焊接物理冶金：焊接电弧及其特性.pdf

第二篇! 焊接物理冶金 第三章!焊接电弧及其特性 第一节!焊接电弧 电弧是各种弧焊方法的热源， 是在两电极之间的气体介质产生强烈而持久的放电现 象。通过电弧放电， 将电能转换为热能、 机械能和光能。电弧焊主要利用其热能来熔化 焊接材料和母材， 达到连接金属的目的。 气体放电主要依靠两电极间气体电离和阴极电子发射这两个物理过程来实现。 “# 电子发射 当阴极表面受外加能量作用， 内部的自由电子能冲破电极表面的约束而飞出的现象 称电子发射。使一个电子从电极表面飞出所需的最小外加能量叫逸出功， 单位是电子伏 （$%） 。因电子电量 $ 是常数， 所以通常用伏特 （%） 表示。逸出功代表着电极材料发射电 子的难易程度， 它与金属材料的种类、 性质和表面状态等因素有关。逸出功越大的材料， 发射电子的能力越弱。常见导体材料逸出功示于表 “# “ -“# 5氧化钡涂层(# ? -)# (锆8(# . -)# () 3+,4) 34(4) 20、 ,0 等碱金属的电离电压较低， 容易电离， 所以在电焊条中用作稳 弧元素， 以利于引弧和稳弧。 电弧中气体粒子 （分子或原子） 的电离， 按外加能量不同分热电离、 电场电离和光电 离三种形式。气体粒子获得热能而电离的称热电离； 在电场作用下， 使带电粒子与中性 粒子碰撞而产生的电离称电场电离； 中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电离， 称 光电离。电弧焊时因弧柱温度很高， 一般为3 222 +2 222%， 所以弧柱产生的带电粒子主 要是靠热电离。只有在电场强度很高的电弧阴极区和阳极区才有可能发生电场电离； 在 电弧中光电离的作用较为次要。 气体粒子在弧柱吸收各种形式的能量而被电离， 其电离程度不仅决定于该种元素的 电离能， 而且与温度、 气体压力等因素有关。图 4 9+ 9( 示出 ,-、 %、 ,0 和 a 种元素在 不同温度和弧柱气压下的电离度。从图中看出， 在一定弧柱气压下， 随着温度的升高， 各 元素的电离度增大； 在一定的温度下， 各元素的电离度随着弧柱气压的减小而增加； 电离 能小的元素， 其电离度大。 +) 负离子的产生和带电粒子的复合 （(） 负离子的产生 在一定条件下有些中性原子或分子能吸附电子而成为负离子。负离子的产生， 使得 电弧空间的电子数量减少。负离子虽然所带电荷量与电子相等， 但因其质量比电子大得 多， 运动速度低， 不能有效地担负传送电荷的任务， 从而导致电弧导电困难， 使电弧稳定 性降低。如碱性焊条药皮中的 ,0?4， 氟原子很容易吸附电子， 而使电弧不稳， 所以有人称 氟为 “消电离” 元素。 （4） 带电粒子的复合 *+( 第二篇! 焊接物理冶金 图 “ #$ #%! 各种元素的电离度与温度和压力的关系 &） 压力 %(% $“)*&! +） 压力 $, ,-*&! .） 压力 %$ $“*& 电弧空间带正、 负电的粒子 （正离子、 负离子和电子） ， 在一定条件下相遇而结合成中 性粒子， 这种过程称复合。复合时， 将原有电离能和动能以辐射能和热能形式释放出来。 由于负离子体积大， 与正离子相遇机会多， 易于发生复合过程。若带电粒子大量复合， 电 弧空间带电粒子就会减小， 导致电弧导电困难， 电弧稳定性降低。 事实上， 当电弧稳定燃烧时， 在电弧气氛中气体粒子发生电离过程的同时， 也发生复 合的过程， 并在一定条件下达到平衡， 所以说， 气体在某一温度下的电离度， 实际是电离 与复合过程达到平衡时的电离度。当温度改变， 这一平衡被破坏， 电离复合过程在新的 条件下又建立起新的平衡。 