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(xiàn)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(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。在兩個電極之間的氣體介質(zhì)中，強烈而持續(xù)的放電現(xiàn)象稱為電弧。電弧放電時會產(chǎn)生高溫(溫度可達6000℃)和強光。人類已經(jīng)認識到這一現(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，電子可能從一個低能級跳到另一個高能級“激發(fā)”狀態(tài)。使原子躍為“激發(fā)”一個狀態(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(jù)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(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，電離趨于相對穩(wěn)定的動態(tài)平衡狀態(tài)。一般來說，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接受外部能量釋放自由電子的現(xiàn)象稱為電子發(fā)射。電子發(fā)射是電弧點火和維持電弧穩(wěn)定燃燒的重要因素。根據(jù)能量來源的不同，可分為熱輻射、光電發(fā)射、重粒子的碰撞發(fā)射和強電場下的自發(fā)射等。

1)熱發(fā)射。物體的固體或液體表面受熱后，部分電子動能大于功函數(shù)，逃逸到表面外空間的現(xiàn)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(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)象稱為光電發(fā)射。對于各種金屬和氧化物，只有當(dāng)光線的波長小于使它們能夠發(fā)射電子的極限波長時，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，稱為重粒子撞擊發(fā)射。重粒子能量越大，電子發(fā)射越強。

4)強電場下的自發(fā)射。雖然物質(zhì)的固體或液體表面溫度不高，但當(dāng)有強電場時，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，在強電場的作用下稱為自發(fā)射，簡稱自發(fā)射。電場越強，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(fā)、電離和電子發(fā)射。同時，還有負離子、正離子和電子的復(fù)合。顯然，點燃焊接電弧的能量來源主要取決于電場及其產(chǎn)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(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，相當(dāng)于弧焊電源短路。由于接觸點大，短路電流大，產(chǎn)生大量電阻熱，使金屬熔化，甚至蒸發(fā)、汽化引起強烈的電子發(fā)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(nèi)就形成了強電場，進而促進了電子發(fā)射的產(chǎn)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(xù)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(xiàn)象，是帶電粒子穿過兩個電極之間的氣體空間的導(dǎo)電過程。

弧線由三部分組成：陰極區(qū)、陽極區(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程稱為氣體電離。

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(zhì)是粒子強烈熱運動和碰撞產(chǎn)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(chǎn)生電離。

電離程度：

電離度：單位體積電離粒子數(shù)與浴氣電離前粒子總數(shù)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(fā)射

1）電子發(fā)射：當(dāng)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(fā)射。其發(fā)射能力由功函數(shù)Aw表示。

2）陰極斑點

陰極表面的亮區(qū)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(shù)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(fā)射類型

1）熱發(fā)射

由于陰極表面受熱，一些電子的動能達到或超過功函數(shù)時產(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）場致發(fā)射

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

場發(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(xiàn)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(xiàn)象。

2、復(fù)合

電弧周圍的正負粒子結(jié)合形成中性粒子的現(xiàn)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。