第三节 焊接电弧基本知识

一、电弧的物理基础

电弧是一种气体放电现象，它是带电粒子通过两电极之间气体电离后的一种导电过程。要使两电极之间的气体导电，必须具备两个条件：一是两电极之间有带电粒子；二是两电极之间有电场。带电粒子在电场作用下运动，形成电流，从而使两极之间形成电弧。

（一）带电粒子的产生

一般情况下，气体分子和原子都处于电中性状态，因此不能导电，是良好的绝缘体。采用一定的物理方法可使两个电极间的气体产生带电粒子，带电粒子可以形成电弧放电。两电极之间的气体产生带电粒子的途径有气体电离和阴极电子发射。

1．气体电离

气体电离在外加能量的作用下，中性的气体分子或原子分离成电子和正离子的过程称为气体的电离。其实质是中性气体粒子（分子或原子）吸收足够的外部能量，使得分子或原子的外层电子脱离原子核的束缚而成为自由电子和正离子的过程。

根据外加能量来源的不同，气体电离有以下几种方式：

（1）热电离。气体粒子因受热作用而产生的电离称为热电离。其实质是由于气体粒子的热运动形成频繁激烈的碰撞而产生的一种电离过程。温度越高，热电离的作用越大。

（2）场致电离。在两电极间的电场作用下，气体中的带电粒子被加速。当带电粒子的动能达到一定数值时，有可能与中性粒子发生碰撞而使之产生电离，这种电离称为场致电离。在电弧的两个极区，电场强度达105～107V/cm时，场致电离现象明显。

（3）光电离。中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电离称为光电离。光电离只是电弧中产生带电粒子的一种次要途径。

2．阴极电子发射

电子发射是电弧获得带电粒子的另一个主要途径。阴极表面受到一定的外加能量作用时，电子从阴极表面逸出的过程称为电子发射。电子逸出金属表面需要吸收一定的能量，根据吸收能量的种类不同，电子发射可分为以下几种形式：

（1）热电子发射。阴极表面因受热作用而产生的电子发射过程称为热电子发射。阴极表面温度越高，电子发射能力越强。当采用高沸点的钨或碳作阴极时，电极可被加热到很高的温度（一般可达3500K以上），此时，热电子发射是为电弧提供电子的主要途径。

（2）场致电子发射。当阴极表面空间存在一定强度的正电场时，金属内部的电子将受到电场力的作用，当此力达到一定程度时，电子便会逸出金属表面，这种电子发射现象称为场致电子发射。电场强度越大，场致电子发射的能力越强。当采用钢、铜、铝等低沸点材料作阴极时，阴极加热温度受材料沸点限制不可能很高，热电子发射能力较弱，此时向电弧提供电子的主要方式是场致电子发射。

（3）粒子撞击电子发射。当运动速度较高、能量较大的粒子（主要是正离子）碰撞阴极表面时，将能量传递给阴极表面的电子而产生的电子发射现象称为粒子撞击电子发射。电场强度越大，阳离子的运动速度就越快，撞击电子发射的作用也就越激烈。在一定条件下，这种电子发射形式也是焊接电弧阴极区提供导电粒子的主要途径。

（4）光发射。当阴极表面受到光辐射作用时，阴极内的自由电子能量达到一定程度而逸出阴极表面的现象称为光发射。光发射在阴极电子发射中居次要地位。

在电弧焊中，电弧气氛中的带电粒子一方面由电离产生，另一方面则由阴极电子发射获得。两者都是保证电弧产生与维持所不可缺少的。

（二）焊接电弧的构造

电弧中气体放电现象的主要特点是电流大（从几安到几千安），而两极间的电压低（只有十几伏至几十伏）。通过这种气体放电，电弧能有效而简便地把弧焊电源输送的电能转换成焊接过程所需要的热能和机械能，同时产生强烈的弧光。