第二节!电弧的构造及其电压分布 当两电极之间产生电弧放电时， 在电弧长度方向上的电场强度是不均匀的， 图 “ #$ #“ 是沿电弧长度方向实测的电压分布。从图中看出电弧是由三个电场强度不同的区域 构成。在阳极附近的区域称阳极区， 其长度约%( #$ /%( #0.1， 该区的电压 ! 2称阳极电压 降； 在阴极附近的区域称阴极区， 其长度约 %( #) /%( #-.1 该区的电压 ! 3称阴极电压降； 4$% 第二篇! 焊接物理冶金 中间部分称弧柱区， 该区的电压 !“称弧柱电压降。两极端面之间的距离为电弧长度， 由 于阳极区和阴极区都很窄， 因此可认为两电极间距离即为弧柱的长度。电弧这三个区域 的电压降组成了总的电弧电压 !#， 用下式表示： !#$ !%& !“& !（( )* )+） 图 ( )* )(! 电弧的构成及其电压分布 电弧上三个区域电压降的大小与其导电机理密切相关。 +, 弧柱区 弧柱可看成是导通电流的导体， 通过弧柱的电流是在阳极和阴极形成的电场作用下 由运动方向相反的电子流和正负离子流组成。其中电子流和正离子流分别由阴极区和 阳极区予以提供， 弧柱中因复合而消失的带电粒子则由弧柱自身的热电离来补偿。在弧 柱中电子和正离子受的电场力是相同的， 而电子的质量 （-, .* /+. )(01） 比正离子的小得 多， 所以电子的运动速度远比正离子大。因此， 弧柱中的电流主要是电子流 （约占带电粒 子 -, -2） ， 正离子流占的比例很小 （约占 ., +2） ， 而负离子则更小， 可忽略。尽管弧柱 中电子流和正离子流有这样大的差别， 但在每瞬间每单位体积中的正、 负带电粒子数是 相等的， 从而使弧柱从整体上呈中性。电子流和正离子流通过弧柱不受空间电荷电场的 排斥作用， 阻力小， 这就使得电弧放电具有低电压、 大电流的特点。所以弧柱的电压降一 般都较小， 仅与电弧空间气体成分和弧柱长度有关。在一定气体介质下， 弧柱电压降与 弧柱长度成正比。 (, 阴极区 阴极区的任务是向弧柱区提供所需的电子流和接受弧柱区来的正离子流， 以维持电 弧导电的需要。由于阴极材料种类及工作条件 （如电流大小， 气体介质等因素） 不同， 阴 极区的导电机理及电压降也不同。 +） 热发射型阴极区! 当采用高沸点材料 （如钨、 碳等） 作阴极且使用较大的电流时， 阴极可加热到很高的温度， 这时的阴极为热阴极， 主要靠热发射提供电子流来满足弧柱 导电的需要。在这种情况下阴极区电压降很小。热发射电子从阴极表面带走的热量可 以从两方面获得补充： 正离子冲击阴极表面而将能量传给阴极， 正离子在阴极表面中和 电子， 释放出的电离能又使阴极加热； 电流流过阴极时， 产生的电阻热 “(# （“阴极电流， #阴极电阻） 使阴极加热。从而使得阴极维持较高的温度， 保证持续的热发射。大电流 0*+ 第二篇! 焊接物理冶金 钨极氩弧焊时， 就属于这种类型的阴极导电机理。 “） 电场发射型阴极区!当采用沸点较低材料 （如铁、 铜、 铝等） 作阴极 （即冷阴极） 时， 不可能使阴极加热到很高温度， 阴极热发射的电子不能满足弧柱导电所需的电子流。 但是， 由于弧柱中的正离子在电场作用下， 不断地向阴极区移动， 于是在阴极区聚集了大 量正离子， 从而形成了一个很强的正电场， 可达 “ #$%&( )*， 导致阴极产生电场发射， 进 一步增大其电子发射量， 以满足弧柱所需的电子流。这种以电场发射为主的阴极区的电 压降较大。小电流钨极氩弧焊和熔化极气体保护焊就属这种类型的导电机理。 总之， 阴极电压降的大小， 因条件不同而有所变化， 一般在几伏到几十伏之间波动， 主要由电极材料、 气体介质和电流大小决定。