引弧过程的物理特征
电弧的基本知识
电弧的基本知识电弧是电气设备运行出现的一种强烈的电游离现象。
是触头间中性介质被游离，形成的导电气体。
特点：温度很高可达10000℃，易变形，导电1．电弧的主要影响：延长了电路的开断时间。
电弧高温烧坏开关的触头。
可能会烧坏设备，形成短路。
因此，要保证操作时电弧能迅速熄灭2.产生的原因：触头本身及触头周围介质含有大量可被游离的电子。
（内因）当分断的触头间存在足够大的外施电压的条件下，而且电路电流也达到最小生弧电流，其间的介质就会强烈游离形成电弧。
（外因）生弧电流电压10～20V以上。
电流：80～100mA以上产生过程：热电子发射：大电流产生温度高，触头表面电子被拉出强电场发射：强电场使触头表面电子被拉出，形成自由电子。
碰撞游离：自由电子碰撞中性质点变成带电的正离子和自由电子，介质击穿形成电弧。
热游离：电弧高温加剧碰撞。
维持电弧燃烧熄灭电弧的条件去游离：带电质点恢复为中性质点游>去=电弧增强、游=去=电弧维持、游<去=电弧熄灭。
去游离形式：复合、扩散。
3.常用灭弧方法速拉灭弧法：用高压开关断路弹簧。
触头分离速度4m／s —5m ／s冷却灭弧法：降低电弧温度吹弧灭弧法：使电弧拉长、冷却横吹、纵吹、气吹、油吹、电动力吹、磁吹长弧切短灭弧法：金属栅(钢)灭弧。
常用于低压交流开关中多断口灭弧法：此法多用于高压开关狭沟灭弧法：使电弧在狭沟中与固体介质充分接触，冷却电弧真空灭弧法：六氟化硫法：4.对电气触头的基本要求满足正常负荷的发热要求具有足够的机械强度具有足够的动稳定和热稳定具有足够的断流能力。
电弧的物理特性
但电弧的输入功率增大，原因是要用来平衡散发功率的增 加（原因：温度升高、直径增大，散热面积增大）
电弧自动调节弧柱温度和直径以达到输入和散发功率平衡
这一调节过程需要一定的时间（电弧的热惯性）
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P=10Pa
P=500Pa
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P=100Pa
P=1000Pa
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1、电弧的物理特性
1.3 电弧的弧根和斑点
斑点（arc spot）：弧根在电极表面形成的明亮圆点
斑点的运动（高速摄像机）
阴极（连续运动）
阳极（跳跃运动）
斑点运动受电流、材料、磁场等因素的影响 电弧斑点处在不断熄灭和点燃中，旧斑点熄灭，新斑点产生。斑 点的连续运动与跳跃运动是根据新斑点与旧斑点的相对位置而言的。
近极压降： 弧柱压降：
UU0z==EULc→+Ua
燃弧过程中基本不变 E：弧柱电场强度；L电弧长度
按U0、Uz 在Uh 中所占的比例将电弧分为短弧和长弧
短弧：L 很小，Uz可忽略，Uh 几乎与L无关 长弧：L很大，Uz>>U0，Uh 大致与E 成正比
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1、电弧的物理特性
1.3 电弧的弧根和斑点
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1、电弧的物理特性
电弧的电压特性 也有无阴极斑点的电弧（高沸点阴极，如碳、钨）
电子进入阳极的主要入口 稳定的阴极斑点（金属阴极在高气压下）、快速运动的阴极斑点（真空电弧） 不存在空间电荷，类似于电阻
