[连载]气体保护焊电弧特性（6）

24.外加磁场对电弧能产生什么作用？

电弧是一种等离子体，其中充满了正离子、电子和原子等。带电粒子在磁场作用下将受到劳伦兹力的作用，其结果将改变电弧形态或移动轨迹。因此常常利用外加磁场对电弧进行控制。主要控制方式有3种：外加横向磁场、外加纵向磁场及外加尖角形磁场。

1）外加横向磁场对电弧的作用

外加横向磁场是指磁力线垂直通过电弧轴线，如图26所示。

如果加一个固定的横向磁场，根据左手法则电弧偏向一侧，如图26b所示。若外加一个交变的磁场，在交变磁场的作用下，电弧也按同样频率摆动，相当于把电弧的加热区加宽，如图26c所示。这种方法可以用来焊接薄板，也可以用来控制堆焊电弧得到较浅的熔深，还有用于旋弧焊管。

2）外加纵向磁场对电弧的作用

通过绕组如图27所示的形式绕在电极的轴线上，则外加磁场磁力线的方向与电弧轴线方向平行，

这种磁场称为纵向磁场。

弧柱中的每一带电粒子在磁场中运动，所受劳伦兹力为：

F=BνQ （11）

在弧柱中带电粒子的运动方向与磁场B的方向相同时，产生的电场力为0。然而，在弧柱断面内带电粒

子的浓度从中心到周边逐渐减小。该浓度差引起从中心向四周的扩散。如果带电粒子沿弧柱的径向运

动分量为νX，它垂直于纵向磁场强度B，这时产生的劳伦兹力FZ对正在扩散中的电子（或离子）进行

作用（如图27c所示），使之产生圆周运动，其运动速度为νZ。沿半径γ作圆周运动的电子，在纵向

磁场β的作用下，产生向心力FX（如图27d），此点的向心加速度α为：

ν2X

α= ── （12）

γ

在此处受到的向心力F=mα，已知劳伦兹力为F=BνZQ，则：

mα=BνZQ

ν2X

m ── = BνZQ

γ

mνz

所以：γ =─── （13）

QB

式中m——电子质量，g；

νz——电子运动速度在垂直磁力线方向的分量，m/s；

B——磁感应强度，T。

因为这个带电粒子除了有νz运动速度外，还有νy运动速度，所以带电粒子的实际运动路线是以γ为半

径的螺旋线。因此在外加纵向磁场的作用下，电弧中带电粒子的运动将变成沿磁力线方向的螺旋运动。

外加磁场强度越大，螺旋的半径越小。带电粒子在劳伦兹力作用下进行着螺旋运动，在运动的过程中

不断地与中性粒子发生碰撞，结果带动电弧发生旋转。随着磁场强度B增大，旋转半径减小，电弧收缩

，可以使焊缝熔深增大，改善焊缝成形。

3）外加尖角形磁场对电弧的作用

外加尖角形磁场产生装置如图28所示。由于磁场的作用可以使电弧断面成为椭圆形。使弧柱的能量密

度和电场强度提高。通过改变磁场的励磁电流的特点，就能改变电弧特点。于是能改变电弧形态，焊

缝成形以及焊缝结晶特点等。

25.保谓电弧挺度？

电弧挺度是指在热收缩和磁收缩等效应的作用下，电弧沿电极轴向挺直的程度。

产生电弧挺直性的原因是在电极（焊丝）中通过电流，则在电极及其延长线的电弧中，将按右手法则

产生磁场，该磁力线所在平面垂直于电极轴，并为绕轴的同心圆，如图29a所示。

沿电极轴线的电流与磁力线相交而产生电磁力，按左手定则确定电磁力的方向，该力使电弧向中心收

缩。使电弧不是在与工件最近处发生，而是沿电极轴线的延长线上，如图29b所示。这就表明了电弧

的挺直度。

通常焊接电流越大或电弧周围冷气流的流速越大，则电弧的挺度也越大。

26.什么是焊接电弧的磁偏吹？

直流电弧焊时，因受到焊接回路中电磁力的作用而产生的电弧偏吹称为电弧的磁偏吹。

正常情况下，如图30a所示。电级通电，在其周围产生的磁场是对称的，所以不产生磁偏吹。而有时

由于磁场的不均匀，如图30b所示，电极左边的磁力线密度比右边大，则在左边将产生较大的作用力

FL，而右边的作用力FR较小，于是电弧被推向右侧，而成为磁偏吹。

磁偏吹常常在如下几种情况下产生：

（1）电源与工件的接线位置引起的磁偏吹 焊接时不仅电流通过焊条与电弧在空间产生磁场，通过工

件的电流也会在空间产生磁场。当焊条垂直于工件时，由于电流通路在电弧处相互垂直，则在电弧左

侧的空间为两段导体周围产生的磁力线叠加（图31），提高了该处磁力线密度，而电弧右侧的空间只

有电弧本身产生的磁力线，因此磁力线密度比左侧的小，在电弧周围磁力线密度分布不均匀，使磁力

线密度大的地方产生对电弧的推力，并指向磁力线密度小的地方，使电弧偏离焊条轴向，形成电弧的

磁偏吹。如果焊条向右方倾斜，调整一下电弧左右两侧空间的大小，使两侧磁力线密度趋向平衡，则

可以减小电弧偏离焊条轴线的程度，亦即减小磁偏吹。电弧长度减小，磁偏吹现象也要减弱，因为电

弧长度减小，磁场对电弧作用的合力也减弱。

（2）电弧附近的铁磁物质所产生的磁偏吹 当电弧的一侧放置一块钢板（良导磁体）时，则电弧偏离

焊条轴线指向钢板，如图32所示。

