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气体保护焊电弧特性1
气体保护焊电弧特性
（一）
1.1 什么是焊接电弧?
电弧是一种气体放电现象，它能把电能有效而简便地转化为热能、机械能和光能。
定义：
有焊接电源供给的，具有一定电压的两电极间或电极与母材间，在气体介质中产生的强烈而持久的放电现象称为焊接电弧。
1.2 焊接电弧的基本特点是什么？
焊接电弧的基本特点为：
1）维持电弧稳定燃烧的电弧电压很低，只有10～50V。
2）在电弧中能通过很大电流，可从几安～几千安。
3）电弧具有很高的温度，弧柱温度是不均匀的，中心温度最高，可达到5000～30000K，而远离中心则温度降低。
4）电弧能发出很强的光。
电弧的光辐射波长为（1.7～50）×10-7m。
它包括红外线，可见光和紫外线3个部分。
1.3 电弧由哪几部分组成？
其特点是什么？
电弧是由3部分组成，即弧柱区、阴极区和阳极区，如图1所示。
1、弧柱区
弧柱区呈电中性，它是由分子、原子、受激的原子、正离子、负离子及电子所组成，其中带正电荷的离子与带负电荷的离子几乎相等，所以又称为等离子体。
带电的粒子在等离子体定向移动，基本上不消耗能量，所以才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。
因为阴极区和阳极区的长度极短，所以可以认为弧柱区长度为电弧长度。
弧柱区的电场强度较低，通常只有5～10V/cm。
2、阴极区
阴极被认为是电子之源。
它向弧柱提供99.9%的带电粒子（电子）。
阴极发射电子的能力，对电弧稳定性影响极大。
阴极区的长度为10-5～10-6cm，如果阴极压降为10V，则阴极区的电场强度为106～107V/cm。
3、阳极区
阳极区主要是接受电子，但还应向弧柱提供0.1%的带电粒子（正离子）。
通常阳极区的长度为10-2～10-3cm，则阳极区的电场强度为103～104V/cm。
由于阳极材料和焊接电流对阳极区压降影响很大，它可以在0～10V之间变化。
例如当电流密度较大，阳极温度很高，使阳极材料发生蒸发时，阳极压降将降低，甚至到0V。
1.4 试述短路引弧法的原理及提高引弧成功率的方法。
熔化极气体保护电弧焊都是利用短路引弧法进行引弧，钨极氩弧焊大都采用非接触引弧法，但也有采用短路引弧法。
下面以熔化极气体保护焊为例说明短路引弧法的原理。
熔化极气体保护电弧焊引弧时首先送进焊丝，并逐渐接近母材，如图2所示。
一旦与母材接触，电源将提供较大的短路电流，利用在A点附近的焊丝爆断，进行引弧。
如果在B点爆断，则引弧失败。
所以在A点爆断是引弧成功的必要条件。
在A点还是在B点爆断主要是由于焊丝在该点附近产生电阻热的大小，也就是其接触电阻的大小。
A、B两点的接触电阻如图3所示。
B点为焊丝与导电嘴的接触处，其接触电阻RB随时间变化很小，基本上不变。
在A点却不同，A点为焊丝端头与母材的接触点。
RA为接触电阻，在焊丝与母材接触瞬间RA为无穷大；随着短路电流的增加，A点迅速软化，使接触面积增加，于是RA急剧减小。
可见，为确保引弧成功，希望短路电流增长速度diS/dt越大越好，RA衰减速度越慢越好。
也就是在RA很大时，短路电流iS增加到较高的值，使得在A点发生爆断。
提高引弧成功率的方法如下：
1）提高短路电流增长速度diS/dt，主要是改善电源的工作状态。
如整流焊机中往往利用电流电感调节焊机的动态特性，以便减小飞溅和改善成形，但是却降低了diS/dt，而降低了引弧功率。
为此，在引弧时常常利用旁路电路将直流电感短接，而引弧成功后再将该电感接入。
