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1、第二章 电弧焊接物理基础,第1节 焊接电弧的导电机理 第2节 焊接电源基础 第3节 焊接电弧的产热机理 第4节 焊接电弧的作用力 第5节 熔滴过渡 第6节 焊缝成型,第1节 焊接电弧的导电机理 带电粒子的产生,气体放电的基本概念 物体如何导电？ 取决于在电场作用下能否拥有可自由移动的带电粒子 气体如何导电？ 气体要导电必须有带电粒子 气体产生带电粒子的过程称气体的放电过程 气体放电有何特点？ 气体导电的伏安特性与金属不同，非线性关系 气体放电有二种形式：自持与非自持 电弧是自持放电中电压最低、电流最大、温度最高、发光最强的一种气体放电现象 焊接电弧的定义是什么？ 由焊接电源供给能量，在二电极之
2、间产生的强烈而持久的气体放电现象。 焊接电弧具有电压低、电流大、温度高、发光强的特点。,带电粒子的产生 气体产生带电粒子的途径有哪些？ 气体的电离 电极的电子发射 气体产生带电粒子过程中伴随其它物理现象有哪些？ 气体的解离 激励 扩散 复合 负离子的产生,电流,电弧示意图,第1节 焊接电弧的导电机理 带电粒子的产生,第1节 焊接电弧的导电机理 带电粒子的产生,电离与激励 什么叫电离 在一定条件下中性气体分子或原子分解为正离子和电子的现象 第一电离能（电离电位）的定义是什么？ 使中性气体粒子失去第一个电子所需要的最低外加能量 第一电离能在普通电弧中占主导地位 电离电位的高低决定气体电离的难易程度
3、 多种气体并存时，电离电位低的将首先被电离,第1节 焊接电弧的导电机理 带电粒子的产生,电离与激励 何为激励 中性粒子在外界能量作用下，不足以电离，却可以使电子在较低的能量级别跃升到较高能量级别的现象 激励可以破坏中性粒子的内部稳定状态 虽然不能直接产生带电粒子，但可以使中性粒子更易被电离 激励电位的概念是什么？ 激励所需要的最低外加能量 激励电位越低越易产生激励,常见气体粒子的电离电位,第1节 焊接电弧的导电机理 带电粒子的产生,电离与激励 能量的传递方式有哪些 碰撞传递 弹性碰撞：气体粒子间只产生动能的再分配，内部结构不发生变化 非弹性碰撞：碰撞时部分或全部内能都转变为内能，使被碰撞粒子的
4、内部结构发生变化 气体的电离只发生在非弹性碰撞中 光辐射传递 以光量子形式传递的动能可以全部转换为粒子的内能 电弧本身可以产生多种光辐射 通过光辐射形式产生的电离与碰撞传递相比，是次要的,第1节 焊接电弧的导电机理 带电粒子的产生,电离与激励 电离的种类（气体如何才能产生电离？） 何为热电离 气体粒子受热作用相互碰撞而产生的电离 气体粒子平均运动速度与温度的关系 温度越高，粒子的平均运动速度越高 温度一定时，气体粒子的质量越小，其运动速度越高 电离度 单位体积内被电离的离子数与气体粒子总数之比 当几种气体混合时，混合气体的电离电压称为实效电离电压，它取决于混合气体中电离电压较低的气体 弧柱的温
5、度高达500030000K，热电离是弧柱中产生带电粒子的最主要途径,第1节 焊接电弧的导电机理 带电粒子的产生,电离与激励 热解离 电弧中的多原子气体在热作用下分解为原子的现象 热解离是吸热反应 解离需要的最低外加能量为解离能（ev） 解离能低于电离能 几种气体的解离能 H2=4.4; H2O =4.7; O2 =5.1; CO2=5.5 NO =6.1 N2 =9.1,第1节 焊接电弧的导电机理 带电粒子的产生,电离与激励 何为电场电离？ 带电粒子从电场中获得能量，通过碰撞而产生电离的过程 带电粒子运动路线是折线，但是沿电场方向运动 电场作用下的电离主要是电子与中性粒子的非弹性碰撞而引起 强
