1、中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧 本章将讲述有关焊接电弧的基础理论知识，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机构和产力机构，以及影响焊接电弧稳定性的因素等。素等。第一章第一章 焊接电弧焊接电弧中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering第一章第一
2、章 焊接电弧焊接电弧1.11.1焊接电弧的物理基础焊接电弧的物理基础 具有一定电压的两电极之间或电极与母材之具有一定电压的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。所间的气体介质中产生的强烈而持久的放电现象。所谓气体放电，是指当两电极之间存在电位差时，电谓气体放电，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（图荷从一极穿过气体介质到达另一极的导电现象（图1-11-1）。但是并不是所有的气体放电现象都是电弧，）。但是并不是所有的气体放电现象都是电弧，电弧仅是其中的一种形式。电弧仅是其中的一种形式。1.1.11.1.1电弧的物理本质电弧的物理本
3、质中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧图图1-2 1-2 气体放电的伏安特性曲线气体放电的伏安特性曲线 中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧 图图1-21-2是一对电极气体放电的伏安特性曲线，是一对电极气体放电的伏安特性曲线，根据气体放电的特性，可以将其分为两个区域，即根据气体放电的特性，可以将其分为两个区域，即非自持放电区非自持放电区和
4、和自持放电区自持放电区。当导电电流大于一定值时，就会产生这种自持当导电电流大于一定值时，就会产生这种自持放电。在自持放电区内，当电流数值不同时，导电放电。在自持放电区内，当电流数值不同时，导电机构也有差异，可以分为机构也有差异，可以分为暗放电暗放电、辉光放电辉光放电和和电弧电弧放电放电三种形式。三种形式。中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧 其中，暗放电和辉光放电的电流较小，电其中，暗放电和辉光放电的电流较小，电压较高，发热发光较弱，而电弧放电的电流最压较高，发热发
5、光较弱，而电弧放电的电流最大，电压最低，温度最高、发光最强。正是因大，电压最低，温度最高、发光最强。正是因为电弧具有这样的特点，因此在工业中广泛用为电弧具有这样的特点，因此在工业中广泛用来作为热源和光源，在焊接技术中成为一种不来作为热源和光源，在焊接技术中成为一种不可缺少的能源。综上所述，可缺少的能源。综上所述，从电弧的物理本质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、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温度最高、发光最强的自持放电现象。中国矿业大学中国矿业大学材料
6、科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧 两电极之间要产生气体放电必须具备两个条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。有一定强度的电场。电弧中的带电粒子指的是电弧中的带电粒子指的是电子、正离子和负电子、正离子和负离子离子。引燃电弧和维持电弧燃烧的带电粒子是电。引燃电弧和维持电弧燃烧的带电粒子是电子和正离子。这两种带电粒子主要是依靠电弧中子和正离子。这两种带电粒子主要是依靠电弧中气体介质的气体介质的
7、电离电离和电极的和电极的电子发射电子发射两个物理过程两个物理过程产生的。产生的。在电弧引燃和燃烧的过程中，除了存在电离在电弧引燃和燃烧的过程中，除了存在电离和发射这两个过程外，还伴随有气体解离、激励、和发射这两个过程外，还伴随有气体解离、激励、生成负离子、复合等过程。生成负离子、复合等过程。1.1.2 1.1.2 电弧中带电粒子的产生电弧中带电粒子的产生 中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧1.1.气体的电离气体的电离 两电极之间的气体受到外加能量（如外加电场、两电
