焊接電弧

焊接電弧是指在一定條件下，兩個電極之間強烈而持久的氣體放電現象。焊接電弧不同于普通電弧，它具有由點到面的輪廓。該點是電弧電極的末端；表面是電極覆蓋工件的區域。電弧從電極頭延伸到工件，其溫度分布不一致從截面上看，溫度從外層向弧心逐漸升高；從縱向看，陽極和陰極的溫度特別高。焊接電弧的主要作用是將電能轉化為熱能，同時產生光輻射和噪聲（電弧聲）電弧的高熱可用于焊接、切割和冶煉等。

在夏天，我們經常看到天空中有閃電，這是一種氣體放電現象。在兩個電極之間的氣體介質中，強烈而持續的放電現象稱為電弧。電弧放電時會產生高溫(溫度可達6000℃)和強光。人類已經認識到這一現象，并將其應用于工業生產。高電弧熱量可用于電弧切割、碳弧氣刨和電弧煉鋼；強烈的弧光可以照亮(如探照燈)或者用弧光燈放電影等。

產生

氣體原子的激出、電離和電子發射

中性氣體罐和罐不導電，所以為了在氣體中產生電弧并通過電流，必須制造氣體分子(或原子)電離成正離子和電子。而且為了保持電弧燃燒，要求電弧的陰極不斷發射電子，這就意味著必須不斷向電弧輸送電能，以補充能量消耗。氣體電離和電子發射是電弧中最基本的物理現象。

1.氣體原子的激發和電離

如果氣體原子獲得額外的能量，當原子處于高能態時，電子可能從一個低能級跳到另一個高能級“激發”狀態。使原子躍為“激發”一個狀態所需的能量叫做激發能。氣體原子電離是使電子完全擺脫原子核束縛，形成離子和自由電子的過程。從原子形成正離子所需的能量稱為電離能。

在焊接電弧中，根據引起電離的能量來源，有以下三種形式：

1)撞擊電離。指在電場中加速的帶電粒子(電子、離子)與中性點(原子)碰撞后電離。

2)熱電離。指在高溫下具有高動能的氣體原子(或分子)相互碰撞引起的電離。

3)光電離。是指氣體原子(或分子)由于吸收光線的光子能量而引起的電離。

氣體原子電離時，帶相反電荷的粒子也會發生碰撞，使正離子和電子復合成中性粒子，即發生中和現象。當電離速度和復合速度相等時，電離趨于相對穩定的動態平衡狀態。一般來說，電弧空間中的帶電粒子越多，電弧越穩定，而帶電粒子的中和現象會減少帶電粒子的數量，從而降低電弧的穩定性。

2．電子發射

陰極表面的原子或分子通過接受外部能量釋放自由電子的現象稱為電子發射。電子發射是電弧點火和維持電弧穩定燃燒的重要因素。根據能量來源的不同，可分為熱輻射、光電發射、重粒子的碰撞發射和強電場下的自發射等。

1)熱發射。物體的固體或液體表面受熱后，部分電子動能大于功函數，逃逸到表面外空間的現象稱為熱輻射。熱輻射在焊接電弧中起著重要的作用，它隨著溫度的升高而增加。

2)光電發射。物質的固體或液體表面接收光線能量并釋放自由電子的現象稱為光電發射。對于各種金屬和氧化物，只有當光線的波長小于使它們能夠發射電子的極限波長時，才能發生光電發射。

3)重粒子撞擊發射。能量大的重粒子(如正離子)撞擊陰極，造成電子逃逸，稱為重粒子撞擊發射。重粒子能量越大，電子發射越強。

4)強電場下的自發射。雖然物質的固體或液體表面溫度不高，但當有強電場時，在表面附近形成較大的電位差，從陰極發射出較多的電子，在強電場的作用下稱為自發射，簡稱自發射。電場越強，發射的電子形成的電流密度越大。自發射在焊接電弧中也起著重要的作用，特別是在非接觸引弧中。

綜上，焊接電弧是氣體放電的一種形式，焊接電弧是在電場中形成并維持的、熱、在光和粒子動能的作用下，氣體原子不斷被激發、電離和電子發射。同時，還有負離子、正離子和電子的復合。顯然，點燃焊接電弧的能量來源主要取決于電場及其產生的熱量、光和動能，而這個電場是由弧焊電源提供的空載電壓產生的。

引燃

焊條和焊接件之間有電壓當它們相互接觸時，相當于弧焊電源短路。由于接觸點大，短路電流大，產生大量電阻熱，使金屬熔化，甚至蒸發、汽化引起強烈的電子發射和氣體電離。此時，焊絲和焊件稍微分開這樣，由于電源電壓的原因，在這個距離內就形成了強電場，進而促進了電子發射的產生。同時加速氣體的電離，使帶電粒子在電場作用下向兩極定向運動。弧焊電源不斷提供電能，不斷補充新的帶電粒子，形成持續燃燒的電弧。

一）電弧及其電場強度分布

電弧是一種氣體放電現象，是帶電粒子穿過兩個電極之間的氣體空間的導電過程。

弧線由三部分組成：陰極區、陽極區、弧柱區。

二）電弧中帶電粒子的產生

1、氣體的電離

中性氣體分子或原子在外部能量作用下分離成電子和正離子的過程稱為氣體電離。

其本質是中性氣體粒子吸收足夠的能量，使電子脫離原子核的束縛，成為自由電子和正離子的過程。

電離種類：

1）熱電離

加熱引起氣體粒子電離的過程稱為熱電離。其本質是粒子強烈熱運動和碰撞產生的電離。

2）場致電離

帶電粒子在電場中加速，與中性粒子非彈性碰撞產生電離。

電離程度：

電離度：單位體積電離粒子數與浴氣電離前粒子總數的比值稱為電離度。

3）光電離

中性氣體粒子在光輻射作用下的電離過程稱為光電離。

2、陰極電子發射

1）電子發射：當受到外部能量時，陰極中的自由電子從陰極表面逸出的過程稱為電子發射。其發射能力由功函數Aw表示。

2）陰極斑點

陰極表面的亮區稱為陰極斑點。

陰極斑點具有“陰極清理”陰極破碎”作用，原因：因為氧化物的功函數比純金屬低，因為陰極斑點會移動到有氧化物的地方，氧化物就會被去除。

3）電子發射類型

1）熱發射

由于陰極表面受熱，一些電子的動能達到或超過功函數時產生的電子發射。

熱陰極以熱發射為主要發射形式。

2）場致發射

陰極表面受到電場力的影響當電場力達到一定水平時，電子從陰極表面逸出，形成電子發射。

場發射是冷陰極的主要發射形式。

3）光發射

陰極表面受到光的照射，使自由電子的能量達到一定水平，從金屬表面逸出，形成發射。

4）粒子碰撞發射

電弧中高速運動的正離子與陰極碰撞時，表面自由電子獲得能量并從陰極表面逃逸的現象。

三）帶電粒子的消失

1、擴散

帶電粒子從密度高的中心向密度低的外圍遷移的現象。

2、復合

電弧周圍的正負粒子結合形成中性粒子的現象。

3、負離子的形成

一些中性粒子吸收電子形成負離子的過程。

四）焊接電弧的危害

焊接電弧主要有紫外線、紫外線和可見光可引起皮膚損傷脫皮和灼傷，因此必須加強焊接電弧的輻射防護，避免皮膚暴露部分與焊接電弧接觸。