1电弧焊基础知识

本文格式为Word版，下载可任意编辑——1电弧焊基础知识电弧：是一种气体放电现象，是指两电极存在电位差时，电荷通过两电极之间的气体空间的一种导电现象。

电弧极性：直流焊接时电弧的两极与电源的连接方式称为电弧的极性。焊接电弧的导电特性:电弧的伏安特性

电弧放电：电流最大、电压最低、温度最高、发光最强

电弧放电区伏安特性：1、电弧的静特性曲线2、电弧成负阻特性3、电弧成平特性4、电弧成上升特性

2.带电粒子的产生：气体电离、电极发射电子、形成负离子（1）气体电离：

电离：中性气体分子或原子分开成电子和正离子的现象。

电离电压：电离能用电压来表示，电离电压低说明气体的电离比较简单，电弧比较稳定。气体电离的形式:

1、热电离：是弧柱区产生带电粒子的主要途径。

2、电场作用下的电离：阴极区和阳极区的电场强度十分高，高达105~107V/cm，气体电离以电场作用下的电离为主。

3、光电离：次要途径。4、碰撞电离（2）电子发射

电子发射：电极表面受到外加能量的作用，使其内部的电子冲破电极表面的束缚飞到电弧空间的现象称为电子发射。

逸出功：使一个电子从金属表面飞出所需的能量称为逸出功。寻常用逸出电压表示。有氧化物时逸出功比较低，所以电子简单从氧化膜出逸出，形成阴极斑点。阴极斑点：阴极表面经常可以看到发出闪烁的区域，这个区域称为阴极斑点。电子发射最集中的区域、电流最集中流过的区域热阴极：斑点固定WC

冷阴极：斑点不规则移动CuFeAl

在焊有色金属及其合金时常用到电弧的阴极清理作用，就是源于阴极斑点的特性。电子发射机制分类：热发射、电场发射、光发射、粒子碰撞发射实际焊接中往往是多种电子发射机构共同完成电子发射的任务。（3）热发射：

金属表面受热的作用，内部的自由电子的热运动加剧，当自由电子的动能大于逸出功时，电子飞出金属表面参与电弧，参与电弧的导电过程。（对电极有冷却作用）

热发射强弱受到阴极材料沸点的影响，沸点高的钨或碳做阴极时，电极可以被加热到比较高的温度，通过热发射可以提供足够多的电子。（4）电场发射：

当金属表面存在一定强度的正电场时，金属内部的电子会受到电场力的作用，假使电场力足够大，电子飞出金属表面，这种现象称为电场发射。冷阴极主要是这种发射电子的机理

（5）光发射：金属表面受光能照射，使内部的自由电子冲破表面约束而产生的电子发射称为光发射。（6）粒子碰撞发射：焊接电弧中正离子撞击阴极表面，将其动能传给阴极内部的电子，使其逸出金属表面的发射过程称为碰撞发射。

热阴极：当使用沸点高的材料W或C作电极时，阴极区的带电粒子主要靠热发射提供，这种阴极称为热阴极。

冷阴极：钢、铜、铝、镁等材料作阴极时，由于它们沸点很低，电极加热温度受沸点的限制不可能很高，热发射不能提供足够的带电粒子，此时电场发射起主要作用，这种电极称为冷阴极。

负离子形成主要是由中性气体粒子（原子或分子）吸附一个电子形成的，负离子所带电量与电子一致，但是质量大，不能有效参与电弧导电过程造成电弧不稳。不希望电弧中存在大量的负离子

大多数粒子亲和能比较小，不易形成负离子

F、Cl、O2、OH、NO等离子亲和能比较大，易于形成负离子。焊接电弧由阴极区、阳极区、弧柱区构成。Ua=UA+UC+UK

弧柱区长度为电弧长度。分子、原子将产生热电离，形成等离子体。弧柱区呈电中性。带电的粒子在等离子体中定向移动，基本上不受空间电场的作用，所以能够在低电压条件下，传输大电流。传输电流的主要带电粒子是电子，大约占带电粒子总数的99.9%，其余为正离子。

