第一章焊接電弧基礎1焊接電弧的概念電弧是一種氣體放電現象，是指兩電極存在電位差時，電荷通過兩電極之間的氣體空間的一種導電現象。2焊接電弧的極性焊接電弧的極性：直流焊接時電弧的兩極與電源的連接方式稱為電弧的極性。直流正接，正極性直流反接，負極性3第一節焊接電弧機理

一、氣體放電與焊接電弧電弧的本質——氣體放電，而且是最激烈的自持放電形式，通常伴隨有熔化和蒸發現象。氣體放電的表現是帶電粒子在氣體中流動而形成電流。人們依據電弧放電可以實現能量轉換，將電能變為熱能和機械能來進行熔焊。

電弧放電特性：低電壓、強電流、不遵循歐姆定律；產生強烈的光和熱；4焊接電弧的導電特性非自持放電自持放電電流最大、電壓最低、溫度最高、發光最強電弧放電5電弧的伏安特性---------電弧的靜特性曲線a）負阻特性b）平特性c）上升特性6二、電弧中的帶電粒子中性粒子電離生成電子和正離子；陰極電子發射注入電子；電弧是由少量帶電粒子與大量中性粒子構成的導電氣體空間，根據帶電粒子的多少（電離度）可分為強弱等離子體。弱等離子體——電離度小于1％，主要是電子和中性粒子支配著等離子現象；強等離子體——電離度大于1％，主要是電子和離子支配著等離子現象；普通焊接電弧空間屬于弱等離子體，其實效電離度一般在10－3～10－4量級，產生帶電粒子的途徑：7陰極電子發射

陰極電子發射是電源持續向電弧供給能量的唯一途徑，是電弧產熱及中性粒子電離的初始根源。

陰極所發射電子中的一部分消耗在電弧空間（與離子復合、散失到外圍），其它的撞擊引發中性粒子電離（即電子傳遞）或直接飛入陽極；

陽極所接收電子中的相當一部分則是電離產生的；

陰極電子發射的型式：

熱發射、電場發射、光發射、重粒子撞擊發射；8電子逸出功9中性粒子電離電離的型式：

熱電離、光電離、電場電離；電離能、電離電壓

惰性氣體原子的電離電壓高，堿性金屬原子的電離電壓低；混合氣體的電離度主要取決于電離電壓較低的氣體成分。10熱電離是由中性粒子的熱運動（布朗運動）發生相互碰撞而引發的，多發生于電子與中性粒子之間的非彈性碰撞。

熱電離與溫度、氣體壓力、電離電壓等因素有關；在熱平衡狀態下，單一氣體的一價熱電離度與相關因素的關系可用印度科學家Saha公式（1920年提出）來描述，即可以通過熱統計力學計算得到。當給出具體原子后，則：11右圖是由上式的計算結果，表明不同氣體原子空間在1個大氣壓下的電離度差異。其中Fe、Al等金屬的電離電壓較低，在電弧空間更容易被電離，對焊接電弧的電特性有著顯著影響。在電離度較低的條件下，如果溫度一定，則：壓力越低，氣體越容易電離。12帶電粒子的擴散與復合電弧空間中，帶電粒子在電場作用下總體進行著定向運動，同時還由于中心與外圍的密度差異而發生從內向外的擴散運動。在穩態電弧中，帶電粒子的擴散運動并不會造成電弧整體帶電粒子分布的均勻化，而是處于相對穩定的動平衡狀態。

帶電粒子的復合是一項重要的電弧行為，主要發生在電弧外圍溫度較低的區域，會對電弧熱量平衡和導電性造成影響。一般來說，電弧從自身機制上具備自身維護熱量平衡和導電能力，帶電粒子的復合只在小電流電弧或在交流電弧的穩定性方面產生一定程度的不利影響。

