通常会把连接电源正极的叫做阳极，连接负极的叫做阴极,阴、阳极之间的部分叫做弧柱区或者叫做等离子电弧区，当在电极间加载的电压达到一定条件时，就会在电极间产生引燃的弧柱，这种弧柱呈现的是一种弧形，这就是电弧一词由来。
弧柱（等离子电弧区）虽然会由于介质的种类和电压的大小而不同，但是数量级都在103-104之间并且接近于热平衡状态，由于接近于热平衡状态，所以可以用波兹曼离子能态分布以及麦克斯韦速度分布等公式来定义弧柱的参数和状态。
焊接电弧放电现象包括很多种，如真空中的焊接电弧放电、空气中的焊接电弧放电、液体介质中的干法焊接电弧放电和湿法焊接电弧放电，本文主要是基于粒子物理学来研究，水下湿法TIG焊中电弧放电（电子放射）的现象。
电弧模型
电弧放电现象不能简单的通过一组公式和边界条件来描述，不同的物理现象会发生在不同的位置或者鞘层，电弧放电可以理解为在一个大系统内的许多现象相互作用的结果。
上图所示是水下湿法焊接模型图，从该图可以看出各种物理层对电弧形成的影响，本文研究中主要涉及到阴极表面的电子发射、在阴极表面和热等离子体之间（鞘层和前鞘层）电和热的转换。
阴极发射点必须达到足够的热发射温度电弧才能形成，即电子具有足够多的能量，它才能挣脱束缚力冲出阴极表面，在金属中的电子分布服从量子力学的费米能级函数，如方程所示：
费米函数描述了电子在金属中的能级，由积分公式得到下列公式，索末菲尔德的公式描述了饱和电流密度下的热发射。
从阴极面到等离子柱之间电和热的转换区域被分为鞘层区和前鞘层区，鞘层区是一个非常薄的区域，在这个区域正离子得到加速然后轰击阴极表面，使阴极表面的温度达到热发射温度，增强电子发射，然后加速的电子进入前鞘区，在这个区域发生电离。
由于鞘层非常薄以及它自身的物理现象，它可以被看做是一个一维问题，在鞘层中最重要的量就是压降，从鞘层出来到达前鞘层的电压主要用于电离，为了计算压降，鞘层必须确定出来。
鞘层通常被认为是一个无碰撞区，在鞘层，电场是通过电流密度来驱动的，在无碰撞区中，关于电势的泊松方程有很多种形式，最具有代表性的如方程所示：
可以得到电场在鞘层的关系：
为了得到鞘层压降的关系，在鞘层和前鞘层的边缘要假设一个能量平衡，压降主要由电流密度、聚集在阴极周围离子所形成的电场和材料的功函数决定，实际上还有很多因素影响鞘层区的压降。
三维静态电磁场可以被定义为螺旋场和旋转场的组合，静电场(不包含旋转部分)可以用静电势来估算，因此，可以得到电场：
总的能量计算公式为：J=σE。
电弧放电机理及种类
焊接中的电弧放电（电子发射）机理从大的方面来概括主要分为四大类：热发射、场发射、光发射和粒子碰撞发射。
本文主要研究的是水下湿法TIG焊电弧，使用的阴极材料是钨，由于它的沸点（5950K）较高，属于非熔化极也就是热阴极，所以选用的发射类型为热发射模型。
热发射即当阴极温度升高时，在金属内部的自由电子会像气体粒子一样速度变大，当其动能大于等于它的的溢出功时，电子可以挣脱原子核对它的束缚力溢出金属表面。
假定粒子的初速度服从麦克斯韦速度分布，当温度为T的时候，单位时间内单位面积溢出的电子数即电流密度可用下式表示：
实际情况中，在电极中的最高温度不能超过其材料的沸点，当使用钨（沸点5950K）作为阴极材料时，电极可以被加热到很高的温度（一般可以达到3000K以上），在阴极区可以有电子发射出来。
仿真模型的建立与分析
