第三節 焊接電弧基本知識

一、電弧的物理基礎

電弧是一種氣體放電現象，它是帶電粒子通過兩電極之間氣體電離后的一種導電過程。要使兩電極之間的氣體導電，必須具備兩個條件：一是兩電極之間有帶電粒子；二是兩電極之間有電場。帶電粒子在電場作用下運動，形成電流，從而使兩極之間形成電弧。

（一）帶電粒子的產生

一般情況下，氣體分子和原子都處于電中性狀態，因此不能導電，是良好的絕緣體。采用一定的物理方法可使兩個電極間的氣體產生帶電粒子，帶電粒子可以形成電弧放電。兩電極之間的氣體產生帶電粒子的途徑有氣體電離和陰極電子發射。

1．氣體電離

氣體電離在外加能量的作用下，中性的氣體分子或原子分離成電子和正離子的過程稱為氣體的電離。其實質是中性氣體粒子（分子或原子）吸收足夠的外部能量，使得分子或原子的外層電子脫離原子核的束縛而成為自由電子和正離子的過程。

根據外加能量來源的不同，氣體電離有以下幾種方式：

（1）熱電離。氣體粒子因受熱作用而產生的電離稱為熱電離。其實質是由于氣體粒子的熱運動形成頻繁激烈的碰撞而產生的一種電離過程。溫度越高，熱電離的作用越大。

（2）場致電離。在兩電極間的電場作用下，氣體中的帶電粒子被加速。當帶電粒子的動能達到一定數值時，有可能與中性粒子發生碰撞而使之產生電離，這種電離稱為場致電離。在電弧的兩個極區，電場強度達105～107V/cm時，場致電離現象明顯。

（3）光電離。中性氣體粒子受到光輻射的作用而產生的電離稱為光電離。光電離只是電弧中產生帶電粒子的一種次要途徑。

2．陰極電子發射

電子發射是電弧獲得帶電粒子的另一個主要途徑。陰極表面受到一定的外加能量作用時，電子從陰極表面逸出的過程稱為電子發射。電子逸出金屬表面需要吸收一定的能量，根據吸收能量的種類不同，電子發射可分為以下幾種形式：

（1）熱電子發射。陰極表面因受熱作用而產生的電子發射過程稱為熱電子發射。陰極表面溫度越高，電子發射能力越強。當采用高沸點的鎢或碳作陰極時，電極可被加熱到很高的溫度（一般可達3500K以上），此時，熱電子發射是為電弧提供電子的主要途徑。

（2）場致電子發射。當陰極表面空間存在一定強度的正電場時，金屬內部的電子將受到電場力的作用，當此力達到一定程度時，電子便會逸出金屬表面，這種電子發射現象稱為場致電子發射。電場強度越大，場致電子發射的能力越強。當采用鋼、銅、鋁等低沸點材料作陰極時，陰極加熱溫度受材料沸點限制不可能很高，熱電子發射能力較弱，此時向電弧提供電子的主要方式是場致電子發射。

（3）粒子撞擊電子發射。當運動速度較高、能量較大的粒子（主要是正離子）碰撞陰極表面時，將能量傳遞給陰極表面的電子而產生的電子發射現象稱為粒子撞擊電子發射。電場強度越大，陽離子的運動速度就越快，撞擊電子發射的作用也就越激烈。在一定條件下，這種電子發射形式也是焊接電弧陰極區提供導電粒子的主要途徑。

（4）光發射。當陰極表面受到光輻射作用時，陰極內的自由電子能量達到一定程度而逸出陰極表面的現象稱為光發射。光發射在陰極電子發射中居次要地位。

在電弧焊中，電弧氣氛中的帶電粒子一方面由電離產生，另一方面則由陰極電子發射獲得。兩者都是保證電弧產生與維持所不可缺少的。

（二）焊接電弧的構造

電弧中氣體放電現象的主要特點是電流大（從幾安到幾千安），而兩極間的電壓低（只有十幾伏至幾十伏）。通過這種氣體放電，電弧能有效而簡便地把弧焊電源輸送的電能轉換成焊接過程所需要的熱能和機械能，同時產生強烈的弧光。