焊接電弧的電離度很低，因而由帶電粒子擴散到外圍復合所散失的熱量并不主要，而中性粒子從電弧空間流散帶走的熱量才是主要的。13帶電粒子通過擴散、復合方式不斷消失。電弧穩定“燃燒”時，帶電粒子的產生和消失處于動平衡狀態。中性粒子可能與電子結合生成負離子，負離子的存在會對電弧穩定性產生不良影響。14三、電弧導電機構1、電弧的構造及電弧電壓維持電弧放電的條件：氣體空間不斷產生帶電粒子；保持陰極、陽極與氣體空間電流的連續；U=Ui+Uy+Uz152、電弧各區的導電特點I=Ie+Ii陰極區導電特點：（1）以Fe、Cu、Al等低熔點材料作陰極——冷陰極，又稱為電場發射型形成強電場（105～107V/cm）發射電子，產生陰極斑點；高速正離子碰撞陰極產熱并發射電子；離子電流占有一定比例；（2）形成等離子區：陰極區長度大、場強較弱，熱發射和電場發射都不強；區內溫度高，熱電離產生較多的帶電粒子，

呈現球形高亮度體；16（3）以C、W等高熔點材料作陰極——熱陰極，又稱熱發射型

陰極溫度高而產生熱電子發射；無陰極斑點，幾乎無壓降；熱發射電子散失熱量、正離子進入釋放熱量，材料電阻產熱；在實際焊接電弧中，因電極材料、電弧氣氛、電流值的不同，陰極區的導電過程會有很大差異，進而對焊絲熔化效率、熔滴過渡形態、陰極表面清理作用、熔池形狀等產生較大影響。17

弧柱區的導電特點：

（1）正負帶電粒子的數量幾乎相等，整體呈現中性；

（2）場強弱、壓降低、電阻小，形成強大電子流；

（3）粒子間強烈碰撞產生高溫（103～104℃）、熱電離；

弧柱區的電場強度高低與氣體成分及電流大小有關，顯示其導電能力的強弱。18區內正離子的形成有兩種方式：電場電離型——依靠區內負電荷堆積形成的電場來加速進入區內的電子，高速電子撞擊中性粒子電離而產生正離子；陽極壓降較大，產生斑點。

這是小電流焊接條件下的陽極區導電特征；

熱電離型——陽極溫度高，產生金屬蒸汽，金屬氣體熱電離生成正離子；幾乎無壓降，沒有斑點。

這是大電流TIG、MIG焊接條件下的陽極區導電特征；

陽極區的導電特點：陽極區：向弧柱提供小于1％的正離子流；接收來自弧柱區大于99％的電子流；

19

陰極斑點：主要形成于電場發射型陰極表面，是電流密度很高的局部導電區域。

對于低熔點陰極，或電流很小的高熔點陰極均可形成陰極斑點。

斑點特征：

溫度高——使陰極材料蒸發；

分散性——可能同時存在幾個分離的；

“粘著”性——電弧兩極作相對運動時，斑點顯示“拖拽”現像；自動選擇性——高速跳動，選擇逸出功低的區域。

若陰極材料表面有氧化膜，則斑點會優先在此處形成。利用這一點來清除（蒸發、霧化）Al、Mg合金焊接區的表面氧化膜，可有效提高接頭質量（減少焊縫夾雜、改善焊縫成形）。3、陰極斑點與陽極斑點電弧兩極區的導電狀態會對焊接過程產生影響，進而影響接頭質量。20陽極斑點：

形成條件——在電場電離型導電機制下，即低熔點、導熱性好的陽極材料，或很小的焊接電流；

（在陽極材料熔點較高，且電流大的情況下不會產生）

斑點特征：面積較弧柱截面小、較陰極斑點的大；溫度高——光亮點，可引發熱電離；自動選擇性——擇取弧柱能量（i.E.l）消耗最小處；“粘著”性——陽極移動時，斑點顯示“拖拽”現像；跳動性——陽極移動或熔化時，不斷擇機跳動；

