第1章 焊接电弧

第一章第一章焊接电弧焊接电弧WeldArcWeldArc燕山大学燕山大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院金属材料工程系金属材料工程系PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿ焊接电弧基础焊接电弧基础--气体放电与焊接电弧气体放电与焊接电弧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。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。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿ昂ÿ焊接电弧基础焊接电弧基础--气体放电与焊接电弧气体放电与焊接电弧气体在电场和热场作用下产生电离，电离气体在电场和热场作用下产生电离，电离后所处空间由阳离于及电子这样的带电粒子、原后所处空间由阳离于及电子这样的带电粒子、原子及分子这样的中性粒子所构成，电离气体具有子及分子这样的中性粒子所构成，电离气体具有与通常状态下的气体所不同的性质，被称作与通常状态下的气体所不同的性质，被称作等离等离子体子体(plasma)(plasma)。。物理学中的等离子体是指含有带电粒子的电物理学中的等离子体是指含有带电粒子的电中性的粒子集团，是继固体，液体．气体之后的中性的粒子集团，是继固体，液体．气体之后的物质的第物质的第44种存在状态，以高导电特性为特征。种存在状态，以高导电特性为特征。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建昂ÿ焊接电弧的产生焊接电弧的产生电弧是一种气体放电现象，它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是带电粒子通过两电极之间气体空间的一种导电过程。间的一种导电过程。气体导电必须具备两个条件：气体导电必须具备两个条件：①①两电极之间有带电粒子；两电极之间有带电粒子；②②两电极之间有电场。两电极之间有电场。带电粒子在电场作用下运动形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。空间成为导体，也就形成了电弧。1.11.1电弧物理基础电弧物理基础--气体放电与焊接电弧气体放电与焊接电弧1.1.11.1.1电弧的物理本质电弧的物理本质PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建昂ÿ电弧的物理本质电弧的物理本质非自持放电：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。这种气体导电现象称为非自持放电。自持放电：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。持放电。电弧放电的特点：电弧放电的特点：电弧是自持放电中电弧是自持放电中自持放电非自持放电电压最低电压最低电流最大电流最大温度最高温度最高发光最强发光最强PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建电弧物理基础－电弧中带电粒子产生过程电弧物理基础－电弧中带电粒子产生过程电离与激励外界能量外界能量————碰撞和光辐射碰撞和光辐射基本概念：一次电离、二次电离；激励能基本概念：一次电离、二次电离；激励能PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿ基本概念：基本概念：电离能电离能((eVeV))————使电子脱离原子束缚所需要的最低能量值使电子脱离原子束缚所需要的最低能量值电离电压电离电压(V)(V)————把以电子伏特为单位的能量转换为数值相等的电压值把以电子伏特为单位的能量转换为数值相等的电压值电离与激励电离与激励常见粒子的电离电压常见粒子的电离电压PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建昂ÿ热电离：热电离：是弧柱区产生带电粒子的主要是弧柱区产生带电粒子的主要途径。途径。nn场至电离：场至电离：阴极区和阳极区的电场强度阴极区和阳极区的电场强度非常高，高达非常高，高达101055~10~1077V/cmV/cm，气体电离，气体电离以电场作用下的电离为主。以电场作用下的电离为主。nn光电离：光电离：次要途径。次要途径。碰撞电离碰撞电离电离种类PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建3昂ÿ电弧物理基础电弧物理基础式中#p—压力(大气压)；T—温度(K)；Vi—电离电压(V)；z+—离子的内部分配函数；z—原子的内部分配函数；h—普朗克常数=6.626×10-34(J·s)；k—玻尔兹曼常数=1.380×10-23(J/K)；me—电子质量=9.109×10-31(kg)；e—电子电荷=1.602×10-19(C)。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）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）实效电离度：实效电离度：如果某气体中混有其他成分时，此如果某气体中混有其他成分时，此时电子密度与电离前中性粒子密度时电子密度与电离前中性粒子密度的比值。的比值。混合气体的实效电离电压主要取决混合气体的实效电离电压主要取决于其中电离电压较低的气体成分，于其中电离电压较低的气体成分，这也是稳弧剂的作用机理。这也是稳弧剂的作用机理。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建电子、离子和中性粒子电子、离子和中性粒子平均自由行程之比为：平均自由行程之比为：llee::llii::llgg=4.56:1.41:1=4.56:1.41:1电子的贡献最大；电子的贡献最大；两极区的贡献最大；两极区的贡献最大；U1L21U2E电离种类正离子获得的能量：正离子获得的能量：WWkk==llEEeell－平均自由行程－平均自由行程EE－电场强度－电场强度ee－一个电子的电荷量－一个电子的电荷量PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建=1236=1236**(1/U(1/Uii))ll00－临界光辐射波长（－临界光辐射波长（nmnm））UUii－电离电压（－电离电压（VV））产生光电离的条件：产生光电离的条件：hhgg³³eeUUii50.478.785.287.691.591.5168.6160.6162.4202.6207.3242.3287.4临界波长(nm)24.515.714.514.113.513.57.87.77.616.15.695.14.8电离能(eV)HeArNCOHOFeCuMgCaAlNaK气体常见气体电离的临界波长电离种类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。带电粒子的一个次要途径。这些气体光电离所要求的临界波长皆在紫外线光谱区内这些气体光电离所要求的临界波长皆在紫外线光谱区内0.80.8--400nm400nm可见光的光辐射波长在可见光的光辐射波长在400400--700nm700nm区间，几乎对所有气体都不能直接引起光电离区间，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电弧的光辐射波长在170170--500nm500nm区间，包括红外线、可见光和紫外线区间，包括红外线、可见光和紫外线PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿ纯金属逸出功(eV)MgCaKCuAlFeW金属种类3.142.631.561.364.54逸出功(eV)W-ZrW-ThW-BaW-Csw钨的成分几种金属及其氧化物的逸出功几种金属及其氧化物的逸出功钨及其合金钨极的逸出功钨及其合金钨极的逸出功PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建3电弧物理基础电弧物理基础电子发射种类电子发射种类热发射-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。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。电子发射是阴极特有的一种带电粒子的产生过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。程，是电源持续向电弧供给能量的唯一途径。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建3昂ÿ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。负离子。形成负离子倾向取决于其与电子的亲和能。0.040.080.340.763.83.703.94电子亲和能(eV)NNaLiHOClF原子种类几种原子的电子亲和能1.11.1电弧物理基础电弧物理基础PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建3光电发射光电发射重粒子撞击发射重粒子撞击发射热发射：主要形状热发射：主要形状电场作用下的自发射电场作用下的自发射焊接电弧焊接电弧动态平衡动态平衡负离子负离子离子离子(+(+））复合复合气体原子激发气体原子激发激发能激发能电离电离电离能电离能电离电压电离电压热热电电离离光光电电离离场场至至电电离离电子发射电子发射维持维持电电弧弧电弧中各种粒子的产生及相互关联图？？1.11.1电弧物理基础电弧物理基础PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建3f焊接电弧的产生过程焊接电弧的产