近阴极区 电弧电流自生环向磁场（Bθ）作用于电弧，压缩弧柱，产生压力（收缩压力）
电弧电流自生环向磁场（Bθ）作用于电弧，压缩弧柱，产生压力（收缩压力）
气体保护焊电弧特性一
气体保护焊电弧特性（一）1.1 什么是焊接电弧?电弧是一种气体放电现象，它能把电能有效而简便地转化为热能、机械能和光能。
定义：有焊接电源供给的，具有一定电压的两电极间或电极与母材间，在气体介质中产生的强烈而持久的放电现象称为焊接电弧。
1.2 焊接电弧的基本特点是什么？焊接电弧的基本特点为：1）维持电弧稳定燃烧的电弧电压很低，只有10～50V。
2）在电弧中能通过很大电流，可从几安～几千安。
3）电弧具有很高的温度，弧柱温度是不均匀的，中心温度最高，可达到50 00～30000K，而远离中心则温度降低。
4）电弧能发出很强的光。
电弧的光辐射波长为（1.7～50）×10-7m。
它包括红外线，可见光和紫外线3个部分。
1.3 电弧由哪几部分组成？其特点是什么？电弧是由3部分组成，即弧柱区、阴极区和阳极区，如图1所示。
1、弧柱区弧柱区呈电中性，它是由分子、原子、受激的原子、正离子、负离子及电子所组成，其中带正电荷的离子与带负电荷的离子几乎相等，所以又称为等离子体。
带电的粒子在等离子体定向移动，基本上不消耗能量，所以才能够在低电压条件下，传输大电流。
传输电流的主要带电粒子是电子，大约占带电粒子总数的99. 9%，其余为正离子。
因为阴极区和阳极区的长度极短，所以可以认为弧柱区长度为电弧长度。
弧柱区的电场强度较低，通常只有5～10V/cm。
2、阴极区阴极被认为是电子之源。
它向弧柱提供99.9%的带电粒子（电子）。
阴极发射电子的能力，对电弧稳定性影响极大。
阴极区的长度为10-5～10-6cm，如果阴极压降为10V，则阴极区的电场强度为106～107V/cm。
3、阳极区阳极区主要是接受电子，但还应向弧柱提供0.1%的带电粒子（正离子）。
通常阳极区的长度为10-2～10-3cm，则阳极区的电场强度为103～104V/cm。
由于阳极材料和焊接电流对阳极区压降影响很大，它可以在0～10V之间变化。
例如当电流密度较大，阳极温度很高，使阳极材料发生蒸发时，阳极压降将降低，甚至到0V。
氩弧焊高压引弧电路原理
氩弧焊高压引弧电路原理一、引言氩弧焊是一种常见的金属焊接方法，它利用氩气作为保护气体，通过电弧加热金属工件并使其熔化，从而实现焊接。
在氩弧焊中，高压引弧电路是启动电弧的关键组成部分之一。
本文将详细介绍氩弧焊高压引弧电路的原理。
二、高压引弧电路的作用在氩弧焊中，电极和工件之间需要产生一个稳定的电弧才能进行焊接。
而这个过程需要通过高压引弧电路来实现。
高压引弧电路的作用是在两个金属表面之间产生一个高电场，并将这个场加速到足够大的程度以产生一个电流。
当这个电流达到足够大时，就会形成一个稳定的电弧。
三、高压引弧电路原理1. 高压源在高压引弧电路中，最重要的组成部分是高压源。
它产生了两个金属表面之间所需的高电场。
常见的高压源包括变压器和整流器等。
2. 变压器变压器是一种常见的高压源。
它由两个线圈组成，分别称为原边和副边。
当电流通过原边时，会在副边产生一个感应电势。
根据法拉第定律，当磁通量变化时，会在线圈中产生一个电势。
因此，在变压器中，当原边中的电流变化时，就会在副边中产生一个高电势。
3. 整流器整流器是另一种常见的高压源。
它将交流电转换为直流电，并将其输出到两个金属表面之间以产生高电场。
整流器通常由多个二极管和滤波器组成。
4. 电容在高压引弧电路中，还需要使用一个电容来存储能量并将其释放到两个金属表面之间以产生高电场。
