电弧导电机构简介

图2-12 电弧各区域电压分布示意图

当两电极之间产生电弧放电时，在电弧长度方向的电场强度并不是均匀的，实际测量得到电弧沿长度方向的电压分布如图2-12所示。由图中可以看到电弧由三个电场强度不同的区域组成。阳极附近的区域为阳极区，其电压称为阳极电压降。阴极附近的区域为阴极区，其电压称为阴极电压降。中间部分为弧柱区，其电压称为弧柱电压降。阳极区和阴极区在电弧长度方向的尺寸都很小，约为10^-4和10^-6cm。在电弧长度变化时几乎不发生变化，但电压降值很高，在电弧总体电压降中占有相当大的比例，所以电场强度很高。而弧柱区的长度几乎等于电弧总长度，电压降沿弧长方向呈线性变化，其电场强度较低。之所以如此，是由于这些区域导电机构不同所决定的，电弧电压U_a是上述各电压降之和。即

U_a=U_A+U_P+U_C （2-24）

式中 U_A——阳极电压降（V）；

U_P——弧柱电压降（V）；

U_C——阴极电压降（V）。

1.弧柱区导电机构

弧柱的温度一般较高，因气体种类、电弧压缩程度和电流大小不同在5000～50000K范围，故弧柱气体将产生以热电离为主的电离现象，部分中性气体粒子电离为电子和正离子。这些带电粒子因扩散作用，由弧柱中心转移至弧柱周边进行中和而消失。大部分带电粒子在外加电压作用下，正离子向阴极方向运动而电子向阳极方向运动，所以弧柱可以看成是传导电流的导体，弧柱中受电场作用而向相反方向运动的电子流和离子流，将由阴极区和阳极区产生相应的电子流和正离子流予以接续，保证弧柱带电粒子的动平衡，而弧柱中因扩散和复合而消失的带电粒子将由弧柱自身的热电离来补偿。通过弧柱的总电流是由电子流和正离子流两部分组成的（负离子因占的比例很小而忽略）。弧柱中主要是电子流，而正离子流是极少的一部分，因为在同样外加电压作用下，一个电子和一个正离子所受的力相同，由于电子的质量比正离子的质量小得多，所以电子的运动速度将比正离子大得多，在弧柱的电流中，电子流约占99.9%，而正离子流仅占0.1%左右。弧柱中正负带电粒子流虽然有很大的差别，但每个瞬间单位体积中正、负带电粒子数量相等，而使弧柱从整体看来还是中性，这是由于弧柱中电子流所需要的电子可以从阴极区得到充分补充。阴极区是“电子之泉”，它供给弧柱所需要的全部电子。弧柱中的正离子流需要从阳极区得到补充，正离子流虽然与电子流相比是微不足道的，但正离子的存在却对弧柱的性质有决定性的作用。如前所述，正离子的存在保证了弧柱空间的正、负电荷相平衡，从整体看弧柱空间保持中性，电子流与离子流通过弧柱时不受空间电荷电场的排斥作用，而使电弧放电具有低电压、大电流的特点（电压降为几伏，电流可达上千安）。如果弧柱区没有这样的正离子存在，而是充满带负电的电子，电子流将受到负空间电荷的排斥，则电弧放电就不能具有低电压、大电流的特点。

由于弧柱的上述性质决定了弧柱导电的电压降较低。弧柱导电性能的好坏，直接表现在弧柱导电时所要求的电场强度大小，它与电弧空间气体成分和电流大小有着密切的关系。几种气体的弧柱电场强度与电流的关系如图2-13所示。由图中可知，在较小电流区间，电场强度随电流的增加而减小。在较大电流区间，电场强度随电流的增加而增加。电弧电场强度与气体种类的关系，不仅与气体的电离度有关，而且还决定于气体的其他物理性质。

2.阴极区的导电机构

为了维持电弧稳定燃烧，阴极区的任务是向弧柱区提供所需要的电子流i_C，接受由弧柱来的正离子流i_i，以满足电弧导电的需要。阴极区提供电子的形式与阴极材料种类、电流大小、气体介质等因素有关。由于具体情况不同，阴极区的导电机构可分为以下三类：

图2-13 弧柱电场强度与气体种类和电流的关系

（1）热发射型阴极区导电机构 当阴极采用W、C等高熔点材料，且电流较大时，由于阴极区可达到很高温度，弧柱所需要的电子流主要依靠阴极热发射来供应，这样的阴极区称为热发射型阴极区。如果阴极通过热发射能提供足够数量的电子，则弧柱区与阴极之间不再存在阴极压降区，也不存在“阴极电压降”。在这种情况下，阴极除了直接发射总电流99.9%的电子流以外，还接受0.1%的正离子流，阴极表面以外的电弧空间与弧柱的特性完全一样，其空间电荷总和是零，对外界也表现为中性。弧柱断面到阴极表面不发生很大变化，此时阴极表面导电区域的电流密度也与弧柱相近，其数量级为10³A/cm²。同时阴极上也不存在阴极斑点（阴极上电流集中、电流密度很高的点，发出烁亮的光辉称之为阴极斑点）。虽然电子发射将从阴极带走相当于IU_w的热量（I为阴极电流，U_w为逸出功）使阴极受到冷却作用，但是这些热量可以从两个主要途径得到补充：

