金属熔焊原理 焊接电弧

1、第一章 焊接电弧【学习目标】：通过本单元的学习，了解焊接电弧的引燃及引燃过程；掌握焊接电弧的构造及静特性；掌握焊接电弧的极性运用；理解电弧稳定性的影响因素及偏吹现象。综合知识模块一 焊接电弧的物理基础在夏天，我们常看到天空中的闪电，这是一种气体放电现象。在两电极之间的气体介质中，强烈而持久的放电现象称为电弧。电弧放电时产生高温(温度可达6000)和强光。人类认识了这种现象，并将其应用于工业生产中。电弧高热可用以进行电弧切割、碳弧气刨以及电弧炼钢等；电弧的强光能照明(如探照灯)或用弧光灯放映电影等。 情景故事焊接电弧也是一种气体放电现象，不过它发生在电极与焊件之间而已。电弧焊就是利用焊接中电弧放

2、电时产生的热量来加热，熔化焊条(焊丝)和母材，使之形成焊接接头。电弧是电弧焊接的热源。能力知识点一焊接电弧的物理基础一、 焊接电弧的引燃1.电弧的性质及引燃条件手弧焊时，电弧在焊条端部与工件之间燃烧。电弧的实质使焊条与工件之间的气体介质产生的强烈而持久的放电现象，是气体放电的一种特殊形式。通过电弧放电，可以将电能转换成焊接所必需的而又集中的热能，并伴有强烈的弧光。例如手弧焊就是利用此热能熔化焊条与焊件来完成的。产生电弧的电极可以是金属丝、钨丝、碳棒或焊条。气体是由中性分子或原子组成，正常情况下是不导电的。要使两个电极间的气体持续放电，必须使气体介质不断产生足够的带电粒子（电子、负离子、正离子）

3、，带电粒子主要来自于气体原子的电离与阴极的电子发射。气体的电离指的是使气体中的中性原子（或分子）分离成正离子、电子或负离子的过程。气体电离必须对中性原子（或分子）施加一定的能量，以克服原子核正电荷对核外电子的吸引力。使气体电离所需的最小能量叫做电离能。不同气体的电离能是不一样的。应指出，如果没有电源输送能量补充能量的消耗，气体放电不能持久。电源的能量是通过电极中与负极连接的阴极发射电子来传输的。阴极的电子发射指的是阴极内部的自由电子在一定外加能量作用下，冲破表面的束缚而图1-1 电弧放电示意图飞出的现象。电子发射所需的最小能量叫做逸出功，不同材料电极的逸出功是不同的。综上所述，要使电极间产生电

4、弧并稳定燃烧，就必须给阴极与气体之间加以一定的能量，使阴极产生强烈的电子发射，气体介质发生剧烈的电离，从而使两极间充满带点粒子。在两极间的电压所形成的电场力作用下，带电粒子向两极做定向运动，这样气体介质中就形成很大的电流，也就是发生了强烈的电弧放电，形成连续燃烧的电弧。电弧放电过程如左图1-1所示。2.焊接电弧的引燃过程手弧焊开始时引燃焊接电弧的过程称为引弧。焊接电弧从无到有的引燃过程在时间上是短暂的，物理过程却是异常激烈和复杂的，经历着导电粒子的产生、扩散、复合、负离子形成等一系列物质形态和性能的变化。焊接电弧的引燃可划分为接触、拉开和燃弧三个阶段。如下图1-2所示。图1-2 电弧的引燃过程

5、（一） 接触当焊条芯（或焊丝）端部与工件表面相碰，即正、负两极发生了接触（亦即短路）。由于焊丝断面和工件表面都不可能是绝对平整光洁的，再加上操作时也不可能使焊条与工件表面完全垂直，所以它们之间只能是个别地方的点接触，电流也就从接触点流过。在接触的一瞬间，由于接触点的面积很小，电流密度很大（短路电流约是正常焊接电流的22.5倍，而接触小点上的电流密度要比焊芯截面上平均的电流密度大得多），同时又具有一定的接触电阻，所以此处产生大量的电阻热。接触点处的温度骤然升高，使部分金属熔化和蒸发，焊条药皮中的易分解或沸点较低的物质（钾、钠等元素）变成蒸气，接触点附近小空间开始具有了高温气体介质，粒子的热运动加

