后于電流的1.7焊接電弧的穩(wěn)定性及其影響因素1.7.1焊接電弧的穩(wěn)定性

焊接電弧的穩(wěn)定性是指焊接時(shí)電弧保持穩(wěn)定燃燒的程度。當(dāng)焊接電弧的穩(wěn)定性好時(shí),電弧可在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)連續(xù)穩(wěn)定地燃燒,不產(chǎn)生斷弧,不產(chǎn)生漂移和磁偏吹等現(xiàn)象,而保持電弧電壓和焊接電流基本不變。而當(dāng)焊接電弧的穩(wěn)定性差時(shí),電弧電壓和焊接電流波動(dòng)很大,常常使焊接過程無法進(jìn)行,不僅能惡化焊縫成形,而且能大大降低焊縫的內(nèi)在質(zhì)量。1.7焊接電弧的穩(wěn)定性及其影響因素1.7.1焊接電弧的穩(wěn)定1.7.2焊接電弧穩(wěn)定性的影響因素

影響焊接電弧穩(wěn)定性的因素很多,除了操作人員技術(shù)熟練程度以外，還有以下因素:1.焊接電源

焊接電源的空載電壓越高，越有利于場(chǎng)致發(fā)射和場(chǎng)致電離,因此電弧的穩(wěn)定性越高。此外，焊接電源的外特性還必須與焊接電弧的靜特性相匹配,而且還應(yīng)具有合適的動(dòng)特性,只有這樣，才能使焊接電弧穩(wěn)定地燃燒。1.7.2焊接電弧穩(wěn)定性的影響因素2.焊接電流和電弧電壓焊接電流大時(shí)的電弧溫度比焊接電流小時(shí)高,因而電弧中的熱電離比焊接電流小時(shí)強(qiáng)烈,能夠產(chǎn)生更多的帶電粒子,因此電弧更為穩(wěn)定。電弧電壓增大意味著電弧的長(zhǎng)度增大,當(dāng)電弧過長(zhǎng)時(shí),電弧會(huì)發(fā)生劇烈擺動(dòng),使電弧的穩(wěn)定性下降。2.焊接電流和電弧電壓3.電流的種類和極性焊接電流可分為直流、交流和脈沖直流三種類型。其中，以直流電弧為最穩(wěn)定,脈沖直流次之,交流電弧穩(wěn)定性最差。3.電流的種類和極性

直流電弧的極性對(duì)于熔化極電弧焊來說,由于受熔滴過渡穩(wěn)定性的影響,通常是直流反接好于直流正接。對(duì)于鎢極氬弧焊來說,由于鎢屬于熱陰極材料，可以流過較大的電流,而電流越大，越有利于電子熱發(fā)射和熱電離,因此直流正接時(shí)的電弧穩(wěn)定性好于直流反接時(shí)的穩(wěn)定性。直流電弧的極性對(duì)于熔化極電弧焊來說,由于受熔滴4.焊條藥皮和焊劑

當(dāng)焊條藥皮或焊劑中含有較多電離能低的元素(如K、Na、Ca等)或它們的化合物時(shí),由于容易電離,使電弧氣氛中的帶電粒子增多.因此可以提高電弧的穩(wěn)定性,如酸性焊條藥皮常加入的長(zhǎng)石(SiO2,Al2O3,k2O+Na2O)、云母(SiO2,Al2O3,k2O,H2O)和燒結(jié)焊劑中常加入的大理石(CaCO3)就具有這樣的作用。

但是當(dāng)藥皮或焊劑中含有較多電離能比較高的氟化物(如CaF2)、氯化物(如KCl、NaCl)時(shí),由于能降低電弧氣氛的電離程度,因而降低電弧的穩(wěn)定性。4.焊條藥皮和焊劑但是當(dāng)藥皮或焊劑中含有較多電離能比5.磁偏吹所謂磁偏吹，是指焊接時(shí)由于某種原因使電弧周圍磁場(chǎng)分布的均勻性受到破壞，從而導(dǎo)致焊接電弧偏離焊絲(或焊條)的軸線而向某一方向偏吹的現(xiàn)象。當(dāng)采用直流電焊接時(shí)能產(chǎn)生嚴(yán)重的磁偏吹，而采用交流電焊接時(shí)要弱得多。

