电弧焊

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电弧焊（Arc welding）是一种利用电弧产生的热能熔化金属，并使金属材料连接成一体的焊接工艺。焊接过程中，焊接电源在电极与母材之间产生电弧，使接触区域的金属熔化；熔融的金属冷却凝固后形成牢固的焊接接头。根据电源类型，电弧焊可采用交流电或直流电；根据电极性质，又可分为采用消耗性电极和非消耗性电极的焊接方法。

焊接工作区域通常需要通过保护气体（如惰性气体）、蒸气或焊渣进行保护，以防止熔融金属受到环境影响。电弧焊工艺可根据自动化程度分为手工焊、半自动焊和全自动焊。

电弧焊最早出现于19世纪末，并在第二次世界大战期间因其在造船工业中的应用而获得广泛发展。如今，电弧焊仍是钢结构制造、车辆生产以及其他金属加工领域中最重要的焊接技术之一。

## 电源

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电弧焊所需电能可由多种类型的焊接电源提供，主要分为恒流电源和恒压电源。电弧焊中，电压主要取决于电弧长度，而电流则决定热量输入的大小。

恒流电源可在电压变化时维持相对稳定的电流，主要用于手工焊接，如钨极气体保护电弧焊和焊条电弧焊。由于手工操作难以保持电极位置完全稳定，电弧长度和电压容易发生变化，因此恒流电源有助于维持焊接过程稳定。

恒压电源则保持电压稳定，并通过调节电流适应电弧长度变化，主要用于自动化程度较高的焊接工艺，如熔化极气体保护焊、药芯焊丝电弧焊和埋弧焊。当焊丝与母材间距发生变化时，电流会迅速调整，使熔化速度发生改变，从而恢复稳定的电弧长度。根据焊接形式的不同，电弧焊一般的工作电压为20-40V。

电流方向同样会影响焊接效果。采用直流电的消耗性电极工艺中，电极可连接正极或负极。由于阳极区域热量较高，通常约60%的热量集中于阳极。在焊条电弧焊中，直流反接（电极接正极）通常可获得较深的熔融深度和较好的焊道形状；直流正接（电极接负极）则具有较浅的熔融深度和较高的电极熔化速度，适用于部分薄板焊接场景。

非消耗性电极使用直流电焊接时，电极接负极可获得较深熔深，而电极接正极则因热量集中于电极而熔深较浅。而使用交流电可在两种极性之间快速切换，从而兼具二者特点，但传统的交流电存在电弧过零点时重新引燃的问题。现代的焊接电源则通过产生方波交流电，减少了低电压过渡时间，从而改善了电弧稳定性。

### 暂载率

暂载率是衡量焊接设备持续工作能力的重要参数，表示设备在10分钟周期内可安全工作的时间比例。例如，一台在80安培下，暂载率为60%的焊机可在该电流连续工作6分钟，随后需停机冷却4分钟。超出暂载率限制可能会导致设备自动断电乃至损坏，但很多焊接工作都是在低电流下进行的，此时焊机的暂载率可能会达到100%。

## 方法

### 消耗性电极方法

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#### 焊条电弧焊

焊条电弧焊（SMAW），也称手工电弧焊、手把焊，是最常见的电弧焊方法之一。该工艺利用电流在母材与消耗性的焊条之间产生电弧，使金属熔化并形成焊缝。焊条芯与母材成分相匹配，作为填充金属；其外覆的焊剂在受热后分解产生保护气体并形成焊渣，共同保护工作区域免受空气污染。

焊条电弧焊设备简单、成本较低、适应性强，对操作环境要求较低，因此广泛用于建筑、安装和维修等领域。其不足之处在于焊接速度较慢，且需要频繁更换焊条，并在焊接后清除焊渣。该工艺主要用于焊接钢铁材料，也可配合专用焊条焊接铸铁、镍、铝、铜等金属。

#### 熔化极气体保护焊

熔化极气体保护焊（GMAW），通常称为金属惰性气体焊（MIG)，是一种半自动或全自动焊接工艺。该工艺采用连续送进的焊丝作为电极和填充金属，并在焊接区域持续通入惰性或活性保护气体，以隔绝空气、防止焊缝污染。

熔化极气体保护焊通常采用恒压直流电源，也可使用恒流交流电源。由于焊丝连续送进，其焊接速度和生产效率均高于焊条电弧焊，但设备较复杂，对保护气体的供应条件要求更高。该工艺最初于20世纪40年代用于焊接铝和其他有色金属，随后迅速推广至钢材焊接，目前已广泛应用于汽车制造等行业。由于保护气体易受外部气流干扰，所以室外或风速较大的环境通常不适合采用该工艺。

#### 药芯焊丝电弧焊

药芯焊丝电弧焊（FCAW）是熔化极气体保护焊的一种变体。其焊丝为空心金属管，内部填充粉末状焊剂。焊接过程中既可配合外部保护气体使用，也可依靠焊剂分解产生保护气体和焊渣提供保护。

