焊接電弧基礎(chǔ)

焊接電弧基礎(chǔ)第1頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一焊接電弧的概念電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，是指兩電極存在電位差時(shí)，電荷通過(guò)兩電極之間的氣體空間的一種導(dǎo)電現(xiàn)象。第2頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一焊接電弧的極性焊接電弧的極性：直流焊接時(shí)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(fù)極性第3頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)焊接電弧機(jī)理

一、氣體放電與焊接電弧電弧的本質(zhì)——?dú)怏w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(fā)現(xiàn)象。氣體放電的表現(xiàn)是帶電粒子在氣體中流動(dòng)而形成電流。人們依據(jù)電弧放電可以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，將電能變?yōu)闊崮芎蜋C(jī)械能來(lái)進(jìn)行熔焊。

電弧放電特性：低電壓、強(qiáng)電流、不遵循歐姆定律；產(chǎn)生強(qiáng)烈的光和熱；第4頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一焊接電弧的導(dǎo)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(fā)光最強(qiáng)電弧放電第5頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一電弧的伏安特性電弧的靜特性曲線負(fù)阻特性平特性上升特性第6頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、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(fā)射注入電子；電弧是由少量帶電粒子與大量中性粒子構(gòu)成的導(dǎo)電氣體空間，根據(jù)帶電粒子的多少（電離度）可分為強(qiáng)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(xiàn)象；強(qiáng)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(xiàn)象；普通焊接電弧空間屬于弱等離子體，其實(shí)效電離度一般在10－3～10－4量級(jí)，產(chǎn)生帶電粒子的途徑：第7頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一陰極電子發(fā)射

陰極電子發(fā)射是電源持續(xù)向電弧供給能量的唯一途徑，是電弧產(chǎn)熱及中性粒子電離的初始根源。陰極所發(fā)射電子中的一部分消耗在電弧空間（與離子復(fù)合、散失到外圍），其它的撞擊引發(fā)中性粒子電離（即電子傳遞）或直接飛入陽(yáng)極；陽(yáng)極所接收電子中的相當(dāng)一部分則是電離產(chǎn)生的；

陰極電子發(fā)射的型式：

熱發(fā)射、電場(chǎng)發(fā)射、光發(fā)射、重粒子撞擊發(fā)射；電子逸出功第8頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一中性粒子電離電離的型式：

熱電離、光電離、電場(chǎng)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。第9頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

熱電離是由中性粒子的熱運(yùn)動(dòng)（布朗運(yùn)動(dòng)）發(fā)生相互碰撞而引發(fā)的，多發(fā)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(guān)；在熱平衡狀態(tài)下，單一氣體的一價(jià)熱電離度與相關(guān)因素的關(guān)系可用印度科學(xué)家Saha公式（1920年提出）來(lái)描述，即可以通過(guò)熱統(tǒng)計(jì)力學(xué)計(jì)算得到。當(dāng)給出具體原子后，則：第10頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

右圖是由上式的計(jì)算結(jié)果，表明不同氣體原子空間在1個(gè)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(duì)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：即壓力越低，氣體越容易電離。第11頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一帶電粒子的擴(kuò)散與復(fù)合

電弧空間中，帶電粒子在電場(chǎng)作用下總體進(jìn)行著定向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還由于中心與外圍的密度差異而發(fā)生從內(nèi)向外的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。在穩(wěn)態(tài)電弧中，帶電粒子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)并不會(huì)造成電弧整體帶電粒子分布的均勻化，而是處于相對(duì)穩(wěn)定的動(dòng)平衡狀態(tài)。

