焊接電弧

焊接電弧是指在一定條件下，兩個(gè)電極之間強(qiáng)烈而持久的氣體放電現(xiàn)象。焊接電弧不同于普通電弧，它具有由點(diǎn)到面的輪廓。該點(diǎn)是電弧電極的末端；表面是電極覆蓋工件的區(qū)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(yáng)極和陰極的溫度特別高。焊接電弧的主要作用是將電能轉(zhuǎn)化為熱能，同時(shí)產(chǎn)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(jīng)常看到天空中有閃電，這是一種氣體放電現(xiàn)象。在兩個(gè)電極之間的氣體介質(zhì)中，強(qiáng)烈而持續(xù)的放電現(xiàn)象稱(chēng)為電弧。電弧放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生高溫(溫度可達(dá)6000℃)和強(qiáng)光。人類(lèi)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這一現(xiàn)象，并將其應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。高電弧熱量可用于電弧切割、碳弧氣刨和電弧煉鋼；強(qiáng)烈的弧光可以照亮(如探照燈)或者用弧光燈放電影等。

產(chǎn)生

氣體原子的激出、電離和電子發(fā)射

中性氣體罐和罐不導(dǎo)電，所以為了在氣體中產(chǎn)生電弧并通過(guò)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(fā)射電子，這就意味著必須不斷向電弧輸送電能，以補(bǔ)充能量消耗。氣體電離和電子發(fā)射是電弧中最基本的物理現(xiàn)象。

1.氣體原子的激發(fā)和電離

如果氣體原子獲得額外的能量，當(dāng)原子處于高能態(tài)時(shí)，電子可能從一個(gè)低能級(jí)跳到另一個(gè)高能級(jí)“激發(fā)”狀態(tài)。使原子躍為“激發(fā)”一個(gè)狀態(tài)所需的能量叫做激發(fā)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(guò)程。從原子形成正離子所需的能量稱(chēng)為電離能。

在焊接電弧中，根據(jù)引起電離的能量來(lái)源，有以下三種形式：

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

2)熱電離。指在高溫下具有高動(dòng)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(shí)，帶相反電荷的粒子也會(huì)發(fā)生碰撞，使正離子和電子復(fù)合成中性粒子，即發(fā)生中和現(xiàn)象。當(dāng)電離速度和復(fù)合速度相等時(shí)，電離趨于相對(duì)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。一般來(lái)說(shuō)，電弧空間中的帶電粒子越多，電弧越穩(wěn)定，而帶電粒子的中和現(xiàn)象會(huì)減少帶電粒子的數(shù)量，從而降低電弧的穩(wěn)定性。

2．電子發(fā)射

陰極表面的原子或分子通過(guò)接受外部能量釋放自由電子的現(xiàn)象稱(chēng)為電子發(fā)射。電子發(fā)射是電弧點(diǎn)火和維持電弧穩(wěn)定燃燒的重要因素。根據(jù)能量來(lái)源的不同，可分為熱輻射、光電發(fā)射、重粒子的碰撞發(fā)射和強(qiáng)電場(chǎng)下的自發(fā)射等。

1)熱發(fā)射。物體的固體或液體表面受熱后，部分電子動(dòng)能大于功函數(shù)，逃逸到表面外空間的現(xiàn)象稱(chēng)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(fā)射。物質(zhì)的固體或液體表面接收光線能量并釋放自由電子的現(xiàn)象稱(chēng)為光電發(fā)射。對(duì)于各種金屬和氧化物，只有當(dāng)光線的波長(zhǎng)小于使它們能夠發(fā)射電子的極限波長(zhǎng)時(shí)，才能發(fā)生光電發(fā)射。

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

4)強(qiáng)電場(chǎng)下的自發(fā)射。雖然物質(zhì)的固體或液體表面溫度不高，但當(dāng)有強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)，在表面附近形成較大的電位差，從陰極發(fā)射出較多的電子，在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下稱(chēng)為自發(fā)射，簡(jiǎn)稱(chēng)自發(fā)射。電場(chǎng)越強(qiáng)，發(fā)射的電子形成的電流密度越大。自發(fā)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(chǎng)中形成并維持的、熱、在光和粒子動(dòng)能的作用下，氣體原子不斷被激發(fā)、電離和電子發(fā)射。同時(shí)，還有負(fù)離子、正離子和電子的復(fù)合。顯然，點(diǎn)燃焊接電弧的能量來(lái)源主要取決于電場(chǎng)及其產(chǎn)生的熱量、光和動(dòng)能，而這個(gè)電場(chǎng)是由弧焊電源提供的空載電壓產(chǎn)生的。

