电弧焊基础学习

第一章焊接电弧基础1焊接电弧的概念电弧是一种气体放电现象，是指两电极存在电位差时，电荷通过两电极之间的气体空间的一种导电现象。2焊接电弧的极性焊接电弧的极性：直流焊接时电弧的两极与电源的连接方式称为电弧的极性。直流正接，正极性直流反接，负极性3第一节焊接电弧机理

一、气体放电与焊接电弧电弧的本质——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。气体放电的表现是带电粒子在气体中流动而形成电流。人们依据电弧放电可以实现能量转换，将电能变为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；产生强烈的光和热；4焊接电弧的导电特性非自持放电自持放电电流最大、电压最低、温度最高、发光最强电弧放电5电弧的伏安特性---------电弧的静特性曲线a）负阻特性b）平特性c）上升特性6二、电弧中的带电粒子中性粒子电离生成电子和正离子；阴极电子发射注入电子；电弧是由少量带电粒子与大量中性粒子构成的导电气体空间，根据带电粒子的多少（电离度）可分为强弱等离子体。弱等离子体——电离度小于1％，主要是电子和中性粒子支配着等离子现象；强等离子体——电离度大于1％，主要是电子和离子支配着等离子现象；普通焊接电弧空间属于弱等离子体，其实效电离度一般在10－3～10－4量级，产生带电粒子的途径：7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，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；

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：

热发射、电场发射、光发射、重粒子撞击发射；8电子逸出功9中性粒子电离电离的型式：

热电离、光电离、电场电离；电离能、电离电压

惰性气体原子的电离电压高，碱性金属原子的电离电压低；混合气体的电离度主要取决于电离电压较低的气体成分。10热电离是由中性粒子的热运动（布朗运动）发生相互碰撞而引发的，多发生于电子与中性粒子之间的非弹性碰撞。

热电离与温度、气体压力、电离电压等因素有关；在热平衡状态下，单一气体的一价热电离度与相关因素的关系可用印度科学家Saha公式（1920年提出）来描述，即可以通过热统计力学计算得到。当给出具体原子后，则：11右图是由上式的计算结果，表明不同气体原子空间在1个大气压下的电离度差异。其中Fe、Al等金属的电离电压较低，在电弧空间更容易被电离，对焊接电弧的电特性有着显著影响。在电离度较低的条件下，如果温度一定，则：压力越低，气体越容易电离。12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定向运动，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。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。

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，带电粒子的复合只在小电流电弧或在交流电弧的稳定性方面产生一定程度的不利影响。

焊接电弧的电离度很低，因而由带电粒子扩散到外围复合所散失的热量并不主要，而中性粒子从电弧空间流散带走的热量才是主要的。13带电粒子通过扩散、复合方式不断消失。电弧稳定“燃烧”时，带电粒子的产生和消失处于动平衡状态。中性粒子可能与电子结合生成负离子，负离子的存在会对电弧稳定性产生不良影响。14三、电弧导电机构1、电弧的构造及电弧电压维持电弧放电的条件：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；U=Ui+Uy+Uz152、电弧各区的导电特点I=Ie+Ii阴极区导电特点：（1）以Fe、Cu、Al等低熔点材料作阴极——冷阴极，又称为电场发射型形成强电场（105～107V/cm）发射电子，产生阴极斑点；高速正离子碰撞阴极产热并发射电子；离子电流占有一定比例；（2）形成等离子区：阴极区长度大、场强较弱，热发射和电场发射都不强；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；16（3）以C、W等高熔点材料作阴极——热阴极，又称热发射型

阴极温度高而产生热电子发射；无阴极斑点，几乎无压降；热发射电子散失热量、正离子进入释放热量，材料电阻产热；在实际焊接电弧中，因电极材料、电弧气氛、电流值的不同，阴极区的导电过程会有很大差异，进而对焊丝熔化效率、熔滴过渡形态、阴极表面清理作用、熔池形状等产生较大影响。17

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；

（2）场强弱、压降低、电阻小，形成强大电子流；

（3）粒子间强烈碰撞产生高温（103～104℃）、热电离；

弧柱区的电场强度高低与气体成分及电流大小有关，显示其导电能力的强弱。18区内正离子的形成有两种方式：电场电离型——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产生正离子；阳极压降较大，产生斑点。

