第一节焊接电弧

1、 电弧是一种电弧是一种气气体放电体放电现象，是指现象，是指两电极存在两电极存在电位差电位差时，电荷通过两电时，电荷通过两电极之间的气体空间极之间的气体空间的一种的一种导电导电现象。现象。直流正接，正极性直流正接，正极性 (DCSP)(DCSP)直流反接，负极性直流反接，负极性 (DCRP)(DCRP)一、气体放电与焊接电弧一、气体放电与焊接电弧电弧的本质电弧的本质气体放电，而且是最激烈的自持放电形式，气体放电，而且是最激烈的自持放电形式， 通常伴随有熔化和蒸发现象。通常伴随有熔化和蒸发现象。 气体放电的表现是带电气体放电的表现是带电 粒子在气体中流动而形成电粒子在气体中流动而形成电 流。流。

2、人们依据电弧放电可以人们依据电弧放电可以 实现能量转换，将电能变为实现能量转换，将电能变为 热能和机械能来进行熔焊。热能和机械能来进行熔焊。电弧放电特性：低电压、强电流、不遵循欧姆定律；电弧放电特性：低电压、强电流、不遵循欧姆定律； 产生强烈的光和热；产生强烈的光和热；阴极电子发射阴极电子发射阴极电子发射是电源持续向电弧供给能量的唯一途径，阴极电子发射是电源持续向电弧供给能量的唯一途径，是电弧产热及中性粒子电离的初始根源。是电弧产热及中性粒子电离的初始根源。 阴极所发射电子中的一部分消耗在电弧空间（与离子复阴极所发射电子中的一部分消耗在电弧空间（与离子复合、散失到外围），其它的撞击引发中性粒子

3、电离（即电子合、散失到外围），其它的撞击引发中性粒子电离（即电子传递）或直接飞入阳极；传递）或直接飞入阳极； 阳极所接收电子中的相当一部分则是电离产生的；阳极所接收电子中的相当一部分则是电离产生的； 阴极电子发射的型式：阴极电子发射的型式： 热发射、电场发射、光发射、重粒子撞击发射；热发射、电场发射、光发射、重粒子撞击发射；中性粒子电离中性粒子电离电电离离能能电电离离电电压压 惰性气体原子的电离电压高，碱性金属原子的电离电压低；惰性气体原子的电离电压高，碱性金属原子的电离电压低；混合气体的电离度主要取决于电离电压较低的气体成分。混合气体的电离度主要取决于电离电压较低的气体成分。带电粒子的扩散与

4、复合带电粒子的扩散与复合电弧空间中，带电粒子在电场作用下总体进行着电弧空间中，带电粒子在电场作用下总体进行着定向运动定向运动，同时还由于中心与外围的密度差异而发生同时还由于中心与外围的密度差异而发生从内向外的扩散运动从内向外的扩散运动。 在稳态电弧中，带电粒子的扩散运动并不会造成电弧整体带在稳态电弧中，带电粒子的扩散运动并不会造成电弧整体带电粒子分布的均匀化，而是处于相对稳定的动平衡状态。电粒子分布的均匀化，而是处于相对稳定的动平衡状态。带电粒子的复合是一项重要的电弧行为，主要发生在电弧外带电粒子的复合是一项重要的电弧行为，主要发生在电弧外围温度较低的区域，会对电弧热量平衡和导电性造成影响。一

5、般围温度较低的区域，会对电弧热量平衡和导电性造成影响。一般来说，电弧从自身机制上具备自身维护热量平衡和导电能力，带来说，电弧从自身机制上具备自身维护热量平衡和导电能力，带电粒子的复合只电粒子的复合只在小电流电弧或在交流电弧的稳定性在小电流电弧或在交流电弧的稳定性方面产生一方面产生一定程度的不利影响。定程度的不利影响。带电粒子通过带电粒子通过扩散、复合扩散、复合方式不断消失。方式不断消失。电弧稳定电弧稳定“燃烧燃烧”时，时，带电粒子的产生和消失处带电粒子的产生和消失处于动平衡状态。于动平衡状态。中性粒子可能与电子结合生成负离子，中性粒子可能与电子结合生成负离子，负离子的负离子的存在会对电弧稳定性