电弧沿长度方向的电场强度（电压降）分布如图1-4所示。由图1-4可见，沿电弧长度方向的电场强度分布并不均匀。按电场强度分布的特点可将电弧分为三个区域：阴极附近的区域为阴极区，其电压称为阴极电压降；中间部分为弧柱区，其电压称为弧柱电压降；阳极附近的区域为阳极区，其电压称为阳极电压降。阳极区和阴极区占整个电弧长度的尺寸皆很小，约为10-6～10-2cm，故可近似认为弧柱长度即电弧长度。电弧的这种不均匀的电场强度分布，说明电弧各区域的电阻是不同的，即电弧电阻是非线性的。

（1）阴极区。电弧紧靠负电极的区域为阴极区。阴极区有两方面的作用：一方面向弧柱区提供电弧导电所需的电子流，另一方面接收由弧柱送来的正离子流。由于电极材料的种类及工作条件（电流大小、气体介质等因素）不同，阴极压降有较大差别。一般采用钨、碳等高沸点材料作阴极（热阴极）且焊接电流较大时，阴极压降较小；采用钢、铜、铝等低沸点材料作阴极（冷阴极）或焊接电流较小时，阴极压降较大。阴极表面通常可以观察到发出烁亮的区域，这个区域称为阴极斑点。由于金属氧化物的逸出功比纯金属低，容易发射电子，因而阴极斑点自动移向有氧化物的地方，所以阴极斑点有清除氧化物的作用。

（2）阳极区。电弧紧靠正电极的区域为阳极区，阳极区较阴极区宽。阳极区的主要作用是接收弧柱送来的电子流，同时向弧柱提供所需要的正离子流。在阳极的表面也有一个明亮的斑点，称为阳极斑点。它是由电子撞击阳极表面而形成的，是集中接收电子的微小区域，它总是自动移向有纯金属的地方。

（3）弧柱区。在阴极区和阳极区之间的区域称为弧柱区。由于阴极区和阳极区都很窄，故弧柱的长度就可以近似认为是电弧的长度。弧柱区充满了电子、正离子、负离子、中性的气体分子和原子，并伴随着激烈的电离反应。其热量大部分通过对流、辐射散失到周围的空气中。

（三）电弧电压和弧长的关系

电弧电压由阴极电压降、阳极电压降和弧柱电压降三部分组成。在电极材料和气体介质一定的情况下，阴极和阳极电压降基本上是固定的数值，而弧柱电压降在一定的气体介质条件下和弧柱的长度（实际上是电弧长度）成正比。所以，当电弧拉长时，电弧电压升高；反之，电弧电压降低。

（四）焊接电弧的引弧方式

两电极间气体发生电离和阴极电子发射而引起电弧燃烧的过程称为焊接电弧的引弧（或引燃）。焊接电弧的引弧一般有两种方式：接触引弧和非接触引弧。弧焊电源接通后，电极（焊条或焊丝）与工件直接短路接触，随后拉起电极，使电弧引燃，这种引弧方式称为接触引弧，它是一种最常用的引弧方式。

接触引弧如图1-5所示。当电极与工件短路接触时，由于电极和工件表面都不是绝对平整的，所以只是在少数凸点上接触，并在接触点处形成很大的短路电流，产生大量的电阻热，使电极金属表面发热、熔化，甚至气化，引起热发射和气体的热电离。随后，在拉开电极的瞬间，电源电压作用在这小间隙上形成很强的电场，引起场致电子发射；同时，又使已产生的带电粒子加速、互相碰撞，引起撞击电子发射。最后在上述因素的作用下引燃电弧。焊条电弧焊和熔化极气体保护焊都采用这种引弧方式。

非接触引弧时，电极与工件之间保持一定间隙，然后在电极与工件之间施以高频电压或高压脉冲而击穿间隙，使电弧引燃。这种引弧方式主要应用于钨极氩弧焊和等离子弧焊。引弧时，电极不必与工件接触，这样不仅不会污染工件上的引弧点，而且也不会损坏电极端部的几何形状，有利于电弧的稳定燃烧。

二、电弧的特性

（一）电弧的静特性

在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧时，焊接电流和电弧电压变化的关系称为电弧的静特性。

电弧的静特性用曲线表示，便是电弧静特性曲线，如图1-6所示。电弧静特性曲线呈U形，可分为三个不同的区域：当电流较小时（ab区），电弧的静特性属于下降特性区，即随着电流的增加，电压减小；当电流稍大时（bc区），电弧的静特性属于水平特性区，也就是当电流变化时，电压几乎不变；当电流较大时（cd区），电弧的静特性属于上升特性区，即电压随电流的增加而升高。

