非熔化極電弧焊

    電弧有兩種基本類型：熔化極電弧和非熔化極電弧。非熔化極在焊接過程中不熔化，電極不通過電弧向熔池過渡填充金屬。非熔化極電弧焊有鎢極惰性氣體保護焊（通常簡稱鎢極氬弧焊）、等離子弧焊和碳弧焊等幾種方法。電弧的主要作用是將電能轉(zhuǎn)換為焊接所需要的熱量，此外，電弧還會發(fā)光、產(chǎn)生噪聲并對工件產(chǎn)生離了轟擊作用。而這種離了轟缶作用可去除母材表面的氧化膜。
    焊接電弧是大電流、低電壓的持續(xù)放電現(xiàn)象，通過放電將電能轉(zhuǎn)換為熔化工件所需要的熱量。焊接過程中，電弧穩(wěn)定地燃燒在電極端部和工件之間。焊接電弧的電流最小僅為1A，而最大可達300A；電弧電壓最低為10V，最高可超過過40V。焊接電弧呈近似錐形，錐頂為電極端部與電弧的交接面，而錐底為電弧與熔池的交接處。非熔化極電弧的典型型貌見圖5.1。無論是電極接正極還是接負極，電弧總是在電極端受到拘束，而在工件端得以擴展。其他條件一定的情況下，電弧電壓與電弧長度成正比。但電弧長度增大到一定程度后，電弧將熄滅。焊接電弧的長度一般保持在電極/焊絲直徑的1~4倍之間。對于不同電弧長度，維持電弧穩(wěn)定燃燒所需的最小電流是不同的。電流越大，可保持穩(wěn)定燃燒的電弧長度就越長。弧柱的橫斷面通常呈近似圓形，可分為兩個區(qū)域，中間為內(nèi)核區(qū)或稱等離子區(qū)，外部為外焰區(qū)。電弧等離子區(qū)傳導大部分電弧電流，具有較高的溫度；而外焰區(qū)較低，主要起著將稿子弧拘束在電弧中心的作用。等離子區(qū)的直徑取決于電弧電流的大小、保護氣氛、電極尺寸及類型。電弧電流與電壓之間的關(guān)系不再是直線關(guān)系。圖5.2示出了非熔化極電弧的典型伏安特性，即電弧電流與電壓之間的關(guān)系曲線。一般情況下，電弧電壓隨著電流的增大而稍有升高。

    相同的焊接電流下，弧長越大，電弧電壓越高；而氦弧比氬弧的電弧電壓高。電弧的電導率隨電流增大而迅速增大，其增大速度 比簡單的線性關(guān)系更快。
    當陰極表面發(fā)射出電子，并穿過兩個電極之間的高溫氣體空間到達陽極時，電弧就引燃起來。
    利用鎢極氬 弧焊可很好地解釋電弧熱的產(chǎn)生過程，如圖5.3所示。圖5.3（a)示出的是直流正接（DCEN）的鎢極惰性氣體保護焊。電弧引燃后，鎢極溫度迅速升高，發(fā)射出大量電子。這些電子在電場作用下穿過電弧空間向陽極運動，運動過程中不斷碰撞保護氣體原子，提高了氣體 的溫度。電子與保護氣體原子的碰撞還會導致部分原子發(fā)生熱電離。電離出來的正離子在電場的作用下飛向陰極，到達并進入陰極時動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋Ｔ摕崃刻岣?陰極溫度，從而保持足夠的電子發(fā)射能力。這種在熱量作用下發(fā)射電子的方式被稱為熱發(fā)射。正離子從工件進入電弧空間，穿過電弧空間進入陰極的過程對電流也有貢獻，但由于正離子的質(zhì)量比電子大得多，因此載流能力有限，僅對低壓電弧的導電有較大幫助。正常情況下，電弧電流中有99%是電子流。從電源中連續(xù)注入到焊接回路中的電子保持了電弧中正離子和電子的平衡。電子與工件的碰撞獲得了加熱和熔化工件的熱量。.

    對于直流鎢極氬弧焊同，陽極上的產(chǎn)熱量大于陰極上的產(chǎn)熱量。電極接正極（陽極）、工件接負極（陰極）時（圖5.3（b）），電子從工件向電極運動，并在電極上產(chǎn)生很大的熱量，電極容易過熱，因此，在同樣的電流下直流反極性接法（DCEP）需要選擇直徑較大的鎢極。此外，由于工件上產(chǎn)生熱量較少，這咱接法的熔深比DCEN要淺得多。但采用直流反極性接法（DCFEP）時，電弧附近的工件具有很強的氧化膜清理作用。工件表面的氧化膜被 去除，這種作用稱為陰極霧化作用，這是由于正離子的轟擊造成的。采用交流進行焊接時，在反極性半波也具有這種作用。
    電弧在弧長方向上可分成三個區(qū)域；中間區(qū)、電極區(qū)和工件區(qū)。在兩個端部區(qū)（極區(qū)），電極和工件的冷卻作用導致了較大的電壓降。這兩個端部區(qū)分別被稱為陽極區(qū)和陰極區(qū)（電極區(qū)和工件區(qū)中，哪個區(qū)是陽極區(qū)、哪個區(qū)是陰極區(qū)要根據(jù)電流方向來判斷）。中間區(qū)通常又稱為弧柱區(qū)，其長度占電弧總長度的99%，而且電壓在弧柱長度上呈線性分布。圖5.4給出了沿電弧長度方向的電壓分布。在弧柱區(qū)，電弧周圍存在著由電弧的趨勢，電弧自身磁場的這種壓縮作用稱為電磁收縮效應，電磁收縮效應使弧柱受到很大的壓力，并形成速度 很高的高溫氣流，該高溫氣流被稱為等離子流。等離子流的速度接近聲速。