6、电场作用的电离具有锁链效应 场电离不是弧柱中的主要电离形式 由于弧柱的电场强度较小，故电子在自由行程中所获得的动能较小，较之通过热能获得的动能小的多 阴极与阳极压降区可能产生很强烈的场电离,第1节 焊接电弧的导电机理 带电粒子的产生,电离与激励 何为光电离？ 中性粒子接受光幅射的作用而产生的电离现象 光电离的产生条件是什么？ 中性粒子所接受的光幅射波长小于其临界波长时，中性粒子可以直接被电离 几乎所有气体都不能直接进行光电离 光电离是电弧中产生带电粒子的一个次要途径,第1节 焊接电弧的导电机理 带电粒子的产生,电子发射 概念是什么？ 自由电子脱离金属表面的约束飞到电弧空间的现象 它是电弧空间带
7、电粒子的一个重要产生途径 电极只能发射电子而不能发射离子 逸出功的概念 使一个电子脱离金属表面所需要的最低外加能量 逸出功越低的金属，电子发射越容易,第1节 焊接电弧的导电机理 带电粒子的产生,电子发射 何为热发射？ 概念 金属表面受热作用而产生的电子发射现象 热发射的产生条件 meve/2eUw 使用高熔点材料的电极，热发射是主要的电子发射形式 使用低熔点材料的电极，热发射不能提供全部的电子，还的其它发射形式,第1节 焊接电弧的导电机理 带电粒子的产生,电子发射 何为电场发射？ 金属表面电子受空间电场的作用而飞到电弧空间的现象 电场强度越大，电子发射越强烈 当冷阴极时，电场发射是提供电子的重
8、要途径 何为光发射？ 金属表面接受光幅射使电子飞到电弧空间的现象 光量较弱，在各种发射中居次要位置,第1节 焊接电弧的导电机理 带电粒子的产生,电子发射 粒子碰撞发射 电极表面自由电子接受粒子的碰撞而飞到电弧空间的现象 产生条件 离子到达阴极，中和一个电子，再使其发射一个电子，则需要2倍的逸出功 在阴极区，一定条件下，碰撞发射也可能是阴极带电粒子产生的主要途径,第1节 焊接电弧的导电机理 带电粒子的产生,负离子 产生过程 在一定的条件下，有些中性原子或分子可以吸附一个电子而形成负离子 电子亲和能 中性粒子形成负离子所减少的内能 负离子带电，但质量大，不能有效转送电荷 负离子消耗电子，对电弧稳定
9、不利 负离子的形成只在电弧的周边地区进行,第1节 焊接电弧的导电机理 带电粒子的产生,带电粒子的扩散 现象 带电粒子由高密度的电弧中心区域向低密度的电弧周边地区转移而使带电粒子密度趋于均匀化的现象 扩散现象的结果 降低电弧的有效电流密度 降低了弧心的温度 对电弧的稳定燃烧是不利的,第1节 焊接电弧的导电机理 带电粒子的产生,复合 电弧空间的正负带电粒子在一定条件下结合成中性粒子的过程 电弧中心温度高使所有粒子运动速度很高，不可能产生复合。 在电弧周边温度低粒子的活动能力小，且此处有扩散来的电子和正离子，则可能产生复合 交流电弧过零时也有大量复合现象发生使再引燃困难。 复合现象使电弧空间带电粒子
10、减少而不利于电弧的稳定燃烧,第1节 焊接电弧的导电机理 电弧各区的组成,电弧如何构成？ 阴极区、阳极区、弧柱区 弧柱区 500050000K,电流密度为103/cm 任务：导通电流 完成任务的途径：以热电离为主 注意：通过的电流是由离子流和电子流组成，但电子与离子的比例是99.9%:0.1%。但每瞬间，每单位体积内正负带电粒子数相同。使弧柱对外界呈现中性，具有焊接要求的大电流低电压的特点。,第1节 焊接电弧的导电机理 电弧各区的组成,阴极区导电机构 任务：向弧柱区提供所需要的电子流，接受弧柱来的正离子流。 完成任务的途径 阴极区导电机构可有三种不同形式： 热发射型阴极区导电机构：当采用W、C等
