電弧的產(chǎn)生和特性-1教學(xué)課件

電弧的產(chǎn)生和特性-1.電弧的產(chǎn)生和特性-1.電弧的產(chǎn)生和特性-1教學(xué)課件輝光放電（高壓、低電流）在置有板狀電極的玻璃管內(nèi)充入低壓（約幾毫米汞柱）氣體，當(dāng)兩極間電壓較高（約1000伏）時(shí)，稀薄氣體中的殘余正離子在電場中加速，有足夠的動(dòng)能轟擊陰極，產(chǎn)生二次電子，經(jīng)簇射過程產(chǎn)生更多的帶電粒子，使氣體導(dǎo)電。輝光放電的特征是電流強(qiáng)度較小（約幾毫安），溫度不高，故電管內(nèi)有特殊的亮區(qū)和暗區(qū)，呈現(xiàn)瑰麗的發(fā)光現(xiàn)象。輝光放電可以進(jìn)行物質(zhì)的質(zhì)譜分析，ElementGD輝光放電質(zhì)譜儀(GDMS)，適用于金屬中ppb級(jí)及其以上含量的雜質(zhì)分析，可以檢測5N、6N高純鋁、銅、鋅、鎳、鈷、多晶硅中的痕量和超痕量雜質(zhì)元素。常見的霓虹燈是冷陰極輝光放電的應(yīng)用。輝光放電（高壓、低電流）電弧的產(chǎn)生和特性-1教學(xué)課件電弧放電（低壓，持續(xù)大電流）電弧放電是氣體放電中最強(qiáng)烈的一種自持放電。當(dāng)電源提供較大功率的電能時(shí)，若極間電壓不高（約幾十伏），兩極間氣體或金屬蒸氣中可持續(xù)通過較強(qiáng)的電流（幾安至幾百安），并發(fā)出強(qiáng)烈的光輝，產(chǎn)生高溫（幾千至上萬度），這就是電弧放電。電弧是一種常見的熱等離子體（氣體的熱游離）。電弧放電最顯著的外觀特征是明亮的弧光柱和電極斑點(diǎn)。電弧的重要特點(diǎn)是電流增大時(shí)，極間電壓下降，弧柱電位梯度也低，每厘米長電弧電壓降通常不過幾百伏，有時(shí)在1伏以下。弧柱的電流密度很高，每平方厘米可達(dá)幾千安，極斑上的電流密度更高。電弧放電（低壓，持續(xù)大電流）電暈放電（高壓局部放電）

電暈現(xiàn)象就是帶電體表面在氣體或液體介質(zhì)中局部放電的現(xiàn)象（如高壓導(dǎo)線在潮濕的空氣中），常發(fā)生在不均勻電場中電場強(qiáng)度很高的區(qū)域內(nèi)（例如高壓導(dǎo)線的周圍，帶電體的尖端附近）。其特點(diǎn)為：出現(xiàn)與日暈相似的光層，發(fā)出嗤嗤的聲音，產(chǎn)生臭氧、氧化氮等。電場的不均勻性，表現(xiàn)在空氣間隙內(nèi)，各點(diǎn)的電場強(qiáng)度不均勻，在電力線比較集中的電極附近，電場強(qiáng)度最大，而電力線疏的地方，電場強(qiáng)度很小，如棒-棒間隙，是一對(duì)稱的不均勻電場，在電極的尖端處電力線最集中，電場強(qiáng)度也最大。當(dāng)加上高壓后，會(huì)在電極附近產(chǎn)生空氣的局部放電——電暈放電，電壓再加高時(shí)，電暈放電更加強(qiáng)烈，致使間隙內(nèi)發(fā)生刷狀放電，電流增加，而后就擊穿了介質(zhì)（形成電弧放電）。電暈放電（高壓局部放電）電場的不均勻性，表現(xiàn)在空氣間電弧的產(chǎn)生和特性-1教學(xué)課件電弧的產(chǎn)生和特性-1教學(xué)課件火花放電（高壓，電流不持續(xù)）當(dāng)高壓電源的功率不太大時(shí)，高電壓電極間的氣體被擊穿，出現(xiàn)閃光和爆裂聲的氣體放電現(xiàn)象。在通常氣壓下，當(dāng)在曲率不太大的冷電極間加高電壓時(shí)，若電源供給的功率不太大，就會(huì)出現(xiàn)火花放電，火花放電時(shí)，碰撞電離并不發(fā)生在電極間的整個(gè)區(qū)域內(nèi)，只是沿著狹窄曲折的發(fā)光通道進(jìn)行，并伴隨爆裂聲。由于氣體擊穿后突然由絕緣變?yōu)榱紝?dǎo)體，電流猛增，而電源功率不夠，因此電壓下降，放電暫時(shí)熄滅，待電壓恢復(fù)再次放電。所以火花放電具有間隙性。雷電就是自然界中大規(guī)模的火花放電?；鸹ǚ烹姡ǜ邏海娏鞑怀掷m(xù)）電弧的產(chǎn)生和特性-1教學(xué)課件電弧的產(chǎn)生和特性-1教學(xué)課件

