焊接电弧

焊接电弧（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。

焊接电弧（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。

焊接电弧（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。

焊接电弧（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。

焊接电弧（一）电弧的热能特性

1、弧柱的产热

电流密度小，温度高，能量主要由粒子碰撞产生，热能损失严重。

2、阴极区的产热

电流密度大，温度低，能量主要用来对阴极加热和阴极区的散热损失，还可用来加热填充材料或焊件。

3、阳极区的产热

电流密度大，温度低，能量主要用于对阳极的加热和散失，也可用来加热填充材料或焊件。

焊接电弧（二）电弧的力学特性

电弧力影响到焊件的熔深及熔滴过渡，熔池的搅拌、焊缝成形以及金属飞溅，因此电弧力直接影响着焊缝质量。

1、电弧力及其作用

（1）电磁收缩力

产生原因：电弧电流线之间产生的相互吸引力。

由于电极两端的直径不同，因此电弧呈倒锥形状。电弧轴向推力在电弧横截面上分布不均匀，弧柱轴线处最大，向外逐渐减小，在焊件上此力表现为对熔池形成的压力，称为电磁静压力。

作用效果：使熔池下凹；对熔池产生搅拌作用，细化晶粒；促进排除杂质气体及夹渣；促进熔滴过渡；约束电弧的扩展，使电弧挺直，能量集中。

（2）等离子流力

电磁轴向静压力推动电极附近的高温气流（等离子流）持续冲向焊件，对熔池形成附加的压力，这个压力就称为等离子流力（电磁动压力）。

作用效果：等离子流力可增大电弧的挺直性；促进熔滴过渡；增大熔深并对熔池形成搅拌作用。

（3）斑点力

电极上形成斑点时，由于斑点处受到带电粒子的撞击或金属蒸发的反作用而对斑点产生的压力，称为斑点压力或斑点力。

斑点力的方向总是和熔滴过渡方向相反，因此总是阻碍熔滴过渡，产生飞溅。

一般来说，阴极斑点力比阳极斑点力大。

2、电弧力的主要影响因素

（1）焊接电流和电弧电压

（2）焊丝直径

（3）电极的极性

（4）气体介质

焊接电弧（三）焊接电弧的稳定性

概念：焊接电弧的稳定性是指电弧保持稳定燃烧的程度。

电弧的稳定性除了和操作人员的熟练程度有关之外，还与其他因素有关。

1、焊接电源（电源的空载电压；电源的极性；电源的接法）

2、焊条药皮或焊剂

3、焊接电流

4、磁偏吹

5、电弧长度

6、焊前清理

7、其他2100433B

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。

焊接电弧（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。

焊接电弧（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

《焊接电弧现象与焊接材料工艺性》讨论了焊条电弧焊，熔化极气体保护焊的焊接材料工艺性问题。王宝、宋永伦从对电弧现象的观察入手，以影响电弧物理特性的主要因素——熔滴过渡现象为切入点，并对其特征及其物理意义进行分析和解读，提出了基于汉诺威分析仪的电弧焊接材料（焊条、焊丝）电弧物理特性分析及工艺性定量评价方法。

《焊接电弧现象与焊接材料工艺性》首先以焊接材料焊接时电弧现象的大量细致的观察为基础，以影响电弧物理特性的主要因素金属过渡为切入点，对熔化极电弧焊（焊条电弧焊、CO2气体保护焊、混合气体保护焊等）焊接材料（药皮焊条、实心焊丝、药芯焊丝等）焊接过程的熔滴过渡现象与工艺性之间的具体联系、信息特征和物理属性进行分析和解读，完善了对焊接材料工艺性的定量评价。