6、剧，少量电离也开始发生。同时由于阴极的小面积受电阻热的作用，自由电子获得能量，阴极表面有少量电子发射。这很小范围内的热电离和电子发射已为即将发生的整个电弧空间的燃弧提供了一定的物质和能量条件。（二）拉开焊条与工件接触后迅速拉开，在刚刚拉开而电弧尚未形成的一瞬间，两极之间的导电粒子还很少，导电性微弱，可认为电流接近于零，这短暂的一瞬间可看作是引弧的拉开阶段。焊接电源的空载电压通常为6080V，当焊条端部刚离开工件表面10-510-6mm时，在这一极短的区间由空载电压建立的电场具有足够大的电场强度（数量级达1091010V/m），在如此强的电场作用下，电极开始强烈地发射电子，电子又受到电场作用而被

7、加速，快速运动的电子与中性粒子碰撞又将发生电离，如此连锁式反应使产生的带电粒子数目急剧增加。（三）燃弧经过接触和拉开两个阶段的物理过程，两电极之间带点粒子的数量、密度和整个系统的能量已达到相当高的水平，处于发生突变前的临界状态。随着发射和电离过程的剧烈进行，当焊条或焊丝被提升到一定高度时，则两极间的空间顷刻发生突变，发出强烈的光和热，同时还能体现出声和力的存在，这表明电弧已经引燃，即完成了焊接电弧引燃的全过程。这种过程不断进行，电弧便稳定燃烧。二、 焊接电弧的构造及温度分布1.焊接电弧的构造焊接电弧可根据其物理特征，沿长度方向划分为三个区域，即阴极区、阳极区和弧柱区，如图1-3所示。图1-3

8、焊接电弧的构造电弧紧靠负电极的区域称为阴极区。阴极区很窄，约10-510-6cm。在阴极区中，除了存在阴极发射的电子外，还有从弧柱区进入的正离子。电弧紧靠正电极的区域称为阳极区。阳极区较阴极区宽，约为10-310-4.从弧柱流过来的电子，撞入阳极产生复合。电弧阳极区和阴极区之间的部分称为弧柱。由于阴极区和阳极区都很窄，因此弧柱的长度基本等于电弧长度。由于两极区很薄，所以一般把弧柱的长度近似看做弧长。2.焊接电弧的热量和温度分布焊接电弧如图1-4所示，引燃电弧后，弧柱中就充满了高温电离气体，并放出大量的热能和强烈的光。电弧的热量与焊接电流和电弧电压的乘积成正比。电流越大，电弧产生的总热量就越多。

9、一般情况下，在阴极区中，阴极表面有一个明显的光斑点，它是电弧放电时，负电极表面集中发射电子的微小区域，称为阴极斑点。阴极区的温度一般达21303230，放出的热量占36%左右。阴极温度的高低主要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，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提高。在阳极区的阳极表面也有光亮的斑点，它是电弧放电时，正电极表面上集中接收电子的微小区域称为阳极斑点。阳极不发射电子，消耗能量少，因此在和阴极材料相同时，阳极区的温度略高于阴极区。阳极区的温度一般达23303930，放出的热量占43%左右。一般手工焊时，阳极的温度比阴极高些。弧柱

10、中所进行的放电过程较复杂，而且它的温度不受材料沸点的限制，因此弧柱中心温度可达57307730，发出热量占27%左右（手工电弧焊）。弧柱的温度与弧柱中气体介质和焊接电流的大小等因素有关；电流越大，弧柱中电离程度也越大，弧柱温度也越高。焊条电弧焊只有65%85%的热量用于加热和熔化金属，其余的热量则散失在电弧周围和飞溅的金属滴中。图1-4 焊接电弧示意图阴极与阳极的温度与所用的电极材料有关，下表1-1列出了使用不同电极材料时由实验测定的电弧两极温度。表1-1 不同电极材料的电弧两极温度可以看出，一般情况下阴极与阳极的温度要低于电极材料的沸点。阳极的温度往往高于阴极的温度，这里铝例外，由于铝表面有

11、氧化膜，对测量温度有影响，所以铝阴极和阳极温度高于铝的沸点。弧柱区的热量主要由带电粒子复合时释放出相当于电离能的能量转化而来。因此弧柱的温度受电极材料、气体介质、电流大小和拘束程度等多种因素的影响。气体介质越容易电离，气体电离时吸收的能量越少，在复合时放出的能量也就越少，则弧柱的温度也就越低。此外，弧柱中通过的电流越大，意味着弧柱中电离程度越大，弧柱温度也就越高。由于弧柱的温度不受电极材料沸点的限制，因此弧柱中的温度比两极高，约为50008000K，一般手弧焊时，弧柱的热量不能直接作用于加热焊条和工件，只有很少一部分通过辐射传给金属。通常，弧柱区放出的热量仅占电弧总热量的21%。以上所述的是直

