電弧焊(全書稿)

1、電 弧 焊（目錄）緒 論6一、焊接方法的發(fā)展及其在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用6二、焊接方法的本質(zhì)及其分類8三、課程內(nèi)容和教學(xué)方法9第一章焊接電弧12第一節(jié)電弧的導(dǎo)電機(jī)理12一、電弧放電的特點(diǎn)13二、電弧中帶點(diǎn)粒子的產(chǎn)生14三、電弧各區(qū)域31四、電弧的最小能量消耗特性-最小電壓原理40第二節(jié)焊接電弧的負(fù)載特性電弧靜特性和動(dòng)特性42一、焊接電弧的靜特性42二、焊接電弧的動(dòng)特性44第三節(jié)焊接電弧的產(chǎn)熱情況及溫度分布47一、焊接電弧的產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)47二、焊接電弧的熱效率及能量密度50三、電弧的溫度分布51第四節(jié) 電弧中的力及其影響因素54一、焊接電弧中的作用力54二、影響電弧中作用力的因素60第五節(jié) 交流電弧的特點(diǎn)

2、63一、交流電弧的燃燒過(guò)程63二、交流電弧加熱及電弧力作用的特點(diǎn)64第六節(jié)磁場(chǎng)對(duì)電弧的作用67一、電弧自身磁場(chǎng)的作用67二、外加磁場(chǎng)對(duì)電弧的作用71復(fù)習(xí)思考題75第二章 焊絲的熔化及熔滴過(guò)渡76第一節(jié)焊絲的加熱與熔化76一、焊絲的加熱與熔化特性76二、焊絲的熔化速度、熔化系數(shù)及其影響因素77第二節(jié)熔滴過(guò)渡和飛濺83一、熔滴上的作用力83二、熔滴過(guò)渡的主要形式及特點(diǎn)87三、焊絲（條）的熔敷系數(shù)和飛濺103四、熔滴過(guò)渡的控制108第三章母材熔化和焊縫成形117第一節(jié)焊縫和熔池的形狀及尺寸117一、焊縫形狀尺寸及其影響117二、熔池的形狀和焊縫的形成118第二節(jié)電弧與熔池形狀的關(guān)系120一、電弧熱輸

3、入對(duì)熔池形狀尺寸的影響120二、力對(duì)熔池形狀尺寸的影響126第三節(jié) 焊接工藝參數(shù)和工藝因素對(duì)焊縫成形的影響129一、電流、電壓、焊速的影響129二、電流種類、極性及電極直徑的影響130三、保護(hù)氣體及熔滴過(guò)渡形式的影響132四、其它工藝因素的影響132第四節(jié)焊縫成形的控制135一、平面內(nèi)直縫的焊接135二、環(huán)縫的焊接136三、引弧、收弧與成形控制137第四章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)145第一節(jié)熔化極自動(dòng)電弧焊的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)145一、自動(dòng)調(diào)節(jié)的必要性及基本要求145二、熔化極等速送絲電弧自身調(diào)節(jié)系統(tǒng)148三、電弧電壓反饋?zhàn)兯偎徒z調(diào)節(jié)系統(tǒng)154四、焊接電流反饋?zhàn)兯偎徒z調(diào)節(jié)系統(tǒng)160第二節(jié)恒速調(diào)節(jié)系統(tǒng)162

4、一、自動(dòng)電弧焊機(jī)的驅(qū)動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)及要求162二、晶閘管整流驅(qū)動(dòng)電路162第三節(jié)電弧焊的程序自動(dòng)控制173復(fù)習(xí)思考題190第五章自動(dòng)埋弧焊191第一節(jié) 自動(dòng)埋弧焊的特點(diǎn)和應(yīng)用191一、自動(dòng)埋弧焊的特點(diǎn)191二、自動(dòng)埋弧焊的應(yīng)用194三、自動(dòng)埋弧焊焊接材料-焊絲、焊劑及選配194四、自動(dòng)埋弧焊的冶金特點(diǎn)200第二節(jié)自動(dòng)埋弧焊機(jī)207一、分類及結(jié)構(gòu)特征207二、mz-1000型自動(dòng)埋弧焊機(jī)212第三節(jié)自動(dòng)埋弧焊實(shí)施方法、工藝參數(shù)及發(fā)展219一、單絲自動(dòng)埋弧焊219二、雙絲及多絲自動(dòng)埋弧焊223三、單面焊雙面一次成形自動(dòng)埋弧焊227四、窄間隙自動(dòng)埋弧焊230復(fù)習(xí)思考題233第六章 co2氣體保護(hù)電弧焊2

5、34第一節(jié)co2氣體保護(hù)電弧焊特點(diǎn)及應(yīng)用234第二節(jié) co2氣體保護(hù)電弧焊的冶金特點(diǎn)237一、合金元素的氧化237二、脫氧措施及焊縫金屬的合金化238三、氣孔問(wèn)題240第三節(jié) co2氣體保護(hù)電弧焊焊接材料243一、co2氣體243二、焊絲246三、細(xì)顆粒過(guò)渡的焊接時(shí)工藝參數(shù)281四、減少金屬飛濺的措施282第七章熔化極氬弧焊295第一節(jié)熔化極氬弧焊的特點(diǎn)和應(yīng)用295一、熔化極氬弧焊的特點(diǎn)295二、熔化極氬弧焊的應(yīng)用295第二節(jié)射流過(guò)渡氬弧焊296一、焊縫起皺現(xiàn)象298二、粗絲大電流mig焊299第三節(jié)鋁合金亞射流過(guò)渡氬弧焊300一、亞射流過(guò)渡的特點(diǎn)300二、亞射流過(guò)渡電弧固有的自調(diào)節(jié)作用301

6、三、鋁合金亞射流過(guò)渡的焊接特點(diǎn)302四、亞射流過(guò)渡電弧焊接時(shí)的參數(shù)控制303第四節(jié) 脈沖噴射過(guò)渡氬弧焊305一、工藝特點(diǎn)305二、脈沖參數(shù)的選擇306第五節(jié)窄間隙焊接308一、細(xì)焊絲窄間隙焊接308二、粗焊絲窄間隙焊接311第六節(jié)混合氣體的應(yīng)用313一、ar+he313二、ar+o2314三、ar+co2314四、ar+co2+o2315五、ar+n2315六、ar+h2315復(fù)習(xí)思考題318第八章鎢極氬弧焊319第一節(jié)鎢極氬弧焊方法的特點(diǎn)319一、方法原理及應(yīng)用319二、電極和焊槍319三、電流種類和極性324第二節(jié)鎢極氬弧焊機(jī)334一、鎢極氬弧焊機(jī)的結(jié)構(gòu)組成334二、ws系列鎢極氬弧焊機(jī)3

7、34第三節(jié)鎢極氬弧焊工藝及參數(shù)選擇345一、焊前準(zhǔn)備345二、鎢極氬弧焊工藝參數(shù)346第四節(jié)其它鎢極氬弧焊方法350一、脈沖鎢極氬弧焊350（一）直流脈沖氬弧焊350（二）交流脈沖鎢極氬弧焊356二、熱絲鎢極氬弧焊358三、多陰極串列鎢極氬弧焊360復(fù)習(xí)思考題361第九章等離子弧焊接與切割363第一節(jié)等離子弧的特性及等離子弧發(fā)生器363一、等離子弧的形成363二、等離子弧的特性364三、等離子弧發(fā)生器366四、雙弧現(xiàn)象及防止方法375第二節(jié)等離子弧焊接378一、焊接方法及工藝參數(shù)的選擇378二、等離子弧焊接設(shè)備特點(diǎn)384第三節(jié)等離子弧切割387一、基本原理和工藝參數(shù)的選擇387二、空氣等離子弧