斑點壓力：高速射出金屬蒸汽的反作用力；高速正離子的撞擊力（對陰極斑點）；高速電子的撞擊力（對陽極斑點）；

在相同工藝條件下，陽極斑點壓力較陰極斑點的小；

斑點壓力會阻礙熔滴過渡；21主要為電子（還有很少量正離子）在電場作用下將位能（電場能）轉換為熱能和動能。其中熱能占主體，是電子與其它粒子碰撞產生的，近似值為Ⅰ.E.l；此外還有電子從陰極區帶來的動能Ⅰ.UT1和帶到陽極的動能Ⅰ.UT2。總體近似為：Ⅰ.E.l+Ⅰ.UT1－Ⅰ.UT2Ⅰ.E代表弧柱單位長度上的產熱量，它與弧柱的熱散失相平衡。Ⅰ一定時，弧柱的產熱是一變數，即E會因熱損失大小而變化。當氣體種類、壓力、周圍冷卻不同時，會自動調整到一個最小值。四、電弧產熱及溫度分布焊接電弧的產熱來自電源輸入電能的轉換；電源輸入的總能量為：Pa=Ⅰ（UA+UC+UP）該能量在電弧中轉換為熱能、光能、磁能、機械能。其中熱能占絕大部分，并以傳導、對流、輻射等形式給予周圍氣體、陽極和陰極材料，在動態穩定中保持產熱和散熱的平衡。1、弧柱的產熱22產熱主體仍為電子的位能（其次還有很小部分來自弧柱區的正離子能），其中部分被消耗于發射電子的逸出功和被電子帶到弧柱區的動能。

產熱為：PC=Ⅰ（UC–Uw–UT1）PC用于加熱陰極（焊絲或工件）及散失。2、陰極區的產熱3、陽極區的產熱

電子流在陽極產熱分為三部分：即陽極區內的電能轉換，近似為Ⅰ.UA；從弧柱區帶來的動能Ⅰ.UT2

；電子釋放的逸出功Ⅰ.Uw；

PA=Ⅰ（UA+UT2

+Uw）PA同樣用于加熱陽極（焊絲或工件）及散失。23最小能量（電壓）原理

——在給定的電流及周邊條件情況下，電弧穩定燃燒時，其導電區截面能自動調節使電場強度達到最低值（即電弧電壓取最低值），以維持最低的能量消耗。

最低能量（電壓）原理描述了一定電流及周邊條件下電弧自身保持最低能量消耗的自然屬性。

Ⅰ值一定，以E為最小確定其導電截面，這時若外界因素使導電截面增大或縮小，都會導致E的增大。最低能量（電壓）原理24焊接電弧的熱效率定義為：

η=各種電弧焊方法的η有差異，熔化極弧焊的較高，其中埋弧焊的最高。此外η隨弧長的增大而降低。4、焊接電弧的熱效率及能量密度加熱焊絲、工件的有效功率

電弧的總功率25軸向——兩極區低、弧柱區高；徑向——中心高、外周低；

兩極區溫度較低是因為溫升受到電極材料熔點和沸點所限制。5、電弧的溫度分布影響溫度分布的因素：電弧電流；電極斑點；電弧長度；電極材料及尺寸；保護氣成分及環境條件；

電弧中靠近電極直徑小的一端溫度較高，是因弧柱在此處收縮，引起電流密度升高所致。26右圖為電弧溫度、能量密度、電流密度的軸向分布，其中弧柱區的溫度最高，它受到電極材料、氣體成分及壓力、電流大小等因素的影響；電弧空間金屬氣電離能高低的影響尤為顯著。

電離能高，溫度也高27五、電弧力及其影響因素

焊接電弧相當于許多平行的電流導體，各導體中通過同方向的電流，產生吸引力，即磁收縮力。單位長度上受力為：

其中K=u/4π

對于焊接而言，電弧不僅僅是一個加熱源，同時也是一個力源。電弧力與焊接中表現出的熔池形態、熔深尺寸、熔滴過渡、焊縫成形等都有密切關系，同時也是不規則焊縫、焊縫缺陷、焊接飛濺形成的直接原因。1、電弧靜壓力（電磁收縮力）28

