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1、焊接电弧分解教材与参考书教材与参考书n n教材教材教材教材 ：n n杨春利、林三宝电弧焊基础杨春利、林三宝电弧焊基础杨春利、林三宝电弧焊基础杨春利、林三宝电弧焊基础.哈尔滨：哈尔滨工业大哈尔滨：哈尔滨工业大哈尔滨：哈尔滨工业大哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，学出版社，学出版社，学出版社，2003.2 2003.2n n参考书参考书参考书参考书 ：n n王宗杰、刘金合熔焊方法及设备北京：王宗杰、刘金合熔焊方法及设备北京：王宗杰、刘金合熔焊方法及设备北京：王宗杰、刘金合熔焊方法及设备北京：机械工业出机械工业出机械工业出机械工业出版社，版社，版社，版社，2007.2.2007.2.n n邱葭菲，焊接方
2、法与设备北京：化学工业出版社，邱葭菲，焊接方法与设备北京：化学工业出版社，邱葭菲，焊接方法与设备北京：化学工业出版社，邱葭菲，焊接方法与设备北京：化学工业出版社，2009.2009.第一章第一章 电弧焊基础知识电弧焊基础知识n n第一节第一节第一节第一节 电弧的导电机理电弧的导电机理电弧的导电机理电弧的导电机理n n电弧：电弧：电弧：电弧：是在一定条件下电荷通过两电极间气体空间的一种导电过是在一定条件下电荷通过两电极间气体空间的一种导电过是在一定条件下电荷通过两电极间气体空间的一种导电过是在一定条件下电荷通过两电极间气体空间的一种导电过程程程程(图图图图11)11)，也是气体放电的一种重要形式
3、。，也是气体放电的一种重要形式。，也是气体放电的一种重要形式。，也是气体放电的一种重要形式。n n电弧的作用：电弧的作用：电弧的作用：电弧的作用：借助于这种气体放电形式将电能转换为热能、机械借助于这种气体放电形式将电能转换为热能、机械借助于这种气体放电形式将电能转换为热能、机械借助于这种气体放电形式将电能转换为热能、机械能和光能，焊接时主要是利用其热能和机械能来达到金属连接的能和光能，焊接时主要是利用其热能和机械能来达到金属连接的能和光能，焊接时主要是利用其热能和机械能来达到金属连接的能和光能，焊接时主要是利用其热能和机械能来达到金属连接的目的。目的。目的。目的。n n一、电弧放电的特点一、电
4、弧放电的特点一、电弧放电的特点一、电弧放电的特点n n二、电弧中带电粒子的产生二、电弧中带电粒子的产生二、电弧中带电粒子的产生二、电弧中带电粒子的产生n n三、电弧各区域的导电机构三、电弧各区域的导电机构三、电弧各区域的导电机构三、电弧各区域的导电机构n n四、最小电压原理四、最小电压原理四、最小电压原理四、最小电压原理 n n五、电弧的静特性五、电弧的静特性五、电弧的静特性五、电弧的静特性 第二节第二节 焊接电弧的产热及温度分布焊接电弧的产热及温度分布一、电弧放电的特点一、电弧放电的特点1 1 1 1、气体的放电：、气体的放电：、气体的放电：、气体的放电：正常状态的气体导电时，带电粒子的产生
5、过程，这就正常状态的气体导电时，带电粒子的产生过程，这就正常状态的气体导电时，带电粒子的产生过程，这就正常状态的气体导电时，带电粒子的产生过程，这就 是气体的放电过程。是气体的放电过程。是气体的放电过程。是气体的放电过程。n n气体放电在形式和性质的取决因素：气体放电在形式和性质的取决因素：气体放电在形式和性质的取决因素：气体放电在形式和性质的取决因素：气体的种类和压力气体的种类和压力气体的种类和压力气体的种类和压力、电极材料和电极材料和电极材料和电极材料和几何形状几何形状几何形状几何形状、两极间距离以及施加在两极间电压高低两极间距离以及施加在两极间电压高低两极间距离以及施加在两极间电压高低两
6、极间距离以及施加在两极间电压高低2 2 2 2、气体放电形式：、气体放电形式：、气体放电形式：、气体放电形式：按是否需要外界电离源按是否需要外界电离源按是否需要外界电离源按是否需要外界电离源(如如如如x x x x射线、宇宙射线、阴极的射线、宇宙射线、阴极的射线、宇宙射线、阴极的射线、宇宙射线、阴极的加热等加热等加热等加热等)来维持放电，可分为非自持放电和自持放电两大类。来维持放电，可分为非自持放电和自持放电两大类。来维持放电，可分为非自持放电和自持放电两大类。来维持放电，可分为非自持放电和自持放电两大类。1 1 1 1）非自持放电：）非自持放电：）非自持放电：）非自持放电：起始的带电粒子是由