8、极之间的气体受到外加能量（如外加电场、光辐射、加热等）作用时，气体分子热运动加剧。光辐射、加热等）作用时，气体分子热运动加剧。当能量足够大时，由多原子构成的气体分子就会分当能量足够大时，由多原子构成的气体分子就会分解为原子状态，这个过程称为解为原子状态，这个过程称为解离解离。中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧 在外加能量的作用下，使中性气体分子或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称为原子分离成为正离子和电子的现象称为电离电离。电。电
9、离时，中性气体分子或原子吸收了足够的能量，离时，中性气体分子或原子吸收了足够的能量，使得其中的电子脱离原子核的束缚而成为自由电使得其中的电子脱离原子核的束缚而成为自由电子，同时使原子成为正离子。子，同时使原子成为正离子。使中性气体粒子失去第一个电子所需要的最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低外加能量称为第一电离能第一电离能，生成的正离子称为，生成的正离子称为一价正离子，所发生的电离称为一次电离。一价正离子，所发生的电离称为一次电离。（1 1）电离与激励）电离与激励中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science
10、&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧 a)电离能通常以电离能通常以电子伏电子伏（eVeV）为）为单位单位，1 1电子电子伏就是伏就是1 1个电子通过个电子通过1V1V电位差的空间所获得的能电位差的空间所获得的能量，其数值为量，其数值为1.61.61010-19-19J J。为了便于计算，常把。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（来处理，单位为伏（V V），此电压称为），此电压称为电离电压电离电压。中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material
11、Science&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧b)气体电离电压的大小说明电子脱离原子或分气体电离电压的大小说明电子脱离原子或分子所需要外加能量的大小，也说明某种气体电子所需要外加能量的大小，也说明某种气体电离的难易程度。在相同的外加条件下，气体电离的难易程度。在相同的外加条件下，气体电离电压低说明产生带电粒子比较容易，就此而离电压低说明产生带电粒子比较容易，就此而言，有利于维持电弧稳定燃烧。言，有利于维持电弧稳定燃烧。中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering第一章第一章 焊接电
12、弧焊接电弧 c)不仅原子状态的气体可以被电离，而且分不仅原子状态的气体可以被电离，而且分子状态的气体也可以直接被电离。但由于一般情子状态的气体也可以直接被电离。但由于一般情况下电子脱离气体分子需要克服原子对电子和分况下电子脱离气体分子需要克服原子对电子和分子对电子的两层约束，因此分子状态时的气体电子对电子的两层约束，因此分子状态时的气体电离电压比原子状态时的电离电压值要高一些。离电压比原子状态时的电离电压值要高一些。例如氢原子为例如氢原子为13.5V13.5V，而氢分子为，而氢分子为15.4V15.4V。但是有些气体分子的电离电压反而比原子的电离但是有些气体分子的电离电压反而比原子的电离电压低
13、，如电压低，如NONO分子的电离电压为分子的电离电压为9.5V9.5V，而，而N N原子原子和和O O氧子的电离电压分别为氧子的电离电压分别为14.5V14.5V和和13.5V13.5V。中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧 d)当电弧空间同时存在电离电压不同的几种当电弧空间同时存在电离电压不同的几种气体时，在外加能量的作用下，电离电压较低的气体时，在外加能量的作用下，电离电压较低的气体粒子将首先被电离。如果这种低电离电压的气体粒子将首先被电离。如果这种低电离电压的
14、气体供应充分，电弧空间的带电粒子将主要依靠气体供应充分，电弧空间的带电粒子将主要依靠这种气体的电离来提供，所需外加的能量也主要这种气体的电离来提供，所需外加的能量也主要是取决于这种气体的电离电压。是取决于这种气体的电离电压。例如，例如，FeFe的电离电压为的电离电压为7.9V7.9V，比，比COCO2 2（13.7V13.7V）或或ArAr（15.7V15.7V）低很多，当用气体保护焊焊接钢材）低很多，当用气体保护焊焊接钢材时，如果焊接电流足够大，电弧空间将充满由铁时，如果焊接电流足够大，电弧空间将充满由铁蒸汽电离而生成的带电粒子，外加能量相对较低。蒸汽电离而生成的带电粒子，外加能量相对较低。