如上圖，假設焊接電弧為一圓柱導體，通過電流為Ⅰ，且電流線在截面上均勻分布。則在離弧柱中心r處，單位面積上的收縮力為

R——弧柱半徑29在弧柱中心r=0處因電弧空間為流體，故收縮力在各方向上相同傳遞。則，電弧軸向壓力的合力（平均壓力乘以截面積）為：此力同時作用于焊條（或焊絲）和工件熔池上。因實際電弧為錐體，熔池端較大，產生壓力差，熔池上受到壓力差引起的推力，大小為：30電弧中的電磁壓力差會促使空間內氣體向熔池方向流動，形成連續的氣流沖向熔池，并且氣流的速度分布不同。這種由電弧推力引起高溫氣流運動所形成的力稱為電弧動壓力。這種力實質上是由弧柱中氣流速度不同所引起的流體壓力差形成的，故也稱為等離子流力。

電弧動壓力大小與電流值、氣流強度、電弧長度、電弧形態、電極狀態等因素有關。它會對熔池（焊縫）形狀、熔滴過渡產生顯著影響，如促進射滴過渡、導致T型熔池等。2、電弧動壓力（等離子流力）31當電極上形成斑點時會引發斑點力。斑點力包含以下幾方面成分：（1）帶電粒子的沖擊力，在陰極斑點上表現較大；（2）電磁收縮力，是由于電流線在熔滴底部集中引發的，同樣在陰極斑點上表現較大；（3）電極材料蒸發的反作用力，也是在陰極斑點上表現較大；

斑點力會阻礙熔滴過渡，也會對熔池產生一定的影響。斑點力32等離子流力——促進熔滴過渡斑點（壓）力——陰極＞陽極，阻礙熔滴過渡

33

爆破力存在于短路電弧焊接，當熔滴與熔池發生短路時，電流急劇增大，短路液柱中電流密度很高，溫度急劇升高，使濃柱汽化爆斷而產生沖擊力。爆破力可能使液柱金屬形成飛濺，也會對熔池及焊絲端部的液態金屬造成沖擊，導致飛濺。爆破力細熔滴沖擊力

熔化極射流過渡焊接時，細熔滴顆粒在等離子流力作用下高速沖向熔池，形成沖擊力。此力使熔池底部的熔深加大。34（1）氣體介質導熱性好、多原子氣體、氣壓氣流量大，均會使斑點壓力增大，阻礙熔滴過渡（大熔滴的形成又阻礙等離子流力的形成，更加不利）。如CO2氣保護焊；3、電弧力的主要影響因素35（2）電流及電壓（弧長）電流增大，電磁收縮力、等離子流力增大；電壓（弧長）增大，電磁收縮力、等離子流力減小（是弧柱直徑膨脹而致電流密度減小的緣故）；36（4）焊絲（電極）極性TIG焊時，鎢極接負：允許流過較大的電流，陰極區收縮的程度大，將形成錐度較大的錐形電弧，產生的軸向推力大，電弧壓力也大。反之，鎢極接正則形成較小的電弧壓力，一是需要使用較粗的鎢極，同時電弧在鎢極上的覆蓋面積較大，形成的電磁力和等離子流力小。MIG焊時焊絲接負：熔滴受到正離子的沖擊，既有較大的斑點力作用在熔滴上，使熔滴長大，不能順利過渡，又不能形成很強的電磁力和等離子流力，因此電弧力小；在焊絲接正時．所受到的斑點力小，有利于細小的熔滴過渡，有較大的電磁力和等離子流力，電弧壓力較大。（3）焊絲（焊條）直徑

在相同電流下，直徑小，電流密度增大，電磁力、等離子流力加大；3738（5）鎢極端部形狀鎢極端部的角度為45°時，具有最大的電弧壓力。有時為了對電弧力加以限制，可以把鎢極最前端磨出一定尺寸的平臺，減小電弧靜壓力和等離子氣流。當把鎢極前端加工成空心形狀時(在電弧—激光同心復合能源中使用)，電弧壓力亦有明顯降低。3940（6）脈動電流在電流極性及平均值相同的情況下，脈沖電流下的電弧壓力較大，尤其是高頻脈沖下較為顯（電極端部的導電區半徑減小所致）。41

