焊条电弧焊工艺的热源：电弧热生成机理分析

任务描述

1.认识电弧焊的热源——焊接电弧。

2.掌握焊接电弧的概念及产生条件。

3.熟悉焊接电弧的构造及静特性。

4.了解焊接电弧的稳定性。

5.掌握焊条电弧焊的引弧方法。

任务分析

本任务主要是使学生认识焊接电弧，掌握焊接电弧的概念及产生条件，了解焊接电弧的构造及静特性，熟悉平焊蹲式操作姿势，掌握引弧方法，为后面几个单元的学习奠定基础。

相关知识

电弧焊是目前应用最为广泛的焊接方法。电弧焊是以电弧作为热源的。焊接电弧能把弧焊电源输送的电能转换成焊接过程所需的热能和机械能。要认识和掌握电弧焊方法，首先就要弄清电弧的实质并掌握焊接电弧的有关知识。

一、焊接电弧的概念及产生的条件

1.焊接电弧的概念

在进行焊条电弧焊时，将焊条与工件接触后很快拉开，在焊条端部和工件之间会立即产生明亮的电弧，如图1-7所示。

图1-7 电弧示意图

这种由焊接电源供给的，具有一定电压的两电极间或电极与工件间，在气体介质产生的强烈而持久的放电现象，称为焊接电弧。

在日常生活中经常可以看到一些气体放电现象，例如闪电、电源拉合闸时产生的火花等。焊接电弧与这些气体放电现象相比，不但能量大，而且连续持久。

2.焊接电弧产生的条件

一般情况下，气体的分子和原子都呈中性状态，气体中几乎没有带电粒子，因此气体不能导电，电弧也不会产生。要产生和维持焊接电弧，首先要使中性的气体电离，产生带电粒子，同时阴极金属表面能够连续地向外发射电子，即阴极电子发射。

知识卡：

焊接电弧产生和维持的必要条件：一是气体电离，二是阴极电子发射。

（1）气体电离 使中性的气体分子或原子分离成正离子和自由电子的过程称为气体电离。气体电离时需要外加能量。中性分子或原子中的电子吸收足够的能量后，能够脱离原子核的束缚而成为自由电子。气体电离所需的能量称为电离能（或电离功）。不同的气体或元素，由于原子结构不同，其电离能也不同。电离能越大，气体就越难电离。

电离能通常以电子伏（eV）为单位，若以伏（V）为单位，则为电离电压。为了便于计算，常把以eV为单位的能量转换为数值相等的电离电压来表示。常见元素的电离电压见表1-2。

表1-2 常见元素的电离电压

在焊接时，根据外加能量的不同，气体电离可以分为热电离、场致电离和光电离三种。

1）热电离。气体粒子受热的作用而产生的电离称为热电离。温度越高，热电离作用越大。

2）场致电离。在两电极间电场的作用下，气体中的带电粒子做定向高速运动，产生较大的动能，当与中性粒子碰撞时，使中性粒子获得能量而产生电离。两电极间的电压越高，电场作用越大，则电离作用越强烈。

热电离和场致电离是产生带电粒子的主要途径。

3）光电离。气体粒子在光辐射的作用下产生的电离称为光电离。光电离是电弧中产生带电粒子的次要途径。

（2）阴极电子发射 阴极金属表面受到外加能量的作用而连续地向外发射出电子的现象称为阴极电子发射。

要使电子克服金属内部正电荷的引力从阴极金属表面逸出，就必须给电子一定的能量。电子从阴极金属表面逸出所需要的最低外加能量称为逸出功，单位是eV。逸出功的大小与阴极的成分有关。逸出功越小，阴极电子发射越容易。几种常见金属电极的逸出功见表1-3。

表1-3 几种常见金属电极的逸出功 （单位：eV）

根据外加能量方式的不同，阴极电子发射可分为热发射、电场发射、撞击发射等。

1）热发射。在阴极表面受热达到很高的温度后，阴极表面的电子运动速度加大，动能增加。当电子的动能等于或大于逸出功时，电子从阴极表面逸出的现象称为热发射。阴极温度越高，热发射作用就会越强烈。

2）电场发射。当阴极表面附近存在一定强度的电场时，电子会受到电场力的作用。当电场力足够大时，电子可以获得足够的动能，从阴极表面逸出。这种电子发射现象称为电场发射。两电极间的电压越高，电场发射作用就会越大。

3）撞击发射。高速运动、能量较大的正离子撞击阴极表面时，将能量传递给阴极表面的电子，电子获得能量而从阴极表面逸出的现象称为撞击发射。电场强度越大，在电场的作用下正离子的运动速度就会越快，产生的撞击发射作用也就越强烈。

