气体保护焊电弧特性一

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R B 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。

R A为接触电阻，在焊丝与母材接触瞬间R A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R A急剧减小。

可见，为确保引弧成功，希望短路电流增长速度di S/dt越大越好，R A衰减速度越慢越好。

也就是在R A很大时，短路电流i S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di S/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di S/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R A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，R A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R B，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IEL C较小（I——电流，E ——弧柱电场强度，L C——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IEL C 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U A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：I1I2F= 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：I2P r =K ───（R2-r2）（2）πR4式中P r——导体内任意半径r处的压力；R——导体外径；I——导体的总电流；μK——系数，K = ──（μ——介质磁导率）。

4π导体中心轴处的径向压力（P0）为：I2P0 =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：KF =K ───I2（4）2式中F——轴向压力的合力；I——电流。