第一章焊接电弧

3）光电离 中性粒子接受光辐射的作用而产生的电离现
象称为光电离。
光电离是产生带电粒子的次要途径
2.电子的发射
电子发射：电极表面接受一定外加能量作用，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。
逸出功：使一个电子从电极表面飞出所需要的最低外
加能量（Ww），
几种金属及其氧化物的逸出电压如表1-4所示。
熔焊方法及设备
主讲教师：林文光
第一章 焊接电弧
本章将讲述有关焊接电弧的基础理论知识， 包括电弧的物理本质、导电机构、电特性、产 热机构和产力机构，以及影响焊接电弧稳定性 的因素等。
1.1焊接电弧的物理基础
1.1.1电弧的物理本质
电弧是一种气体放电现象。是两电极之间或电极与 母材之间的气体介质中产生的强烈而持久的放电现象。
在自持放电区间,有三种放电形式:暗放电,辉
光放电,电弧放电.
从电弧的物理本质来看，它是一种在具有一 定电压的两电极之间的气体介质中所产生的电 流最大、电压最低、温度最高、发光最强的自 持放电现象。
1.1.2 电弧中带电粒子的产生
两电极之间要产生气体放电必须具备两个条件， 一是必须有带电粒子，二是在两极之间必须有 一定强度的电场。
根据外加能量的不同形式，电子发射有以下几种：
（1）热发射 金属表面承受热作用而产生电子发射的现象称为热发 射。
（2）场致发射 当阴极表面空间有强电场存在时，金属电极内的电子 在电场静电库仑力的作用下，从电极表面飞出的现象 称为场致发射。
光辐射传递:中性气体粒子直接接受外界以光量子的形 式所施加的能量.
（2）电离的种类 根据外加能量种类的不同， 电离可以分为以下三类
1）热电离 气体粒子受热的作用而产生的电 离称为热电离。
其实质是气体粒子由于受热而产生高速运动 和相互之间激烈碰撞而产生的一种电离。
电离度
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.
表1-1 常见气体的电离电压
元素 H He Li C
N O F Na
电离电压/V
13.5 24.5（54.2） 5.4（75.3，122）
11.3（24.4，48，65.4）
14.5（29.5，47，73， 97）
13.5（35，55，77） 17.4（35，63，87，
114） 5.1（47，50，72）
表1-4 几种金属及其氧化物的逸出功
金属种类 W Fe Al Cu K Ca Mg
逸出 纯金 4.54 4.48 4.25 4.36 2.02 2.12 3.78
功
属
（eV）
金属 氧化
物
3.92 3.9 3.85 0.46 1.8 3.31
由表中可以看出，当金属表面附有其氧化物 时，电子逸出功均会减小
激励:当中性气体分子或原子受到外加能量的作 用不足以使电子完全脱离气体分子或原子，而 使电子从较低的能级转移到较高的能级的现象。
通过加热、电场作用或光辐射均可产生激励 现象。由于产生激励时电子尚未脱离分子或原 子，因此气体分子或原子对外仍呈中性，但是 激励状态是一种非稳定状态，它存在的时间很 短暂。
带电粒子的产生：主要是依靠电弧中气体介质 的电离和电极的电子发射两个物理过程产生的。
1.气体的电离
电离：在外加能量的作用下，使中性气体分子或原子分离成为正离 子和电子的现象
电离能：中性的气体粒子失去电子所需的最低外加能量 电离能通常以电子伏（eV）为单位，1电子伏就是1个电子通过 1V电位差的空间所获得的能量，其数值为1.6×10-19J。为了便于 计算，常把以电子伏为单位的能量转换为数值上相等的电压来处 理，单位为伏（V），此电压称为电离电压。电弧气氛中常见气体 的电离电压如表1-1所示。
元素 W Cu H2 N2
O2 Cl2 CO NO
电离电压/V 8.0 7.68 15.4 15.5
12.2 13 14.1 9.5
续表1-1
Cl
13（22.5，40，47，68）
OH
13.8
Ar
15.7（28，41）
H2O
12.6
K
4.3（32，47）
CO2
13.7
Ca
6.1（12，51，67）
X=电离后的电子或离子的密度/电离前的中性粒子的密度
电弧焊时为提高电弧稳定性,只需加少量低电离 电压物质则可获得显著的效果.
热解离
热解离:气体分子在热的作用下分解为原子的现 象. 解离能:气体分子产生热解离所需要的最低能量。 解离能小于电离能 先解离,后电离,是吸热反应.
2）场致电离
当气体中有电场作用时，气体中的带电粒子 被加速，电能被转换为带电粒子的动能，当其 动能增加到一定程度时，能与中性粒子产生非 弹性碰撞，使之电离，这种电离称为场致电离。
气体放电：是指当两电极之间存在电位差时，电荷 从一极穿过气体介质到达另一极的导电现象（图11）。
图1-1 电弧示意图
图1-2 气体放电的伏安特性曲线
非自持放电区和自持放电区。
非自持放电:参加导电的带电粒子是外界直接 输入或外加措施造成,取消外加措施放电停止. 导电本身不能产生带电粒子.
自持放电:导电过程本身可以产生带电粒子,只 需在放电开始时需要外加措施,进行点燃一旦 放电开始,取消外加措施放电过程仍可继续进 行.
激励电压:使中性气体分子或原子激励所需要的 最低外加能量称为最低激励能，若以伏为单位 来表示，则称为激励电压。
表1-2是常见气体粒子的最低激励电压。激 励电压越小，说明这种气体分子或原子越容易 发生激励。
能量传递途径
碰撞传递:气体粒子通过碰撞而传递能量的途径. 弹性碰撞:粒子之间不发生内能的交换,碰撞的结果只 发生速度的改变. 非弹性碰撞:粒子之间有内能的交换.当中性粒子之间 进行非弹性碰撞时,由于它们的质量相近,最多将原动 能的一半传递给对方.当电子与原子,分子进行非弹性 碰撞时,电子的动能几乎可以全部传递给原子或分子, 可能引起对方发生电离或激励.
NO2
11
Ni
7.6（7（20，30）
Mg
7.61
Mo
7.4
Ti
6.81
Cs
3.9（33，35，51，58）
Fe
7.9（16，30）
注：括号内的数字依次为二次、三次、……电离电压。
一次电离：原子（分子）失去第一个电子，所 发生的电离称为一次电离。
第一电离能：使中性气体粒子失去第一个电子 所需要的最低外加能量。