焊接电弧

气体放电现象

焊接电弧是指在一定条件下，两电极之间产生的强烈持久的气体放电现象。焊接电弧不同于一般电弧，它有一个从点到面的轮廓。点是电弧电极的端部；面是电极覆盖工件的面积。电弧由电极端部扩展到工件，其温度分布是不一致的，从横截面来看，温度是从外层向电弧心渐渐升高的；从纵向来看，阳极和阴极的温度特别高。焊接电弧的主要作用是把电能转换成热能，同时产生光辐射和响声（电弧声）。电弧的高热可用于焊接、切割和冶炼等。

现象介绍

在夏天，我们常看到天空中的闪电，这是一种气体放电现象。在两电极之间的气体介质中，强烈而持久的放电现象称为电弧。电弧放电时产生高温(温度可达6000℃)和强光。人类认识了这种现象，并将其应用于工业生产中。电弧高热可用以进行电弧切割、碳弧气刨以及电弧炼钢等；电弧的强光能照明(如探照灯)或用弧光灯放映电影等。

焊接电弧的产生

气体原子的激出、电离和电子发射

中性气体原来是不能导电的，为了在气体中产生电弧而通过电流，就必须使气体分子(或原子)电离成为正离子和电子。而且，为了使电弧维持燃烧，要求电弧的阴极不断发射电子，这就必须不断地输送电能给电弧，以补充能量的消耗。气体电离和电子发射是电弧中最基本的物理现象。

1.气体原子的激发与电离

如果气体原子得到了外加的能量，电子就可能从一个较低的能级跳跃到另一个较高能级，这时原子处于“激发”状态。使原子跃为“激发”状态所需的能量称为激发能。气体原子的电离就是使电子完全脱离原子核的束缚，形成离子和自由电子的过程。由原子形成正离子所需的能量称为电离能。

在焊接电弧中，根据引起电离的能量来源，有以下3种形式：

(1)撞击电离。是指在电场中，被加速的带电粒子(电子、离子)与中性点(原子)碰撞后发生的电离。

(2)热电离。是指在高温下，具有高动能的气体原子(或分子)互相碰撞而引起的电离。

(3)光电离。是指气体原子(或分子)吸收了光射线的光子能而产生的电离。

气体原子在产生电离的同时，带异性电荷的质点也会发生碰撞，使正离子和电子复合成中性质点，即产生中和现象。当电离速度和复合速度相等时，电离就趋于相对稳定的动平衡状态。一般地，电弧空间的带电粒子数量越多，电弧越稳定，而带电粒子的中和现象则会减少带电粒子的数量，从而降低电弧的稳定性。

2．电子发射

在阴极表面的原子或分子，接受外界的能量而释放出自由电子的现象称为电子发射。电子发射是引弧和维持电弧稳定燃烧的一个很重要的因素。按其能量来源不同，可分为热发射、光电发射、重粒子碰撞发射和强电场作用下的自发射等。

(1)热发射。物体的固体或液体表面受热后，其中某些电子具有大于逸出功的动能而逸出到表面外的空间中去的现象称为热发射。热发射在焊接电弧中起着重要作用，它随着温度上升而增强。

(2)光电发射。物质的固体或液体表面接受光射线的能量而释放出自由电子的现象称为光电发射。对于各种金属和氧化物，只有当光射线波长小于能使它们发射电子的极限波长时，才能产生光电发射。

(3)重粒子撞击发射。能量大的重粒子(如正离子)撞到阴极上，引起电子的逸出，称为重粒子撞击发射。重粒子能量越大，电子发射越强烈。

(4)强电场作用下的自发射。物质的固体或液体表面，虽然温度不高，但当存在强电场并在表面附近形成较大的电位差时，使阴极有较多的电子发射出来，这就称为强电场作用下的自发射，简称自发射。电场越强，发射出的电子形成的电流密度就越大。自发射在焊接电弧中也起着重要作用，特别是在非接触式引弧时，其作用更加明显。

综上所述，焊接电弧是气体放电的一种形式，焊接电弧的形成和维持是在电场、热、光和质点动能的作用下，气体原子不断地被激发、电离以及电子发射的结果。同时，也存在负离子的产生、正离子和电子的复合。显而易见，引燃焊接电弧的能量来源主要靠电场及由其产生的热、光和动能，而这个电场就是由弧焊电源提供的空载电压所产生的。