由于焊接速度快、设备便于移动等优点，药芯焊丝电弧焊广泛应用于建筑、桥梁和重型钢结构制造等领域。

#### 埋弧焊

埋弧焊（SAW）是一种高生产率的自动化焊接工艺，其电弧在颗粒状焊剂的覆盖层下燃烧。焊剂能够隔绝空气中的污染物，并在焊接过程中形成焊渣保护焊缝。

由于采用连续送丝，且焊渣通常可自行脱落，所以埋弧焊具有熔敷效率高、焊缝质量稳定、烟尘少的优点。该工艺广泛应用于金属工业，尤其是大型钢结构的焊接。由于埋弧焊的电弧完全被焊剂覆盖，不便于人工观察，因此通常采用自动或半自动方式进行焊接，并主要适用于平角焊、水平角焊、平对接焊等焊接位置。

### 非消耗性电极方法

#### 钨极气体保护焊

钨极气体保护焊（GTAW），也称钨极惰性气体保护焊，是一种采用非消耗性电极的电弧焊工艺。该方法以钨制电极产生电弧，并利用惰性或半惰性的混合气体作为保护气体，同时根据需要加入独立的填充材料。

钨极气体保护焊具有电弧稳定、焊缝质量高、飞溅少等特点，特别适用于薄板材料的精密焊接。但其焊接速度较慢，且对操作者技术要求较高。该工艺几乎适用于所有可焊金属，尤其常用于不锈钢、铝、镁等轻金属的焊接。在自行车、航空器和船舶制造等领域，钨极气体保护焊具有广泛的应用。

#### 等离子弧焊

等离子弧焊是钨极气体保护焊的相关工艺，同样采用钨制电极，但通过等离子气体形成更集中、更高能量密度的电弧。

由于等离子弧束流集中，其横向控制要求更高，因此该工艺通常采用机械化或自动化操作。相比钨极气体保护焊，等离子弧焊具有电弧稳定、焊接速度较快和对材料厚度适用范围更广等优点。除镁以外，该工艺可用于焊接多数适用于钨极气体保护焊的材料，其中不锈钢的自动化焊接是其重要应用领域之一。

等离子弧焊还可用于等离子切割，这是一种利用高温高速的等离子射流切割金属的加工方法。

#### 其他电弧焊工艺

除上述方法外，电弧焊还包括多种特殊工艺，例如原子氢焊、碳弧焊、电渣焊、电气焊和螺柱电弧焊等。

## 腐蚀问题

某些材料会容易受到氢脆的影响，尤其是高强度钢、铝合金和钛合金。当焊接电极中含有微量水分时，水分会在电弧产生的高温下分解，分解产生的氢原子可进入金属晶格，导致材料脆化。所以用于焊接此类材料的焊条通常采用特殊的低氢涂层，并在密封防潮包装中保存。新开封的电极通常可直接使用；若怀疑受潮，则需在干燥炉中重新烘干（通常加热至450～550 °C）。此外，焊接过程中使用的焊剂也必须保持干燥。

刀线腐蚀是另一种可能影响焊接的腐蚀，主要发生在采用铌进行稳定化的不锈钢中。在焊接产生的高温条件下，铌和碳化铌可能重新溶解于钢中。若随后冷却过程中未能及时析出碳化铌，钢材会表现出类似进行稳定化时的性质，并形成碳化铬。该腐蚀通常仅影响紧邻焊缝的数毫米宽区域，难以通过外表发现，却会显著降低耐腐蚀性能。为避免此问题，可将该类钢材整体加热至约1000°C，使碳化铬重新溶解并促进碳化铌形成，不过加热后的冷却速率对性能影响较小。

此外，若填充金属或电极材料的选择不适合使用环境，也可能降低焊接接头的耐腐蚀性。当填充金属与母材之间存在较大的成分差异，或不同材料之间进行焊接时，还可能产生电偶腐蚀。即使是不同牌号的镍基不锈钢，焊接接头也可能发生较严重的腐蚀，而这些材料在进行直接的机械连接时则通常并不会出现电偶腐蚀。

## 安全问题

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在未采取适当防护措施的情况下，焊接作业可能具有较高的安全风险，并危害健康。然而，通过采用现代焊接设备、完善的安全措施以及个人防护装备，可显著降低焊接的相关危害和事故的发生风险。

### 热、火灾与爆炸危险

许多常见的焊接工艺采用电弧或明火作为热源，因此存在被高温、飞溅金属和火花烧伤的风险。焊工通常需穿戴厚皮革手套、阻燃长袖工作服等个人防护装备，以避免皮肤接触高温、火花和飞溅金属。

此外，许多焊接工艺需要使用压缩气体或可燃气体，因此还存在火灾和爆炸风险。常见的预防措施包括清除作业区域内的易燃物、保持良好通风，并严格控制氧气和可燃气体的使用条件。