帶電粒子的復(fù)合是一項(xiàng)重要的電弧行為，主要發(fā)生在電弧外圍溫度較低的區(qū)域，會(huì)對(duì)電弧熱量平衡和導(dǎo)電性造成影響。一般來(lái)說(shuō)，電弧從自身機(jī)制上具備自身維護(hù)熱量平衡和導(dǎo)電能力，帶電粒子的復(fù)合只在小電流電弧或者交流電弧的穩(wěn)定性方面產(chǎn)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(kuò)散到外圍復(fù)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。第12頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一帶電粒子通過(guò)擴(kuò)散、復(fù)合和電子結(jié)合成負(fù)離子等的過(guò)程消失。電弧穩(wěn)定“燃燒”時(shí)，帶電粒子的產(chǎn)生和消失處于動(dòng)平衡狀態(tài)。負(fù)離子的存在對(duì)電弧穩(wěn)定性有影響。第13頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電弧導(dǎo)電機(jī)構(gòu)1、電弧的構(gòu)造及電弧電壓維持電弧放電的條件：氣隙內(nèi)不斷生成帶電粒子；保持陰極、陽(yáng)極與氣隙間電流的連續(xù)；U=Ui+Uy+Uz第14頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、電弧各區(qū)的導(dǎo)電特點(diǎn)I=Ie+Ii

陰極區(qū)導(dǎo)電特點(diǎn)：以Fe、Cu、Al等低熔點(diǎn)材料作陰極——冷陰極，又稱為電場(chǎng)發(fā)射型形成強(qiáng)電場(chǎng)（105～107V/cm）發(fā)射電子，產(chǎn)生陰極斑點(diǎn)；高速正離子碰撞陰極產(chǎn)熱并發(fā)射電子；離子電流占有一定比例；形成等離子區(qū)：陰極區(qū)長(zhǎng)度大、場(chǎng)強(qiáng)較弱，熱發(fā)射和電場(chǎng)發(fā)射都不強(qiáng)；區(qū)內(nèi)溫度高，熱電離產(chǎn)生較多的帶電粒子，呈現(xiàn)球形高亮度體；第15頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一以C、W等高熔點(diǎn)材料作陰極——熱陰極，又稱熱發(fā)射型

陰極溫度高而產(chǎn)生熱電子發(fā)射；無(wú)陰極斑點(diǎn)，幾乎無(wú)壓降；

熱發(fā)射電子散失熱量，正離子進(jìn)入釋放熱量，材料電阻產(chǎn)熱；

在實(shí)際焊接電弧中，因電極材料、電弧氣氛、電流值的不同，陰極區(qū)的導(dǎo)電過(guò)程會(huì)有很大差異，進(jìn)而對(duì)焊絲熔化效果、熔滴過(guò)渡形態(tài)、陰極表面清理作用等產(chǎn)生較大影響。第16頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

弧柱區(qū)的導(dǎo)電特點(diǎn)：正負(fù)帶電粒子的數(shù)量幾乎相等，

整體呈現(xiàn)中性；

場(chǎng)強(qiáng)弱、壓降低、電阻小，形成強(qiáng)大電子流；

粒子間強(qiáng)烈碰撞產(chǎn)生高溫（103～104℃）、

熱電離；

弧柱區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度高低與氣體成分及電流大小有關(guān)，顯示其導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱。第17頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一區(qū)內(nèi)正離子的形成有兩種方式：電場(chǎng)電離型

——

依靠區(qū)內(nèi)負(fù)電荷堆積形成的電場(chǎng)來(lái)加速進(jìn)入?yún)^(qū)內(nèi)的電子，高速電子撞擊中性粒子電離而產(chǎn)生正離子；陽(yáng)極壓降較大，產(chǎn)生斑點(diǎn)。

這是小電流焊接條件下的陽(yáng)極區(qū)導(dǎo)電特征；

熱電離型

——

陽(yáng)極溫度高，產(chǎn)生金屬蒸汽，金屬氣體熱電離生成正離子；幾乎無(wú)壓降，沒(méi)有斑點(diǎn)。這是大電流TIG、MIG焊接條件下的陽(yáng)極區(qū)導(dǎo)電特征；

陽(yáng)極區(qū)的導(dǎo)電特點(diǎn)：陽(yáng)極區(qū)：向弧柱提供小于1％的正離子流；接收來(lái)自弧柱區(qū)大于99％的電子流；