因为在电弧一侧放置钢板后，钢板是良导磁体，磁力线将力求走磁阻小的通路，使较多的磁力线集中

到钢板中，电弧空间右侧的磁力线密度显著降低，破坏了空间磁力线分布的均匀性，电弧偏向钢板的

一侧，看上去好像钢板吸引了电弧，实质上电弧是被另一侧较强的磁场推了过去，电弧一侧放的钢板

越大或距离越近，引起磁力线密度分布不对称越加剧，电弧的磁偏吹就越厉害。当焊接电弧走到钢板

的端部时，也容易发生电弧向钢板一侧的磁偏吹现象，如图33所示。这是因为电弧到达钢板端头时，

导磁面积发生变化引起的。

靠近端部导磁面积小，电弧加热过的焊缝靠近电弧的部分温度很高，可能在居里点以上而导磁性不好，

结果都使靠近工件边缘的地方通过磁力线密度增加，也造成了空间磁力线密度的不均匀，故产生指向

工件内侧的磁偏吹，这种磁偏吹对坡口中心电弧尤其明显。

（3）交流电弧的磁偏吹 前边介绍的是直流电弧磁偏吹的情况，下面介绍交流电弧的情况，交流电流

的方向在不断地变化，同时电弧自身引起的磁场的方向也在不断地变化，而电流导体受磁场作用力的

方向与直流一样是不变的，如果在电弧空间周围磁场与直流一样，分布不均匀，也引起磁偏吹，磁偏

吹的方向也与直流相同。实际经验证明交流电弧的磁偏吹比直流电弧弱得多，如在直流焊接情况下15

0A电流就会出现磁偏吹问题，而交流电弧电流为300A时磁偏吹现象也不明显。造成这种现象的原因

之一是交流电流引起的磁场是在不断地改变方向，变化的磁力线在母材中引起的涡流损失增加，这个

涡流电流有抵消形成磁场的作用，使合成的磁场变弱。另外因交流电流和磁场都是变化的，不均衡磁

场对电弧的作用力也是同相位进行变化，磁场强度与电流大小成比例，不均衡磁场对电弧磁偏吹作用

力也与电流成比例。正弦波电流在1/2半波内电流由零增到最大值。电弧偏离焊条轴线到最大值需要一

定的时间，而电流达到最大值时（1/2 半波处）立刻减小，磁偏吹力也减小，电弧来不及偏离到最大

值也要随磁偏吹力的减小而回到焊条轴线位置。因此交流电弧磁偏吹现象比直流电弧显著减弱。

生产中经常遇到磁偏吹现象，磁偏吹严惩时焊接过程不稳定，操作难以控制，焊缝成形不良。可用下

列方法消除和减少磁偏吹：

1）在可能时用交流电源代替直流电源。

2）尽量用短弧进行焊接，电弧压得越低，磁偏吹越小。

3）对于长和大的工件可以采用两边连接地线的方法。

4）若工件有剩磁，焊前要设法消除。

5）尽量用厚皮焊条代替薄皮焊条。

6）避免周围铁磁物质的影响。

27.TIG焊时都使用钍钨极或铈钨极等，而很少使用纯钨极，为什么？

钨极氩弧焊（TIG）是以钨棒作为电弧一个极的气体保护焊方法。钨极作为不熔化电极，要求它的熔点

高，高温挥发性小和强度高。钨的熔点为3690K、沸点为5900K是理想的电极材料。

早期采用纯钨棒[w（W）≥99.9%]，由于其耐用性和工艺性不良，而逐渐被钍钨棒（W-Th）和铈钨

棒（W-Ce）以及含有其他稀土类氧化物如镧钨棒和钇钨棒等（W-La、W-Y等）的钨极所代替。钨棒

牌号及化学成分见表5。

表5 钨棒化学成分分类

广泛使用的W-Th和W-Ce等都比纯W的载流能力、引弧性能以及使用寿命好。其主要原因是它们的逸

出功比纯W低，如表6所示。

表6 钨极其合金钨极的逸出功

纯W的逸出功为4.31～5.16V，W-Th为2.63V，W-Ce为2.70V，若加入Cs和Ba等碱金属和碱土金属

的钨电极的逸出功更低，只有1.36～1.56V。由于逸出功低将带来如下特点：

（1）耐用性高 即钨极端部在焊接过程中不易损耗。试验表明，市钨、镧钨、钨棒的端部形状稳定性

高于纯钨和钍钨棒。这是因为W-La、W-Ce、W-Y电极的逸出功低于纯W和W-Th电极。在相同使用

条件下它们的电极温度都低于纯W和W-Th电极。使得烧损率下降，修复钨极次数减少。

（2）W-Th极比纯W极的许用电流大 表7所示，相同直径时W-Th比纯W的许用电流高得多。而W-

Ce又比W-Th的许用电流高5%～8%。

表7 不同成分钨极的最大许用电流的比较（直流正接）

（3）工艺性好 纯钨棒的逸出功高，它的工艺性不如W-Th极。W-Th极的电子发射能力强，引弧可

靠，交流稳弧性好，空载电压低。

但是，钍钨极中钍是放射性元素，虽只含有微量的钍，若不注意防护对工人也是有害的。为此而用铈、

镧等代替钍。实验证明，铈钨极的工艺性比钍钨极好，在相同的情况下，可使电弧更加集中，能量密

度大，提高许用电流容量，延长寿命。直流时阴极压降降低10%，比钍钨极更易引弧，电弧稳定性更

好。

总之，虽然纯钨可以用作钨电极，但是由于其耐用性，工艺性及许用电流容量等均不如钍钨极和各种

稀土钨极，所以实际应用中很少使用纯钨极。

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