当电极材料的熔点较高或其电子逸出功较 小时， 阴极热发射所占比例较大， 于是阴极压降较小。反之， 则电场发射的比例较大， 阴 极压降也较大。当电流较大时， 电极热量高， 热发射比例增大， 阴极压降将减小。 +, 阳极区 阳极区的任务是接受从弧柱送来的电子流， 并向弧柱提供正离子流。但阳极不能发 射正离子， 弧柱所需的正离子流是靠阳极区的电离来获得。 由于受阳极吸引， 大量电子从弧柱中快速进入阳极区， 阳极区内的正离子受阳极排 斥而进入弧柱。因此， 在阳极区就聚集着大量电子， 形成了一个带负电性的空间电荷， 与 阳极的正电荷之间构成一个电场， 只要弧柱的正离子得不到补充， 这个电场的强度就继 续增大。在这个电场作用下阳极区内的带电粒子被加速， 使其在阳极区内与中性粒子碰 撞而电离。电离生成的正离子流向弧柱， 于是为弧柱补充了导电所需的正离子流。当生 成的正离子能满足弧柱需要时， 这个电场强度就不再增大， 而达到某一稳定值 （约 $%-( )*） ， 于是由电场所形成的阳极电压降也是一稳定值， 一般大于气体介质的电离电压。但 与冷阴极型的阴极电压降比要小得多。 以上是小电流的情况， 当电流密度较大时， 阳极温度升高， 阳极材料发生蒸发， 在电 极前面的金属蒸气将产生热电离， 能为弧柱提供正离子， 在这种情况下阳极电压降将会 自动减小， 甚至降为零。 综上所述， 在电流和周围条件 （电极材料、 气体介质和散热等） 一定的情况下， 电弧稳 定燃烧时， 电弧的阴极电压降和阳极电压降基本上都是固定的数值， 只有弧柱的电压降 随弧柱长度的变化而变化。所以在这种情况下， 总的电弧电压 !.决定于电弧的弧长。 电弧越长， 电弧电压越高。 第三节!焊接电弧的最小能量消耗特性 电弧是柔性导体， 在导电过程中， 带电粒子的产生与消失， 产热与散热均处于动平衡 /+$ 第二篇! 焊接物理冶金 状态。当电流和周围条件 （如气体介质、 温度、 压力等） 一定时， 电弧将自动调节其导电断 面来维持这种平衡。自动调节导电断面 （其大小可用电弧直径来表示） 所遵循的规律是： 确保电弧单位长度上的能量损耗最小， 亦即电弧具有保持最小能量消耗的特性。 单位长度电弧上产生的热量等于 !“ （!电弧电流， “电弧电场强度） ， 它与热消耗 的能量相平衡。当电流一定时， 电场强度的大小就代表了电弧产热量的大小。因此， 能 量消耗最小时的电场强度最低， 也就是在固定弧长上的电压最小。所以又把电弧的这种 特性叫最小电压原理。 正因为电弧具有这一特性， 使得电弧在一定条件下有一确定的断面直径， 否则， 电弧 就无法处于稳定燃烧的动平衡状态。当电流一定而周围条件发生变化时， 电弧将通过改 变自身导电断面直径的大小来建立新的平衡。例如， 在一定电流条件下对弧柱强迫冷却 时， 电弧将以自动收缩其导电断面， 以减少热损失。由于弧柱直径减小就引起弧柱电流 密度增大， 电场强度增强， 弧柱温度升高。其断面收缩至产热与热消耗相平衡时便不再 继续收缩。使得在此条件下电场强度增加得最小， 又能使弧柱的能量输入与消耗在新的 条件下达到新的平衡， 仍保持着能量消耗最小的特性。 第四节!焊接电弧的热特性 “# 电弧的产热 电弧可看成是一个把电能转变为热能的柔性导体。由于组成电弧三个区域的导电 机理不同， 其产热机理也不相同。 （“） 弧柱的产热 弧柱导电主要是靠电子在外加电场作用下的定向运动来实现的。外加电场使电子 获得能量后并不都是从阴极直接跑向阳极， 而大部分都与正离子或中性粒子碰撞过程中 从阴极移向阳极， 粒子之间在碰撞过程中便产生了热， 从而把从电源吸取的电能大部分 转换为热能。 前已述及单位长度弧柱的电能为 !