8、切割388三、其它等離子弧切割392四、提高切割質(zhì)量 的途徑394第四節(jié)等離子弧堆焊和噴涂396一、等離子弧堆焊396二、等離子弧噴涂397復(fù)習(xí)思考題400第十章電渣焊401第一節(jié)電渣焊的特點(diǎn)及應(yīng)用401一、電渣焊的方法原理及其基本過(guò)程401二、電渣焊熱源和焊縫結(jié)晶特點(diǎn)402三、電渣焊的焊接材料和冶金特點(diǎn)405四、電渣焊的應(yīng)用范圍408第二節(jié)絲極電渣焊410一、絲極電渣焊工藝過(guò)程410二、工藝參數(shù)及其對(duì)熔池尺寸的影響412三、環(huán)縫絲極電渣焊的工藝特點(diǎn)419四、電渣焊電源和焊接機(jī)頭419五、絲極電渣焊接頭的常見(jiàn)缺陷和改善質(zhì)量的途徑420第三節(jié)其它電渣焊方法423一、板極電渣焊423二、熔嘴電渣焊

9、424三、管極電渣焊427四、帶極電渣堆焊（淺熔深堆焊法）429復(fù)習(xí)思考題433第十一章電弧焊自動(dòng)控制技術(shù)434第一節(jié)電弧焊過(guò)程參數(shù)的程序自動(dòng)控制434一、全位置焊管方法的程控參數(shù)區(qū)段劃分及轉(zhuǎn)換方式434二、簡(jiǎn)易程序控制方式436三、可編程控制器439第二節(jié)電弧焊的自動(dòng)跟蹤控制444一、概述444二、電弧跟蹤偏差的檢測(cè)傳感方法444三、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電路454第三節(jié)電弧焊過(guò)程參數(shù)的適應(yīng)控制457一、電弧過(guò)程的適應(yīng)控制457二、垂直自動(dòng)焊熔池液面高度自動(dòng)控制459三、焊縫熔深適應(yīng)控制460第四節(jié) 弧 焊 機(jī) 器 人463一、概述463二、示教再現(xiàn)型弧焊機(jī)器人463三、智能型弧焊機(jī)器人465復(fù)習(xí)思

10、考題467參考文獻(xiàn)468附 錄469一、nsa-400-1型交流鎢極氬弧焊機(jī)469二、mz-1-1000型自動(dòng)埋弧焊機(jī)474三、mz-1250型自動(dòng)埋弧焊機(jī)48012電 弧 焊（緒論）緒 論一、焊接方法的發(fā)展及其在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用焊接是指通過(guò)適當(dāng)?shù)奈锢砘瘜W(xué)過(guò)程使兩個(gè)分離的固態(tài)物體產(chǎn)生原子（分子）間結(jié)合力而連接成一體的連接方法。被連接的兩個(gè)物體（構(gòu)件、零件）可以是各種同類或不同類的金屬、非金屬（石墨、陶瓷、玻璃、塑料等），也可以是一種金屬與一種非金屬。金屬連接在現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用廣泛，具有很重要的實(shí)際意義，因此狹義的講，焊接通常就是指金屬的焊接。本書主要討論的也是金屬的焊接方法。早期的焊接，是把兩塊

11、熟鐵（鋼）加熱到紅熱狀態(tài)以后用鍛打的方法連接在一起的鍛接；用火烙鐵加熱低熔 點(diǎn)鉛錫合金的軟釬焊，已經(jīng)有幾百年甚至更長(zhǎng)的應(yīng)用歷史。但是，目前工業(yè)生產(chǎn)中大量應(yīng)用的焊接方法幾乎都是19世紀(jì)末初，20世紀(jì)的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，特別是電子工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展所帶來(lái)的成果。如圖0-1中所示，到1970年為止，約有21種基本焊接方法問(wèn)世。現(xiàn)代焊接方法的發(fā)展是以電弧焊和壓焊為起點(diǎn)的。到目前為止，在發(fā)展了近50余種各類焊接方法中，電弧焊及其派生方法仍占大多數(shù)，可見(jiàn)以電弧為熱源的各種焊接方法及工藝具有十分強(qiáng)大的活力。電弧作為一種氣體導(dǎo)電的 物理現(xiàn)象是在19世紀(jì)初被發(fā)現(xiàn)的，但只是到19世紀(jì)末電力生產(chǎn)得到發(fā)展以后人們才有條件

12、來(lái)研究它的實(shí)際應(yīng)用。1885年俄國(guó)人別那爾道斯發(fā)明碳極電弧可以看作是電弧作為工業(yè)熱源應(yīng)用的創(chuàng)始。而電弧焊真正應(yīng)用于 工業(yè)，則是在1892年發(fā)現(xiàn)金屬極電弧后，特別是1930年前后出現(xiàn)了薄皮和厚皮焊條以后才逐漸開(kāi)始的。電阻焊是1886年由美 國(guó)人發(fā)明的，它的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用也幾乎跟電弧焊同時(shí)代。1930年以前，焊接在機(jī)器制造工業(yè)中的作用還是很微不足道的，當(dāng)時(shí)造船、鍋爐、飛機(jī)等制造工業(yè)基本上還是用鉚接方法。這種鉚接方法不僅生產(chǎn)效率極低，而且連接質(zhì)量也不能滿足船體、飛機(jī)等產(chǎn)品的發(fā)展要求。因此，從1930年以后，電弧焊和電阻焊就逐漸 取代鉚接，成為機(jī)器制造工業(yè)中的一種基本加工工藝。大家知道，機(jī)械制造工業(yè)是

13、國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)工業(yè)，它決定著一個(gè)國(guó)家的工業(yè)生產(chǎn)能力和水平，而焊接技術(shù)則是機(jī)械制造工業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。例如對(duì)于各種壓力容器、核反應(yīng)堆器件、宇航運(yùn)載工具等產(chǎn)品，離開(kāi)了焊接技術(shù)簡(jiǎn)直就無(wú)法制造。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家每年鋼鐵總產(chǎn)量的40%左右是經(jīng)過(guò)焊接技術(shù)加工才成為工業(yè)產(chǎn)品。因此，焊接技術(shù)同金屬切削加工、壓力加工、鑄造、熱處理等其它金屬加工工藝方法 起，構(gòu)成了現(xiàn)代工業(yè)部門的基礎(chǔ)生產(chǎn)工藝?？梢院敛豢浯蟮卣f(shuō)，沒(méi)有現(xiàn)代焊接工藝技術(shù)的發(fā)展，就不會(huì)有現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的今天。當(dāng)代的新技術(shù)浪潮引起了世界各國(guó)的重視。組成這次新技術(shù)浪潮的微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)、新材料、新能源、光導(dǎo)通訊、激光、生物工程、 海洋開(kāi)發(fā)、航

14、天技術(shù)、機(jī)器人等，將使社會(huì)生產(chǎn)力出現(xiàn)新的飛躍，將使現(xiàn)有的生產(chǎn)方式、生活方式和社會(huì)結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化。然而，上述十大領(lǐng)域的發(fā)展并不是孤立的，需要各方面技術(shù)的協(xié)同配合。如果沒(méi)有能夠滿足在各種環(huán)境下具有各種性能的材料研制出來(lái)，就很難進(jìn)行上述十大領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)與此同時(shí)，沒(méi)有相應(yīng)的焊接技術(shù)把這些材料連接成所需要的結(jié)構(gòu)，就很難想象會(huì)有上述各領(lǐng)域的順利發(fā)展。所以在新技術(shù)浪潮中，焊接工作者也將肩負(fù)著重大的歷史使命。二、焊接方法的本質(zhì)及其分類焊接是兩種相同或不同的材質(zhì)，通過(guò)加熱或加壓或二者并用，來(lái)達(dá)到原子之間結(jié)合而形成永久性連接的工藝過(guò)程。由此可知，焊接與其它連接方手弧焊式不同，不僅在宏觀上建立了永久性的接頭，而且在

