非熔化极电弧焊

    电弧有两种基本类型：熔化极电弧和非熔化极电弧。非熔化极在焊接过程中不熔化，电极不通过电弧向熔池过渡填充金属。非熔化极电弧焊有钨极惰性气体保护焊（通常简称钨极氩弧焊）、等离子弧焊和碳弧焊等几种方法。电弧的主要作用是将电能转换为焊接所需要的热量，此外，电弧还会发光、产生噪声并对工件产生离了轰击作用。而这种离了轰缶作用可去除母材表面的氧化膜。
    焊接电弧是大电流、低电压的持续放电现象，通过放电将电能转换为熔化工件所需要的热量。焊接过程中，电弧稳定地燃烧在电极端部和工件之间。焊接电弧的电流最小仅为1A，而最大可达300A；电弧电压最低为10V，最高可超过过40V。焊接电弧呈近似锥形，锥顶为电极端部与电弧的交接面，而锥底为电弧与熔池的交接处。非熔化极电弧的典型型貌见图5.1。无论是电极接正极还是接负极，电弧总是在电极端受到拘束，而在工件端得以扩展。其他条件一定的情况下，电弧电压与电弧长度成正比。但电弧长度增大到一定程度后，电弧将熄灭。焊接电弧的长度一般保持在电极/焊丝直径的1~4倍之间。对于不同电弧长度，维持电弧稳定燃烧所需的最小电流是不同的。电流越大，可保持稳定燃烧的电弧长度就越长。弧柱的横断面通常呈近似圆形，可分为两个区域，中间为内核区或称等离子区，外部为外焰区。电弧等离子区传导大部分电弧电流，具有较高的温度；而外焰区较低，主要起着将稿子弧拘束在电弧中心的作用。等离子区的直径取决于电弧电流的大小、保护气氛、电极尺寸及类型。电弧电流与电压之间的关系不再是直线关系。图5.2示出了非熔化极电弧的典型伏安特性，即电弧电流与电压之间的关系曲线。一般情况下，电弧电压随着电流的增大而稍有升高。

    相同的焊接电流下，弧长越大，电弧电压越高；而氦弧比氩弧的电弧电压高。电弧的电导率随电流增大而迅速增大，其增大速度 比简单的线性关系更快。
    当阴极表面发射出电子，并穿过两个电极之间的高温气体空间到达阳极时，电弧就引燃起来。
    利用钨极氩 弧焊可很好地解释电弧热的产生过程，如图5.3所示。图5.3（a)示出的是直流正接（DCEN）的钨极惰性气体保护焊。电弧引燃后，钨极温度迅速升高，发射出大量电子。这些电子在电场作用下穿过电弧空间向阳极运动，运动过程中不断碰撞保护气体原子，提高了气体 的温度。电子与保护气体原子的碰撞还会导致部分原子发生热电离。电离出来的正离子在电场的作用下飞向阴极，到达并进入阴极时动能转变为热能。该热量提高 阴极温度，从而保持足够的电子发射能力。这种在热量作用下发射电子的方式被称为热发射。正离子从工件进入电弧空间，穿过电弧空间进入阴极的过程对电流也有贡献，但由于正离子的质量比电子大得多，因此载流能力有限，仅对低压电弧的导电有较大帮助。正常情况下，电弧电流中有99%是电子流。从电源中连续注入到焊接回路中的电子保持了电弧中正离子和电子的平衡。电子与工件的碰撞获得了加热和熔化工件的热量。.

    对于直流钨极氩弧焊同，阳极上的产热量大于阴极上的产热量。电极接正极（阳极）、工件接负极（阴极）时（图5.3（b）），电子从工件向电极运动，并在电极上产生很大的热量，电极容易过热，因此，在同样的电流下直流反极性接法（DCEP）需要选择直径较大的钨极。此外，由于工件上产生热量较少，这咱接法的熔深比DCEN要浅得多。但采用直流反极性接法（DCFEP）时，电弧附近的工件具有很强的氧化膜清理作用。工件表面的氧化膜被 去除，这种作用称为阴极雾化作用，这是由于正离子的轰击造成的。采用交流进行焊接时，在反极性半波也具有这种作用。
    电弧在弧长方向上可分成三个区域；中间区、电极区和工件区。在两个端部区（极区），电极和工件的冷却作用导致了较大的电压降。这两个端部区分别被称为阳极区和阴极区（电极区和工件区中，哪个区是阳极区、哪个区是阴极区要根据电流方向来判断）。中间区通常又称为弧柱区，其长度占电弧总长度的99%，而且电压在弧柱长度上呈线性分布。图5.4给出了沿电弧长度方向的电压分布。在弧柱区，电弧周围存在着由电弧的趋势，电弧自身磁场的这种压缩作用称为电磁收缩效应，电磁收缩效应使弧柱受到很大的压力，并形成速度 很高的高温气流，该高温气流被称为等离子流。等离子流的速度接近声速。