阴极区电子之源：向弧柱提供99.9%的电子。阴极发射电子的能力，对电弧稳定性影响极大。阳极区接受电子，提供0.1%的正离子

电弧的静特性

在A区：电流较小，电弧热量较低，电离度低，电弧的导电性较差，需要有较高的电场推动电荷运动；电弧阴极区，由于电极温度低，电子提供能力较差，不能实现大量的电子发射，会形成比较强的阴极电压降。所以电流越小电压越高。

弧柱区在小电流范围内电流密度基本不变，弧柱截面随电流的增加按比例增加，但弧柱周长增加的少，产热多，散热少，电弧温度提高，电离程度提高，电弧电场强度降低，弧压降低，所以电弧成负阻特性。TIG焊小电流成负阻特性。平特性

在B区：电流稍大，电极温度提高，阴极热发射能力加强，阴极电压降低；阳极蒸发加剧，阳极电压降低。也就是说电弧中产生和运动等量的电荷不需要更强的电场。

对于弧柱区，电弧等离子气流加强，除电弧表面积增加造成的热损失外，等离子气流的滚动对电弧产生附加的冷却作用，因此在一定的电弧区间内，电弧电压自动的维持一定的数值，保证产热和散热的平衡。成平特性。

一般埋弧焊、手工焊、大电流TIG焊等都工作在平特性段。上升特性

在C区：电流更大时，金属蒸汽的发射及等离子流的冷却作用进一步加强，同时由于电磁力的作用，电弧截面不能成比例增加电弧的电导率减小，要保证较大的电流通过相对比较小的截面，需要更高的电场。MIG焊的电弧一般工作在上升段。焊接电弧的能量特性：

弧柱区的能量特性：一般电弧焊中，弧柱的热量仅有少部分通过辐射传给了焊丝或工件，而是通过弧柱散热损失了；等离子弧焊接中焊丝或工件的加热熔化主要靠弧柱的热量。弧柱区能够产生的能量主要是弧柱中正离子和电子的动能。