此处，当逆变焊机出现后，充分利用电子电抗器调节电源动特性，而选用很小的直流电感，所以勿需采用上述方法，都可以得到很可靠的引弧过程。
2）减小接触电阻RA的衰减速度。
引弧时令焊丝送进速度慢一些，以便减小焊丝与母材的压力增长速度，RA衰减速度减缓。
送丝速度太慢也不利，通常选用1.5～3m/min。
引弧成功后，应立刻转换为正常送丝速度。
3）利用剪断效应引弧。
一般情况下，焊接时都利用钳子剪断焊丝端头残留的金属熔滴小球，以利于引弧。
但这样做很麻烦，所以现在许多气体保护焊设备增加了去球功能，也就是剪断效应。
在焊接结束时，适当降低电弧电压和送丝速度，从而实现自动去球功能。
4）导电嘴磨耗较大时，将增大B点处的接触电阻RB，不利于引弧。
为此应及时更换导电嘴。
1.5 试述高频高压引弧和高压脉冲引弧法的原理。
钨极氩弧焊时，主要采用高频高压引弧法或脉冲引弧法。
这两种方法都是将钨极接近工件，但是不接触，它们中间留有2～5mm的间隙。
这两种方法的电压都很高，达到2000～3000V。
引弧时利用高压击穿电极与工件的空间，形成火花放电，在高压作用下，电弧空间形成很强的电场，加强了阴极发射电子及电弧空间的电离作用，使电弧空间由火花放电或辉光放电很快就转变到电弧放电。
由于电弧放电时产生的高温，可以在低电压情况下维持电弧放电。
这样就完成了引弧过程。
引弧时需要高电压击穿电弧空间，为了安全而采用高频或脉冲电压。
1.6 何谓最小电压原理？
最小电压原理是电弧的一种特性，用以表征电弧的最小能量消耗的性能。
大家知道，自由电弧是在两个电极之间的气体放电现象，其导电截面可以自由扩大和缩小，也就是输入电弧的能量等于电弧散出的能量，于是表征电弧特性的各种物理参数，如弧柱直径（D）、弧柱温度（T）和弧柱电场强度（E）等都为确定值，其大小都遵循着能量消耗最小原则。
最小电压原理是：
对一个轴线对称的电弧，在给定的电流和边界条件下，当电弧处于稳定状态时，其弧柱直径（D）或温度（T）应使弧柱电场强度（E）具有最小值。
利用最小电压原理可以解释许多电弧现象，例如当电弧被周围介质强迫冷却时（高速气流或环境温度降低），电弧将自动收缩其断面，使其电流密度升高，电场强度和电弧温度也提高。
因为电弧的散热增加，要求电弧产生更多的热量给与补偿。
电弧产热为IE，如果电流I不变，则E必定要增加。
根据最小电压原理，电弧有自动使E增加到最小限度的倾向，也就是热损失最小的倾向。
所以在电弧被冷却时，电弧将自动收缩到某一个直径，这时电弧电场强度E增加得最小。
1.7 何谓阴极斑点和阳极斑点？
它们有什么特点？
阴极斑点的定义：
电弧放电时，负电极表面上集中发射电子的光亮极小区域。
当阴极材料熔点、沸点较低，而且导热性很强时，即使阴极温度达到材料的沸点开始蒸发，此温度也不足以通过热发射产生足够数量的电子，阴极将进一步自动缩小其导电面积，直到在阴极导电面积前面形成密度很大的正离子空间电荷，形成很大的阴极压降值，足以产生强的电场发射，以补足热发射的不足，向弧柱提供足够的电子流维持电弧燃烧。
此时阴极将形成面积更小、电流密度更大的斑点（该斑点的电流密度达106～108A/cm2）来导通电流，这种导电斑点称为阴极斑点。
在用高熔点材料（W、C等）作阴极时，在小电流情况下，也可能产生上述的阴极斑点。
当用低熔点材料（A1、Cu、Fe等）作阴极时，无论电流大小都可能产生阴极斑点。
此时，阴极表面将由许多分离的阴极斑点组成斑点区，这些斑点在斑点区以很高速度跳动（其速度可达104～105cm/s）。
