焊接电弧

焊接电弧是指在一定条件下，两个电极之间强烈而持久的气体放电现象。焊接电弧不同于普通电弧，它具有由点到面的轮廓。该点是电弧电极的末端；表面是电极覆盖工件的区域。电弧从电极头延伸到工件，其温度分布不一致从截面上看，温度从外层向弧心逐渐升高；从纵向看，阳极和阴极的温度特别高。焊接电弧的主要作用是将电能转化为热能，同时产生光辐射和噪声（电弧声）电弧的高热可用于焊接、切割和冶炼等。

在夏天，我们经常看到天空中有闪电，这是一种气体放电现象。在两个电极之间的气体介质中，强烈而持续的放电现象称为电弧。电弧放电时会产生高温(温度可达6000℃)和强光。人类已经认识到这一现象，并将其应用于工业生产。高电弧热量可用于电弧切割、碳弧气刨和电弧炼钢；强烈的弧光可以照亮(如探照灯)或者用弧光灯放电影等。

产生

气体原子的激出、电离和电子发射

中性气体罐和罐不导电，所以为了在气体中产生电弧并通过电流，必须制造气体分子(或原子)电离成正离子和电子。而且为了保持电弧燃烧，要求电弧的阴极不断发射电子，这就意味着必须不断向电弧输送电能，以补充能量消耗。气体电离和电子发射是电弧中最基本的物理现象。

1.气体原子的激发和电离

如果气体原子获得额外的能量，当原子处于高能态时，电子可能从一个低能级跳到另一个高能级“激发”状态。使原子跃为“激发”一个状态所需的能量叫做激发能。气体原子电离是使电子完全摆脱原子核束缚，形成离子和自由电子的过程。从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，有以下三种形式：

1)撞击电离。指在电场中加速的带电粒子(电子、离子)与中性点(原子)碰撞后电离。

2)热电离。指在高温下具有高动能的气体原子(或分子)相互碰撞引起的电离。

3)光电离。是指气体原子(或分子)由于吸收光线的光子能量而引起的电离。

气体原子电离时，带相反电荷的粒子也会发生碰撞，使正离子和电子复合成中性粒子，即发生中和现象。当电离速度和复合速度相等时，电离趋于相对稳定的动态平衡状态。一般来说，电弧空间中的带电粒子越多，电弧越稳定，而带电粒子的中和现象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

阴极表面的原子或分子通过接受外部能量释放自由电子的现象称为电子发射。电子发射是电弧点火和维持电弧稳定燃烧的重要因素。根据能量来源的不同，可分为热辐射、光电发射、重粒子的碰撞发射和强电场下的自发射等。

1)热发射。物体的固体或液体表面受热后，部分电子动能大于功函数，逃逸到表面外空间的现象称为热辐射。热辐射在焊接电弧中起着重要的作用，它随着温度的升高而增加。

2)光电发射。物质的固体或液体表面接收光线能量并释放自由电子的现象称为光电发射。对于各种金属和氧化物，只有当光线的波长小于使它们能够发射电子的极限波长时，才能发生光电发射。

3)重粒子撞击发射。能量大的重粒子(如正离子)撞击阴极，造成电子逃逸，称为重粒子撞击发射。重粒子能量越大，电子发射越强。

4)强电场下的自发射。虽然物质的固体或液体表面温度不高，但当有强电场时，在表面附近形成较大的电位差，从阴极发射出较多的电子，在强电场的作用下称为自发射，简称自发射。电场越强，发射的电子形成的电流密度越大。自发射在焊接电弧中也起着重要的作用，特别是在非接触引弧中。

综上，焊接电弧是气体放电的一种形式，焊接电弧是在电场中形成并维持的、热、在光和粒子动能的作用下，气体原子不断被激发、电离和电子发射。同时，还有负离子、正离子和电子的复合。显然，点燃焊接电弧的能量来源主要取决于电场及其产生的热量、光和动能，而这个电场是由弧焊电源提供的空载电压产生的。

引燃

焊条和焊接件之间有电压当它们相互接触时，相当于弧焊电源短路。由于接触点大，短路电流大，产生大量电阻热，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。此时，焊丝和焊件稍微分开这样，由于电源电压的原因，在这个距离内就形成了强电场，进而促进了电子发射的产生。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。弧焊电源不断提供电能，不断补充新的带电粒子，形成持续燃烧的电弧。

一）电弧及其电场强度分布

电弧是一种气体放电现象，是带电粒子穿过两个电极之间的气体空间的导电过程。

弧线由三部分组成：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

中性气体分子或原子在外部能量作用下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，成为自由电子和正离子的过程。

电离种类：

1）热电离

加热引起气体粒子电离的过程称为热电离。其本质是粒子强烈热运动和碰撞产生的电离。

2）场致电离

带电粒子在电场中加速，与中性粒子非弹性碰撞产生电离。

电离程度：

电离度：单位体积电离粒子数与浴气电离前粒子总数的比值称为电离度。

3）光电离

中性气体粒子在光辐射作用下的电离过程称为光电离。

2、阴极电子发射

1）电子发射：当受到外部能量时，阴极中的自由电子从阴极表面逸出的过程称为电子发射。其发射能力由功函数Aw表示。

2）阴极斑点

阴极表面的亮区称为阴极斑点。

阴极斑点具有“阴极清理”阴极破碎”作用，原因：因为氧化物的功函数比纯金属低，因为阴极斑点会移动到有氧化物的地方，氧化物就会被去除。

3）电子发射类型

1）热发射

由于阴极表面受热，一些电子的动能达到或超过功函数时产生的电子发射。

热阴极以热发射为主要发射形式。

2）场致发射

阴极表面受到电场力的影响当电场力达到一定水平时，电子从阴极表面逸出，形成电子发射。

场发射是冷阴极的主要发射形式。

3）光发射

阴极表面受到光的照射，使自由电子的能量达到一定水平，从金属表面逸出，形成发射。

4）粒子碰撞发射

电弧中高速运动的正离子与阴极碰撞时，表面自由电子获得能量并从阴极表面逃逸的现象。

三）带电粒子的消失

1、扩散

带电粒子从密度高的中心向密度低的外围迁移的现象。

2、复合

电弧周围的正负粒子结合形成中性粒子的现象。

3、负离子的形成

一些中性粒子吸收电子形成负离子的过程。

四）焊接电弧的危害

焊接电弧主要有紫外线、紫外线和可见光可引起皮肤损伤脱皮和灼伤，因此必须加强焊接电弧的辐射防护，避免皮肤暴露部分与焊接电弧接触。