電弧有兩種基本類(lèi)型：熔化極電弧和非熔化極電弧。非熔化極在焊接過(guò)程中不熔化，電極不通過(guò)電弧向熔池過(guò)渡填充金屬。非熔化極電弧焊有鎢極惰性氣體保護焊（通常簡(jiǎn)稱(chēng)鎢極氬弧焊）、等離子弧焊和碳弧焊等幾種方法。電弧的主要作用是將電能轉換為焊接所需要的熱量，此外，電弧還會(huì )發(fā)光、產(chǎn)生噪聲并對工件產(chǎn)生離了轟擊作用。而這種離了轟缶作用可去除母材表面的氧化膜。
    焊接電弧是大電流、低電壓的持續放電現象，通過(guò)放電將電能轉換為熔化工件所需要的熱量。焊接過(guò)程中，電弧穩定地燃燒在電極端部和工件之間。焊接電弧的電流最小僅為1A，而最大可達300A；電弧電壓最低為10V，最高可超過(guò)過(guò)40V。焊接電弧呈近似錐形，錐頂為電極端部與電弧的交接面，而錐底為電弧與熔池的交接處。非熔化極電弧的典型型貌見(jiàn)圖5.1。無(wú)論是電極接正極還是接負極，電弧總是在電極端受到拘束，而在工件端得以擴展。其他條件一定的情況下，電弧電壓與電弧長(cháng)度成正比。但電弧長(cháng)度增大到一定程度后，電弧將熄滅。焊接電弧的長(cháng)度一般保持在電極/焊絲直徑的1~4倍之間。對于不同電弧長(cháng)度，維持電弧穩定燃燒所需的最小電流是不同的。電流越大，可保持穩定燃燒的電弧長(cháng)度就越長(cháng)?；≈臋M斷面通常呈近似圓形，可分為兩個(gè)區域，中間為內核區或稱(chēng)等離子區，外部為外焰區。電弧等離子區傳導大部分電弧電流，具有較高的溫度；而外焰區較低，主要起著(zhù)將稿子弧拘束在電弧中心的作用。等離子區的直徑取決于電弧電流的大小、保護氣氛、電極尺寸及類(lèi)型。電弧電流與電壓之間的關(guān)系不再是直線(xiàn)關(guān)系。圖5.2示出了非熔化極電弧的典型伏安特性，即電弧電流與電壓之間的關(guān)系曲線(xiàn)。一般情況下，電弧電壓隨著(zhù)電流的增大而稍有升高。

    相同的焊接電流下，弧長(cháng)越大，電弧電壓越高；而氦弧比氬弧的電弧電壓高。電弧的電導率隨電流增大而迅速增大，其增大速度 比簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系更快。
    當陰極表面發(fā)射出電子，并穿過(guò)兩個(gè)電極之間的高溫氣體空間到達陽(yáng)極時(shí)，電弧就引燃起來(lái)。
    利用鎢極氬 弧焊可很好地解釋電弧熱的產(chǎn)生過(guò)程，如圖5.3所示。圖5.3（a)示出的是直流正接（DCEN）的鎢極惰性氣體保護焊。電弧引燃后，鎢極溫度迅速升高，發(fā)射出大量電子。這些電子在電場(chǎng)作用下穿過(guò)電弧空間向陽(yáng)極運動(dòng)，運動(dòng)過(guò)程中不斷碰撞保護氣體原子，提高了氣體 的溫度。電子與保護氣體原子的碰撞還會(huì )導致部分原子發(fā)生熱電離。電離出來(lái)的正離子在電場(chǎng)的作用下飛向陰極，到達并進(jìn)入陰極時(shí)動(dòng)能轉變?yōu)闊崮?。該熱量提?陰極溫度，從而保持足夠的電子發(fā)射能力。這種在熱量作用下發(fā)射電子的方式被稱(chēng)為熱發(fā)射。正離子從工件進(jìn)入電弧空間，穿過(guò)電弧空間進(jìn)入陰極的過(guò)程對電流也有貢獻，但由于正離子的質(zhì)量比電子大得多，因此載流能力有限，僅對低壓電弧的導電有較大幫助。正常情況下，電弧電流中有99%是電子流。從電源中連續注入到焊接回路中的電子保持了電弧中正離子和電子的平衡。電子與工件的碰撞獲得了加熱和熔化工件的熱量。.