形成新的阴极斑点应具有如下条件，首先该点应具有发射电子的条件（主要是场发射和热发射），其次是电弧通过该点弧柱能量消耗较小，也就是IELC较小（I——电流，E——弧柱电场强度，LC——弧柱长度）。
总之阴极斑点的跳动，总是自动选择发射电子时消耗能量最低的点。
如采用直流反极性焊铝时，阴极斑点有自动寻找氧化膜的倾向，如图4所示。
阳极斑点的定义：
电弧放电时，正电极表面上集中接受电子的光亮微小区域。
阳极的作用是接受电子和由阳极区提供弧柱所需要的0.001/I正离子流。
当采用低熔点材料作阳极时（Fe、Cu、A1等），一旦阳极表面某处有熔化和蒸发现象发生时，由于金属的电离能大大低于一般气体的电离能，在有金属蒸气存在的地方，更容易产生热电离而提供正离子流，电子流也更容易从这里进入阳极，阳极表面上的导电区将在这里集中而形成阳极斑点。
阳极斑点电流密度比阳极斑点要小，其数量级一般为102～103A/cn2。
对于低熔点阳极材料形成阳极斑点的条件是，首先该点有金属蒸发，其次是电弧通过该点弧柱消耗能量较低（亦即IELC较小）。
阳极斑点的移动不可能连续进行，总是跳动形式，如图5。
新的阳极斑点总是自动寻找纯金属表面而避开氧化膜，因为大多数金属氧化物的熔点和沸点皆高于纯金属，而金属氧化物的电离电压较高。
在小电流氩弧焊不锈钢薄板时，易发生阳极斑点跳动现象，这是十分不利的。
此外，许多情况下也可能不形成阴极斑点或阳极斑点。
如以高熔点电极（W、C等）作阴极，在大电流时，阴极温度很高，依靠热发射就可以维持电弧，阴极表面的电流密度与弧柱接近，温度均匀，不会形成阴极斑点。
又如当电流较大时，阳极温度很高时，依靠阳极前面中性粒子热电离就可以提供0.001/I的正离子流，则阳极压降UA接近于零。
这时电弧与阳极接触不产生任何收缩，也不能形成阳极斑点。
1.8 焊接电弧中存在哪些作用力？
其产生机理是什么？
焊接电弧是一个热源，同时也是一个力源。
电弧产生的机械作用力对焊接质量影响很大。
焊接电弧的作用力统称为电弧力，主要包括电磁力、等离子流力、斑点压力和短路爆破力等。
1、电磁力
由电工学可知，在两根相距不远的平行导线中，通过同方向的电流时，则产生相互吸引的力；反之，通过相反方向的电流时，则产生相互排斥的力。
如图6所示。
这个力的形成是由于在导体周围空间形成磁场，而两个通电导体又都处于磁场之中，受到磁场力作用，其单位长度导线受力大小与导线中流过的电流乘积成正比，与两导线间的距离成反比，如式
（1）所示：
I1I2
F=K───
（1）
l
式中 F——单位长度受力大小；
K——常数；
I1、I2——导体1、2中流过的电流；
l——两导体间的距离。
当电流从一个导体中流过时，整个电流可看成是许多平行的电流线组成，这些电流线之间也产生相互吸引力，则导体断面有收缩的倾向。
如果导体是固态不能自由变形，此收缩力不能改变导体的外形；如果导体是可以自由变形的液态和气态，导体将发生收缩，如图7中液态段。
这种现象称为电磁收缩效应，由此产生的力称为电磁力或电磁收缩力。
这种力在导体内将引起径向力。
假设导体为圆柱体，电流线在导体中的分布是均匀的，则导体任意半径r处的压力值可由式
（2）表示：
I2
Pr=K───（R2-r2）
（2）
πR4
式中 Pr——导体内任意半径r处的压力；
R——导体外径；
I——导体的总电流；
μ
K——系数，K=──（μ——介质磁导率）。
4π
导体中心轴处的径向压力（P0）为：
I2
P0=K───KJI （3）
πR2
式中 P0——导体中心轴处的径向压力；
J——电流密度。
因为在流体中各方向的压力相同，所以由于径向压力的产生也将产生轴向压力且大小相等，轴向压力的合力为：
K
F=K───I2 （4）
2
式中 F——轴向压力的合力；