15、中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧 e)激励激励是当中性气体分子或原子受到外加能量是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，因此气体于产生激励时电子尚未脱离分子或原子，因此气体
16、分子或原子对外仍呈中性，但是激励状态是一种非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。稳定状态，它存在的时间很短暂。使中性气体分子或原子激励所需要的最低使中性气体分子或原子激励所需要的最低外加能量称为外加能量称为最低激励能最低激励能，若以伏为单位来，若以伏为单位来表示，则称为表示，则称为激励电压激励电压。中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧 （2 2）电离的种类）电离的种类 根据外加能量种类的不同，电离可根据外加能量种类的不同，电离可
17、以分为以下三类：以分为以下三类：1 1）热电离）热电离 气体粒子受热的作用而产生的电离称为气体粒子受热的作用而产生的电离称为热电离。其热电离。其实质实质是气体粒子由于受热而产生高速运动和相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。互之间激烈碰撞而产生的一种电离。气体粒子的平均速度与温度的关系气体粒子的平均速度与温度的关系：2/18)/(1087.1mTC2/18)/(1087.1mTC中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧a)这些高速运动的气
18、体粒子相互之间频繁而激这些高速运动的气体粒子相互之间频繁而激烈地碰撞，碰撞的结果有两种情况：烈地碰撞，碰撞的结果有两种情况：弹性碰撞弹性碰撞：碰撞时粒子之间只发生动能的传递和：碰撞时粒子之间只发生动能的传递和再分配，碰撞前后两个粒子的动能之和基本不变，再分配，碰撞前后两个粒子的动能之和基本不变，粒子的内部结构也不发生任何变化，只能引起粒粒子的内部结构也不发生任何变化，只能引起粒子运动速度和温度变化。这种情况通常是在气体子运动速度和温度变化。这种情况通常是在气体粒子拥有的动能较低时发生的。粒子拥有的动能较低时发生的。非弹性碰撞非弹性碰撞：是破坏性的，通常在气体粒子拥有：是破坏性的，通常在气体粒子
19、拥有较大动能时发生。碰撞时，部分或全部动能转化较大动能时发生。碰撞时，部分或全部动能转化为内能，被碰撞的气体粒子内部结构将发生变化。为内能，被碰撞的气体粒子内部结构将发生变化。如果此内能大于激励电压，则粒子被如果此内能大于激励电压，则粒子被激励激励，如果，如果此内能大于电离电压，则粒子被此内能大于电离电压，则粒子被电离电离中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧随着（T升高，P减小，Ui减小）；X增大相互碰撞的两物体的能量传递情况与它们的质量有密切关系。相互碰撞的两物体
20、的能量传递情况与它们的质量有密切关系。电子的质量远远小于气体原子、分子或离子，因此当具有足电子的质量远远小于气体原子、分子或离子，因此当具有足够动能的电子与中性粒子进行非弹性碰撞时，它的动能几乎够动能的电子与中性粒子进行非弹性碰撞时，它的动能几乎可以全部传给中性粒子，转换为中性粒子的内能，使其激励可以全部传给中性粒子，转换为中性粒子的内能，使其激励或电离。或电离。b)b)电离度电离度X X电离前中性粒子的密度电离后电子或离子密度X中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧
21、2 2）场致电离）场致电离 当气体中有电场作用时，气体中的带电粒子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，这种电离称为碰撞，使之电离，这种电离称为场致电离。场致电离。中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧a)a)连锁反应电离连锁反应电离b)b)对于一般电弧来说，由于各个部位的温度、电场对于
22、一般电弧来说，由于各个部位的温度、电场强度不同，因而所产生的电离形式不尽相同。强度不同，因而所产生的电离形式不尽相同。弧柱部分：弧柱部分：温度高达温度高达5000500030000K30000K，而电场强度只，而电场强度只有有10V/cm10V/cm左右，因此热电离是其产生带电粒子的主左右，因此热电离是其产生带电粒子的主要途径，场致电离是次要的；要途径，场致电离是次要的；阳极压降区和阴极压降区阳极压降区和阴极压降区（即阳极和阴极前面的极（即阳极和阴极前面的极小区间）温度低于弧柱部分，而电场强度高达小区间）温度低于弧柱部分，而电场强度高达10105 510107 7V/cmV/cm，因此场致电离