“， 它的大小就代表了弧柱产热量的大小。电弧稳 定燃烧时， 弧柱的产热与弧柱的热损失 （对流、 传导和辐射等） 处于动平衡状态。电流一 定时， 弧柱产热将因热损失的大小按最小电压原理， 通过 “ 的改变来自行调节。由于气 体质量、 导热性能、 解离程度的不同， 电弧在不同气氛中燃烧时， 热损失各不相同， 于是使 得弧柱部分的电场强度 “ 也不相同。如果弧柱电场强度值 “ 升高， 就意味着弧柱产热量 增加， 弧柱温度升高。 一般电弧焊接过程中， 弧柱部分的热量， 对流损失约占 $%&以上， 传导与辐射损失约 占 “%&左右， 只有很小一部分能量通过辐射传给焊丝和焊件。 %“ 第二篇! 焊接物理冶金 （“） 阴极区的产热 阴极区存在两种带电粒子： 电子和正离子， 这两种带电粒子在不断产生、 运动和消 失， 同时伴随着能量的转换与传递。由于弧柱中正离子流所占比例很小， 它的产热对阴 极区的影响很小， 因此主要从电子在阴极区的能量平衡过程考察阴极区的产热。 阴极区提供弧柱的电子流与总电流 ! 相近， 这些电子在阴极压降 “#的作用下逸出 阴极并被加速， 获得的总能量为 !“#， 这是在阴极区由电能转换热能的主要来源。电子从 阴极表面逸出时， 从阴极表面带走相当于逸出功的能量 !“$， 从而使阴极受到冷却。电子 流离开阴极区进入弧柱时， 将带走与弧柱温度相应的热能 !“%（“%为弧柱温度等效电 压） 。根据电子流离开阴极区时能量平衡， 阴极区的产热可表达为 #& ! （“# “$ “%）（“ ( “） 式中! # 阴极区产热总能量； “# 阴极区压降； “$ 逸出电压； “% 弧柱温度的等效电压； ! 电弧电流。 #主要用于阴极的加热和阴极区的散热损失。在焊接过程中加热焊丝或工件的热 量主要由这部分能量提供。 （(） 阳极区产热 阳极区的电流也包括电子流和正离子流， 因正离子流比例很小， 可认为阳极区的电 流 ! 等于电子流。电子到达阳极时被阳极电压降 “)加速而获得动能 !“)； 电子到达阳极 时将发出电子发射时从阴极吸收的逸出功 !“$； 电子从弧柱进入阳极将带来与弧柱温度 相应的热能 !“%。所以阳极区产热总能量可表达为 #)& ! （“)* “$* “%）（“ ( (） 式中! #) 阳板区产热总能量； “) 阳极区电压降。 #)主要用于阳极的加热和阳极区散热损失， 是焊接过程中可以直接用于加热焊丝或 工件的能量。 “+ 电弧的温度分布 电弧上的温度分布是不均匀的， 沿电弧轴向的温度分布是两个电极上的温度较低， 弧柱温度较高。在弧柱径向温度分布是中心处温度最高， 中心以外的温度逐渐降低。图 “ ( ( 为在氩气中钨阴极与水冷铜阳极之间电弧的等温线。 阴极和阳极的温度均受到电极材料沸点的限制， 一般都不超过其沸点， 故温度有限， 表 “ ( , 列出不同电极材料的电弧温度分布。从表中看出， 在电极材料相同时， 阳极 的温度， 通常略高于阴极。当使用交流电弧焊时， 由于电流周期性地改变极性， 两个电极 上的热量和温度的分布趋于一致， 近似于它们的平均值。 -,- 第二篇! 焊接物理冶金 图 “ #$ #$! 钨极氩弧的等温线 （! %“&， “ %(“)(*， # %“+“&,） 弧柱中的介质通常是气体或金属蒸气， 其加热温度不受沸点的限制， 加上气体介质 的导热性不如金属电极好， 故可以加热到较高的温度。但是弧柱的温度受到电极材料、 气体介质、 电流大小以及电弧周围环境 （如拘束、 散热） 等因素的影响， 在常压下当电流由 ( -(& 变化时， 弧柱温度， 可在 . & -$& &/ 之间变化。因为电流大小直接改变了 弧柱的能量密度， 电流增大则弧柱温度增加。