第一节  焊条电弧焊与电弧切割的工作原理、适用范围及安全特点
    一、焊条电弧焊与电弧切割的基本原理
    (一)焊条电弧焊的基本原理
    焊条电弧焊是工业生产中应用最广泛的焊接方法，它的原理是利用电弧放电(俗称电弧燃烧)所产生的热量将焊条与工件互相熔化并在冷凝后形成焊缝，从而获得牢固接头的焊接过程，如图3—1所示。
图3—1  焊条电弧焊示意图
1—焊条芯；2—焊药：3—液态熔渣；4—凝固的熔渣；5—保护气体；6—熔滴；7—熔池；8—焊缝；9—工件；10—电弧；11—焊钳
    在工件与焊条两电极之间的气体介质中持续强烈的放电现象称为电弧。焊条电弧焊焊接低碳钢或低合金钢时，电弧中心部分的温度可达6000～8000℃，两电极的温度可达到2400～2600℃，如图3—2所示。
    电弧燃烧的必要条件是气体电离及阴极电子发射。
    1．气体电离
    气体和自然界的一切物质一样，其电子是按一定的轨道环绕原子核运动，在常态下原子是呈中性的，气体的分子也是呈中性的，气体中几乎没有带电质点，因此常态下气体不能导电，电流也通不过，电弧不能自发地产生。但是在一定的条件下，气体原子中的电子从外部获得足够的能量，就能脱离原子核的引力而成为自由电子，同时原子因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。
    在焊接时，使气体介质电离的种类主要有热电离、电场作用下的电离、光电离。
    (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)电场作用下的电离  带电粒子在电场的作用下，各作定向高速运动；产生较大的动能，当不断与中性粒子相碰撞时，则不断地产生电离。如两电极间的电压越高，电场作用越大，则电离作用越强烈。
    (3)光电离  中性粒子在光辐射的作用下产生的电离，称为光电离。
    2．阴极电子发射
    阴极的金属表面连续地向外发射出电子的现象，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，都是电弧产生和维持的必要条件。
    一般情况下，电子是不能自由离开金属表面向外发射的，要使电子逸出电极金属表面而产生电子发射，就必须加给电子一定的能量，使它克服电极金属内部正电荷对它的静电引力。所加的能量越大，促使阴极产生电子发射作用就越强烈。
    焊接时阴极所吸收的能量的不同，所产生的电子发射有以下几类；热发射、电场发射、撞击发射等。阴极发射电子后，又从焊接电源获得新的电子。
    (1)热发射  焊接时，阴极表面温度很高，阴极中的电子运动速度很快，当电子的动能大于阴极内部正电荷的吸引力时，电子即冲出阴极表面，产生热发射。温度越高，则热发射作用越强烈。
    (2)电场发射  在强电场的作用下，由于电场对阴极表面电子的吸引力，电子可以获得足够的动能，从阴极表面发射出来。当两电极的电压越高，金属的逸出功小，则电场发射作用越大。
    (3)撞击发射  当运动速度较高、能量较大的正离子撞击阴极表面时，将能量传递给阴极而产生的电子发射现象，叫做撞击发射。如果电场强度越大，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。
    实际上在焊接时，以上几种电子发射作用常常是同时存在，相互促进的，但在不同条件下，它们所起的作用可能稍有差异。例如，在引弧过程中，热发射和电场发射起着主要作用；电弧正常燃烧时，如采用熔点较高的材料(钨或碳等)作阴极，则热发射作用较显著；如采用铜或铝等作阴极时，撞击发射和电场发射就起主要影响；而钢作阴极时，则和热发射、撞击发射、电场发射都有关系。
    (二)电弧切割的基本原理
    电弧切割主要有碳弧气割、碳弧刨割条和等离子弧切割。等离子弧切割将在第五章中介绍。
    1．碳弧气割
    碳弧气割是利用碳极电弧的高温，把金属的局部加热到熔化状态，同时用压缩空气的气流把熔化金属吹掉，从而达到对金属进行切割的一种加工方法，如图3—3所示。目前，这种切割金属的方法在金属结构制造部门得到广泛应用。