電弧沿長度方向的電場強度（電壓降）分布如圖1-4所示。由圖1-4可見，沿電弧長度方向的電場強度分布并不均勻。按電場強度分布的特點可將電弧分為三個區域：陰極附近的區域為陰極區，其電壓稱為陰極電壓降；中間部分為弧柱區，其電壓稱為弧柱電壓降；陽極附近的區域為陽極區，其電壓稱為陽極電壓降。陽極區和陰極區占整個電弧長度的尺寸皆很小，約為10-6～10-2cm，故可近似認為弧柱長度即電弧長度。電弧的這種不均勻的電場強度分布，說明電弧各區域的電阻是不同的，即電弧電阻是非線性的。

（1）陰極區。電弧緊靠負電極的區域為陰極區。陰極區有兩方面的作用：一方面向弧柱區提供電弧導電所需的電子流，另一方面接收由弧柱送來的正離子流。由于電極材料的種類及工作條件（電流大小、氣體介質等因素）不同，陰極壓降有較大差別。一般采用鎢、碳等高沸點材料作陰極（熱陰極）且焊接電流較大時，陰極壓降較小；采用鋼、銅、鋁等低沸點材料作陰極（冷陰極）或焊接電流較小時，陰極壓降較大。陰極表面通常可以觀察到發出爍亮的區域，這個區域稱為陰極斑點。由于金屬氧化物的逸出功比純金屬低，容易發射電子，因而陰極斑點自動移向有氧化物的地方，所以陰極斑點有清除氧化物的作用。

（2）陽極區。電弧緊靠正電極的區域為陽極區，陽極區較陰極區寬。陽極區的主要作用是接收弧柱送來的電子流，同時向弧柱提供所需要的正離子流。在陽極的表面也有一個明亮的斑點，稱為陽極斑點。它是由電子撞擊陽極表面而形成的，是集中接收電子的微小區域，它總是自動移向有純金屬的地方。

（3）弧柱區。在陰極區和陽極區之間的區域稱為弧柱區。由于陰極區和陽極區都很窄，故弧柱的長度就可以近似認為是電弧的長度。弧柱區充滿了電子、正離子、負離子、中性的氣體分子和原子，并伴隨著激烈的電離反應。其熱量大部分通過對流、輻射散失到周圍的空氣中。

（三）電弧電壓和弧長的關系

電弧電壓由陰極電壓降、陽極電壓降和弧柱電壓降三部分組成。在電極材料和氣體介質一定的情況下，陰極和陽極電壓降基本上是固定的數值，而弧柱電壓降在一定的氣體介質條件下和弧柱的長度（實際上是電弧長度）成正比。所以，當電弧拉長時，電弧電壓升高；反之，電弧電壓降低。

（四）焊接電弧的引弧方式

兩電極間氣體發生電離和陰極電子發射而引起電弧燃燒的過程稱為焊接電弧的引弧（或引燃）。焊接電弧的引弧一般有兩種方式：接觸引弧和非接觸引弧。弧焊電源接通后，電極（焊條或焊絲）與工件直接短路接觸，隨后拉起電極，使電弧引燃，這種引弧方式稱為接觸引弧，它是一種最常用的引弧方式。

接觸引弧如圖1-5所示。當電極與工件短路接觸時，由于電極和工件表面都不是絕對平整的，所以只是在少數凸點上接觸，并在接觸點處形成很大的短路電流，產生大量的電阻熱，使電極金屬表面發熱、熔化，甚至氣化，引起熱發射和氣體的熱電離。隨后，在拉開電極的瞬間，電源電壓作用在這小間隙上形成很強的電場，引起場致電子發射；同時，又使已產生的帶電粒子加速、互相碰撞，引起撞擊電子發射。最后在上述因素的作用下引燃電弧。焊條電弧焊和熔化極氣體保護焊都采用這種引弧方式。

非接觸引弧時，電極與工件之間保持一定間隙，然后在電極與工件之間施以高頻電壓或高壓脈沖而擊穿間隙，使電弧引燃。這種引弧方式主要應用于鎢極氬弧焊和等離子弧焊。引弧時，電極不必與工件接觸，這樣不僅不會污染工件上的引弧點，而且也不會損壞電極端部的幾何形狀，有利于電弧的穩定燃燒。