引燃

焊條和焊接件之間有電壓當(dāng)它們相互接觸時(shí)，相當(dāng)于弧焊電源短路。由于接觸點(diǎn)大，短路電流大，產(chǎn)生大量電阻熱，使金屬熔化，甚至蒸發(fā)、汽化引起強(qiáng)烈的電子發(fā)射和氣體電離。此時(shí)，焊絲和焊件稍微分開(kāi)這樣，由于電源電壓的原因，在這個(gè)距離內(nèi)就形成了強(qiáng)電場(chǎng)，進(jìn)而促進(jìn)了電子發(fā)射的產(chǎn)生。同時(shí)加速氣體的電離，使帶電粒子在電場(chǎng)作用下向兩極定向運(yùn)動(dòng)。弧焊電源不斷提供電能，不斷補(bǔ)充新的帶電粒子，形成持續(xù)燃燒的電弧。

一）電弧及其電場(chǎng)強(qiáng)度分布

電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，是帶電粒子穿過(guò)兩個(gè)電極之間的氣體空間的導(dǎo)電過(guò)程。

弧線由三部分組成：陰極區(qū)、陽(yáng)極區(qū)、弧柱區(qū)。

二）電弧中帶電粒子的產(chǎn)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(guò)程稱(chēng)為氣體電離。

其本質(zhì)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(guò)程。

電離種類(lèi)：

1）熱電離

加熱引起氣體粒子電離的過(guò)程稱(chēng)為熱電離。其本質(zhì)是粒子強(qiáng)烈熱運(yùn)動(dòng)和碰撞產(chǎn)生的電離。

2）場(chǎng)致電離

帶電粒子在電場(chǎng)中加速，與中性粒子非彈性碰撞產(chǎn)生電離。

電離程度：

電離度：?jiǎn)挝惑w積電離粒子數(shù)與浴氣電離前粒子總數(shù)的比值稱(chēng)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(guò)程稱(chēng)為光電離。

2、陰極電子發(fā)射

1）電子發(fā)射：當(dāng)受到外部能量時(shí)，陰極中的自由電子從陰極表面逸出的過(guò)程稱(chēng)為電子發(fā)射。其發(fā)射能力由功函數(shù)Aw表示。

2）陰極斑點(diǎn)

陰極表面的亮區(qū)稱(chēng)為陰極斑點(diǎn)。

陰極斑點(diǎn)具有“陰極清理”陰極破碎”作用，原因：因?yàn)檠趸锏墓瘮?shù)比純金屬低，因?yàn)殛帢O斑點(diǎn)會(huì)移動(dòng)到有氧化物的地方，氧化物就會(huì)被去除。

3）電子發(fā)射類(lèi)型

1）熱發(fā)射

由于陰極表面受熱，一些電子的動(dòng)能達(dá)到或超過(guò)功函數(shù)時(shí)產(chǎn)生的電子發(fā)射。

熱陰極以熱發(fā)射為主要發(fā)射形式。

2）場(chǎng)致發(fā)射

陰極表面受到電場(chǎng)力的影響當(dāng)電場(chǎng)力達(dá)到一定水平時(shí)，電子從陰極表面逸出，形成電子發(fā)射。

場(chǎng)發(fā)射是冷陰極的主要發(fā)射形式。

3）光發(fā)射

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

4）粒子碰撞發(fā)射

電弧中高速運(yùn)動(dòng)的正離子與陰極碰撞時(shí)，表面自由電子獲得能量并從陰極表面逃逸的現(xiàn)象。

三）帶電粒子的消失

1、擴(kuò)散

帶電粒子從密度高的中心向密度低的外圍遷移的現(xiàn)象。

2、復(fù)合

電弧周?chē)恼?fù)粒子結(jié)合形成中性粒子的現(xiàn)象。

3、負(fù)離子的形成

一些中性粒子吸收電子形成負(fù)離子的過(guò)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(jiàn)光可引起皮膚損傷脫皮和灼傷，因此必須加強(qiáng)焊接電弧的輻射防護(hù)，避免皮膚暴露部分與焊接電弧接觸。