1）0.1%的正离子流入阴极区时，正离子一方面将其动能转换为热能传递给阴极，另一方面正离子在阴极表面得到电子而中和放出电离能，也使阴极加热。

2）电流流过阴极时将产生电阻热I²R（I为阴极电流，R为阴极电阻值）使阴极加热，因此可以使阴极保持较高的温度以保证持续的热电子发射。具有这种导电机构的阴极称为热阴极。大电流钨极氩弧焊时这种阴极导电机构占主要地位，实际上钨极氩弧焊也不完全靠热发射提供电子，还靠阴极区有一定压降形成一定的阴极电场来拉出电子，是热发射和电场发射联合作用的结果，所谓的热阴极是与冷阴极相比能承受更高的温度而已，因此即使对大电流钨极氩弧焊，钨极还有一定的阴极压降，只是数值较小。

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图2-14 阴极区空间电场形成示意图

（2）电场发射型阴极导电机构 当阴极材料为W、C，电流较小时或阴极材料采用熔点较低的Al、Cu、Fe时，阴极表面温度受沸点的限制而不能升得很高，只是在阴极的局部区域具有导通电流的有利条件，阴极的导电面积显著减小，在这些局部地方阴极表面出现电流密度很高的阴极斑点（电流密度的数量级达0.5×10⁶～10⁷A/cm²），但是其温度不可能高于其沸点，在这样低的温度下不可能产生较强的热发射，以产生所需要的电子流，因此无法用热发射来解释这种情况下的阴极导电机构。事实上阴极温度降低时，它不可能单依靠热发射所产生的电子流来供应弧柱对电子流的需要。弧柱中由于电子质量大大小于正离子，在电场的作用下，电子快速运动，使电子运动速度是离子运动速度的999倍左右，当靠阴极热发射不能提供足够数量的电子时，则在靠近阴极的区域，正负电荷的平衡关系将首先受到破坏，在这里正负电荷数量不等。电子数量不足，必然产生过剩的正离子堆积（见图2-14）。此处的空间将表现为正电性。这样一来在阴极前面必然形成局部较高的正电场造成所谓的阴极压降区。只要弧柱得不到足够的电子补充，此处的正离子将继续堆积，造成正电场强度继续增加。这种较强的正电场将带来如下的作用：

1）由于强电场的存在，可以使阴极产生电场发射。由于阴极压降区的长度很小，相当于电子的平均自由行程，约为10^-6～10^-5cm，如果阴极压降为10V，则阴极区的电场强度可达10⁶～10⁷V/cm，这样高的电场强度可以增大阴极电子发射量，向弧柱提供所需要的电子流。

2）由于阴极前面有强电场存在，从阴极发射出来的电子将被加速。当U_C＞U_i时（U_C为阴极电压降，U_i为气体的电离电压），在阴极区与弧柱相近的地方，电子一旦碰到中性粒子，则可能产生碰撞电离，由此而产生的电子与由阴极直接发射的电子合并构成弧柱所需要的电子流。碰撞所产生的正离子在电场的作用下也将加入从弧柱来的正离子行列一起冲向阴极，因此将使阴极区的正离子流比弧柱的要大。设f_e为电子流比率，f_i为离子流比率。前面已经提到弧柱中f_e柱=0.999，f_i柱=0.001，当存在电场发射时，则阴极区的f_e阴＜0.999，而f_i阴＞0.001，因此产生正离子过剩，当然就要出现正电性。

3）由于阴极压降区的存在，由2）已知阴极区的正离子增加，正离子通过阴极区将被电场加速使其动能增加，当正离子到达阴极时，将有更多的动能转换为热能，加强对阴极的加热作用，从而进一步增强阴极的热发射，使阴极区能提供足够数量的电子。

通过上述三方面作用，阴极区进行自我调节，直到阴极区所提供的电子流与弧柱需要的电子流一致，则达到平衡。在小电流钨极氩弧焊和熔化极气体保护焊时，这种阴极导电机构起着重要作用。用Cu、Fe、Al材料作阴极材料焊接时（这种阴极也称冷阴极），实际上（1）和（2）两种阴极导电机构是并存的，而且互相补充和自动调节，阴极压降区的电压值因具体条件的不同而变化，一般在几伏到十几伏之间波动，这主要决定于电极材料的种类、电流大小和气体介质的成分。当电极材料的熔点较高或逸出功较小时，则热发射的比例较大，阴极压降较小；反之则电场发射的比例增大，阴极压降也较大。当电流较大时，一般热发射的比例增大，阴极压降将减小。