第18頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

陰極斑點(diǎn)：主要形成于電場(chǎng)發(fā)射型陰極表面，是電流密度很高的局部導(dǎo)電區(qū)域。

對(duì)于低熔點(diǎn)陰極，或電流很小的高熔點(diǎn)陰極均可形成陰極斑點(diǎn)。斑點(diǎn)特征：溫度高——使陰極材料蒸發(fā)；分散性——可能同時(shí)存在幾個(gè)分離的；“粘著”性——電弧兩極作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，斑點(diǎn)顯示“拖拽”現(xiàn)像；自動(dòng)選擇性——高速跳動(dòng)，選擇逸出功低的區(qū)域。

若陰極材料表面有氧化膜，則斑點(diǎn)會(huì)優(yōu)先在此處形成。利用這一點(diǎn)來(lái)清除（蒸發(fā)、霧化）Al、Mg合金焊接區(qū)的表面氧化膜，可有效提高接頭質(zhì)量（減少焊縫夾雜、改善焊縫成形）。

3、陰極斑點(diǎn)與陽(yáng)極斑點(diǎn)電弧兩極區(qū)的導(dǎo)電狀態(tài)會(huì)對(duì)焊接過(guò)程產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響接頭質(zhì)量。第19頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

陽(yáng)極斑點(diǎn)：

形成條件——在電場(chǎng)電離型導(dǎo)電機(jī)制下即低熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性好的陽(yáng)極材料，或很小的焊接電流；

（在陽(yáng)極材料熔點(diǎn)較高，且電流大的情況下不會(huì)產(chǎn)生）

斑點(diǎn)特征：面積較弧柱截面小、較陰極斑點(diǎn)的大；溫度高——光亮點(diǎn)，可引發(fā)熱電離；自動(dòng)選擇性——擇取弧柱能量（i.E.l）消耗最小處；“粘著”性——陽(yáng)極移動(dòng)時(shí)，斑點(diǎn)顯示“拖拽”現(xiàn)像；跳動(dòng)性——陽(yáng)極移動(dòng)或熔化時(shí)，不斷擇機(jī)跳動(dòng)；

斑點(diǎn)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(duì)陰極斑點(diǎn)）；高速電子的撞擊力（對(duì)陽(yáng)極斑點(diǎn)）；

在相同工藝條件下，陽(yáng)極斑點(diǎn)壓力較陰極的小；

斑點(diǎn)壓力會(huì)阻礙熔滴過(guò)渡；第20頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

主要為電子（還有很少量正離子）在電場(chǎng)作用下將位能（電場(chǎng)能）轉(zhuǎn)換為熱能和動(dòng)能。其中熱能占主體，是電子與其它粒子碰撞產(chǎn)生的，近似值為Ⅰ.E.l；此外還有電子從陰極區(qū)帶來(lái)的動(dòng)能Ⅰ.UT1和帶到陽(yáng)極的動(dòng)能Ⅰ.UT2?？傮w近似為：

Ⅰ.E.l+Ⅰ.UT1-Ⅰ.UT2Ⅰ.E代表弧柱單位長(zhǎng)度上的產(chǎn)熱量，它與弧柱的熱散失相平衡。Ⅰ一定時(shí)，弧柱的產(chǎn)熱是一變數(shù)，即E會(huì)因熱損失大小而變化。當(dāng)氣體種類、壓力、周圍冷卻不同時(shí)，會(huì)自動(dòng)調(diào)整到一個(gè)最小值。四、電弧產(chǎn)熱及溫度分布焊接電弧的產(chǎn)熱來(lái)自電源輸入電能的轉(zhuǎn)換；電源輸入的總能量為：Pa=Ⅰ（UA+UC+UP）該能量在電弧中轉(zhuǎn)換為熱能、光能、磁能、機(jī)械能。其中熱能占絕大部分，并以傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射等形式給予周圍氣體、陽(yáng)極和陰極材料，在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定中保持產(chǎn)熱和散熱的平衡。1、弧柱的產(chǎn)熱第21頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

產(chǎn)熱主體仍為電子的位能（其次還有很小部分來(lái)自弧柱區(qū)的正離子能），其中部分被消耗于發(fā)射電子的逸出功和被電子帶到弧柱區(qū)的動(dòng)能。產(chǎn)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(qū)的產(chǎn)熱3、陽(yáng)極區(qū)的產(chǎn)熱