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### 眼部损伤

暴露于焊接电弧产生的强光在可导致电光性眼炎，这是由紫外线引起的角膜炎，严重时还可能损伤视网膜。因此，焊工应佩戴焊接护目镜或焊接面罩，其滤光等级远高于普通的太阳镜或气焊护目镜，以防止强光和紫外线伤害。

在目前，自动变光焊接面罩已得到广泛应用，其滤光镜片可根据电弧亮度自动调整透光率。为保护周围人员，焊接区域通常还会设置透明焊接幕帘，以阻挡电弧产生的紫外线照射。

### 烟尘与有害气体

焊接过程中，操作者可能暴露于有害气体和焊接烟尘中。焊条电弧焊和药芯焊丝电弧焊等工艺会产生大量含金属、金属氧化物、硅酸盐和氟化物颗粒的烟尘，其中颗粒越细，越容易进入呼吸道深部，对健康的危害也越大。

此外，焊接过程中还可能产生二氧化碳、臭氧等有害气体。在通风不良的环境中，这些气体可能积聚至危险浓度，因此应采取局部排风或通风等措施降低暴露风险。

### 电气安全

虽然电弧焊机的空载电压通常仅为数十伏至约120伏，但仍有造成触电危险，尤其是在船舶、储罐、钢结构或潮湿环境等易接地场所。

采用交流供电的焊机应确保电回路与大地隔离，防止设备绝缘故障导致操作者接触高压。焊接接地夹位置应尽量靠近于焊接区域，以减少杂散电流造成的发热、触电风险以及对敏感电子设备的干扰。

### 对心脏起搏器的干扰

部分采用高频引弧的焊机可能干扰心律调节器的正常工作。研究表明，当起搏器使用者距离焊机电源约2 m以内或距离焊接点约1 m以内时，发生电磁干扰的风险会增加。

## 历史

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1800年，汉弗里·戴维发现了短脉冲电弧，而电弧焊的发展则始于19世纪后期。在1881年，尼古拉·贝纳尔多斯在巴黎国际电力博览会上首次展示了采用碳作为电极的金属电弧焊技术，并于1887年与斯坦尼斯瓦夫·奥尔谢夫斯基共同获得了相关专利。同一时期，法国电气发明家奥古斯特·德·梅里滕斯也开发了一种碳弧焊方法，并于1881年取得专利，该技术成功在铅酸蓄电池制造中用于焊接铅。

19世纪末至20世纪初，电弧焊技术随着金属电极的发展而不断进步。俄国的尼古拉·斯拉夫耶诺夫（1888年）和美国的查尔斯·L•科芬分别发明了金属电极，推动了电弧焊工艺的发展。约1900年，A·P·斯特罗门格（A. P. Strohmenger）在英国研制出一种带涂层的金属电极，可以使电弧更加稳定。奥斯卡·卡尔伯格于1904年进一步改进了焊条电弧焊工艺。1905年，俄国科学家弗拉基米尔·米特凯维奇提出采用三相电弧进行焊接的设想。1919年，C·J·霍尔斯拉格（C. J. Holslag）发明了交流电弧焊，但该技术直到约十年后才得到广泛应用。

第一次世界大战期间，英国开始将焊接技术应用于造船业，以替代传统的钢板铆接工艺。战争初期，在纽约港遭受德国袭击后，美国利用焊接技术快速修复受损船舶，使该技术在美国逐渐受到重视。同一时期，电弧焊首次应用于航空制造，部分德国飞机的机身采用了焊接结构。1919年，英国造船厂卡梅尔·莱尔德开始建造采用全焊接船体结构的商船——富拉加号，该船于1921年下水。

20世纪20年代，焊接技术取得了重要进展。1920年，自动焊接技术问世，实现了连续送进焊丝的自动化焊接。此后，保护气体成为研究重点，研究人员致力于利用保护气体减少氧气和氮气对焊缝的影响，因为气孔和脆化问题是当时需要解决的主要缺陷。当时决定采用氢气、氩气和氦气等气体用于改善焊接环境。

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20世纪30年代，随着自动焊接、交流电源和焊剂技术的发展，铝、镁等活泼金属的焊接逐渐成为可能。这些技术进步推动了电弧焊在工业领域的广泛应用，并成为了第二次世界大战期间焊接技术快速发展的基础。

20世纪中叶，新的电弧焊方法不断出现。埋弧焊于1930年问世，并沿用至今。1932年，俄国科学家康斯坦丁·赫列诺夫完成了首次水下电弧焊的实验。钨极气体保护焊经过长期发展，于1941年趋于成熟；熔化极气体保护焊则于1948年问世，使有色金属的高速焊接成为可能，但早期需要使用成本较高的保护气体。随后，通过采用消耗性电极和二氧化碳保护，该工艺迅速发展成为最常用的金属电弧焊方法之一。

1957年，药芯焊丝电弧焊技术首次出现，其采用自保护的药芯焊丝，可与自动化设备结合使用，大幅提高焊接效率。同年，等离子弧焊技术也被发明。随后，电渣焊于1958年问世，随后其相关工艺电气焊也于1961年出现。