电弧静特性曲线虽然有三个不同区域，但对不同的焊接方法，在一定的条件下，其静特性曲线只处于曲线的某一区域。例如，小电流钨极氩弧焊、微束等离子弧焊以及脉冲氩弧焊中的“维弧”状态，通常使用电弧静特性的下降段；对于焊条电弧焊、埋弧焊、非熔化极气体保护焊，多半工作在电弧静特性的水平段；对于细丝大电流自动CO2焊、等离子弧焊，则通常工作在电弧静特性的上升段。因此，不同的焊接方法对焊机的电流提出了特殊的要求。

（二）电弧的热能特性

电弧可以看作是一个把电能转换成热能的柔性导体，电弧热是电弧焊的主要热源。由于电弧三个区域的导电特性不同，因而其产热特性也不同。

1．电弧的产热

（1）弧柱的产热。弧柱是带电粒子的通道。在这个通道中，带电粒子在外加电场的作用下运动，并频繁而激烈地碰撞，在碰撞过程中带电粒子达到高温状态，把电能转换成热能。一般电弧焊时，弧柱产生的热能通过对流、传导与辐射方式的损失占90%以上，仅剩很少一部分能量通过辐射传给焊丝和工件。当电流较大而有等离子流产生时，等离子流可把弧柱的一部分热量带给工件，从而增加工件的热量。

（2）阴极区的产热。与弧柱区相比，阴极区的长度很短，且靠近电极或工件（由接线方法决定）。阴极区产生的热能可被用来加热填充材料或工件，所以直接影响焊丝的熔化或工件的加热。

（3）阳极区的产热。阳极区的电流由电子流和正离子流两部分组成，因正离子流所占比例很小，阳极区的产热主要是电子流的能量转换效应。所产热量主要用于对阳极的加热。在焊接过程中，这部分能量也可用于加热填充材料或工件。

2．焊接电弧的温度分布

焊接电弧中，轴向三个区域的温度分布是不均匀的。阴极区和阳极区的温度较低，弧柱区温度较高。阴极区、阳极区的温度因焊接方法的不同而有所差别，如表1-1所示。

由于直流电弧焊时，焊接电弧正、负极上的热量不同，所以采用直流电源时有正接和反接之分。例如，对于焊条电弧焊，直流正接时焊件接电源正极，此时焊件获得热量多，温度高，熔池深，易焊透，适于焊厚件；直流反接时焊件接电源负极，此时焊件获得热量少，温度低，熔池浅，不易烧穿，适于焊薄件。

如果焊接时使用交流电焊设备，因电流每秒钟正负变换达100次，两极加热一样，不存在正接和反接的问题。

电弧径向温度分布的特点是：弧柱区轴线温度最高，沿径向由中心至周围温度逐渐降低，如图1-7所示。因此，在电弧加热作用下，焊接熔池的中心温度高，四周温度快速降低。这在焊接操作中对熔池的控制将产生重要影响。

（三）电弧的力学特性

在焊接过程中，电弧的机械能是以电弧力的形式表现出来的。电弧力不仅直接影响工件的熔深及熔滴过渡，而且也影响到熔池的搅拌、焊缝成形及金属飞溅等，因此，对电弧力的利用和控制将直接影响焊缝质量。电弧力主要包括电磁收缩力、等离子流力、斑点力等。

（1）电磁收缩力。由电工学可知，当电流流过相距不远的两根平行导线时，如果电流方向相同，则产生相互吸引力。当电流流过电弧时，可看成是由许多相距很近的平行同向的电流线组成，这些电流线之间将产生相互吸引力，即电磁收缩力。