電子流在陽(yáng)極產(chǎn)熱分為三部分：即陽(yáng)極區(qū)內(nèi)的電能轉(zhuǎn)換，近似為Ⅰ.UA；從弧柱區(qū)帶來(lái)的動(dòng)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(yáng)極（焊絲或工件）及散失。第22頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一最小能量（電壓）原理

——

在給定的電流及周邊條件情況下，電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)，其導(dǎo)電區(qū)截面能自動(dòng)調(diào)節(jié)使電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)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我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(dǎo)電截面，這時(shí)若外界因素使導(dǎo)電截面增大或縮小，都會(huì)導(dǎo)致E的增大。最低能量（電壓）原理第23頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一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(zhǎng)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第24頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一軸向－兩極區(qū)低、弧柱區(qū)高；徑向－中心高、外周低；

兩極區(qū)溫度較低是因?yàn)闇厣艿诫姌O材料熔點(diǎn)和沸點(diǎn)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(diǎn)；電弧長(zhǎng)度；電極材料及尺寸；保護(hù)氣成分及環(huán)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。第25頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

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(qū)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，溫度也高第26頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一五、電弧力及其影響因素

焊接電弧相當(dāng)于許多平行的電流導(dǎo)體，各導(dǎo)體中通過(guò)同方向的電流，產(chǎn)生吸引力，即磁收縮力。單位長(zhǎng)度上受力為：

其中K=u/4π

對(duì)于焊接而言，電弧不僅僅是一個(gè)加熱源，同時(shí)也是一個(gè)力源。電弧力與焊接中表現(xiàn)出的熔池形態(tài)、熔深尺寸、熔滴過(guò)渡、焊縫成形等都有密切關(guān)系，同時(shí)也是形成不規(guī)則焊縫、產(chǎn)生成形缺陷、造成焊接飛濺的直接原因。1、電弧靜壓力（電磁收縮力）第27頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

如上圖，假設(shè)焊接電弧為一圓柱導(dǎo)體，通過(guò)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——弧柱半徑第28頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一在弧柱中心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(shí)作用于焊條（或焊絲）和工件熔池上。因?qū)嶋H電弧為錐體，熔池端較大，產(chǎn)生壓力差，熔池上受到壓力差引起的推力，大小為：第29頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

電弧中的電磁壓力差會(huì)促使空間內(nèi)氣體向熔池方向流動(dòng)，形成連續(xù)的氣流沖向熔池，并且氣流的速讀分布不同。這種由電弧推力引起高溫氣流運(yùn)動(dòng)所形成的力稱為電弧動(dòng)壓力。這種力實(shí)質(zhì)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(dòng)壓力大小與電流值、氣流強(qiáng)度、電弧長(zhǎng)度、電弧形態(tài)、電極狀態(tài)等因素有關(guān)。它會(huì)對(duì)熔池（焊縫）形狀、熔滴過(guò)渡產(chǎn)生顯著影響，如促進(jìn)射滴過(guò)渡、導(dǎo)致T型熔池等。2、電弧動(dòng)壓力（等離子流力）第30頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

當(dāng)電極上形成斑點(diǎn)時(shí)會(huì)引發(fā)斑點(diǎn)力。斑點(diǎn)力包含以下幾方面成分：（1）帶電粒子的沖擊力，在陰極斑點(diǎn)上表現(xiàn)較大；（2）電磁收縮力，是由于電流線在熔滴底部集中引發(fā)的，同樣在陰極斑點(diǎn)上表現(xiàn)較大；（3）電極材料蒸發(fā)的反作用力，也是在陰極斑點(diǎn)上表現(xiàn)較大；

斑點(diǎn)力會(huì)阻礙熔滴過(guò)渡，也會(huì)對(duì)熔池產(chǎn)生一定的影響。斑點(diǎn)力第31頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一等離子流力——促進(jìn)熔滴過(guò)渡斑點(diǎn)（壓）力——陰極＞陽(yáng)極／阻礙熔滴過(guò)渡

