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第一章 焊接方法概述 焊接电弧的物理基础 1．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，如右图所示 。 两电极之间的气体导电，必须具备两个基本条件： ①两电极之间有带电粒子； ②两电极之间有电场。 （1）气体的电离 1） 气体电离：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。 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。 使中性气体粒子电离所需的最小外加能量称为电离能。电离能通常以电子伏（ev）为单位，1电子伏就是指1个电子通过电位差为1V的两点间所需做的功，其数值为1.6 × 10-19J。电弧气氛中常见气体粒子的电离电压见表1。 当电弧空间同时存在电离电压不同的几种气体时，在外加能量的作用下，电离电压较低的气体粒子将先被电离。如果这种气体供应充足，则电弧空间的带电粒子将主要由这种气体的电离来提供，所需要的外加能量也主要取决于这种较低的电离电压，因而为提供电弧导电所要求的外加能量也较低。 焊接时，为提高电弧的稳定性，往往加入一些电离电压较低、易电离的元素作为稳弧剂，也就是基于此种原因。 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 电弧中带电粒子数的多少对电弧的稳定起着重要作用。单位体积内电离的粒子数与气体电离前粒子总数的比值称为电离度，用ｘ表示，即 x = 已电离的中性粒子密度 / 电离前的中性粒子密度 随着温度的升高，气体压力的减小及电离电压的降低，电离度随之增加，电弧中带电粒子数增加，电弧的稳定性增强。 ②场致电离 当带电粒子的动能增加到一定数值时，则可能与中性粒子发生非弹性碰撞而使之产生电离，这种电离称为场致电离。 在电弧的阴极压降区和阳极压降区，电场强度可达105-107V/cm，远高于弧柱区，因而会产生显著的场致电离现象。 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 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。 1）电子发射与逸出功 阴极表面的自由电子受到一定的外加能量作用时，从阴极表面逸出的过程称为电子发射。 电子从阴极表面逸出需要能量，1个电子从金属表面逸出所需要的最低外加能量称为逸出功（Aw），单位是电子伏。因电子电量为常数e，故通常用逸出电压（Uw)来表示，Uw = Aw / e，单位为V。 逸出功的大小受电极材料种类及表面状态的影响。 由2表可见，当金属表面存在氧化物时逸出功都会减小。 2）电子发射的类型。 ①热发射。阴极表面因受到热的作用而使其内部的自由电子热运动速度加大，动能增加，一部分电子动能达到或超出逸出功时产生的电子发射现象称为热发射。 ②场致发射。当毗邻阴极表面的空间存在一定强度的正电场时，阴极内部的电子将受到电场力的作用。当此力达到一定程度时电子便会逸出阴极表面，这种电子发射现象称为场致发射。 ③光发射。当阴极表面受到光辐射作用时，阴极内的自由电子能量达到一定程度而逸出阴极表面的现象称为光发射。光发射在阴极电子发射中居次要地位。 ④粒子碰撞发射。电弧中高速运动的粒子（主要是正离子）碰撞阴极时，把能量传递给阴极表面的电子，使电子能量增加而逸出阴极表面的现象称为粒子碰撞发射。 （3） 焊接电弧的热效率及能量密度 电弧焊的热能由电能转换而来，因此电弧的功率ＰＱ可由下式表示 ＰＱ＝ＰA＝ＩＵA 式中：ＰQ——电弧的电功率； ＵA——电弧电压， ＵA＝ＵＫ＋ＵC＋Ｕa 用于加热、熔化填充材料及工件的电弧热功率称为有效热功率，表示为 　　　 ＰＱ′＝ηＰＱ 阴极、阳极的温度则根据焊接方法的不同有所区别，见表。 3．焊接电弧的稳定性 焊接电弧的稳定性是指电弧