焊接方法与设备第1单元电弧焊基础

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1、第一单元电弧焊基础知识通过本单元的学习，要使学生深入了解作为焊接能源的电弧物理基础；掌握焊接电弧的主要工艺特性；明确作为填充材料的焊丝熔化与熔滴过渡以及作为工件的母材熔化与焊缝成形的基本规律等。学习目标电弧是所有电弧焊方法的能源。电弧焊之所以能在焊接方法中占据主要地位，一个重要的原因就是电弧能有效而简便地把弧焊电源输送的电能转换成焊接过程所需要的热能和机械能。电弧的特点：低电压、大电流、温度高、亮度大电弧的作用：产力和产热综合知识模块一焊接电弧能力知识点1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

2、空间的一种导电过程,如图1-1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。图1-1无论是什么物质，能否呈现导电性，都取决于其在电场的作用下，是否拥有可自由移动的带电粒子。气体不含自由移动带电粒子；所有粒子都可以自由移动不呈现导电性金属含自由移动带电电子；离子不可以自由移动呈现导电性2．电弧中带电粒子的产生气体和金属导电的区别金属导电伏安特性气体导电伏安特性电弧两极间带电粒子产生的来源有：中性气体粒子的电离、金属电极发射电子、负离子形成等。其中气体电离和阴极发射电子是电弧中产生带电粒子的两个基本物理过程。

3、（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1-1。气体粒子电离电压/V气体粒子电离电压/VH13.5W8.0He24.5（54.2）H215.4C11.3

4、（24.4，48，65.4）Na15.5N14.5（29.5，47，73，97）O212.2O13.5（35，55，77）Cl213F17.4（35，63，87，114）CO14.1Na5.1（47，50，72）NO9.5Cl13（22.5，40，47，68）OH13.8Ar15.7（28，41）H2O12.6K4.3（32，47）CO213.7Ca6.1（12，51，67）Fe7.9（16，30）表1-1常见气体粒子的电离电压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

5、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，

6、电弧的稳定性增强。图1-2热电离度x与温度T之间的关系如图1-2所示。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

7、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1-2表可见，当金属表面存在氧化物时逸出功都会减小。表1-2几种金属材料的逸出功金属种类WFeAlCuK

8、CaMgAw/eV纯金属4.544.484.254.362.022.123.73表面有氧化物—