所謂直流電弧是指電弧(電極)極性不發生變化的電弧，其最大特點是穩定性好。根據電流形式的不同，可以有恒定電流下的直流電弧和變動電流下的直流電弧。變動電流下的直流電弧是指焊接電流隨時間以某種規律變化著，包括低頻脈沖電弧、中等頻率脈沖電弧、高頻脈沖電弧等。按照一定規律變化的脈動直流電弧在薄件焊接、特殊材料焊接、焊縫成形控制、焊接熱輸入量控制、熔滴過渡控制等方面起到重要作用。六、直流電弧與交流電弧1、直流電弧42

當電弧兩個電極材料不同時，由于電子發射能力的不同，電弧兩種極性狀態將流過不同的電流值，即在電弧和焊接回路中出現正負半波電流不同的情況，正負半波電流的差值稱作直流分量，主要出現在使用普通交流焊機TIG焊接時，其中以鋁合金焊接最為突出。2、交流電弧交流電弧是指電弧(電極)極性隨時間交替變化的電弧，也就是焊接電流方向按照一定的時間間隔變化。（1）交流電弧的燃燒特點

交流電弧每半個周波極性反轉一次，當產生極性轉換時，都存在電流過零問題．造成電弧不穩定。因此，焊接應用中需要對交流電弧采取穩弧或再引燃措施。43（2）交流電弧產熱及力的特性

交流電弧的產熱與電弧力特點居于直流正接與直流反接兩者之間，主要是電極的產熱有特殊點。由于交流電弧產熱及電弧力特點，TIG焊的熔池尺寸也居于直流正極性接法和反極性接法之間。

目前，在鋁合金焊接中，一般都使用特殊的交流電源，比如方波交流電源、逆變式中頻交流電源、變極性電源等，可根據需要，人為構造出正負半波不平衡電流。4445

對于交流TIG焊電弧，在電極為負的半波，母材作為陽極產熱量大，電弧的熱量約70％給予了母材，用于母材熔化，同時電弧燃燒穩定；在電極為正的半波，電極產熱量相對較大，容易燒損，因而只能在很小的電流下長時間工作，然而此時母材作為陰極，具有清除表面的氧化膜的作用，能夠連續破壞母材表面上電弧覆蓋區域的氧化物。

鋁、鎂及其合金、鈹銅等有色金屬的表面存在一層致密的氧化膜，熔點很高，阻礙電弧熱量傳入母材，并且容易造成焊縫夾渣、氣孔等缺陷，所以必須去除材料表面的氧化膜才能實現良好的焊接，是交流TIG焊成功應用的典范。（3）交流電弧的應用46焊接電弧的靜特性是指在一定的電弧長度及穩定的工藝條件下，改變電弧電流數值，電弧達到穩定燃燒狀態時所對應的電弧電壓曲線。第二節焊接電弧特性一、焊接電弧靜特性4748影響電弧靜特性的因素：電弧長度；電弧空間氣體成分、流量、環境溫度；電弧兩極材質；焊接電流大小等。4950電弧動特性是指焊接電流隨時間以一定形式變化時電弧電壓的表現，反映的是電弧導電性能對電流變化的響應能力。直流電弧的動特性是采用一定形式的變動電流進行焊接時的電流—電壓關系曲線。變動電流的形式是多種多樣的，比如脈沖電流、高頻電流、脈動電流等。二、焊接電弧動特性51

高頻電弧的維弧電流可以達到零電流值，而電弧仍能夠穩定燃燒，其原因就是電弧的溫度穩定性和導電性已經處于穩定的狀態（電弧空間的等離子體狀態跟不上電流的變化而維持不變）。而低頻電弧不具備這個能力。