I——电流。
在焊接电弧中，F将同时作用于焊丝和工件上。
实际上焊接电弧不是圆柱体，而是断面直径变化的圆锥状的气体导体。
由于焊丝直径限制了电弧的扩展，而在工件上电弧可以扩散得比较宽，也就是从焊丝端头到工件形成锥状。
由式（3）可知，直径不同将引起压力差，从而产生由焊丝指向工件的推力FP，其数值可由下式表示：
Rb
FP=KI21n（──） （5）
Ra
式中 FP——电弧指向工件的推力；
I——电流；
Rb、Ra——锥形电弧柱的下底面半径和上底面半径。
圆锥状电弧中任意点A的压力可由下式决定：
式中的参数含义如图8所示。
从式（6）可知，A点的电磁压力与电流的平方成正比，与l2成反比，且与θ、ψ角有关。
这种由电磁力引起的压力称为电磁静压力。
其特点是靠近焊丝处和电弧中心压力大些，而相反靠近母材和电弧边缘处压力减弱。
2、等离子流力
焊接电弧呈锥形，如图9所示靠近电极（焊丝）一端的电弧断面积比靠近工件一端的小，所以电极端电弧的电磁收缩力比工件端的大，从电极A到工件B形成一定的压力差，在该压力差的作用下，形成轴向推力FP在电极附近电弧中的气体离子将向工件方向流动。
高温气体流动时，将从上方吸入电弧周围的气体介质，而形成有一定速度的连续气流进入电弧区，在这里新加入的气体被加热和电离后，在电弧轴向推力作用下，冲向熔池，并对熔池产生附加压力，在电弧中，由于电弧推力引起高温气流的运动所形成的力称为等离子力，或称为等离子流力。
由于该力是由电磁收缩力引起的，所以又称为电磁动压力。
等离子流速度很快，其速度高达几十～几百米/秒，所以将对熔滴过渡和焊缝形成造成很大影响。
3、斑点压力
在焊丝端头形成斑点时，在阴极或阳极斑点处，由于电子流或离子流的冲击和金属蒸气的反作用力，对斑点所造成的压力称为斑点压力，如图10所示。
斑点压力常常不是某种单一原因造成的，而是多种因素同时作用的结果。
主要因素如下：
（1）正离子流或电子流对电极的冲击力 阳极接受电子流撞击或阴极接受正离子流的撞击。
由于正离子的质量远远大于电子的质量，同时一般情况下阴极压降UK大于阳极压降UA，所以斑点压力在阴极上表现较大，在阳极上表现较小。
（2）电磁收缩力 当电极上形成熔滴并出现斑点时，在焊丝、熔滴及电弧中的电流分布如图11所示。
熔滴和电弧空间的电流线都是在斑点处集中。
根据前面电磁收缩力产生的原理，电磁力的合力方向是由小断面指向大断面，所以在熔滴内从斑点处将产生向上的电磁收缩力，阻碍熔滴下落。
（3）电极材料强烈蒸发的反作用力 由于斑点上的电流密度很高，局部温度也很高而造成金属材料强烈地蒸发，使金属蒸气以较高速度从斑点表面发射出来，这种物质的发射将对斑点形成反作用力。
由于阴极斑点电流密度比阳极斑点的高，发射也要更强烈，所以阴极斑点压力也将比阳极斑点压力大。
（4）爆破力 在短路过渡时，熔滴与熔池金属短路，电弧熄灭，电流通过短路液态金属流过，在电磁收缩力作用下，形成液态金属小桥。
随着小桥直径变细，电流密度增加，则液体金属小桥的温度急剧升高，最终使液柱气化而爆断，这种作用力称为爆破力，如图12所示。
爆破力的大小对焊接飞溅影响很大，所以应适当控制。
1.9 什么是焊接电弧静特性？
焊接电弧静特性的定义是：
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，焊接电流和电弧电压之间关系的曲线，也称伏-安特性，如图13所示。
图中所示的电弧静特性曲线分为3个部分。
ab段为电流较小时，电弧静特性为负阻特性，即随着电流的增加而电压减小；当电流稍大时为bc段，随着焊接电流的增加，电弧电压值基本不变，为水平特性；当电流更大时为cd段，电弧电压随焊接电流的增加而增加，电弧静特性为上升特性。