15、微觀上也建立了組織之間的內(nèi)在聯(lián)系。因此，要把兩個(gè)分離的金屬構(gòu)件連接在一起，從物理本質(zhì)上來(lái)看，就是要使這兩個(gè)構(gòu)件的連接表面上的原子彼此接近到 金屬晶格距離 （0.30.5nm）。但是，即使經(jīng)過(guò)精加工的金屬表面，實(shí)際也有凹凸不平之處，同時(shí)還常常帶有 氧化膜、水、油污等吸附層，這些都會(huì)阻礙金屬表面緊密接觸。因此焊接過(guò)程的實(shí)質(zhì)就是通過(guò)適當(dāng)?shù)奈锢砘瘜W(xué)過(guò)程來(lái)克服這些困難，使兩個(gè)分離表面的金屬原子之間接近到晶格距離并形成結(jié)合力。在焊接過(guò)程中，通 常是從兩方面采取措施來(lái)實(shí)現(xiàn)的。1. 對(duì)被焊金屬施加壓力目的是破壞金屬表面的氧化膜，使連接處發(fā)生局部塑性變形，增加有效接觸面積，從而達(dá)到緊密接觸。2. 對(duì)被焊金屬加熱

16、使連接處達(dá)到塑性或熔化狀態(tài)，使接觸面的氧化膜迅速破壞，降低金屬變形的阻力，增加原子的振動(dòng)能，促進(jìn)擴(kuò)散、再結(jié)晶、化學(xué)反應(yīng)和結(jié)晶過(guò)程的發(fā)展。由于實(shí)現(xiàn)上述措施的途徑不同，便形成了各種類型的焊接方法，但實(shí)質(zhì)上都是在連接處使母材和焊縫金屬形成共同的晶粒。只有填充釬料熔化，而母材不熔化的連接方法叫作釬焊。釬焊時(shí)雖然也能形成不可拆卸的接頭，但在連接處一般不形成共同的晶粒，只是在釬料與母材之間相互擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)連接，可見(jiàn)釬焊和焊接在微觀上有原則的區(qū)別。目前國(guó)內(nèi)外著作中對(duì)焊接的分類方法甚多，例如有目前各種著作中常見(jiàn)的族系法（圖0-2一元坐標(biāo)法、二元坐標(biāo)法等。其中以二元坐標(biāo)法、（表0-1）優(yōu)點(diǎn)居多，比較科學(xué)。讀者從中

17、不僅可以看出某種焊接方法的主要工藝特征，還可以了解該方法在焊接過(guò)程中和產(chǎn)生結(jié)合時(shí)的本質(zhì)特征，例如，固相結(jié)合、液相結(jié)合等。二元坐標(biāo)法是以焊接熱源為一類（元），在橫坐標(biāo)上分層列出其主次特征（類似于族系法）同時(shí)又以焊接時(shí)物理冶金過(guò)程特征為另一類（元），在縱坐標(biāo)上分層列出其主次特征。在縱坐標(biāo)中，主要是以兩材料發(fā)生結(jié)合時(shí)的物理狀態(tài)為焊接過(guò)程的特征。前已談到，焊接的本質(zhì)是兩個(gè)金屬表面通過(guò)原子之間的結(jié)合而成為一個(gè)整體，因此原子之間是在什么條件下互相結(jié)合，不僅可反映焊接過(guò)程的最終本質(zhì)，而且還可用來(lái)預(yù)測(cè)和判斷焊接接頭的微觀組織和結(jié)合的質(zhì)量，以及可能發(fā)生的缺陷和對(duì)母材產(chǎn)生的影響等。其次，在縱坐標(biāo)中以焊接過(guò)程中材料

18、是否熔化、是否加壓力或其它特征作為第二特征（詳見(jiàn)表0-1）。 在橫坐標(biāo)中，對(duì)于熱源類型宜按其強(qiáng)度大小，依次分為高能束、電弧熱、電阻熱、化學(xué)反應(yīng)熱、機(jī)械能、間接熱能等六大類。但考慮一般習(xí)慣，在表中仍按常用的次序列出。每一大類又按其各自特征劃分為若干細(xì)類。如在電阻熱大類中，先分為熔渣電阻熱及固體電阻熱兩類固體電阻熱又分為兩類工頻和高頻接觸式和感應(yīng)式等分支。三、課程內(nèi)容和教學(xué)方法本課程是焊接專業(yè)教學(xué)中的一門主干課。它的任務(wù)是使學(xué)生掌握電弧焊方法的基礎(chǔ)理論、基本知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，達(dá)到根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)件的特點(diǎn)能正確選用各類電弧焊方法和設(shè)備，并初步具備分析和解決焊接生產(chǎn)中問(wèn)題的能力。本課程主要講述內(nèi)容有： （1

19、）焊接電弧、熔滴過(guò)渡、焊縫成形、焊接質(zhì)量參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)等基本理論。（2）工業(yè)生產(chǎn)中常用電弧焊方法的過(guò)程本質(zhì)、焊接工藝參數(shù)、應(yīng)用特點(diǎn)及范圍。 （3）幾種典型弧焊機(jī)的結(jié)構(gòu)和電氣原理。 （4）有關(guān)焊接過(guò)程自動(dòng)化技術(shù)的基本概念和知識(shí)。電渣焊也是工業(yè)生產(chǎn)中常用的一種熔焊方法，雖然它不是以電弧為熱源，但卻是在熔融狀態(tài)下使工件連接在一起的，其焊接過(guò)程與工藝參數(shù)等與電弧焊有許多相似之處，故仍保留在本課程中。直到目前為止，手工操作的焊條電弧焊，簡(jiǎn)稱手弧焊，仍是電弧焊生產(chǎn)的主要方法，這說(shuō)明電弧焊接方法的自動(dòng)化程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上時(shí)代的要求。鑒于焊接概論、弧焊電源等教材均作了介紹，這里作以省略。為了便于敘述和深入分析，

20、本書在前四章中首先討論了電弧焊方法及其發(fā)展中的一些共同性的基本理論和實(shí)踐問(wèn)題。例如，作為焊接熱源電弧的結(jié)構(gòu)及能量和力學(xué)特性；焊絲熔化和熔滴過(guò)渡過(guò)程特點(diǎn)及控制；母材熔化和焊縫成形的控制，焊接質(zhì)量參數(shù)控制的基本概念等。而后再分章敘述幾種主要弧焊方法的工作原理、工藝過(guò)程、工藝參 及設(shè)備器具等，以及對(duì)某些特殊問(wèn)題的討論與分析。最后介紹電弧中的自動(dòng)控制技術(shù)及電渣焊方法工藝。本教材是一門實(shí)踐性相當(dāng)強(qiáng)的專業(yè)課程，應(yīng)該與其他課程和教學(xué)環(huán)節(jié)（如實(shí)習(xí)、課程作業(yè)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等）相配合，在增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐知識(shí)和動(dòng)手能力等方面起一定的先導(dǎo)作用。本課程是以物理學(xué)、電工及電子學(xué)、機(jī)械零件等基礎(chǔ)課和技術(shù)基礎(chǔ)課為基礎(chǔ)的專業(yè)課程。本

21、課程的教學(xué)宜以“焊接概論”、“弧焊電源”課，專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)為前導(dǎo)，學(xué)習(xí)本課程前學(xué)生應(yīng)對(duì)手弧焊方法及設(shè)備有充分認(rèn)識(shí)，并對(duì)各種自動(dòng)電弧焊方法有一定的感性知識(shí)。在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)十分注重與實(shí)踐環(huán)節(jié)相互配合。參考文獻(xiàn)1 姜煥中主編. 電弧焊及電渣焊. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19882 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)編，焊接手冊(cè). 第1卷. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19923 houldcraff p.t. welding process technology. london: cambridge university press,19774中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)編. 焊接學(xué)會(huì)三十周年紀(jì)念文集. 中國(guó)焊接.1992

