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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1050V。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500030000K，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（1.750）10-7m。它包括红外线，可见光和紫外线3个部分。
2、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510V/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
3、射电子的能力，对电弧稳定性影响极大。阴极区的长度为10-510-6cm，如果阴极压降为10V，则阴极区的电场强度为106107V/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10-210-3cm，则阳极区的电场强度为103104V/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010V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
4、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R
5、A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
6、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1.53m/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
7、是将钨极接近工件，但是不接触，它们中间留有25mm的间隙。这两种方法的电压都很高，达到20003000V。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
8、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
9、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（
10、该斑点的电流密度达106108A/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104105cm/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
11、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102103A/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
12、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。
13、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：
14、 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） R4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； K系数，K = （介质磁导率）。 4导体中心轴处的径向压力（P0）为： I2 P0 =K KJI （3） R2式中 P0导体中心轴处的径向压力；