23、很显著。，因此场致电离很显著。中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧3 3）光电离）光电离 中性粒子接受光辐射的作用而产生的电离中性粒子接受光辐射的作用而产生的电离现象称为现象称为光电离光电离。a)a)气体都存在一个能产生光电离的气体都存在一个能产生光电离的临界波长临界波长，气体的电离电压不同，其临界波长也不同，气体的电离电压不同，其临界波长也不同，只有当接受的光辐射波长小于临界波长时，只有当接受的光辐射波长小于临界波长时，中性气体粒子才可能被直接电离。中性气体粒子才
24、可能被直接电离。b)b)电弧的光辐射波长电弧的光辐射波长170-500nm170-500nm，对，对K,Na,Ca,AlK,Na,Ca,Al能直接引起光电离。能直接引起光电离。c)c)光电离是产生带电粒子的次要途径。光电离是产生带电粒子的次要途径。中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧2.2.电子的发射电子的发射 电极表面接受一定外加能量作用，使其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内部的电子冲破电极表面的束缚而飞到电弧空间的现象称
25、为空间的现象称为电子发射电子发射。电子发射在阴极和阳极皆可能发生，但电子发射在阴极和阳极皆可能发生，但是从阳极发射出来的电子因受到电场的排斥，是从阳极发射出来的电子因受到电场的排斥，不能参加导电过程，只有从阴极发射出的电不能参加导电过程，只有从阴极发射出的电子，在电场的作用下才能参加导电过程。子，在电场的作用下才能参加导电过程。中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧使一个电子从电极表面飞出所需要的最低外使一个电子从电极表面飞出所需要的最低外加能量称为加能量称为逸出功逸
26、出功（WwWw），），单位单位为电子伏。为电子伏。因电子电量因电子电量e e是一个常数，通常以是一个常数，通常以逸出电压逸出电压UwUw=Ww/eWw/e来反映逸出功的大小，单位为伏。来反映逸出功的大小，单位为伏。几种金属及其氧化物的逸出电压如表几种金属及其氧化物的逸出电压如表1-1-4 4所示。由表中可以看出，当金属表面附有所示。由表中可以看出，当金属表面附有其氧化物时，逸出电压均会减小。其氧化物时，逸出电压均会减小。中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧表表1-4
27、 1-4 几种金属及其氧化物的逸出功几种金属及其氧化物的逸出功金属种类WFeAlCuKCaMg逸出功（eV）纯金属4.544.484.254.362.022.123.78金属氧化物3.923.93.850.461.83.31中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧 根据外加能量的不同形式，电子发射有以下几种：根据外加能量的不同形式，电子发射有以下几种：（1 1）热发射）热发射 金属表面承受热作用而产生电子发射的现象称为金属表面承受热作用而产生电子发射的现象称为热发射热发
28、射。过程：过程：金属电极内部的自由电子受到热作用以后，金属电极内部的自由电子受到热作用以后，热运动加剧，动能增加，当自由电子的动能大于热运动加剧，动能增加，当自由电子的动能大于该金属的电子逸出功时，就会从金属电极表面飞该金属的电子逸出功时，就会从金属电极表面飞出，参加电弧的导电过程。出，参加电弧的导电过程。能量：能量：电子发射时从金属电极表面带走能量，故电子发射时从金属电极表面带走能量，故能对金属产生冷却作用。当电子被另外的同种金能对金属产生冷却作用。当电子被另外的同种金属表面接受时，将释放能量，使金属表面加热。属表面接受时，将释放能量，使金属表面加热。中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学
29、院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧影响电子流密度的因素影响电子流密度的因素：温度温度：T升高，升高，i增大；增大；材料材料：热阴极电弧：热阴极电弧：W(5950k),C(4200K),主要依靠热发射；主要依靠热发射；冷阴极电弧：钢（冷阴极电弧：钢（3008K），铜（），铜（2868K），铝），铝 （2770K），须依靠其它方式补充发射电子），须依靠其它方式补充发射电子。)/exp(2kTeUATiW中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Scie
