焊接电弧的物理基础

第一章电弧焊基础知识一、教学目的：能正确认识焊接电弧中带电粒子的产生原理了解焊接电弧的工艺特性及电弧力的种类了解阴极斑点及阳极斑点的定义了解熔滴上的作用力掌握熔滴过渡的主要形式及其特点能正确认识焊缝形成过程了解焊接工艺参数对焊缝成形的影响了解焊缝成形缺陷的产生及防止二、教学重点：焊接电弧中带电粒子的产生原理熔滴过渡的主要形式及其特点焊接工艺参数对焊缝成形的影响三、教学难点：电离和激励极斑点及阳极斑点最小电压原理焊缝成形缺陷的产生及防止四、参考学时数：4～6学时五、主要教学内容：第一节焊接电弧一、焊接电弧的物理基础（一）电弧及其电场强度分布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。

电弧有三个部分构成：阴极区、阳极区、弧柱区。

（二）电弧中带电粒子的产生1、气体的电离在外加能量作用下，使中性的气体分子或原子分离成电子和正离子的过程称为气体电离。

其本质是中性气体粒子吸收足够的能量，使电子脱离原子核的束缚而成为自由电子和正离子的过程。

电离种类：（1）热电离气体粒子受热的作用而产生电离的过程称为热电离。

其本质为粒子热运动激烈，相互碰撞产生的电离。

（2）场致电离带电粒子在电场中加速，和其中的中性粒子发生非弹性膨胀而产生的电离。

电离程度：电离度：单位体积内电离的粒子数浴气体电离前粒子总数的比值称为电离度。

（3）光电离中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电离过程称为光电离。

2、阴极电子发射（1）电子发射：阴极中的自由电子受到外加能量时从阴极表面逸出的过程称为电子发射。

其发射能力的大小用逸出功A w表示。

（2）阴极斑点阴极表面光亮的区域称为阴极斑点。

阴极斑点具有“阴极清理”（“阴极破碎”）作用，原因：由于氧化物的逸出功比纯金属低，因为阴极斑点会移向有氧化物的地方，将该氧化物清除。

（3）电子发射类型1）热发射阴极表面受热引起部分电子动能达到或超过逸出功时产生的电子发射。

热阴极以热发射为主要的发射形式。

模块二 教学单元一 电弧基础知识电子讲义1、教学方案设计二、学习目标任务1、掌握电弧的本质、基本概念和作用2、理解电弧的构造及电弧三个区的特点3、掌握电弧静特性的概念及规律4、了解电弧力及其特性5、掌握焊接电弧引燃的技巧6、掌握稳定焊接电弧的方法三、学习指导一、焊接电弧的物理基础（一）电弧及其电场强度分布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。

要使两电极之间的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。

（二）电弧中带电粒子的产生电弧两极间带电粒子产生的来源有：中性气体粒子的电离、电极的电子发射负离子形成等。

1．气体的电离（1）电离与激励 在外加能量作用下，使中性的气体分子或原子分离成电子和正离子的过程称为气体电离。

气体电离的实质，是中性气体粒子(分子或原子)吸收足够的外部能量，使得分子或原子中的电子脱离原子核的束缚而成为自由电子和正离子的过程。

（2）电离种类 根据外加能量来源的不同，气体电离种类可分为以下几种：1) 热电离2) 场致电离3) 光电离2.阴极电子发射在电弧焊中，电弧气氛中的带电粒子一方面由电离产生，另一方面则由阴极电子发射获得。

两者都是电弧产生和维持不可缺少的必要条件。

由于从阴极发射的电子，在电场的加速下碰撞电弧导电空间的中性气体粒子而使之电离，这样就使阴极电子发射充当了维持电弧导电的“原电子之源”。

因此，阴极电子发射在电弧导电过程中起着特别重要的作用。

电子发射的类型1) 热发射2) 场致发射3) 光发射4）粒子碰撞发射二、焊接电弧的分区及特性在焊接电弧的弧柱区、阴极区和阳极区三个组成区域中，它们的导电特性是各不相同的。

