[科普中國(guó)]-電弧力

概述

電弧在焊接過(guò)程中不僅是一個(gè)熱源，而且也是一個(gè)力源。焊接電弧的作用力對(duì)于熔池和焊縫的形成，以及焊絲(條)端部金屬熔滴的過(guò)渡都有著重要的影響。

電弧力是指焊接電弧中存在的機(jī)械作用力。它是在電弧物理過(guò)程中由于電場(chǎng)和熱場(chǎng)對(duì)氣體粒子(帶電的和中性的)作用，而由這些粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)宏觀地表現(xiàn)出來(lái)的力。焊接過(guò)程中，電弧力直接影響到熔滴的形成和過(guò)渡、熔池的攪拌與焊縫成形，還影響到液態(tài)金屬的飛濺和某些焊接缺陷(如燒穿、咬邊等)的產(chǎn)生。因此了解電弧力的性質(zhì)、作用規(guī)律和影響因素，講行合理的利用與控制，是十分必要的。1

電弧力的分類(lèi)根據(jù)產(chǎn)生力的直接原因和表現(xiàn)形式，通常將電弧力分為電磁力、等離子流力、電極斑點(diǎn)力等多種力，它們共同組成電弧力。

電磁力電磁力是電弧力組成中最重要的一個(gè)力。電磁現(xiàn)象表明，在兩根相距不遠(yuǎn)的平行導(dǎo)線(xiàn)中通以圊方向的電流時(shí)，則產(chǎn)生相互吸引力；若方向相反，則產(chǎn)生排斥力。這種力的形成是由予在通電導(dǎo)體周?chē)臻g形成磁場(chǎng)，而兩個(gè)通電導(dǎo)體處于磁場(chǎng)中受到磁場(chǎng)力的作用，于是發(fā)生上述現(xiàn)象。上述的磁場(chǎng)力是由于電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的，因此稱(chēng)為電磁力。

當(dāng)電流流過(guò)一個(gè)導(dǎo)體時(shí)，可將電流看成是由許多平行的電流線(xiàn)組成，其電流元線(xiàn)之間因自身磁場(chǎng)的相互作用而產(chǎn)生吸引力(圖1-21)，導(dǎo)體受到從四周向中心方向的壓縮。這種壓縮力對(duì)于固態(tài)導(dǎo)體一般難于顯示出其影響；但對(duì)于可以產(chǎn)生自由變形的流體(如氣體、液體)導(dǎo)體，則可引起導(dǎo)體截面產(chǎn)生收縮(圖1-22)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電磁壓縮效應(yīng)，這種電磁力稱(chēng)做電磁壓縮力。

等離子流力對(duì)于圓錐形電弧來(lái)說(shuō)，沿電弧軸線(xiàn)方向的弧柱橫截面是變化的，靠近于電極處電磁力大，而靠近焊接表面處的電磁力小，因而沿電弧軸向存在著一個(gè)電磁力梯度，而軸向的電磁力梯度必然造成在電弧中心部位等離子體產(chǎn)生軸向靜壓力梯度，這樣就使得電弧等離子體將從靠近電極處的高壓區(qū)A向靠近焊件處的低壓區(qū)B流動(dòng)(圖1-25)，便在電弧中形成了一股高速的等離子流。這時(shí)為了保持流動(dòng)的連續(xù)性，將從C區(qū)把新的氣體介質(zhì)吸入弧柱，而新加人的氣體被加熱和部分電離后又繼續(xù)流向B區(qū)，這樣就構(gòu)成了連續(xù)的等離子流。

應(yīng)當(dāng)指出，上述等離子流僅是因電極與焊件的幾何尺寸差異形成錐形電弧而引起的，因而無(wú)論用直流正極性或反極性都會(huì)產(chǎn)生，且等離子流的運(yùn)動(dòng)方向總是由電極指向焊件。

