1.2　氩弧的形成

1.2.1　电弧的“阴极雾化”作用

当采用交流电源焊接铝合金，焊件为负极半周波时，大量正离子以很高的速度向阴极移动，轰击熔池表面。从而产生很大的热量，使熔池表面难熔的金属氧化膜受到破坏、分解和蒸发，显现出光亮、清洁的金属表面。这种现象只有在直流反接时或采用交流电焊接，焊件为阴极时才会出现。而直流正接时没这种现象。我们称之为“阴极雾化”（或阴极破碎）作用。

通常，气焊焊接铝合金时，要加熔剂去除熔池表面的氧化膜，才能使焊丝金属与熔池金属融合，形成焊缝。但氩弧焊时，由于“阴极雾化”的作用，焊接有色金属（如铝合金等）时，可以不用熔剂，就能有效地去除熔池表面的氧化膜，形成良好的焊缝，从而避免了残存熔剂对接头的腐蚀作用，省去了焊后清洗熔渣工序。在生产中，焊接铝合金是采用交流，而不采用直流反接，因为直流反接时，虽有“阴极雾化”的作用，但钨极的损耗快、寿命短；交流则兼有“阴极雾化”作用和钨极寿命长的优点。

1.2.2　交流电弧中的局部整流作用

采用交流电源焊接有色金属时，钨极和工件的两极热与物理性质相差很大，使交流两个半波的电弧电流波形发生畸变，即一个半波电流大，一个半波电流小，导致交流电弧中出现整流作用，产生直流成分。直流成分是一种有害成分，一般都希望把它去掉。

为什么会产生整流作用呢？这是因为当钨极为阳极时，能发射较多的电子，电流较大，阴极电压降小；而焊件（有色金属）为阴极时，发射的电子量小，阴极电压降也较大。这样，在交流电的两个半波中造成电弧电压及电流的不对称性，如图1-2所示。

当电源电压一定时，正负半波电流是不相等的，钨极为负半波时，电流大；焊件为负半波时，电流小。这种现象称为交流电弧中的整流作用，这就相当于一个交流电和一个直流分量相叠加，如图1-3所示。

随着电极、焊件材料的热物理性能差别增大，直流分量也增大，反之减小（如熔化极氩弧焊，焊丝和焊件相似，直流分量就不明显）。直流分量的方向是从焊件流向电极，即相当于在焊接回路中，除了交流电源外，还存在正极性的直流电源。

直流分量是一种有害成分。由于直流分量的存在，缩短了焊件处于阴极的时间，减弱了“阴极雾化”的作用，严重时不能彻底清除熔池表面的难熔氧化物，造成氧化物夹渣，燃烧过程很不稳定，焊缝成形不良。

为了减少和消除直流分量，常采用以下措施。

①在电路中串接一个蓄电池，如图1-4（a）所示，使它产生的直流电流与原电路中的直流分量相等，并使蓄电池的电流方向与直流分量相反。如NSA-600型交流弧焊机，就是采用这种方法。但这种方法比较繁琐，蓄电池电压过高或过低，仍会产生直流分量，所以效果不太好。

②在电路中串联电容器，如图1-4（b）所示，它只允许交流电通过，从而消除了直流分量。如NSA-300型交流手工氩弧焊机及NZA-500和NZA2-300型自动氩弧焊机，都是采用这种方法。这种方法虽好，但所需电容器的数量大、成本高，所以使用较少。

③在电路中串联有效电阻，如图1-4（c）所示，这种方法能量消耗大，效率低。

④在电路中串联二极管加并联电阻，如图1-4（d）所示，对减少直流分量有较好的效果。

1.2.3　气体的电离现象

在两个导体（电极和工件）之间充满了空气（或保护气体）时，在电回路中是没有电流通过的，也就是说气体是不导电的。

两个电极之间的空气间隙之所以能在加热后导电，就是由于产生了电离的结果，使原来的中性气体粒子变成了带正电荷的正离子和带负电荷的电子。这些带电粒子在外界电场的作用下，按着一定的规律作定向移动，于是，气体就导电了。由此可见，气体的电离是气体由绝缘体变成导体的必要条件。

弧柱的中心部分温度最高。离开弧柱中心线，其温度就逐渐降低。因此，弧柱中心部分的电离程度也最充分。当电弧温度达到很高数值时，可将大部分中性粒子电离，或几乎全部电离。这种由正离子和电子组成的“气体”，在物理学中称作“等离子体”，有时也把这种物质状态称作物质的第四态。