在实际焊接中，上述几种电子发射形式常常是同时存在的，但在不同条件下，它们所起的作用各不相同。

二、焊接电弧的构造及静特性

1.焊接电弧的构造

图1-8 焊接电弧的构造

焊接电弧可划分为三个区域，即阴极区、阳极区和弧柱区，如图1-8所示。

（1）阴极区 电弧紧靠负电极的区域称为阴极区。阴极区很窄，宽度约为10^-6cm。在阴极表面有一个光亮的斑点，它是阴极区温度最高的部分，也是阴极表面集中发射电子的微小区域，称为阴极斑点。在焊条电弧焊时，阴极区的温度一般达2130～3230℃，放出的热量占电弧产热的36%左右。阴极温度的高低主要取决于阴极的电极材料。

（2）阳极区 电弧紧靠正电极的区域称为阳极区。阳极区比阴极区宽，约为10^-4cm。在阳极表面也有光亮的斑点，称为阳极斑点。阳极斑点是因电子对阳极表面撞击而形成的。在焊条电弧焊时，阳极不发射电子，消耗能量少，当阳极材料与阴极材料相同时，阳极区的温度要高于阴极区的温度，一般达2330～3930℃，阳极区放出的热量占电弧产热的43%左右。知识卡：

电弧阴极区和阳极区的温度高低因焊接方法的不同而有所差别，见表1-4。

表1-4 常用焊接方法阴极区与阳极区的温度比较

（3）弧柱区 电弧阴极区和阳极区之间的区域称为弧柱区。弧柱区是带电粒子的通道，在这个通道中，带电粒子在外加电场的作用下运动，将电能转换为热能和动能。由于阴极区和阳极区都很窄，因此弧柱区的长度基本等于电弧的长度。弧柱区的温度取决于弧柱中气体介质和焊接电流。焊接电流越大，弧柱中电离程度就越大，弧柱温度也就越高。在焊条电弧焊时，弧柱区的中心温度可达5730～7730℃，放出的热量占电弧产热的21%左右。

以上是直流电弧的热量和温度分布情况。对于交流电弧，电源的极性是周期性变化的，所以两个电极区的温度趋于一致。

（4）电弧电压 电弧两极之间的电压即为电弧电压。当弧长一定时，电弧各区域的电压分布如图1-9所示。电弧电压为阴极区、阳极区和弧柱区三部分电压降的总和。

2.焊接电弧的静特性和静特性曲线

（1）焊接电弧的静特性 在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下，当电弧稳定燃烧时，焊接电流与电弧电压变化的关系称为电弧静特性（也称为伏-安特性）。表示它们关系的曲线称电弧的静特性曲线（也称为伏-安特性曲线），如图1-10所示。

图1-9 电弧各区域的电压分布

图1-10 电弧的静特性曲线

（2）焊接电弧的静特性曲线

知识卡：

负载的伏-安特性就是负载两端的电压与流过负载的电流之间的关系。对于电阻性负载，由欧姆定律可知，电阻两端的电压与通过的电流成正比，所以其伏-安特性曲线是一条直线。

焊接电弧是焊接回路中的负载，电弧两端的电压与通过的焊接电流不成正比关系，电弧静特性曲线呈U形，如图1-10所示。它有三个不同的区域：在电流较小的ab区，电压随着电流的增加而降低，电弧静特性为下降特性区；在电流中等的bc区，电压几乎不随着电流的变化而变化，呈恒压特性，电弧静特性为平特性区；在电流较大的cd区，电压随着电流的增加而升高，电弧静特性为上升特性区。

对于不同的焊接方法，在一定的条件下，其电弧静特性只是电弧静特性曲线的某一区域。焊条电弧焊、埋弧焊一般工作在平特性区；钨极氩弧焊在小电流区间焊接时一般工作在下降特性区，在大电流区间焊接时工作在平特性区；熔化极气体保护焊一般工作在上升特性区。

三、焊接电弧的稳定性

焊接电弧的稳定性是指电弧保持稳定燃烧（不产生断弧、飘移和偏吹等现象）的程度。焊接电弧的稳定性直接影响焊接质量。引起焊接电弧不稳的因素除焊工操作技术不熟练外，还有以下影响因素：

1.弧焊电源

在电弧焊时，若电源的外特性与焊接电弧的静特性相匹配，则电弧燃烧稳定；反之，则电弧燃烧不稳定。采用直流电源焊接时电弧燃烧比采用交流电源时稳定，因为采用交流电源时，电弧的极性是周期性变化的，变化频率为50Hz，即每秒钟电弧的燃烧和熄灭要重复100次。