當(dāng)電弧周圍的磁場(chǎng)是均勻的、磁力線分布相對(duì)電弧軸線是對(duì)稱的時(shí)候，電弧能軸向?qū)ΨQ，但當(dāng)電弧周圍的磁場(chǎng)分布不均勻,使電弧一側(cè)的電磁力大于另一側(cè)時(shí)，電弧就要偏向一側(cè)。能夠引起磁偏吹的情況有以下幾種:5.磁偏吹當(dāng)電弧周圍的磁場(chǎng)是均勻的、磁力線分布相對(duì)電（1）地線接線位置

偏向電弧一側(cè)如圖1-39所示.地線接線的位置在電弧移動(dòng)方向的左側(cè),焊接時(shí),除焊接電弧能產(chǎn)生磁場(chǎng)外,焊件上接地線一側(cè)的母材由于流過電流，也產(chǎn)生磁場(chǎng),因而加大了電弧左側(cè)的磁場(chǎng),使電弧向右側(cè)偏吹。

圖1-39地線接線位置產(chǎn)生的磁偏吹（1）地線接線位置圖1-39地線接線位（2）電弧一側(cè)放置鐵磁物質(zhì)

如圖1-40所示,鐵磁物質(zhì)放置在電弧移動(dòng)方向的右側(cè),由于鐵磁物質(zhì)磁導(dǎo)率大,使磁力線大部分通過鐵磁物質(zhì)形成回路,而使該側(cè)空間中的磁力線數(shù)量大大減少,因此導(dǎo)致電弧兩側(cè)受力不平衡.使電弧向右側(cè)偏吹。（2）電弧一側(cè)放置鐵磁物質(zhì)圖1-40電弧一側(cè)鐵磁物體引起的磁偏吹圖1-40電弧一側(cè)鐵磁物體引起的磁偏吹（3）平行電弧之間

當(dāng)兩個(gè)平行電弧的電流方向相同時(shí)，相互之間產(chǎn)生吸引；當(dāng)電流方向相反時(shí)，相互之間產(chǎn)生排斥，如圖1-41所示。圖1-41平行電弧間產(chǎn)生的磁偏吹a)同向電流的電弧互相吸引b)反向電流的電弧互相排斥（3）平行電弧之間圖1-41平行電弧間產(chǎn)生的磁偏6.其它因素

焊件上如果有鐵銹、水分以及油污等時(shí),由于分解時(shí)需要吸熱,能減少電弧的熱能,因此會(huì)降低電弧的穩(wěn)定性。在露天,特別是在野外大風(fēng)中焊接時(shí),由于空氣的流速快,也會(huì)對(duì)焊接電弧的穩(wěn)定性產(chǎn)生有害影響。因此,焊接時(shí)應(yīng)將焊接處清理干凈,如果有風(fēng),還應(yīng)采取適當(dāng)?shù)膿躏L(fēng)措施。6.其它因素復(fù)習(xí)思考題

1解釋下列名詞：焊接電弧、熱電離、場(chǎng)致電離、光電離、熱發(fā)射、場(chǎng)致發(fā)射、光發(fā)射、粒子碰撞發(fā)射、熱陰極型電極、冷陰極型電極。2試述電弧中帶電粒子的產(chǎn)生方式。3焊接電弧由哪幾部分組成？試述各區(qū)域的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)。4何謂最小電壓原理？5什么是焊接電弧靜特性？各種弧焊方法的電弧靜特性有什么特點(diǎn)？6什么是焊接電弧動(dòng)特性？它反映了焊接電弧的何種特性？7試述焊接電弧的產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)以及焊接電弧的溫度分布。8焊接電弧能產(chǎn)生哪些電弧力？說明它們的產(chǎn)生原因以及影響焊接電弧力的因素。9試述影響焊接電弧穩(wěn)定性的因素。復(fù)習(xí)思考題1解釋下列名詞：焊接電弧、熱電離、場(chǎng)致電離、光