电磁收缩力在电弧中首先表现为电弧内的径向压力，引起电弧直径收缩，可束缚弧柱的扩展，使弧柱能量更集中，并使电弧更具挺直性。另外，由于焊接电弧可看成是一圆锥形的气态导体，电极端直径小，工件端直径大，从而形成由小直径端（电极端）指向大直径端（工件端）的电弧轴向推力，称为电磁静压力；焊接时，表现为对熔池的压力，促使形成碗状熔深焊缝，同时也对熔池产生搅拌作用，有利于细化晶粒，排出气体及熔渣，使焊缝的质量得到提高。

（2）等离子流力。焊接电弧呈圆锥状，使电磁收缩力形成了轴向推力，在此推力作用下，将靠近电极处的高温气体推向工件方向而产生流动，并从电极上方补充新的气体，形成有一定速度的连续气流而进入电弧区。新加入的气体被加热和部分电离后，受轴向推力作用继续冲向工件，对熔池形成附加的压力。这种由高温气流（等离子气流）的高速运动而引起的力称为等离子流力，也称为电弧的电磁动压力。

等离子流力可进一步增大电弧的挺直性，且在熔化极电弧焊时促进熔滴的轴向过渡，增大熔深，并对熔池形成搅拌作用。

（3）斑点力。电极上形成斑点时，由于斑点处受到带电粒子的撞击或金属蒸发的反作用而对斑点产生压力，称为斑点压力或斑点力。

（四）焊接电弧的偏吹

在正常情况下，电弧的轴线总是沿着电极中心线的方向，然而，电弧是由气体电离构成的柔性导体，因此，受外力作用时，容易发生偏摆。使电弧中心偏离电极轴线的现象称为电弧的偏吹。电弧偏吹使电弧燃烧不稳定，影响焊缝成形和焊接质量。造成电弧偏吹的主要原因有以下几种。

1．焊条偏心度过大

焊条偏心度是指焊条药皮沿焊芯直径方向偏心的程度。若焊条因制造工艺不当产生偏心，在焊接时，电弧燃烧后药皮熔化不均，电弧将偏向药皮薄的一侧形成偏吹。所以，为防止由此引起电弧偏吹，焊条的偏心度应符合国家标准的规定。

2．气流的干扰

在室外进行焊接作业时，电弧周围气体的流动会把电弧吹向一侧而造成偏吹。因此，在气流中进行焊接作业时，电弧周围应有挡风装置；进行管道焊接作业时，应防止管内有较大的气流出现。

3．磁偏吹

进行直流电弧焊时，电弧因受到焊接回路所产生的电磁力作用而产生的电弧偏吹称为磁偏吹。引起磁偏吹的主要原因如下：

（1）接地线位置不正确。焊接时，由于接地线位置不正确，使电弧周围的磁场强度分布不均，从而造成电弧的偏吹，如图1-8（a）所示。在进行直流电焊接时，除了在电弧周围产生自身磁场外，通过焊件的电流也会在空间产生磁场。导线接在焊件左侧，则焊件左侧是两个磁场叠加，而焊件右侧为单一磁场，电弧两侧的磁场分布失去平衡，因此，磁力线密度大的左侧对电弧产生推力，使电弧偏离轴线向右侧倾斜，即向右偏吹；反之，将向左偏吹。焊接中可采用改变焊件上接地线的部位，尽可能使弧柱周围的磁力线均匀分布；也可采用调低焊接电流，或在操作中适当调节焊条角度，使焊条向偏吹一侧倾斜等方法，以减小磁偏吹的影响。

（2）铁磁物质。由于铁磁物质的导磁能力远远大于空气，因此，当焊接电弧周围有铁磁物质存在时（如焊接T形接头角焊缝），如图1-8（b）所示，在靠近铁磁体一侧的磁力线大部分都通过铁磁体形成封闭的曲线，使电弧与铁磁体之间的磁力线变得稀疏，而电弧另一侧显得密集，因此，电弧就向铁磁体一侧偏吹。

（3）焊条与焊件的位置不对称。当在焊件边缘处进行焊接时（如始焊或终焊处），由于焊条与焊件的位置不对称，造成电弧周围的磁场分布不均衡，再加上热对流作用，便产生了电弧偏吹，如图1-8（c）所示。可采用在焊缝两端各加一小块附加钢板（引弧板、引出板）的方法减小磁偏吹的影响。