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焊接电弧的物理本质
学习
目标
— * —
掌握焊接电弧的物理特性。
能够分析说明焊接电弧的工艺特性。
能够明确作为填充材料的焊丝熔化特性与熔滴过渡的方式。
掌握母材熔化与焊缝成形的基本规律。
焊接电弧（Welding Arc）能有效而简便地把电能转化成
热能（熔化焊接材料和母材等）
机械能（形成电弧吹力，搅拌熔池，促进熔滴过渡等）
光能（弧光强，需要防护面罩）
了解焊接电弧物理本质和能量转化规律，对于有效发挥电弧在焊接中的作用具有重要意义
1.1焊接电弧的物理本质
焊接电弧是一种气体放电现象。在一定条件下电荷（带电粒子）通过两极之间气体空间的导电过程。
想一想，所有的气体放电现象都是电弧吗？
1.1焊接电弧的物理本质
电弧
两电极之间气体导电条件：
必须要有带电粒子
电场
1.1焊接电弧的物理本质
电弧
非自持放电：放电本身不能产生导电所需的带电粒子。
自持放电：放电本身能产生导电所需的带电粒子；有暗放电、 辉光放电、 电弧放电等三种。
在焊接电弧燃烧过程中，呈现出电压低、电流大、温度高、发光强的特点。
1.1焊接电弧的物理本质
1.1.2气体电离
2.带电离子的产生
两电极之间必须有带电粒子和一定强度的电场。
电弧中带电粒子：电子、正离子、负离子
引燃电弧和维持电弧燃烧的带电粒子：电子和正离子；
带电粒子主要依靠电弧中气体电离和阴极电子发射两个物理过程产生的
在电弧引燃和燃烧过程中，除了存在电离和发射这两个过程外，还伴有气体解离、激励、生产负离子、复合等过程。
1.1焊接电弧的物理基础
2.带电离子的产生
1.1焊接电弧的物理基础
不同物质的原子拥有的电子数不同，都严格按照一定规则一层一层原子核周围，处在一定管道上运动，越外层轨道的电子能级越高。
2.带电离子的产生
（1）气体电离
解离：有多原子构成的气体分子就会分解为原子状态的过程。
1）电离与激励
（1）气体电离：在外加能量的作用下使中性的气体分子或原子分离成正离子（A+ ）和电子（e）的过程。
A → A+ + e - Wi
电离能：原子或分子电离所需要的能量 单位为ev 或J
电子伏：一个电子被1V的电压所加速得到的能量。
电离电压：电离能/电子带电量。
一次电离：A→A++e 二次电离：A+→A+++e
A+
+
A
e
1.1焊接电弧的物理基础
想一想
分子状态的气体可以直接被电离吗？
气体电离电压的大小代表什么？
来找一找电离电压低的元素吧！
电离电压越小带电粒子越容易产生，越有利于维持电弧稳定燃烧。
1.1焊接电弧的物理基础
1）电离与激励
激励：当中性气体粒子受外加能量作用而不足以使其电离时，但可能使其内部的电子从原来的能级跃迁到较高的能级，这种现象叫激励。
激励能：所需的最小外加能量叫激励能We。
激励能电压：We/e。
激励电压越小，这种气体分子或原子越容易发生激励
A
e
h eUi
1.1焊接电弧的物理基础
2）电离的种类
热电离：气体粒子受热的作用而产生电离
实质：中性粒子热运动，通过与电子碰撞，接收电子能量而电离。
场致电离：A+、e在电场作用下被加速、与A碰撞使其电离的过程。
主要是e的作用
光电离：A直接捕捉光量子并吸收其能量而电离。
波长越小越易促进光电离，电弧波长包括红外线、紫外线、可见光、可使Al、K、Na原子光电离。但不能使Ar、He、 Fe等电离。
1.1焊接电弧的物理基础
1.1.3阴极发射
带电粒子主要依靠电弧中气体电离和阴极电子发射两个物理过程产生的
阴极由哪些材料组成？
阴极一般是金属材料，包括钨、钢、铝、铜、钛及其合金
金属材料内部有自由电子吗？
1.1焊接电弧的物理基础
1.1焊接电弧的物理基础
金属中的电子与电子之间的相互作用非常小，通常可以把它们看作是无相互作用的自由电子（相互作用力非常弱，就意味着没有束缚、可以自由移动，因此金属中的电子是自由的）
2.阴极电子发射
电子发射：阴极中的自由电子受到一定的外加能量作用时，从阴极表面逸出的现象。
阴极电子发射和气体电离一样，是电弧产生和维持的重要条件。
逸出功：电子发射所需的最小能量。
逸出功越小，引弧越容易，电弧稳弧性越好。
1.1焊接电弧的物理基础
2.阴极电子发射
逸出功：电子发射所需的最小能量。
逸出功越小，引弧越容易，电弧稳弧性越好。
主要影响因素：
材料， K、Na的逸出功较低。
表面状态：有氧化物时，逸出功降低
钨棒里添加钍、铈的氧化物可降低逸出功。
1.1焊接电弧的物理基础
强调：阴极斑点
阴极斑点：阴极上导通电流的一些烁亮的弧斑点。
产生条件：
W、C阴极且I很小，斑点不动
Al、Fe、Cu作阴极，斑点不规则游动
某点充当阴极斑点的条件
电弧通过该点时耗能最小（氧化物处逸出功低）
该点能发射电子
特点：
电流密度大、温度高
跳跃性及粘着性
存在斑点力：蒸发反力、A+的撞击力
自动寻找氧化膜，该点对于铝、镁及其合金的焊接是非常重要的
1.1焊接电弧的物理基础
3.电子发射的类型
①热发射：在热量的作用下产生的发射
产生条件：阴极温度足够高
特点：对阴极有冷却作用，这一点对TIG焊具有重要意义。可提高W极的载流能力。
②场致发射：金属表面的电子在电场力的作用下逸出的现象。
特点：对阴极的冷却作用较小。
库仑力
——
1.1焊接电弧的物理基础
3.电子发射的类型
③光发射：当金属表面受到光幅射作用时，金属内的自由电子能量达到一定程度而逸出金属表面的现象。实际电弧中产生光发射的可能性很小。
④粒子碰撞发射：高速运动的粒子（A+）碰撞金属表面时，将能量传给金属表面的电子，使其能量增加飞出金属表面，产生电子的碰撞发射。
库仑力
——
1.1焊接电弧的物理基础
电子发射的形式常常同时存在，相互补充

热阴极型且电流较大时，热发射为主；
冷阴极型时，场致发射为主；
阴极去前有大量正离子聚积，形成具有一定强度的电场：粒子碰撞发射为主。
1.1焊接电弧的物理基础

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