本章將講述有關(guān)焊接電弧的基礎(chǔ)理論知識(shí)，包括電弧的物理本質(zhì)、導(dǎo)電機(jī)構(gòu)、電特性、產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)和產(chǎn)力機(jī)構(gòu)，以及影響焊接電弧穩(wěn)定性的因素等。第一章焊接電弧本章將講述有關(guān)焊接電弧的基礎(chǔ)理論知識(shí)，包括電1.1焊接電弧的物理基礎(chǔ)

具有一定電壓的兩電極之間或電極與母材之間的氣體介質(zhì)中產(chǎn)生的強(qiáng)烈而持久的放電現(xiàn)象。所謂氣體放電，是指當(dāng)兩電極之間存在電位差時(shí)，電荷從一極穿過氣體介質(zhì)到達(dá)另一極的導(dǎo)電現(xiàn)象（圖1-1）。但是并不是所有的氣體放電現(xiàn)象都是電弧，電弧僅是其中的一種形式。1.1.1電弧的物理本質(zhì)1.1焊接電弧的物理基礎(chǔ)具有一定電壓的兩電極之間或電圖1-2氣體放電的伏安特性曲線

圖1-2氣體放電的伏安特性曲線

圖1-2是一對(duì)電極氣體放電的伏安特性曲線，根據(jù)氣體放電的特性，可以將其分為兩個(gè)區(qū)域，即非自持放電區(qū)和自持放電區(qū)。

當(dāng)導(dǎo)電電流大于一定值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生這種自持放電。在自持放電區(qū)內(nèi)，當(dāng)電流數(shù)值不同時(shí)，導(dǎo)電機(jī)構(gòu)也有差異，可以分為暗放電、輝光放電和電弧放電三種形式。

圖1-2是一對(duì)電極氣體放電的伏安特性曲線，根據(jù)

其中，暗放電和輝光放電的電流較小，電壓較高，發(fā)熱發(fā)光較弱，而電弧放電的電流最大，電壓最低，溫度最高、發(fā)光最強(qiáng)。正是因?yàn)殡娀【哂羞@樣的特點(diǎn)，因此在工業(yè)中廣泛用來作為熱源和光源，在焊接技術(shù)中成為一種不可缺少的能源。綜上所述，從電弧的物理本質(zhì)來看，它是一種在具有一定電壓的兩電極之間的氣體介質(zhì)中所產(chǎn)生的電流最大、電壓最低、溫度最高、發(fā)光最強(qiáng)的自持放電現(xiàn)象。其中，暗放電和輝光放電的電流較小，電壓較高

兩電極之間要產(chǎn)生氣體放電必須具備兩個(gè)條件，一是必須有帶電粒子，二是在兩極之間必須有一定強(qiáng)度的電場(chǎng)。電弧中的帶電粒子指的是電子、正離子和負(fù)離子。引燃電弧和維持電弧燃燒的帶電粒子是電子和正離子。這兩種帶電粒子主要是依靠電弧中氣體介質(zhì)的電離和電極的電子發(fā)射兩個(gè)物理過程產(chǎn)生的。在電弧引燃和燃燒的過程中，除了存在電離和發(fā)射這兩個(gè)過程外，還伴隨有氣體解離、激勵(lì)、生成負(fù)離子、復(fù)合等過程。1.1.2電弧中帶電粒子的產(chǎn)生

兩電極之間要產(chǎn)生氣體放電必須具備兩個(gè)條件，一1.氣體的電離

兩電極之間的氣體受到外加能量（如外加電場(chǎng)、光輻射、加熱等）作用時(shí)，氣體分子熱運(yùn)動(dòng)加劇。當(dāng)能量足夠大時(shí)，由多原子構(gòu)成的氣體分子就會(huì)分解為原子狀態(tài)，這個(gè)過程稱為解離。1.氣體的電離兩電極之間的氣體受到外加能量（如

