电压降与电场强度、电流密度、电导率 的关系？ 阴极斑点和阳极斑点？
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1.3 焊接电弧的构造及其导电机构
1.3.2 焊接电弧的导电机构 电弧各区粒子流的构成
从图中看到：I = Ie + Ii 但是各区中Ie/Ii的比例不一样。 0.1％正离子流和99.9％电子流
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1.1电弧物理基础-气体放电与焊接电弧 1.1.1 电弧的物理本质
焊接电弧的产生 电弧是一种气体放电现象，它 是带电粒子通过两电极之间气体空 间的一种导电过程。 气体导电必须具备两个条件： ① 两电极之间有带电粒子； ② 两电极之间有电场。 带电粒子在电场 作 用 下运动形 成 电 流 ， 从而 使两电极之间的气体 空间成为导体，也就形成了电弧。
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1.2焊接电弧的产生过程(引燃)
电弧引燃分为接触式和非接触式两种 1.2.1 非接触式引弧
根据引弧电压特点又有: 高压脉冲式引弧和 高压脉冲式引弧 高频震荡式引弧
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3000-5000v
第一章 焊接电弧
Weld Arc
燕山大学 材料科学与工程学院 金属材料工程系
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本章主要内容
Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø
焊接电弧物理基础 焊接电弧的产生过程 电弧构造及其导电机构 焊接电弧的电特性 电弧的产热及温度分布 电弧力及其影响因素 电弧的稳定性及其影响因素
热发射：主要形状 光电发射 负离子 激发能 气体原子激发 电离能 电离电压 电离 离子(+） 电子发射 重粒子撞击发射 维 持 ？ 电 弧 电场作用下的自发射 焊接电弧
动态平衡 场 至 电 离 热 电 离 光 电 离 复合
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电子发射
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1.1电弧物理基础
负离子的产生
在一定条件下，中性粒子或分子可以吸附一个电子而成为 负离子。形成负离子倾向取决于其与电子的亲和能。
几种原子的电子亲和能
原子种类 电子亲和能(eV) F 3.94 Cl 3.70 O 3.8 H 0.76 Li 0.34 Na 0.08 N 0.04
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电离种类
n
热电离：是弧柱区产生带电粒子的主要 途径。 场至电离：阴极区和阳极区的电场强度 非常高，高达105~107V/cm，气体电离 以电场作用下的电离为主。 光电离：次要途径。
n
碰撞电离
Ca 2.12 1.8
Mg 3.78 3.31
钨及其合金钨极的逸出功
钨的成分 逸出功(eV) w 4.54 W-Cs 1.36 W-Ba 1.56 W-Th 2.63 W-Zr 3.14
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1.1电弧物理基础
各导电区电弧电流的构成
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1.3 焊接电弧的构造及其导电机构
1.3.2 焊接电弧的导电机构 1 阴极区的导电特点
阴极的作用：接受正离子和发射电子 阴极电子产生机构： Ø阴极表面的热电子发射、电场发射、碰撞发射 Ø局部等离子体阴极产生热电离 热阴极（钨、碳等）：热发射 冷阴极（铁、铝等）：电场发射 碰撞发射 等离子体导致热电离
温度最高
1.1电弧物理基础－电弧中带电粒子产生过程
电离与激励
基本概念：一次电离、二次电离；激励能
外界能量——碰撞和光辐射
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电离与激励
基本概念： 电离能 (eV) —— 使电子脱离原子束缚所需要的最低能量值 电离电压(V) —— 把以电子伏特为单位的能量转换为数值相等的电压值 常见粒子的电离电压
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1.1电弧物理基础
扩散和复合
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1.1电弧物理基础
电弧中各种粒子的产生及相互关联图
采取非接触引弧有两项原因: 一是不允许电极与工件接触; 二是电极无法与工件接触 非接触式引弧是指在电极和工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,常见于钨极氩弧焊和等离子弧焊.