6、产生不良影响。存在会对电弧稳定性产生不良影响。维持电弧放电的条件：维持电弧放电的条件：气体空间不断产生带电粒子；气体空间不断产生带电粒子； 保持阴极、阳极与气体空间电流的连续；保持阴极、阳极与气体空间电流的连续；图1-4 电弧结构和电位分布U = Ui + Uy + Uz2、电弧各区的导电特点、电弧各区的导电特点 I = Ie + Ii 阴极区导电特点阴极区导电特点（1）以以 Fe、Cu、Al 等低等低熔点材料作阴极熔点材料作阴极 冷阴冷阴极，极， 又称为又称为电场发射型电场发射型形成强电场形成强电场（105107V/cm）发发射电子，产生阴极斑点；射电子，产生阴极斑点；高速正离子碰撞阴极产热

7、并高速正离子碰撞阴极产热并发射电子；发射电子；离子电流占有一定比例；离子电流占有一定比例；（2）形成等离子区：形成等离子区：阴极区长度大、场强较弱，阴极区长度大、场强较弱， 热发射和电场发射能力都不强；热发射和电场发射能力都不强； 区内温度高，热电离产生较多的带电粒子，区内温度高，热电离产生较多的带电粒子， 呈现球形高亮度体；呈现球形高亮度体；（3）以以C、W等高熔点材料作阴极等高熔点材料作阴极 热阴极，又称热阴极，又称 热发射型热发射型 阴极温度高而产生阴极温度高而产生热电子发射热电子发射； 无阴极斑点，几乎无压降；无阴极斑点，几乎无压降； 热发射电子散失热量、热发射电子散失热量、正离子进入

8、释放热量，正离子进入释放热量，材料电阻产热；材料电阻产热； 在实际焊接电弧中，在实际焊接电弧中，因电极材料、电弧气氛、因电极材料、电弧气氛、电流值的不同，阴极区的电流值的不同，阴极区的导电过程会有很大差异，导电过程会有很大差异，进而对进而对焊丝熔化效率、熔焊丝熔化效率、熔滴过渡形态、阴极表面清滴过渡形态、阴极表面清理作用、熔池形状理作用、熔池形状等产生等产生较大影响。较大影响。 弧柱区的导电特点弧柱区的导电特点： （1）正负带电粒子的数量几乎相等，整体呈现中性；正负带电粒子的数量几乎相等，整体呈现中性； （2）电场强度弱、压降低、电阻小，形成强大电子流；）电场强度弱、压降低、电阻小，形成强大电

9、子流； （3）粒子间强烈碰撞产生高温（）粒子间强烈碰撞产生高温（103104）、热电离；）、热电离； 弧柱区的弧柱区的电场强度高低电场强度高低与气体成分及电流大小有关，与气体成分及电流大小有关，显示其显示其导电能力的强弱导电能力的强弱。阳极区内正离子的形成有两种方式：阳极区内正离子的形成有两种方式： 电场电离型电场电离型 依靠区内负电荷堆积形成的电场来加速进入依靠区内负电荷堆积形成的电场来加速进入 区内的电子，高速电子撞击中性粒子电离而区内的电子，高速电子撞击中性粒子电离而 产生正离子；产生正离子；阳极区压降较大，产生斑点阳极区压降较大，产生斑点。 这是低电流焊接条件下的阳极区导电特征；这是低

10、电流焊接条件下的阳极区导电特征； 热电离型热电离型 阳极温度高，产生金属蒸汽，金属气体热电离阳极温度高，产生金属蒸汽，金属气体热电离 生成正离子；生成正离子；阳极区压降很小，没有斑点阳极区压降很小，没有斑点。 这是强电流这是强电流 TIG、MIG 焊接条件下的阳极区导电特征；焊接条件下的阳极区导电特征； 阳极区的导电特点阳极区的导电特点： 阳极区：阳极区：向弧柱提供向弧柱提供 小于小于1的正离子流；的正离子流； 接收来自弧柱区大于接收来自弧柱区大于 99 的电子流；的电子流； 阴极斑点：阴极斑点：主要形成于电场发射型阴极表面，主要形成于电场发射型阴极表面， 是是电流密度很高的局部导电区域电流密