第32頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

爆破力存在于短路電弧焊接，當(dāng)熔滴與熔池發(fā)生短路時(shí)，電流急劇增大，短路液柱中電流密度很高，溫度急劇升高，使液柱汽化爆斷而產(chǎn)生沖擊力。爆破力可能使液柱金屬形成飛濺，也會(huì)對(duì)熔池及焊絲端部的液態(tài)金屬造成沖擊，導(dǎo)致飛濺。爆破力細(xì)熔滴沖擊力

熔化極射流過(guò)渡焊接時(shí)，細(xì)熔滴顆粒在等離子流力作用下高速?zèng)_向熔池，形成沖擊力。此力使熔池底部的熔深加大。第33頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（1）氣體介質(zhì)

導(dǎo)熱性好、多原子氣體、氣壓氣流量大，均會(huì)使斑點(diǎn)壓力增大，阻礙熔滴過(guò)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(hù)焊；3、電弧力的主要影響因素第34頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（2）電流及電壓（弧長(zhǎng)）電流增大，電磁收縮力、等離子流力增大；電壓（弧長(zhǎng)）增大，電磁收縮力、等離子流力減?。ㄊ腔≈睆脚蛎浂码娏髅芏葴p小的緣故）；第35頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（4）焊絲（電極）極性TIG焊時(shí)，鎢極接負(fù)允許流過(guò)較大的電流，陰極區(qū)收縮的程度大，將形成錐度較大的錐形電弧，產(chǎn)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(shí)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(shí)焊絲接負(fù)，熔滴受到正離子的沖擊，既有較大的斑點(diǎn)力作用在熔滴上，使熔滴長(zhǎng)大，不能順利過(guò)渡，又不能形成很強(qiáng)的電磁力和等離子流力，因此電弧力??；在焊絲接正時(shí)．所受到的斑點(diǎn)力小，有利于細(xì)小的熔滴過(guò)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；第36頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第37頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（5）鎢極端部形狀鎢極端部的角度為45°時(shí)，具有最大的電弧壓力。有時(shí)為了對(duì)電弧力加以限制，可以把鎢極最前端磨出一定尺寸的平臺(tái)，減小電弧靜壓力和等離子氣流。當(dāng)把鎢極前端加工成空心形狀時(shí)(在電弧—激光同心復(fù)合能源中使用)，電弧壓力亦有明顯降低。第38頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第39頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（6）脈動(dòng)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(dǎo)電區(qū)半徑減小所致）。第40頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

所謂直流電弧是指電弧(電極)極性不發(fā)生變化的電弧，其最大特點(diǎn)是穩(wěn)定性好。根據(jù)電流形式的不同，可以有恒定電流下的直流電弧和變動(dòng)電流下的直流電弧。變動(dòng)電流下的直流電弧是指焊接電流隨時(shí)間以某種規(guī)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(guī)律變化的脈動(dòng)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(guò)渡控制等方面起到重要作用。六、直流電弧與交流電弧1、直流電弧第41頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

當(dāng)電弧兩個(gè)電極材料不同時(shí)，由于電子發(fā)射能力的不同，電弧兩種極性狀態(tài)將流過(guò)不同的電流值，即在電弧和焊接回路中出現(xiàn)正負(fù)半波電流不同的情況，正負(fù)半波電流的差值稱作直流分量，主要出現(xiàn)在使用普通交流焊機(jī)TIG焊接時(shí)，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(shí)間交替變化的電弧，也就是焊接電流方向按照一定的時(shí)間間隔變化。（1）交流電弧的燃燒特點(diǎn)

交流電弧每半個(gè)周波極性反轉(zhuǎn)一次，當(dāng)產(chǎn)生極性轉(zhuǎn)換時(shí)，都存在電流過(guò)零問(wèn)題．造成電弧不穩(wěn)定。因此，焊接應(yīng)用中需要對(duì)交流電弧采取穩(wěn)弧或再引燃措施。

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(jù)需要，人為構(gòu)造出正負(fù)半波不平衡電流。第42頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（2）交流電弧產(chǎn)熱及力的特性

交流電弧的產(chǎn)熱與電弧力特點(diǎn)居于直流正接與直流反接兩者之間，主要是電極的產(chǎn)熱有特殊點(diǎn)。由于交流電弧產(chǎn)熱及電弧力特點(diǎn)，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。第43頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