这是小电流焊接条件下的阳极区导电特征；

热电离型——阳极温度高，产生金属蒸汽，金属气体热电离生成正离子；几乎无压降，没有斑点。

这是大电流TIG、MIG焊接条件下的阳极区导电特征；

阳极区的导电特点：阳极区：向弧柱提供小于1％的正离子流；接收来自弧柱区大于99％的电子流；

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阴极斑点：主要形成于电场发射型阴极表面，是电流密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阴极斑点。

斑点特征：

温度高——使阴极材料蒸发；

分散性——可能同时存在几个分离的；

“粘着”性——电弧两极作相对运动时，斑点显示“拖拽”现像；自动选择性——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。利用这一点来清除（蒸发、雾化）Al、Mg合金焊接区的表面氧化膜，可有效提高接头质量（减少焊缝夹杂、改善焊缝成形）。3、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，进而影响接头质量。20阳极斑点：

形成条件——在电场电离型导电机制下，即低熔点、导热性好的阳极材料，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）

斑点特征：面积较弧柱截面小、较阴极斑点的大；温度高——光亮点，可引发热电离；自动选择性——择取弧柱能量（i.E.l）消耗最小处；“粘着”性——阳极移动时，斑点显示“拖拽”现像；跳动性——阳极移动或熔化时，不断择机跳动；

斑点压力：高速射出金属蒸汽的反作用力；高速正离子的撞击力（对阴极斑点）；高速电子的撞击力（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；

斑点压力会阻碍熔滴过渡；21主要为电子（还有很少量正离子）在电场作用下将位能（电场能）转换为热能和动能。其中热能占主体，是电子与其它粒子碰撞产生的，近似值为Ⅰ.E.l；此外还有电子从阴极区带来的动能Ⅰ.UT1和带到阳极的动能Ⅰ.UT2。总体近似为：Ⅰ.E.l+Ⅰ.UT1－Ⅰ.UT2Ⅰ.E代表弧柱单位长度上的产热量，它与弧柱的热散失相平衡。Ⅰ一定时，弧柱的产热是一变数，即E会因热损失大小而变化。当气体种类、压力、周围冷却不同时，会自动调整到一个最小值。四、电弧产热及温度分布焊接电弧的产热来自电源输入电能的转换；电源输入的总能量为：Pa=Ⅰ（UA+UC+UP）该能量在电弧中转换为热能、光能、磁能、机械能。其中热能占绝大部分，并以传导、对流、辐射等形式给予周围气体、阳极和阴极材料，在动态稳定中保持产热和散热的平衡。1、弧柱的产热22产热主体仍为电子的位能（其次还有很小部分来自弧柱区的正离子能），其中部分被消耗于发射电子的逸出功和被电子带到弧柱区的动能。

产热为：PC=Ⅰ（UC–Uw–UT1）PC用于加热阴极（焊丝或工件）及散失。2、阴极区的产热3、阳极区的产热

电子流在阳极产热分为三部分：即阳极区内的电能转换，近似为Ⅰ.UA；从弧柱区带来的动能Ⅰ.UT2

；电子释放的逸出功Ⅰ.Uw；

PA=Ⅰ（UA+UT2

+Uw）PA同样用于加热阳极（焊丝或工件）及散失。23最小能量（电压）原理

——在给定的电流及周边条件情况下，电弧稳定燃烧时，其导电区截面能自动调节使电场强度达到最低值（即电弧电压取最低值），以维持最低的能量消耗。

最低能量（电压）原理描述了一定电流及周边条件下电弧自身保持最低能量消耗的自然属性。

Ⅰ值一定，以E为最小确定其导电截面，这时若外界因素使导电截面增大或缩小，都会导致E的增大。最低能量（电压）原理24焊接电弧的热效率定义为：

η=各种电弧焊方法的η有差异，熔化极弧焊的较高，其中埋弧焊的最高。此外η随弧长的增大而降低。4、焊接电弧的热效率及能量密度加热焊丝、工件的有效功率

电弧的总功率25轴向——两极区低、弧柱区高；径向——中心高、外周低；

两极区温度较低是因为温升受到电极材料熔点和沸点所限制。5、电弧的温度分布影响温度分布的因素：电弧电流；电极斑点；电弧长度；电极材料及尺寸；保护气成分及环境条件；

电弧中靠近电极直径小的一端温度较高，是因弧柱在此处收缩，引起电流密度升高所致。26右图为电弧温度、能量密度、电流密度的轴向分布，其中弧柱区的温度最高，它受到电极材料、气体成分及压力、电流大小等因素的影响；电弧空间金属气电离能高低的影响尤为显著。

