第1章焊接电弧

(一)气体的电离： 1.电离与激励：
⑴电离：一定条件下中性气体分子或原子分离为正离子和电子的现 象称为电离。
使中性气体粒子失去第一个电子所需的最低外加能量为第一电离能 （eV），常用电离电压表示气体电离的难易（表1-1）
第1章焊接电弧
使其失去第二个电子需要更大的电离电压。电离电压低 的气体易产生带电粒子。与气体其它性能（解离性能、 热物理性能）综合影响电弧稳定性。几种气体同时存在 时，带电粒子主要由低电离电压气体提供。如He+Ar， Ar的电离电压低，易使电弧稳定。
粒子的方式：碰撞传递和光辐射传递。
⑴气体粒子相互碰撞传递能量：碰撞传递。 碰撞有弹性碰撞和非弹性碰撞。气体粒子动能较低时发生的是非 破坏性的弹性碰撞。其结果只使粒子的运动速度发生变化并引起 气体温度变化。不产生激励或电离；当气体粒子动能较高时，发 生破坏性的非弹性碰撞。部分全部动能转换为内能，使被碰撞粒 子内部结构发生变化。此内能大于激励电压时发生激励，大于电 离电压时则产生电离。因此，只有非弹性碰撞产生电离过程，形 成带电粒子。 电子质量远小于其它粒子，碰撞时其动能几乎全部传给中性粒子， 使之激励或电离，因而电子与气体粒子碰撞作用最为有效。 提高温度可增加所有粒子（中性粒子、电子、离子）的动能。增 大电场强度可提高带电粒子（电子、离子）的动能。碰撞传递使 气体粒子电离，是电弧本身产生带电粒子维持其导电的最主要方 式。
第一章 焊接电弧
电弧是所有电弧焊方法的热源。其主要作用是把电能转变为热 能，同时产生光辐射和响声（电弧声）。电弧的高热可以用于 焊接、切割和炼钢等。电弧的弧光可用于照明。电弧声可用于 焊接过程的监控等。
1.1焊接电弧的物理基础 一.电弧的物理本质: 焊接电弧是在一定条件下，两电极间产生 的强烈而持久的气体放电现象。
⑵激励：使中性粒子中的电子以较低能级转移到较高能 级但未完全脱离原子或分子，称为激励。使中性粒子激 励所需最低外加能量--最低激励电压。(见表1-2) 激励状态是一种不稳定状态，继续接受能量可电离，或 以辐射或与其它粒子碰撞将能量传递出去而恢复稳定状 态。
第1章焊接电弧
2.能量传递方式： 电离与激励需外界能量。能量传递给气体
T↑m↓→v↑→电离↑
T一定，气体粒子速度分布遵循麦克斯韦速度分布律。
只有动能大于电离电压能量的那部分粒子才引起中性粒子的电离。用电
离率χ表示电离程度：
电 电 离 离 后 前 的 的 电 中 子 性 或 粒 离 子 子 密 密 度 度
即单位体积内被电离的粒子数与气体电离前粒子总数的比值。 热平衡状态下电离度与气体温度、压力、电离电压、的关系符合萨哈 （Saha）公式（单一气体热电离度表达式）： 1 x2 x2p3.16107T2.5exp(ev T i)
图1-1 电弧示意图
第1章焊接电弧
正常状态下气体（原子或分子组成）不导电。要使其 导电，必须产生带电粒子。 气体放电形式较多，见图1-2。分为两类（非自持放电， 自持放电）。
图1-2 气体放电伏安特性曲线
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非自持放电：在较小电流区间，放电的起始必须靠外 加能量条件（X射线、加热、光照等）来激发产生带 电粒子而造成气体放电。若外加能量条件取消后，放 电过程就停止。 自持放电：当导电电流增大到一定值和气体发展到一 定程度时，气体放电本身就可以产生维持导电所需要 的带电粒子。这时即使取消了外加能量条件，放电过 程仍可继续维持下去。电弧放电是自持放电的一种基 本形式。
第1章焊接电弧
⑵电场作用下的电离（场致电离）：带电粒子从电场 中获得能量，通过碰撞而产生电离过程称为电场作用 下的电离。
带电粒子一边与气体粒子碰撞，一边沿电场方向作加速运动。 两次碰撞之间的路长度为粒子的自由行程。其平均值称为平 均自由行程。 在相同条件下电子的平均自由程比离子大4倍而电子质量比离 子小得多。在电场作用下电子获得4倍于离子的动能与中性粒 子发生非弹性碰撞产生电离，故电场作用下的电离主要是电 子与中性粒子的非弹性碰撞引起的。这种电离是有链锁反应 性质，但并不是无限的。电弧中除电离外，还存在着带电粒 子复合成中性粒子的消电离过程。 弧柱中场强较弱（10 V/cm左右），电子获得动能较小。此时 热电离是主要形式，场致电离是次要的，阳、阴极区场强较 高（105-107V/cm）才产生显著场致电离。
第1章焊接电弧
⑵光辐射传递： 一般焊接电弧中，以光辐射传递方式产生带 电粒子与碰撞传递相比，是次要的。 中性气体粒子接受外界光量子形式能量，内 能提高结构改变，产生激励或电离。
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3.电离种类： 电弧中气体粒子的电离因外加能量和种类的不同可分 为三类：热电离、电场作用下的电离和光电离。 ⑴热电离：高温下，气体粒子受热的作用相互碰撞而 产生的电离。
κ-玻耳兹曼常数 κ=1.38×10-23J/K 显然 T↑ p↓Ui↓→χ↑ 其中温度的影响最为显著。
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图1-3 热电离的电离度X与温度T的关系
a）金属蒸气电离
b）气体电离
第1章焊接电弧
混合气体的电离度称为实效电离度：电子密度与电离前 中性粒子密度的比值。其电离电压称为实效电离电压， 主要决定于电离电压较低的气体成分，低电离电压气体 的电离过程是提供电弧所需带电粒子的关键。因此为提 高电弧稳定性，在电弧气氛中只需加少量的低电离电压 物质则可取得显著效果。 一般焊接电弧中的电离度只有0.1×10-3-0.12×10-2数量 级。 弧柱的温度一般在5000-30000K，电弧中的多原子气体在 热作用下分解为原子的现象称为热解离，产生热解离所 需的最低能量称为解离能（eV）气体的解离能均低于电 离能。解离过程伴随吸热作用。影响带电粒子的产生及 电弧的电及热性能。例如：CO2, N2保护，弧压，弧温高 于Ar保护。因CO2, N2要发生解离，吸热使电弧安--几千安） ②电压低（20--50V） ③温度高（5000--30000K） ④发光强（红外线、紫外线、强可见光）。
第1章焊接电弧
二、电弧中带电粒子的产生
电弧中的带电粒子主要依靠两电极之间 的气体电离和电极发射电子两个物理过 程所产生，同时伴随解离、激励、扩散、 复合、负离子的产生过程。