7、外界电离源所引起的，呈暗放电状起始的带电粒子是由外界电离源所引起的，呈暗放电状起始的带电粒子是由外界电离源所引起的，呈暗放电状起始的带电粒子是由外界电离源所引起的，呈暗放电状态，当外界电离源取消后，放电就立刻停止，这种取决于外界因素的态，当外界电离源取消后，放电就立刻停止，这种取决于外界因素的态，当外界电离源取消后，放电就立刻停止，这种取决于外界因素的态，当外界电离源取消后，放电就立刻停止，这种取决于外界因素的气体导电现象称之为非自持放电。气体导电现象称之为非自持放电。气体导电现象称之为非自持放电。气体导电现象称之为非自持放电。2 2 2 2）自持放电：）自持放电：）自持放电：）自持放电：当电
8、流大于当电流大于当电流大于当电流大于定数值时，气体导电过程本身就可以产生维定数值时，气体导电过程本身就可以产生维定数值时，气体导电过程本身就可以产生维定数值时，气体导电过程本身就可以产生维持导电所需要的带电粒子，即使取消于外界电离源，放电过程仍可继持导电所需要的带电粒子，即使取消于外界电离源，放电过程仍可继持导电所需要的带电粒子，即使取消于外界电离源，放电过程仍可继持导电所需要的带电粒子，即使取消于外界电离源，放电过程仍可继续维持下去，这种过程称为自持放电。续维持下去，这种过程称为自持放电。续维持下去，这种过程称为自持放电。续维持下去，这种过程称为自持放电。3 3 3 3、电弧放电的特点：、电
9、弧放电的特点：、电弧放电的特点：、电弧放电的特点：电流密度大；阴极电压降低；温度高电流密度大；阴极电压降低；温度高电流密度大；阴极电压降低；温度高电流密度大；阴极电压降低；温度高(5000(5000(5000(5000 30000K)30000K)30000K)30000K)；发光度强。；发光度强。；发光度强。；发光度强。返回返回返回返回二、电弧中带电粒子的产生二、电弧中带电粒子的产生二、电弧中带电粒子的产生二、电弧中带电粒子的产生n n电孤是由两个电极和它们之间的气体空间组成。电孤是由两个电极和它们之间的气体空间组成。电孤是由两个电极和它们之间的气体空间组成。电孤是由两个电极和它们之间的气体
10、空间组成。n n产生和维持电弧燃烧的条件：产生和维持电弧燃烧的条件：产生和维持电弧燃烧的条件：产生和维持电弧燃烧的条件：两电极之间的气体电离两电极之间的气体电离两电极之间的气体电离两电极之间的气体电离和和和和电极发射电子电极发射电子电极发射电子电极发射电子n n同时伴随着一些其它过程如：同时伴随着一些其它过程如：同时伴随着一些其它过程如：同时伴随着一些其它过程如：解离、激励、扩散、复合、负离子解离、激励、扩散、复合、负离子解离、激励、扩散、复合、负离子解离、激励、扩散、复合、负离子的产的产的产的产生等。生等。生等。生等。(一一一一)气体的电离和激励气体的电离和激励气体的电离和激励气体的电离和激
11、励 1 1 1 1、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、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、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、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。现象称为电离。现象称为电离。现象称为电离。n n气体分子或原子（中）气体分子或原子（中）气体分子或原子（中）气体分子或原子（中）正电荷正电荷正电荷正电荷(原子核原子核原子核原子核)（+）+负电荷负电荷负电荷负电荷(电子电子电子电子)。n n(1)(1)(1)(1)在普通焊接电弧中，当焊接电流较小时只存在一次电离，在普通焊接电弧中，当焊
12、接电流较小时只存在一次电离，在普通焊接电弧中，当焊接电流较小时只存在一次电离，在普通焊接电弧中，当焊接电流较小时只存在一次电离，而在大而在大而在大而在大电流或压缩焊接电弧中，电弧的热力学温度达到几万电流或压缩焊接电弧中，电弧的热力学温度达到几万电流或压缩焊接电弧中，电弧的热力学温度达到几万电流或压缩焊接电弧中，电弧的热力学温度达到几万K K K K时可能出现二时可能出现二时可能出现二时可能出现二次或三次电离，但这种情况下，一次电离仍居主要地位次或三次电离，但这种情况下，一次电离仍居主要地位次或三次电离，但这种情况下，一次电离仍居主要地位次或三次电离，但这种情况下，一次电离仍居主要地位n n(2