22、電 弧 焊 （第一章）焊 接 電 弧第一章 焊接電弧電弧是所有電弧焊接方法的能源。到目前為止，電弧焊所以能在焊接領(lǐng)域中仍然占有十分重要的地位，一個(gè)主要的原因，就是電弧能夠有效而簡(jiǎn)便地把電能轉(zhuǎn)換成焊接過(guò)程所需要的熱能和機(jī)械能。本章首先從電弧的物理本質(zhì)導(dǎo)電機(jī)理入手，分析電弧的產(chǎn)熱和產(chǎn)力機(jī)構(gòu)，然后分別討論焊接電弧在應(yīng)用中幾個(gè)主要的工藝性能。第一節(jié) 電弧的導(dǎo)電機(jī)理電弧是在一定條件下電荷通過(guò)兩電極間氣體空間的一種導(dǎo)電過(guò)程（圖1-1），也是氣體放電的一種重要形式。借助于這種氣體放電形式將電能轉(zhuǎn)換為熱能、機(jī)械能和光能，焊接時(shí)主要是利用其熱能和機(jī)械能來(lái)達(dá)到金屬連接的目的。一、 電弧放電的特點(diǎn)正常狀態(tài)下的氣體是

23、由中性分子或原子組成的，不含有帶電粒子，它們雖然可以自由移動(dòng)，但不會(huì)受電場(chǎng)作用而產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)，所以是不導(dǎo)電的。因此，要使正常狀態(tài)的氣體導(dǎo)電，必須有一個(gè)產(chǎn)生帶電粒子的過(guò)程，這就是氣體的放電過(guò)程。實(shí)驗(yàn)表明，氣體放電在形式上和性質(zhì)上是各種各樣的，并與氣體的種類和壓力、電極材料和幾何形狀、兩極間距離以及施加在兩極間電壓高低等因素有關(guān)。因此，其導(dǎo)電部分的電流與電壓之間呈現(xiàn)出一個(gè)很復(fù)雜的關(guān)系曲線如圖1-2中所示。圖1-2中所示曲線，是從測(cè)量一系列同類型但電極尺寸不同的放電管中得出的氣體放電伏安特性曲線。氣體放電形式按是射線、宇宙射線、 陰極的加熱等）來(lái)維否需要外界電離源（如x射線、宇宙射線、陰極的加熱等）

24、來(lái)維持放電，可分為非自持放電和自持放電兩大類。在非自持放電中，起始的帶電粒子是由外界電離源所引起的，呈暗放電狀態(tài)，當(dāng)外界電離源取消后，放電就立刻停止，這種取決于外界因素的氣體導(dǎo)電現(xiàn)象稱之為非自持放電。當(dāng)電流大于一定數(shù)值時(shí)，氣體導(dǎo)電過(guò)程本身就可以產(chǎn)生維持導(dǎo)電所需要的帶電粒子，即使取消了外界電離源，放電過(guò)程仍可繼續(xù)維持下去，這種過(guò)程稱為自持放電。在自持放電區(qū)間，其放電特征也因電參數(shù)值的不同而存在有明顯的差異，大體上又可分為自持暗放電、輝光放電和電弧放電等三種基本形式。電弧是氣體自持放電的一種基本形式。在各種氣體放電形式中，電弧放電的特點(diǎn)是電流密度大和陰極電壓降低。如輝光放電的電流密度是幾十微安，而

25、電弧則有幾百至幾萬(wàn)安培每平，電弧的陰極電壓降僅約為常壓下方厘米；輝光放電的陰極電壓降約為200300v，電弧的陰極電壓降僅約為10v。常壓下電弧在相當(dāng)?shù)偷碾妷合拢s幾十伏）就可以燃熾，而復(fù)燃輝光放電在低氣壓時(shí)需要幾百伏電壓、在高氣壓時(shí)則需幾萬(wàn)伏電壓。此外，電弧放電 還具有產(chǎn)生高溫（500030000k）、發(fā)光度強(qiáng)等特點(diǎn)。由于上述原因，電弧在工業(yè)中作為熱源和光源被廣泛應(yīng)用。二、電弧中帶點(diǎn)粒子的產(chǎn)生電弧是由兩個(gè)電極和他們之間的氣體空間組成。電弧中的帶電粒子主要依靠?jī)呻姌O之間的氣體電離和電極發(fā)射電子兩個(gè)物理過(guò)程所產(chǎn)生的，同時(shí)伴隨著一些其它過(guò)程，如：解離、激勵(lì)、擴(kuò)散、復(fù)合、負(fù)離子的產(chǎn)生。（一）氣體的電

26、離1，電離與激勵(lì)在一定條件下中性氣體分子或原子分離為正離子和電子的現(xiàn)象稱為電離。氣體分子或原子在常態(tài)下是由數(shù)量相等的正電荷（原子核）和負(fù)電荷（電子）構(gòu)成的一個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng)，對(duì)外界呈中性。要使其電離就要破壞這種穩(wěn)定系統(tǒng)，需要對(duì)這個(gè)系統(tǒng)施加外來(lái)能量。常態(tài)下的氣體粒子（分子或原子），受外來(lái)能量作用失去一個(gè)或多個(gè)電子后則成為正離子。使中性氣體粒子失去第一個(gè)電子所需要的最低外加能量稱為第一電離能，通常以電子伏（ev）為單位，若以伏表示則為電離電壓。生成的正離子稱為一價(jià)正離子，這種電離稱為一次電離。一個(gè)電子伏就是一個(gè)電子通過(guò)一伏電位差空間所取得的能量，其數(shù)值等于1.6×10-19j。在電子學(xué)中，為計(jì)

27、算方便起見(jiàn)，常把用電子伏為單位的能量轉(zhuǎn)換為數(shù)值上相等的電壓來(lái)處理，單位為伏。因此在實(shí)用中常直接用電離電壓（單位為伏）來(lái)表示氣體電離的難易。以伏表示的電離電壓在數(shù)值上等于以電子伏表示的電離能。要使中性氣體粒子失去第二個(gè)電子則需要更大的電離電壓，稱為第二電離電壓，生成的離子稱為二價(jià)正離子，這種電離稱為二次電離，依此類推。在普通焊接電弧中，當(dāng)焊接電流較小時(shí)只存在一次電離，而在大電流或壓縮焊接電弧中，電弧的熱力學(xué)溫度達(dá)到幾萬(wàn)k時(shí)可能出現(xiàn)二次或三次電離，即使這種情況下，一次電離仍居主要地位，所以一般書籍中只列出各種氣體一次電離的電離電壓。不僅原子狀態(tài)的氣體粒子可以被電離，分子狀態(tài)的氣體也可以直接被電離。

28、電弧氣氛中可能遇到的氣體電離電壓列于表1-1。氣體電離電壓的高低說(shuō)明電子脫離原子或分子所需要外加能量的大小，亦即說(shuō)明在某種氣氛中產(chǎn)生帶電粒子的難易。在相同的外加能量條件下，電離電壓低的氣體提供帶電粒子較容易，從這個(gè)角度看是有利電弧的穩(wěn)定。但電離電壓高低只是影響電弧穩(wěn)定的許多因素之一，而不是唯一的因素，因?yàn)闅怏w的其他性能（如解離性能、熱物理性能等），反過(guò)來(lái)會(huì)影響整個(gè)電弧空間的能量狀態(tài)、帶電粒子的產(chǎn)生和移動(dòng)過(guò)程等。因此在分析焊接電弧現(xiàn)象時(shí)，不能僅從電弧氣體的電離電壓來(lái)分析，還需要考慮氣體各種性質(zhì)的綜合作用。當(dāng)電弧空間同時(shí)存在電離電壓不同的幾種氣體時(shí)，在外加能量的作用下，電離電壓較低的氣體粒子將先被