氣體放電的基本物理過程氣體放電總的過程由一些基本過程構(gòu)成，這些基本過程是：激發(fā)、電離、消電離、遷移、擴(kuò)散等。基本過程的相互制約決定放電的具體形式和性狀。

激發(fā)：荷能電子碰撞氣體分子時(shí)，有時(shí)能導(dǎo)致原子外殼層電子由原來能級(jí)躍遷到較高能級(jí)。被激發(fā)的原子，稱為受激原子。要激發(fā)一個(gè)原子，使其從能級(jí)為E1的狀態(tài)躍遷到能級(jí)為Em的狀態(tài)，就必須給予(Em-E1)的能量；這個(gè)能量所相應(yīng)的電位差設(shè)為eVe，則有：eVe＝Em－E1。

氣體放電的基本物理過程電弧的特性

電弧是一束高溫電離氣體，在外力作用下，如氣流，外界磁場甚至電弧本身產(chǎn)生的磁場作用下會(huì)迅速移動(dòng)（每秒可達(dá)幾百米），拉長、卷曲形成十分復(fù)雜的形狀。電弧在電極上的孳生點(diǎn)也會(huì)快速移動(dòng)或跳動(dòng)。電弧通?？煞譃殚L弧和短弧兩類。長弧中弧柱起重要作用。短弧長度在幾毫米以下，陰極區(qū)和陽極區(qū)起主要作用。電弧放電可用于焊接、冶煉、照明、噴涂等。這些場合主要是利用電弧的高溫、高能量密度、易控制等特點(diǎn)。在這些應(yīng)用中，都需使電弧穩(wěn)定放電。目前的電子產(chǎn)品，如等離子電視、等離子顯示器其顯示原理也是依賴電弧放電。電弧的特性電弧的結(jié)構(gòu)和特性電弧放電可分為3個(gè)區(qū)域：陰極區(qū)、弧柱和陽極區(qū)。其導(dǎo)電的機(jī)理是：陰極依靠場致電子發(fā)射和熱電子發(fā)射效應(yīng)發(fā)射電子；弧柱依靠其中粒子熱運(yùn)動(dòng)相互碰撞產(chǎn)生自由電子及正離子，呈現(xiàn)導(dǎo)電性，這種電離過程稱為熱電離；陽極起收集電子等作用，對(duì)電弧過程影響常較小，陽極區(qū)在陽極表面可看到的爍亮發(fā)光的區(qū)域，稱為陽極斑點(diǎn)，陽極斑點(diǎn)會(huì)自動(dòng)尋找熔點(diǎn)比較低的純金屬表面而避開氧化物，在金屬表面游走（純金屬導(dǎo)電性能好）。與陽極斑點(diǎn)恰好相反的是，陰極斑點(diǎn)集中在陰極表面的氧化膜上。（氧化膜比純金屬的溫度高）在弧柱中，與熱電離作用相反，電子與正離子會(huì)因復(fù)合而成為中性粒子或擴(kuò)散到弧柱外，這一現(xiàn)象稱為去電離。在穩(wěn)定電弧放電中，電離速度與去電離速度相同，形成電離平衡。電弧的結(jié)構(gòu)和特性焊接電弧中三個(gè)區(qū)域的溫度分布是不相均勻的；陽極斑點(diǎn)溫度高于陰極斑點(diǎn)溫度，但都低于該種電極材料的沸點(diǎn)，弧柱區(qū)的溫度最高，但沿其截面分布不均，其中心部分溫度最高，可達(dá)5000～30000K，離開弧柱中心線，溫度逐漸降低。

