非熔化極電弧焊

        電弧有兩種基本類(lèi)型：熔化極電弧和非熔化極電弧。非熔化極在焊接過(guò)程中不熔化，電極不通過(guò)電弧向熔池過(guò)渡填充金屬。非熔化極電弧焊有鎢極惰性氣體保護(hù)焊（通常簡(jiǎn)稱(chēng)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(huì)發(fā)光、產(chǎn)生噪聲并對(duì)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(guò)放電將電能轉(zhuǎn)換為熔化工件所需要的熱量。焊接過(guò)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(dá)300A；電弧電壓最低為10V，最高可超過(guò)過(guò)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(jiàn)圖5.1。無(wú)論是電極接正極還是接負(fù)極，電弧總是在電極端受到拘束，而在工件端得以擴(kuò)展。其他條件一定的情況下，電弧電壓與電弧長(zhǎng)度成正比。但電弧長(zhǎng)度增大到一定程度后，電弧將熄滅。焊接電弧的長(zhǎng)度一般保持在電極/焊絲直徑的1~4倍之間。對(duì)于不同電弧長(zhǎng)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(zhǎng)度就越長(zhǎng)?；≈臋M斷面通常呈近似圓形，可分為兩個(gè)區(qū)域，中間為內(nèi)核區(qū)或稱(chēng)等離子區(qū)，外部為外焰區(qū)。電弧等離子區(qū)傳導(dǎo)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(hù)氣氛、電極尺寸及類(lèi)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(zhǎng)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(dǎo)率隨電流增大而迅速增大，其增大速度 比簡(jiǎn)單的線性關(guān)系更快。
        當(dāng)陰極表面發(fā)射出電子，并穿過(guò)兩個(gè)電極之間的高溫氣體空間到達(dá)陽(yáng)極時(shí)，電弧就引燃起來(lái)。
利用鎢極氬 弧焊可很好地解釋電弧熱的產(chǎn)生過(guò)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(hù)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(chǎng)作用下穿過(guò)電弧空間向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷碰撞保護(hù)氣體原子，提高了氣體 的溫度。電子與保護(hù)氣體原子的碰撞還會(huì)導(dǎo)致部分原子發(fā)生熱電離。電離出來(lái)的正離子在電場(chǎng)的作用下飛向陰極，到達(dá)并進(jìn)入陰極時(shí)動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。該熱量提?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(chēng)為熱發(fā)射。正離子從工件進(jìn)入電弧空間，穿過(guò)電弧空間進(jìn)入陰極的過(guò)程對(duì)電流也有貢獻(xiàn)，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(duì)低壓電弧的導(dǎo)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(duì)于直流鎢極氬弧焊同，陽(yáng)極上的產(chǎn)熱量大于陰極上的產(chǎn)熱量。電極接正極（陽(yáng)極）、工件接負(fù)極（陰極）時(shí)（圖5.3（b）），電子從工件向電極運(yùn)動(dòng)，并在電極上產(chǎn)生很大的熱量，電極容易過(guò)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(shí)，電弧附近的工件具有很強(qiáng)的氧化膜清理作用。工件表面的氧化膜被 去除，這種作用稱(chēng)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(jìn)行焊接時(shí)，在反極性半波也具有這種作用。
電弧在弧長(zhǎng)方向上可分成三個(gè)區(qū)域；中間區(qū)、電極區(qū)和工件區(qū)。在兩個(gè)端部區(qū)（極區(qū)），電極和工件的冷卻作用導(dǎo)致了較大的電壓降。這兩個(gè)端部區(qū)分別被稱(chēng)為陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)（電極區(qū)和工件區(qū)中，哪個(gè)區(qū)是陽(yáng)極區(qū)、哪個(gè)區(qū)是陰極區(qū)要根據(jù)電流方向來(lái)判斷）。中間區(qū)通常又稱(chēng)為弧柱區(qū)，其長(zhǎng)度占電弧總長(zhǎng)度的99%，而且電壓在弧柱長(zhǎng)度上呈線性分布。圖5.4給出了沿電弧長(zhǎng)度方向的電壓分布。在弧柱區(qū)，電弧周?chē)嬖谥呻娀〉内厔?shì)，電弧自身磁場(chǎng)的這種壓縮作用稱(chēng)為電磁收縮效應(yīng)，電磁收縮效應(yīng)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(chēng)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(duì)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?yàn)閮啥?均具有很高的熔點(diǎn)，且發(fā)射電子能力很強(qiáng)。它們可用作非熔極材料。由于鎢的熔點(diǎn)最高，焊接中一般選用鎢做非熔化極。
在電弧另一端的陽(yáng)極區(qū)是陽(yáng)極和弧柱的電連接區(qū)域。陽(yáng)極的溫度與弧柱的溫度有明顯的差別，弧柱的溫度比陽(yáng)極要高得多。陽(yáng)極區(qū)溫度較低是由于它靠近熱導(dǎo)率高、熔點(diǎn)低的工件。陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)的溫度分布。由圖可看出電弧各個(gè)位置的溫度是不同的，不同的電流下同一位置的溫度也會(huì)有所不同。

        對(duì)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(yáng)極區(qū)產(chǎn)生的熱量占電弧總熱量的2/3.因此，當(dāng)碳電極接負(fù)極時(shí)，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(shí)，如果減小鎢極氬 弧弧柱的橫斷面面積，電弧溫度就會(huì)顯著提高。通過(guò)對(duì)鎢極氬 弧弧柱進(jìn)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(dǎo)率增大。等離子弧發(fā)生器就是通過(guò)使電弧穿過(guò)一水冷銅噴的小孔來(lái)壓縮電弧的。對(duì)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(gè)基本特點(diǎn)。通過(guò)在小孔中通以附加氣體，電弧受到進(jìn)一步壓縮，小孔中噴出高速、高溫的氣流，這種氣流稱(chēng)為等離子弧。等離子弧可用來(lái)進(jìn)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(lái)加熱并熔化母材，形成熔池，電弧熱還通過(guò)輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)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(hù)氣體成分、母材的成分、工件尺寸以及預(yù)熱溫度等。母材的成分決定了其熱導(dǎo)率及熔點(diǎn)，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(shí)，需要焊工通過(guò)熟練的技術(shù)來(lái)控制熔池，而自動(dòng)焊利用控制系統(tǒng)來(lái)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(zhǎng)與電壓之間的關(guān)系。在同樣的焊接電流和弧長(zhǎng)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(dǎo)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(gè)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）?？煽闯觯瑯与娏飨?，氦弧的直徑較大，熔深大。因?yàn)楹せ峁β曙@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(duì)非熔化極電弧焊的簡(jiǎn)要說(shuō)明給出了最常用的電弧基本知識(shí)。很多科學(xué)家對(duì)鎢極氬弧進(jìn)行過(guò)研究，但仍有很多問(wèn)題尚未解決，因此通常認(rèn)為電弧是一種復(fù)雜的熱加工方法。