焊接原理与基础

前言：

电弧的物理本质

• 焊接电弧是由焊接电源供给能量，在具有一定电压的两极之间或电极与母材之间的气体介质中产生的强烈而持久的放电现象
• 所谓气体放电，是指当两电极之间存在电位差时，电荷从一极穿过气体介质达到另一极的导电现象。但是
• 并不是所有的气体放电现象都是电弧，电弧仅是其中的一种形式。

一.电弧中带电粒子的产生

两电极之间要产生放电就必须具备两个条件：一是必须有带电粒子，二是在电极之间必须有一定强度的电场。

带电粒子的产生

电弧中的带电粒子指的是电子，正离子和负离子。产生的过程为：中性原子的激励，电离和电极电子的发射。

• 气体电离：气体受到外加能量作时，气体分子热运动加剧。当能量足够大时，由多原子构成的气体分子分解为原子状态，这个过程称为解离。
• 中性原子电离与激励：原子是由带正电荷的原子核和带有负电荷的电子组成的，电子按照一定的轨道环绕原子核运动。常态下原子核所带的正电荷与核外电子所带的负电荷相等，但是如果进一步增大外加能量，就会使中性原子发生电离或激励。
• 电离：外加能量的作用下，使中性气体分子或原子分离为正离子和电子的现象称为电离。电离时，电子吸收能量逃离轨道，脱离原子核的束缚成为自由电子。使原子成为正离子。
  电离的种类：
  • 光电离：接受的光辐射波长小于临界波长，中性气体粒子才可能被直接电离。
  • 场致电离：电场作用下，气体中的带电粒子被加速，电能被转换为带电粒子的动能，当其动能与中性粒子发生非弹性碰撞，使之电离。
  • 热电离：非弹性碰撞，动能转化为内能，内能大于激励电压，则粒子被激励，大于电离电压，则被电离。
• 激励：电子没有脱离束缚，但是从低能级状态转移到了高能级的现象。通过加热，电场作用或光辐射均可发生激励现象。激励是一种非稳定状态，它存在的时间很短暂，一般为$10^{-2}-10^{-8}s$.如果能级较高的粒子继续接受外来的能量，当能量达到电离能时即发生电离。否则能量将以辐射能（例如光）的形式释放出来，粒子又恢复到原来的稳定状态。

电子的发射

电极表面接受一定的外加能量作用，，使其内部的电子冲破电极表面的束缚而飞到电弧空间的现象称为电子发射。电子发射在阴极和阳极皆可能发生，但是从阳极发射出的电子由于受到电场的作用，不能参加导电过程，只有阴极发射出的电子，在电场的作用下才能参加导电过程。阴极电子发射是电源持续向电弧供给能量的唯一途径，同时也是电弧产热及中性粒子电离的初始根源。因此，阴极电子发射在电弧导电过程中起着特别重要的作用。
电子发射的种类：
- 热发射：电子内部自由电子收到热运动，逃逸电极表面。
- 场致发射：电场强度达到一定程度，电子获得足够的能量克服阴极内部正电荷的静电引力，冲破电极表面飞入电弧空间。
- 光发射
- 粒子碰撞发射

• 电弧中带电粒子的消失：电弧导电过程不仅有带电粒子产生的过程，而且有带电粒子的消失过程，而且当电弧稳定燃烧时，两个过程处于动态平衡状态。

二.焊接电弧的产生过程

接触式引弧

接触式引弧亦称为短路引弧，常用于焊条电弧焊，埋弧焊，熔化极气体保护电弧焊等。常见的操作方法是将焊条和焊件分别接通于弧焊电源的两极，将焊条与焊件轻轻的接触，然后迅速提拉，这样就能在焊条端部与焊件之间产生一个电弧。这是一种常见的引弧方式。
焊接电弧虽然是一瞬间产生的，但实际上包含了短路，分离和燃弧三个阶段。

• 短路阶段：当焊条一旦接触焊件，便发生了短路。由于焊条端部表面和焊件表面都不可能是绝对平整光洁的，因此，它们之间只是在几个凸出的点上接触，电流也只是从这些凸点上流过，由于接触面积很小，电流密度很大，产生了大量的电阻热，使得接触点的温度骤然升高并发生熔化，形成液态金属间层。
• 分离阶段：在焊条与焊件短路之后，如果是焊条电弧焊或埋弧焊，一般是迅速将焊条从焊件上稍稍提起，这使得液态金属截面减小，电流密度急剧增大，温度骤然升高和电磁收缩力增大，因而使得液态金属很快断开，如果是熔化极气体保护电弧焊，由于焊丝直径一般较细，则会自动爆断。在焊条与焊件分离了的瞬间，一方面焊条与焊件之间的电场强度急剧增大；另一方面两极之间能产生大量电离电压较低的金属蒸汽和药皮蒸汽。因而，在强电场的作用下，能发生强烈的场致发射和场致电离，使带电粒子数大大增加
• 燃弧阶段：当两极之间既具有足够强的电场作用，又具有足够多的带电粒子时，就会引燃电弧，电弧引燃后，温度持续升高，还产生了弧光，各种形式的发射和电离均得到加强，正负离子分别跑向两极。进过短暂的调整，带电粒子的产生和消失，能量的释放和消耗达到动态平衡，焊接电弧进入了稳定燃烧阶段。在燃弧阶段，由于电极为冷阴极，因此电子发射仍以场致发射为主。

非接触式引弧

电极与焊件之间存在一定间隙，施以高电压击穿间隙使电弧引燃的方法，常用于坞极氩弧焊，等离子弧焊等。为了避免坞极被污染，不允许坞极与焊件接触，此时只能采用非接触式焊接。