阴极区产生的能量可以直接用来加热焊丝和工件。阳极区产生的能量也可以直接用来加热焊丝和工件。焊接电弧的电磁特性：

磁收缩力：相互吸引力，大小与流过的电流大小成正比，与两根导线之间的距离成反比，导体断面有收缩的倾向。

电磁收缩力浮现上大下小的状态，轴向将产生压力差，从而产生一个由电极指向工件的推力，这就是电磁静压力。

等离子流力（电磁动压力）电弧静压力作用高温气体推向焊件电极上方气体补充新进入气体电离

斑点力：斑点受到带电粒子的撞击，或金属蒸汽的反作用而对斑点产生的压力，称为斑点力，或斑点压力。

阴极斑点力大于阳极斑点力

电弧与磁场的作用-电弧的刚直性（挺直性、挺度）：电弧抗争外界干扰，力求保持焊接电流沿电极轴向滚动的性能。

电磁力是产生电弧刚直性的主要原因。

磁偏吹：电弧在外加磁场的作用下偏离焊丝或焊条的轴线方向的现象称为磁偏吹。

磁偏吹可以造成电弧熄灭、熔滴过渡不规则、焊缝成形不良、引起未焊透、夹渣等缺陷。磁偏吹产生原因：导线连接位置；电弧附近电磁铁；磁性回路；焊接位置；

异种金属焊接时磁特性不同。减少磁偏吹的措施：

可能时采用交流电源代替直流电源；尽量采用短弧进行焊接；

对于长和大的工件采用两端接地的方法；假使工件有剩磁，焊接前应消除；避免周边铁磁性物质的影响；用厚药皮焊条代替薄药皮焊条。

导线接线位置引起的磁偏吹、

电弧附近的铁磁性物质引起的磁偏吹、剩磁引起的磁偏吹

焊丝的作用有两个：电极导电、填充金属（熔化和过渡的特性会对焊缝的质量产生影响）

焊丝熔化的热量来源

熔化极（阴极或阳极）电弧焊：阴极区产生的电弧热、焊丝伸出长度上的电阻热、阳极区产生的电弧热、焊丝伸出长度上的电阻热、

另外弧柱区的热量作用比较小非熔化极电弧焊：弧柱区产热熔化焊丝电弧热

阳极区：PA?I(UA?UW?UT)?IUW阴极区：PK?I(UA?UW?UT)?I(UK?UW)UK阴极压降、UA阳极压降、UW逸出电压、UT弧柱温度等效电压

焊丝接负时：焊丝加热与熔化取决于(UK?UW)。好多因素影响阴极电子发射，即影响的UK大小。如电流、温度、材料等。

焊丝接正时：主要取决于材料逸出功和电流的大小。当电流一定时，由于逸出功为常数，此时，焊丝熔化系数为定值。

熔化极气体保护焊时，UK>>UW，Pk>PA

所以，同种材料，在一致的电流的作用下，焊丝作为阴极的产热将比焊丝作为阳极时产热多。由于散热条件相近，所以焊丝接负时比焊丝接正时熔化快。

影响产热的因素：焊丝材料、有无氧化膜、焊丝熔点、焊丝直径、焊丝伸出长度、焊丝电阻率

影响焊丝熔化速度vm（kg/h）的因素熔化系数?m(g/A`1·h`1)电流：电流↑→熔化速度↑

电压：较长弧长范围内，电压变化不影响焊丝的熔化较短弧长范围内，电压↓→熔化系数↑自调理作用更短弧长范围内，电压↓→熔化系数↓电流极性：焊丝为阴极时，熔化速度大，

气体介质：反接时介质的影响不大，正接时介质的影响比较繁杂，无明显规律伸出长度：Ls↑→熔化速度↑

焊丝直径：d↑→熔化速度↓，电流和熔化速度关系直线的斜率越小熔滴上的作用力1.重力及表面张力2.电弧力3.爆破力

电弧对熔滴和熔池的机械作用力包括：电磁收缩力、等离子流力、斑点力、

电弧力只有在焊接电流较大的时候，才对熔滴过渡起主要作用；电流小时，重力表面张力起主要作用。1、电磁力2、等离子流力3、斑点力熔滴过渡分类：

颗粒过渡：电弧电压高，电流小。粗滴过渡、细滴过渡、排斥过渡。

粗滴过渡：高弧压，小电流；重力战胜表面张力作用；电弧稳定性和焊缝质量都比较差。高电压小电流MIG焊。

排斥过渡：弧根小；电流较大，斑点压力大；直流正接时，斑点压力很大，CO2、MIG都有明显的大颗粒排斥过渡

高电压较大电流CO2气体保护焊；

细滴过渡：高弧压，更大电流；电流比较大，电磁收缩力增大，表面张力减小；

熔滴存在的时间短，熔滴细化，过渡频率增加；电弧稳定性比较高，飞溅少，焊缝质量高；CO2细丝较大电流喷射过渡

富氩或氩气保护焊，可分为：射滴过渡、射流过渡、旋转射流过渡、亚射流过渡射滴过渡：斑点力和重力促进熔滴过渡；表面张力阻碍熔滴过渡；

飞溅小，成型好；电流有临界值，且电流区间窄，难调；电弧成钟罩型。射流过渡：钢焊丝MIG焊中，电流必需达到一定的临界值（产生跳弧的最小电流）。

接触过渡:焊丝（或焊条）端部的熔滴与熔池表面通过接触而过渡的方式。可分为：短路过渡、搭桥过渡

短路过渡：焊丝导电，小滴；磁收缩力大于表面张力搭桥过渡：焊丝不导电，大滴；电磁收缩力小于表面张力

熔滴过渡的控制

目的：改善过渡品质、提高焊接质量。

常用技术：脉冲电流控制法、脉动送丝控制法、射流－短路过渡控制法、波形控制法、脉动送丝－电流波形控制结合

脉冲电流控制法：熔化极氩弧焊

①一个脉冲一个熔滴、②一个脉冲多个熔滴、③多脉冲一个熔滴波形控制法：CO2气体焊

熔池及焊缝的形成：在电弧热及电阻热的作用下，焊丝与母材被熔化，在电弧力、重力、表面张力作用

下，在焊件上形成一个具有一定形状和尺寸的液态熔池。随着熔热源的移动熔