電弧中等離子流具有很高的速度，且隨著電弧電流的增大而增加，可以達(dá)到每秒數(shù)百米。當(dāng)?shù)入x子流沖擊熔池表面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的動(dòng)壓力，即等離子流力(亦稱(chēng)為電弧的電磁動(dòng)壓力)。等離子流產(chǎn)生的動(dòng)壓力分布是與等離子流的速度分布相對(duì)應(yīng)的，這種動(dòng)壓力在電弧中心軸線(xiàn)上最強(qiáng)，沿徑向的距離增加而減小。

在大電流熔化極氣體保護(hù)焊工藝中，等離子流力起重要作用，電弧的挺直性強(qiáng)，會(huì)促使溶滴過(guò)渡、增大熔池下凹從而增加熔深、增強(qiáng)熔池的攪拌等；但在保護(hù)氣體流量不足的情況下，由于等離子流的高速流動(dòng)，有可能使空氣自電極附近大量卷入電弧中，從而導(dǎo)致氣體保護(hù)效果變差，因此應(yīng)注意使保護(hù)氣體有充足的流量。

斑點(diǎn)壓力斑點(diǎn)壓力是指帶電粒子作用在電極(陰級(jí)、陽(yáng)極)斑點(diǎn)上的撞由力，分別有陰極斑點(diǎn)壓力與陽(yáng)極斑點(diǎn)壓力。正離子和電子，在電極附近區(qū)的電場(chǎng)力加速作用下，分別撞擊陰極斑點(diǎn)與陽(yáng)極斑點(diǎn)而產(chǎn)生的力稱(chēng)為斑點(diǎn)壓力。由于正離子的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子的質(zhì)量(如H+的質(zhì)量是電子質(zhì)量的1837倍，Ar+是72806倍)，且在一般情況下陰極壓降Uk大于陽(yáng)極壓降Ua，所以陰極斑點(diǎn)受到正離子的撞擊力遠(yuǎn)大于陽(yáng)極斑點(diǎn)受到電子的撞擊力，即：陰極斑點(diǎn)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陽(yáng)極斑點(diǎn)力。這種兩電極上斑點(diǎn)壓力的差異，使得在某些焊接條件下，正確地選擇電流種類(lèi)或極性顯得十分重要。

在氣體保護(hù)焊情況下，若采用直流負(fù)極性，陰極斑點(diǎn)位于工件表面上，正離子所造成的斑點(diǎn)壓力使氬弧焊具有明顯的陰極凈化作用；但是在直流正極性的熔化極電弧焊中，陰極斑點(diǎn)位于焊絲的熔滴端面上，則正離子造成的斑點(diǎn)壓力將是一種影響較大的阻止熔滴過(guò)渡的力。

電極材料蒸發(fā)的反作用力由于電極斑點(diǎn)的電流密度很大，局部溫度可達(dá)到電極材料的沸點(diǎn)而產(chǎn)生強(qiáng)烈蒸發(fā)，使金屬蒸氣形成具有一定速度的噴流由斑點(diǎn)發(fā)射出去，對(duì)斑點(diǎn)施加一定的反作用力。由于陰極斑點(diǎn)的電流密度比陽(yáng)極斑點(diǎn)的高，發(fā)射更強(qiáng)烈，因此陰極斑點(diǎn)力也比陽(yáng)極斑點(diǎn)力大。

研究表明，電極斑點(diǎn)的電流密度增加和斑點(diǎn)面積擴(kuò)大，蒸氣噴流的反作用力也將隨之增大。

熔滴的沖擊力熔滴過(guò)渡時(shí)具有一定的沖擊力，尤其在大電流熔化極氬弧焊時(shí)，焊絲熔化金屬形成細(xì)小熔滴呈射流過(guò)渡，當(dāng)通過(guò)電弧空間時(shí)，會(huì)被等離子流加速，以很高的加速射向熔池，根據(jù)高速攝影測(cè)定，熔滴獲得的加速度可達(dá)重力加速度的40～50倍，到達(dá)熔池時(shí)其速度可達(dá)每秒幾百米。盡管每個(gè)熔滴的重量只有幾十毫克，但當(dāng)以如此高的速度到達(dá)熔池表面時(shí)，熔池要受到較大的沖擊力。因此，射流過(guò)渡焊接時(shí)，在熔滴沖擊力、等離子流力，以及電磁力等共同作用下，熔池容易形成指狀熔深。