13、)(2)(2)(2)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，所需要的外加能量也作用下，电离电压较低的气体粒子将先被电离，所需要的外加能量也作用下，电离电压较低的气体粒子将先被电离，所需要的外加能量也作用下，电离电压较低的气体粒子将先被电离，所需要的外加能量也主要取决于这种气体的电离电压主要取决于这种气体的电离电压主要取决于这种气体的电离电压主要取决于这种气体的电离电压.n
14、 n2 2、激励：、激励：、激励：、激励：当中性粒子接受外来能量的作用还不足以使当中性粒子接受外来能量的作用还不足以使电子完全脱离气体原于或分子时，但可能使电子从较低电子完全脱离气体原于或分子时，但可能使电子从较低的能级转移到较高的能级，则中性粒子内部的稳定状态的能级转移到较高的能级，则中性粒子内部的稳定状态也被破坏，这种状态称为也被破坏，这种状态称为激励激励激励激励。n n激励电压激励电压激励电压激励电压：使中性粒子激励所需要的最低外加能量称为使中性粒子激励所需要的最低外加能量称为最低激励电压最低激励电压(也是以伏表示也是以伏表示)。激励电压数值低于该元。激励电压数值低于该元素电离电压的数值
15、。素电离电压的数值。3、能量传递方式、能量传递方式n n两种传递方式：两种传递方式：两种传递方式：两种传递方式：碰撞传递碰撞传递碰撞传递碰撞传递；光辐射传递光辐射传递光辐射传递光辐射传递。n n(1)(1)碰撞传递碰撞传递碰撞传递碰撞传递 n n弹性碰撞：弹性碰撞：弹性碰撞：弹性碰撞：气体粒子间只产生动能的传递和再分配，碰撞后的两粒子动能之气体粒子间只产生动能的传递和再分配，碰撞后的两粒子动能之和基本不变，粒子内部结构不发生任何变化。因此弹性碰撞的结果只使粒子和基本不变，粒子内部结构不发生任何变化。因此弹性碰撞的结果只使粒子的运动速度发生变化，并引起气体温度的变化，不能产生气体的电离或激励的运
16、动速度发生变化，并引起气体温度的变化，不能产生气体的电离或激励过程，这种情况是在气体粒子拥有动能较低时产生的。过程，这种情况是在气体粒子拥有动能较低时产生的。n n非弹性碰撞：非弹性碰撞：非弹性碰撞：非弹性碰撞：当气体粒子拥有较高动能时，则产生非弹性碰撞，在碰撞时部当气体粒子拥有较高动能时，则产生非弹性碰撞，在碰撞时部分或全部动能转换为内能，使被碰撞的气体粒子内部结构发生变化。分或全部动能转换为内能，使被碰撞的气体粒子内部结构发生变化。n n内能电离电压内能电离电压内能电离电压内能电离电压 电离电离电离电离 内能激励电压内能激励电压内能激励电压内能激励电压 激励激励激励激励n n 被激励的粒子
17、如果继续受到非弹性碰撞，内能积累达到电离电压时，也将被激励的粒子如果继续受到非弹性碰撞，内能积累达到电离电压时，也将产生电离。总之，气体粒子间只有非弹性碰撞才能产生电离过程，形成带电产生电离。总之，气体粒子间只有非弹性碰撞才能产生电离过程，形成带电粒子。粒子。n n 由于电子的质量远小于气体原子、离子或分子，因此当具有足够动能的由于电子的质量远小于气体原子、离子或分子，因此当具有足够动能的电子与中性粒子进行非弹性碰撞时，电子的动能几乎可以全部传给中性粒子，电子与中性粒子进行非弹性碰撞时，电子的动能几乎可以全部传给中性粒子，转换为中性粒子的内能，使其激励或电离。转换为中性粒子的内能，使其激励或电
18、离。n n在电弧燃烧过程中，通过粒子间碰撞传递能量使气体粒子电离，是电弧本身在电弧燃烧过程中，通过粒子间碰撞传递能量使气体粒子电离，是电弧本身在电弧燃烧过程中，通过粒子间碰撞传递能量使气体粒子电离，是电弧本身在电弧燃烧过程中，通过粒子间碰撞传递能量使气体粒子电离，是电弧本身产生带电粒子维持其导电的最主要方式产生带电粒子维持其导电的最主要方式产生带电粒子维持其导电的最主要方式产生带电粒子维持其导电的最主要方式。(2)光辐射传递：光辐射传递：n n中性气体粒子可以接受外界以光量子形式所施加的能量，中性气体粒子可以接受外界以光量子形式所施加的能量，中性气体粒子可以接受外界以光量子形式所施加的能量，中
19、性气体粒子可以接受外界以光量子形式所施加的能量，提高其内能并改变其内部结构，使气体粒子被激励或电提高其内能并改变其内部结构，使气体粒子被激励或电提高其内能并改变其内部结构，使气体粒子被激励或电提高其内能并改变其内部结构，使气体粒子被激励或电离。离。离。离。n n产生激励的条件：产生激励的条件：产生激励的条件：产生激励的条件：n n式中式中WeWe激励能；激励能；n nee电子电荷量；电子电荷量；n nUe-Ue-气体粒子的激励电压。气体粒子的激励电压。n n产生电离的条件：产生电离的条件：产生电离的条件：产生电离的条件：n n Wi Wi电离能；电离能；n n Ui Ui电离电压。电离电压。n