    陰極區(qū)是陰極和弧柱的電連接區(qū)域。在該區(qū)域的溫度降和電位降相對較大，陰極區(qū)產(chǎn)生電子并提供給弧柱區(qū)，而電弧的穩(wěn)定燃燒取決該區(qū)域是否能穩(wěn)定地產(chǎn)生電流。鎢極和碳極能夠以熱發(fā)射的方式發(fā)射電子，因為兩都 均具有很高的熔點，且發(fā)射電子能力很強。它們可用作非熔極材料。由于鎢的熔點最高，焊接中一般選用鎢做非熔化極。
    在電弧另一端的陽極區(qū)是陽極和弧柱的電連接區(qū)域。陽極的溫度與弧柱的溫度有明顯的差別，弧柱的溫度比陽極要高得多。陽極區(qū)溫度較低是由于它靠近熱導率高、熔點低的工件。陽極區(qū)和陰極區(qū)的溫度分布。由圖可看出電弧各個位置的溫度是不同的，不同的電流下同一位置的溫度也會有所不同。

   對于直流碳極電弧焊，陰極區(qū)產(chǎn)生的熱量是電弧總熱量的1/3，而陽極區(qū)產(chǎn)生的熱量占電弧總熱量的2/3.因此，當碳電極接負極時，電弧更穩(wěn)定，同樣電流下可采用直徑較小的碳極，而且熔深較大。
   研究者證實，如果減小鎢極氬 弧弧柱的橫斷面面積，電弧溫度就會顯著提高。通過對鎢極氬 弧弧柱進行拘束而使其橫截而積減小后，為了使電流保持不變，唯一的途徑就是弧柱溫度升高，電導率增大。等離子弧發(fā)生器就是通過使電弧穿過一水冷銅噴的小孔來壓縮電弧的。對電弧的冷 卻作用越大，電弧的溫度就越高，而電弧電壓也越高，這是電弧的一個基本特點。通過在小孔中通以附加氣體，電弧受到進一步壓縮，小孔中噴出高速、高溫的氣流，這種氣流稱為等離子弧。等離子弧可用來進行焊接、切割及噴涂。其溫度顯著高于未壓縮的自由電弧。
   電弧產(chǎn)生的熱能等于焊接電流與電弧電壓的乘積。該熱量用來加熱并熔化母材，形成熔池，電弧熱還通過輻射、對流和傳導分散到母材上的其他部位。
   電弧的熔透能力取決于多種因素，包括電弧的極性接法、保護氣體成分、母材的成分、工件尺寸以及預熱溫度等。母材的成分決定了其熱導率及熔點，因此影響熔深。隨著電流的增大，熔深增大。電極的載流能力決定了電弧的最大熱量，而載流能力取決于電極成分、純度、合金元素、電弧的極性接法以及電極的端部形狀等。焊接速度增大，熔深減小。所有這些因素都是相互制約、相互影響的。
    焊接成功與否取決于能否穩(wěn)定地控制熔池，而熔池控制的難易程度 主要決定于焊接位置。手工焊時，需要焊工通過熟練的技術(shù)來控制熔池，而自動焊利用控制系統(tǒng)來控制熔池，。電弧附近區(qū)域的氣體成分影響電弧的特性。圖5.6比較了鎢極氬弧和鎢極鎢極 氦 弧的弧長與電壓之間的關(guān)系。在同樣的焊接電流和弧長下，氦弧電壓明顯高于氬弧電壓。這是由于氦氣具有較高的熱導率和電離電壓，氦氣的電離電壓為24.5V，而氬氣的電離電壓為15.7V（電離電壓是原子失去一個電子變?yōu)檎x子所需要的最小電壓）。

    圖5.6中示出的電弧是300A的直流氬弧和氦?。―CEN）?？煽闯?，同樣電流下，氦弧的直徑較大，熔深大。因為氦弧熱功率顯著大于氬弧，因此鎢極氦焊可采用更快的焊接速度，具有更高的焊接效率，適合于厚板的焊接。上面對非熔化極電弧焊的簡要說明給出了最常用的電弧基本知識。很多科學家對鎢極氬弧進行過研究，但仍有很多問題尚未解決，因此通常認為電弧是一種復雜的熱加工方法。