当两电极直径不同时， 小直径一端电弧直 径小， 电流密度大， 其温度也比直径大的一端高。在电焊条中加入钾、 钠等易于电离元 素， 其电弧温度最高约为 0 &/， 而在惰性气体中的电弧温度可高达 $&/。若在电弧 周围有高速气体流动， 由于气流的冷却作用， 使弧柱电场强度提高， 于是温度上升。当电 弧周围气氛是多原子气体时， 如 12“、 2“、 3“、 4“、 4“2 等， 由于气体解离吸热， 也使电弧温 度升高。 $) 焊接电弧的热效率 （详见本篇第二章第二节） 第五节!焊接电弧的电特性 () 电弧的静特性 在电极材料、 气体介质和弧长一定的情况下， 电弧稳定燃烧时， 焊接电流与电弧电压 变化的关系称为焊接电弧的静特性。表示这两者关系的曲线叫电弧静特性曲线， 见图 “ #$ #+。该曲线呈 5 形， 可分为三个区段： $% 段， 电流密度较小， 随着电流增加， 电弧电压 急剧下降， 故称下降特性； %& 段， 电流密度中等， 随着电流增加电弧电压几乎保持不变， 故 称平直特性。焊条电弧焊、 埋弧焊和 678 焊在正常工艺参数焊接时， 其电弧在此段稳定 燃烧； & 段， 电流密度大， 随着电流增加电弧电压也随之上升， 故称上升特性。熔化极气 体保护焊时， 因常用小直径焊丝， 其电流密度较大， 所以电弧多在此区段稳定燃烧。 不同的电极材料、 气体介质或电弧长度， 对电弧静特性均有影响， 当其他条件不变情 况下， 弧长增加， 电弧电压也升高， 电弧静特性曲线的位置也相应升高， 见图 “ #$ #.。当 电流一定时， 电弧电压与弧长成正比。 “+( 第二篇! 焊接物理冶金 图 “ #$ #%! 电弧的静特性 图 “ #$ #&! 不同弧长的电弧静特性曲线 表 “ #$ #%! 不同电极材料的电弧温度分布 电极材料气体介质 （( )$*+,）电极材料沸点- .阴极温度- .阳极温度- . 碳空气% /$ &%“ 铁空气$“%“0 铜空气“&1&“%& 镍空气“2$“$2“%& 钨空气&1&$0%“& ! ! “( 电弧的动特性 图 “ #$ #% 所示的电弧静特性曲线是在电弧稳定状态下得到的， 但是在某些焊接过 程中， 电流和电压都在高速变动， 电弧达不到稳定状态。这里把在一定弧长下， 当电弧电 流以很快速度变化时， 电弧电压瞬时值和电流瞬时值之间的关系称为电弧的动特性。表 示这两者关系的曲线称电弧动特性曲线。 图“ #$ #0 中 !“#$ 曲线为电弧静特性曲线， 当电弧电流迅速从 %,增加到 %3时， 由于 电弧温度有热惯性， 它达不到相应电流时稳定状态的温度， 为要维持电弧燃烧， 电弧电压 就必须比静特性时高， 于是沿着 !“&#&$ 曲线变化。当电弧电流从 %3迅速减到 %,时， 亦因 热惯性， 电弧空间温度来不及下降， 对应于每一瞬间电弧电流的电弧电压也将低于静特 性曲线， 而沿 $#“! 变化。图中 !“&#&$ 和 $#“! 曲线即为电弧的动特性曲线。 若电弧电流按另一种规律迅速变化时， 将得到另一种形状的动特性曲线。电流变化 速度愈小， 静动特性曲线就愈接近。 $( 交流电孤及其特点 $%) 第二篇! 焊接物理冶金 图 “ #$ #%! 电弧的动特性曲线 交流电弧一般是以 &() 按正弦规律变化的电源供电， 每秒钟电流值 * 次经过零 点， 其电弧放电的物理条件与直流电弧不同， 其特点有： （*） 电弧周期性地熄灭和引燃 交流电流每经过零点并改变极性时， 电弧中带电粒子进行复合， 电弧就熄灭。过零 点后电弧重新点燃叫再引弧。再引弧所需的电压叫再引弧电压， 它小于电源电压最大值 时才能再引弧。电弧从熄灭到再引燃的时间叫熄弧时间， 该时间越长， 电弧越不稳定。 