电弧的产生和特性-1

1、王伊卿王伊卿西安交通大学机械工程学院西安交通大学机械工程学院气体放电的分类 干燥气体通常是良好的绝缘体，但当气体中存在自由带电粒子时，它就变为电的导体。这时如在气体中安置两个电极并加上电压，气体在强电场作用下，少量初始带电粒子与气体原子（或分子）相互碰撞，当碰撞能量足够大时，会使束缚电子脱离气体原子而成为自由电子。逸出电子后的原子成为正离子，使气体中的带电粒子增殖，这时有电流通过气体，这个现象称为气体放电。 气体放电主要的形式有辉光放电、电弧放电、电晕放电、火花放电、介质阻挡放电等。 持续放电称为自持放电，包括辉光放电、电弧放电、电晕放电。 气体放电发光的原因：受激发后的原子停留在激发状态的时

2、间短暂（约为10-6秒），便从能量为Em的状态回复到能量为E1的正常状态,并辐射出能量为hv（h为普朗克常数；v为辐射频率）的光量子。辉光放电辉光放电（高压、低电流）（高压、低电流） 在置有板状电极的玻璃管内充入低压（约几毫米汞柱）气体，当两极间电压较高（约1000伏）时，稀薄气体中的残余正离子在电场中加速，有足够的动能轰击阴极，产生二次电子，经簇射过程产生更多的带电粒子，使气体导电。辉光放电的特征是电流强度较小（约几毫安），温度不高，故电管内有特殊的亮区和暗区，呈现瑰丽的发光现象。 辉光放电可以进行物质的质谱分析，Element GD辉光放电质谱仪(GDMS)，适用于金属中ppb级及其以上含

3、量的杂质分析，可以检测5N、6N高纯铝、铜、锌、镍、钴、多晶硅中的痕量和超痕量杂质元素。 常见的霓虹灯是冷阴极辉光放电的应用。电弧放电电弧放电（低压，持续大电流）（低压，持续大电流） 电弧放电是气体放电中最强烈的一种自持放电。当电源提供较大功率的电能时，若极间电压不高（约几十伏），两极间气体或金属蒸气中可持续通过较强的电流（几安至几百安），并发出强烈的光辉，产生高温（几千至上万度），这就是电弧放电。电弧是一种常见的热等离子体（气体的热游离）。 电弧放电最显著的外观特征是明亮的弧光柱和电极斑点。电弧的重要特点是电流增大时，极间电压下降，弧柱电位梯度也低，每厘米长电弧电压降通常不过几百伏，有时在1

4、伏以下。弧柱的电流密度很高，每平方厘米可达几千安，极斑上的电流密度更高。 电晕放电电晕放电（高压局部放电）（高压局部放电） 电晕现象就是带电体表面在气体或液体介质中局部放电的现象（如高压导线在潮湿的空气中），常发生在不均匀电场中电场强度很高的区域内（例如高压导线的周围，带电体的尖端附近）。其特点为：出现与日晕相似的光层，发出嗤嗤的声音，产生臭氧、氧化氮等。 电场的不均匀性，表现在空气间隙内，各点的电场强度不均匀，在电力线比较集中的电极附近，电场强度最大，而电力线疏的地方，电场强度很小，如棒-棒间隙，是一对称的不均匀电场，在电极的尖端处电力线最集中，电场强度也最大。当加上高压后，会在电极附近产生

5、空气的局部放电电晕放电，电压再加高时，电晕放电更加强烈，致使间隙内发生刷状放电，电流增加，而后就击穿了介质（形成电弧放电）。 火花放电火花放电（高压，电流不持续）（高压，电流不持续） 当高压电源的功率不太大时，高电压电极间的气体被击穿，出现闪光和爆裂声的气体放电现象。在通常气压下，当在曲率不太大的冷电极间加高电压时，若电源供给的功率不太大，就会出现火花放电，火花放电时，碰撞电离并不发生在电极间的整个区域内，只是沿着狭窄曲折的发光通道进行，并伴随爆裂声。 由于气体击穿后突然由绝缘变为良导体，电流猛增，而电源功率不够，因此电压下降，放电暂时熄灭，待电压恢复再次放电。所以火花放电具有间隙性。 雷电就