电离能高，温度也高27五、电弧力及其影响因素

焊接电弧相当于许多平行的电流导体，各导体中通过同方向的电流，产生吸引力，即磁收缩力。单位长度上受力为：

其中K=u/4π

对于焊接而言，电弧不仅仅是一个加热源，同时也是一个力源。电弧力与焊接中表现出的熔池形态、熔深尺寸、熔滴过渡、焊缝成形等都有密切关系，同时也是不规则焊缝、焊缝缺陷、焊接飞溅形成的直接原因。1、电弧静压力（电磁收缩力）28

如上图，假设焊接电弧为一圆柱导体，通过电流为Ⅰ，且电流线在截面上均匀分布。则在离弧柱中心r处，单位面积上的收缩力为

R——弧柱半径29在弧柱中心r=0处因电弧空间为流体，故收缩力在各方向上相同传递。则，电弧轴向压力的合力（平均压力乘以截面积）为：此力同时作用于焊条（或焊丝）和工件熔池上。因实际电弧为锥体，熔池端较大，产生压力差，熔池上受到压力差引起的推力，大小为：30电弧中的电磁压力差会促使空间内气体向熔池方向流动，形成连续的气流冲向熔池，并且气流的速度分布不同。这种由电弧推力引起高温气流运动所形成的力称为电弧动压力。这种力实质上是由弧柱中气流速度不同所引起的流体压力差形成的，故也称为等离子流力。

电弧动压力大小与电流值、气流强度、电弧长度、电弧形态、电极状态等因素有关。它会对熔池（焊缝）形状、熔滴过渡产生显著影响，如促进射滴过渡、导致T型熔池等。2、电弧动压力（等离子流力）31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：（1）带电粒子的冲击力，在阴极斑点上表现较大；（2）电磁收缩力，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现较大；（3）电极材料蒸发的反作用力，也是在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32等离子流力——促进熔滴过渡斑点（压）力——阴极＞阳极，阻碍熔滴过渡

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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生冲击力。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造成冲击，导致飞溅。爆破力细熔滴冲击力

熔化极射流过渡焊接时，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。34（1）气体介质导热性好、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（大熔滴的形成又阻碍等离子流力的形成，更加不利）。如CO2气保护焊；3、电弧力的主要影响因素35（2）电流及电压（弧长）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（是弧柱直径膨胀而致电流密度减小的缘故）；36（4）焊丝（电极）极性TIG焊时，钨极接负：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，电弧压力也大。反之，钨极接正则形成较小的电弧压力，一是需要使用较粗的钨极，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。MIG焊时焊丝接负：熔滴受到正离子的冲击，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

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；3738（5）钨极端部形状钨极端部的角度为45°时，具有最大的电弧压力。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，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(在电弧—激光同心复合能源中使用)，电弧压力亦有明显降低。3940（6）脉动电流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大，尤其是高频脉冲下较为显（电极端部的导电区半径减小所致）。41

所谓直流电弧是指电弧(电极)极性不发生变化的电弧，其最大特点是稳定性好。根据电流形式的不同，可以有恒定电流下的直流电弧和变动电流下的直流电弧。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，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、焊缝成形控制、焊接热输入量控制、熔滴过渡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42

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、交流电弧交流电弧是指电弧(电极)极性随时间交替变化的电弧，也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。43（2）交流电弧产热及力的特性

交流电弧的产热与电弧力特点居于直流正接与直流反接两者之间，主要是电极的产热有特殊点。由于交流电弧产热及电弧力特点，TIG焊的熔池尺寸也居于直流正极性接法和反极性接法之间。

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衡电流。4445

对于交流TIG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70％给予了母材，用于母材熔化，同时电弧燃烧稳定；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。

