電弧焊

電弧焊（Arc welding）是一種利用電弧產生的熱能熔化金屬，並使金屬材料連接成一體的焊接工藝。焊接過程中，焊接電源在電極與母材之間產生電弧，使接觸區域的金屬熔化；熔融的金屬冷卻凝固後形成牢固的焊接接頭。根據電源類型，電弧焊可採用交流電或直流電；根據電極性質，又可分為採用消耗性電極和非消耗性電極的焊接方法。

焊接工作區域通常需要通過保護氣體（如惰性氣體）、蒸氣或焊渣進行保護，以防止熔融金屬受到環境影響。電弧焊工藝可根據自動化程度分為手工焊、半自動焊和全自動焊。

電弧焊最早出現於19世紀末，並在第二次世界大戰期間因其在造船工業中的應用而獲得廣泛發展。如今，電弧焊仍是鋼結構製造、車輛生產以及其他金屬加工領域中最重要的焊接技術之一。

## 電源

電弧焊所需電能可由多種類型的焊接電源提供，主要分為恆流電源和恆壓電源。電弧焊中，電壓主要取決於電弧長度，而電流則決定熱量輸入的大小。

恆流電源可在電壓變化時維持相對穩定的電流，主要用於手工焊接，如鎢極氣體保護電弧焊和焊條電弧焊。由於手工操作難以保持電極位置完全穩定，電弧長度和電壓容易發生變化，因此恆流電源有助於維持焊接過程穩定。

恆壓電源則保持電壓穩定，並通過調節電流適應電弧長度變化，主要用於自動化程度較高的焊接工藝，如熔化極氣體保護焊、藥芯焊絲電弧焊和埋弧焊。當焊絲與母材間距發生變化時，電流會迅速調整，使熔化速度發生改變，從而恢復穩定的電弧長度。根據焊接形式的不同，電弧焊一般的工作電壓為20-40V。

電流方向同樣會影響焊接效果。採用直流電的消耗性電極工藝中，電極可連接正極或負極。由於陽極區域熱量較高，通常約60%的熱量集中於陽極。在焊條電弧焊中，直流反接（電極接正極）通常可獲得較深的熔融深度和較好的焊道形狀；直流正接（電極接負極）則具有較淺的熔融深度和較高的電極熔化速度，適用於部分薄板焊接場景。

非消耗性電極使用直流電焊接時，電極接負極可獲得較深熔深，而電極接正極則因熱量集中於電極而熔深較淺。而使用交流電可在兩種極性之間快速切換，從而兼具二者特點，但傳統的交流電存在電弧過零點時重新引燃的問題。現代的焊接電源則通過產生方波交流電，減少了低電壓過渡時間，從而改善了電弧穩定性。

### 暫載率

暫載率是衡量焊接設備持續工作能力的重要參數，表示設備在10分鐘周期內可安全工作的時間比例。例如，一台在80安培下，暫載率為60%的焊機可在該電流連續工作6分鐘，隨後需停機冷卻4分鐘。超出暫載率限制可能會導致設備自動斷電乃至損壞，但很多焊接工作都是在低電流下進行的，此時焊機的暫載率可能會達到100%。

## 方法

### 消耗性電極方法

#### 焊條電弧焊

焊條電弧焊（SMAW），也稱手工電弧焊、手把焊，是最常見的電弧焊方法之一。該工藝利用電流在母材與消耗性的焊條之間產生電弧，使金屬熔化並形成焊縫。焊條芯與母材成分相匹配，作為填充金屬；其外覆的焊劑在受熱後分解產生保護氣體並形成焊渣，共同保護工作區域免受空氣污染。

焊條電弧焊設備簡單、成本較低、適應性強，對操作環境要求較低，因此廣泛用於建築、安裝和維修等領域。其不足之處在於焊接速度較慢，且需要頻繁更換焊條，並在焊接後清除焊渣。該工藝主要用於焊接鋼鐵材料，也可配合專用焊條焊接鑄鐵、鎳、鋁、銅等金屬。