(一) 弧柱区的导电特性当电弧长度也为定值时，电场强度的大小即代表了电弧产热量的大小，因此，能量消耗最小时的电场强度最低，即在固定弧长上的电压降最小。

这就是所谓的最小电压原理。

(二)阴极区的导电特性阴极区是指靠近阴极的很小一个区域，在电弧中，它有两方面的作用：一方面向弧柱区提供电弧导电所需的电子流；另一方面接受由弧柱传来的正离子流。

电弧中带电粒子的产生方式电弧是一种高温高能量的现象，是电流在介质中流动时产生的。

在电弧中，带电粒子的产生方式十分复杂，涉及到许多物理过程。

本文将介绍电弧中带电粒子的产生方式及其物理原理。

一、电弧的基本概念电弧是指两个电极之间，由于电流的作用产生的一种放电现象。

在电弧中，电流通过电极，使电极表面产生高温、高能量的等离子体，形成一条带电的气体通道，这条通道即为电弧。

电弧可以产生强烈的光和热，能够将金属等物质熔化和汽化。

二、电弧中带电粒子的产生方式1. 离子化在电弧中，当电极上的电子受到电场的作用，能量足够大时，就会从原子或分子中脱离出来，形成带电离子。

这个过程称为离子化。

离子化是电弧中带电粒子产生的最基本方式。

2. 电子碰撞在电弧中，带电离子与未带电原子或分子相互碰撞，使原子或分子失去电子，形成带电离子。

这个过程称为电子碰撞。

3. 电子复合在电弧中，带电离子与带负电的电子相互碰撞，使电子与离子复合成原子或分子，释放出能量。

这个过程称为电子复合。

4. 电子振荡在电弧中，电场的作用使电子在原子或分子中做振荡运动，电子的能量足够大时，就会从原子或分子中脱离出来，形成带电离子。

这个过程称为电子振荡。

三、电弧中带电粒子的物理原理电弧中带电粒子的产生方式涉及到许多物理原理，其中最重要的是电离作用、电子碰撞和电子复合。

1. 电离作用电离作用是电弧中带电粒子产生的基础。

在电弧中，电场的作用使电子获得足够的能量，从原子或分子中脱离出来，形成带电离子。

电离作用是电弧中带电粒子产生的必要条件。

2. 电子碰撞电子碰撞是电弧中带电粒子产生的重要方式之一。

在电弧中，带电离子与未带电原子或分子相互碰撞，使原子或分子失去电子，形成带电离子。

电子碰撞是电弧中带电粒子产生的主要方式之一。

3. 电子复合电子复合是电弧中带电粒子产生的重要方式之一。

在电弧中，带电离子与带负电的电子相互碰撞，使电子与离子复合成原子或分子，释放出能量。

电子复合是电弧中带电粒子产生的重要机制之一。

《焊接工程基础》知识要点复习第一章电弧焊基础知识及第二章焊丝的熔化和熔滴过渡一焊接的概念：通过适当的物理化学过程（加热或者加压，或者两者同时进行，用或不用填充材料）使两个分离的固态物体产生原子（分子）间结合力而连接成一体的连接方法。

二电弧的概念：电弧是在一定条件下电荷通过电极间气体空间的一种导电过程，或者说是一种气体放电现象。

三电弧中带电粒子的产生:电弧是由两个电极和它们之间的气体空间组成。

电弧中的带电粒子主要依靠两电极之间的气体电离和电极发射电子两个物理过程所产生的，同时也伴随着解离、激励、扩散、复合、负离子的产生等过程。

四电离与激励（一)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称为电离.电离的种类： 1 .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称为热电离。

2. 电场电离：带电粒子从电场中获得能量，通过碰撞而产生的电离过程称为电场作用下的电离。

3.光电离: 中性粒子接受光辐射的作用而产生的电离现象称为光电离。

（二）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.1、热发射金属表面承受热作用而产生的电子发射现象.热阴极：W、C 电极的最高温度不能超过沸点；冷阴极：Fe，Cu，Al,Mg等。

影响因素：温度、材质、表面形态2、电场发射：当金属表面空间存在一定强度的正电场时，金属内的自由电子受此电场静电库伦力的作用,当此力达到一定程度时，电子可飞出金属表面，这种现象称电场发射。

对低沸点材料，电场发射对阴极区提供带电粒子起重要作用。

影响因素：温度、材质、电场大小3、光发射：当金属表面接受光辐射时，也可使金属表面自由电子能量增加，冲破金属表面的约束飞到金属外面来,这种现象称为光发射。

4、粒子碰撞发射：高速运动的粒子（电子或离子)碰撞金属表面时,将能量传给金属表面的自由电子，使其能量增加而跑出金属表面，这种现象称为粒子碰撞发射。

在一定条件下，粒子碰撞发射是电弧阴极区提供导电所需电子的主要途径。

第1章焊接电弧及其电特性1 气体原子的电离使电子完全脱离原子核的束缚，形成离子和自由电子的过程为电离。

由原子形成正离子所需的能量称为电离能。

2 电离的形式在焊接电弧中，根据引起电离的能量来源，有如下三种电离形式：(1) 撞击电离； (2) 热电离； (3) 光电离。

2 电子发射在阴极表面的原子或分子，接受外界的能量而释放出自由电子的现象称为电子发射。

电子发射是引弧和维持电弧稳定燃烧的一个很重要的因素。

按其能量来源的不同，可分为热发射，光电发射，重粒子碰撞发射和强电场作用下的自发射等3 焊接电弧的引燃 1 接触引弧即是在弧焊电源接通后，电极（焊条或焊丝）与工件直接短路接触，随后拉开，从而把电弧引燃起来。

这2 非接触引弧它是指在电极与工件之间存在一定间隙，施以高电压击穿间隙，使电弧引燃。

4 交流电弧的特点；电弧周期性地熄灭和引燃交流电流每当经过零点并改变极性时，电弧熄灭、电弧空间温度下降。

电弧电压和电流波形发生畸变。

热惯性作用较为明显。

5影响交流电弧稳定燃烧的因素z 空载电压z 引燃电压z 电路参数z 电弧电流--z 电源频率 fz 电极的热物理性能和尺寸6 提高交流电弧稳定性的施z 为了提高交流电弧的稳定性，在焊接电源方面除了焊接回路要有足够大的电感量之外，还可以采用如下措施：（1）提高弧焊电源频率；（2）提高电源的空载电压；但不应该太高（3）改善电弧电流的波形；如改为矩形波（4）叠加高压电。

7交流电弧的分类（1）按电流种类可分为：交流电弧、直流电弧和脉冲电弧(包括高频脉冲电弧)。

（2）按电弧状态可分为：自由电弧和压缩电弧。

（3）按电极材料可分为：熔化极电弧和不熔化极电弧。

第2章对弧焊电源的基本要求1弧焊工艺对弧焊电源的要求（1）保证引弧容易；（2）保证电弧稳定；（3）保证焊接规范稳定；（4）具有足够宽的焊接规范调节范围。

2 “电源一电弧”系统的稳定性（1）系统在无外界因素干扰时，能在给定电弧电压和电流下，维持长时间的连续电弧放电，保持静态平衡。