此外，具有较高空载电压的焊接电源不仅容易引弧，而且电弧燃烧也很稳定。这是因为当焊接电源的空载电压较高时，电场作用强，场致电离及电场发射强烈，所以电弧燃烧稳定。

2.焊接电流

焊接电流越大，电弧燃烧就会越稳定。因为焊接电流越大，电弧的温度就越高，电弧气氛中的电离程度和热发射也就越强，所以电弧燃烧越稳定。通过测定电弧稳定性的试验表明：随着焊接电流的增大，电弧的引燃电压降低，同时自然断弧的最大弧长也增大。

3.焊条药皮或焊剂

在焊条药皮或焊剂的成分中都含有低电离能的物质（如钾、钠、钙的氧化物等），能增加电弧气氛中的带电粒子，提高气体的导电性，保证电弧稳定燃烧。当焊条药皮或焊剂中含有电离能比较高的氟化物（CaF₂）及氯化物（KCl、NaCl）时，由于它们较难电离，因此降低了电弧气氛的电离程度，使电弧燃烧不稳定。

4.电弧偏吹

在焊接过程中，气流干扰、磁场作用或焊条偏心等因素的影响，使电弧中心偏离电极轴线的现象，称为电弧偏吹。

（1）焊条偏心产生的偏吹 焊条的偏心度是指焊条药皮沿焊芯直径方向偏心的程度。由于焊条药皮的厚薄程度不均匀，因此熔化时药皮较厚的一边比药皮较薄的一边吸收更多的热量，药皮较薄的一边很快熔化而使电弧外露，迫使电弧偏吹，如图1-11所示。

防止措施：在焊接过程中遇到偏心度过大的焊条时，应立即更换新的焊条。如果焊条的偏心度较小，则可转动焊条，将偏心位置移到焊接前进的方向，调整好焊条角度后再施焊。

（2）电弧周围气流产生的偏吹 电弧周围气体的流动过强会产生电弧偏吹。有很多因素会造成电弧周围气体的流动过强，其中主要的是大气中的气流和热对流。例如，在露天大风中焊接时，电弧偏吹情况很严重；在管线焊接时，空气在管子中的流动速度较大，形成“穿堂风”，使电弧偏吹；在进行对接接头第一层焊缝的焊接时，如果接头间隙较大，则在热对流的影响下也会使电弧偏吹。

防止措施：在露天操作时，若遇大风，则必须用挡板遮挡；在管线焊接时，必须将管口堵住；在焊接间隙较大的对接焊缝时，可在接头下面加垫板。

（3）磁偏吹 在直流电弧焊时，因焊接回路所产生的电磁力的作用而产生的电弧偏吹称为焊接电弧的磁偏吹。引起磁偏吹的根本原因是电弧周围磁力线分布不均匀，致使电弧两侧产生的电磁力不同。造成磁偏吹的因素主要有：

1）接地线位置不适当。如图1-12所示，工件的一侧接“+”（正接），电流从接点“+”先流经工件，然后通过电弧再流经焊条（丝）电极进入接点“-”。电流在空间产生磁场，电弧左侧的磁力线是由电流分别通过电弧和工件时产生的两部分磁力线叠加而成的，而电弧右侧仅有电流通过电弧时产生的磁力线，所以电弧左侧的磁力线较右侧的磁力线密集，磁力线密度大的左侧对电弧产生推力，使电弧向右偏吹。

图1-11 焊条偏心引起的偏吹

图1-12 接地线位置不适当引起的磁偏吹

想一想

如果接点“+”接在工件另一侧，会产生电弧偏吹吗？

2）电弧周围存在铁磁物质。焊接时，当电弧周围有铁磁物质（如钢板）时，由于铁磁物质的磁导率远远大于空气的磁导率，因此靠近铁磁物质一侧的磁力线大部分都通过铁磁物质形成封闭曲线，使电弧与铁磁物质之间的磁力线密度降低，造成电弧两侧的磁力线分布不均匀，在电磁力的作用下电弧向铁磁物质一侧偏吹，如图1-13所示。

3）电弧运动至工件的端部。在靠近工件边缘处开始焊接或在工件末端进行焊缝收尾时，会引起磁偏吹，而在焊接至工件中心的过程中，磁偏吹现象会逐渐减弱或消失。这是因为当电弧到达工件端部时，导磁面积发生变化，引起空间磁力线在靠近工件边缘处的密度增加，在电磁力的作用下，就产生了指向工件内侧的磁偏吹，如图1-14所示。