    阴极区是阴极和弧柱的电连接区域。在该区域的温度降和电位降相对较大，阴极区产生电子并提供给弧柱区，而电弧的稳定燃烧取决该区域是否能稳定地产生电流。钨极和碳极能够以热发射的方式发射电子，因为两都 均具有很高的熔点，且发射电子能力很强。它们可用作非熔极材料。由于钨的熔点最高，焊接中一般选用钨做非熔化极。
    在电弧另一端的阳极区是阳极和弧柱的电连接区域。阳极的温度与弧柱的温度有明显的差别，弧柱的温度比阳极要高得多。阳极区温度较低是由于它靠近热导率高、熔点低的工件。阳极区和阴极区的温度分布。由图可看出电弧各个位置的温度是不同的，不同的电流下同一位置的温度也会有所不同。

   对于直流碳极电弧焊，阴极区产生的热量是电弧总热量的1/3，而阳极区产生的热量占电弧总热量的2/3.因此，当碳电极接负极时，电弧更稳定，同样电流下可采用直径较小的碳极，而且熔深较大。
   研究者证实，如果减小钨极氩 弧弧柱的横断面面积，电弧温度就会显著提高。通过对钨极氩 弧弧柱进行拘束而使其横截而积减小后，为了使电流保持不变，唯一的途径就是弧柱温度升高，电导率增大。等离子弧发生器就是通过使电弧穿过一水冷铜喷的小孔来压缩电弧的。对电弧的冷 却作用越大，电弧的温度就越高，而电弧电压也越高，这是电弧的一个基本特点。通过在小孔中通以附加气体，电弧受到进一步压缩，小孔中喷出高速、高温的气流，这种气流称为等离子弧。等离子弧可用来进行焊接、切割及喷涂。其温度显著高于未压缩的自由电弧。
   电弧产生的热能等于焊接电流与电弧电压的乘积。该热量用来加热并熔化母材，形成熔池，电弧热还通过辐射、对流和传导分散到母材上的其他部位。
   电弧的熔透能力取决于多种因素，包括电弧的极性接法、保护气体成分、母材的成分、工件尺寸以及预热温度等。母材的成分决定了其热导率及熔点，因此影响熔深。随着电流的增大，熔深增大。电极的载流能力决定了电弧的最大热量，而载流能力取决于电极成分、纯度、合金元素、电弧的极性接法以及电极的端部形状等。焊接速度增大，熔深减小。所有这些因素都是相互制约、相互影响的。
    焊接成功与否取决于能否稳定地控制熔池，而熔池控制的难易程度 主要决定于焊接位置。手工焊时，需要焊工通过熟练的技术来控制熔池，而自动焊利用控制系统来控制熔池，。电弧附近区域的气体成分影响电弧的特性。图5.6比较了钨极氩弧和钨极钨极 氦 弧的弧长与电压之间的关系。在同样的焊接电流和弧长下，氦弧电压明显高于氩弧电压。这是由于氦气具有较高的热导率和电离电压，氦气的电离电压为24.5V，而氩气的电离电压为15.7V（电离电压是原子失去一个电子变为正离子所需要的最小电压）。

    图5.6中示出的电弧是300A的直流氩弧和氦弧（DCEN）。可看出，同样电流下，氦弧的直径较大，熔深大。因为氦弧热功率显著大于氩弧，因此钨极氦焊可采用更快的焊接速度，具有更高的焊接效率，适合于厚板的焊接。上面对非熔化极电弧焊的简要说明给出了最常用的电弧基本知识。很多科学家对钨极氩弧进行过研究，但仍有很多问题尚未解决，因此通常认为电弧是一种复杂的热加工方法。