12、流电弧的热量和温度分布情况。至于交流电弧，由于电流方向每秒钟变换100次，所以两极的温度趋于一致，近似于直流时两极温度的平均值。由上述可知，电弧作为热源，其特点是温度很高，热量相当集中。因此，用于焊接时金属熔化非常快。使金属熔化的热量主要集中产生于两极；弧柱温度虽高，但大部分热量被散失于周围气体中，对金属熔化并不起重要作用。三、 焊接电弧的静特性焊接电弧是焊接回路中的负载，它起着把电能转换为热能的作用，在这一点上它与普通电阻具有相似之处。但是，普通电阻在通过电流时，电阻两端的电压降与通过的电流成正比，其比值是基本不变的。（符合欧姆定律）称为电阻的静特性曲线。而焊接电弧在燃烧时，电弧两端的电压降

13、与通过电弧的电流值不成正比，其比值随电流值的不同而变化。在电极材料、气体介质不变的前提下，我们把弧长一定、电弧稳定燃烧时电弧电压与焊接电流变化的关系成为焊接电弧的静特性。表示他们关系的曲线叫做电弧的静特性曲线。如图1-5所示。整个静特性曲线可分为下降段、水平段和上升段三部分。下降段：在小电流区间，因为电弧电流较小，弧柱的电流密度基本不变，弧柱断面将随电流的增加而增加，若电流增加4倍，弧柱断面也增加4倍，而孤柱周长只增加2倍，使电弧向周围空间散失热量只增加2倍。减少了散热，提高了电弧温度和电离程度，因电流密度不变，必然使电弧电场强度下降。因此，在此区段内，随着电弧电流的增加，电弧电压下降。水平段

14、：当电流稍大 时，焊丝金属将产生金属蒸汽的发射，要消耗电弧的能量。此时电弧的能量不仅有周边上的散热损失，而且还有金属蒸汽能量的消耗。这些能量消耗将随电流的增加而增加，因此在某一电流区间可以保持电场强度不变，即电弧电压不变，使本区段基本呈水平直线。上升段：当电流进一步增大，金属蒸汽的发射作用进一步加强。同时因电磁收缩力的作用，电弧断面不能随电流的增加成比例的增加，电弧的电导率将减小，要保证一定的电流则要求较大的电场强度。所以在大电流区间，随着电流的增加，电弧电压升高，本区段呈上升曲线。钨极氩弧焊时，在小电流区间电弧静特性为下降段；焊条电弧焊、埋弧焊和大电流钨极氩弧焊时，因电流密度不太大，电弧静特

15、性为水平段；CO2气体保护焊、熔化极氩弧焊，因电流密度较大，电弧静特性为上升段。电弧静特性曲线的形状，决定了它对焊接电源的要求。图1-6 手弧焊的电弧静特性曲线手弧焊时，由于使用的电流范围不是很大，其电弧静特性只是图1-5中的一部分，由图1-6可以看出，在电流较小时，由于气体电离程度不够高，电弧电阻较大，所以电弧电压较高。随着焊接电流增加，气体电离程度上升，导电情况改善，电弧电阻减小，所以，电弧电压很快下降。当焊接电流增大到某一值后，由于电弧中电离和复合达到动平衡状态，此时电弧电压不再随电流的增大而变化，而保持某一数值不变。从图1-7中还可以看出，当弧长变化时，静特性曲线平行移动。即当电弧长度

16、增加时，电弧电压也增加。在手弧焊应用的电流范围内，可以近似认为电弧电压仅与电弧长度成正比的变化，而与电流大小无关，其值一般为1625V。从讨论的电弧静特性可知，不同电流时电弧的电阻（即电弧电压与电流的比值）不是常数，所以它不符合欧姆定律，故对电源而言，电弧是一个比较特殊的非特性电阻负载。为了能使电弧稳定燃烧，就需要一个满足焊接电弧要求的特殊的焊接电源供电。四、 焊接的极性及应用1.焊接的极性焊接电弧的气体放电是通过焊条与工件两个电极分别接入焊接电源而产生。焊条和工件与焊接电源的连接方式称为焊接的极性。手弧焊既可用直流电焊接，也可以用交流电焊接。当用交流电焊接时，电源极性交替变化，所以焊条和工件