当电容充满能量时，它会释放出一些能量，并将其传递到金属表面上。
5. 放大器放大器是另一个重要的组成部分，在氩弧焊中用于增加引弧时的功率。
放大器通常由多个晶体管或场效应管组成。
四、高压引弧电路的工作原理1. 引弧前在引弧前，高压源会通过变压器或整流器产生一个高电势，并将其输出到电容中。
电容会存储这个能量，并将其释放到两个金属表面之间以产生高电场。
然后，放大器会增加这个场的功率。
2. 引弧当电场足够强时，就会在两个金属表面之间产生一个稳定的电弧。
这个过程需要很短的时间（通常是几毫秒），并且需要足够的能量来维持电弧的稳定性。
第4章电弧的基本特征汇总
人类居住环境
密度(cm-3)
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背景知识
星系：巨大的聚变反应堆
背景知识
北极光
背景知识
三、等离子体显示技术 （Plasma Display) 等离子体显示技术之所以令人激动，主要是以下两原因： （1）可制造超大尺寸的平面显示器（50英寸甚至更大）； （2）与阴极射线管显示器不同，它没有弯曲的视觉表面，
图3-3 间接空间复合的过程
图4-2 间接空间复合的过程
§ 4-2 气体放电的物理过程
b. 空间复合：有直接复合和间接复合(电子粘在中性粒 子上， 再与正离子相遇复合成为两个中性粒子)。
对空间复合而言，促使空间复合的决定因素是冷却，因 为冷却促使带电粒子运动速度减小。
② 扩散：弧柱中的带电粒子，由于热运动，从弧柱中浓度高 的区域移到浓度低的区域的现象。
低温等离子体还可以被用于氧化、变性等表面处理或者 在有机物和无机物上进行沉淀涂层处理。现在人们已经掌握 利用电场和磁场产生来控制等离子体。
背景知识
人类的生存伴随着水，水存在的环境是地球文明得以 进化、发展的的热力学环境，这种环境远离等离子体物态 普遍存在的状态。因而，天然等离子体就只能存在于远离 人群的地方，以闪电、极光的形式为人们所敬畏、所赞叹。
I(A)
1. 气体放电的几个阶段： 见图4-4。
① 非自持放电阶段：是指当外界因素去除后，放电 无法维持的阶段，即图中的ＯC段。
OA段：电场强度较小，带电粒子仅由宇宙射线、χ射 线等产生，属漫游状态，当U↑时，到达阴极的带电粒子 成比例增加；
AC段：电压较高，间隙电场强度较大，I继续增加， 可产生电场电离，并出现二次发射；因去掉外加电离因素 后，放电停止，故称之为非自持放电阶段。
焊接电弧及其电特性
为交流电弧的有功功率； 、 分别为电弧电压和电弧电流的瞬时值
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交流电弧的功率
1.3.4.2 交流电弧的功率因数 交流电弧的功率因数是指交流电弧的有功功率与电弧电压和电弧电流有效值乘积之比值，即：
1、交流电弧功率 与K的关系图
焊接电弧的性质与供电电源的种类、电弧的状态、电弧周围的介质以及电极材料有关。按照不同的方法，可作出如下的分类： 按电流种类可分为：交流电弧、直流电弧和
1.1.1 气体原子的激发、电离和电子发射 焊接电弧也是气体放电的一种形式。它与其他气体放电的区别在于它的阴极压降低、电流密度大，而气体的电离和电子发射是电弧中最基本的物理现象。
1.1.1.1. 气体原子的激发与电离
气体原子的激发 如果气体原子得到了外加的能量， 电子就可能从一个较低的能级跳跃到一个较高能级，这时原子处于“激发”状态，使原子跃至“激发”状态所需的能量，称为激发能。 气体原子的电离 使电子完全脱离原子核的束缚，形成离子和自由电子的过程为电离。由原子形成正离子所需的能量称为电离能。 电离的形式 在焊接电弧中，根据引起电离的能量来源，有如下三种电离形式： (1) 撞击电离； (2) 热电离； (3) 光电离。