图1-13 铁磁物质引起的磁偏吹

图1-14 在工件端部焊接时引起的磁偏吹

防止措施：尽量选用交流电源；采用短弧焊接，使焊条（丝）向电弧偏吹的方向倾斜，可有效降低磁偏吹的程度；当使用直流电源时，改变接地线位置或在工件两侧同时接地线，可降低因导线接地线位置不适当而引起的磁偏吹的程度，如图1-15所示；焊接时尽可能避开铁磁物质；在焊缝两端加引弧板及引出板等。

5.其他影响因素

图1-15 改变工件接地线的位置

弧长对电弧的稳定性影响较大。电弧过长会使电弧剧烈摆动，造成电弧燃烧不稳定，同时飞溅也增大，所以应尽量采用短弧焊接。焊接处的油漆、油脂、水分和锈层等，会影响电弧燃烧的稳定性，因此必须做好焊前清理工作。此外，焊条受潮或焊条药皮脱落，也会造成电弧燃烧不稳定。

任务准备

1）工件：Q235钢，尺寸为300mm×200mm×6mm。(www.xing528.com)

2）焊接材料：E4303型焊条，直径为3.2mm或4.0mm。

3）焊接设备：BX1—330型或BX3—300型交流弧焊机。

4）防护用品及辅助工具。

5）清理工件：清除工件表面的油污、锈蚀、水分及其他污物，直至露出金属光泽。

任务实施

1.熟悉操作姿势

以平焊操作为例。平焊时，一般采用蹲式操作姿势，如图1-16所示。蹲姿要自然，两脚间的夹角为70°～85°，两脚跟的距离为240～260mm。持焊钳的胳膊要半伸开，并悬空无依托地进行操作。

图1-16 蹲式操作姿势

a）平焊 b）两脚的位置

2.引弧操作

（1）引弧方法 焊条电弧焊采用接触法引弧，引弧方法可分为划擦引弧法和直击引弧法两种。

1）划擦引弧法。先将焊条末端对准工件，然后像划火柴似的，将焊条端部在工件表面划一下，再将电弧引燃后趁金属还没有开始大量熔化，立即将焊条提起并与工件保持2～4mm的距离，电弧就能稳定地燃烧，如图1-17a所示。

2）直击引弧法。先将焊条垂直对准工件，在焊条末端轻轻触击工件后，迅速提起焊条，并与工件保持2～4mm的距离，即可引燃电弧，如图1-17b所示。

图1-17 引弧方法

a）划擦引弧法 b）直击引弧法

知识卡：

对初学者来说，划擦引弧法容易掌握，而直击引弧法较难掌握。采用直击引弧法时容易发生电弧熄灭或短路现象，但是在狭小工作面或不允许烧伤工件表面时，应采用直击引弧法。

（2）引弧训练

1）定点引弧。如图1-18所示，先在工件上用粉笔画线，然后采用划擦引弧法在直线的交点位置引弧，引弧后焊成直径为13mm的焊点，然后熄弧。通过反复地进行引弧、熄弧训练，焊成若干个焊点。

图1-18 定点引弧

2）引弧堆焊。按图1-19所示，先在工件的引弧位置用粉笔画一个直径为13mm的圆，然后采用直击引弧法在圆圈内触击工件引弧，引弧后，保持弧长为1～2mm，在圆圈内做两三次画圈动作后熄弧，待熔化的金属冷却凝固后，再在其上面引弧堆焊。如此反复操作，直到堆起的高度约为50mm为止。

图1-19 引弧堆焊

检查评议

焊条电弧焊引弧评分表见表1-5。

表1-5 焊条电弧焊引弧评分表

问题防治

1.引弧时，不能引燃电弧或电弧瞬间燃烧后就熄灭

原因：引弧操作时焊条上拉得太快或提得太高。

防止措施：操作时要掌握好焊条上提的速度，并与焊件保持一定的距离。

2.引弧时出现焊条与工件粘在一起的现象

原因：操作时焊条上提的动作太慢。

防止措施：操作时要掌握焊条上提的速度。

解决方法：如果在引弧的过程中焊条与工件粘在一起，则将焊条左右晃动几下便可将其取下。如果通过晃动不能取下焊条，则应立即松开焊钳，将焊条脱离，待焊条冷却后便很容易将其从工件上扳下来。