對(duì)于交流TIG焊電弧，在電極為負(fù)的半波，母材作為陽(yáng)極產(chǎn)熱量大，電弧的熱量約70％給予了母材，用于母材熔化，同時(shí)電弧燃燒穩(wěn)定；在電極為正的半波，電極產(chǎn)熱量相對(duì)較大，容易燒損，因而只能在很小的電流下長(zhǎng)時(shí)間工作，然而此時(shí)母材作為陰極，具有清除表面的氧化膜的作用，能夠連續(xù)破壞母材表面上電弧覆蓋區(qū)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)良好的焊接，是交流TIG焊成功應(yīng)用的典范。（3）交流電弧的應(yīng)用第44頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

焊接電弧的靜特性是指在一定的電弧長(zhǎng)度及穩(wěn)定的工藝條件下，改變電弧電流數(shù)值，電弧達(dá)到穩(wěn)定燃燒狀態(tài)時(shí)所對(duì)應(yīng)的電弧電壓曲線。第二節(jié)焊接電弧特性一、焊接電弧靜特性第45頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第46頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一影響電弧靜特性的因素：電弧長(zhǎng)度；電弧空間氣體成分、流量、環(huán)境溫度；電弧兩極材質(zhì)；焊接電流大小等。第47頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第48頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

電弧動(dòng)特性是指焊接電流隨時(shí)間以一定形式變化時(shí)電弧電壓的表現(xiàn)，反映的是電弧導(dǎo)電性能對(duì)電流變化的響應(yīng)能力。直流電弧的動(dòng)特性是采用一定形式的變動(dòng)電流進(jìn)行焊接時(shí)的電流—電壓關(guān)系曲線。變動(dòng)電流的形式是多種多樣的，比如脈沖電流、高頻電流、脈動(dòng)電流等。二、焊接電弧動(dòng)特性第49頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

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

在進(jìn)行變動(dòng)電流及波控電流焊接時(shí)，需要考慮電弧動(dòng)特性對(duì)工藝的適應(yīng)能力，采取必要的參數(shù)配合。第50頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

惰性氣體電弧在工件作為陰極的情況下，陰極斑點(diǎn)跳動(dòng)，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(dāng)工件為冷陰極材料時(shí)尤為顯著。在有色金屬（鋁材質(zhì)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(jìn)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第51頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

陰極清理作用的機(jī)理是正離子受陰極電場(chǎng)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(shù)比純金屬低，陰極斑點(diǎn)會(huì)不斷地移動(dòng)尋找新的氧化膜，形成新的陰極斑點(diǎn)，從而將電弧覆蓋區(qū)內(nèi)的氧化膜掃除。陰極斑點(diǎn)的清理作用是來(lái)自電弧空間正離子對(duì)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?yàn)闅鍤獾脑淤|(zhì)量較大。第52頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一電弧的挺直性(arcstiffness)

電弧挺直性是指電弧作為柔性導(dǎo)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(dòng)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(guò)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(chǎn)生的電磁力作用的結(jié)果。它能保持弧柱軸線與工件成一定傾角。四、磁場(chǎng)對(duì)電弧的作用（1）自身磁場(chǎng)的作用自身磁場(chǎng)：產(chǎn)生收縮力，促使熔滴過(guò)渡，加大熔深，增大電弧剛直性；引起磁偏吹、電弧不穩(wěn)，影響焊縫成形；第53頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

當(dāng)電弧的挺直性較強(qiáng)時(shí)，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。第54頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

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(chǎng)強(qiáng)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(hù)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(hù)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(shí)，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(shí)際中已有廣泛應(yīng)用。第55頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一電弧的磁偏吹

磁偏吹

——

磁場(chǎng)不對(duì)稱使電弧偏離電極軸線的現(xiàn)象。原因：弧柱中電流密度不對(duì)稱

→

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

在同等工藝條件下，交流電弧的磁偏吹較直流的弱。第56頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第57頁(yè)，共69頁(yè)，2023年，2月20日，星期一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(cè)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）；第58頁(yè)，共69頁(yè)