01
在用交流电弧进行焊接时，要求能充分利用电弧功率，以获得较高的效率。此外，还希望在弧长略有变化时功率保持稳定，使焊接过程能顺利进行。因此，研究交流电弧功率及功率因数的影响因素和计算方法，也是有必要的。
02
交流电弧的电压和电流时刻都在变化。所以，交流电弧的功率是指交流电弧在半个周期内的平均功率(又称为有功功率)，即
1.4.1.2 熔化极焊接电弧
1.4.2 压缩电弧
如果把自由电弧的弧柱强迫压缩，就获得一种比一般电弧温度更高，能量更集中的热源，即压缩电弧 。
第一讲电弧的基本特性
第一讲 电弧的基本特性
实际动特性曲线 成因分析
第一讲 电弧的基本特性
表7-1 常用焊接方法的热效率系数
焊接方法 焊条电弧焊 埋弧焊 CO2气体保护焊 熔化极氩弧焊 钨极氩弧焊 0.65～0.85 0.80～0.90 0.75～0.90 0.70～0.80 0.65～0.70
第一讲 电弧的基本特性
• 1．焊接电弧的静特性
第一讲 电弧的基本特性
• 在电极材料、气体介质和电弧弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧时电弧电压
和焊接电流之间的关系称为静特性。其数学表达式为
U Ih) h f (
• （1）焊接电弧的静特性曲线形状及其应用
特性近似呈
焊接电弧是非线性负载，
即电弧两端的电压与通过电弧的电流之间不是成正比例关系。焊接电弧的静
能，即电弧的阴极要不断的发射电子。综上所示，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
第一讲 电弧的基本特性
•★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，用
• ★当采用钨、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（可达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。 • 3．焊接电弧的引燃
U
形静特性曲线可看成由三个区段组成。在Ⅰ区段，电弧电压随着电流
电弧的产生、理论和物理特性
电离过程是各种电离形式的综合表现。
2. 消电离（去游离）
（1）概念：
电离气体中的带电粒子离开区域，或者失去电荷 变为中性粒子，这种现象叫消电离。 （2）形式：
复合 扩散
复合
两个带有异性电荷的粒子相遇互相作用而消失电荷， 形成中性粒子的现象叫复合。
1）表面复合 2）空间复合 影响复合因素最显著的是温度，冷却作用是加强复合 的决定性因素。
扩散
弧柱中的带电粒子，由于热运动从弧柱中浓度高的区 域移动到弧柱周围浓度较低的区域，叫扩散。
电弧电流恒定时，扩散速率与电弧直径成反比； 电弧电流恒定时，复合速率与电弧直径平方成反比。
气体放电的几个阶段
1. 非自持放电阶段（OD段） 2. 自持放电阶段（从D点起）
阳极表面也存在阳极斑点，它接收从弧柱中过来的电子。弧 柱是由高温、游离了的气体形成的充满了带电粒子的等离子休。
三、电弧的组成部分(续2）
3. 弧柱区——6000k以上高温， 大量气体分子游离，因此具有良 好的导电性。电流越大，弧温越 高。热电离程度越大，电阻越小ห้องสมุดไป่ตู้ 伏安特性是负特性（但真空电弧 是正特性），弧柱内气体全部电 离，正负带电粒子数相等，为等 离子体。