焊接电弧的引燃

焊条与焊件之间是有电压的，当它们相互接触时，相当于电弧焊电源短接。由于接触点电阻很大，短路电流很大，则产生了大量电阻热，使金属熔化，甚至蒸发、汽化，引起强烈的电子发射和气体电离。这时，再把焊丝与焊件之间拉开一点距离,这样，由于电源电压的作用，在这段距离内，形成很强的电场，又促使产生电子发射。同时，加速气体的电离，使带电粒子在电场作用下，向两极定向运动。弧焊电源不断的供给电能，新的带电粒子不断得到补充，形成连续燃烧的电弧。

物理基础

（一）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。

电弧有三个部分构成：阴极区、阳极区、弧柱区。

（二）电弧中带电粒子的产生

1、气体的电离

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。

其本质是中性气体粒子吸收足够的能量，使电子脱离原子核的束缚而成为自由电子和正离子的过程。

电离种类：

（1）热电离

气体粒子受热的作用而产生电离的过程称为热电离。其本质为粒子热运动激烈，相互碰撞产生的电离。

（2）场致电离

带电粒子在电场中加速，和其中的中性粒子发生非弹性碰撞而产生的电离。

电离程度：

电离度：单位体积内电离的粒子数浴气体电离前粒子总数的比值称为电离度。

（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

（1）电子发射：阴极中的自由电子受到外加能量时从阴极表面逸出的过程称为电子发射。其发射能力的大小用逸出功Aw表示。

（2）阴极斑点

阴极表面光亮的区域称为阴极斑点。

阴极斑点具有“阴极清理”（“阴极破碎”）作用，原因：由于氧化物的逸出功比纯金属低，因为阴极斑点会移向有氧化物的地方，将该氧化物清除。

（3）电子发射类型

1、热发射

阴极表面受热引起部分电子动能达到或超过逸出功时产生的电子发射。

热阴极以热发射为主要的发射形式。

2、场致发射

阴极表面受到电场力的影响，当电场力达到某一程度时电子逸出阴极表面形成电子发射。

冷阴极以场致发射为主要的发射形式。

3、光发射

阴极表面受到光辐射的作用使自由电子能量达到一定程度而逸出金属表面形成发射。

4、粒子碰撞发射

电弧中高速运动的正离子碰撞阴极时使表面自由电子得到能量而逸出阴极表面的现象。

（三）带电粒子的消失

1、扩散

带电粒子从密度高的中心部位向密度低的周边迁移的现象。

2、复合

电弧周边正负粒子结合成中性粒子的现象。

3、负离子的形成

部分中性粒子吸附电子而形成负离子的过程。

（四）焊接电弧的危害

焊接电弧主要是有紫外线、紫外线和可见光组成，可对皮肤造成伤害，产生脱皮，灼痛现象，故要加强对焊接电弧的辐射保护，避免皮肤裸露部分和焊接电弧相接触。

导电特性

（一）弧柱区的导电特性

弧柱是包含大量电子、正离子等带电粒子和中性粒子等聚合在一起的气体状态，这种对外呈电中性的状态称为电弧等离子体。

最小电压原理：弧柱在稳定燃烧的时候，有一种使自身能量消耗最小的特性，即当电流和电弧周围条件一定时，稳定燃烧的电弧将自动选择一个确定的导电截面，使电弧的能量消耗最小。当电弧长度也为定值时，电场强度的大小即代表了电弧产热量的大小，因此，能量消耗最小时的电场强度最低，即在固定弧长上的电压降最小，这就是最小电压原理。

（二）阴极区的导电特性

作用有：接受由弧柱传来的正离子流；向弧柱区提供电弧导电所需的电子流。

其发射形式主要有：

1、热发射型

2、电场发射型

（三）阳极区的导电特性

1、阳极斑点

在阳极表面可看到的烁亮发光的区域，称为阳极斑点。

阳极斑点会自动寻找熔点比较低的纯金属表面而避开氧化物，在金属表面游走。

2、阳极区的导电形式

（1）场致电离

（2）热电离