焊接电弧的物理基础及特性

电弧是一种气体导电现象，又是一种自持放电现象。电弧中的带电粒子主要是依靠电弧中的气体介质的电离和电极的电子发射两个物理过程而产生的。

电离

概念：在常态下电子按一定的轨道环绕原子核运动，原子呈中性。但在一定的条件下，气体原子中的电子从外面获得足够的能量，就能脱离原子核的引力而成为自由电子，同时原子由于失去电子而成为正离子。这种使中性的气体分子或原子释放电子形成正离子的过程称为气体电离。

不同元素电离的难易程度是不同的，一般排列顺序：钾、钠、铝、钙、铬、钛、钼、锰、镁、铜、铁、硅、氢、氧、氮、 氩、氟、氦。电离程度由左向右依次由易到难。

电离的方式：

1. 热电离气体粒子受热的作用而产生的电离称为热电离。温度越高，热电离作用越大。
2. 光电离中性粒子受光辐射的作用而产生的电离称为光电离。
3. 电场作用下的电离、带电粒子在电场作用下，各做定向高速运动，产生较大的动能，当其不断与中性粒子相碰撞时，则不断地产生电离。两电极间的电压越高，电场作用越大，则电离作用越强烈。

电子发射

阴极表面的原子或分子，吸引了外界能量而释放出自由电子的现象称为阴极电子发射。

焊接时，气体的电离是产生电弧的重要条件，但是，如果只有气体电离而阴极不能发射电子，没有电流通过，那么电弧还是不能形成。因此阴极电子发射也和气体电离一样，两者都是电弧产生和维持的必要条件。

电子逸出金属表面需要吸收能量，根据吸收能量的不同，阴极电子发射可分为以下三种形式：

1. 热发射：焊接时，金属表面承受热作用而产生电子发射的现象称为热发射。温度越高，电子发射能力越强。

2. 电场发射：当金属表面空间存在一定强度的正电场时，金属内的电子受此电场作用，当此电场力达到一定程度时，电子可飞出金属表面，这种现象称为电场发射。增大两电极的电压或减小两极间距离都能增加电子的发射能力。

3. 撞击发射：高速运动的粒子（电子或离子）碰撞金属表面时，将能量传给金属表面的电子，使其能量增加而跑出金属表面，这种现象称为撞击发射。电场强度越大，在电场的作用下正离子的运动速度也越快，则产生的撞击发射作用也越强烈。

焊接电弧的特性

焊接电弧的稳定性：焊接电弧的稳定性是指电弧保持稳 定燃烧（不产生断弧、飘移和磁偏吹等）的程度，即在电弧燃烧过程中，电弧能维持一定的长度、不偏吹、不摇摆、不熄灭，电弧电压和焊接电流保持一定。焊接电弧的稳定性主要取决于焊工技能以及焊接电源的种类和极性、焊条药皮成分、气流特点、磁偏吹和焊接处的清洁程度等因素。通常情况下，直流电源比交流电源稳定；直流反接比正接稳定；焊条药皮中含低电离电位的物质越多越稳定；焊机的空载电压越高越稳定；环境气流流速越小越稳定；焊接处的铁镑、氧化皮、油污、水分等杂物越少越稳定; 电弧偏吹越小越稳定。

焊接电弧的挺度：焊接电弧的挺度又称电弧的刚直性，即在热收缩和磁收缩等效应的作用下，电弧沿轴间挺直的程度。在正常工作情况下，焊接电弧的轴线应沿着焊条中心线方向，不管焊条与焊件之间的角度如何，焊接电弧的这种性质有助于控制焊缝成形。焊接电弧的挺度越好，越有利于焊工的操作，在一般情况下，焊接电弧的挺度与焊接电流的大小、焊条周围冷气流的流速以及药皮所产生的保护气体的性质和多少有关。

焊接电弧的静特性：在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧时，焊接电流与电弧电压变化的关系称为焊接电弧的静特性。一般也称伏-安特性。表示其关系的曲线叫做焊接电弧的静特性曲线，如下图所示。

电弧静特性曲线呈U形，它有三个不同的区域；当焊接电流了较小时（图中的ab区），电弧静特性属于下降特性区，即随着焊接电流的增加，电弧电压减小；当焊接电流稍大时 (图中的be区），电弧静特性属于平特性区，即电流大小变化， 而电压几乎不变；当电流较大时（图中的cd区），电弧静特性 属于上升特性区，电压随电流的增加而升高。

各种焊接方法的电弧静特性曲线

1. 焊条电弧焊焊条电弧焊时，由于使用的焊接电流受到限制（焊条电弧焊设备的额定电流值不大于500A），故其静特性曲线为下降特性区。

2. 埋弧焊在正常电流密度下焊接时，其静特性为平特性区；采用大电流密度焊接时，其静特性为上升特性区。

3. 钨极氩弧焊（TIG) 在小电流区间焊接时，其静特性为下降特性区；在大电流区间焊接时，其静特性为平特性区。下图为焊接铝板、弧长为4mm、保护气体为Ar时钨极氩弧焊的电弧静特性曲线。

4. 细丝熔化极气体保护焊由于电流密度大，所以其静特性曲线为上升特性曲线，并且焊丝直径越细，上升的程度越大。

在一般情况下，电弧电压总是和电弧长度成正比地变化，当电弧长度增加时，电弧电压升高，其静特性曲线的位置也随之上升。