29、電離，如果這種低電離電壓氣體供應(yīng)充分，則電弧空間的帶電粒子將主要依靠這種氣體的電離過(guò)程來(lái)提供，所需要的外加能量也主要取決于這種氣體的電離電壓。由表1-1，可知，fe的電離電壓為7.9v，比co2或ar的電離電壓（13.7；15.7v）低很多，因此在鋼材的氣體保護(hù)電弧焊接時(shí)，如果焊接電流較大時(shí)，電弧空間將充滿鐵的蒸氣，電弧空間的帶電粒子將主要由鐵蒸氣的電離過(guò)程來(lái)提供，電弧氣氛的電離電壓也將由鐵蒸氣的電離電壓來(lái)決定。相比之下，為提供電弧導(dǎo)電所需要的帶電粒子而要求的外加能量可以較低。當(dāng)中性粒子接受外來(lái)能量的作用還不足以使電子完全脫離氣體原子或分子時(shí)，但可能使電子從較低的能級(jí)轉(zhuǎn)移到較高的能級(jí)，則中性粒

30、子內(nèi)部的穩(wěn)定狀態(tài)也被破壞，這種狀態(tài)稱為激勵(lì)。使中性粒子激勵(lì)所需要的最低外加能量稱為最低激勵(lì)電壓（也是以伏表示）。激勵(lì)電壓數(shù)值低于該元素電離電壓的數(shù)值，一些氣體的最低激勵(lì)電壓見(jiàn)表1-2。激勵(lì)狀態(tài)的粒子可以具有不同的能級(jí)，由于電子尚未脫離粒子，所以粒子對(duì)外界仍呈中性，但處于激勵(lì)狀態(tài)的粒子是一種非穩(wěn)定狀態(tài)，它存在的時(shí)間十分短暫，根據(jù)激勵(lì)能級(jí)的不同可為10-210-8s。處于較高能級(jí)的激勵(lì)粒子可繼續(xù)接受外來(lái)能量使其電離?；?qū)⒆约旱哪芰恳暂椛淠艿男问结尫懦鰜?lái)，而使粒子恢復(fù)到原來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài)。處于能級(jí)低的激勵(lì)粒子，可能與其它粒子碰撞將能量傳遞出去而恢復(fù)其穩(wěn)定狀態(tài)。接受其能量的其它粒子則可能被解離、激勵(lì)或電離

31、。因此氣體粒子的激勵(lì)雖然不能直接產(chǎn)生帶電粒子，但與電離過(guò)程和電弧特性有著密切關(guān)系。2，能量傳遞方式中性氣體粒子只有在接受外界能量的條件下，才會(huì)產(chǎn)生電離或激勵(lì)。可以通過(guò) 不同的方式施加于中性粒子，但使之電離或激勵(lì)所必需的能量，即電離或外界能激勵(lì)電壓卻都是固定數(shù)值，并不因施加能量方式不同而改變。外界能量傳遞給自由運(yùn)動(dòng)的氣體粒子，從本質(zhì)上講只有兩種傳遞方式：一種是碰撞傳遞；另一種是光輻射傳遞。（1）碰撞傳遞氣體粒子在空間中是呈不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，只有在熱力學(xué)溫度為時(shí)氣體粒子將停止運(yùn)動(dòng)。各個(gè)粒子以某一速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，具有一定的動(dòng)能，并且相互頻繁地碰撞，同時(shí)進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)移。粒子之間以相互碰撞傳遞能量的形式稱為

32、碰撞傳遞。氣體粒子間相互碰撞時(shí)可能有兩種情況：非破壞性的彈性碰撞和破壞性的非彈性碰撞。彈性碰撞時(shí)，氣體粒子間只產(chǎn)生動(dòng)能的傳遞和再分配，碰撞后的兩粒子動(dòng)能之和基本不變，粒子內(nèi)部結(jié)構(gòu)不發(fā)生任何變化。因此彈性碰撞的結(jié)果只使粒子的運(yùn)動(dòng)速度發(fā)生變化，并引起氣體溫度的變化，不能產(chǎn)生氣體的電離或激勵(lì)過(guò)程，這種情況是在氣體粒子擁有動(dòng)能較低時(shí)產(chǎn)生的。當(dāng)氣體粒子擁有較高動(dòng)能時(shí)，則產(chǎn)生非彈性碰撞，在碰撞時(shí)部分或全部動(dòng)能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能，使被碰撞的氣體粒子內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。如果此內(nèi)能大于激勵(lì)電壓，則粒子被激勵(lì)；如果大于電離電壓，則粒子將被電離。被激勵(lì)的粒子如果繼續(xù)受到非彈性碰撞，內(nèi)能積累達(dá)到電離電壓時(shí)，也將產(chǎn)生電離。總之，

33、氣體粒子間只有非彈性碰撞才能產(chǎn)生電離過(guò)程，形成帶電粒子。 電弧空間中含有中性氣體粒子、電子和正離子等，它們都以某一速度運(yùn)動(dòng)，中性氣體粒子同樣也與它們相互碰撞并接受它們的能量。相互碰撞的兩物體的能量傳遞情況與它們的質(zhì)量有密切關(guān)系。由于電子的質(zhì)量遠(yuǎn)小于氣體原子、離子或分子，因此當(dāng)具有足夠動(dòng)能的電子與中性粒子進(jìn)行非彈性碰撞時(shí)，電子的動(dòng)能幾乎可以全部傳給中性粒子，轉(zhuǎn)換為中性粒子的內(nèi)能，使其激勵(lì)或電離。當(dāng)中性粒子之間相互碰撞時(shí)，由于它們的質(zhì)量相近，則只能將部分能量傳遞給被碰撞的粒子，最多不超過(guò)原動(dòng)能的一半。因此，在電弧通過(guò)碰撞傳遞能量使得氣體粒子電離的過(guò)程中，電子與氣體粒子的碰撞作用是最為有效的。由上可

34、知，要通過(guò)粒子間相互碰撞，增加中性粒子的內(nèi)能使之產(chǎn)生電離，關(guān)鍵是提高粒子的動(dòng)能，尤其是提高電子的動(dòng)能。高溫可以提高所有粒子（中性粒子的動(dòng)、電子、離子）能，而增加電場(chǎng)強(qiáng)度卻是提高帶電粒子（電子、離子）動(dòng)能的方法。在電弧燃燒過(guò)程中，通過(guò)粒子間碰撞傳遞能量使氣體粒子電離，是電弧本身產(chǎn)生帶電粒子維持其導(dǎo)電的最主要方式。（2）光輻射傳遞向氣體粒子傳遞能量的另一種途徑是光輻射，也就是說(shuō)中性氣體粒子可以接受外界以光量子形式所施加的能量，提高其內(nèi)能并改變其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使氣體粒子被激勵(lì)或電離。光量子的能量可以h表示（h普朗克常數(shù)，y光輻射頻率）。因此氣體粒子接受光量子作用產(chǎn)生激勵(lì)的條件是： （1-1）式中激勵(lì)能；

35、電子電荷量；氣體粒子的激勵(lì)電壓。而氣體粒子接受光量子產(chǎn)生電離的條件是： （1-2）式中電離能；電離電壓。以光量子形式傳遞給氣體粒子的能量可以全部轉(zhuǎn)換為粒子的內(nèi)能。當(dāng)光量子能量超過(guò)氣體粒子的電離能時(shí)，則其多余部分將轉(zhuǎn)換為電離生成的電子的動(dòng)能，即式中m電子的質(zhì)量；被電離出來(lái)的電子運(yùn)動(dòng)速度。電弧本身發(fā)出多種頻率的光輻射，因此電弧本身就具有向氣體粒子提供輻射能量的條件，中性粒子接受弧光輻射就可能產(chǎn)生激勵(lì)與電離，制造帶電粒子維持電弧的導(dǎo)電。但是在一般焊接電弧中，通過(guò)光輻射傳遞方式來(lái)制造帶電粒子與碰撞傳遞相比，則是次要的。3電離種類：電弧中氣體粒子的電離因外加能量種類的不同可分為三類。（1）熱電離高溫下，

