焊接電弧

在夏天，我們常看到天空中的閃電，這是一種氣體放電現象。在兩電極之間的氣體介質中，強烈而持久的放電現象稱為電弧。電弧放電時產生高溫(溫度可達6000℃)和強光。人類認識了這種現象，並將其應用於工業生產中。電弧高熱可用以進行電弧切割、碳弧氣刨以及電弧鍊鋼等；電弧的強光能照明(如探照燈)或用弧光燈放映電影等。

氣體原子的激出、電離和電子發射

中性氣體原來是不能導電的，為了在氣體中產生電弧而通過電流，就必須使氣體分子(或原子)電離成為正離子和電子。而且，為了使電弧維持燃燒，要求電弧的陰極不斷發射電子，這就必須不斷地輸送電能給電弧，以補充能量的消耗。氣體電離和電子發射是電弧中最基本的物理現象。

1.氣體原子的激發與電離

如果氣體原子得到了外加的能量，電子就可能從一個較低的能級跳躍到另一個較高能級，這時原子處於“激發”狀態。使原子躍為“激發”狀態所需的能量稱為激發能。氣體原子的電離就是使電子完全脫離原子核的束縛，形成離子和自由電子的過程。由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3種形式：

(1)撞擊電離。是指在電場中，被加速的帶電粒子(電子、離子)與中性點(原子)碰撞后發生的電離。

(2)熱電離。是指在高溫下，具有高動能的氣體原子(或分子)互相碰撞而引起的電離。

(3)光電離。是指氣體原子(或分子)吸收了光射線的光子能而產生的電離。

氣體原子在產生電離的同時，帶異性電荷的質點也會發生碰撞，使正離子和電子複合成中性質點，即產生中和現象。當電離速度和複合速度相等時，電離就趨於相對穩定的動平衡狀態。一般地，電弧空間的帶電粒子數量越多，電弧越穩定，而帶電粒子的中和現象則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

在陰極表面的原子或分子，接受外界的能量而釋放出自由電子的現象稱為電子發射。電子發射是引弧和維持電弧穩定燃燒的一個很重要的因素。按其能量來源不同，可分為熱發射、光電發射、重粒子碰撞發射和強電場作用下的自發射等。

(1)熱發射。物體的固體或液體表面受熱后，其中某些電子具有大於逸出功的動能而逸出到表面外的空間中去的現象稱為熱發射。熱發射在焊接電弧中起著重要作用，它隨著溫度上升而增強。

(2)光電發射。物質的固體或液體表面接受光射線的能量而釋放出自由電子的現象稱為光電發射。對於各種金屬和氧化物，只有當光射線波長小於能使它們發射電子的極限波長時，才能產生光電發射。

(3)重粒子撞擊發射。能量大的重粒子(如正離子)撞到陰極上，引起電子的逸出，稱為重粒子撞擊發射。重粒子能量越大，電子發射越強烈。

(4)強電場作用下的自發射。物質的固體或液體表面，雖然溫度不高，但當存在強電場並在表面附近形成較大的電位差時，使陰極有較多的電子發射出來，這就稱為強電場作用下的自發射，簡稱自發射。電場越強，發射出的電子形成的電流密度就越大。自發射在焊接電弧中也起著重要作用，特別是在非接觸式引弧時，其作用更加明顯。

綜上所述，焊接電弧是氣體放電的一種形式，焊接電弧的形成和維持是在電場、熱、光和質點動能的作用下，氣體原子不斷地被激發、電離以及電子發射的結果。同時，也存在負離子的產生、正離子和電子的複合。顯而易見，引燃焊接電弧的能量來源主要靠電場及由其產生的熱、光和動能，而這個電場就是由弧焊電源提供的空載電壓所產生的。

焊條與焊件之間是有電壓的，當它們相互接觸時，相當於電弧焊電源短接。由於接觸點很大，短路電流很大，則產生了大量電阻熱，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。這時，再把焊絲與焊件之間拉開一點距離，這樣，由於電源電壓的作用，在這段距離內，形成很強的電場，又促使產生電子發射。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。弧焊電源不斷的供給電能，新的帶電粒子不斷得到補充，形成連續燃燒的電弧。

（一）電弧及其電場強度分佈

電弧是一種氣體放電現象，它是帶電粒子通過兩電極之間氣體空間的一種導電過程。

電弧有三個部分構成：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

在外加能量作用下，使中性的氣體分子或原子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而成為自由電子和正離子的過程。