只有使熄弧时间减小至零， 交流电弧才能连续燃烧。 （“） 电弧电压和电流波形发生畸变 由于电弧电压和电流是交变的， 于是电弧空间和电极表面的温度也随之变化， 因而 电弧的电阻不是常数， 随电流变化而变化。当电源电压按正弦规律变化时， 电弧的电压 和电流并不完全按正弦规律变化， 而是发生了波形畸变。熄弧时间越长， 波形畸变就越 明显， 见图“ #$ #+。 图 “ #$ #+! 埋弧焊电弧的电压和电流波形 ,） 连续燃烧波形图! -） 断续燃烧波形图 （$） 热惯性作用较明显 用交流电焊接时， 电弧电压和电流都是高速交变的， 由于热惯性作用， 电和热的变化 来不及达到稳定状态， 使电弧的温度的变化落后于电的变化， 所以电弧电流瞬时值与电 压瞬时值之间的关系不能维持电弧静特性关系， 而是动特性关系。图 “ #$ #. 为交流电 弧的动特性曲线。其特点是电流增加时， 电弧电压高于电流下降时的电弧电压。 （/） 受电感的影响 /* 第二篇! 焊接物理冶金 图 “ #$ #%! 交流电弧的动特性 &） 电弧电压和电流波形图! ） 电弧动特性曲线 在交流焊接回路中分别串入电阻和电感后， 其电弧电压和电流的波形是有明显的区 别， 见图 “ #$ #(。在电阻性电路中 （图 “ #$ #(&） 当电源电压 ! 低于电弧电压 !&时， 电 流 “ 为零， 电弧熄灭。当电源电压改变极性重新达到再引弧电压 !)时， 电弧才再引燃， 中 间有熄弧时间， 这时的电流是断续的， 电弧不稳定； 而在电感性电路中 （图 “ #$ #(） ， 则 因电弧电流滞后于电源电压， 电流为零时， 下半波电源电压瞬时值可能达到再引弧电压， 这样电弧电流便可成为连续的， 也就是熄弧时间可能减小至零， 电弧燃烧稳定。 图 “ #$ #(! 交流电源电弧电压电流波形 &） 电阻性电路! ） 电感性电路 !)再引弧电压! !&电弧电压 第六节!电弧的力学特性 在焊接过程中电弧既是热源， 同时又是力源。把电弧所产生对熔滴、 熔池的机械作 用力， 称电弧力， 它包括电磁收缩力、 等离子流力、 斑点力和短路爆破力等。这些电弧力 对焊缝成形和焊接过程稳定有着重要影响。若控制不当， 将破坏正常熔滴过渡， 产生飞 溅， 甚至形成焊瘤、 咬肉、 烧穿等缺陷。 *+, 第二篇! 焊接物理冶金 “# 电弧力的形成及其作用 “） 电磁收缩力! 电磁收缩力是由磁压缩效应引起， 它的大小正比于电流的平方， 方 向垂直于电流线， 有使导体截面收缩的趋势。若导体为液体或气体， 其作用非常明显， 对 于等截面的液态或气态导体只产生径向作用， 使导体变细， 内压升高； 对不等截面的液态 或气态导体， 则在截面扩张区既产生指向轴心的径向作用力， 又产生轴向推力， 推力的方 向总是从小截面指向大截面， 而与电流大小无关。 电磁收缩力往往是形成其他电弧力的力源。 电磁收缩力形成的轴向推力可以使电弧产生下面所述的等离子流力， 也可以直接作 用于熔池表面， 使熔池下凹产生一定熔深。熔化极电弧焊时， 轴向推力可促使熔滴过渡， 电弧磁收缩力可束缚弧柱扩展， 使弧柱能量集中， 并提高电弧的刚直性 （挺度） 。由于电 磁力径向分布不均匀， 对熔池产生搅拌作用， 有利于细化晶粒， 排出气孔、 夹杂、 改善焊缝 力学性能。当弧根直径小于熔滴直径时， 电磁收缩力形成的轴向推力推向熔滴， 反而阻 碍熔滴过渡， 甚至会造成金属飞溅。 $） 等离子流力! 在焊接条件下， 电弧是在小截面的焊条 （丝） 和大截面的工件之间产 生， 且呈圆锥形。