四、电弧发生的途径
（１）电路开断断电弧的发生。为了使电点燃，某一最低电流值 是必需的。 开断电路时电弧的产生过程 触头开始分断—(存在超程实际未分断)—>接触点减小—>极限状 态(仅一点接触)—>接触处金属熔融—>液态金属桥—>金属桥断裂 (爆炸)—(电流瞬时截断)—>产生过电压—(击穿介质)—>电弧—( 各种熄弧因素)—>电弧熄灭—>触头分断
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引弧过程的物理特征0序言焊接电弧物理的研究是焊接基础理论研究中的重要组成部分，历来受到焊接工作者的重视.引弧过程作为电弧放电的起始阶段，将直接影响到后续焊接过程能否顺利进行[1].为了改善引弧过程，以往在设备与工艺方面做过许多的努力和改进[2].但由于电弧具有高温、强辐射等特点，且其放电过程十分复杂，对于电弧引弧过程的机理仍未得到深入的认识.已有针对TIG焊引弧过程的研究大多借助于高速摄像等手段对过程中的电弧形态进行观测，较少涉及到电信号的变化分析与等离子体状态参数的描述.为此利用电信号采集与光谱诊断的方法对TIG焊接触引弧阶段进行观测，发现了该阶段存在着贡献电子的主体元素由金属元素向气体元素变换的特点，并采用Stark展宽效应对引弧过程电子密度的变化进行了定量研究.进而通过与激光辅助引弧和铝合金MIG焊引弧的对比和分析，进一步得到了有关焊接引弧过程规律性的认识.通过对焊接引弧弛豫现象的时序统计分析，概括了TIG焊引弧过程的三个连续特征阶段.研究有助于进一步深入理解焊接电弧产生的机理，同时也为探索新的引弧方法提供了必要的理论基础.1TIG焊引弧过程的观测1.1引弧过程试验条件TIG焊引弧过程采用直流正接的方式.光谱观测的试验系统主要由焊接电源（Miller-Aerowave300）、透镜光学装置、ACTON公司的SpectrPro2750i型光谱仪（配备PI-MAX增强型CCD摄像机、ST-133光谱探测控制器）、可延时触发装置、系统工作过程监测装置（Tektronix-TDS-3000B示波器）以及数据处理系统等部分构成.通过该装置平台能够准确、可靠地对焊接电弧的光谱信息进行测量与分析.光谱诊断系统示意图可参考文献[3].其它试验条件如下：焊接电流为直流100A；铈钨极直径2.9mm、角度60°；阳极采用2mm厚铝板；焊接弧长3mm；保护气体氩气流量10L/min.引弧方式采取接触引弧，即将钨极轻触工件后，其自动提起至预置高度.1.2引弧过程电信号特征为了明确引弧过程的起始和结束时刻，以便做到电信号和光谱仪拍摄信号的同步，试验测得了接触引弧过程电压、电流特征波形如图1所示.图中，定义EF段为引弧开始时刻，H为结束时刻，引弧过程约持续70ms.对于电压信号：AB段为空载电压阶段，电压约为17V；CD段为短路接触阶段；EF段为钨极提离工件阶段，出现尖峰G后，至H趋于稳定.对于电流信号：IJ段为短路阶段，电流为0；KL段为短路接触阶段，电流约为20A；随后电流迅速增大至焊接电流，且在M处出现尖峰，而后稳定于设定的100A.图1TIG焊接触引弧过程的电压、电流波形1.3引弧过程不同时刻的光谱图像特征为了能够同时观测引弧阶段不同时刻金属和气体特征谱线的变化，光谱仪拍摄的参数设定如下：曝光时间0.1ms、光栅1200g/mm。