（3）等离子型（正离子流型）阴极导电机构 阴极区还有可能产生另一种导电机构，即当阴极热发射的电子数量不能满足弧柱的需要时，则在阴极与弧柱之间可能产生一个局部高温区，其温度比阴极和弧柱的温度都要高，在这里产生强烈的热电离，生成大量的电子和正离子。电子向弧柱运动，供给弧柱导电需要，正离子向阴极运动，构成阴极电流。阴极电流中f_e减少而f_i增加，甚至阴极完全不发射电子（f_e=0，f_i=1），阴极电流全由正离子构成，这种情况下，阴极不发射电子只接受正离子，弧柱所需要的电子不再由阴极供应，而是由阴极与弧柱之间形成的高温等离子区供应。这种阴极区也是正电性的。阴极前面产生高温区的原因是：当阴极热发射电子数量不足时，则阴极前面必将聚集较多的正离子，形成的空间电荷则产生阴极压降U_C。当U_C＜U_i的情况下，自阴极发射出来的电子不足以在阴极区引起中性粒子的碰撞电离，而且不能引起强烈的电场发射时，这些正离子通过阴极压降区获得一定的动能，到达阴极时将与电子中和，释放出电离能。中和后生成的中性粒子将弹回到阴极区，并带回一部分能量，其余部分能量传递给阴极。这些从阴极弹回而且带有较高能量的中性粒子聚集在一起则形成高温区，这些中性粒子在高温区作用下再次被电离，生成的电子供给弧柱，形成弧柱的电子流，生成的正离子跑向阴极形成阴极的正离子流。这种导电机构的特点是靠近阴极前面有很亮的辉点（即高温区可达10000K以上），阴极电压降在0～U_i之间（0＜U_C＜U_i），阴极电流密度介于热发射和电场发射机构之间的数值，其数量级为10⁴A/cm²。等离子型阴极导电机构一般在中小电流区间出现，当电流逐渐增加时，则逐渐变为热发射型导电机构，辉点逐渐消失，阴极表面电流密度逐渐减小。这种等离子型导电机构也是冷阴极时可能发生的一种导电机构。低气压钨极氩弧焊时，由于气体稀薄使气体粒子的平均自由程增大，同样的阴极压降数值，因阴极压降区的距离增大而使阴极电场强度下降，不足以形成电场发射，电流小、电极的温度低又不能热发射，则阴极前面出现球形辉光区，即属于等离子型阴极导电机构。

3.阳极区的导电机构

阳极区的导电机构比阴极区要简单得多，为了维持电弧导电，阳极区的任务是接受由弧柱过来的0.999I的电子流（I为焊接电流）和向弧柱区提供0.001I的正离子流。阳极接受电子流的过程比较简单，也容易理解。每一个电子到达阳极时，将向阳极释放相当于逸出功U_w的能量。但阳极向弧柱提供0.001I的正离子流的情况却不像接受电子那样简单。因为阳极不能直接发射正离子，正离子是由阳极区提供的。阳极区提供正离子可能的机构有两种。

（1）阳极区电场作用下的电离 当电弧导电时，由于阳极不发射正离子，弧柱所要求的0.001I正离子流不能从阳极得到补充，阳极前面的电子数必将大于正离子数，造成阳极前面电子的堆积，形成负的空间电荷与空间电场（见图2-15），使阳极与弧柱之间形成一个负电性区，这就是所谓的阳极区。阳极区的电压降称为阳极压降U_A。只要弧柱的正离子得不到补充，阳极区的电子数与正离子数的差值就继续增大，U_A则继续增加。从弧柱来的电子通过阳极区将被加速，其动能增加。随着空间负电荷的积累，U_A达到一定程度时，使进入阳极区的电子获得足够的动能，使其在阳极区中与中性粒子碰撞产生电离，直到这种碰撞电离生成足以满足弧柱要求的正离子时，U_A不再继续增高而保持稳定。碰撞电离生成的电子与弧柱来的电子一起进入阳极，阳极表面的电流完全由电子流组成。在这种情况下，阳极区压降数值一般较大，U_A＞U_i（U_i为气体介质的电离电压），阳极区的长度约为10^-3～10^-2cm。当焊接电流较小时，阳极区的导电常常属于这种机构。

图2-15 阳极压降形成示意图

（2）阳极区的热电离 当电流密度较大，阳极温度很高，甚至使阳极材料发生蒸发，靠近阳极前面的空间也被加热到很高的温度。当电流密度增加到一定程度时，聚集在这里的金属蒸气将发生热电离，通过这种热电离生成正离子供弧柱需要，生成的电子奔向阳极。由于在这里是靠热电离生成的正离子，不再需要U_A来增加电子动能以产生碰撞电离，所以U_A可以较低。随着电流密度的增加，阳极区热量继续增加，当弧柱所需要的0.001I的正离子流完全由这种阳极区热电离来提供时，则U_A可以降到零，从图2-16可以看出U_A与阳极前面弧柱温度的关系。

许多实验结果证明，大电流钨极氩弧焊及大电流熔化极氩弧焊时U_A都很小，甚至接近于零。另外U_A数值还与阳极材料的导热性有关，在相同条件下，阳极材料的导热性越好，则U_A越大。

图2-16 阳极前面弧柱温度与阳极压降的关系