爆破力熔化極氣體保護(hù)焊采用短路過(guò)渡時(shí)，電弧瞬時(shí)熄滅，因短路電流很大，短路金屬液柱中電流密度很高，在金屬液柱上產(chǎn)生很大的電磁壓縮力，使縮頸變細(xì)，電阻熱使金屬液柱小橋溫度急劇升高，液柱迅速爆斷，爆破力使焊絲端部液體金屬和熔池受到?jīng)_擊，并造成金屬飛濺。2

焊接電弧力的影響因素1.焊接電流和電弧電壓

當(dāng)增大焊接電流時(shí)，電弧力顯著增加(圖1-31)，這主要與電磁收縮力和等離子流力顯著增加有關(guān)。當(dāng)電弧電壓升高時(shí)，意味著電弧長(zhǎng)度增加，由于電弧范圍的擴(kuò)展，使電弧力降低，如圖1-32所示。

2.焊絲直徑

當(dāng)焊接電流相同時(shí)，焊絲直徑越小，電流密度越大，因此電弧電磁力越大。同時(shí)，造成電弧錐形越明顯，等離子流力越大，使總的電弧力增大，如圖1-33所示。

3.電極的極性

電極的極性對(duì)不同焊接方法的電弧力的影響不同 對(duì)于熔化極氣體保護(hù)焊，當(dāng)采用直流正接時(shí)，焊絲接負(fù)，電弧中正離子對(duì)熔滴的沖擊比較大，有較大的斑點(diǎn)壓力作用在熔滴上，不利于熔滴過(guò)渡，且熔滴容易長(zhǎng)大，不能形成很強(qiáng)的電磁力和等離子流力，因此電弧力較小，如圖1-34所示。對(duì)于鎢極氬弧焊，由于通常情況下陰極區(qū)收縮的程度比陽(yáng)極區(qū)大，因此當(dāng)采取正接時(shí)將形成錐度較大的錐形電弧，產(chǎn)生的軸向推力大，電弧壓力也大，如圖1-35所示。

4.氣體介質(zhì)

不同種類(lèi)的氣體介質(zhì)熱物理性能不同，故對(duì)電弧力的影響也不同。導(dǎo)熱性強(qiáng)的氣體或分子是由多原子組成的氣體，消耗的熱能多，易引起電弧的收縮，因而導(dǎo)致電弧力的增加，如圖1-36所示。當(dāng)電弧空間氣體壓力增加或氣體流量增加時(shí)，也會(huì)引起電弧收縮，導(dǎo)致電弧力增加。

5.鎢極端部的幾何形狀

鎢極端部的幾何形狀與作用在熔池上的電弧力有密切關(guān)系。當(dāng)鎢極端部的角度變化時(shí)，電弧力也發(fā)生變化，如圖1-37所示，當(dāng)角度為45。時(shí)具有最大的電弧壓力。

6.電流的脈動(dòng)

當(dāng)電流以某一規(guī)律變化時(shí)，電弧力也相應(yīng)地發(fā)生變化。低頻脈沖焊時(shí)，電弧力隨電流的變化而變化。對(duì)于工頻交流鎢極氬弧焊，其電弧力低于直流正接時(shí)的壓力，而高于直流反接時(shí)的壓力。

當(dāng)脈沖頻率增加時(shí)，電弧力的變化逐漸滯后于電流的變化。當(dāng)頻率高于幾千赫茲時(shí)，由于高頻效應(yīng)增強(qiáng)，在平均電流值相同的情況下，隨著電流脈沖頻率的增加電弧力增大。3