这种物质状态，由于正离子和电子在总体上是相等的，或者二者的总电荷量是相等的，所以叫作等离子体。从总体上看，它对外呈电中性。电弧外缘的温度较低，这个区域的气体电离也不充分。由此可见，氩弧焊的电弧实际上可以看作是由电子、正离子和受激励的中性粒子所组成的一个综合体，它们在不断地发生着电离和中和过程。正因为在弧柱中存在着大量的电子和正离子，所以才具有良好的导电性能。

1.2.4　气体保护

（1）流体的流动状态

流体包括液体和气体两类。流体由于能位的差别，总是由高能位向低能位流动。但流体的分子之间，由于受力情况的不同，其运动状态往往也是不同的。这一点我们可以通过一种试验来说明，其装置如图1-5所示。

在一个盛满清水的容器底部引出一玻璃管，在玻璃管的入口处插入一根有着色墨水的漏斗细管。

①当水流速度较低时，发现管内流体有条不紊地流动着，由漏斗-细管中流出的着色墨水在管子中心部分流成一根细细的色水流线，顺流而出，同周围的清水互不混扰，如图1-5（a）所示。这种流动状态称为层流。

②当水流速度增大，超过一定极限时，发现着色墨水流出细管后，很快地就同周围清水相互混扰，如图1-5（b）所示。这种流动状态称为紊流。

在层流中，流体的分子好像一层一层地各自独立、互不干扰；而紊流时，流体中很快出现很多漩涡，层与层之间的流体分子相互混扰。这两种流动状态与流体所受的体积力（场力）和表面张力，有着密切的关系。

流体在管子中的运动状态，究竟是层流还是紊流，主要取决于一个无量纲的数值Re（雷诺数）。

焊接时，我们所希望的是从焊枪喷嘴里喷出的保护气体，能最大限度地保持层流状态，不让周围的空气卷入电弧高温区，以改善气体的保护效果。

（2）气体的保护作用

焊接时，气体保护的主要作用：是把电弧区周围的空气排开，保护好电极、熔化的液态金属以及处于高温下的近缝区金属，使它们不与周围的空气接触和发生作用。因此，能否完成这一任务，在很大程度上取决于保护气体流出喷嘴后的状态。我们希望获得的状态是层流，否则，气体一出喷嘴就成紊流，使电弧周围的空气乘机卷入熔池，破坏对焊接过程的保护作用，降低了焊接接头质量，这是焊接时所不希望，甚至是不允许的。

如图1-6所示，假设喷嘴的结构合理，气体从喷嘴内喷出之前，已经完全是整齐而有规则的层流。那么，气体从喷嘴喷出后，逐渐向周围扩散，加上受周围空气的摩擦阻力，所以最外层就有空气流入，使纯保护气体的区域逐渐缩小。离开喷嘴的距离越远，层流状态的截面积也越小，最后形成一个圆锥体，完全消失在空气中，失去了保护作用。

在焊接情况下的气体有效保护如图1-7所示。

一般认为，D有效越大，气体保护作用的效果也越好。为了具体测定D有效的大小，生产时常用钨极氩弧焊（交流；AC或直流反接，DC、RC）在铝板上进行引弧测定。测定的方法是，将焊枪对准清理好的铝板，并固定不动，先通入保护气体（氩气），然后接通电源引燃电弧，等到燃烧过程稳定以后，再停弧，等铝板上的熔池金属冷却后，再关闭氩气。这时，可发现在熔池周围有一个银白色的光亮区，很清洁、光亮，说明气体的保护效果很好。

保护效果差时，有效保护区的直径减小；保护很不好时，则看不到光亮的保护区，完全变黑；当焊缝氧化严重时，甚至焊缝不能成形。因此，在一定条件下可以用实际测定的D有效大小，来定量的测定氩气保护有效程度，作为判定气体保护有效性的标准。

（3）氩气保护的意义

氩气是单原子气体，高温下也不分解，没有吸热作用。氩气比其他气体的比热容小，热导率低，所以，在氩气中燃烧的电弧热量损失小，电弧热量集中，弧柱温度高，稳弧性能好。由于氩气的物理特性，所以焊接时多选择氩气作为保护气体。

表1-1列出了几种焊接常用的保护气体的物理性质。

1.2.5　电弧的刚度

当电弧垂直指向工件（如在钨极氩弧焊接）时，电弧总是在垂直于工件表面的位置燃烧，如图1-8所示。

但是，如果把电极倾斜某一角度α时，电弧也会跟着电极同时倾斜，如图1-9所示。这种电弧能保持在电极轴线方向的特性，就叫作电弧的刚性。

电弧的刚性越大，电弧沿电极轴线的指向性也越强，即便由于某种因素使电极偏离轴线，也会由于电弧的刚性作用，将尽力使电弧恢复到原来电极轴线方向上来。

电弧的这种刚性，在焊接操作工艺上是十分有利的，图1-10就是利用电弧的刚性来控制焊缝成形和位置的。