焊接電弧中三個(gè)區(qū)域的溫度分布是不相均勻的；陽極斑點(diǎn)溫陰極破碎：當(dāng)陰極斑點(diǎn)處受到弧柱中來的正離子流的強(qiáng)烈撞擊時(shí)，溫度很高，其氧化膜很快被汽化破碎，顯露出純凈的金屬表面，電子發(fā)射條件也由此變差，陰極斑點(diǎn)轉(zhuǎn)移到鄰近有氧化膜存在的地方，如此下去，就會(huì)自動(dòng)地把工件表面上的氧化膜清除掉，這種現(xiàn)象稱為陰極破碎或陰極霧化現(xiàn)象。所謂陰極破碎是指通過離子對(duì)陰極的撞擊特性，使氧化膜產(chǎn)生分解而被清理。清理作用的強(qiáng)弱與陰極區(qū)的能量密度和正離子質(zhì)量有關(guān)，能量密度越高，離子質(zhì)量越大清理效果越好。熔化極氬弧焊采用直流反接，焊鋁工件有"陰極破碎"作用。焊接質(zhì)量優(yōu)良，焊縫成型美觀?？扇恢米詣?dòng)焊接。陰極破碎：電弧的產(chǎn)生和特性-1教學(xué)課件直流氬弧焊的極性選擇直流鎢極氬弧焊時(shí)，沒有極性變化，因此電弧燃燒非常穩(wěn)定。然而它有正、負(fù)極性之分。工件接電源正極，鎢極接電源負(fù)極稱為正接法，反之，則稱為反接法。

直流氬弧焊的極性選擇1)直流正接：電弧燃燒時(shí)，弧柱中的電子流從鎢極跑向工件，正離子流跑向鎢極。由于此時(shí)鎢極為陰極，具有很強(qiáng)的熱電子發(fā)射能力，大量高能量的電子流從陰極表面發(fā)射出來，跑向弧柱。在發(fā)射電子流的同時(shí)，這些具有高能的電子要從陰極帶走一部分能量，即陰極以氣化潛熱形式失掉一部分能量，這些能量的損失將造成陰極表面的冷卻，此時(shí)鎢極燒損極少。同時(shí)由于陰極斑點(diǎn)集中（陰極一般打磨尖銳），電弧比較穩(wěn)定。工件受到質(zhì)量很小的電子流撞擊，并且選擇純金屬表面，故不能除去金屬表面的氧化膜。除鋁、鎂等低熔點(diǎn)合金可以反接（陰極破碎，不需要較大焊接電流），其它金屬表面如不銹鋼，需要較高的加熱溫度，需要較大的焊接電流（較大的電子發(fā)射），故一般金屬焊接均采用直流正接。1)直流正接：采用直流正接有如下優(yōu)點(diǎn)：a．工件為陽極，接受電子轟擊放出的全部動(dòng)能和逸出功，電弧比較集中，陽極加熱面積比較小，因此獲得窄而深的焊縫。b．鎢極的熱電子發(fā)射能力強(qiáng)，所以正接時(shí)電弧非常穩(wěn)定。c．鎢極發(fā)射電子的同時(shí)，具有很強(qiáng)的冷卻作用，所以鎢極不易過熱，采用正接法鎢極允許通過的電流要比反接時(shí)大很多。