36、氣體粒子受熱的作用相互碰撞而產(chǎn)生的電離稱為熱電離。根據(jù)氣體分子運(yùn)動(dòng)理論可知，氣體的溫度高低意味著氣體粒子（包括中性粒子、電子和離子）總體動(dòng)能的大小，亦即氣體粒子平均運(yùn)動(dòng)速度的快慢。氣體粒子的平均運(yùn)動(dòng)速度與溫度在數(shù)值上的關(guān)系如下： （1-3）式中，氣體粒子的平均速度（cm/s）； t氣體的熱力學(xué)溫度（k）； m粒子的質(zhì)量（g）。由上式可見(jiàn)，氣體溫度越高，氣體粒子的平均運(yùn)動(dòng)速度也越高，即動(dòng)能也越大。在溫度一定條件下，氣體粒子的質(zhì)量越小其運(yùn)動(dòng)速度也越高。由于氣體粒子的熱運(yùn)動(dòng)是無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，它們之間將發(fā)生頻繁的碰撞，若粒子的運(yùn)動(dòng)速度足夠高（即動(dòng)能足夠大），粒子之間將發(fā)生非彈性碰撞，并引起中性氣體粒子的

37、激勵(lì)或電離。因此熱電離實(shí)質(zhì)上是由于溫度升高時(shí)氣體粒子熱運(yùn)動(dòng)加劇，通過(guò)碰撞而產(chǎn)生帶電粒子的一種電離過(guò)程。在溫度恒定的條件下，氣體中各個(gè)粒子的熱運(yùn)動(dòng)速度是不一樣的，速度很高和很低的粒子數(shù)都很少，具有中等速度的粒子所占的比值很大，氣體粒子的速度分布遵守麥克斯韋速度分布律。對(duì)于給定的氣體粒子，麥克斯韋速度分布曲線的形狀隨溫度而變化，如圖1-3所示。當(dāng)溫度升高時(shí)，氣體粒子熱運(yùn)動(dòng)加劇，其中速度較小的粒子數(shù)減少，而速度較大的粒子數(shù)則有所增加，分布曲線中的最高點(diǎn)向速度大的方向移動(dòng)。這意味著氣體中具有高動(dòng)能的粒子數(shù)目增加，與其它粒子碰撞時(shí)產(chǎn)生電離或激勵(lì)的幾率增大。電弧中不僅含有常態(tài)的中性氣體粒子，同時(shí)也含有電子

38、、正離子和處于激勵(lì)狀態(tài)的中性粒子等多種粒子。它們都有相互碰撞的機(jī)會(huì)，而發(fā)生電離可能性最大的是電子對(duì)激勵(lì)狀態(tài)或常態(tài)的中性粒子的碰撞，因?yàn)樵谂鲎矔r(shí)電子不僅具有很高的動(dòng)能，而且會(huì)將幾乎全部能量都傳遞給中性粒子。上面提到，在某一溫度下粒子所具有動(dòng)能并不都相同，只是擁有大于電離電壓能量的那部分粒子才可能引起中性粒子的電離。單位體積內(nèi)被電離的粒子數(shù)與氣體電離前粒子總數(shù)的比值稱為電離度，一般以 表示，即：根據(jù)印度科學(xué)家薩哈（shaha）的推導(dǎo)，假設(shè)氣體中各粒子處于熱平衡狀態(tài)，則熱電離與氣體溫度、氣體壓力、氣體電離電壓等因素存在如下關(guān)系： (1-4)式中：p氣體壓力（pa）；t氣體熱力學(xué)溫度（k）；e電子的電

39、量（c）；k波爾茲曼常數(shù)，；氣體的電離電壓（v）。由薩哈公式及圖1-4可以看出熱電離時(shí)的電離度隨溫度的升高，壓力的減少，電離電壓的減小而增加。由這個(gè)關(guān)系式所決定的電離度x與溫度t的曲線關(guān)系如圖1-4所示。薩哈公式是單一氣體熱電離度的表達(dá)式，如果某氣體中混有其他成分時(shí)，各種氣體電離程度不一樣，此時(shí)電子密度與電離前中性粒子密度的比值稱為實(shí)效電離度。混合氣體的電離電壓稱為實(shí)效電離電壓。利用薩哈公式求實(shí)效電離度時(shí)需代入實(shí)效電離電壓。理論與實(shí)際都證明混合氣體的實(shí)效電離電壓主要決定于電離電壓較低的氣體成分，即使這種氣體占有較小的比例。例如鐵蒸氣中混有鉀蒸氣時(shí)，其實(shí)效電離電壓與混入的鉀蒸汽的比例關(guān)系如圖1-

40、5所示。鐵蒸氣電離電壓為7.9v，而鉀蒸氣電離電壓為4.3v。當(dāng)鉀蒸氣含量超過(guò)5%時(shí)，則實(shí)效電離電壓顯著下降而接近鉀的電離電壓。因此電弧焊時(shí)為了提高電弧的穩(wěn)定性，在電弧氣氛中只需要加少量的低電離電壓物質(zhì)則可取得顯著的效果。當(dāng)幾種氣體組成混合氣體時(shí)，則各組分氣體的電離度在同一溫度和氣壓下，因其電離電壓的差別而顯著不同。低電離電壓氣體的電離過(guò)程，是提供電弧需要的帶電粒子的關(guān)鍵。例如當(dāng)電弧氣氛中含有ca、fe、o2、n2時(shí)（電離電壓分別為6.1,7.9,12.2,15.5v），當(dāng)溫度為500k、氣壓為101×105pa（一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）時(shí)，電離度之比如下：由上面的關(guān)系可以得出，如果電弧氣氛

41、中含有一定量蒸氣，則此混合氣中的帶電粒子主要是由ca蒸氣的電離所提供。一般在常壓下的焊接電弧中，電子是電弧的主要帶電粒子，電子密度的數(shù)量級(jí)為1014cm3時(shí)，即可維持電弧的正常導(dǎo)電。實(shí)效電離度為10-4數(shù)量級(jí)時(shí)即可滿足小電流電弧導(dǎo)電的需要，亦即一萬(wàn)個(gè)中性粒子中有一個(gè)中性粒子被電離即可。就是說(shuō)，在一般焊接電弧中的電離度只有0.1×10-30.12×10-2的數(shù)量級(jí)，而在強(qiáng)迫冷卻、強(qiáng)迫壓縮或大電流的電弧溫度達(dá)到一萬(wàn)或幾萬(wàn)k以上時(shí)，實(shí)效電離度的數(shù)量級(jí)才可能達(dá)到10-11的程度。 由于弧柱的溫度一般在500030000k范圍，所以熱電離是弧柱部分產(chǎn)生帶電粒子的最主要途徑。由于電弧的

42、溫度很高，電弧中的多原子氣體（是由兩個(gè)以上原子構(gòu)成的氣體分子）在熱作用下分解為原子的現(xiàn)象稱為熱解離。熱解離是吸熱反應(yīng)過(guò)程，也需要外加能量。氣體分子產(chǎn)生熱解離所需要的最低能量稱為解離能，以電子伏特（ev）來(lái)表示。電弧氣氛中常遇到幾種氣體分子的解離能如表1-3所示。各種氣體的解離度（解離分子數(shù)分子總數(shù)）與氣體種類和溫度有關(guān)，幾種氣體的解離度與溫度的關(guān)系如圖所示。 氣體的解離能皆低于電離能，因此電弧中氣體分子受熱作用時(shí)將首先大量解離成原子，然后由大量原子和少量分子（其比例因溫度不同而異）組成的氣體繼續(xù)受熱作用而產(chǎn)生電離。氣體的解離過(guò)程伴隨著吸熱作用，所以它除了影響帶電粒子的產(chǎn)生過(guò)程外，還對(duì)電弧的電和