17、可与电源两接线柱任意连接。当用直流电焊接时，电源两极固定，因此焊条和工件可以有两种方式与电源正、负极相连接，见下图1-7所示,。图1-7 用直流电焊接时极性的不同接法当焊接电源的正极与工件相接，负极与焊条相接时，称为正接法或正极性；反之，当焊接电源的负极与工件相接，正极与焊条相接时，称为反接法或反极性，由此可见，极性是以工件为基准的，工件为正极即为正接法；反之则为反接法。2.焊接极性的选择及应用焊接时采用什么极性，主要是根据焊条的性质和工件所需要的热量来决定的。因此总结焊件极性的选择原则：（1）焊条电弧焊使用碱性低氢焊条时，一律采用反接。若采用正接，则电弧燃烧不稳定电弧声音很暴燥，发出强烈的嘶

18、嘶声飞溅很大，并且极容易产生气孔。使用酸性焊条时，极性对电弧的稳定燃烧影响不大。    同样道理，埋弧焊若使用直流电源施焊时，一般也采用反接。  （2）钨极氩弧焊焊接钢、黄铜时，一律采用正接。因为阴极的发热量远小于阳极，所以用直流正接电源时，钨极接负极，发热量小，不易过热，钨极寿命长，同样直径的钨极可以采用较大的焊接电流。同时正接时，焊件为阳极发热量大，因此熔深大，生产率高。五、 焊接电弧的稳定性及影响因素焊接电弧的稳定性是指电弧在焊接过程中保持稳定燃烧的程度。在实际生产中，焊接电弧可能由于各种原因而发生燃烧不稳定的现象，如电弧经常间断、不能连续燃烧、电

19、弧摇摆不稳或偏吹等。而焊接电弧能否稳定燃烧，直接影响到焊接质量的优劣和焊接过程的正常进行。电弧的稳定燃烧是保证焊接质量的一个重要因素，因此，维持电弧稳定性是非常重要的。电弧不稳定的原因除焊工操作技术熟练外，还与下列因素有关：1.弧焊电源的影响 采用直流电源焊接时，电弧燃烧比交流电源稳定。因为交流电的电流和电压每秒钟有100此经过零点，同时改变方向，会造成电弧瞬时熄灭，热量减少，使电子发射和气体电离程度减弱，必将引起电弧不稳。直流电不存在上述问题，所以它比交流电稳弧性好，故稳弧性差的低氢型焊条，必须采用直流电焊接。此外，具有较高空载电压的焊接电源不仅引弧容易，而且电弧燃烧也稳定。这是因

20、为焊接电源的空载电压较高，电场作用强，电离及电子发射强烈，所以电弧燃烧稳定。2.焊接电流的影响从焊接电流的大小来考虑，焊接电流越大，电弧的温度就越高，则电弧气氛中的电离程度和热发射作用就越强，电弧燃烧也就越稳定。通过实验测定电弧稳定性的结果表明：随着焊接电流的增大，电弧的引燃电压就降低；同时随着焊接电流的增大，自然断弧的最大弧长也增大。所以焊接电流越大，电弧燃烧越稳定。相反，小电流焊接时，电弧稳定性就比较差。此外，焊接时如果电网电压太低，也会影响电弧的稳定燃烧，甚至造成引弧困难而无法焊接。3.焊条药皮或焊剂的影响当焊条药皮或焊剂中含有较多的电离能低的物质（如钾、钠的化合物）时，电弧的稳定性好。

21、在焊条中这类物质称为稳弧剂，如果在焊条药皮或焊剂中加入K、Na、Ca等元素的氧化物，能增加电弧气氛中带电粒子，这样就可以提高气体的导电性，从而提高电弧燃烧的稳定性。如钛钙型药皮的焊条由于药皮中含有较多的稳弧剂，因而具有良好的稳弧性能。相反当焊条药皮或焊剂中含有电离能较高的氟化物、氯化物时，由于它们较难电离，因而降低了电弧气氛的电离程度，即降低了电弧的稳定性；同时还由于氟、氯等元素在电离过程中易夺取电子形成负离子，使电弧中电子数量大量减少，因而也降低了电弧的稳定性。如低氢型药皮的焊条就是因为焊条药皮成分中含有较多的萤石（CaF2），所以稳弧性较差。此外，焊条药皮偏心、熔点过高，或因保管不好造成药

