【正文】 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 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 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 電弧是一種 氣體放電 現(xiàn)象，它是帶電粒子通過兩電極之間氣體空間的一種導(dǎo)電過程。 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 圖 12 氣體放電的伏安特性曲線 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 圖 12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。 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 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。 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 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。 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。 電弧中帶電粒子的產(chǎn)生 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 氣體 不含自由移動(dòng)帶電粒子； 所有粒子都可以自由移動(dòng) 不呈現(xiàn)導(dǎo)電性 金屬 含自由移動(dòng)帶電電子； 離子不可以自由移動(dòng) 呈現(xiàn)導(dǎo)電性 帶電粒子的產(chǎn)生 無論是什么物質(zhì)，能否呈現(xiàn)導(dǎo)電性，都取決于其在電場的作用下，是否擁有可自由移動(dòng)的帶電粒子。 帶電粒子的產(chǎn)生方式： (1)氣體電離 (2)電極發(fā)射電子 (3)形成負(fù)離子 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 1 氣體電離 a電離： 中性氣體分子或原子分離成電子和正離子的現(xiàn)象。 b電離電壓： 電離能用電壓來表示，電離電壓低說明氣體的電離比較容易，電弧比較穩(wěn)定。 氣體 一次電離電壓 /v 氣體 一次電離電壓 /v He Ar Fe蒸汽 CO2 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 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) 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 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 1019J。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 。 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 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。 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 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 ，而氫分子為 。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 ，而 N原子和 O氧子的電離電壓分別為 。 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 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， Fe的電離電壓為 ，比 CO2（ ）或 Ar（ ）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。 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 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 。 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 （ 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 ： 2/18 )/( mTC ???2/18 )/( mTC ???長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 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)能大于電離所需要的電壓，則粒子被 電離 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 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 電離前中性粒子的密度電離后電子或離子密度?X長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 2）場致電離 當(dāng)氣體中有電場作用時(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 場致電離。 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 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、電場強(qiáng)度不同，因而所產(chǎn)生的電離形式不盡相同。 弧柱部分： 溫度高達(dá) 5000～ 30000K，而電場強(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，而電場強(qiáng)度高達(dá)105～ 107V/cm，因此場致電離很顯著。 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 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 。 a) 氣體都存在一個(gè)能產(chǎn)生光電離的 臨界波長 ，氣體的電離電壓不同，其臨界波長也不同，只有當(dāng)接受的光輻射波長小于臨界波長時(shí)，中性氣體粒子才可能被直接電離。 b) 電弧的光輻射波長 170500nm，對(duì)K,Na,Ca,Al能直接引起光電離。 c) 光電離是產(chǎn)生帶電粒子的次要途徑。 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 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，在電場的作用下才能參加導(dǎo)電過程。 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 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 14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。 長大工院機(jī)械系 Yangtze university college of eng