電弧力

電弧在焊接過程中不僅是一個熱源，而且也是一個力源。焊接電弧的作用力對於熔池和焊縫的形成，以及焊絲(條)端部金屬熔滴的過渡都有着重要的影響。

電弧力是指焊接電弧中存在的機械作用力。它是在電弧物理過程中由於電場和熱場對氣體粒子(帶電的和中性的)作用，而由這些粒子的運動狀態宏觀地表現出來的力。焊接過程中，電弧力直接影響到熔滴的形成和過渡、熔池的攪拌與焊縫成形，還影響到液態金屬的飛濺和某些焊接缺陷(如燒穿、咬邊等)的產生。因此瞭解電弧力的性質、作用規律和影響因素，講行合理的利用與控制，是十分必要的。 ^[1] 

根據產生力的直接原因和表現形式，通常將電弧力分為電磁力、等離子流力、電極斑點力等多種力，它們共同組成電弧力。

圖1(2張)

電磁力是電弧力組成中最重要的一個力。電磁現象表明，在兩根相距不遠的平行導線中通以圊方向的電流時，則產生相互吸引力；若方向相反，則產生排斥力。這種力的形成是由予在通電導體周圍空間形成磁場，而兩個通電導體處於磁場中受到磁場力的作用，於是發生上述現象。上述的磁場力是由於電流流過導體時產生的，因此稱為電磁力。

當電流流過一個導體時，可將電流看成是由許多平行的電流線組成，其電流元線之間因自身磁場的相互作用而產生吸引力(圖1左圖)，導體受到從四周向中心方向的壓縮。這種壓縮力對於固態導體一般難於顯示出其影響；但對於可以產生自由變形的流體(如氣體、液體)導體，則可引起導體截面產生收縮(圖1右圖)，這種現象稱為電磁壓縮效應，這種電磁力稱做電磁壓縮力。

對於圓錐形電弧來説，沿電弧軸線方向的弧柱橫截面是變化的，靠近於電極處電磁力大，而靠近焊接表面處的電磁力小，因而沿電弧軸向存在着一個電磁力梯度，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A向靠近焊件處的低壓區B流動(圖1-25)，便在電弧中形成了一股高速的等離子流。這時為了保持流動的連續性，將從C區把新的氣體介質吸入弧柱，而新加入的氣體被加熱和部分電離後又繼續流向B區，這樣就構成了連續的等離子流。

應當指出，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，因而無論用直流正極性或反極性都會產生，且等離子流的運動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，且隨着電弧電流的增大而增加，可以達到每秒數百米。當等離子流衝擊熔池表面時，會產生很大的動壓力，即等離子流力(亦稱為電弧的電磁動壓力)。等離子流產生的動壓力分佈是與等離子流的速度分佈相對應的，這種動壓力在電弧中心軸線上最強，沿徑向的距離增加而減小。

在大電流熔化極氣體保護焊工藝中，等離子流力起重要作用，電弧的挺直性強，會促使溶滴過渡、增大熔池下凹從而增加熔深、增強熔池的攪拌等；但在保護氣體流量不足的情況下，由於等離子流的高速流動，有可能使空氣自電極附近大量捲入電弧中，從而導致氣體保護效果變差，因此應注意使保護氣體有充足的流量。

斑點壓力是指帶電粒子作用在電極(陰級、陽極)斑點上的撞由力，分別有陰極斑點壓力與陽極斑點壓力。正離子和電子，在電極附近區的電場力加速作用下，分別撞擊陰極斑點與陽極斑點而產生的力稱為斑點壓力。由於正離子的質量遠遠大於電子的質量(如H⁺的質量是電子質量的1837倍，Ar⁺是72806倍)，且在一般情況下陰極壓降U_k大於陽極壓降U_a，所以陰極斑點受到正離子的撞擊力遠大於陽極斑點受到電子的撞擊力，即：陰極斑點力遠遠大於陽極斑點力。這種兩電極上斑點壓力的差異，使得在某些焊接條件下，正確地選擇電流種類或極性顯得十分重要。