6、是自然界中大规模的火花放电。 气体放电的基本物理过程 气体放电总的过程由一些基本过程构成，这些基本过程是：激发、电离、消电离、迁移、扩散等。基本过程的相互制约决定放电的具体形式和性状。 激发：荷能电子碰撞气体分子时，有时能导致原子外壳层电子由原来能级跃迁到较高能级。被激发的原子，称为受激原子。要激发一个原子，使其从能级为E1的状态跃迁到能级为Em的状态，就必须给予(Em-E1)的能量；这个能量所相应的电位差设为eVe，则有：eVeEmE1。电弧的特性 电弧是一束高温电离气体，在外力作用下，如气流，外界磁场甚至电弧本身产生的磁场作用下会迅速移动（每秒可达几百米），拉长、卷曲形成十分复杂的形状。电

7、弧在电极上的孳生点也会快速移动或跳动。 电弧通常可分为长弧和短弧两类。长弧中弧柱起重要作用。短弧长度在几毫米以下，阴极区和阳极区起主要作用。 电弧放电可用于焊接、冶炼、照明、喷涂等。这些场合主要是利用电弧的高温、高能量密度、易控制等特点。在这些应用中，都需使电弧稳定放电。目前的电子产品，如等离子电视、等离子显示器其显示原理也是依赖电弧放电。电弧的结构和特性 电弧放电可分为 3个区域：阴极区、弧柱和阳极区。其导电的机理是：阴极依靠场致电子发射和热电子发射效应发射电子；弧柱依靠其中粒子热运动相互碰撞产生自由电子及正离子，呈现导电性，这种电离过程称为热电离；阳极起收集电子等作用，对电弧过程影响常较小

8、，阳极区在阳极表面可看到的烁亮发光的区域，称为阳极斑点，阳极斑点会自动寻找熔点比较低的纯金属表面而避开氧化物，在金属表面游走（纯金属导电性能好）。与阳极斑点恰好相反的是，阴极斑点集中在阴极表面的氧化膜上。（氧化膜比纯金属的温度高） 在弧柱中，与热电离作用相反，电子与正离子会因复合而成为中性粒子或扩散到弧柱外，这一现象称为去电离。在稳定电弧放电中，电离速度与去电离速度相同，形成电离平衡。 焊接电弧中三个区域的温度分布是不相均匀的；阳极斑点温度高于阴极斑点温度，但都低于该种电极材料的沸点，弧柱区的温度最高，但沿其截面分布不均，其中心部分温度最高，可达500030000K，离开弧柱中心线，温度逐渐降

9、低。 阴极破碎： 当阴极斑点处受到弧柱中来的正离子流的强烈撞击时，温度很高，其氧化膜很快被汽化破碎，显露出纯净的金属表面，电子发射条件也由此变差，阴极斑点转移到邻近有氧化膜存在的地方，如此下去，就会自动地把工件表面上的氧化膜清除掉，这种现象称为阴极破碎或阴极雾化现象。 所谓阴极破碎是指通过离子对阴极的撞击特性，使氧化膜产生分解而被清理。清理作用的强弱与阴极区的能量密度和正离子质量有关，能量密度越高，离子质量越大清理效果越好。 熔化极氩弧焊采用直流反接，焊铝工件有阴极破碎作用。 焊接质量优良，焊缝成型美观。可全位置自动焊接。直流氩弧焊的极性选择 直流钨极氩弧焊时，没有极性变化，因此电弧燃烧非常稳

10、定。然而它有正、负极性之分。工件接电源正极，钨极接电源负极称为正接法，反之，则称为反接法。 1) 直流正接： 电弧燃烧时，弧柱中的电子流从钨极跑向工件，正离子流跑向钨极。由于此时钨极为阴极，具有很强的热电子发射能力，大量高能量的电子流从阴极表面发射出来，跑向弧柱。在发射电子流的同时，这些具有高能的电子要从阴极带走一部分能量，即阴极以气化潜热形式失掉一部分能量，这些能量的损失将造成阴极表面的冷却，此时钨极烧损极少。同时由于阴极斑点集中（阴极一般打磨尖锐），电弧比较稳定。 工件受到质量很小的电子流撞击，并且选择纯金属表面，故不能除去金属表面的氧化膜。除铝、镁等低熔点合金可以反接（阴极破碎，不需要较