11、度很高的局部导电区域。 对于低熔点阴极，或电流很小的高熔点阴极均可形成对于低熔点阴极，或电流很小的高熔点阴极均可形成 阴极斑点。阴极斑点。 斑点特征：斑点特征： 温度高温度高 使阴极材料蒸发；使阴极材料蒸发； 分散性分散性 可能同时存在几个分离的；可能同时存在几个分离的； “粘着粘着”性性 电弧两极作相对运动时，斑点显示电弧两极作相对运动时，斑点显示“拖拽拖拽” 现像；现像；自动选择性自动选择性 高速跳动，选择逸出功低的区域。高速跳动，选择逸出功低的区域。 若阴极材料表面有氧化膜，则斑点会优先在此处形成。利若阴极材料表面有氧化膜，则斑点会优先在此处形成。利用这一点来清除（蒸发、雾化）用这一点来

12、清除（蒸发、雾化） AlAl、Mg Mg 合金焊接区的表面氧化合金焊接区的表面氧化膜，可有效提高接头质量膜，可有效提高接头质量（减少焊缝夹杂、改善焊缝成形）。（减少焊缝夹杂、改善焊缝成形）。3、阴极斑点与阳极斑点、阴极斑点与阳极斑点电弧两极区的导电状态会对焊接过程产生影响，电弧两极区的导电状态会对焊接过程产生影响， 进而影响接头质量。进而影响接头质量。 阳极斑点：阳极斑点： 形成条件形成条件 在电场电离型导电机制下，在电场电离型导电机制下， 即低熔点、导即低熔点、导 热性好的阳极材料，或很小的焊接电流；热性好的阳极材料，或很小的焊接电流； （在阳极材料熔点较高，且电流大的情况下不会产生）（在阳

13、极材料熔点较高，且电流大的情况下不会产生） 斑点特征：斑点特征： 面积较弧柱截面小、较阴极斑点的大；面积较弧柱截面小、较阴极斑点的大； 温度高温度高 光亮点，可引发热电离；光亮点，可引发热电离；自动选择性自动选择性 择取弧柱能量（择取弧柱能量（i.E.li.E.l）消耗最小处；）消耗最小处； “粘着粘着”性性 阳极移动时，斑点显示阳极移动时，斑点显示“拖拽拖拽”现像；现像； 跳动性跳动性 阳极移动或熔化时，不断择机跳动；阳极移动或熔化时，不断择机跳动； 斑点压力：斑点压力： 高速射出金属蒸汽的反作用力；高速射出金属蒸汽的反作用力； 高速正离子的撞击力高速正离子的撞击力（对阴极斑点）；（对阴极斑

14、点）； 高速电子的撞击力高速电子的撞击力（对阳极斑点）；（对阳极斑点）； 在相同工艺条件下，阳极斑点压力较阴极斑点的小；在相同工艺条件下，阳极斑点压力较阴极斑点的小； 斑点压力会阻碍熔滴过渡；斑点压力会阻碍熔滴过渡； 电弧中的电磁压力差会促使电弧中的电磁压力差会促使空间内气体向熔池方向流动，形空间内气体向熔池方向流动，形成连续的气流冲向熔池，并且气成连续的气流冲向熔池，并且气流的速度分布不同。流的速度分布不同。 这种这种由电弧推力引起高温气由电弧推力引起高温气流运动所形成的力流运动所形成的力称为称为电弧动压电弧动压力力。这种力实质上是由弧柱中气。这种力实质上是由弧柱中气流速度不同所引起的流体压

15、力差流速度不同所引起的流体压力差形成的，故形成的，故也称为等离子流力。也称为等离子流力。 电弧动压力电弧动压力大小大小与电流值、气流强度、电弧长度、电弧与电流值、气流强度、电弧长度、电弧形态、电极状态形态、电极状态等因素有关。它会对熔池（焊缝）形状、熔滴等因素有关。它会对熔池（焊缝）形状、熔滴过渡产生显著影响，如促进过渡产生显著影响，如促进射滴过渡射滴过渡、导致、导致 T 型熔池型熔池等。等。2、电弧动压力、电弧动压力（等离子流力）（等离子流力） 当电极上形成斑点时会引发斑点力。当电极上形成斑点时会引发斑点力。斑点力包含以下几方面成分：斑点力包含以下几方面成分：（1）带电粒子的冲击力，）带电粒