在外加能量的作用下，使中性氣體分子或原子分離成為正離子和電子的現(xiàn)象稱為電離。電離時(shí)，中性氣體分子或原子吸收了足夠的能量，使得其中的電子脫離原子核的束縛而成為自由電子，同時(shí)使原子成為正離子。使中性氣體粒子失去第一個(gè)電子所需要的最低外加能量稱為第一電離能，生成的正離子稱為一價(jià)正離子，所發(fā)生的電離稱為一次電離。（1）電離與激勵(lì)在外加能量的作用下，使中性氣體分子或原子分離

a)電離能通常以電子伏（eV）為單位，1電子伏就是1個(gè)電子通過1V電位差的空間所獲得的能量，其數(shù)值為1.6×10-19J。為了便于計(jì)算，常把以電子伏為單位的能量轉(zhuǎn)換為數(shù)值上相等的電壓來處理，單位為伏（V），此電壓稱為電離電壓。a)電離能通常以電子伏（eV）為單位，1電子伏b)氣體電離電壓的大小說明電子脫離原子或分子所需要外加能量的大小，也說明某種氣體電離的難易程度。在相同的外加條件下，氣體電離電壓低說明產(chǎn)生帶電粒子比較容易，就此而言，有利于維持電弧穩(wěn)定燃燒。b)氣體電離電壓的大小說明電子脫離原子或分子所需要外加能量的

c)不僅原子狀態(tài)的氣體可以被電離，而且分子狀態(tài)的氣體也可以直接被電離。但由于一般情況下電子脫離氣體分子需要克服原子對(duì)電子和分子對(duì)電子的兩層約束，因此分子狀態(tài)時(shí)的氣體電離電壓比原子狀態(tài)時(shí)的電離電壓值要高一些。例如氫原子為13.5V，而氫分子為15.4V。但是有些氣體分子的電離電壓反而比原子的電離電壓低，如NO分子的電離電壓為9.5V，而N原子和O氧子的電離電壓分別為14.5V和13.5V。c)不僅原子狀態(tài)的氣體可以被電離，而且分子狀態(tài)的氣

d)當(dāng)電弧空間同時(shí)存在電離電壓不同的幾種氣體時(shí)，在外加能量的作用下，電離電壓較低的氣體粒子將首先被電離。如果這種低電離電壓的氣體供應(yīng)充分，電弧空間的帶電粒子將主要依靠這種氣體的電離來提供，所需外加的能量也主要是取決于這種氣體的電離電壓。

例如，F(xiàn)e的電離電壓為7.9V，比CO2（13.7V）或Ar（15.7V）低很多，當(dāng)用氣體保護(hù)焊焊接鋼材時(shí)，如果焊接電流足夠大，電弧空間將充滿由鐵蒸汽電離而生成的帶電粒子，外加能量相對(duì)較低。d)當(dāng)電弧空間同時(shí)存在電離電壓不同的幾種氣體時(shí)

e)激勵(lì)是當(dāng)中性氣體分子或原子受到外加能量的作用不足以使電子完全脫離氣體分子或原子，而使電子從較低的能級(jí)轉(zhuǎn)移到較高的能級(jí)的現(xiàn)象。通過加熱、電場(chǎng)作用或光輻射均可產(chǎn)生激勵(lì)現(xiàn)象。由于產(chǎn)生激勵(lì)時(shí)電子尚未脫離分子或原子，因此氣體分子或原子對(duì)外仍呈中性，但是激勵(lì)狀態(tài)是一種非穩(wěn)定狀態(tài)，它存在的時(shí)間很短暫。

使中性氣體分子或原子激勵(lì)所需要的最低外加能量稱為最低激勵(lì)能，若以伏為單位來表示，則稱為激勵(lì)電壓。

e)激勵(lì)是當(dāng)中性氣體分子或原子受到外加能量的作

（2）電離的種類根據(jù)外加能量種類的不同，電離可以分為以下三類：

1）熱電離氣體粒子受熱的作用而產(chǎn)生的電離稱為熱電離。其實(shí)質(zhì)是氣體粒子由于受熱而產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)和相互之間激烈碰撞而產(chǎn)生的一種電離。氣體粒子的平均速度與溫度的關(guān)系：（2）電離的種類根據(jù)外加能量種類的不同，電離可以分a)

