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模块二
焊接电弧
【应知应会目标】
1．了解焊接电弧的概念，产生条件和气体电离的基本知识；
2．掌握焊接电弧的引燃，各种焊接方法的静特性曲线；
3．掌握焊接电弧的组成及温度分布。
【知识链接】
到目前为止电弧是所有焊接方法的能源，电弧焊所以能在焊接领域中占据着主要地位，一个主要的原因就是电弧能有效而简便地把电能转化为焊接过程所需要的热能。电弧焊就是利用它的热能来熔化填充金属和母材的，因此焊接时电弧的稳定性及热特性等性质对焊接质量有着直接的影响。
项目1 焊接电弧的引燃及主要特性
一、焊接电弧的概念
焊接电弧是一种气体放电现象，它与日常所见的气体放电现象（如拉合电源刀开关时产生的火花）有所不同。焊接电弧不仅能量大，而且持续稳定，因此我们将由焊接电源供给的具有一定电压的两电极间或电极与焊件间的气体介质中，产生的强烈而持久的放电现象称为焊接电弧，如图2—1所示。
图2—1 焊接电弧示意图
1—焊件；2—焊条；3—电弧；4—焊接电源
一般情况下，气体的分子和原子是呈中性的，气体中没有带电粒子（电子、正离子），因此，气体不能导电，电弧也不能自发地产生。要使电弧产生和维持稳定燃烧，两电极（或电极与母材）之间的气体中就必须要有导电的带电粒子，而获得带电粒子的方法就是气体电离和阴极电子发射。所以，气体电离和阴极电子发射是焊接电弧产生和维持的两个必要条件。
1．气体电离
自然界的绝大部分物质都是由原子组成的。原子本身又由带正电荷的原子核及带负电荷的电子组成，其中电子是按照一定的轨道环绕原子核运动。在常态下，原子核所带的正电荷与核外电子所带的负电荷相等，这时原子是呈中性的。如果此时气体受到电场或热能的作用，就会使气体原子中的电子获得足够的能量，进而克服原子核对它的引力而成为自由电子。同时，中性的原子由于失去了带负电荷的电子而变成带正电荷的正离子。这种使中性的气体分子或原子释放电子形成正离子的过程叫做气体电离。
2．电子发射
阴极表面的原子或分子，吸引了外界的某种能量而发射出自由电子的现象，称为阴极电子发射。一般情况下，电子是不能自由离开金属表面向外发射的。要使电子逸出金属表面而产生电子发射，就必须给电子一定的能量，使它足以克服电极金属内部正电荷对它的静电引力。所加的能量越大，促使阴极产生电子发射的作用就越强烈。电子从阴极金属表面逸出所需要的能量称为逸出功，电子逸出功的大小与阴极的成分有关，不同金属其逸出功是不一样的。若所加的能量相同，则逸出功小的金属其阴极电子发射程度就越大。如电极中或电极表面含有稀土金属、碱金属或碱土金属元素的物质时，就能增强阴极的电子发射作用。例如，由于在焊条涂药中含有较多的钾、钠、钙等化合物，有利于阴极电子发射，从而促使电弧燃烧稳定。
二、焊接电弧的引燃过程
我们把引起两电极间气体发生电离及阴极电子发射而引起电弧燃烧的过程叫做电弧的引燃过程。电弧的引燃可以用如下两种方法：
1．非接触引弧
将两电极互相靠近到1～2mm的间距，这时如果在两电极间加有很高的电压（约在1000V以上），那么在强电场作用下，阴极上的电子即可以克服内部正电荷对它的静电引力而逸出阴极表面，产生电场发射，造成空气中放电而形成电弧。这种引弧方式主要应用于钨极氩弧焊和等离子弧焊。
2．接触引弧