30、nce&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧（2 2）场致发射）场致发射 当阴极表面空间有强电场存在时，金属电极内的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现象称为场致发射场致发射。冷阴极电弧正是主要依靠这种方式获得足够的电冷阴极电弧正是主要依靠这种方式获得足够的电子以维持电弧稳定燃烧的。子以维持电弧稳定燃烧的。电子从阴极带走的热量减少，对阴极的冷却作用电子从阴极带走的热量减少，对阴极的冷却作用降低。降低。)/)(exp(02kTeEUeATiW中国矿业大学中国矿业大学材料科学
31、与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧（3 3）光发射）光发射 当金属电极表面接受光辐射时，电极表面的当金属电极表面接受光辐射时，电极表面的自由电子能量增加，当电子的能量达到一定值时自由电子能量增加，当电子的能量达到一定值时能飞出电极的表面，这种现象称为能飞出电极的表面，这种现象称为光发射光发射。电子发射吸收的是光辐射能，不从金属表面电子发射吸收的是光辐射能，不从金属表面带走热量，因而对电极没有冷却作用。带走热量，因而对电极没有冷却作用。电弧焊时，焊接电弧发出的光能够引起电极产电弧焊时，焊接电弧发出
32、的光能够引起电极产生光发射，但由于光亮不足够强。因此，光发射生光发射，但由于光亮不足够强。因此，光发射在阴极电子发射中居于次要的地位。在阴极电子发射中居于次要的地位。中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧（4 4）粒子碰撞发射）粒子碰撞发射 高速运动的粒子（电子或正离子）碰撞金高速运动的粒子（电子或正离子）碰撞金属电极表面时，将能量传给电极表面的电子，属电极表面时，将能量传给电极表面的电子，使电子能量增加并飞出电极表面，这种现象称使电子能量增加并飞出电极表面，这种现象
33、称为为粒子碰撞发射粒子碰撞发射。焊接电弧中正离子撞击阴极表面产生的电子焊接电弧中正离子撞击阴极表面产生的电子发射是很典型的粒子碰撞发射发射是很典型的粒子碰撞发射:过程过程：电场加速正离子（电场加速正离子（获得动能获得动能 ），撞击阴极表面），撞击阴极表面（将动能将动能W WK K传给阴极传给阴极），从阴极夺取一个电子与其复合），从阴极夺取一个电子与其复合（释放出电离能释放出电离能W Wi i,夺取电子消耗逸出功夺取电子消耗逸出功WwWw）剩余的能量：剩余的能量：W Wk k+W+Wi i-Ww-Ww发射电子的条件发射电子的条件W Wk k+W+Wi i2Ww2Ww中国矿业大学中国矿业大学材料科
34、学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧热发射：热发射：当所用的电极是热阴极型且电流较大时，当所用的电极是热阴极型且电流较大时，主要依靠热发射向电弧提供电子；主要依靠热发射向电弧提供电子；场致发射场致发射而当所用的电极是冷阴极型时，热发射不而当所用的电极是冷阴极型时，热发射不能提供足够的电子，此时场致发射起主要作用；能提供足够的电子，此时场致发射起主要作用；碰撞发射碰撞发射由于焊接电弧的阴极区前面有大量正离子由于焊接电弧的阴极区前面有大量正离子聚集，形成具有一定强度的电场，能使正离子加速聚集，形成具
35、有一定强度的电场，能使正离子加速撞击阴极，因而在一定条件下，粒子碰撞发射能够撞击阴极，因而在一定条件下，粒子碰撞发射能够成为向电弧提供导电所需电子的主要途径；成为向电弧提供导电所需电子的主要途径；光发射：光发射：在阴极电子发射中则居于次要地位。在阴极电子发射中则居于次要地位。中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧 电弧中的带电粒子除了电子和正离子之外，还有负离子。负电弧中的带电粒子除了电子和正离子之外，还有负离子。负离子是在一定条件下一些中性原子或分子吸附一个电子而形
36、成的。离子是在一定条件下一些中性原子或分子吸附一个电子而形成的。a)中性粒子吸附电子形成负离子时，其内部的能量不是增加而是中性粒子吸附电子形成负离子时，其内部的能量不是增加而是减少。减少的这部分能量称为中性粒子的减少。减少的这部分能量称为中性粒子的电子亲和能电子亲和能。通常是以。通常是以热或辐射能（光）的形式释放出来。热或辐射能（光）的形式释放出来。b)电子亲和能电子亲和能:（F,Cl,Br,I)大，易形成负离子；大，易形成负离子；O，O2，OH，NO，H2O，Li等可形成负离子；等可形成负离子；惰性气体不能形成。惰性气体不能形成。c)在温度较低的电弧周边形成（原因：电弧中心，电子速度快；在温