拍摄到的不同时刻光谱图像如图2所示.（a）引弧开始5ms、35ms、40ms光谱图像（b）引弧开始45ms、65ms、100ms(稳定)光谱图像图2TIG焊接触引弧过程不同时刻的光谱图像从图2中的光谱图像可以看出这样的规律特征：即在引弧初始阶段（40ms内），钨极和工件间主要依靠金属元素铝提供电子形成放电的条件；光谱图中可以明显看到Al谱线占据主要部分，仅有少量的Ar谱线出现并且强度较弱.随后（45ms后）金属铝粒子在与气体氩粒子的不断碰撞过程中进行了能量与热量的交换，在谱线上表现出Al谱线逐步减弱，Ar谱线显著增强的现象.电弧稳定前后（100ms左右），可以看到Al谱线进一步减弱，A rⅡ谱线出现并迅速增强，成为提供电子的主要媒介.2TIG焊引弧过程电子密度的计算试验中采用99％氩与1％氢的混合气体，其中氢作为示踪元素且气体流量为10L/min.分别拍摄了引弧阶段的17组Hα线光谱图，每组5张，采用统计分析方法得到各个时刻的平均值，并应用文献[4]中方法进行计算.图3表示了试验条件下引弧阶段电子密度随时间的变化情况.图3试验条件下TIG焊接触引弧电子密度随时间的变化由图3可以看出引弧阶段电子密度的变化特点：电子密度在前5ms内呈上升趋势，随后有所回落.15～40ms内电子密度变化不大，但比引弧初始要小，可认为是电子与氩粒子以碰撞方式进行能量交换，使得这一过渡时期能量快速消耗.电子密度在40～50ms出现较大飞跃，可理解为氩已经作为新的电子贡献元素取代铝而占据主导地位.55ms至电弧稳定（100ms），电子密度变化不大，可以认为主体电离元素的变换过程基本完成，电弧建立.3分析与讨论3.1引弧过程的统计规律性许多因素可能影响引弧过程的试验结果.例如：延时触发装置的时间精度，钨极形状与工件表面状态，钨极与工件接触或提离工件过程在时间和空间上的偏差等等.因此，在试验中应通过实时采集电信号以避免误触发的情况，并且尽量保持每次引弧操作的统一.值得注意的是，对于光谱图像的拍摄，每次引弧试验只能测得一个时刻的一组光谱图像.由于引弧过程的不确定性，这就需要针对每个设定的时刻进行多次拍摄，而后采用统计分析的方法加以解决，以减少单次试验带来的误差.从非平衡态逐渐过渡到平衡态的过程称为弛豫过程，焊接引弧过程是焊接电弧弛豫状态的一种表现形式.这一动态过程，虽然会表现出观测量上的不确定性，但仍然具有各引弧时间特征段的可重复性和各阶段内电子数密度的统计规律性，这对于引弧过程物理特征和趋势性的研究而言，是可以接受的.依据试验数据进行整理与分析，TIG焊接触引弧过程的时序统计性质如图4所示.图4TIG焊接触引弧过程的时序统计性质3.2激光辅助引弧过程的对比分析对引弧过程机理的研究，有利于深化对电弧建立条件的认识，进而为探讨外部能量参与并建立电弧放电的可能性提供参考.采用80V左右的空载电压和1KW连续激光，对2mm的弧长间距（其它试验条件见文献[4]）进行了激光辅助引弧试验，拍摄到的不同时刻光谱图像如图5所示.图5激光辅助引弧过程的光谱图像由图5可以看到，引弧初期金属元素Mg原子谱线强度较强，但随着引弧过程时间的推移，谱线强度由强变弱，而Ar离子谱线显著增强.由此说明，在激光辅助引弧过程中亦存在着贡献电子的主体元素的变换现象.同时，该过程也支持了钨极电弧焊引弧的主要特点：即对金属工件的局部加热是产生电子碰撞进而进行电弧空间能量传递的初始条件.3.3铝合金MIG焊引弧过程的对比分析在铝合金变极性脉冲MIG焊条件下，由于放电两极均为铝合金材料，使得这一过程的引弧阶段较TIG 焊迅速.采用直流脉冲对2mm厚铝合金板进行了引弧，获得的引弧阶段电压、电流波形及光谱图像分别如图6，7所示.图6铝合金MIG焊引弧过程的电压、电流波形（a）引弧过程金属元素的光谱图像（b）引弧过程气体元素的光谱图像图7铝合金MIG焊引弧过程不同时刻的光谱图像由图6可以看到，引弧阶段的电压波形与TIG焊类似.