這些高速運(yùn)動(dòng)的氣體粒子相互之間頻繁而激烈地碰撞，碰撞的結(jié)果有兩種情況：彈性碰撞：碰撞時(shí)粒子之間只發(fā)生動(dòng)能的傳遞和再分配，碰撞前后兩個(gè)粒子的動(dòng)能之和基本不變，粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不發(fā)生任何變化，只能引起粒子運(yùn)動(dòng)速度和溫度變化。這種情況通常是在氣體粒子擁有的動(dòng)能較低時(shí)發(fā)生的。非彈性碰撞：是破壞性的，通常在氣體粒子擁有較大動(dòng)能時(shí)發(fā)生。碰撞時(shí)，部分或全部動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，被碰撞的氣體粒子內(nèi)部結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化。如果此內(nèi)能大于激勵(lì)電壓，則粒子被激勵(lì)，如果此內(nèi)能大于電離電壓，則粒子被電離a)這些高速運(yùn)動(dòng)的氣體粒子相互之間頻繁而激烈地隨著（T升高，P減小，Ui減小）；X增大相互碰撞的兩物體的能量傳遞情況與它們的質(zhì)量有密切關(guān)系。電子的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氣體原子、分子或離子，因此當(dāng)具有足夠動(dòng)能的電子與中性粒子進(jìn)行非彈性碰撞時(shí)，它的動(dòng)能幾乎可以全部傳給中性粒子，轉(zhuǎn)換為中性粒子的內(nèi)能，使其激勵(lì)或電離。b)

電離度X隨著（T升高，P減小，Ui減小）；X增大相互碰撞的兩物體的能2）場(chǎng)致電離

當(dāng)氣體中有電場(chǎng)作用時(shí)，氣體中的帶電粒子被加速，電能被轉(zhuǎn)換為帶電粒子的動(dòng)能，當(dāng)其動(dòng)能增加到一定程度時(shí)，能與中性粒子產(chǎn)生非彈性碰撞，使之電離，這種電離稱為場(chǎng)致電離。2）場(chǎng)致電離a)連鎖反應(yīng)電離b)對(duì)于一般電弧來說，由于各個(gè)部位的溫度、電場(chǎng)強(qiáng)度不同，因而所產(chǎn)生的電離形式不盡相同?；≈糠郑簻囟雀哌_(dá)5000～30000K，而電場(chǎng)強(qiáng)度只有10V/cm左右，因此熱電離是其產(chǎn)生帶電粒子的主要途徑，場(chǎng)致電離是次要的；陽極壓降區(qū)和陰極壓降區(qū)（即陽極和陰極前面的極小區(qū)間）溫度低于弧柱部分，而電場(chǎng)強(qiáng)度高達(dá)105～107V/cm，因此場(chǎng)致電離很顯著。a)連鎖反應(yīng)電離3）光電離

中性粒子接受光輻射的作用而產(chǎn)生的電離現(xiàn)象稱為光電離。氣體都存在一個(gè)能產(chǎn)生光電離的臨界波長(zhǎng)，氣體的電離電壓不同，其臨界波長(zhǎng)也不同，只有當(dāng)接受的光輻射波長(zhǎng)小于臨界波長(zhǎng)時(shí)，中性氣體粒子才可能被直接電離。電弧的光輻射波長(zhǎng)170-500nm，對(duì)K,Na,Ca,Al能直接引起光電離。光電離是產(chǎn)生帶電粒子的次要途徑。3）光電離2.電子的發(fā)射

電極表面接受一定外加能量作用，使其內(nèi)部的電子沖破電極表面的束縛而飛到電弧空間的現(xiàn)象稱為電子發(fā)射。電子發(fā)射在陰極和陽極皆可能發(fā)生，但是從陽極發(fā)射出來的電子因受到電場(chǎng)的排斥，不能參加導(dǎo)電過程，只有從陰極發(fā)射出的電子，在電場(chǎng)的作用下才能參加導(dǎo)電過程。2.電子的發(fā)射電極表面接受一定外加能量作用，使使一個(gè)電子從電極表面飛出所需要的最低外加能量稱為逸出功（Ww），單位為電子伏。因電子電量e是一個(gè)常數(shù)，通常以逸出電壓Uw=Ww/e來反映逸出功的大小，單位為伏。幾種金屬及其氧化物的逸出電壓如表1-4所示。由表中可以看出，當(dāng)金屬表面附有其氧化物時(shí)，逸出電壓均會(huì)減小。使一個(gè)電子從電極表面飛出所需要的最低外加能量稱為逸出功（Ww表1-4幾種金屬及其氧化物的逸出功金屬種類WFeAlCuKCaMg逸出功（eV）純金屬4.544.484.254.362.022.123.78