37、度较低的电弧周边形成（原因：电弧中心，电子速度快；形成过程是发热过程）形成过程是发热过程）d)质量大，速度低，抵消电子数量，降低电弧稳定性。质量大，速度低，抵消电子数量，降低电弧稳定性。3 3产生负离子产生负离子中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧1.1.3 1.1.3 电弧中带电粒子的消失电弧中带电粒子的消失 电弧导电过程中不仅有带电粒子的产生过程，而且电弧导电过程中不仅有带电粒子的产生过程，而且有带电粒子的消失过程，而且，当电弧稳定燃烧时这两有带电粒子的消失过程
38、，而且，当电弧稳定燃烧时这两个过程处于动态平衡状态，即在单位时间内产生的带电个过程处于动态平衡状态，即在单位时间内产生的带电粒子数目等于消失的带电粒子的数目。粒子数目等于消失的带电粒子的数目。主要有两种方式主要有两种方式：“扩散扩散”：即带电粒子离开它们原来的地方，而逃逸到：即带电粒子离开它们原来的地方，而逃逸到电弧的四周，不再参加放电过程；电弧的四周，不再参加放电过程；“复合复合”：即正的带电粒子和负的带电粒子结合成中性：即正的带电粒子和负的带电粒子结合成中性的原子或分子，这里既有电子与正离子的复合，也有负的原子或分子，这里既有电子与正离子的复合，也有负离子与正离子的复合。在复合的过程中释放
39、出大量的热离子与正离子的复合。在复合的过程中释放出大量的热和光。包括：和光。包括：空间复合空间复合和和电极表面复合电极表面复合。中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧空间复合空间复合:电弧中心，带电粒子数量多，温度高，速度大，复合几率小；电弧中心，带电粒子数量多，温度高，速度大，复合几率小；电弧周边：温度低，速度低，可以产生复合；电弧周边：温度低，速度低，可以产生复合；中心正离子受周边负离子的吸引，在电弧周边可能复合；中心正离子受周边负离子的吸引，在电弧周边可能复合；
40、交流电弧，由于电流瞬间熄灭，温度降低，带点粒子大量复合，交流电弧，由于电流瞬间熄灭，温度降低，带点粒子大量复合，引弧困难。引弧困难。电极表面复合：电极表面复合：正离子撞击阴极，并从阴极夺取正离子撞击阴极，并从阴极夺取 一个电子与一个电子与其复合：其复合：剩余的能量：剩余的能量：Wk+Wi-Ww 若若Wk+Wi2Ww 则还可能发射一个电子则还可能发射一个电子中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧1.21.2焊接电弧的产生过程焊接电弧的产生过程 电弧焊时，仅仅把焊接电源电
41、压加到电极电弧焊时，仅仅把焊接电源电压加到电极和焊件两端是不能产生电弧的，首先需要在电和焊件两端是不能产生电弧的，首先需要在电极和焊件之间提供一个导电的通道，才能引燃极和焊件之间提供一个导电的通道，才能引燃电弧。电弧。两种引弧方式：两种引弧方式：接触式引弧接触式引弧和和非接触式引弧非接触式引弧。中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧1.2.11.2.1接触式引弧接触式引弧 接触式引弧亦称为短路引弧，常用于焊条电弧接触式引弧亦称为短路引弧，常用于焊条电弧焊、埋弧焊、熔化
42、极气体保护电弧焊等。焊、埋弧焊、熔化极气体保护电弧焊等。操作方法操作方法:将焊条（或焊丝）和焊件分别接通于弧将焊条（或焊丝）和焊件分别接通于弧焊电源的两极，将焊条（或焊丝）焊电源的两极，将焊条（或焊丝）与焊件轻轻地与焊件轻轻地接触，然后迅速提拉或焊丝自动爆断，这样就能接触，然后迅速提拉或焊丝自动爆断，这样就能在焊条（或焊丝）端部与焊件之间产生一个电弧。在焊条（或焊丝）端部与焊件之间产生一个电弧。这是一种最常见的引弧方式。焊接电弧虽然这是一种最常见的引弧方式。焊接电弧虽然是在一瞬间产生的，但实际上包含了是在一瞬间产生的，但实际上包含了短路短路、分离分离和和燃弧燃弧三个阶段。三个阶段。中国矿业大学
43、中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧1 1）短路阶段）短路阶段 当焊条（或焊丝）一经接触焊件，便发生了当焊条（或焊丝）一经接触焊件，便发生了短路。短路时电压等于零，而电流急剧增大。由短路。短路时电压等于零，而电流急剧增大。由于焊条（或焊丝）端部表面和焊件表面都不可能于焊条（或焊丝）端部表面和焊件表面都不可能是绝对平整光洁的，因此，它们之间只是在几个是绝对平整光洁的，因此，它们之间只是在几个突出的点上接触，电流也只是从这些点流过（见突出的点上接触，电流也只是从这些点流过（见图图1
