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第二篇 机器人焊接技术篇 第一章 焊接基本知识 1.1焊接电弧 1.1.1电弧的产生 焊接时，将焊丝端部与焊件接触后很快拉开，在焊丝端部与焊件之间立即就会产生明亮的电弧，这种电弧与一般电火花在本质上是相同的，是一种气体放电现象，而且是一种自持放电过程。借助这种特殊的气体放电过程，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连接金属的目的。电弧中的带电粒子主要是依靠电弧中的气体介质的电离和电极的电子发射两个物理过程而产生的。 1.1.1电离 在一定的条件下中性气体分子或原子分离成正离子和电子的现象称为电离。使中性粒子失去第一个电子所需要的最低外加能量称为第一电离能，通常以电子伏特（eV）为单位。若以伏特表示则为电离电位。不同的气体或元素，由于原子的构造不同，其电离电位也不同，表1.1为常用元素的电离电位。 表1.1常用元素的电离电位 元素 电离电压（V） 元素 电离电压（V） H He Li C N O F Na Ar K Ca Ni Cr Mo Cs Fe 13·5 5 5·4 3 14·5 5 17·4 1 15·7 3 6·1 6 7·7 4 3·9 7·8 W H2 C2 N2 O2 Cl2 CO NO OH H2O CO2 NO2 Al Mg Ti Cu 8·0 4 12 5 12·2 13 1 9·5 8 12·6 7 11 96 7·61 81 68 在焊接时使气体介质电离的方式主要有三种：热电离 、碰撞电离和光电离。 热电离：在高温时气体的分子或原子的运动速度很快，它们中间的电子也以高速度运动。由于焊接电弧具有很高的温度（弧柱的温度一般在5000K—30000K的范围），这时电子的高速运动所产生的离心力大于原子核对它的吸引力，电子就脱离原子，而使原子变成阳离子和电子。温度越高，热电离作用就越大。 碰撞电离：带电质点受电场的作用而加速运动，使它具有很大的动能，当与中性的气体分子或原子碰撞时，将一部分能量传给气体分子或原子中的电子，促使其内能发生变化，从而使电子脱离原子核的吸引而成为自由电子，原子便成为阳离子。当电弧长度不变，两极间的电压越高，带电质点的运动速度就越大，产生碰撞电离的作用就越强。 光电离：中性粒子接受光辐射的作用而产生的电离现象称为光电离。光电离是电弧中产生带电粒子的一个次要途径。 1.1.2电子发射 电弧中担负导电任务的带电粒子除了依靠上述电离过程产生外，还需要从电极表面发射出来。只有从阴极表面发射的电子在电场作用下才可能参与导电过程。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，单位是电子伏特（eV），由于e是一常数，所以常用V来表示。几种金属的逸出功列于表1.2。由表2可见, 所有金属当表面存在氧化物时其逸出功皆减小。 表1.2几种金属的逸出功 金属种类 W Fe Al Cu K Ca Mg 逸出功 （eV） 纯金属 4.54 4.48 4.25 4.36 2.02 2.12 3.78 有氧化物 3.92 3.9 3.85 0.46 1.8 3.31 焊接时，根据阴极所吸收能量的性质不同，电子发射的方式可分为热电子发射、场致电子发射和碰撞电子发射。 热电子发射：焊接时，阴极表面温度很高，阴极中的电子运动速度很快，当电子的动能大于电极内部正电荷的吸引时，电子就会冲出阴极表面，而产生热电子发射作用。温度越高，热电子发射作用越强烈。 场致电子发射：在强电场的作用下，由于电场对阴极表面电子的吸引力，电子可以获得足够的动能，从阴极表面发射出来。这种发射电子的情况除了决定于电极外还决定于电场强度。 碰撞电子发射：当运动速度较高，能量较大的阳离子撞击阴极表面时，将能量传给阴极而产生电子发射。电场强度越大，阳离子的运动速度也越大，则产生的碰撞电子发射作用就越强。 1.1.2电弧的构造和温度 焊接电弧可以划分为三个区域：阴极区、阳极区和弧柱区（图1.1）。阴极区和阳极区在电弧长度方向的尺寸皆很小, 约为10-4—10-6厘米。在阴极区的阴极表面有一个明亮部分, 称为阴极斑点。在阳极区的阳极表面也有一个明亮部分称为阳极斑点。 图1.1 焊接电弧的构造 阴极区：为了维持电弧的稳定燃烧，阴极区的任务是向弧柱区提供所需的电子流(Ie=0.999I，I为总电流)，接受弧柱区送来的正离子流（Ii=0.001I）。从阴极发射出来的电子受到阳极的吸引，很快离开阴极向阳极移动。但阳离子的质量比电子大，运动速度较小，所以在阴极表面每一瞬间阳离子的浓度都比电子大得多，这样就使得阴极表面附近所有阳离子的总数大大超过所有电子的总数，因而造成阴极表面附近空间电荷呈正电性。这样从阴极表面到阳离子密集的地方就形成较大的电位差，这部分电位差称为阴极压降UK。 虽