在進行變動電流及波控電流焊接時，需要考慮電弧動特性對工藝的適應能力，采取必要的參數配合。52

惰性氣體電弧在工件作為陰極的情況下，陰極斑點跳動，掃除金屬表面上的氧化膜，稱作電弧陰極清理作用（氧化膜破碎作用）。

陰極清理作用只限于在不含氧化性氣氛的高純度惰性氣氛條件下，并且當工件為冷陰極材料時尤為顯著。在有色金屬（鋁材質為代表）的MIG焊接中，通常是以母材作為陰極；而在TIG焊中要利用交流電弧進行焊接，其原因就是要利用陰極的清理作用。三、焊接電弧的陰極清理作用53

陰極清理作用的機理是正離子受陰極電場加速以很高的速度沖擊陰極表面．使陰極表面上的氧化膜破碎并消失；另外在通常情況下，氧化物的功函數比純金屬低，陰極斑點會不斷地移動尋找新的氧化膜，形成新的陰極斑點，從而將電弧覆蓋區內的氧化膜掃除。陰極斑點的清理作用是來自電弧空間正離子對陰極表面的碰撞所造成的，所以使用氬氣比使用氦氣的清理效果要好，因為氬氣的原子質量較大。54電弧的挺直性(arcstiffness)

電弧挺直性是指電弧作為柔性導體具有抵抗外界干擾、力求保持焊接電流沿電極軸線方向流動的性能。電弧挺直性是由自身磁收縮力、等離子流力等賦予的，也是流過電極棒中的電流在電弧空間形成的磁力線與電弧電流之間產生的電磁力作用的結果。它能保持弧柱軸線與工件成一定傾角。四、磁場對電弧的作用（1）自身磁場的作用自身磁場：產生收縮力，促使熔滴過渡，加大熔深，增大電弧剛直性；引起磁偏吹、電弧不穩，影響焊縫成形；55

當電弧的挺直性較強時，若電極傾斜，則電弧的指向亦隨之傾斜，電弧中心線沿著電極的傾斜方向伸展，電弧宛如是在電極軸向上固定的固體棒。56

電弧的挺直性隨電流值的增大而增大。電流越大，電弧自身磁場強度越大，電弧越受拘束，電弧的挺直性也就越大。此外，電弧的等離子氣流、保護氣氣流、周圍氣流的冷卻作用，也有助于電弧挺直性的提高。保護氣種類影響電弧的挺直性．如CO2、H2、He等氣氛均有利于提高電弧挺直性。

利用電弧挺直性這一特性，在高速焊和全位置焊時，電極傾斜，電弧亦隨之傾斜，可以得到所希望的焊縫成形，這在實際中已有廣泛應用。57電弧的磁偏吹

磁偏吹——

磁場不對稱使電弧偏離電極軸線的現象。

原因：弧柱中電流密度不對稱

→

磁力線分布不對稱→電弧周圍的磁收縮力不對稱→弧柱偏離軸線（偏向磁力線稀薄的一側）；引起磁偏吹的工藝因素：導線連接位置；電弧附近的鐵磁物質；電弧處于工件端部；兩個平行電弧；

在同等工藝條件下，交流電弧的磁偏吹較直流的弱。5859避免或削弱磁偏吹的措施：盡可能采用交流弧焊電源；用短弧操作；大工件采取焊縫兩側接地線；削除工件剩磁及周圍鐵磁體；用厚皮焊條代替薄皮焊條（厚皮放氣多，增大電弧剛性）；60（2）外加磁場的作用外加磁場——在電弧周圍人為設置特定方向的磁場，以產生特定的效果。作用：控制電弧形態滿足特殊的焊接工藝要求；控制熔池流動及結晶，改善焊縫成形、細化晶粒；外加橫向交流磁場：使電弧產生微弱擺動，加熱區增寬、熔深減小，常用于薄板焊、表面堆焊；外加縱向磁場：限制弧柱擴張，使電弧能量集中，增大熔深；外加尖角形磁場：可使弧柱截面變成橢圓形、電弧熱量集中在焊縫中心；61電弧焊中保護氣的作用：向電弧空間提供氣體介質；保護電弧、保護電極、保護被焊件(焊接區整體)，避免上述部分受到大氣的侵蝕。

氣體在電弧的高溫區不可避免地發生分解、溶解擴散進入高溫金