11、高熔点材料且电流较大时，弧柱所需要的电子主要是由热发射来提供的； 电场发射型导电机构：W、C为电极，但电流较小时，或低熔点材料电极时，主要以电场发射为主产生电子。 等离子流型导电机构：阴极不能热发射时，前面出现一高温区，产生热电离，使阴极不发射电子而接受正离子，向弧柱区提供电子的任务由热电离完成,第1节 焊接电弧的导电机理 电弧各区的组成,阳极区导电机构 任务：接受电子，向弧柱提供正离子； 完成任务的途径： 阳极区电场作用下的电离； 阳极区的热电离：当电流密度大时，阳极温度高而发生强烈蒸发，高温的金属蒸气产生热电离以提供正离子。 阴、阳极斑点定义是什么？ 阴、阳极表面电流密度大，面积小的集中导
12、通电流的区域。,第1节 焊接电弧的导电机理 电弧各区的组成,关于“ 阴极斑点” 当阴极材料熔点、沸点较低、导热性很强时，即使阴极温度达到材料的沸点，此温度也不足以通过热发射产生足够数量的电子，阴极将进一步自动缩小其导电面积，直至阴极导电面积前面形成密度很大的正离子空间电荷和很大的阴极压降，足以产生较强的电场发射，补充热发射的不足，向弧柱提供足够的电子流。此时阴极将形成面积更小、电流密度更大（达5105107A/cm2 ）的斑点来导通电流，这种导电斑点称阴极斑点。 用高熔点材料（C 、W 等）作阴极时，只有在电流很小、阴极温度很低的情况下，才可能产生这种阴极斑点。而当用低熔点材料（Al 、Cu
13、、Fe 等）作阴极时，大小电流时均属会产生阴极斑点。,第1节 焊接电弧的导电机理 电弧各区的组成,阴极表面将由许多分离的斑点组成阴极斑点区。这些斑点在阴极斑点区以很高的速度跳动，自动选择有利于场发射和热发射条件的点。电弧通过这些点提供电子时，阴极消耗的能量最低。 阴极表面上热发射性能较强的物质有吸引电弧的作用，阴极斑点有自动跳向温度高、热发射性强物质上的性能。 如果金属表面有低逸出功的氧化膜存在时，阴极斑点有自动寻找氧化膜的倾向。铝合金焊接时去除氧化膜作用，就是由阴极斑点的这种特性决定的。,第1节 焊接电弧的导电机理 电弧各区的组成,关于“ 阳极斑点” 当采用低熔点材料（Fe 、Cu 、Al
14、等）作为阳极，一旦阳极表面某处有熔化和蒸发现象产生时，由于金属蒸气的电离能大大低于一般气体的电离能，在有金属蒸气存在的地方，更容易产生热电离而提供正离子流，电子流更容易从这里进入阳极，阳极上的导电区将在这里集中而形成阳极斑点。阳极斑点电流密度的数量级一般102103A/cm2 。 低熔点阳极材料形成阳极斑点的条件，首先是该点有金属的蒸发，其次是电弧通过该点时弧柱消耗能量较低。 当金属表面覆盖氧化膜时，与阴极斑点的情况相反，阳极斑点有自动寻找纯金属表面而避开氧化膜的倾向。因为大多数金属氧化物的熔点和沸点皆高于纯金属，且金属氧化物的电离电压较高。,第1节 焊接电弧的导电机理 焊接电弧属性及特点,电
15、弧最小电压原理是什么？ 在给定电流和周围条件的一定的情况下，电弧稳定燃烧时，其导电区的半径（或温度），应使电弧电场强度具有最小的数值。就是说电弧具有保持最小能量消耗的特性。这已为理论推导及许多实际现象所证明。 最小电压原理也决定着电弧其它区域（阴极区、阳极区）的E 、温度及导电端面的自行调节作用，以达到在一定条件下向外界散失热量最小。 利用最小电压原理可以解释电弧过程中的许多现象。例如当电弧被周围介质强迫冷却时，因周围环境从电弧取走更多热量，要求电弧产生更多热量来补偿。按最小电压原理，电弧要自动缩小断面，减少散热，使之与外界散热相平衡。但断面又不能收缩得过小，否则电流密度大而使E 增加太多，电弧自动调整可使E 增加到最小数值,电弧静特性物理意义是什么？ 电弧稳定燃烧时，电流与电压间的关系。,第1节 焊接电弧的导电机理 焊接电弧属性及特点,影响电弧静特性的因素 电弧长度的影响 当电流一定时，电弧长度增加，电弧电压随之增加 周围气体介质的影响 气体的电离电位不同； 气体的热物理性能不同； 周围气体介质压力的影响 其它条件不变，气体介质的压力增加使粒子密度增加，气体粒子能过散乱运动从电弧带走的热量增加，对电弧的冷却作用增加，而使电弧电压增加,