先将两电极互相接触，然后迅速拉开至3～4mm的距离来引燃电弧。这种引弧方式主要应用于焊条电弧焊、埋弧焊和熔化极气体保护焊。
焊条电弧焊时，当焊条末端与焊件接触时，它们的表面都不是绝对平整的，只是在少数突出点上接触，接触部分通过的短路电流密度非常大，而接触面积又很小，这时产生大量电阻热，使电极金属表面发热、熔化，甚至蒸发、汽化，引起相当强烈的热发射和热电离。随后在拉开电极的瞬间由于电场作用的迅速增强，又促使产生电场发射。同时，已经形成的带电质点在电场的作用下加速运动，并在高温条件下相互碰撞，出现了电场作用下的电离和撞击发射。这样，带电质点的数量猛增，大量电子通过空气流向阳极，电弧便引燃了。电弧引燃后，在不同的焊接电源条件下，电离和中和处于不同的动平衡状态，弧焊电源不断地供给电能，新的带电粒子不断得到补充，维持了电弧的稳定燃烧，如图2—2所示。焊接电弧能否顺利的引燃，还与焊接电源的特性、电弧特性、焊接电流的大小和种类、焊条药皮的成分及电弧长度等因素有关。
图2—2 焊接时电弧的引燃过程
（a）焊条与焊件接触；（b）熔化，蒸发，汽化（c）进一步熔化，蒸发，汽化，形成细颈（d）引燃时
三、焊接电弧的主要特性
1．焊接电弧的稳定性
焊接电弧的稳定性是指电弧保持稳定燃烧（不产生断弧、漂移和磁偏吹等）的程度，即在电弧燃烧过程中，电弧能维持一定的长度、不偏吹、不摇摆、不熄灭、电弧电压和焊接电流保持一定。焊接电弧的稳定性主要取决于焊工技能以及焊接电源的种类和极性、焊条药皮成分、气流特点、磁偏吹和焊接处的清洁程度等因素。通常情况下，直流电源比交流电源稳定；焊条药皮中含低电离电位的物质越多越稳定；焊机的空载电压越高越稳定；环境气流流速越小越稳定；焊接处的铁锈、氧化皮、油污、水分等杂物越少越稳定；电弧偏吹越小越稳定。
2．焊接电弧的挺度
焊接电弧的挺度即电弧作为一个柔性导体抵抗外界干扰、力求保持焊接电流沿焊条轴向流动的性能。这种性能是由电弧自身磁场决定的。电磁收缩力是产生电弧挺度的主要原因。当电流通过电弧空间流动时，带电离子的流动在电磁力作用下，有尽量向焊条轴向方向集中的倾向。因此当电弧受到风等机械作用电弧偏离焊丝轴向时，电弧由于自身磁场作用产生抵抗这种干扰的力，使电弧尽量保持在焊条的轴向方向。同时电弧的等离子流力、高速气流和周围气流的冷却作用，也有助于电弧挺度的提高。由于电弧具有这种挺度，所以当焊条与工件倾斜时，电弧仍能保持在焊条轴线方向，而不是始终垂直于焊件表面。电弧磁场强度取决于焊接电流大小。电流越大，电弧自身强度越大，电弧越受压束，电弧的挺度就越大。保护气体的种类也影响电弧的挺度，如CO2、H2、N2、He等气体均有利于提高电弧的挺度。
3．焊接电弧的静特性
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，焊接电流与电弧电压变化的关系，叫做电弧静特性，一般也称伏—安特性。表示它们关系的曲线叫做电弧的静特性曲线，如图2—3中的曲线2所示。电弧静特性曲线分为三个不同的区域：电流较小时，由于气体电离度不够高，所以电阻较大，电弧电压较高，随着焊接电流增加，气体电离度上升，导电情况改善，电弧电阻较小，所以电弧电压很快下降，即下降度；当焊接电流增大到某一值后，电弧电阻减小变慢，电弧电压不再随电流的增大而变化，保持某一数值不变，即平直段；焊接电流更大时，由于电弧截面积受焊丝直径的限制，不再增大，电弧的电流密度很大，使电弧电阻增加，因而必须提高电压才能增大电流，即上升段。