观察图7，引弧初期由于电极效应，使得金属离子受到激发，开始提供电子并使电弧空间导通.由于MIG焊引弧过程中两电极同时提供金属电子，使得其比TIG焊条件下的能量传递速度要快，从而使气体元素的激励时间也相应变短.并且在电弧引燃后的高温条件下仍有两电极与气体元素的共同贡献电子的现象.MIG焊引弧过程从另一角度反映了引弧的特点：即当两个电极的金属原子被同时激发后，后续的能量传递速率有着显著提高.同时也验证了在引弧初始的低温条件下，由易电离元素优先激发提供电子的特点.从上述几组试验结果可见，当采用不同引弧模式与条件，都能观测到类似的气体导电特征，即存在着发射电子的元素的主次变换现象，使得焊接引弧的这一物理特征具有较为普遍的适用性.3.4引弧过程几个连续阶段的物理模型通过对引弧过程的试验观测，并结合物理学相关理论[5-7],可以将此过程划分为三个连续阶段：①工件预热阶段：对于TIG 焊接触引弧和MIG 焊引弧过程：当钨极（或焊丝）与工件接触时，焊接电源回路中的接触电阻对钨极（或焊丝）和工件进行了焦耳加热，使得接触点局部的温度升高，这为后续的热电子发射提供了初始条件.根据焦耳加热理论，此阶段的吸收热量Q 的情况可以描述为：()()t R i F T V F Q ,,,,'11==γ（1）式中：γ为单位体积热容量，V 为加热的金属体积，T 为温度，i 为接触时的电流，R 为电阻率（包括接触电阻和回路中其它电阻），t 为接触时间.对于激光辅助引弧过程：激光作用于工件，使得照射表面形成烧蚀，并部分气化产生金属蒸汽，这同样为后续金属等离子体的形成创造了条件.当金属原子吸收的光子能量大于或者等于该原子的逸出功时才会发生表面逃逸而被电离，即i eU nh ≥λ（2）式中：n 为吸收的光子数量，h 为普朗克常数，λ为激光波长，e 为电子电量，U i 为原子逸出电压.②场致发射阶段：钨极（或焊丝）与工件两端始终加载空载电压，这为微小的电弧放电空间提供了场致发射的条件.两极间的电场将对金属逸出电子进行加速。
根据肖特基理论及Fowler-Nordheim 公式，真空条件下电流密度J 可以描述为：()⎟⎠⎞⎜⎝⎛=y E F J υφ,ln 22（3）式中：J 为电子电流密度，E 为表面电场强度，φ为金属逸出功，2()0.95y y υ=−（其中y 为逸出功函数的肖特基降低）.对于实际焊接条件下的场致发射需要对上述公式进行必要的修正.③电弧放电阶段：由Thomson 电离和流注理论，当放电空间的电子、正负离子的相互碰撞作用达到保护气体击穿临界值时，放电通道将被贯通，气体放电条件形成并在外界能量作用下得以维持.根据气体放电相关物理理论，此阶段的放电电流I 的函数关系可以描述为（假设放电空间为一柱体）：()E n F S J I e ,3=⋅=（4）式中：J 为电流密度，S 为弧柱截面，n e 为等离子体中心处密度，E 为两极间的电场强度.从上述分析可知，通过对气体放电的重要状态参数电子密度n e 的定量描述，能够建立起引弧过程不同阶段具体的函数关系模型，由此加深对引弧过程物理特征的认识与理解.4结论(1)在不同焊接引弧过程中均存在着贡献电子的主体元素的变换现象.即由引弧初始时的金属元素过渡到保护气体元素.易电离元素提供电子的优先性仅在引弧初期的低温条件下是明显的.(2)作为弛豫状态表现形式之一的引弧过程，虽然过程中具有不同的形态和特征，但都服从气体放电的能量传递原理.即引弧初始时由金属元素电离提供电子，进而与气体粒子进行能量交换使得电离过程持续，最终建立起电弧.。