43、熱性能有著顯著的影響。焊接時(shí)，不同保護(hù)氣體的電弧中所產(chǎn)生的許多現(xiàn)象，常與氣體的解離過(guò)程有著密切關(guān)系。例如在co2,n2等保護(hù)氣體中，在相同電弧長(zhǎng)度下，電弧電壓和電弧溫度要比單原子氣體ar中的電弧電壓和電弧溫度高，就是因?yàn)閏o2,n2等多原子氣體在高溫下首先發(fā)生解離，吸收大量熱能，強(qiáng)迫電弧收縮所造成。(2) 電場(chǎng)作用下的電離當(dāng)氣體中有電場(chǎng)作用時(shí)，帶電粒子除了作無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)外，還會(huì)受電場(chǎng)的影響作定向運(yùn)動(dòng)，正、負(fù)帶電粒子的定向運(yùn)動(dòng)方向相反。電場(chǎng)對(duì)帶電粒子在電場(chǎng)方向的運(yùn)動(dòng)起加速作用，使電能轉(zhuǎn)換為帶電粒子的動(dòng)能。當(dāng)動(dòng)能增加到足夠的數(shù)值時(shí)，則可能與中性粒子產(chǎn)生非彈性碰撞而使之電離。這種帶電粒子從電場(chǎng)中獲

44、得能量，通過(guò)碰撞而產(chǎn)生的電離過(guò)程稱為電場(chǎng)作用下的電離。由于帶電粒子是在充滿氣體粒子的空間中運(yùn)動(dòng)，事實(shí)上它是一邊與氣體粒子發(fā)生碰撞，一邊沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)所示。其總的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)雖然與電場(chǎng)方向一致，但在每次碰撞，如圖1-7所示，其總的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)雖然與電場(chǎng)方向一致。但每次碰撞后的運(yùn)動(dòng)方向是要變化的，并不一定同電場(chǎng)方向一致。電場(chǎng)對(duì)帶電粒子的加速作用實(shí)際上只能在每?jī)纱闻鲎仓g的路程中產(chǎn)生。兩次碰撞之間的路程長(zhǎng)度為粒子的自由行程，其平均值稱為平均自由行程。在平均自由行程內(nèi)電 場(chǎng)對(duì)帶電粒子（如果電荷量為e）所能施加的最大動(dòng)能（平均自由行程與電場(chǎng)方向平行時(shí)）只能是： （1-5）式中，平均自由行程；e電場(chǎng)強(qiáng)度；e一個(gè)電

45、子的電荷量，e=1.6×10-19c。根據(jù)氣體分子運(yùn)動(dòng)理論可知，在同一種氣體粒子的氣體中，中性氣體粒子的平均自由行程（單位為cm）的數(shù)值方程為： （1-6）式中，氣體粒子的半徑（cm）；氣體粒子的密度（cm-3）如果氣體中同時(shí)有離子和電子存在時(shí)，則離子的平均自由行程；（單位cm）為： （1-7）電子的平均自由行程（單位cm）為： （1-8）由上可知平均自由行程與氣體粒子的半徑平方和氣體的密度成反比。 由于氣體密度與壓力和溫度有關(guān)，當(dāng)溫度一定時(shí)平均自由行程與壓力成反比，當(dāng)壓力一定時(shí)平均自由行程與溫度成正比。當(dāng)某一氣體中同時(shí)存在中性粒子、離子和電子時(shí)，在一定溫度和壓力下它們自由行程的比例

46、為： （1-9）可見(jiàn)在相同條件下電子的平均自由行程比離子的倍大倍，在電場(chǎng)作用下電子可獲得4倍于離子的動(dòng)能，又因電子的質(zhì)量比離子小得多，它與中性粒子發(fā)生非彈性碰撞時(shí)可將全部動(dòng)能轉(zhuǎn)換為中性粒子的內(nèi)能。如果電子的總能量超過(guò)中性粒子的電離能，則產(chǎn)生電離。因此電場(chǎng)作用下的電離現(xiàn)象也主要是電子與中性粒子的非彈性碰撞引起的。在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，電子受到電場(chǎng)的加速作用與中性或受激勵(lì)的粒子相撞，可以生成一個(gè)新的電子與正離子，然后這兩個(gè)電子繼續(xù)前進(jìn)會(huì)分別又與中性粒子碰撞，又可生成兩個(gè)新的電子，如此類推，使帶電粒子快速增加，這種在強(qiáng)電場(chǎng)作用下的電離具有鏈鎖反應(yīng)的性質(zhì)。但是帶電粒子的增加是有一定限度的。這是因?yàn)樵陔娀?dǎo)

47、電中，除了電離過(guò)程外，還同時(shí)存在著帶電粒子的消失過(guò)程，即帶電粒子復(fù)合成中性粒子的消電離過(guò)程。在普通電弧中，由于弧柱部左右，電子在平均自由分的電場(chǎng)強(qiáng)度較弱，一般為10v/cm左右，電子在平均自由行程中所能獲得的動(dòng)能較小，一般比熱作用所獲得的動(dòng)能要小的多，所以在弧柱中熱電離是主要形式，電場(chǎng)作用下的電離是次要的。而在陰極壓降區(qū)和陽(yáng)極壓降區(qū)（在陰極和陽(yáng)極前面的極小區(qū)間），電場(chǎng)強(qiáng)度可能達(dá)到很高的數(shù)值（約為105107v/cm），只有在這兩個(gè)區(qū)域才顯著產(chǎn)生電場(chǎng)作用下的電離現(xiàn)象。（3）光電離中性粒子接受光輻射的作用而產(chǎn)生的電離現(xiàn)象稱為光電離。光輻射引起中性粒子電離的條件是，因此并不是所有的光輻射皆可發(fā)生電離

48、現(xiàn)象。對(duì)電離能不同的氣體都存在一個(gè)產(chǎn)生光電離的臨界波長(zhǎng)。波長(zhǎng)越短，能量越強(qiáng)，只有當(dāng)接受的光輻射波長(zhǎng)小于臨界波長(zhǎng)時(shí)，中性氣體粒子才可能直接被電離。臨界波長(zhǎng)的數(shù)值可由下式確定。因?yàn)椋?（1-10）所以：式中 h普朗克常數(shù)；臨界光輻射頻率；臨界光輻射波長(zhǎng)；c光速；電離能。將式（1-10）中常數(shù)帶入數(shù)值后得數(shù)值方程： （1-11）式中臨界光輻射波長(zhǎng)（nm）；電離電壓（v）。將某種氣體的電離電壓數(shù)值代入上式，則可得出該氣體光電離所要求的輻射光的臨界波長(zhǎng)。電弧中常遇到的氣體的臨界波長(zhǎng)如表1-4所列。 由表1-4可知，所列的氣體光電離要求的臨界波長(zhǎng)皆在紫外線光譜區(qū)內(nèi) 0.8400nm（84000a）而可見(jiàn)光

49、400700nm（40007000a）幾乎對(duì)所有氣體都不能直接引起光電離。實(shí)際測(cè)量得知，電弧的光輻射波長(zhǎng) 在170500nm（17005000a）區(qū)間，包括紅外線、可見(jiàn)光和紫外線。由表1-4可得知，電弧的光輻射對(duì)k、na、ca、al等金屬蒸氣能夠直接引起光電離，而對(duì)其他氣體則不能。但是如果這些氣體已處于激勵(lì)狀態(tài)，則可接受弧光輻射作用而引起光電離。實(shí)際上，光電離是電弧中產(chǎn)生帶電粒子的一個(gè)次要途徑。（二）電極發(fā)射電子電弧中的帶電粒子除依靠?jī)呻姌O間的氣體電離過(guò)程產(chǎn)生外，還可以從電極表面發(fā)射出來(lái)。在焊接電弧中電極只能發(fā)射電子而不能發(fā)射離子。陰極和陽(yáng)極表面皆可能發(fā)射電子，但是只有從陰極表面發(fā)射出來(lái)的電子