引弧电压的施加方式有并联引弧和串联引弧两种，并联方式是直接把 引弧电压接续到电极和工件上．串联方式是把引弧电压串联到焊接主 回路中, 通过变压器回路或旁路电容施加到电极和工件. 实践表明，串 联方式引弧效果好，而且主回路构成简单．不需要有大的电抗器．在 目前的焊机中被广泛采用。
电子发射是阴极特有的一种带电粒子的产生过 程，是电源持续向电弧供给能量的唯一途径。
热发射-电子电流密度是温度的函数 电场发射-电子电流密度是电场强度的函数 光发射 粒子碰撞发射
电子发射种类
实际焊接中往往是多种电子发射机构共同完成电子发射的任务。
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电离种类
正离子获得的能量： Wk=λEe λ－平均自由行程 E－电场强度 e－一个电子的电荷量
1
U1
电子、离子和中性粒子 平均自由行程之比为： λe:λi:λg=4.56:1.41:1 电子的贡献最大； 两极区的贡献最大；
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1.1焊接电弧基础-气体放电与焊接电弧
焊接电弧的放电过程是可 控的，不同电弧焊方法中 的电弧放电本质相同。
自然界的雷电就是最常见的气体放电现 象，但是其很难被人类控制并利用。
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n
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电离种类
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1.1电弧物理基础
一价电离度表达式：（教材中单一气体的公式与下式的相似处）
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1.1电弧物理基础-气体放电与焊接电弧 1.1.1 电弧的物理本质
电压最低
非自持放电
自持放电
电流最大 非自持放电：在较小的电流区间，气体导电所需要的带电粒子不能通过导电过程 非自持放电：在较小的电流区间，气体导电所需要的带电粒子不能通过导电过程 本身产生而需要外加措施来造成带电粒子(加热，施加一定能量的光量子等)。 这种气体导电现象称为非自持放电。
L 2
E
U2
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电离种类
产生光电离的条件：
h γ ≥ e Ui
λ0=1236∗(1/Ui) λ0－临界光辐射波长（nm） Ui－电离电压（V）
常见气体电离的临界波长
气 体 K
4.8 287.4
Na
自持放电： 当 电流 大 于 一定数值时 ， 取消外加诱发措施，放电过程 仍可以继 续下 发光最强 去，放电过程自身可以产生维持放电所需要的带电粒子，这种放电现象称为自 持放电。 电弧放电的特点：电弧是自持放电中 ：电弧是自持放电中
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5.1 242.3
Al
5.69 207.3
Ca
6.1 202.6
Mg
7.61 162.4
Cu
7.7 160.6
Fe
7.8 168.6
O
13.5 91.5
H
13.5 91.5
CO
14.1 87.6
N
14.5 85.2
Ar
15.7 78.7
He
24.5 50.4
电离能(eV) 临界波长(nm)
这些气体光电离所要求的临界波长皆在紫外线光谱区内0.8-400nm 可见光的光辐射波长在400-700nm区间，几乎对所有气体都不能直接引起光电离 电弧的光辐射波长在170-500nm区间，包括红外线、可见光和紫外线 对小临界波长或处于激励状态的大临界波长气体粒子可直接电离，是电弧产生 带电粒子的一个次要途径。
式中 #p— 实效 电离 度压 ：力(大气压)；
T — 温度(K)； 如果某 气体中 有 Vi — 电 离电压混 (V) ；其他 成分 时 ，此 时 电子 密度 与电离 前中性粒子 密度 z+ —离 子的 内部分配函数 ； z比值 —原 子的内部分配函数； 的 。 h — 普朗克常数 =6.626×10-34(J·s)； 混合 实效 电离电 压主 要 取决； k —气体的 玻尔兹曼 常数 =1.380 ×10-23(J/K) 于 其 中电离电 压=9.109 较 低的气体成分， m e— 电子质量 ×10-31(kg)； 这 稳弧剂 机 理。 e也 —是 电子电 荷的作用 =1.602 × 10-19(C)。