本文基于粒子物理学方法，建立一种液体介质中的电弧仿真的方法，从静电场的视角对水下电弧带电粒子物理行为进行研究，用的是OPERA下的SCALA模块，该模块主要用于模拟电子束、粒子加速器、X射线的产生、辉光放电、带电粒子在各种媒介中的传递等。
根据不同焊接电流的种类选用不同的电极形状，夹角a的大小会对许用电流、稳弧性能、引弧有影响，图a所示的形状主要用于直流正极的情况，b中所示主要用于电流为交流的情况。
阴极直径1.6mm，尖角直径0.8mm，尖角角度30度，电弧长度3mm，阳极板的直径为20mm，厚度为2mm，如下图所示，a为空气TIG焊的模型图，b为水下湿法焊接TIG的模型图。
下图是此次仿真模型的网格图，a为空气TIG焊的网格图，b为水下湿法焊接TIG的模型图，因为整个模型是对称的，为了节省计算时间，用四分之一的模型进行计算，最后结果显示的时候在后处理中把整个模型结果显示出来。
因为阴极端部的尺寸很小（直径1.6mm），而模拟出来的电子束的多少跟阴极端部网格的疏密有关，为了能够模拟出足够的电子束，在阴极表面的部分要单独划分网格。
所以阴极端部的网格显得比较密集，其余的部分跟电子束的模拟没有密切的联系，根据自身计算机的情况，结合计算时间恰当选取即可。
对于TIG焊材料属性的定义，主要确定的电介质的介电属性和电极材料的属性，电介质的介电属性由下图所示，确定介质的相对介电常数和电导率。
TIG焊所采用的热饱和发射模型主要跟阴极材料的表面温度T、阴极材料的功函数W以及发射常数A有关，阴极材料的功函数W以及发射常数A就是电极材料的属性。
下表所示是不同电极材料的沸点，对于阴极材料表面温度的选择原则，是它们的表面温度要低于电极材料的沸点。
对于阴极材料的功函数W即逸出功W（单位是V）是用来表明金属材料发射电子能力的强弱，逸出功越低就表示，这种材料只需要外界给予较小的能量就可以有电子的发射，所以这种材料的电子发射能力就比较强。
反之，逸出功W越大，说明此种材料发射电子的能力弱，通过实验可以看出，在金属的表面存在氧化物或者渗进某些微量元素，就可以降低材料的逸出功从而增加材料的发射电子能力。
下表给出了纯钨和钨合金的逸出功，铈钨的综合性能较好，钍钨的性能也不错，但是其含有微量的放射性元素，推广会受到一定的限制，纯钨熔点和沸点高，不易融化挥发、烧损，尖端污染少，但电子发射较差，不利于电弧的稳定燃烧，现在用的也比较少。
铈钨由于电子逸出功低，化学稳定性高，允许电流密度大，无放射性，是目前普遍采用的一种电极，取钨极材料的的表面温度为3900K，功函数W=2.7V，发射常数A=120Acm-2K-2。
当进行水下湿法焊接时，水会被电离成三种属性不同的介质，从里到外分别是等离子气泡层、过渡层、液体层，下表为空气中TIG焊模拟输入表和水下湿法TIG模拟输入表。
空气中的TIG焊仿真结果
下图为空气中TIG焊的电子轨迹图和空气中TIG焊主电子束的速度图，其电弧成“钟罩形”，从电子束的速度图中可以得出，在区主电子束的速度有数量级别的加速，离开鞘区后，电子继续加速通过间隙到达阳极。
针对电子离开鞘区后继续加速通过弧柱区到达阳极的情况，从电子束的速度分布图上也可以看出来，即在阳极附近电子束的速度达到最大值，这主要是由于电场的作用。
电弧中电子的温度和等离子体中电子的动能有直接的关系，如果放电等离子体中电子的速度服从麦克斯韦或者麦克斯韦玻尔兹曼分布，那么电子的速度可以直接通过电子的动能和热能直接计算得到，电子动能的计算公式为：
可以得到基于电子速度的电子温度公式:
因此，如果可以得到放电电弧的速度分布图，那么电子的温度就可以直接在模拟仿真中计算出来，在VectorFields中，对于电子速度的模拟是基于服从麦克斯韦速度分布来考虑的。
加速的粒子通过弧柱区的时候，速度增长是非线性的，但为了求得电子的速度，需要在鞘区内对多个点进行速度取样然后求得平均值，每一束粒子的速度可以通过一个速度密度图求得。
在鞘区区域从0.02mm到0.12mm选取10个速度密度图，从而得到主电子束的速度分布，如下图所示为从10个速度密度图上所得到的电子速度分布的柱状图，可以看出在鞘区内电子速度服从正态分布。
利用电子速度柱状图求得在空气中TIG焊电子的平均速度为9.525E5m/s，结合公式可以求得在阴极顶部处电子的温度为19900K。
下图是自由燃烧电弧试验和数值计算温度对比图，对比图中阴极附近的电弧温度可知，用粒子物理学所模拟计算的电子温度，与别的研究者做实验所测的数据基本一致，从而从另一方面证明了此种方法的可行性。
水下湿法TIG焊仿真结果
下图分别为水下湿法TIG焊主电子束的轨迹图和速度图，考虑到电弧产生的自身磁场一般情况下对电子束轨迹影响不大，但是在水下湿法焊接为高能量和高电流密度的焊接，此时电弧的自身产生的磁场却有很重要的影响，因此一般情况下不能忽略。
电弧产生的磁场与带点离子束的关系如毕奥萨伐尔公式所示：
从图中可以看出电子束的轨迹有明显的收缩，电弧形状成“铃形”，在鞘区区域从0.02mm到0.12mm选取10个速度密度图，从而得到主电子束的速度分布，如下图所示：
求得在水下湿法TIG焊中电子的平均速度为1.152E6m/s，在阴极顶部处电子的温度为29100K，因高压下水下湿法焊接电弧相对空气中的焊接，所承受的外部机械压力更大，同时所加电压也更大，导致电弧的能量更为集中，电弧温度也就比空气中自由燃烧电弧更高。
考虑到这些特点与转移型等离子弧焊接具有极大的相似性，目前为止还没有对水下湿法电弧进行模拟仿真研究，这里将高压下水下湿法焊接电弧与转移型等离子弧进行比照。
下图是应用磁流体动力学理论、流体动力学方程和麦克斯韦方程，建立等离子焊的模型，进行模拟的等离子焊电弧的温度分布图，因等离子焊被迫在机械压缩、气体压缩和磁压缩下进一步收敛，所以其形状并不是所谓的“钟罩形”，而是成“铃形”。
电流密度仿真结果与分析
电流密度的研究也是通过模拟仿真与别的研究者所做试验对比的方式进行，得出整个电流密度的分布情况，为以后电弧进一步的研究打下一定的基础。
下图是利用把整个电弧切割成很多“像素”点的原理，采用“等宽线-同心圆分割”的测量方法，利用虚拟仪器的思想，使用高速采集卡等硬件设施，用LabVIEW编程软件编写的一套电压信号采集、显示、存储程序。
将采集的信号，经过后期的分析、处理最终在Matlab下还原的整个电弧，在工件表面上的电流密度分布的三维图形的重构。
下图是仿真结果的电流密度在阳极表面的平面图和柱状图，通过对比可以看出，利用粒子物理学的方法模拟仿真的电流密度分布图，与通过实验采集信号然后重构的三维分布图基本一致。
从上述几幅图可以看出，电流密度在电弧的外部较小，从外围到电弧中心的过程其值逐渐增大，在电弧中心区域达到最大值，整个增长趋势服从高斯分布。
下图中的a、b、c、d、e、f图分别是距离阴极0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm截面处电流密度分布图，对比六幅小图可以发现，电弧中的电流密度在轴向方向的分布规律，距离阴极的距离越近，其电流密度值越大，反之越小。