電離種類：

（1）熱電離

氣體粒子受熱的作用而產生電離的過程稱為熱電離。其本質為粒子熱運動激烈，相互碰撞產生的電離。

（2）場致電離

帶電粒子在電場中加速，和其中的中性粒子發生非彈性碰撞而產生的電離。

電離程度：

電離度：單位體積內電離的粒子數浴氣體電離前粒子總數的比值稱為電離度。

（3）光電離

中性氣體粒子受到光輻射的作用而產生的電離過程稱為光電離。

2、陰極電子發射

（1）電子發射：陰極中的自由電子受到外加能量時從陰極表面逸出的過程稱為電子發射。其發射能力的大小用逸出功Aw表示。

（2）陰極斑點

陰極表面光亮的區域稱為陰極斑點。

陰極斑點具有“陰極清理”（“陰極破碎”）作用，原因：由於氧化物的逸出功比純金屬低，因為陰極斑點會移向有氧化物的地方，將該氧化物清除。

（3）電子發射類型

1）熱發射

陰極表面受熱引起部分電子動能達到或超過逸出功時產生的電子發射。

熱陰極以熱發射為主要的發射形式。

2）場致發射

陰極表面受到電場力的影響，當電場力達到某一程度時電子逸出陰極表面形成電子發射。

冷陰極以場致發射為主要的發射形式。

3）光發射

陰極表面受到光輻射的作用使自由電子能量達到一定程度而逸出金屬表面形成發射。

4）粒子碰撞發射

電弧中高速運動的正離子碰撞陰極時使表面自由電子得到能量而逸出陰極表面的現象。

（三）帶電粒子的消失

1、擴散

帶電粒子從密度高的中心部位向密度低的周邊遷移的現象。

2、複合

電弧周邊正負粒子結合成中性粒子的現象。

3、負離子的形成

部分中性粒子吸附電子而形成負離子的過程。

（四）焊接電弧的危害

焊接電弧主要是有紫外線、紫外線和可見光組成，可對皮膚造成傷害，產生脫皮，灼痛現象，故要加強對焊接電弧的輻射保護，避免皮膚裸露部分和焊接電弧相接觸。

（一）弧柱區的導電特性

弧柱是包含大量電子、正離子等帶電粒子和中性粒子等聚合在一起的氣體狀態，這種對外呈電中性的狀態稱為電弧等離子體。

最小電壓原理：弧柱在穩定燃燒的時候，有一種使自身能量消耗最小的特性，即當電流和電弧周圍條件一定時，穩定燃燒的電弧將自動選擇一個確定的導電截面，使電弧的能量消耗最小。當電弧長度也為定值時，電場強度的大小即代表了電弧產熱量的大小，因此，能量消耗最小時的電場強度最低，即在固定弧長上的電壓降最小，這就是最小電壓原理。

（二）陰極區的導電特性

作用有：接受由弧柱傳來的正離子流；向弧柱區提供電弧導電所需的電子流。

其發射形式主要有：

1、熱發射型

2、電場發射型

（三）陽極區的導電特性

1、陽極斑點

在陽極表面可看到的爍亮發光的區域，稱為陽極斑點。

陽極斑點會自動尋找熔點比較低的純金屬表面而避開氧化物，在金屬表面遊走。

2、陽極區的導電形式

（1）場致電離

（2）熱電離

（一）電弧的熱能特性

1、弧柱的產熱

電流密度小，溫度高，能量主要由粒子碰撞產生，熱能損失嚴重。

2、陰極區的產熱

電流密度大，溫度低，能量主要用來對陰極加熱和陰極區的散熱損失，還可用來加熱填充材料或焊件。

3、陽極區的產熱

電流密度大，溫度低，能量主要用於對陽極的加熱和散失，也可用來加熱填充材料或焊件。

（二）電弧的力學特性

電弧力影響到焊件的熔深及熔滴過渡，熔池的攪拌、焊縫成形以及金屬飛濺，因此電弧力直接影響著焊縫質量。

1、電弧力及其作用

（1）電磁收縮力

產生原因：電弧電流線之間產生的相互吸引力。

由於電極兩端的直徑不同，因此電弧呈倒錐形狀。電弧軸向推力在電弧橫截面上分佈不均勻，弧柱軸線處最大，向外逐漸減小，在焊件上此力表現為對熔池形成的壓力，稱為電磁靜壓力。

作用效果：使熔池下凹；對熔池產生攪拌作用，細化晶粒；促進排除雜質氣體及夾渣；促進熔滴過渡；約束電弧的擴展，使電弧挺直，能量集中。

（2）等離子流力

電磁軸向靜壓力推動電極附近的高溫氣流（等離子流）持續沖向焊件，對熔池形成附加的壓力，這個壓力就稱為等離子流力（電磁動壓力）。

作用效果：等離子流力可增大電弧的挺直性；促進熔滴過渡；增大熔深並對熔池形成攪拌作用。

（3）斑點力

電極上形成斑點時，由於斑點處受到帶電粒子的撞擊或金屬蒸發的反作用而對斑點產生的壓力，稱為斑點壓力或斑點力。

斑點力的方向總是和熔滴過渡方向相反，因此總是阻礙熔滴過渡，產生飛濺。

一般來說，陰極斑點力比陽極斑點力大。

2、電弧力的主要影響因素

（1）焊接電流和電弧電壓

（2）焊絲直徑

（3）電極的極性

（4）氣體介質

（三）焊接電弧的穩定性

概念：焊接電弧的穩定性是指電弧保持穩定燃燒的程度。

電弧的穩定性除了和操作人員的熟練程度有關之外，還與其他因素有關。

1、焊接電源（電源的空載電壓；電源的極性；電源的接法）

2、焊條葯皮或焊劑

3、焊接電流

4、磁偏吹

5、電弧長度

6、焊前清理

7、其他