由于电弧电压决定于弧长，所以当弧长增加时，电弧静特性曲线上移，而弧长缩短时，电弧静特性曲线下移。
1.10 试问各种弧焊方法的电弧静特性曲线有什么特点？
各种弧焊方法的电弧静特性曲线是不同的。
它们是在一定条件下求得的，所以其静特性只是图1-13曲线中的一部分，如图14所示。
1）小电流区间电弧静特性呈下降特性。
如图14a的示，在小电流区间，因电弧电流较小，弧柱的电流密度基本不变，弧柱断面将随电流的增加而按比例增加。
如果电流增加到原来电流的4倍，则弧柱断面面积也增加到原弧柱的4倍，而弧柱周长却只增加2倍，使电弧向周围空间散失热量也只增加2倍。
总之，减小了散热，提高了电弧温度和电离度，所以必然使电弧点电场强度下降，弧柱压降也呈下降趋势。
同时阴极与阳极压降也为下降特性，于是在小电流区间，电弧电压Ua呈下降趋势，也就是电弧静特性呈负阻特性。
小电流TIG焊接属于这种。
2）中电流区间电弧静特性呈水平特性。
如图14b所示，电流较大时，焊丝金属将产生金属蒸气和等离子流。
金属蒸气以一定速度喷射和等离子流将对电弧产生附加的冷却使用。
此时电弧的产热不但有周边散热损失，而且还有金属蒸气与等离子流的附加损耗。
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，可以保持电弧电场强度E不变，使电弧静特性呈平特性，如埋弧焊、焊条电弧焊和大电流TIG焊都是这种情况。
3）大电流区间电弧静特性呈上升特性。
如图14c所示，当电流进一步增大时，特别是用细焊丝GMAW焊接时，电弧弧柱区尺寸受焊丝直径的限制，随着焊接电流的增加，电弧柱电流密度增大。
同时，金属蒸气的喷射和等离子流冷却作用进一步加强以及电磁收缩力的作用，电弧断面不能随电流的增加而成比例地增大，使得电弧电导率减小，要保证一定的电流通过则要求较大的电场强度E。
所以在大电流区间，随着电流的增加，弧柱的电场强度增大。
另外，阴极压降和阳极压降在这种情况下影响不大。
所以电弧压降Ua主要受弧柱压降的影响，它随着电流的增加而升高，使得电弧静特性呈上升趋势。
如GMAW焊的电弧特性大多为上升特性。
1.11 电弧周围的介质对电弧静特性有什么影响？
电弧周围的介质包括气体介质的特性和气体介质的压力两个方面。
气体介质的特性主要是气体的热传导性和气体的热容，如图15和图16所示。
可以看到热容较高的和热传导性好的气体（如H2和He），对电弧产生冷却作用，引起电弧收缩，增大了电弧电场强度。
而Ar气为单原子气体，同时具有较低的热容和热导率，有较强的保持弧柱温度的能力，所以电弧电场强度较低。
这样一来，将得到如图17所示的电弧静特性偏低。
相反，氦气保护的电弧，电弧静特性较高。
气体介质压力的影响主要表现在随着气体压力增大，则气体离子密度也增加，气体离子通过散乱运动从电弧带走更多的热量。
因此气体压力越大，冷却作用就越强，弧压就越高。
同样道理，压缩电弧与自由电弧相比，压缩电弧的电场强度更高些。
所以气体介质的压力增大时电弧静特性将提高。
1.12 什么是电弧动特性？
电弧动特性的定义为：
对于一定弧长的电弧，当电弧电流发生连续的快速变化时，电弧电压与电流瞬时值之间的关系。
这里所指的快速变化的电流有交流电弧、短路过渡电弧、脉冲电弧以及引弧熄弧过程等。
由于焊接电流是时间的函数，则电弧弧柱中带电粒子的密度以及弧柱半径和温度等都随之变化，同时阴极与阳极的温度也随之变化，因此电弧电压也必然随时间而变化。
以交流电弧为例说明其动特性，如图18所示，电弧电流基本上按正弦规律变化。