二、電弧的特性

（一）電弧的靜特性

在電極材料、氣體介質和弧長一定的情況下，電弧穩定燃燒時，焊接電流和電弧電壓變化的關系稱為電弧的靜特性。

電弧的靜特性用曲線表示，便是電弧靜特性曲線，如圖1-6所示。電弧靜特性曲線呈U形，可分為三個不同的區域：當電流較小時（ab區），電弧的靜特性屬于下降特性區，即隨著電流的增加，電壓減小；當電流稍大時（bc區），電弧的靜特性屬于水平特性區，也就是當電流變化時，電壓幾乎不變；當電流較大時（cd區），電弧的靜特性屬于上升特性區，即電壓隨電流的增加而升高。

電弧靜特性曲線雖然有三個不同區域，但對不同的焊接方法，在一定的條件下，其靜特性曲線只處于曲線的某一區域。例如，小電流鎢極氬弧焊、微束等離子弧焊以及脈沖氬弧焊中的“維弧”狀態，通常使用電弧靜特性的下降段；對于焊條電弧焊、埋弧焊、非熔化極氣體保護焊，多半工作在電弧靜特性的水平段；對于細絲大電流自動CO2焊、等離子弧焊，則通常工作在電弧靜特性的上升段。因此，不同的焊接方法對焊機的電流提出了特殊的要求。

（二）電弧的熱能特性

電弧可以看作是一個把電能轉換成熱能的柔性導體，電弧熱是電弧焊的主要熱源。由于電弧三個區域的導電特性不同，因而其產熱特性也不同。

1．電弧的產熱

（1）弧柱的產熱。弧柱是帶電粒子的通道。在這個通道中，帶電粒子在外加電場的作用下運動，并頻繁而激烈地碰撞，在碰撞過程中帶電粒子達到高溫狀態，把電能轉換成熱能。一般電弧焊時，弧柱產生的熱能通過對流、傳導與輻射方式的損失占90%以上，僅剩很少一部分能量通過輻射傳給焊絲和工件。當電流較大而有等離子流產生時，等離子流可把弧柱的一部分熱量帶給工件，從而增加工件的熱量。

（2）陰極區的產熱。與弧柱區相比，陰極區的長度很短，且靠近電極或工件（由接線方法決定）。陰極區產生的熱能可被用來加熱填充材料或工件，所以直接影響焊絲的熔化或工件的加熱。

（3）陽極區的產熱。陽極區的電流由電子流和正離子流兩部分組成，因正離子流所占比例很小，陽極區的產熱主要是電子流的能量轉換效應。所產熱量主要用于對陽極的加熱。在焊接過程中，這部分能量也可用于加熱填充材料或工件。

2．焊接電弧的溫度分布

焊接電弧中，軸向三個區域的溫度分布是不均勻的。陰極區和陽極區的溫度較低，弧柱區溫度較高。陰極區、陽極區的溫度因焊接方法的不同而有所差別，如表1-1所示。

由于直流電弧焊時，焊接電弧正、負極上的熱量不同，所以采用直流電源時有正接和反接之分。例如，對于焊條電弧焊，直流正接時焊件接電源正極，此時焊件獲得熱量多，溫度高，熔池深，易焊透，適于焊厚件；直流反接時焊件接電源負極，此時焊件獲得熱量少，溫度低，熔池淺，不易燒穿，適于焊薄件。

如果焊接時使用交流電焊設備，因電流每秒鐘正負變換達100次，兩極加熱一樣，不存在正接和反接的問題。

電弧徑向溫度分布的特點是：弧柱區軸線溫度最高，沿徑向由中心至周圍溫度逐漸降低，如圖1-7所示。因此，在電弧加熱作用下，焊接熔池的中心溫度高，四周溫度快速降低。這在焊接操作中對熔池的控制將產生重要影響。

（三）電弧的力學特性

在焊接過程中，電弧的機械能是以電弧力的形式表現出來的。電弧力不僅直接影響工件的熔深及熔滴過渡，而且也影響到熔池的攪拌、焊縫成形及金屬飛濺等，因此，對電弧力的利用和控制將直接影響焊縫質量。電弧力主要包括電磁收縮力、等離子流力、斑點力等。

（1）電磁收縮力。由電工學可知，當電流流過相距不遠的兩根平行導線時，如果電流方向相同，則產生相互吸引力。當電流流過電弧時，可看成是由許多相距很近的平行同向的電流線組成，這些電流線之間將產生相互吸引力，即電磁收縮力。