16、子的冲击力，在阴极斑点上在阴极斑点上表现较大；表现较大；（2）电磁收缩力，）电磁收缩力，是由于电流线在熔滴是由于电流线在熔滴底部集中引发的，同样在阴极斑点上表底部集中引发的，同样在阴极斑点上表现较大；现较大；（3）电极材料蒸发的反作用力，）电极材料蒸发的反作用力，也是在也是在阴极斑点上表现较大；阴极斑点上表现较大； 斑点力会阻碍熔滴过渡，也会对熔池产生一定的影响。斑点力会阻碍熔滴过渡，也会对熔池产生一定的影响。斑点力斑点力等离子流力等离子流力 促进熔滴过渡斑点（压）力斑点（压）力 阴极阳极，阻碍熔滴过渡爆破力存在于短路电弧焊接，当熔爆破力存在于短路电弧焊接，当熔滴与熔池发生短路时，电流急剧增滴

17、与熔池发生短路时，电流急剧增大，短路液柱中电流密度很高，温大，短路液柱中电流密度很高，温度急剧升高，使浓柱汽化爆断而产度急剧升高，使浓柱汽化爆断而产生冲击力。生冲击力。 爆破力可能使液柱金属形成飞溅，爆破力可能使液柱金属形成飞溅，也会对熔池及焊丝端部的液态金属也会对熔池及焊丝端部的液态金属造成冲击，导致飞溅。造成冲击，导致飞溅。爆破力爆破力细熔滴冲击力细熔滴冲击力 熔化极熔化极射流过渡焊接射流过渡焊接时，细熔滴颗粒在等离子流力作用下时，细熔滴颗粒在等离子流力作用下高速冲向熔池，形成冲击力。此力使熔池底部的熔深加大。高速冲向熔池，形成冲击力。此力使熔池底部的熔深加大。（1 1）气体介质）气体介质

18、 导热性好、多原子气体、气压气流量大，均会导热性好、多原子气体、气压气流量大，均会使斑点压力增大，阻碍熔滴过渡使斑点压力增大，阻碍熔滴过渡（大熔滴的形成又阻碍等离子流力的（大熔滴的形成又阻碍等离子流力的形成，更加不利）。形成，更加不利）。如如CO2气保护焊；气保护焊；3、电弧力的主要影响因素、电弧力的主要影响因素（2）电流及电压（弧长）电流及电压（弧长）电流增大，电磁收缩力、等离子流力增大；电流增大，电磁收缩力、等离子流力增大；电压（弧长）增大，电磁收缩力、等离子流力减小电压（弧长）增大，电磁收缩力、等离子流力减小（是弧柱（是弧柱 直径膨胀而致电流密度减小的缘故）直径膨胀而致电流密度减小的缘故

19、）；（4）焊丝（电极）极性）焊丝（电极）极性TIG焊时，钨极接负：焊时，钨极接负：允许流过较大的电流，阴极区收缩的允许流过较大的电流，阴极区收缩的程度大，将形成锥度较大的锥形电弧，产生的轴向推力大，程度大，将形成锥度较大的锥形电弧，产生的轴向推力大，电弧压力也大。反之，钨极接正则电弧压力较小，主要是电弧压力也大。反之，钨极接正则电弧压力较小，主要是因为钨极端部直径较大，同时电弧在钨极上的覆盖面积较因为钨极端部直径较大，同时电弧在钨极上的覆盖面积较大，形成的电磁力和等离子流力小。大，形成的电磁力和等离子流力小。MIG焊时焊丝接负：焊时焊丝接负：熔滴受到正离子的冲击，既有较大的斑熔滴受到正离子的冲