#### 熔化極氣體保護焊

熔化極氣體保護焊（GMAW），通常稱為金屬惰性氣體焊（MIG)，是一種半自動或全自動焊接工藝。該工藝採用連續送進的焊絲作為電極和填充金屬，並在焊接區域持續通入惰性或活性保護氣體，以隔絕空氣、防止焊縫污染。

熔化極氣體保護焊通常採用恆壓直流電源，也可使用恆流交流電源。由於焊絲連續送進，其焊接速度和生產效率均高於焊條電弧焊，但設備較複雜，對保護氣體的供應條件要求更高。該工藝最初於20世紀40年代用於焊接鋁和其他有色金屬，隨後迅速推廣至鋼材焊接，目前已廣泛應用於汽車製造等行業。由於保護氣體易受外部氣流干擾，所以室外或風速較大的環境通常不適合採用該工藝。

#### 藥芯焊絲電弧焊

藥芯焊絲電弧焊（FCAW）是熔化極氣體保護焊的一種變體。其焊絲為空心金屬管，內部填充粉末狀焊劑。焊接過程中既可配合外部保護氣體使用，也可依靠焊劑分解產生保護氣體和焊渣提供保護。

由於焊接速度快、設備便於移動等優點，藥芯焊絲電弧焊廣泛應用於建築、橋梁和重型鋼結構製造等領域。

#### 埋弧焊

埋弧焊（SAW）是一種高生產率的自動化焊接工藝，其電弧在顆粒狀焊劑的覆蓋層下燃燒。焊劑能夠隔絕空氣中的污染物，並在焊接過程中形成焊渣保護焊縫。

由於採用連續送絲，且焊渣通常可自行脫落，所以埋弧焊具有熔敷效率高、焊縫質量穩定、煙塵少的優點。該工藝廣泛應用於金屬工業，尤其是大型鋼結構的焊接。由於埋弧焊的電弧完全被焊劑覆蓋，不便於人工觀察，因此通常採用自動或半自動方式進行焊接，並主要適用於平角焊、水平角焊、平對接焊等焊接位置。

### 非消耗性電極方法

#### 鎢極氣體保護焊

鎢極氣體保護焊（GTAW），也稱鎢極惰性氣體保護焊，是一種採用非消耗性電極的電弧焊工藝。該方法以鎢制電極產生電弧，並利用惰性或半惰性的混合氣體作為保護氣體，同時根據需要加入獨立的填充材料。

鎢極氣體保護焊具有電弧穩定、焊縫質量高、飛濺少等特點，特別適用於薄板材料的精密焊接。但其焊接速度較慢，且對操作者技術要求較高。該工藝幾乎適用於所有可焊金屬，尤其常用於不鏽鋼、鋁、鎂等輕金屬的焊接。在自行車、航空器和船舶製造等領域，鎢極氣體保護焊具有廣泛的應用。

#### 等離子弧焊

等離子弧焊是鎢極氣體保護焊的相關工藝，同樣採用鎢制電極，但通過等離子氣體形成更集中、更高能量密度的電弧。

由於等離子弧束流集中，其橫向控制要求更高，因此該工藝通常採用機械化或自動化操作。相比鎢極氣體保護焊，等離子弧焊具有電弧穩定、焊接速度較快和對材料厚度適用範圍更廣等優點。除鎂以外，該工藝可用於焊接多數適用於鎢極氣體保護焊的材料，其中不鏽鋼的自動化焊接是其重要應用領域之一。