由图18b可见电流从零向最大值变化过程中，电弧电压按PQR点的顺序变化。
当电压由最大值向零变化时，电压按PQR点的顺序变化。
PQR点电弧电压值大于RST点的值，ur为再引弧电压。
因两个电极均为碳极，所以其正负半波是对称的。
交流电弧的这种特性是由电弧空间气体的惯性所决定的。
每次电弧在引燃时都要求较高的再引燃电压。
一旦电弧引燃，电弧空间气体被加热而电离，并具有较高的温度，电弧空间的温度降低也有一定的惯性，所以要求较低的电压，因此形成上述那样的动特性曲线。
从上述的分析可以认为，凡是影响电弧空间散热条件，影响电极发射电子能力，影响气体电离的因素等都会影响交流电弧动特性曲线形状，也就直接影响交流电弧焊接过程稳定性。
1.13 为什么电弧可作为热源？
焊接电弧是一个将电能转换成热能的元件。
电弧是由3部分组成（弧柱区、阴极区和阳极区），其导电机构不同，决定了电弧各组成部分的产热机构各有不同特点。
1、弧柱区的产热机构
弧柱区是由电子、正离子和中性粒子组成的。
在电场作用下电子和离子进行定向运动，由于质量相差悬殊，所以参与导电的主要是电子，而正离子流只占很小的比例，它的作用是保持电弧空间呈电中性。
带电粒子在外加电场作用下运动，将电场能（位能）变成热能（动能）。
在弧柱中，电子并不是由阴极直接跑到阳极，而是在不断地与正离子或中性粒子相互碰撞过程中从阴极移向阳极。
因此电子的运动是由两部分组成：
一部分是与正离子（或中性粒子）碰撞过程的散乱运动；另一部分是沿电场方向的定向运动。
散乱运动的动能就是电子的热能，它占有弧柱区外加电能中的主要部分。
单位弧柱长度上的电能IE的大小就代表了弧柱的产热能量，它将与弧柱的热损失相平衡。
弧柱的热损失包括有对流、传导和辐射（包括光辐射）等。
根据测试结果，弧柱部分的对流损失占80%以上，辐射损失为10%左右，而传导损失是很少的。
弧柱的产热情况与固态导体不同，固态导体只要电流一定，其产热量也就一定。
电弧是一个气体放电过程，当电流一定时，弧柱的产热服从最小电压原理，将根据热损失大小而自行调整。
由于气体的质量、导热性能、解离程度的不同，电弧的热损失也不相同。
几种气体弧柱电场强度的比较如表1所示。
电流不变时，弧柱电场强度值E的升高意味着弧柱产热量增加，也意味着弧柱温度的升高。
同样道理，弧柱外围有强迫气流冷却或气压较高时，都能引起电场强度E的升高和弧柱温度上升。
表1 不同气体弧柱电场强度的比较
气体种类
Ar
空气
N2
CO2
O2
H2O
H2
电场强度之比（空气为1）
0.5
1
1.1
1.5
2.0
4.0
10
弧柱的产热主要消耗在向四周散失,只有极少部分通过辐射和热传导传给电极和工件。
而当电流较大或压缩电弧时，通过等离子流能把一部分热量带到工件上。
2、阴极区的产热机构
由于阴极区的长度很短（其数量级为10-5～10-6cm），所以阴极区热量直接影响焊丝的熔化和工件加热。
一般情况下，阴极区的带电粒子是由电子和正离子组成，这两种带电粒子的不断产生、运动和消失，同时伴随着能量的转变和传递。
弧柱中只有0.001I的正离子流，其数量相对总电流是很少的，可以认为它的产热对于阴极区产热可忽略不计。
影响阴极区能量状态的带电粒子，全部在阴极区产生，最后由阴极区提供足够能量的电子进入弧柱，实现放电过程。
因此可以从这些电子在阴极区的能量平衡过程来分析阴极区的产热。
阴极区提供的电子流与总电流I相近，这些电子在阴极压降作用下跑出阴极并受到加速作用，获得的总能量为IUK，这是在阴极区由电能转换热能的主要
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