11、大焊接电流），其它金属表面如不锈钢，需要较高的加热温度，需要较大的焊接电流（较大的电子发射），故一般金属焊接均采用直流正接。采用直流正接有如下优点： a工件为阳极，接受电子轰击放出的全部动能和逸出功，电弧比较集中，阳极加热面积比较小，因此获得窄而深的焊缝。b钨极的热电子发射能力强，所以正接时电弧非常稳定。c钨极发射电子的同时，具有很强的冷却作用，所以钨极不易过热，采用正接法钨极允许通过的电流要比反接时大很多。 2)直流反接法： 反接时弧柱内的电子流跑向钨极而离子流跑向工件。当离子流撞向工件时，工件表面的氧化膜会自动地破碎被清除，即出现所谓的阴极清理作用。而钨极受到电子流的撞击，把电子流所携带的

12、能量以凝固热形式吸收进来，使得钨极具有很高的温度而过热，导致熔化，所以反接时钨极允许承受的焊接电流很小。焊接的工件材料如钢、铝、铜等一般都属冷阴极材料，其电子发射主要为场致发射，场致发射时对阴极材料没有冷却作用，所以工件所处的温度也较高，但由于氧化膜存在，阴极斑点在氧化膜上来回游动，电弧不集中，加热区域大，因此电弧不稳，且熔深浅而宽，此法生产率低，电弧稳定性不好。仅限于铝、镁合金的焊接。采用直流反接有如下特点： a工件为阴极，如铁、铝等金属，阴极表面的氧化膜的游走，加热面积不集中，电弧发射不稳定。b. 钨极接受电子，容易过热，不允许大电流。c. 铁、铝等金属阴极，场致发射电子，没有热电子发射的

13、阴极冷却作用。d. 铁、铝等金属阴极表面的氧化膜，在正离子的轰击下，发生阴极破碎效应，焊缝光洁。e. 因为阴极电子发射位置游走，加热面积不集中，焊接电流较低，所以焊缝较浅，焊缝较宽。交流钨极氩弧焊： 交流电流的极性是在周期性地变换，相当于在每个周期里半波为直流正接，半波为直流反接。正接的半波期间钨极可以发射足够的电子而又不致于过热，有利于电弧的稳定。反接的半波期间工件表面生成的氧化膜很容易被清理掉而获得表面光亮美观、成形良好的焊缝。这样，同时兼顾了阴极清理作用和钨极烧损少、电弧稳定性好的效果，对于活泼性强的铝、镁、铝青铜等金属及其合金一般都选用交流氩弧焊。交流氩弧焊的特点，主要表现在以下几方面

14、：1)阴极清理作用（好的作用） 当工件为负极时，表面生成的氧化膜逸出功小，易发射电子，所以阴极斑点总是优先在氧化膜处形成。工件为冷阴极材料时，阴极区有很高的电压降，因此阴极斑点能量密度相当高，远远高于阳极。正离子在阴极电场作用下高速撞击氧化膜，使得氧化膜破碎，分解而被清理掉，接着阴极斑点又在邻近氧化膜上发射电子，继而又被清理，阴极斑点始终在金属表面的氧化膜上游动，被清理的氧化膜面积也不断地扩大，直到在氩气所能保护的范围内。清理作用的强弱与阴极区的能量密度和正离子质量有关，能量密度越高，离子质量越大清理效果越好。正接时，工件为阳极，不存在清除氧化膜的功能。2)直流分量（不好的作用） 交流钨极氩弧焊时电压和电流的波形由正半波和负半波组成。正半波时，钨极为负极，因其熔点和沸点高，且导热差，直径小，则钨极具有很高温度使得热电子发射容易，所以电弧电压低，焊接电流大，导电时间长；负半波时，工件为负极，其熔点和沸点低，且尺寸大，散热快，电子发射困难，所以电弧电压高，焊接电流小，导电时间短。 由于正负半波电流不对称，在交流焊接回路中存在一个由工件流向钨极的直流分量，这种现象称为电弧的“整流作用”。电极和工件的熔点、沸点、导热性相差越大（如钨和铝、镁），上述不对称情况就越严重，直流分量就越