图2—3 普通电阻静特性与电弧的静特性
1—普通电阻静特性；2—电弧的静特性
4．不同焊接方法的电弧静特性曲线
1）焊条电弧焊 焊条电弧焊时，由于使用的焊接电流受到限制（焊条电弧焊设备的额定电流值不大于500A），所以其静特性曲线无上升特性区。
2）埋弧焊 在正常电流密度下焊接时，其静特性为平特性区；采用大电流密度焊接时，其静特性为上升特性区。
3）钨极氩弧焊 一般在小电流区间焊接时，其静特性为下降特性区；在大电流区间焊接时，其静特性为平特性区。
4）细丝熔化极氩弧焊 由于受电极端面积所限，电流密度很大，所以其静特性曲线为上升特性区。
项目2 焊接电弧的组成及热量分布
焊接电弧是由阴极区、阳极区、弧柱三个部分组成的，这三部分所产生的热量和温度的分布是不均匀的，如图2—4所示。
图2—4 焊接电弧的构造
1—焊条；2—阴极区；3—弧柱；4—阳极区；5—焊件
一、阴极区
电弧紧靠负电极的区域称为阴极区，阴极区很窄，为10-5～10-6cm。在阴极区的阴极表面有一个明亮的斑点，称为阴极斑点。它是阴极表面上电子发射的发源地，也是阴极区温度最高的地方。
从阴极斑点发射出来的电子，受电场的作用迅速向阳极移动，电弧中被电离的微粒-阳离子则向阴极移动。由于阳离子的质量比电子的质量大，因此阳离子的运动速度比电子要慢得多，结果在阴极表面附近的空间（10-5～10-6cm）每一瞬间运动着的阳离子的浓度比电子的浓度大得多，就使阴极表面附近所有阳离子的正电荷总和大大地超过所有电子的负电荷总和，所以在阴极表面附近的空间形成了较大的电位差，这部分电位差称为阴极压降。由于阴极压降的存在，阴极区形成局部的强电场（为107～108V/m），加速了阴极表面的电子发射，同时也使阳离子加速进入阴极。
阴极温度的高低主要是取决于阴极的电极材料，而且阴极的温度一般都低于阴极金属材料的沸点。阴极区的温度一般可以达到2130℃～3230℃，放出的热量占焊接电弧总热量的36%左右。此外，如果增加电极中的电流密度，那么阴极区的温度也可以相应地提高。
二、阳极区
电弧紧靠正电极的区域称为阳极区，阳极区较阴极区宽，为10-3～10-4cm，在阳极区的阳极表面也有光亮的斑点，称为阳极斑点。它是电弧放电时正电极表面上集中接收电子的微小区域。
电弧中的电子受阳极的引力向阳极移动，运动着的电子在阳极表面的空间（10-3～10-4cm）相应的浓度较大，形成一个空间电场，造成电位差，这部分电位差称为阳极压降。由于电子的质量小，运动速度大，所以电子在阳极表面附近聚集的浓度比阳离子在阴极表面附近聚集的浓度相应要小，因此阳极压降通常低于阴极压降。
因此在和阴极的电极材料相同时，阳极斑点的温度略高于阴极斑点。阳极区的温度一般达2330℃～3930℃，放出热量占焊接电弧总热量的43%左右。
在生产实践中，还发现用不同的工艺方法焊接时，阳极与阴极的温度高低有变化（见表2—1）。这是由于电弧各区域的电离过程特点不同，电弧的阴极和阳极所得到的能够也不同的缘故。
表2—1 各种焊接工艺方法的阴极与阳极温度比较
工艺方法 一般的焊条电弧焊 钨极氩弧焊 熔化极氩弧焊 CO2气体保护焊 埋弧焊
温度比较 阳极温度＞阴极温度 阴极温度＞阳极温度
一般焊条电弧焊时，阳极温度比阴极温度高一些。
钨极氩弧焊时，阳极温度也比阴极温度高，这是因为钨极发射电子能力较强，在较低的温度下就能满足发射电子的要求。