20、击，既有较大的斑点力作用在熔滴上，使熔滴长大，不能顺利过渡，又不能点力作用在熔滴上，使熔滴长大，不能顺利过渡，又不能形成很强的电磁力和等离子流力，因此电弧力小；在焊丝形成很强的电磁力和等离子流力，因此电弧力小；在焊丝接正时所受到的斑点力小，有利于细小的熔滴过渡，有接正时所受到的斑点力小，有利于细小的熔滴过渡，有较大的电磁力和等离子流力，电弧压力较大。较大的电磁力和等离子流力，电弧压力较大。（3）焊丝（焊条）直径）焊丝（焊条）直径 在相同电流下，直径小，电流密度增大，电磁力、等离在相同电流下，直径小，电流密度增大，电磁力、等离子流力加大；子流力加大；（5）钨极端部形状）钨极端部形状 钨极端部的角

21、度为钨极端部的角度为45时，具有最大的电弧压力。时，具有最大的电弧压力。 有时为有时为了对电弧力加以限制，可以把钨极最前端磨出一定尺寸的平台，了对电弧力加以限制，可以把钨极最前端磨出一定尺寸的平台，减小电弧静压力和等离子气流。减小电弧静压力和等离子气流。 当把钨极前端加工成空心形状时当把钨极前端加工成空心形状时(在电弧在电弧激光同心复合能激光同心复合能源中使用源中使用)，电弧压力亦有明显降低。，电弧压力亦有明显降低。脉动电流脉动电流 在电流极性及平均值相同的情在电流极性及平均值相同的情况下，脉冲电流下的电弧压力较况下，脉冲电流下的电弧压力较大，尤其是高频脉冲下较为显大，尤其是高频脉冲下较为显（

22、电（电极端部的导电区半径减小所致）极端部的导电区半径减小所致）。所谓直流电弧是指电弧所谓直流电弧是指电弧(电极电极)极性极性不发生变化的电弧，其最大特点是不发生变化的电弧，其最大特点是稳定性好。根据电流形式的不同，稳定性好。根据电流形式的不同，可以有恒定电流下的直流电弧和变可以有恒定电流下的直流电弧和变动电流下的直流电弧。动电流下的直流电弧。 变动电流下的直流电弧是指焊变动电流下的直流电弧是指焊接电流随时间以某种规律变化着，接电流随时间以某种规律变化着，包括低频脉冲电弧、中等频率脉冲包括低频脉冲电弧、中等频率脉冲电弧、高频脉冲电弧等。按照一定电弧、高频脉冲电弧等。按照一定规律变化的脉动直流电弧

23、在薄件焊规律变化的脉动直流电弧在薄件焊接、特殊材料焊接、焊缝成形控接、特殊材料焊接、焊缝成形控制、焊接热输入量控制、熔滴过渡制、焊接热输入量控制、熔滴过渡控制等方面起到重要作用。控制等方面起到重要作用。六、直流电弧与交流电弧1、直流电弧、直流电弧当电弧两个电极材料不同时，由于电子发射能力的不同，电弧两种极性状态将流过不同的电流值，即在电弧和焊接回路中出现正负半波电流不同的情况，正负半波电流的差值称作直流分量，主要出现在使用普通交流焊机TIG焊接时，其中以铝合金焊接最为突出。 2、交流电弧、交流电弧 交流电弧是指电弧交流电弧是指电弧(电极电极)极性随时间交替变化的电弧，也极性随时间交替变化的电弧

24、，也就是焊接电流方向按照一定的时间间隔变化。就是焊接电流方向按照一定的时间间隔变化。（1）交流电弧的燃烧特点）交流电弧的燃烧特点交流电弧每半个周波极性反转一次，当产生极性转换时，都存在电流过零问题造成电弧不稳定。因此，焊接应用中需要对交流电弧采取稳弧或再引燃措施。当电弧两个电极材料不同时，由于电子当电弧两个电极材料不同时，由于电子发射能力的不同，电弧两种极性状态将流过发射能力的不同，电弧两种极性状态将流过不同的电流值，即在电弧和焊接回路中出现不同的电流值，即在电弧和焊接回路中出现正负半波电流不同的情况，正负半波电流的正负半波电流不同的情况，正负半波电流的差值称作直流分量，主要出现在使用普通交差