44、-41-4）。由于接触点的面积很小，因此流过这些）。由于接触点的面积很小，因此流过这些点的电流密度极大，这导致在接触点上产生大量点的电流密度极大，这导致在接触点上产生大量的电阻热，使接触点处的温度骤然升高并发生熔的电阻热，使接触点处的温度骤然升高并发生熔化，形成液态金属间层。化，形成液态金属间层。中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧图图1-4 1-4 焊丝与焊件短路时的接触状态焊丝与焊件短路时的接触状态中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院Sc
45、hool of Material Science&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧2 2）分离阶段分离阶段 在焊条（或焊丝）与焊件短路后，如果是焊在焊条（或焊丝）与焊件短路后，如果是焊条电弧焊或埋弧焊，一般是迅速将焊条（或焊丝）条电弧焊或埋弧焊，一般是迅速将焊条（或焊丝）从焊件上稍稍提起，这使液态金属横截面减小，从焊件上稍稍提起，这使液态金属横截面减小，电流密度急剧增大，温度猛烈升高和电磁收缩力电流密度急剧增大，温度猛烈升高和电磁收缩力增大，因而使液态金属很快断开；如果是熔化极增大，因而使液态金属很快断开；如果是熔化极气体保护电弧焊，由于焊丝直径一般较细，液态气体保护电弧焊
46、，由于焊丝直径一般较细，液态金属则会发生爆断。在焊条（或焊丝）与焊件分金属则会发生爆断。在焊条（或焊丝）与焊件分离的瞬间，一方面焊条（或焊丝）与焊件之间的离的瞬间，一方面焊条（或焊丝）与焊件之间的电场强度急剧增大；另一方面两极之间能产生大电场强度急剧增大；另一方面两极之间能产生大量电离势较低的金属蒸汽和药皮蒸汽。量电离势较低的金属蒸汽和药皮蒸汽。中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧3 3）燃弧阶段燃弧阶段 当两极之间既具有足够强的电场作用，又具当两极之间既具有足够强
47、的电场作用，又具有足够多的带电粒子时，就会引燃电弧。电弧引有足够多的带电粒子时，就会引燃电弧。电弧引燃后，温度继续升高，还产生了弧光，各种形式燃后，温度继续升高，还产生了弧光，各种形式的发射和电离均得到加强，正、负粒子分别跑向的发射和电离均得到加强，正、负粒子分别跑向两极。两极。在这个过程中，带电粒子的产生和消失交织在这个过程中，带电粒子的产生和消失交织在一起，各种能量的释放和消耗交织在一起。经在一起，各种能量的释放和消耗交织在一起。经过短暂的调整，带电粒子的产生和消失、能量的过短暂的调整，带电粒子的产生和消失、能量的释放和消耗达到动态平衡，焊接电弧就进入了稳释放和消耗达到动态平衡，焊接电弧就
48、进入了稳定燃烧阶段。定燃烧阶段。在燃弧阶段，由于电极为冷阴极，在燃弧阶段，由于电极为冷阴极，电子发射仍以场致发射为主电子发射仍以场致发射为主。中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧1.2.2 1.2.2 非接触式引弧非接触式引弧 非接触式引弧是指在电极与焊件之间存在一定非接触式引弧是指在电极与焊件之间存在一定间隙，施以高电压击穿间隙，使电弧引燃的方法，间隙，施以高电压击穿间隙，使电弧引燃的方法，常用于钨极氩弧焊、等离子弧焊等。为了避免钨极常用于钨极氩弧焊、等离子弧焊等
49、。为了避免钨极被污染或造成焊缝夹钨，一般不允许钨极与焊件接被污染或造成焊缝夹钨，一般不允许钨极与焊件接触，此时只能采用非接触式引弧。触，此时只能采用非接触式引弧。中国矿业大学中国矿业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering第一章第一章 焊接电弧焊接电弧 非接触式引弧有两种方式非接触式引弧有两种方式：高频高压引弧高频高压引弧：电压峰值一般为：电压峰值一般为200020003000V3000V，每秒震荡，每秒震荡100100次，每次，每次震荡频率为次震荡频率为150150260KHZ260KHZ；高压脉冲引弧高压脉冲引弧：
50、电压峰值一般为：电压峰值一般为300030005000 V5000 V，频率为，频率为50HZ50HZ或或100HZ100HZ。引弧施加方式有并联和串连两种引弧施加方式有并联和串连两种：并联方式并联方式是直接把引弧电压接到钨是直接把引弧电压接到钨极和焊件两端，极和焊件两端，串联方式串联方式是把引弧电压串联到焊接是把引弧电压串联到焊接回路中，通过高频输出变压器和旁回路中，通过高频输出变压器和旁路电容加到钨极和焊件上。串联方路电容加到钨极和焊件上。串联方式主回路构成简单，而且引弧效果式主回路构成简单，而且引弧效果好，目前用的比较多。好，目前用的比较多。图图1-5 1-5 高频和脉冲引弧示意图高频和