在电磁收缩力作用下， 形成了从焊条 （丝） 指向工件的轴向推力， 迫使靠 近焊条 （丝） 端部的高温等离子气向工件移动， 随着高温等离子气的轴向移动， 从电弧上 方不断流入新空气， 新空气在电弧高温下电离， 并继续向工件冲击， 形成具有一定速度的 连续气流， 对熔池产生附加压力， 这种由等离子体流动而引起的压力， 即等离子流力， 又 称电弧动压力。等离子流力能增大电弧的刚直性； 促进熔滴过渡， 减少金属飞溅； 还可以 增大熔深和对熔池的搅拌作用。但过大的等离子流力可能造成液态金属排出熔池之外， 使焊缝成形变坏。气体保护焊时， 当保护气流不足， 等离子流的高速流动会卷入空气， 使 保护效果变差。 %） 斑点力! 在电极端面的斑点上由于导电和导热过程的特点而产生的附加压力称 斑点力。它包括带电质点在电场作用下向两极冲击的力， 电磁收缩力引起的轴向推力和 斑点处由于电流密度大， 局部高温引起金属强烈蒸发， 形成蒸气流对斑点产生的反作用 力。这些斑点力的方向与熔滴过渡方向是相反的， 它们总是阻碍熔滴过渡。 &） 爆破冲击力! 当熔滴和熔池发生短路时， 短路电流使液柱温度急剧升高， 金属内 部气化而爆破， 爆破引起的冲击力简称爆破力。此外， 弧间气体受高温加热迅速膨胀， 也 对熔池和熔滴形成冲击力。这些冲击力对熔滴过渡和焊缝成形不利， 甚至会造成飞溅。 $# 影响电弧力的因素 为了发挥电弧力好的作用和避免它的不利影响， 须了解影响电弧力的主要因素： “） 气体介质! 具有导热性强的气体或多原子气体均能引起电弧收缩， 导致电弧力增 加； 当增加气体流量或电弧间气体压力时， 也会引起电弧收缩， 使电弧力和斑点力增大。 斑点力增大不利于熔滴过渡。 $） 电流! 电磁收缩力与电流成正比， 电流增大， 电磁收缩力和等离子流力也随之 &“ 第二篇! 焊接物理冶金 增大。 “） 电弧电压!在一定条件下， 电弧电压的升高， 意味着电弧长度增加， 则电弧力 降低。 #） 极性! 一般情况下， 电弧在阴极区的收缩程度比阳极区大。钨极氩弧焊的钨极接 负 （正接） 时， 形成锥度较大的电弧， 产生较大的电弧力， 熔化极气体保护焊时， 若焊丝接 负， 则熔滴受到较大的斑点压力而阻碍熔滴过渡， 不会形成较强的电弧推力和等离子流 力， 若焊丝接正时， 则电弧力较大。 $） 钨极端部几何形状! 钨极氩弧焊时， 钨极端部锥角越小 （即越尖） ， 则锥形电弧越 明显， 电磁收缩力越大， 越有利于等离子流的形成， 所以电弧力越大。 第七节!拘束电弧 电弧的截面可以进行压缩， 使其能量密度和温度大为提高， 等离子弧就是对电弧进 行压缩的结果。当强迫电弧从直径很小的喷嘴孔道通过， 其截面就被机械地压缩。若同 时又在喷嘴内壁通入高速冷空气， 则电弧进一步受到 “热” 压缩。这时电弧导电截面减 小， 电流密度增加， 于是其电磁收缩效应增强， 因而又受到径向电磁力的收缩。经此三重 压缩， 电弧就得到%&$%&()* +,-的能量密度， 其温度高达 -# & $& &.。 第八节!磁场对电弧的作用 电弧是载流导体， 在其周围存在磁场时， 必然受到磁场力的作用而发生各种形态的 电弧。 %/ 磁偏吹 当电弧周围磁场不均匀或电弧附近存在强铁磁体时， 都使电弧中心偏离电极轴线的 现象， 称磁偏吹， 见图 - 0“ 0 %&。如图 - 0 “ 0 %&1 所示的接线进行电弧焊， 电流流经工 件、 电弧和电焊条， 都在其周围空间产生磁场。在电弧左侧的磁力线是由流经工件和电 弧的电流所产生的磁力线相叠加， 它多于电弧右侧自身所产生的磁力线。结果磁场密度 大的一侧产生对电弧的推力， 推向磁场密度小的一侧， 使电弧向右侧偏离。图 - 0“ 0%&2 是在电弧的一侧放一块钢板， 结果电弧偏向钢板一侧。这是因钢板是良好导磁体， 磁力 线总是力求