采用直流正接有如下優(yōu)點(diǎn)：2)直流反接法：反接時(shí)弧柱內(nèi)的電子流跑向鎢極而離子流跑向工件。當(dāng)離子流撞向工件時(shí)，工件表面的氧化膜會(huì)自動(dòng)地破碎被清除，即出現(xiàn)所謂的陰極清理作用。而鎢極受到電子流的撞擊，把電子流所攜帶的能量以凝固熱形式吸收進(jìn)來，使得鎢極具有很高的溫度而過熱，導(dǎo)致熔化，所以反接時(shí)鎢極允許承受的焊接電流很小。焊接的工件材料如鋼、鋁、銅等一般都屬冷陰極材料，其電子發(fā)射主要為場致發(fā)射，場致發(fā)射時(shí)對(duì)陰極材料沒有冷卻作用，所以工件所處的溫度也較高，但由于氧化膜存在，陰極斑點(diǎn)在氧化膜上來回游動(dòng)，電弧不集中，加熱區(qū)域大，因此電弧不穩(wěn)，且熔深淺而寬，此法生產(chǎn)率低，電弧穩(wěn)定性不好。僅限于鋁、鎂合金的焊接。2)直流反接法：采用直流反接有如下特點(diǎn)：a．工件為陰極，如鐵、鋁等金屬，陰極表面的氧化膜的游走，加熱面積不集中，電弧發(fā)射不穩(wěn)定。b.鎢極接受電子，容易過熱，不允許大電流。c.鐵、鋁等金屬陰極，場致發(fā)射電子，沒有熱電子發(fā)射的陰極冷卻作用。d.鐵、鋁等金屬陰極表面的氧化膜，在正離子的轟擊下，發(fā)生陰極破碎效應(yīng)，焊縫光潔。e.因?yàn)殛帢O電子發(fā)射位置游走，加熱面積不集中，焊接電流較低，所以焊縫較淺，焊縫較寬。采用直流反接有如下特點(diǎn)：交流鎢極氬弧焊：交流電流的極性是在周期性地變換，相當(dāng)于在每個(gè)周期里半波為直流正接，半波為直流反接。正接的半波期間鎢極可以發(fā)射足夠的電子而又不致于過熱，有利于電弧的穩(wěn)定。反接的半波期間工件表面生成的氧化膜很容易被清理掉而獲得表面光亮美觀、成形良好的焊縫。這樣，同時(shí)兼顧了陰極清理作用和鎢極燒損少、電弧穩(wěn)定性好的效果，對(duì)于活潑性強(qiáng)的鋁、鎂、鋁青銅等金屬及其合金一般都選用交流氬弧焊。交流鎢極氬弧焊：交流氬弧焊的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾方面：1)陰極清理作用（好的作用）當(dāng)工件為負(fù)極時(shí)，表面生成的氧化膜逸出功小，易發(fā)射電子，所以陰極斑點(diǎn)總是優(yōu)先在氧化膜處形成。工件為冷陰極材料時(shí)，陰極區(qū)有很高的電壓降，因此陰極斑點(diǎn)能量密度相當(dāng)高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陽極。正離子在陰極電場作用下高速撞擊氧化膜，使得氧化膜破碎，分解而被清理掉，接著陰極斑點(diǎn)又在鄰近氧化膜上發(fā)射電子，繼而又被清理，陰極斑點(diǎn)始終在金屬表面的氧化膜上游動(dòng)，被清理的氧化膜面積也不斷地?cái)U(kuò)大，直到在氬氣所能保護(hù)的范圍內(nèi)。清理作用的強(qiáng)弱與陰極區(qū)的能量密度和正離子質(zhì)量有關(guān)，能量密度越高，離子質(zhì)量越大清理效果越好。正接時(shí)，工件為陽極，不存在清除氧化膜的功能。交流氬弧焊的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾方面：2)直流分量（不好的作用）交流鎢極氬弧焊時(shí)電壓和電流的波形由正半波和負(fù)半波組成。正半波時(shí)，鎢極為負(fù)極，因其熔點(diǎn)和沸點(diǎn)高，且導(dǎo)熱差，直徑小，則鎢極具有很高溫度使得熱電子發(fā)射容易，所以電弧電壓低，焊接電流大，導(dǎo)電時(shí)間長；負(fù)半波時(shí)，工件為負(fù)極，其熔點(diǎn)和沸點(diǎn)低，且尺寸大，散熱快，電子發(fā)射困難，所以電弧電壓高，焊接電流小，導(dǎo)電時(shí)間短。由于正負(fù)半波電流不對(duì)稱，在交流焊接回路中存在一個(gè)由工件流向鎢極的直流分量，這種現(xiàn)象稱為電弧的“整流作用”。電極和工件的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、導(dǎo)熱性相差越大（如鎢和鋁、鎂），上述不對(duì)稱情況就越嚴(yán)重，直流分量就越大。2)直流分量（不好的作用）3)引弧和穩(wěn)弧性能差（不好的作用）由于交流氬弧焊的電壓和電流隨著時(shí)間其幅值和極性在不斷地變化，每秒有100次過零，因此電弧的能量