气体保护焊时，气体对阴极有较强的冷却作用，这样就要求阴极具有更高的温度及更大的发射电子的能力。由于采用的电流密度较大，故阴极温度较阳极温度高。例如CO2气体保护焊或Ar+ CO2气体保护焊时，采用直流电源、熔化电极接负极，焊接时能提高生产率。
在使用含CaF2焊剂的埋弧焊时，因氟等蒸气容易形成阴离子，则要求阴极能具备更强的发射电子的能力。由于这些阴离子在阴极区与正离子中和时能放出大量的能量，同时使用的电流密度也较大，所以阴极温度较阳极高。
三、弧柱电弧
阴极区和阳极区之间的部分称为弧柱。由于阴极区和阳极区的长度较小，故弧柱长度就可以认为是弧长。弧柱是自由电子、阴离子向阳极转移与阳离子向阴极转移过程的通路，也是发生电离作用以及电子、离子在转移的过程中发生相互复合的场所。
弧柱的温度不受材料沸点限制，因此通常高于阴极斑点和阳极斑点的温度，弧柱中心温度可达6000K以上，放出的热量占焊接电弧总热量的21%左右。在弧柱的径向温度分布是不均匀的，弧柱中心的电离度高、带电质点密度大、导电性好，因而温度最高，越到外围温度越低。但沿弧长方向，温度分布是均匀的。弧柱的温度取决于弧柱中的气体介质（如当介质为Na2CO3蒸气时，弧柱温度约5000K）和焊接电流。焊接电流越大，弧柱中电离程度也越大，弧柱温度也越高。
以上是直流电弧的热量和温度分布情况，而交流电弧由于电源的极性是周期性地改变的，所以两个电极区的温度趋于一致。
四、电弧电压
通常我们测量出的电弧电压是由阴极压降、阳极压降以及弧柱压降所组成的。当弧长一定时，电弧电压的分布如图2—5所示。电弧电压用下式表示：
Uh=Uy+Uya+Uz=a+blh
式中：a= Uy+Uya；
Uh—电弧电压，V；
Uy—阴极压降，V；
Uya—阳极压降，V；
Uz—弧柱压降，V；
b—单位长度的弧柱压降，一般为20～40V/cm；
lh—电弧长度，cm。
图2—5 电弧结构与电压分布示意图
项目3 焊接时的极性和偏吹
一、焊接时的极性及其应用
1．焊接时的极性
极性是指直流电弧焊或直流电弧切割时，焊件与电源输出端正、负极的接法。有正接和反接两种：焊件接电源正极，电极接电源负极的接线法，正接也叫正极性；焊件接电源负极，电极接电源正极的接线法，反接也叫反极性，如图2—6所示。
（a）正极性 （b）反极区
图2—6 极性
1—焊条；2—焊件；3—直流弧焊机
2．焊接时极性的选用
焊接时极性的选用，主要根据焊件所需的热量和焊条的性能而定。直流弧焊时，为获得较大的熔深，采用正接。这是因为此时焊件处于电弧的阳极区，温度较高；在焊接薄板时，为了防止烧穿，则采用反接。
采用低氢型焊条焊接时，必须用反接。这是因为在碱性焊条药皮中，含有较多的氟石（CaF2），在电弧气氛中分解出电离电位较高的氟，这会使电弧的稳定性大大降低。若采用正接，在熔滴向熔池过渡时，将受到由熔池方向射来的正离子流的撞击，阻碍了熔滴过渡，以致出现飞溅和电弧不稳的现象；采用反接使熔池处于阴极，则由焊条方向射来的氢正离子与熔池表面的电子中和形成氢原子，减少了氢气孔的出现。
二、焊接电弧的偏吹
一般在正常情况下焊接时，电弧的中心总是沿着焊条轴线方向。焊条变换倾斜角度，电弧的轴线也跟着焊条的轴线方向而改变，如图2—7所示。因此我们就可以利用电弧这一特性来控制焊缝的成形，吹去覆盖的熔池表面过多的熔渣。在焊接薄钢板的时候也经常利用电弧这一特性，将焊条倾斜成适当的角度，以防止焊件烧穿。
