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焊接电弧的物理本质

一般情况下，气体不含有带电粒子（电子、正离子、负离子）,而是由中性的分子或原子组成的。要使气体产生电弧导电，必须使气体分子或原子电离成带电粒子——气体电离；同时，为了使电弧维持“燃烧”，还必须不断地输送电能给电弧，以补充气体电离时所消耗的电能，即电弧的阴极要不断地发射电子。综上所述，气体电离和阴极发射电子是电弧产生的必要条件。

1.气体电离

在外加能量作用下，中性气体分子或原子分离成正离子和电子的现象称为气体电离气体分子或原子分离出一个外层电子所需要的最小能量称为电离能或电离功，当用电子伏特（eV)来衡量时，又称电离势或电离电位。气体电离势的大小与其原子内部结构有关。电离势大表示气体难电离，难导电，反之表示气体容易电离。碱金属的电离势较低，气体的电离势较高，情性气体的电离势更高。这就是为什么在含K、Na等稳弧剂的气氛中比较容易导电、引面，电弧燃烧比较稳定的重要原因.

在焊接电弧中，根据引起电离的能量来源不同，电离有如下三种形式：

(1)碰撞电离 在电场中，被加速的带电粒子与原子和分子相碰撞而产生的电离

(2)热电离 在高温下，具有高动能的气体原子（成分子）在无规则的相互碰撞中产生

的电离。

(3)光电离 气体原子（或分子）吸收光辐射的能量面产生的电离。

在高温焊接电弧中，主要是以热电离为主，而且进行得很微烈

2. 阴极电子发射

阴极表面在外加能量作用下连续向外发射电子的现象称为阴极电子发射。在一般情况下，电子是不能离开金属表面向外发射的。要使其逸出金属电极表面而产生电子发射，必须给电子施加一定的能量。电子从阴极表面逸出所需要的能量称逸出功。逸出功不仅与元素的种类有关，而且与电极的表面状态有关，如表面有氧化物或其他杂质时，均可使逸出功大大降低。

按其能量来源不同，阴极电子发射可分为热电子发射、场致电子发射、光电子发射和撞击电子发射等四种形式。

(1)热电子发射 阴极表面受热后，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电子发射。实验证明，当阴极表面温度达到2000-2500K时，就能产生明显的热电子发射。热电子发射在焊接电弧中起着重要的作用，它随着温度的上升面增强。

因金属表面有氧化物或杂质时，逸出功大为降低，所以电弧焊接时，可通过掺人某些物质或氧化物来提高阴极表面的电子发射能力。例如，鸽极上含有少量的针或饰的氧化物时，电子发射能力在高温下能增加数千倍。

(2)场致电子发射 阴极表面温度虽然不很高，但当附近有强电场存在，并在表面附近形成较大的电位差时，阴极仍有较多的电子发射出来。这种由于在电场作用下而产生的电子发射称为场致电子发射。电场越强，则场致电子发射能力越强，甚至可以在室温时发场致电子发射在焊接电弧中也起着重要的作用，特别是在非接触式引弧或电极为低熔点材料时，其作用更为明显

(3)光电子发射 阴极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子发

(4)撞击电子发射 运动速度较高、能量较大的重粒子（如正离子）撞击阴极表面，将能量传递给阴极而产生的电子发射称为撞击电子发射。

阴极所用的材料不同，其电子发射形式也不同，有的以热电子发射为主，有的以场致电子发射为主，而光电子发射和撞击电子发射在焊接电弧中占次要地位。例如，当采用铜或铝等熔点较低的材料做阴极（称冷阴极）进行焊接时，因受材料本身熔点的限制，阴极表面无法达到很高温度，这时热电子发射较弱，主要靠场致电子发射；当采用鸽、碳等熔点较高的材料做阴极（称热阴极）时，因表面温度可被加热到很高温度（4000~5000K),使电子获得足够的能量而进行强烈的热电子发射，这时场致电子发射就居于次要地位了。

综上所述，焊接电弧的形成和维持，是在热、光、电场和粒子动能的作用下，气体原子或分子不断地被电离以及阴极电子发射的结果。