等離子弧焊還可用於等離子切割，這是一種利用高溫高速的等離子射流切割金屬的加工方法。

#### 其他電弧焊工藝

除上述方法外，電弧焊還包括多種特殊工藝，例如原子氫焊、碳弧焊、電渣焊、電氣焊和螺柱電弧焊等。

## 腐蝕問題

某些材料會容易受到氫脆的影響，尤其是高強度鋼、鋁合金和鈦合金。當焊接電極中含有微量水分時，水分會在電弧產生的高溫下分解，分解產生的氫原子可進入金屬晶格，導致材料脆化。所以用於焊接此類材料的焊條通常採用特殊的低氫塗層，並在密封防潮包裝中保存。新開封的電極通常可直接使用；若懷疑受潮，則需在乾燥爐中重新烘乾（通常加熱至450～550 °C）。此外，焊接過程中使用的焊劑也必須保持乾燥。

刀線腐蝕是另一種可能影響焊接的腐蝕，主要發生在採用鈮進行穩定化的不鏽鋼中。在焊接產生的高溫條件下，鈮和碳化鈮可能重新溶解於鋼中。若隨後冷卻過程中未能及時析出碳化鈮，鋼材會表現出類似進行穩定化時的性質，並形成碳化鉻。該腐蝕通常僅影響緊鄰焊縫的數毫米寬區域，難以通過外表發現，卻會顯著降低耐腐蝕性能。為避免此問題，可將該類鋼材整體加熱至約1000°C，使碳化鉻重新溶解並促進碳化鈮形成，不過加熱後的冷卻速率對性能影響較小。

此外，若填充金屬或電極材料的選擇不適合使用環境，也可能降低焊接接頭的耐腐蝕性。當填充金屬與母材之間存在較大的成分差異，或不同材料之間進行焊接時，還可能產生電偶腐蝕。即使是不同牌號的鎳基不鏽鋼，焊接接頭也可能發生較嚴重的腐蝕，而這些材料在進行直接的機械連接時則通常並不會出現電偶腐蝕。

## 安全問題

在未採取適當防護措施的情況下，焊接作業可能具有較高的安全風險，並危害健康。然而，通過採用現代焊接設備、完善的安全措施以及個人防護裝備，可顯著降低焊接的相關危害和事故的發生風險。

### 熱、火災與爆炸危險

許多常見的焊接工藝採用電弧或明火作為熱源，因此存在被高溫、飛濺金屬和火花燒傷的風險。焊工通常需穿戴厚皮革手套、阻燃長袖工作服等個人防護裝備，以避免皮膚接觸高溫、火花和飛濺金屬。

此外，許多焊接工藝需要使用壓縮氣體或可燃氣體，因此還存在火災和爆炸風險。常見的預防措施包括清除作業區域內的易燃物、保持良好通風，並嚴格控制氧氣和可燃氣體的使用條件。

### 眼部損傷

暴露於焊接電弧產生的強光在可導致電光性眼炎，這是由紫外線引起的角膜炎，嚴重時還可能損傷視網膜。因此，焊工應佩戴焊接護目鏡或焊接面罩，其濾光等級遠高於普通的太陽鏡或氣焊護目鏡，以防止強光和紫外線傷害。

在目前，自動變光焊接面罩已得到廣泛應用，其濾光鏡片可根據電弧亮度自動調整透光率。為保護周圍人員，焊接區域通常還會設置透明焊接幕簾，以阻擋電弧產生的紫外線照射。

### 煙塵與有害氣體

焊接過程中，操作者可能暴露於有害氣體和焊接煙塵中。焊條電弧焊和藥芯焊絲電弧焊等工藝會產生大量含金屬、金屬氧化物、矽酸鹽和氟化物顆粒的煙塵，其中顆粒越細，越容易進入呼吸道深部，對健康的危害也越大。

此外，焊接過程中還可能產生二氧化碳、臭氧等有害氣體。在通風不良的環境中，這些氣體可能積聚至危險濃度，因此應採取局部排風或通風等措施降低暴露風險。

### 電氣安全

雖然電弧焊機的空載電壓通常僅為數十伏至約120伏，但仍有造成觸電危險，尤其是在船舶、儲罐、鋼結構或潮濕環境等易接地場所。

採用交流供電的焊機應確保電迴路與大地隔離，防止設備絕緣故障導致操作者接觸高壓。焊接接地夾位置應儘量靠近於焊接區域，以減少雜散電流造成的發熱、觸電風險以及對敏感電子設備的干擾。