電磁收縮力在電弧中首先表現為電弧內的徑向壓力，引起電弧直徑收縮，可束縛弧柱的擴展，使弧柱能量更集中，并使電弧更具挺直性。另外，由于焊接電弧可看成是一圓錐形的氣態導體，電極端直徑小，工件端直徑大，從而形成由小直徑端（電極端）指向大直徑端（工件端）的電弧軸向推力，稱為電磁靜壓力；焊接時，表現為對熔池的壓力，促使形成碗狀熔深焊縫，同時也對熔池產生攪拌作用，有利于細化晶粒，排出氣體及熔渣，使焊縫的質量得到提高。

（2）等離子流力。焊接電弧呈圓錐狀，使電磁收縮力形成了軸向推力，在此推力作用下，將靠近電極處的高溫氣體推向工件方向而產生流動，并從電極上方補充新的氣體，形成有一定速度的連續氣流而進入電弧區。新加入的氣體被加熱和部分電離后，受軸向推力作用繼續沖向工件，對熔池形成附加的壓力。這種由高溫氣流（等離子氣流）的高速運動而引起的力稱為等離子流力，也稱為電弧的電磁動壓力。

等離子流力可進一步增大電弧的挺直性，且在熔化極電弧焊時促進熔滴的軸向過渡，增大熔深，并對熔池形成攪拌作用。

（3）斑點力。電極上形成斑點時，由于斑點處受到帶電粒子的撞擊或金屬蒸發的反作用而對斑點產生壓力，稱為斑點壓力或斑點力。

（四）焊接電弧的偏吹

在正常情況下，電弧的軸線總是沿著電極中心線的方向，然而，電弧是由氣體電離構成的柔性導體，因此，受外力作用時，容易發生偏擺。使電弧中心偏離電極軸線的現象稱為電弧的偏吹。電弧偏吹使電弧燃燒不穩定，影響焊縫成形和焊接質量。造成電弧偏吹的主要原因有以下幾種。

1．焊條偏心度過大

焊條偏心度是指焊條藥皮沿焊芯直徑方向偏心的程度。若焊條因制造工藝不當產生偏心，在焊接時，電弧燃燒后藥皮熔化不均，電弧將偏向藥皮薄的一側形成偏吹。所以，為防止由此引起電弧偏吹，焊條的偏心度應符合國家標準的規定。

2．氣流的干擾

在室外進行焊接作業時，電弧周圍氣體的流動會把電弧吹向一側而造成偏吹。因此，在氣流中進行焊接作業時，電弧周圍應有擋風裝置；進行管道焊接作業時，應防止管內有較大的氣流出現。

3．磁偏吹

進行直流電弧焊時，電弧因受到焊接回路所產生的電磁力作用而產生的電弧偏吹稱為磁偏吹。引起磁偏吹的主要原因如下：

（1）接地線位置不正確。焊接時，由于接地線位置不正確，使電弧周圍的磁場強度分布不均，從而造成電弧的偏吹，如圖1-8（a）所示。在進行直流電焊接時，除了在電弧周圍產生自身磁場外，通過焊件的電流也會在空間產生磁場。導線接在焊件左側，則焊件左側是兩個磁場疊加，而焊件右側為單一磁場，電弧兩側的磁場分布失去平衡，因此，磁力線密度大的左側對電弧產生推力，使電弧偏離軸線向右側傾斜，即向右偏吹；反之，將向左偏吹。焊接中可采用改變焊件上接地線的部位，盡可能使弧柱周圍的磁力線均勻分布；也可采用調低焊接電流，或在操作中適當調節焊條角度，使焊條向偏吹一側傾斜等方法，以減小磁偏吹的影響。

（2）鐵磁物質。由于鐵磁物質的導磁能力遠遠大于空氣，因此，當焊接電弧周圍有鐵磁物質存在時（如焊接T形接頭角焊縫），如圖1-8（b）所示，在靠近鐵磁體一側的磁力線大部分都通過鐵磁體形成封閉的曲線，使電弧與鐵磁體之間的磁力線變得稀疏，而電弧另一側顯得密集，因此，電弧就向鐵磁體一側偏吹。

（3）焊條與焊件的位置不對稱。當在焊件邊緣處進行焊接時（如始焊或終焊處），由于焊條與焊件的位置不對稱，造成電弧周圍的磁場分布不均衡，再加上熱對流作用，便產生了電弧偏吹，如圖1-8（c）所示。可采用在焊縫兩端各加一小塊附加鋼板（引弧板、引出板）的方法減小磁偏吹的影響。