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第一章 电弧焊基础知识
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第一节 焊接电弧
说明
1、Ui为实效电离电压，主要取决于电离电压较低的气体
成分，例如焊条药皮中加K、Na、Ca稳弧。 CO2、N2气氛电
弧电压和电弧温
2、气氛中的多原子气体电离前首先解离。 度比Ar气氛高。
3、弧柱区温度为5000～30000K，热电离是其产生带电 粒子的最主要途径。
处逸出，形成阴极 斑点。如铝合金的
阴极雾化 13
第一节 焊接电弧
阴极电子发射机构可分为 ：
对电极有 冷却作用
（1）热发射 阴极表面因受到热作用而使其内部的自由电 子热运动加剧，动能增加，当一部分电子的动能大于大 于逸出功时，则飞出到表面外的空间中去而产生的电子 发射现象。
热发射电子流密度：i=AT2exp(-eUω/kT) 热阴极电弧：热发射强弱受到阴极材料沸点的影响，沸 点高的钨或碳做阴极时，电极可以被加热到比较高的温 度，通过热发射可以提供足够多的电子。
第一章 电弧焊基础知识
第一章 电弧焊基础知识
学习目标
1、掌握焊接电弧的物理基础；
2、深入了解焊接电弧的主要工艺特性；
3、明确焊丝熔化与熔滴过渡的过程以及母材熔化与焊 缝成形的基本规律等。
主要内容
第一节 焊接电弧
第二节 焊接电弧中的能量平衡及电弧力
第三节 磁场对电弧的作用
第四节 焊丝的熔化及熔滴过渡
第五节 2020/10/9 母材熔化和第焊一章缝电成弧焊形基础知识
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第一节 焊接电弧
电弧是所有电弧焊方法的能源，能有效而简便地把弧焊电 源输送的电能转换成焊接过程所需要的热能和机械能。
一、焊接电弧的导电特点
电弧是一种气体放电现 象，是指两电极存在电
位差时，电荷通过两电
极之间气体空间的一种
导电现象。电能转换为 热能、机械能和光能。
第一节 焊接电弧
电离种类
❖ 热电离：气体粒子受热作用而产生的电离过程。
实质：气体粒子的热运动形成频繁而激烈的碰撞
气体热电离的电离度：单位体积内被电离的粒子数与气
体电离前粒子总数的比率。
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
1
x2 - x2
P
3.16 10-7 T
2.5
exp（-
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第一节 焊接电弧
❖ 电场作用下的电离——场致电离
定义：在两电极间电场的作用下，气体中的带电粒子被
加速，电能转化为带电粒子的动能，当带电粒子的动能 达到一定数值时，则可能与中性粒子发生非弹性碰撞而 使之电离。
场致电离发生的位置
主要是两极区，由于在这两个区域内电场强度可达 105～107V/cm 弧柱区电场强度为：10V/cm左右，电场作用不明显 场致电离中电子起主要作用。
500nm
气体
K
Na
Al Ca Mg Cu Fe
O
H CO N Ar He
电离能 (eV)
4.3
5.1 5.96 6.1 7.61 7.7
7.8 13.5 13.5 14.1 14.5 15.7 24.5
临界波 长(nm) 287.4 242.3 207.3 202.6 162.4 160.5 158.5 91.5 91.5 87.6 85.2 78.7 50.4
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第一节 焊接电弧
气体导电与金属导电的比较
气体
金属
不含自由移动带电粒子； 所有粒子都可以自由移动
含自由移动带电电子； 离子不可以自由移动
不呈现导电性
呈现导电性
气体导电必须具备两个基本条件：两电极之间有带电粒子；
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两电极之间有电场。
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第一节 焊接电弧
电弧产生的必要条件
焊接电弧导电示意图
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第一节 焊接电弧
气体导电时，导电部分的电压与电流不遵循欧姆定律。
电弧的特点： 低电压、大 电流、温度 高、亮度大
金属导电伏安特性
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气体导电伏安特性
Ⅰ－非自持放电 Ⅱ－自持放电 Ⅲ－辉光放电 Ⅳ－电弧放电
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外加能量可以通过碰撞和光辐射两种方式传递给中性气体
粒子。
电弧本身制造带电粒子维
持其导电的最主要途径。
碰撞传递：只有非弹性碰撞才产生电离过程。
光辐射传递：气体粒子接受光量子形式施加的能量，产生 激励或电离，超过电离能部分转换为电离生成电子的动能。
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次要途径
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第一节 焊接电弧
（二）电子发射
电极表面受到外加能量的作用，使其内部的电子冲破电极 表面的束缚而飞到电弧空间的现象。
使一个电子从金属表面飞出所需要的最低外加能量称为逸
出功（Wω）。
几种金属及其氧化物的逸出功
金属
W
Fe
Al
Cu
K
Ca Mg
纯金属 4.54 4.48 4.25 4.36 2.02 2.12 3.78
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第一节 焊接电弧
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稳弧剂：电离电压低、
易电离的元素
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第一节 焊接电弧
当中性粒子受外来能量作用其能量还不足以使电子完全脱 离气体原子或分子，但可能使电子从较低的能级转移到较 高的能级时，则中性粒子内部的稳定状态也被破坏，这种 状态称为激励。
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第一节 焊接电弧
❖ 光电离
定义：中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电离。
范围：电弧的辐射只可能对K、Na、Ca、Al等金属蒸气直
接引起电离，而对焊接电弧气氛中的其他气体则不能直接
引起电离。
光电离是产生带电粒子的次要途径。
常见气体光电离的临界波长
电弧的光辐射 波长在170～
电弧中带电粒子的产生过程
电弧的带电粒子主要依靠气体的电离和电极发射电子产生。
（一）气体电离 在外加能量作用下，中性气体分子或原子分离成正离子和电子
的现象。 使中性气体粒子失去第一个电子所需要的最低外加能量称
为第一电离能，生成的正离子称为一价正离子，这种电离 称为一次电离。电离能转换为数值上相等的电压来表示则 为电离电压或电离势。
逸出功(eV)
氧化物
3.92 3.9 3.85 0.46 1.8 3.31
钨极成分 逸出功(eV)
W W-Cs W-Ba W-Th 4.54 1.36 1.56 2.63
钨极加入Th、Cs等成
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分提高电子发射能力 和改善工艺性能。
第一章 电弧焊基础知识
W-Zr 氧化物逸出功较低， 3.14 电子容易从氧化膜