20、 n在一般焊接电弧中，通过光辐射传递方式来制造带电粒在一般焊接电弧中，通过光辐射传递方式来制造带电粒在一般焊接电弧中，通过光辐射传递方式来制造带电粒在一般焊接电弧中，通过光辐射传递方式来制造带电粒子与碰撞传递相比，则是次要的。子与碰撞传递相比，则是次要的。子与碰撞传递相比，则是次要的。子与碰撞传递相比，则是次要的。3 3、电离种类、电离种类、电离种类、电离种类n n(1)(1)热电离热电离热电离热电离 高温下，气体粒子受热的作用相互碰撞而产生的电离。高温下，气体粒子受热的作用相互碰撞而产生的电离。高温下，气体粒子受热的作用相互碰撞而产生的电离。高温下，气体粒子受热的作用相互碰撞而产生的电离。气
21、体粒子的平均运动速度与温度在数值上的关系如下气体粒子的平均运动速度与温度在数值上的关系如下气体粒子的平均运动速度与温度在数值上的关系如下气体粒子的平均运动速度与温度在数值上的关系如下n n式中式中式中式中 C C气体粒子的平均速度气体粒子的平均速度气体粒子的平均速度气体粒子的平均速度(cm(cms)s)；n n T T气体的热力学温度气体的热力学温度气体的热力学温度气体的热力学温度(K)(K)；n n m m粒子的质量粒子的质量粒子的质量粒子的质量(g)(g)。n n可见，气体温度越高，气体粒子的平均运动速度也越高，即动能也可见，气体温度越高，气体粒子的平均运动速度也越高，即动能也可见，气体温
22、度越高，气体粒子的平均运动速度也越高，即动能也可见，气体温度越高，气体粒子的平均运动速度也越高，即动能也越大。越大。越大。越大。n n 在某一温度下粒子所具有动能并不都相同，只是拥有大于电离电在某一温度下粒子所具有动能并不都相同，只是拥有大于电离电在某一温度下粒子所具有动能并不都相同，只是拥有大于电离电在某一温度下粒子所具有动能并不都相同，只是拥有大于电离电压能量的那部分粒子才可能引起中性粒子的电离。压能量的那部分粒子才可能引起中性粒子的电离。压能量的那部分粒子才可能引起中性粒子的电离。压能量的那部分粒子才可能引起中性粒子的电离。1)1)电离度：电离度：电离度：电离度：单位体积内被电离的粒子数
23、与气体电离前粒子总数的比值单位体积内被电离的粒子数与气体电离前粒子总数的比值单位体积内被电离的粒子数与气体电离前粒子总数的比值单位体积内被电离的粒子数与气体电离前粒子总数的比值n n热电离时，电离度随温度的升高、压力的减少和电离电压的减小而热电离时，电离度随温度的升高、压力的减少和电离电压的减小而热电离时，电离度随温度的升高、压力的减少和电离电压的减小而热电离时，电离度随温度的升高、压力的减少和电离电压的减小而增加。增加。增加。增加。2)2)实效电高度：实效电高度：实效电高度：实效电高度：气体为混合气体时，各种气体电离程度不一样，此时气体为混合气体时，各种气体电离程度不一样，此时气体为混合气体
24、时，各种气体电离程度不一样，此时气体为混合气体时，各种气体电离程度不一样，此时电子密度与电离前中性粒子密度的比值称为实效电高度。电子密度与电离前中性粒子密度的比值称为实效电高度。电子密度与电离前中性粒子密度的比值称为实效电高度。电子密度与电离前中性粒子密度的比值称为实效电高度。n n实效电离电压：实效电离电压：实效电离电压：实效电离电压：混合气体的电离电压。混合气体的电离电压。混合气体的电离电压。混合气体的电离电压。n n说明说明n n1、混合气体的实效电离电压主要决定于电离电、混合气体的实效电离电压主要决定于电离电压较低的气体成分压较低的气体成分n n 2、电弧气氛中气体电离电压越低，电弧的
25、稳定、电弧气氛中气体电离电压越低，电弧的稳定性越高。性越高。n n 3、热电离是弧柱部分产生带电粒子的主要途径。、热电离是弧柱部分产生带电粒子的主要途径。弧柱温度：弧柱温度：500030000K。（2）电场作用下的电离）电场作用下的电离n n带电粒子的动能在电场的作用下增加到足够的数值时，带电粒子的动能在电场的作用下增加到足够的数值时，带电粒子的动能在电场的作用下增加到足够的数值时，带电粒子的动能在电场的作用下增加到足够的数值时，则可能与中性粒子产生非弹性碰撞而使之电离，称为则可能与中性粒子产生非弹性碰撞而使之电离，称为则可能与中性粒子产生非弹性碰撞而使之电离，称为则可能与中性粒子产生非弹性碰