25、值称作直流分量，主要出现在使用普通交流焊机流焊机TIG焊接时，其中以铝合金焊接最为焊接时，其中以铝合金焊接最为突出。突出。 （1）交流电弧的燃烧特点）交流电弧的燃烧特点交流电弧每半个周波极性反转一次，当产生极性转换时，交流电弧每半个周波极性反转一次，当产生极性转换时，都存在电流过零问题造成电弧不稳定。因此，焊接应用中需都存在电流过零问题造成电弧不稳定。因此，焊接应用中需要对交流电弧采取稳弧或再引燃措施。要对交流电弧采取稳弧或再引燃措施。交流电弧产热及力的特性交流电弧产热及力的特性目前，在铝合金焊接中，一般都使用特殊的交流目前，在铝合金焊接中，一般都使用特殊的交流电源，比如方波交流电源、逆变式中

26、频交流电源、变电源，比如方波交流电源、逆变式中频交流电源、变极性电源等，可根据需要，人为构造出正负半波不平极性电源等，可根据需要，人为构造出正负半波不平衡电流。衡电流。对于交流对于交流TIG焊电弧，在电极为负的半波，母材作为阳极产焊电弧，在电极为负的半波，母材作为阳极产热量大，电弧的热量约热量大，电弧的热量约70给予了母材，用于母材熔化，同时给予了母材，用于母材熔化，同时电弧燃烧稳定；电弧燃烧稳定； 在电极为正的半波，电极产热量相对较大，容在电极为正的半波，电极产热量相对较大，容易烧损，因而只能在很小的电流下长时间工作，然而此时母材易烧损，因而只能在很小的电流下长时间工作，然而此时母材作为阴极

27、，具有清除表面的氧化膜的作用，能够连续破坏母材作为阴极，具有清除表面的氧化膜的作用，能够连续破坏母材表面上电弧覆盖区域的氧化物。表面上电弧覆盖区域的氧化物。 铝、镁及其合金、铍铜等有色金属的表面存在一层致密的铝、镁及其合金、铍铜等有色金属的表面存在一层致密的氧化膜，熔点很高，阻碍电弧热量传入母材，并且容易造成焊氧化膜，熔点很高，阻碍电弧热量传入母材，并且容易造成焊缝夹渣、气孔等缺陷，所以必须去除材料表面的氧化膜才能实缝夹渣、气孔等缺陷，所以必须去除材料表面的氧化膜才能实现良好的焊接，是交流现良好的焊接，是交流TIG焊成功应用的典范。焊成功应用的典范。交流电弧的应用交流电弧的应用电弧的挺直性电弧

28、的挺直性 (arc stiffness) 电弧挺直性是指电弧作为柔性导体具有抵抗外界干扰、电弧挺直性是指电弧作为柔性导体具有抵抗外界干扰、力求保持焊接电流沿电极轴线方向流动的性能。力求保持焊接电流沿电极轴线方向流动的性能。 电弧挺直性是由自身磁收缩力、等离子流力等赋予的，电弧挺直性是由自身磁收缩力、等离子流力等赋予的，也是流过电极棒中的电流在电弧空间形成的磁力线与电弧电也是流过电极棒中的电流在电弧空间形成的磁力线与电弧电流之间产生的电磁力作用的结果。它流之间产生的电磁力作用的结果。它能保持弧柱轴线与工件能保持弧柱轴线与工件成一定倾角。成一定倾角。（1）自身磁场的作用）自身磁场的作用自身磁场自身

29、磁场：产生收缩力，促使熔滴过渡，加大熔深，：产生收缩力，促使熔滴过渡，加大熔深， 增大电弧刚直性；增大电弧刚直性； 引起磁偏吹、电弧不稳，影响焊缝成形；引起磁偏吹、电弧不稳，影响焊缝成形； 当电弧的挺直性较强时，若电极倾斜，则电弧的指向亦当电弧的挺直性较强时，若电极倾斜，则电弧的指向亦随之倾斜，电弧中心线沿着电极的倾斜方向伸展，电弧宛如随之倾斜，电弧中心线沿着电极的倾斜方向伸展，电弧宛如是在电极轴向上固定的固体棒。是在电极轴向上固定的固体棒。 电弧的挺直性随电流值的增大而增大电弧的挺直性随电流值的增大而增大。电流越大，电弧。电流越大，电弧自身磁场强度越大，电弧越受拘束，电弧的挺直性也就越大。自身磁场强度越大，电弧越受拘束，电弧的挺直性也就越大。此外，电