扩展知识

如何预防触电？

在一般干燥的情况下，安全电压为36V，在高空作业或特别潮湿场所的安全电压为12V，而焊机工作的网络电压为380V或220V，焊接的空载电压一般都在60V以上，因此要采取防触电措施。

1）焊接电源的外壳必须接地或接零。

2）弧焊设备的一次侧接线、修理和检查应由电工进行，焊工不可私自随便拆修。对于二次侧接线，焊工可进行连接。

3）使用手提照明灯时，其电压不应超过安全电压（36V），高空作业或特别潮湿场所其电压不应超过12V。

4）焊接电缆必须有完整的绝缘，损坏时要及时修理。

5）焊工要穿戴好劳动保护用品，工作服、手套及绝缘鞋应保持干燥。

6）在容器、船舱或其他狭小工作场所焊接时，必须两人轮换操作，其中一人在外监护，万一发生触电，能够立即切断电源并及时抢救。

7）推拉电源刀开关时，应单手进行操作，并且面部不要对着刀开关。

8）当遇到焊工触电时，切不可空手去拉触电者，应先迅速切断电源。若切断电源后触电者无知觉、无呼吸，但心脏有跳动，则应立即采用人工呼吸法救治；若触电者心脏停止跳动但呼吸没停，则应进行胸外按压法救治；若触电者的心跳和呼吸都停止了，则应交替采用人工呼吸法和胸外按压法进行抢救。

9）焊工要熟悉和掌握有关焊接方法的安全知识、有关电的基本知识、预防触电及触电后急救方法等知识，严格遵守有关部门的安全措施，防止触电事故发生。

考证要点

一、填空题

1.焊接电弧产生和维持的必要条件：一是____，二是____。

2.焊接电弧可分为____、____、____三个区。

3.焊接时，根据外加能量的不同，气体电离可以分为____、____、____三种。

4.根据外加能量方式的不同，阴极电子发射可分为____、____、____等。

5.电弧静特性曲线呈____形，有三个不同的区域，即____区、____区、____区。

6.电弧电压为____、____和____三部分电压降的总和。

7.在焊接过程中，引起电弧偏吹的原因主要有____、____、____。

8.造成电弧磁偏吹的因素有____、____、____。

9.焊条电弧焊采用____法引弧，引弧方法可分为____引弧法和____引弧法两种。

二、选择题

1.____是集中接收电子的区域。

A.阴极斑点 B.阴极区 C.阳极区 D.阳极斑点

2.____是发射电子最集中的区域。

A.阴极斑点 B.阴极区 C.阳极区 D.阳极斑点

3.在电弧静特性的____段，随着焊接电流的增大，电弧电压迅速地减小。

A.下降 B.水平 C.上升

4.____弧焊电源最容易由自身磁场引起磁偏吹现象。

A.交流 B.直流 C.脉冲 D.高频

5.当弧长缩短时，焊接电弧静特性曲线将____。

A.上升 B.下降 C.不变

6.提高弧焊电源的空载电压，则电弧稳定性将____。

A.提高 B.不变 C.下降

7.在电弧静特性曲线的水平段，随着焊接电流的增大，电弧电压____。

A.增大 B.不变 C.减小

8.在焊条电弧焊时，在焊接电弧的温度分布区域中，____区的温度最高。

A.弧柱 B.阴极 C.阳极

三、判断题

1.电弧是一种气体燃烧现象。 （ ）

2.在弧长变化时，焊接电流和电弧电压都要发生变化。 （ ）

3.当发现有人触电时，应立即用手将触电者从带电设备上拉离。 （ ）

4.在空气中产生电弧要有三个必要条件，即气体电离、电极熔化及电子发射。 （ ）

5.直流电弧由阴极区、阳极区和弧柱区这三个不同性质的区域组成。 （ ）

6.所有焊接方法的静特性曲线的形状都是一样的。 （ ）

7.一种焊接方法具有无数条静特性曲线。 （ ）

8.为提高电弧燃烧的稳定性，应尽量采用长弧焊接。 （ ）

9.当焊条药皮或焊剂中含有电离能比较高的氟化物（CaF₂）及氯化物（KCl、NaCl）时，可保证电弧稳定燃烧。 （ ）

四、名词解释

1.焊接电弧

2.焊接电弧的静特性

3.气体电离

4.阴极电子发射

五、简答题

1.焊接电弧产生和维持的必要条件是什么？

2.什么是焊接电弧的静特性曲线？它有哪些不同的区域？在一定条件下，不同的电弧焊方法的电弧静特性如何？

3.什么是焊接电弧的稳定性？影响焊接电弧稳定燃烧的因素有哪些？