26、撞而使之电离，称为电场作用下的电离。电场作用下的电离。电场作用下的电离。电场作用下的电离。自由行程：自由行程：自由行程：自由行程：两次碰撞之间的路程长度为粒子的自由行程，两次碰撞之间的路程长度为粒子的自由行程，两次碰撞之间的路程长度为粒子的自由行程，两次碰撞之间的路程长度为粒子的自由行程，其平均值称为平均自由行程。其平均值称为平均自由行程。其平均值称为平均自由行程。其平均值称为平均自由行程。n n同一种气体中往往存在中性粒子、离子和电子，他们同一种气体中往往存在中性粒子、离子和电子，他们同一种气体中往往存在中性粒子、离子和电子，他们同一种气体中往往存在中性粒子、离子和电子，他们的自由行程分别为
27、：式的自由行程分别为：式的自由行程分别为：式的自由行程分别为：式（1-61-6）（）（）（）（1-71-7）（）（）（）（1-81-8）（）（）（）（1-91-9）n n 可见，可见，可见，可见，在相同条件下电子的平均自由行程比离子的在相同条件下电子的平均自由行程比离子的在相同条件下电子的平均自由行程比离子的在相同条件下电子的平均自由行程比离子的大大大大4 4倍，倍，倍，倍，在电场作用下电子可获得在电场作用下电子可获得在电场作用下电子可获得在电场作用下电子可获得4 4倍倍倍倍于离子的动能，于离子的动能，于离子的动能，于离子的动能，又因电子的又因电子的又因电子的又因电子的质量质量质量质量比离子比
28、离子比离子比离子小得多小得多小得多小得多，它与中性粒子发生，它与中性粒子发生，它与中性粒子发生，它与中性粒子发生非非非非弹性碰撞弹性碰撞弹性碰撞弹性碰撞时可将时可将时可将时可将全部动能全部动能全部动能全部动能转换为中性粒子的转换为中性粒子的转换为中性粒子的转换为中性粒子的内能内能内能内能。如。如。如。如果电子的总能量超过中性粒于的电离能，则产生电离。果电子的总能量超过中性粒于的电离能，则产生电离。果电子的总能量超过中性粒于的电离能，则产生电离。果电子的总能量超过中性粒于的电离能，则产生电离。说明1 1、电场作用下的电离现象也主要是电子与中性粒子的非弹性碰撞引、电场作用下的电离现象也主要是电子与
29、中性粒子的非弹性碰撞引、电场作用下的电离现象也主要是电子与中性粒子的非弹性碰撞引、电场作用下的电离现象也主要是电子与中性粒子的非弹性碰撞引起。起。起。起。2 2、在普通电弧中，热电离是主要形式，电场作用下的电离是次要、在普通电弧中，热电离是主要形式，电场作用下的电离是次要、在普通电弧中，热电离是主要形式，电场作用下的电离是次要、在普通电弧中，热电离是主要形式，电场作用下的电离是次要的。的。的。的。n n由于弧柱部分的电场强度较弱，一般为由于弧柱部分的电场强度较弱，一般为由于弧柱部分的电场强度较弱，一般为由于弧柱部分的电场强度较弱，一般为l0Vl0Vcmcm左右，电子在平左右，电子在平左右，电子
30、在平左右，电子在平均自由行程中所能获得的动能较小，一般比热作用所获得的动能均自由行程中所能获得的动能较小，一般比热作用所获得的动能均自由行程中所能获得的动能较小，一般比热作用所获得的动能均自由行程中所能获得的动能较小，一般比热作用所获得的动能要小的多。要小的多。要小的多。要小的多。3 3、场致电离一般产生于阴极区和阳极区、场致电离一般产生于阴极区和阳极区、场致电离一般产生于阴极区和阳极区、场致电离一般产生于阴极区和阳极区n n阴极压降区和阳极压降区均很窄：阴极压降区和阳极压降区均很窄：阴极压降区和阳极压降区均很窄：阴极压降区和阳极压降区均很窄：E=10E=107 710108 8cmcm（3
31、3）光电离）光电离）光电离）光电离n n中性粒子接受光辐射的的作用而产生的电离现象。中性粒子接受光辐射的的作用而产生的电离现象。中性粒子接受光辐射的的作用而产生的电离现象。中性粒子接受光辐射的的作用而产生的电离现象。n n光电离的条件：光电离的条件：光电离的条件：光电离的条件：小结：光电离是电弧中产生带电粒子的一个次要途径。小结：光电离是电弧中产生带电粒子的一个次要途径。小结：光电离是电弧中产生带电粒子的一个次要途径。小结：光电离是电弧中产生带电粒子的一个次要途径。O O、HH、NN、ArAr、HeHe等气体光电离要求的临界波长皆在紫外线光谱等气体光电离要求的临界波长皆在紫外线光谱等气体光电离