50、在電場(chǎng)作用下參加導(dǎo)電過(guò)程，而從陽(yáng)極表面發(fā)射出來(lái)的電子，因受到電場(chǎng)的排斥不可能參加導(dǎo)電過(guò)程，只能對(duì)陽(yáng)極區(qū)空間電荷的數(shù)量產(chǎn)生一定的影響。因此這里只討論陰極表面的電子發(fā)射現(xiàn)象。 金屬表面接受一定的外加能量，自由電子沖破金屬表面的約束而飛到電弧空間的現(xiàn)象稱為電子發(fā)射。使一個(gè)電子），單位是由金屬表面飛出所需要的最低外加能量稱為逸出功（w）單位是電子伏。因電子量是一個(gè)常數(shù)，通常亦以 逸出電壓來(lái)衡量逸出功的大小。逸出功的大小與金屬材料種類、金屬表面狀態(tài)和金屬表面氧化物情況有關(guān)。幾種金屬及其表面帶氧化物時(shí)的逸出功數(shù)值列入表1-5。由表中可見(jiàn)金屬表面帶帶氧化物時(shí)的逸出功數(shù)值列入表有氧化物時(shí)的逸出功皆減小。當(dāng)鎢極

51、表明敷以cs、ba、tb、zr等物質(zhì)時(shí)，逸出功的數(shù)值也減小，如表1-6所示。因表面敷以此，為提高電子發(fā)射能力和改善焊接工藝性能，在鎢極中常加入th、cs、ce等成分，以提高鎢極電流容量和改善引弧性能。金屬內(nèi)部的自由電子，只有在接受外加能量并且超出逸出功時(shí)才能沖破金屬表面發(fā)射到外部空間，由于外加能量形式不同，電子發(fā)射可分為以下幾種。1熱發(fā)射金屬表面承受熱作用而產(chǎn)生的電子發(fā)射現(xiàn)象稱為熱發(fā)射。這是因?yàn)榻饘賰?nèi)部的自由電子受熱作用后其熱運(yùn)動(dòng)速度增加，當(dāng)其動(dòng)能滿足下式時(shí)，則飛出金屬表面： （1-12）式中電子質(zhì)量；電子熱運(yùn)動(dòng)速度；e一個(gè)電子的電量；逸出電壓。電子自金屬表面的發(fā)射現(xiàn)象與被加熱到沸點(diǎn)的水面的水

52、蒸氣蒸發(fā)現(xiàn)象相似。水蒸氣自水面蒸發(fā)時(shí)將從水面帶走蒸發(fā)熱，而電子熱發(fā)射也將從金屬表面帶走熱量而對(duì)金屬表面產(chǎn)生冷卻作用。電子發(fā)射時(shí)從金屬表面帶走能量的，其中數(shù)值為為發(fā)射為逸的總電子流，為逸出電壓。相反，當(dāng)這些電子被另外的金屬表面接受時(shí)，它們將由空間飄游狀態(tài)又恢復(fù)為金屬內(nèi)部的自由電子，同時(shí)這些電子將向接受它們的金屬表面放出逸出功，使金屬表面加熱，其增加的能量也是i。金屬表面熱發(fā)射的電子流密度與金屬表面的溫度成指數(shù)關(guān)系： （1-13）式中 a與材料表面狀態(tài)有關(guān)的常數(shù)；t金屬表面熱力學(xué)溫度；e 一個(gè)電子的電量；逸出電壓；k波爾茲曼常數(shù)。在實(shí)際的焊接電弧中，電極的最高溫度不可能超過(guò)其材料的沸點(diǎn)，當(dāng)使用沸點(diǎn)

53、高的材料鎢或炭作和電極材料時(shí)（其沸點(diǎn)分別為6950k和4200k）電極可能被加熱到很高的溫度（一般可達(dá)3500k以上），這種電弧稱為熱陰極電弧，這種電弧的陰極區(qū)的帶電粒子是主要靠熱發(fā)射電子來(lái)提供。但使用鋼、銅、鋁、鎂等材料作電極時(shí)，由于它們的沸點(diǎn)較低（fe3008k，cu2868，al2770k，mg1375k），電極加熱溫度受材料沸點(diǎn)的限制不可能很高，此種電弧稱為冷陰極電弧。這種電弧陰極區(qū)的導(dǎo)電所需要的帶電粒子不可能全由電極的熱發(fā)射電子提可知，溫度低時(shí)熱發(fā)射顯著減供（由式弱），必須還要依靠其他方式發(fā)射電子予以補(bǔ)充，才能滿足導(dǎo)電的需要。2電場(chǎng)發(fā)射當(dāng)金屬表面空間存在一定強(qiáng)度的正電場(chǎng)時(shí)，金屬內(nèi)的自

54、由電子受此電場(chǎng)靜電庫(kù)倫力的作用，當(dāng)此力達(dá)到一定程度時(shí)，電子可飛出金屬表面，這種現(xiàn)象稱電場(chǎng)發(fā)射。由式）可知，熱發(fā)射電子流密度與電極表面溫度成指數(shù)關(guān)系。事實(shí)上在較低溫度（室溫或）下也仍有電子熱發(fā)射，只是數(shù)量較少。當(dāng)電極表面前存在正電場(chǎng)時(shí)，電場(chǎng)的靜電庫(kù)倫力將幫助電子飛出金屬表面，相當(dāng)于降低了電極材料的逸出功，可使較多的電子在較低的溫度下飛出金屬表面。所以當(dāng)陰極表面外面存在電場(chǎng)時(shí)，則電子電流密度可用下式表達(dá)： （1-14）式中e電場(chǎng)強(qiáng)度；真空介電常數(shù)。比較式（1-13）與式（1-14）可知，電場(chǎng)的存在相當(dāng)于使電極材料的逸出電壓被降低為： ，即逸出功降低了。當(dāng)溫度很低時(shí)，甚至是0（t=273k），如果存

55、在足夠的電場(chǎng)強(qiáng)度，也可以從電極發(fā)射足夠數(shù)量的電子流以供電弧導(dǎo)電需要。電場(chǎng)發(fā)射時(shí)，電子自陰極飛出不象熱發(fā)射那樣對(duì)陰極有強(qiáng)烈的冷卻作用，電子從陰極帶走的熱量不再是，而是：對(duì)于低沸點(diǎn)材料的冷陰極電弧，電場(chǎng)發(fā)射對(duì)陰極區(qū)提供帶電粒子起重要作用。這時(shí)陰極區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)106107v/cm，具備產(chǎn)生電場(chǎng)發(fā)射的有利條件。3光發(fā)射當(dāng)金屬表面接受光輻射時(shí)，也可使金屬表面自由電子能量增加，沖破金屬表面的約束飛到金屬外面來(lái)，這種現(xiàn)象稱光發(fā)射。光發(fā)射的條件是， （1-15）由于各種材料的逸出功不同，所以不同材料產(chǎn)生光發(fā)射所要求的臨界波長(zhǎng)可由下面數(shù)字方程確定： （1-16）式中 臨界波長(zhǎng)（nm）；逸出電壓（v）。根據(jù)計(jì)算可知，k，na，ca等堿金屬和堿土金屬光發(fā)射的臨界波長(zhǎng)在可見(jiàn)光區(qū)間。而重金屬fe、cu、w等其臨界波長(zhǎng)均在紫外線區(qū)間。當(dāng) 時(shí)（ 為入射光的波 長(zhǎng)）則發(fā)生光發(fā)射。電弧的光輻射波長(zhǎng)范圍包括可見(jiàn)光和紫外線，所以弧光可能引起電極的光發(fā)射，但由于光量較弱，實(shí)際證明它在陰極發(fā)射現(xiàn)象中居次要地位。產(chǎn)生光發(fā)射時(shí)，由于金屬表面接受光輻射能量與電子逸出功相等，所以它不象熱發(fā)射時(shí)那樣對(duì)電極有冷卻作用。4，