22、皮局部脱落、受潮时，都会影响电弧的稳定性。而焊接区有过多的油脂、油漆、水分及污物时，焊接电弧的稳定性也将受到影响。4.焊接电弧偏吹的影响（下节详细介绍）六、 焊接电弧的偏吹在正常情况下焊接时，电弧的轴线总是保持与焊条轴线重合。随着焊条倾斜角度改变，电弧也跟着焊条轴线的方向而改变，因此，就可以利用电弧的这一特性来控制焊缝成形。但是在某些条件下，也会发生电弧轴线偏离焊条轴线方向的现象。称它为电弧的偏吹。焊接电弧的偏吹会引起电弧的强烈摆动，使焊工难以掌握电弧对接缝处的集中加热，严重时还会使电弧熄灭，影响焊接过程的顺利进行。电弧偏吹也严重影响焊接质量，使焊缝焊偏，产生气孔且成形变差。因此，在焊接过程中

23、，应尽可能的减少电弧偏吹现象。1.焊接电弧产生偏吹的原因引起电弧偏吹的原因很多，但归纳起来，主要有以下几个方面：（1）电弧周围气流的干扰由于电弧周围气体的流动，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有很多，如大气的气流、热对流等等。例如，在露天大风中施工或在狭窄通道中焊接时，往往就会产生较为严重的电弧偏吹，以致使很接过程困难；又如在焊接管道内部时，管内空气流速较大，形成的气流也会使电弧偏吹；在焊接开坡口的对接接头时，如果坡口间隙较大，在热对流的影响下也有可能发生电弧偏吹的现象。（2）焊条偏心度过大焊条偏心度过大，焊芯两侧的药皮厚度不同，较厚一侧的药皮熔化长度小于较薄的一侧，从

24、而在焊条端部形成一个斜面，较薄一侧的焊芯外露，电弧失去药皮的保护，而发生倾斜。（如图1-8所示）。因此为了保证焊接质量，在焊条生产的质量标准中，对药皮偏心度的允许范围有明确的规定。（3）磁场的影响在采用直流电焊接时，因受焊接回路所产生的电磁力作用而造成的偏吹叫做磁偏吹。直流焊接时，在电弧周围除了自身电流产生的磁场外，还有通过焊件的电流所产生的磁场，如果导线的位置在焊件的右侧，则电弧右侧空间的两个磁场的磁力线方向相同，而使电弧两侧的磁场分布不对称，靠近地线的一侧磁力线密集，磁场增强。根据左手定则，电弧右侧的磁场对电弧有一个向左的推力，使之向左偏斜而产生磁偏吹。而且电流越大，磁偏吹越严重。如果将上

25、述的正接法改为反接法，则电流和磁力线的方向都随之改变，但作用于电弧的电磁力方向不变，电弧仍然向与接地线方向相反的一侧偏斜，与正接法时一样，因此，磁偏吹的方向与焊接的极性无关。图1-8焊条偏心度过大引起的电弧偏吹在电弧周围存在铁磁物质时，也会引起磁偏吹。由于铁磁物质的导磁能力远远大于空气，靠近铁磁物质一侧的磁力线多从铁磁物质中穿过，只有少数从电弧与铁磁物质之间的空气中通过，从而使电弧两侧的空气中磁力线分布不对称，造成电弧向存在铁磁物质的一侧偏斜，如图所示，就像铁磁物质吸引了电弧一样。在焊接角焊缝或Y形坡口对接焊缝时，往往会出现这种磁偏吹。总之，引起焊接电弧产生磁偏吹现象的根本原因是由于电弧周围磁

26、场分布不均匀，而这种情况只有在使用直流电源焊接时才明显发生，并且焊接电流越大，电弧磁偏吹现象越严重。当使用交流电源焊接时，由于电流和磁场在不停地变化，焊接电弧一般不会产生明显的磁偏吹现象。2.减少或防止电弧偏吹的方法焊接电弧的偏吹会给焊接工件带来不少困难，因此应尽量减小其影响。生产中常用的减小或防止电弧偏吹的方法主要由以下几种：（1）对于因气体流动过强引起的电弧偏吹，应首先根据具有情况查明气流来源、方向，再采取相应措施。如露天焊接有大风时，必须用挡板遮挡；管子焊接时，应将管口堵住以防“穿堂风”；焊接间隙较大的对接缝时，可在接缝下加垫板，以防止热对流引起的电弧偏吹。（2）在操作时适当调整焊条角度，使焊条向偏吹的一侧倾斜。这种方法对因焊条偏心