在氣體保護焊情況下，若採用直流負極性，陰極斑點位於工件表面上，正離子所造成的斑點壓力使氬弧焊具有明顯的陰極淨化作用；但是在直流正極性的熔化極電弧焊中，陰極斑點位於焊絲的熔滴端面上，則正離子造成的斑點壓力將是一種影響較大的阻止熔滴過渡的力。

由於電極斑點的電流密度很大，局部温度可達到電極材料的沸點而產生強烈蒸發，使金屬蒸氣形成具有一定速度的噴流由斑點發射出去，對斑點施加一定的反作用力。由於陰極斑點的電流密度比陽極斑點的高，發射更強烈，因此陰極斑點力也比陽極斑點力大。

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

熔滴過渡時具有一定的衝擊力，尤其在大電流熔化極氬弧焊時，焊絲熔化金屬形成細小熔滴呈射流過渡，當通過電弧空間時，會被等離子流加速，以很高的加速射向熔池，根據高速攝影測定，熔滴獲得的加速度可達重力加速度的40～50倍，到達熔池時其速度可達每秒幾百米。儘管每個熔滴的重量只有幾十毫克，但當以如此高的速度到達熔池表面時，熔池要受到較大的衝擊力。因此，射流過渡焊接時，在熔滴衝擊力、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。

熔化極氣體保護焊採用短路過渡時，電弧瞬時熄滅，因短路電流很大，短路金屬液柱中電流密度很高，在金屬液柱上產生很大的電磁壓縮力，使縮頸變細，電阻熱使金屬液柱小橋温度急劇升高，液柱迅速爆斷，爆破力使焊絲端部液體金屬和熔池受到衝擊，並造成金屬飛濺。 ^[2] 

圖3(7張)

1.焊接電流和電弧電壓

當增大焊接電流時，電弧力顯著增加(圖3中圖1-31)，這主要與電磁收縮力和等離子流力顯著增加有關。當電弧電壓升高時，意味着電弧長度增加，由於電弧範圍的擴展，使電弧力降低，如圖3中圖1-32所示。

2.焊絲直徑

當焊接電流相同時，焊絲直徑越小，電流密度越大，因此電弧電磁力越大。同時，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3中圖1-33所示。

3.電極的極性

電極的極性對不同焊接方法的電弧力的影響不同 對於熔化極氣體保護焊，當採用直流正接時，焊絲接負，電弧中正離子對熔滴的衝擊比較大，有較大的斑點壓力作用在熔滴上，不利於熔滴過渡，且熔滴容易長大，不能形成很強的電磁力和等離子流力，因此電弧力較小，如圖3中圖1-34所示。對於鎢極氬弧焊，由於通常情況下陰極區收縮的程度比陽極區大，因此當採取正接時將形成錐度較大的錐形電弧，產生的軸向推力大，電弧壓力也大，如圖3中圖1-35所示。

4.氣體介質

不同種類的氣體介質熱物理性能不同，故對電弧力的影響也不同。導熱性強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，因而導致電弧力的增加，如圖3中圖1-36所示。當電弧空間氣體壓力增加或氣體流量增加時，也會引起電弧收縮，導致電弧力增加。

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係。當鎢極端部的角度變化時，電弧力也發生變化，如圖3中圖1-37所示，當角度為45^。時具有最大的電弧壓力。

6.電流的脈動

當電流以某一規律變化時，電弧力也相應地發生變化。低頻脈衝焊時，電弧力隨電流的變化而變化。對於工頻交流鎢極氬弧焊，其電弧力低於直流正接時的壓力，而高於直流反接時的壓力。

當脈衝頻率增加時，電弧力的變化逐漸滯後於電流的變化。當頻率高於幾千赫茲時，由於高頻效應增強，在平均電流值相同的情況下，隨着電流脈衝頻率的增加電弧力增大。 ^[3]