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1、电弧物理与现代焊接方法,1.电弧的导电机理 1.1 电弧放电特点 电弧是在一定条件下电荷通过两电极间气体空间的一种导电过 程；实质是气体导电现象； 导体-欧姆定律；绝缘体-不导电； 气体导电-气体放电； 非自持放电-10-20-10-12A 自持放电 暗放电- -10-12-10-5A 小电流、高电压（600v）； 辉光放电-10-4-10-1A ；小电流、高电压(300-350v)； 电弧放电-大电流、低电压； 过渡区- 10-1A1A 电弧放电-1A， 一般10A,第一章 电弧物理基础,1.电弧的导电机理 1.1 电弧放电特点,第一章 电弧物理基础,第一章 电弧物理基础,1. 2电弧中带电
2、粒子的产生 电弧: 阴极、阳极、弧柱；电子发射，气体电离，伴随解离、激励、扩散、复合、负离子； 1.2.1 气体的电离 电离与激励 电离：在一定条件下，中性气体分子或原子分离为正离子和电子的现象； 激励：当中性粒子接受外来能量的作用，使电子从低能级跃变到较高能级，中性粒子内部稳定状态破坏，但整个粒子仍呈中性的现象。,第一章 电弧物理基础,第一电离能-常态下，中性粒子失去第1个电子所需要的最低能量；（eV） 第一电离电压描述电离难易的参数指标，数值上等于第一电离能； 较小电弧加热下，一般只有一次电离；大电流的高温使气体产生二次甚至三次电离，但仍以一次电离为主；,第一章 电弧物理基础,第一章 电弧
3、物理基础,H13.5 He24.5 Li-5.4 C11.3 N14.5 O13.5 F17.4 Na-5.1 Cl13 Ar15.7 K-4.3 Ca6.1 NO9.5 OH13.8 H2O-12.6 CO213.7 NO211 Ni-7.6 Cr7.7 Mo7.4 Cs-3.9 Fe7.9 W-8.0 H215.4 N2-15.5 O212.2 Cl213 CO14.1 Al5.96 Mg7.61 TI-6.81 Cu-7.68,第一章 电弧物理基础,电离电压的高低表明产生带电粒子的难易程度; 电离电压低有利于电弧的稳定,但电离电压不是唯一的因素; 多种气体混合,电离电压主要决定于最低的电
4、离电压但该种气体必须充分多,若不足,电离电压次低的气体加入电离,最终值将介于二者之间;,第一章 电弧物理基础,激励电压-使中性粒子激励所需的最低外加能量称为最低激励电压(以伏为单位); H-10.2 He19.8 Ne-16.6 Ar11.6 N-2.4 O-2.0 K-1.6 Fe-4.43 Cu-1.4 H2-7.0 O2-7.9 CO6.2 CO2-3.0 H2O-7.6 Cs1.4 Ca-1.9,第一章 电弧物理基础,能量的传递方式: 碰传递 弹性碰撞和非弹性碰撞 弹性碰撞-只能进行动能的分配,粒子温度发生变化，但不能改变粒子内部的能量，不能产生激励和电离;是在粒子动能较低时发生； 非
5、弹性碰撞-粒子内部结构发生变化，部分或全部动能转化为内能，若内能增加超过激励电压-发生激励；大于电离电压-电离； 电弧空间：电子、粒子、中性粒子；,第一章 电弧物理基础,U1,U2,m1,m2,m1 *U1 + m2* V2 m1 *V1 + m2*V2 动量守恒定律： m1 *U1x + m2* V2x = m1 *V1x + m2*V2x 能量守恒定律: (1/2) m1 *U1x 2 + (1/2) m2* V2x 2 = (1/2) m1 *V1x 2 + (1/2) m2*V2x 2,第一章 电弧物理基础,若二粒子发生完全非弹性碰撞，碰撞后二粒子不再分离，以同一速度Vx运动,则有：