32、要求的临界波长皆在紫外线光谱等气体光电离要求的临界波长皆在紫外线光谱区区区区8 840004000电弧的光辐射波长在电弧的光辐射波长在电弧的光辐射波长在电弧的光辐射波长在17001700一一一一50005000区间，光电离的区间很小。区间，光电离的区间很小。区间，光电离的区间很小。区间，光电离的区间很小。n n电弧中的带电粒子除依靠两电极间的气体电离过程产生外，还可以从电弧中的带电粒子除依靠两电极间的气体电离过程产生外，还可以从电弧中的带电粒子除依靠两电极间的气体电离过程产生外，还可以从电弧中的带电粒子除依靠两电极间的气体电离过程产生外，还可以从电极表面发射出来电极表面发射出来电极表面发射出来
33、电极表面发射出来（二）阴极电子发射（二）阴极电子发射（二）阴极电子发射（二）阴极电子发射n n 当阴极表面接受一定的外加能量，自由电子冲破金属表面的当阴极表面接受一定的外加能量，自由电子冲破金属表面的当阴极表面接受一定的外加能量，自由电子冲破金属表面的当阴极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称为电子发射。约束而飞到电弧空间的现象称为电子发射。约束而飞到电弧空间的现象称为电子发射。约束而飞到电弧空间的现象称为电子发射。n n逸出功：使一个电子由金属表面飞出所需要的最低外加能量称为逸出功：使一个电子由金属表面飞出所需要的最低外加能量称为逸出功：使一个电子由金属表
34、面飞出所需要的最低外加能量称为逸出功：使一个电子由金属表面飞出所需要的最低外加能量称为逸出功逸出功逸出功逸出功(Ww)(Ww)，单位是电子伏。因电子量是一个常数，通常亦以，单位是电子伏。因电子量是一个常数，通常亦以，单位是电子伏。因电子量是一个常数，通常亦以，单位是电子伏。因电子量是一个常数，通常亦以Ww/eWw/eUw(V)Uw(V)逸出电压来衡量逸出功的大小。逸出电压来衡量逸出功的大小。逸出电压来衡量逸出功的大小。逸出电压来衡量逸出功的大小。说明说明说明说明 1 1、电离是在气体中产生、电离是在气体中产生、电离是在气体中产生、电离是在气体中产生n n 2 2、电子发射则是由物质到气体。、电
35、子发射则是由物质到气体。、电子发射则是由物质到气体。、电子发射则是由物质到气体。n n逸出功的大小与金属材料种类、金属表面状态和金属表面氧化物逸出功的大小与金属材料种类、金属表面状态和金属表面氧化物逸出功的大小与金属材料种类、金属表面状态和金属表面氧化物逸出功的大小与金属材料种类、金属表面状态和金属表面氧化物情况有关。情况有关。情况有关。情况有关。例如：例如：例如：例如：金属表面带有氧化物时的逸出功会减小。金属表面带有氧化物时的逸出功会减小。金属表面带有氧化物时的逸出功会减小。金属表面带有氧化物时的逸出功会减小。n n当钨极表而敷以当钨极表而敷以当钨极表而敷以当钨极表而敷以CsCs、BaBa、
36、ThTh、ZrZr等物质时，逸出功的数值也等物质时，逸出功的数值也等物质时，逸出功的数值也等物质时，逸出功的数值也减小减小减小减小.因此，为提高电子发射能力和改善焊接工艺性能，在钨极因此，为提高电子发射能力和改善焊接工艺性能，在钨极因此，为提高电子发射能力和改善焊接工艺性能，在钨极因此，为提高电子发射能力和改善焊接工艺性能，在钨极中常加入中常加入中常加入中常加入ThTh、CsCs、CeCe等成分，以提高钨极电流容量和改善引弧等成分，以提高钨极电流容量和改善引弧等成分，以提高钨极电流容量和改善引弧等成分，以提高钨极电流容量和改善引弧性能。性能。性能。性能。n n金属内部的自由电子，只有在接受外加
37、能量并且超出逸出功时才金属内部的自由电子，只有在接受外加能量并且超出逸出功时才金属内部的自由电子，只有在接受外加能量并且超出逸出功时才金属内部的自由电子，只有在接受外加能量并且超出逸出功时才能冲破金属表面发射到外部空间能冲破金属表面发射到外部空间能冲破金属表面发射到外部空间能冲破金属表面发射到外部空间.1 1、热发射、热发射、热发射、热发射 金属表面承受热作用而产生的电子发射现象称为热发射金属表面承受热作用而产生的电子发射现象称为热发射金属表面承受热作用而产生的电子发射现象称为热发射金属表面承受热作用而产生的电子发射现象称为热发射n n热发射的条件：热发射的条件：热发射的条件：热发射的条件：n
38、 n式中式中式中式中 Me Me电子质量；电子质量；电子质量；电子质量；n n Ve Ve电子热运动速度；电子热运动速度；电子热运动速度；电子热运动速度；n n e e一个电子的电量；一个电子的电量；一个电子的电量；一个电子的电量；n n Uw Uw逸出电压。逸出电压。逸出电压。逸出电压。n n金属表面热发射的电子流密度与金属表面的温度成指数关系：金属表面热发射的电子流密度与金属表面的温度成指数关系：金属表面热发射的电子流密度与金属表面的温度成指数关系：金属表面热发射的电子流密度与金属表面的温度成指数关系：n n i iAT2exp(-eUw/kT)AT2exp(-eUw/kT)n nAA与材