### 對心臟起搏器的干擾

部分採用高頻引弧的焊機可能干擾心律調節器的正常工作。研究表明，當起搏器使用者距離焊機電源約2 m以內或距離焊接點約1 m以內時，發生電磁干擾的風險會增加。

## 歷史

1800年，漢弗里·戴維發現了短脈衝電弧，而電弧焊的發展則始於19世紀後期。在1881年，尼古拉·貝納爾多斯在巴黎國際電力博覽會上首次展示了採用碳作為電極的金屬電弧焊技術，並於1887年與斯坦尼斯瓦夫·奧爾謝夫斯基共同獲得了相關專利。同一時期，法國電氣發明家奧古斯特·德·梅里滕斯也開發了一種碳弧焊方法，並於1881年取得專利，該技術成功在鉛酸蓄電池製造中用於焊接鉛。

19世紀末至20世紀初，電弧焊技術隨著金屬電極的發展而不斷進步。俄國的尼古拉·斯拉夫耶諾夫（1888年）和美國的查爾斯·L•科芬分別發明了金屬電極，推動了電弧焊工藝的發展。約1900年，A·P·斯特羅門格（A. P. Strohmenger）在英國研製出一種帶塗層的金屬電極，可以使電弧更加穩定。奧斯卡·卡爾伯格於1904年進一步改進了焊條電弧焊工藝。1905年，俄國科學家弗拉基米爾·米特凱維奇提出採用三相電弧進行焊接的設想。1919年，C·J·霍爾斯拉格（C. J. Holslag）發明了交流電弧焊，但該技術直到約十年後才得到廣泛應用。

第一次世界大戰期間，英國開始將焊接技術應用於造船業，以替代傳統的鋼板鉚接工藝。戰爭初期，在紐約港遭受德國襲擊後，美國利用焊接技術快速修復受損船舶，使該技術在美國逐漸受到重視。同一時期，電弧焊首次應用於航空製造，部分德國飛機的機身採用了焊接結構。1919年，英國造船廠卡梅爾·萊爾德開始建造採用全焊接船體結構的商船——富拉加號，該船於1921年下水。

20世紀20年代，焊接技術取得了重要進展。1920年，自動焊接技術問世，實現了連續送進焊絲的自動化焊接。此後，保護氣體成為研究重點，研究人員致力於利用保護氣體減少氧氣和氮氣對焊縫的影響，因為氣孔和脆化問題是當時需要解決的主要缺陷。當時決定採用氫氣、氬氣和氦氣等氣體用於改善焊接環境。

20世紀30年代，隨著自動焊接、交流電源和焊劑技術的發展，鋁、鎂等活潑金屬的焊接逐漸成為可能。這些技術進步推動了電弧焊在工業領域的廣泛應用，並成為了第二次世界大戰期間焊接技術快速發展的基礎。

20世紀中葉，新的電弧焊方法不斷出現。埋弧焊於1930年問世，並沿用至今。1932年，俄國科學家康斯坦丁·赫列諾夫完成了首次水下電弧焊的實驗。鎢極氣體保護焊經過長期發展，於1941年趨於成熟；熔化極氣體保護焊則於1948年問世，使有色金屬的高速焊接成為可能，但早期需要使用成本較高的保護氣體。隨後，通過採用消耗性電極和二氧化碳保護，該工藝迅速發展成為最常用的金屬電弧焊方法之一。

1957年，藥芯焊絲電弧焊技術首次出現，其採用自保護的藥芯焊絲，可與自動化設備結合使用，大幅提高焊接效率。同年，等離子弧焊技術也被發明。隨後，電渣焊於1958年問世，隨後其相關工藝電氣焊也於1961年出現。