6、(m1 + m2)* Vx = m1 *U1x + m2*U2x 则 Vx = (m1 *U1x + m2*U2x )/(m1 + m2)-(1) 能量(动)损失 : Ek = (1/2) m1 *U1x 2 + (1/2) m2* V2x 2 - (1/2) (m1 +m2)*Vx 2 -(2) Ek = m1m2(U1x - U2x )2/ 2(m1 + m2),Ek = m1m2(U1x - U2x )2/ 2(m1 + m2) 若m1很小, m2很大, 且粒子2在碰撞前处于静止状态, U2x =0; 则Ek = m1m2(U1x)2/ 2(m2) = m1(U1x)2/ 2 说明小粒子
7、的动能全部全部传给了大粒子, 如电子撞击中性原子、分子和正离子; 中性粒子获得全部动能发生激励或电离；,第一章 电弧物理基础,若二粒子质量相近，如m1 = m2 =m Ek = mm(U1x - U2x )2/ 2(m + m) 若碰撞前二号粒子静止U2x = 0 Ek = （1/4）mU1x 2 说明2号粒子最多只能获得原动能的一半； 欲通过粒子间的碰撞传递能量、产生电离和激励，关 键是提高电子、离子和中性粒子的动能，尤其是提高 电子的动能；电弧过程通过粒子碰撞制造带电粒子是 维持导电的主要途径。,第一章 电弧物理基础,1.2.2 光辐射能量传递 中性粒子能够接受外界以光量子形式所施加的能量
8、,提高其内能并改变其内部结构,使气体粒子激励和电离。 光量子能量：hr 激励的条件： hr We = eUe 电离的条件： hr Wi = eUi 激励能We；激励电压-Ue；电离电压-Ui； hr = eUi + (mv2)/2 通过光辐射电离制造带电粒子在焊接电弧中是次要的;,第一章 电弧物理基础,气体粒子的运动速度 在一个气体体系中，气体粒子的运动速度是不相同的； 气体分子运动理论：气体温度的高低意味着气体粒子总体能量的高低，也即气体粒子平均运动速度的高低。 C = (3KT/m)0.5 = 2.0310-8(T/m) 0.5 其中: C-平均速度; T-体系温度; m粒子质量,第一章
9、电弧物理基础,1.2.3 气体电离的主要形式 热电离:中性气体粒子受热的作用而产生的电离 场致电离：中性气体离子受电场作用而产生的电离 光电离：中性气体粒子吸收了光射线的光子能而产生的电离 碰撞电离：高速运行的带电粒子与中性粒子发生非弹性碰撞而使之电离,第一章 电弧物理基础,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； 气体平均运动速度：c = 1.87(T/M)0.5 T-气体的热力学温度(K)；M-粒子的质量(m) 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值;,第一章 电弧物理基础,气体中粒子的运动速度按照麦克斯威尔分布曲线,在某一温度下各粒子拥有的动能不相同,
10、其动能超过电离电压的那部分粒子产生电离,第一章 电弧物理基础,X = 电离后的电子或离子密度/电离前中性粒子密度 萨哈公式: px2/(1- x2) = 3.16 10-7T2.5exp-(eUi)/kT P气体压力; T - 气体热力学温度; k玻尔兹曼常数,1.38 10-23J/K 随温度上升、压力减少、电离电压减少，电离度上升； 实效电离度-混合气体的电离度 常压下的焊接电弧主要带电粒子是电子，电子密度的数量级 达到1014cm-3时即可维持电弧的正常导电，实效电离度达 10-4cm-3时即可达到上述粒子比例。,第一章 电弧物理基础,第一章 电弧物理基础,气体的解离-电弧中的多原子气体