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TIG焊成功应用的典范。（3）交流电弧的应用46焊接电弧的静特性是指在一定的电弧长度及稳定的工艺条件下，改变电弧电流数值，电弧达到稳定燃烧状态时所对应的电弧电压曲线。第二节焊接电弧特性一、焊接电弧静特性4748影响电弧静特性的因素：电弧长度；电弧空间气体成分、流量、环境温度；电弧两极材质；焊接电流大小等。4950电弧动特性是指焊接电流随时间以一定形式变化时电弧电压的表现，反映的是电弧导电性能对电流变化的响应能力。直流电弧的动特性是采用一定形式的变动电流进行焊接时的电流—电压关系曲线。变动电流的形式是多种多样的，比如脉冲电流、高频电流、脉动电流等。二、焊接电弧动特性51

高频电弧的维弧电流可以达到零电流值，而电弧仍能够稳定燃烧，其原因就是电弧的温度稳定性和导电性已经处于稳定的状态（电弧空间的等离子体状态跟不上电流的变化而维持不变）。而低频电弧不具备这个能力。

在进行变动电流及波控电流焊接时，需要考虑电弧动特性对工艺的适应能力，采取必要的参数配合。52

惰性气体电弧在工件作为阴极的情况下，阴极斑点跳动，扫除金属表面上的氧化膜，称作电弧阴极清理作用（氧化膜破碎作用）。

阴极清理作用只限于在不含氧化性气氛的高纯度惰性气氛条件下，并且当工件为冷阴极材料时尤为显著。在有色金属（铝材质为代表）的MIG焊接中，通常是以母材作为阴极；而在TIG焊中要利用交流电弧进行焊接，其原因就是要利用阴极的清理作用。三、焊接电弧的阴极清理作用53

阴极清理作用的机理是正离子受阴极电场加速以很高的速度冲击阴极表面．使阴极表面上的氧化膜破碎并消失；另外在通常情况下，氧化物的功函数比纯金属低，阴极斑点会不断地移动寻找新的氧化膜，形成新的阴极斑点，从而将电弧覆盖区内的氧化膜扫除。阴极斑点的清理作用是来自电弧空间正离子对阴极表面的碰撞所造成的，所以使用氩气比使用氦气的清理效果要好，因为氩气的原子质量较大。54电弧的挺直性(arcstiffness)

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。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成一定倾角。四、磁场对电弧的作用（1）自身磁场的作用自身磁场：产生收缩力，促使熔滴过渡，加大熔深，增大电弧刚直性；引起磁偏吹、电弧不稳，影响焊缝成形；55

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，电弧宛如是在电极轴向上固定的固体棒。56

电弧的挺直性随电流值的增大而增大。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。此外，电弧的等离子气流、保护气气流、周围气流的冷却作用，也有助于电弧挺直性的提高。保护气种类影响电弧的挺直性．如CO2、H2、He等气氛均有利于提高电弧挺直性。

利用电弧挺直性这一特性，在高速焊和全位置焊时，电极倾斜，电弧亦随之倾斜，可以得到所希望的焊缝成形，这在实际中已有广泛应用。57电弧的磁偏吹

磁偏吹——

磁场不对称使电弧偏离电极轴线的现象。

原因：弧柱中电流密度不对称

→

磁力线分布不对称→电弧周围的磁收缩力不对称→弧柱偏离轴线（偏向磁力线稀薄的一侧）；引起磁偏吹的工艺因素：导线连接位置；电弧附近的铁磁物质；电弧处于工件端部；两个平行电弧；

在同等工艺条件下，交流电弧的磁偏吹较直流的弱。5859避免或削弱磁偏吹的措施：尽可能采用交流弧焊电源；用短弧操作；大工件采取焊缝两侧接地线；削除工件剩磁及周围铁磁体；用厚皮焊条代替薄皮焊条（厚皮放气多，增大电弧刚性）；60（2）外加磁场的作用外加磁场——在电弧周围人为设置特定方向的磁场，以产生特定的效果。作用：控制电弧形态满足特殊的焊接工艺要求；控制熔池流动及结晶，改善焊缝成形、细化晶粒；外加横向交流磁场：使电弧产生微弱摆动，加热区增宽、熔深减小，常用于薄板焊、表面堆焊；外加纵向磁场：限制弧柱扩张，使电弧能量集中，增大熔深；外加尖角形磁场：可使弧柱截面变成椭圆形、电弧热量集中在焊缝中心；61电弧焊中保护气的作用：向电弧空间提供气体介质；保护电弧、保护电极、保护被焊件(焊接区整体)，避免上述部分受到大气的侵蚀。

气体在电弧的高温区不可避免地发生分解、溶解扩散进入高温金