電弧焊接

早在19世紀的許多焊接實驗後，一個名叫威勒德的英國人首先於1865年得到電弧焊接專利，他利用電流通過二個小鐵件而成功地將它們熔合，而大約在二十年後，一個名叫伯納德的俄國人獲得一項電弧焊接製程專利，他於碳極棒和工件間維持一電弧，當電弧由手工操作通過工件接頭時，將待焊工件熔合在一起。在19世紀90年代，又發展出以實心金屬為電極，同時於熔池中消耗併成為焊接金屬的一部份，但由於空氣中的氧及氮於焊接金屬中形成有害的氧化物及氮化物，因而導至焊接品質不佳。

在20世紀初期，保護電弧以避免空氣滲入的重要性已受到了解，而利用電弧熱將被覆塗料分解成保護氣罩的電極成為最佳方法，其間包卷和浸漬法被嘗試使用於塗料的塗布作業，而在20世紀20年代中期，發展出被覆焊條，大大改進了焊接金屬的品質，同時也可能是電弧焊接最重要的改造。在焊接過程中的主要設備有電焊機、焊鉗和麪罩等。

焊接電弧是由焊接電源供電的，在一定電壓作用下，電極(或焊絲、電焊條端部)與工件之間產生的強烈且持久的放電現象。焊接電弧的實質是氣體導電，即電弧所在的空間中的中性氣體在一定電壓作用下分解成帶正電荷的正離子和帶負電荷的電子，稱為電離，這兩種帶電質點分別向兩極方向運動，使局部氣體導電形成電弧。電弧把電能轉換成熱能，加熱和熔化金屬，形成焊接接頭。 ^[1] 

由於電弧被誘發“點燃”後，放電過程自身能夠產生維持放電所需的帶電粒子，屬於一種自持放電現象。並且電弧放電過程電壓低、電流大、温度高、發光強。藉助這個過程，電能被轉換為熱能、機械能和光能。焊接則主要利用其熱能和機械能來達到連接金屬的目的。 ^[2] 

焊接時，電弧在焊條與被焊工件之間燃燒，使被焊工件和焊條芯熔化形成熔池。同時，焊條藥皮也被熔化，併發生化學反應，形成熔渣和氣體，對焊條端部、熔滴、熔池及高温的焊縫金屬起保護作用。

常見的電弧焊接方法主要包括焊條電弧焊(SMAW)、埋弧焊(SAW)、鎢極氬弧焊(GTAW或TIG焊接)、等離子弧焊(PAW)和熔化極氣體保護電弧焊(GMAW或者MIG焊接、MAG焊接)等。

焊條電弧焊以焊條和工件作為兩個電極，焊接時利用電弧的熱量和吹力作用使工件局部熔化。同時，在電弧熱作用下，焊條末端熔化形成熔滴，工件局部熔化形成一個橢圓形充滿液體金屬的凹坑，工件熔化的液體金屬與熔滴形成熔池，焊接過程中，藥皮和非金屬夾雜互相熔解，經化學變化形成覆蓋於焊縫表面的非金屬物質稱為熔渣。隨着電弧的移動，熔池冷卻凝固後形成焊縫。

埋弧焊是電弧在焊劑層下燃燒進行焊接的方法。埋弧焊所用的金屬電極是不問斷、自動送進的裸焊絲，焊接過程中一般採用焊接小車或其他機械電氣裝置實現電弧的自動移動。埋弧焊的電弧是埋在顆粒狀焊劑下面燃燒，電弧熱使工件電弧直接作用的部分、焊絲端部和焊劑熔化併產生蒸發，金屬和焊劑蒸發的氣體在電弧周圍形成一個封閉空腔，電弧在這個空腔中燃燒。空腔被由焊劑熔化產生的熔渣所構成的渣膜所包同，這層渣膜不僅很好地隔絕了空氣與電弧、熔池的接觸，而且使弧光不能輻射出來。被電弧加熱熔化的焊絲以熔滴的形式落下，與熔化的工件金屬混合形成熔池。密度較小的熔渣浮在熔池之上，熔渣除了對熔池金屬的機械隔離保護作用外，焊接過程中還與熔池金屬發生冶金反應，從而影響焊縫金屬的化學成分。電弧向前移動，熔池金屬逐漸冷卻後結晶形成焊縫，浮在熔池上部的熔渣冷卻後，形成渣殼繼續對高温下的焊縫起保護作用，避免其被氧化。

鎢極氬弧焊是指以鎢或鎢合金(釷鎢、鈰鎢等)作為電極，用氬氣作為保護氣體的電弧焊方法，簡稱TIG焊或GTAW焊。焊接時，根據焊縫的坡口形式及焊縫金屬性能的需要，可以添加或者不添加填充金屬。填充金屬通常從電弧的前方加入。由於鋁鎂及其合金材料的特殊性，其焊接需要採用交流鎢極氬弧焊，其他金屬材料則採用直流鎢極氬弧焊。為了控制熱輸入量，脈衝鎢極氬弧焊應用越來越廣泛。

等離子弧是一種特殊形式的電弧，該電弧也是鎢或鎢合金(釷鎢、鈰鎢等)作為電弧的電極，用氬氣作為保護氣體，但是其鎢極不是伸出噴嘴，而是內縮到噴嘴之內，其噴嘴採用水冷，又稱為水冷噴嘴。其惰性氣體氣分為兩部分，一部分是由鎢極與水冷噴嘴之間噴出的氣體，被稱為離子氣；另一部分是由水冷噴嘴與保護氣罩之間噴出的氣體，被稱為保護氣，利用等離子弧作為熱源可以進行焊接、切割、噴塗及堆焊等

熔化極氣體保護焊是指焊絲代替鎢極，焊絲本身即是電弧的一極，起導電、燃弧的作用，同時又作為填充材料，在電弧作用下連續熔化填充到焊縫中。電弧周圍常用的保護氣體可以是惰性氣體Ar，也可以是活性氣體C0₂，或者是Ar+CO₂混合氣體等。採用Ar作為保護氣體的熔化極氣體保護焊稱為MIG焊；採用CO₂作為保護氣體的熔化極氣體保護焊稱為CO₂焊。 ^[3] 

電弧焊可以用來焊接所有的金屬材料，例如鋁、鎂、銅、鎳及其合金，不鏽鋼，碳鋼，低合金結構鋼等，還用於碳鋼、低合金結構鋼以及不鏽鋼等材料的焊接，利用電弧焊接可運用於簡單的鋼筋接頭的搭接這一作用，在大多數的軌道交通行業電弧焊接也得以廣泛運用。各國主要運用埋弧焊(熔劑層下的電弧焊)的方法來生產大直徑、高強度的直縫焊管和螺旋焊管。同時電弧焊接及切割能夠在水下進行，用於打撈沉浸的船隻工作中、船隻水下部分的修理工作及各種水利工程工作中，這些工作均由潛水焊工實現之

另外在鋼筋電弧焊接的使用過程中需要注意為保證焊縫金屬與鋼筋熔合良好，必須根據鋼筋的牌號、直徑、接頭型式和焊接位置，選用合適的焊條、焊接工藝和焊接參數；鋼筋端頭間隙、鋼筋軸線以及幫條尺寸、坡口角度等，均應符合規程有關規定；接頭焊接時，引弧應在墊板、幫條或形成焊縫的部位進行，防止燒傷主筋；焊接地線與鋼筋應接觸良好，防止因接觸不良而燒傷主筋；焊接過程中應及時清渣，焊縫表面應光滑，焊縫餘高應平緩過渡，弧坑應填滿。 ^[4]