11、在热作用下分解为原子的现象； 解离是吸热过程，所需要的最低能量称作解离能，一般解离能小于电离能,第一章 电弧物理基础,1.2.4 电场作用下的电离 带电粒子从电场中获得能量，通过碰撞产生的电离过程； 带电粒子在电场中的定向运动、同时与其它粒子发生碰撞，总方向保持一致，但每次碰撞后都要发生方向的变化； 自由行程：两次碰撞之间的路程长度； 平均自由行程 ；自由行程的平均值；,第一章 电弧物理基础,平均自由行程内电场对带电粒子所施加的最大动能：Wk = Ee 在同一种气体粒子的气体中，中性粒子、电子和粒子的平均自由行程： g = 1/(42 0.53.14rg 2ng) i = 1/(43.14ri
12、 2ni) e = 1/(3.14re 2ne) e ：i ： g = 42 0.5：2 0.5 ：1,第一章 电弧物理基础,阴极和阳极压降区,电场强度105-107v/cm; 光电离-中性粒子接受光辐射的作用而产生的电离现象; h eUi r0 = C/0 0 = hc/eUi h-普朗克常数; r0 -临界光辐射频率; 0-临界光辐射波长 0 = 1236/Ui,第一章 电弧物理基础,1.2.4 电极电子发射 电子发射- 金属表面接受一定的外加能量,自由电子冲破金属表面的约束而飞到电弧空间的现象; 使一个电子由金属表面飞出所需要的最低外加能量称为逸出功Ww; 逸出电压U w; 阴极发射电子
13、参与导电过程；阳极发射电子不参与导电过程 W4.54; Fe4.48; K2.02; Cu4.36; -3.92; -0.46; -3.85;,第一章 电弧物理基础,自阴极发射出来的电子在电场下参加导电过程; 而自阳极发射出来的电子因受到电场的排斥，不可能参加导电过程，只能对阳极区空间电荷的数量产生一定的影响,第一章 电弧物理基础,般金属中，原子构成晶格呈紧密排列，所以离原子核较远的最外层电子也要受到周围原子核的静电力作用。 因此，金属中的电子完全不同于气体粒 子那样专属于某一特定原子的状态，前 者可以挣脱原子核的束缚在金属原子构 成的粒子晶格空间自由移动。,第一章 电弧物理基础,电子气-自由
14、电子在金属中运动； 电子云-电子离开金属表面飞到空间，电子云到晶格的距离为r0； 大于r0，对电子的作用力为镜像力-e2/4 r02 在偶电层内部，作用力大小假定 Kn- K e2/4 r2 电子逸出需克服逸出金属和克服电场力 Wg = 0r0 K e2/4 x2 dx + r0 K e2/4 x2 dx,第一章 电弧物理基础,费米迪拉克(Fermi-Dirac)统计规律。也就是在n个电子中，速度(即动能)介于E和E+dE之间的电子数目dn为： dn = f(E)dE 式中 f(E)-费米迪拉克统计分布函数，也称费米因子。 f(E)= 1/（exp(E-EF)/KT+1） 式中 K-波尔兹曼常
15、数； T-系统的温度； EF-费米能级； E电子能级。,第一章 电弧物理基础,在金属中，依据电子按能级分布的函数与E的关系, 可得出： 1)当温度为绝对OK时，电子占据所有低于EF的能级的几率为1；而EEF 的电子存在几率为o(EF称为费米能级)。 2)当T0时，只有在费米能级EF附近较小的范围内，电子能量受到扰动。 即有能量高于EF的电子，也有能量低于EF的电子；而费米能级EF的电子存在概率降为l2。金属温度对电子分布概率的影响很大，温度越 高，则能量高于EF的电子数越多，而能级低的电子(E远小于EF)的存在概 率却不随温度而变化，仍为随着电子能级的降低而降低其存在的几率。 3)温度变化时，费米能级EF变化很小，基本上是常数，即使在OK时，仍有较多的电子能够达到EF能级。因此为使电子逸出金属表面，不需要给出势垒高度EWg，而只需给出 WgEF =Ww,第一章 电弧物理基础,Ww:逸出功-其定义为使一个电子从金属表面发射出来所需要的最低外加能量，单位是电子伏(w); 因电子电量是常数，故通常以Uw = Ww e 表示逸出功的大小。逸出功的大小与金属材料的种类、金属的表面状态 和金属的表面氧化物质有关。几种金属及其氧化物的逸出功见表 W Fe Al Cu K