39、料表面状态有关的常数；与材料表面状态有关的常数；与材料表面状态有关的常数；与材料表面状态有关的常数；n nTT金属表面热力学温度；金属表面热力学温度；金属表面热力学温度；金属表面热力学温度；n nee个电子的电量；个电子的电量；个电子的电量；个电子的电量；n nUwUw逸出电压；逸出电压；逸出电压；逸出电压；n nkk玻耳兹曼常数。玻耳兹曼常数。玻耳兹曼常数。玻耳兹曼常数。说明说明说明说明 1 1、发射电子的数量取决于加热温度。、发射电子的数量取决于加热温度。、发射电子的数量取决于加热温度。、发射电子的数量取决于加热温度。2 2、能否发射电子取决于材料的物理性能。、能否发射电子取决于材料的物理
40、性能。、能否发射电子取决于材料的物理性能。、能否发射电子取决于材料的物理性能。（1 1）电极为钨、碳时，）电极为钨、碳时，）电极为钨、碳时，）电极为钨、碳时，由于沸点高（沸点分别为由于沸点高（沸点分别为由于沸点高（沸点分别为由于沸点高（沸点分别为5950K5950K和和和和4200K)4200K)，电极可能被加热到很高的温度（，电极可能被加热到很高的温度（，电极可能被加热到很高的温度（，电极可能被加热到很高的温度（T3500KT3500K）-热阴极电弧热阴极电弧热阴极电弧热阴极电弧(热发射热发射热发射热发射)（2 2）电极为钢、铜、铝、镁等材料时，）电极为钢、铜、铝、镁等材料时，）电极为钢、铜
41、、铝、镁等材料时，）电极为钢、铜、铝、镁等材料时，由于它们的沸点由于它们的沸点由于它们的沸点由于它们的沸点较低较低较低较低(Fe(Fe：3008K3008K，CuCu：2868K2868K，A1A1：2770K2770K，MgMg：1375K)1375K)，电极，电极，电极，电极 加热温度受材料沸点的限制不可加热温度受材料沸点的限制不可加热温度受材料沸点的限制不可加热温度受材料沸点的限制不可 能很高，此种电弧称为能很高，此种电弧称为能很高，此种电弧称为能很高，此种电弧称为冷阴极电弧冷阴极电弧冷阴极电弧冷阴极电弧。这种电弧阴极区的。这种电弧阴极区的。这种电弧阴极区的。这种电弧阴极区的导电所需要的
42、带电粒子不可能全由电极的热发射电子提导电所需要的带电粒子不可能全由电极的热发射电子提导电所需要的带电粒子不可能全由电极的热发射电子提导电所需要的带电粒子不可能全由电极的热发射电子提供，必须还要依靠其他方式发射电子予以补充，才能满供，必须还要依靠其他方式发射电子予以补充，才能满供，必须还要依靠其他方式发射电子予以补充，才能满供，必须还要依靠其他方式发射电子予以补充，才能满足导电的需要。足导电的需要。足导电的需要。足导电的需要。2、电场发射、电场发射 n n当金属表面空间存在一定强度的正电场时，金属内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，当此力达的自由电子
43、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，这种现象称到一定程度时，电子可飞出金属表面，这种现象称电场发射。电场发射。电场发射。电场发射。n n 发射电子流的密度：发射电子流的密度：发射电子流的密度：发射电子流的密度：n n式中式中 E E电场强度；电场强度；n n 0 0真空介电常数。真空介电常数。n n说明：说明：说明：说明：对于低沸点材料的冷阴极电弧，电场发射对对于低沸点材料的冷阴极电弧，电场发射对对于低沸点材料的冷阴极电弧，电场发射对对于低沸点材料的冷阴极电弧，电场发射对阴极区提供带电粒子起重要作用。这时阴极区的电阴极区提供带电粒子起重要作用。这时阴极区的电阴极
44、区提供带电粒子起重要作用。这时阴极区的电阴极区提供带电粒子起重要作用。这时阴极区的电场强度可达场强度可达场强度可达场强度可达10105 510107 7V/cmV/cm，具备产生电场发射的有，具备产生电场发射的有，具备产生电场发射的有，具备产生电场发射的有利条件。利条件。利条件。利条件。3 3、光发射、光发射、光发射、光发射 当金属表面接受光辐射时，也可使金属表面自当金属表面接受光辐射时，也可使金属表面自当金属表面接受光辐射时，也可使金属表面自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，由电子能量增加，冲破金属表面的约束飞到金属外面来，由电子能量增