图2—7 电弧的方向与焊条同一轴线 图2—8 偏心度过大的焊条
但在焊接过程中，因气流的干扰、磁场的作用或焊条偏心的影响，会出现电弧中心偏离电极轴线的现象，这就是所谓的电弧偏吹。它不仅使焊接发生困难，甚至熄弧，对焊接质量也将带来较大的影响。
1．焊条偏心度过大
这主要是焊条的质量问题。由于焊条药皮厚薄不匀，药皮较厚的一边比药皮较薄的一边熔化时需吸收更多的热，因此药皮较薄的一边很快熔化而使电弧外露，迫使电弧往外偏吹，如图2—8所示。在焊接时遇到这种情况，通常采用调整焊条倾斜角度（使偏吹方向转向熔池）的方法来解决。但如果焊条的偏心度过大时，仅依靠调整焊条倾斜角度是不能确保焊接质量的。为保证焊接质量，在焊条生产中对焊条的偏心度有一定的限制。
2．电弧周围气流的干扰
电弧周围气体的流动也会把电弧吹向一侧而造成偏吹。造成电弧周围气体剧烈流动的原因是多方面的。例如：在露天大风中操作或在狭窄焊缝处焊接时，电弧偏吹情况很严重，使焊接发生困难；在管子焊接时，由于空气在管子中流动速度较大，形成所谓“穿堂风”使电弧发生偏吹；在开坡口的对接接头第一层焊缝的焊接时，如果接头间隙较大，往往由于热对流的影响也会使电弧发生偏吹现象。一般由于气流干扰而产生的偏吹，只要根据具体情况查明气流来源、方向，进行遮挡即可解决。
3．磁偏吹
使用直流弧焊机进行焊接时，因受到焊接回路所产生的电磁力的作用而产生的电弧偏吹，称为电弧的磁偏吹。
（1）造成磁偏吹的主要原因有下列几种：
1）接地线接线位置不适当引起的偏吹，如图2—9所示。
2）电弧附近的铁磁物质引起的磁偏吹，如图2—10所示。
3）电弧运动至焊件的端部时引起的磁偏吹，如图2—11所示。
图2—9 接地线位置不适当引起的电弧偏吹 图2—10 铁磁性物质引起的磁偏吹
图2—11 电弧在焊件端部焊接时引起的磁偏吹
（2）减少或防止焊接电弧偏吹的方法
焊接电弧的偏吹会给焊接工作带来不少困难，但是根据电弧偏吹的规律，采取相应的措施是可以减少或避免的。下面介绍焊接工作中常用的几种克服电弧偏吹的措施：
1）焊接时，在条件许可的情况下尽量使用交流电源焊接。
2）在露天操作时，如果有大风则必须用挡板遮挡，对电弧进行保护。在管子焊接时，必须将管口堵住，防止气流对电弧的干扰。
3）在焊接间隙较大的对接焊缝时，可在接缝下面加垫板，以防止热对流引起的电弧偏吹。
4）在焊缝两端各加一小块附加钢板，使电弧两侧的磁力线分布均匀并减少热对流的影响。
5）采用短弧焊接。因为短弧时受气流的影响较小，而且在产生磁偏吹时，也能减小磁偏吹程度，因此采用短弧焊接是减少电弧偏吹的较好方法。
6）在操作时适当调整焊条角度，使焊条偏吹的方向转向熔池，这种方法在实际工作中应用得较广泛。
7）适当地改变焊件上的接地线部位，尽可能使电弧周围的磁力线分布均匀，如图2—12所示。图中点画线表示克服磁偏吹的接线方法。
8）采用小电流焊接对克服磁偏吹也能起一定的作用。
以上这些方法，有时受到具体工作条件的限制，不能采用；有些只能减轻电弧的偏吹。所以在实际使用中应灵活运用一种或几种方法，以求得到更好的效果。
1．什么是焊接电弧？
2．焊接电弧的引燃方法有哪几种？
3．焊接电弧由哪几部分组成，其热量如何分布？
4．造成磁偏吹的原因有哪些？

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