45、加，冲破金属表面的约束飞到金属外面来，由电子能量增加，冲破金属表面的约束飞到金属外面来，这种现象称光发射。这种现象称光发射。这种现象称光发射。这种现象称光发射。n n光发射的条件光发射的条件光发射的条件光发射的条件:n n 说明：说明：说明：说明：n n1 1、但由于光量较弱，光发射在阴极发射现象中居次要、但由于光量较弱，光发射在阴极发射现象中居次要、但由于光量较弱，光发射在阴极发射现象中居次要、但由于光量较弱，光发射在阴极发射现象中居次要地位。地位。地位。地位。2 2、光发射不从金属表面带走热量，不象热发射时那样、光发射不从金属表面带走热量，不象热发射时那样、光发射不从金属表面带走热量，不象
46、热发射时那样、光发射不从金属表面带走热量，不象热发射时那样对电极有冷却作用对电极有冷却作用对电极有冷却作用对电极有冷却作用4 4、粒子碰撞发射、粒子碰撞发射、粒子碰撞发射、粒子碰撞发射 高速运动的粒子高速运动的粒子高速运动的粒子高速运动的粒子(电子或离子电子或离子电子或离子电子或离子)碰撞金属表面碰撞金属表面碰撞金属表面碰撞金属表面时，将能量传给金属表面的自由电子，使其能量增加而跑出时，将能量传给金属表面的自由电子，使其能量增加而跑出时，将能量传给金属表面的自由电子，使其能量增加而跑出时，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。金属表面，这种现象称为
47、粒子碰撞发射。金属表面，这种现象称为粒子碰撞发射。金属表面，这种现象称为粒子碰撞发射。n n 产生的条件：产生的条件：产生的条件：产生的条件：焊接电弧中阴极区接受正离子的碰撞，带有焊接电弧中阴极区接受正离子的碰撞，带有焊接电弧中阴极区接受正离子的碰撞，带有焊接电弧中阴极区接受正离子的碰撞，带有一定运动速度的正离于到达阴极时，将其动能传递给阴极，一定运动速度的正离于到达阴极时，将其动能传递给阴极，一定运动速度的正离于到达阴极时，将其动能传递给阴极，一定运动速度的正离于到达阴极时，将其动能传递给阴极，它将首先从阴极取出一个电子与自己中和而成为中性粒子。它将首先从阴极取出一个电子与自己中和而成为中性
48、粒子。它将首先从阴极取出一个电子与自己中和而成为中性粒子。它将首先从阴极取出一个电子与自己中和而成为中性粒子。如果这种碰撞还能使另一个电于飞出电极表面到电弧空间，如果这种碰撞还能使另一个电于飞出电极表面到电弧空间，如果这种碰撞还能使另一个电于飞出电极表面到电弧空间，如果这种碰撞还能使另一个电于飞出电极表面到电弧空间，n n Wh Wh十十十十WiWi2Uw 2Uw n n Wh Wh正离子动能；正离子动能；正离子动能；正离子动能；n n Wi Wi正离子与电子中和时放出的电离能；正离子与电子中和时放出的电离能；正离子与电子中和时放出的电离能；正离子与电子中和时放出的电离能；n n Uw Uw逸
49、出功。逸出功。逸出功。逸出功。n n 焊接电弧中阴极区前面有大量的正离子聚积，由于空间焊接电弧中阴极区前面有大量的正离子聚积，由于空间焊接电弧中阴极区前面有大量的正离子聚积，由于空间焊接电弧中阴极区前面有大量的正离子聚积，由于空间电荷的存在使阴极区形成一定强度的电场，正离子在此电场电荷的存在使阴极区形成一定强度的电场，正离子在此电场电荷的存在使阴极区形成一定强度的电场，正离子在此电场电荷的存在使阴极区形成一定强度的电场，正离子在此电场作用下被加速而冲向阴极，可能形成碰撞发射作用下被加速而冲向阴极，可能形成碰撞发射作用下被加速而冲向阴极，可能形成碰撞发射作用下被加速而冲向阴极，可能形成碰撞发射
50、说明：说明：说明：说明：1 1、当正离子碰撞阴极时，要使阴极发射一个参与导电、当正离子碰撞阴极时，要使阴极发射一个参与导电、当正离子碰撞阴极时，要使阴极发射一个参与导电、当正离子碰撞阴极时，要使阴极发射一个参与导电的电子，电极表面施加的电子，电极表面施加的电子，电极表面施加的电子，电极表面施加2 2倍的逸出功倍的逸出功倍的逸出功倍的逸出功2 2、在一定条件下，这种电子发射形式是电弧阴极区提、在一定条件下，这种电子发射形式是电弧阴极区提、在一定条件下，这种电子发射形式是电弧阴极区提、在一定条件下，这种电子发射形式是电弧阴极区提供导电所需电子的主要途径。供导电所需电子的主要途径。供导电所需电子的主