    對于直流鎢極氬弧焊同，陽(yáng)極上的產(chǎn)熱量大于陰極上的產(chǎn)熱量。電極接正極（陽(yáng)極）、工件接負極（陰極）時(shí)（圖5.3（b）），電子從工件向電極運動(dòng)，并在電極上產(chǎn)生很大的熱量，電極容易過(guò)熱，因此，在同樣的電流下直流反極性接法（DCEP）需要選擇直徑較大的鎢極。此外，由于工件上產(chǎn)生熱量較少，這咱接法的熔深比DCEN要淺得多。但采用直流反極性接法（DCFEP）時(shí)，電弧附近的工件具有很強的氧化膜清理作用。工件表面的氧化膜被 去除，這種作用稱(chēng)為陰極霧化作用，這是由于正離子的轟擊造成的。采用交流進(jìn)行焊接時(shí)，在反極性半波也具有這種作用。
    電弧在弧長(cháng)方向上可分成三個(gè)區域；中間區、電極區和工件區。在兩個(gè)端部區（極區），電極和工件的冷卻作用導致了較大的電壓降。這兩個(gè)端部區分別被稱(chēng)為陽(yáng)極區和陰極區（電極區和工件區中，哪個(gè)區是陽(yáng)極區、哪個(gè)區是陰極區要根據電流方向來(lái)判斷）。中間區通常又稱(chēng)為弧柱區，其長(cháng)度占電弧總長(cháng)度的99%，而且電壓在弧柱長(cháng)度上呈線(xiàn)性分布。圖5.4給出了沿電弧長(cháng)度方向的電壓分布。在弧柱區，電弧周?chē)嬖谥?zhù)由電弧的趨勢，電弧自身磁場(chǎng)的這種壓縮作用稱(chēng)為電磁收縮效應，電磁收縮效應使弧柱受到很大的壓力，并形成速度 很高的高溫氣流，該高溫氣流被稱(chēng)為等離子流。等離子流的速度接近聲速。

    陰極區是陰極和弧柱的電連接區域。在該區域的溫度降和電位降相對較大，陰極區產(chǎn)生電子并提供給弧柱區，而電弧的穩定燃燒取決該區域是否能穩定地產(chǎn)生電流。鎢極和碳極能夠以熱發(fā)射的方式發(fā)射電子，因為兩都 均具有很高的熔點(diǎn)，且發(fā)射電子能力很強。它們可用作非熔極材料。由于鎢的熔點(diǎn)最高，焊接中一般選用鎢做非熔化極。
    在電弧另一端的陽(yáng)極區是陽(yáng)極和弧柱的電連接區域。陽(yáng)極的溫度與弧柱的溫度有明顯的差別，弧柱的溫度比陽(yáng)極要高得多。陽(yáng)極區溫度較低是由于它靠近熱導率高、熔點(diǎn)低的工件。陽(yáng)極區和陰極區的溫度分布。由圖可看出電弧各個(gè)位置的溫度是不同的，不同的電流下同一位置的溫度也會(huì )有所不同。

   對于直流碳極電弧焊，陰極區產(chǎn)生的熱量是電弧總熱量的1/3，而陽(yáng)極區產(chǎn)生的熱量占電弧總熱量的2/3.因此，當碳電極接負極時(shí)，電弧更穩定，同樣電流下可采用直徑較小的碳極，而且熔深較大。
   研究者證實(shí)，如果減小鎢極氬 弧弧柱的橫斷面面積，電弧溫度就會(huì )顯著(zhù)提高。通過(guò)對鎢極氬 弧弧柱進(jìn)行拘束而使其橫截而積減小后，為了使電流保持不變，唯一的途徑就是弧柱溫度升高，電導率增大。等離子弧發(fā)生器就是通過(guò)使電弧穿過(guò)一水冷銅噴的小孔來(lái)壓縮電弧的。對電弧的冷 卻作用越大，電弧的溫度就越高，而電弧電壓也越高，這是電弧的一個(gè)基本特點(diǎn)。通過(guò)在小孔中通以附加氣體，電弧受到進(jìn)一步壓縮，小孔中噴出高速、高溫的氣流，這種氣流稱(chēng)為等離子弧。等離子弧可用來(lái)進(jìn)行焊接、切割及噴涂。其溫度顯著(zhù)高于未壓縮的自由電弧。
   電弧產(chǎn)生的熱能等于焊接電流與電弧電壓的乘積。該熱量用來(lái)加熱并熔化母材，形成熔池，電弧熱還通過(guò)輻射、對流和傳導分散到母材上的其他部位。
   電弧的熔透能力取決于多種因素，包括電弧的極性接法、保護氣體成分、母材的成分、工件尺寸以及預熱溫度等。母材的成分決定了其熱導率及熔點(diǎn)，因此影響熔深。隨著(zhù)電流的增大，熔深增大。電極的載流能力決定了電弧的最大熱量，而載流能力取決于電極成分、純度、合金元素、電弧的極性接法以及電極的端部形狀等。焊接速度增大，熔深減小。所有這些因素都是相互制約、相互影響的。
    焊接成功與否取決于能否穩定地控制熔池，而熔池控制的難易程度 主要決定于焊接位置。手工焊時(shí)，需要焊工通過(guò)熟練的技術(shù)來(lái)控制熔池，而自動(dòng)焊利用控制系統來(lái)控制熔池，。電弧附近區域的氣體成分影響電弧的特性。圖5.6比較了鎢極氬弧和鎢極鎢極 氦 弧的弧長(cháng)與電壓之間的關(guān)系。在同樣的焊接電流和弧長(cháng)下，氦弧電壓明顯高于氬弧電壓。這是由于氦氣具有較高的熱導率和電離電壓，氦氣的電離電壓為24.5V，而氬氣的電離電壓為15.7V（電離電壓是原子失去一個(gè)電子變?yōu)檎x子所需要的最小電壓）。

    圖5.6中示出的電弧是300A的直流氬弧和氦?。―CEN）?？煽闯?，同樣電流下，氦弧的直徑較大，熔深大。因為氦弧熱功率顯著(zhù)大于氬弧，因此鎢極氦焊可采用更快的焊接速度，具有更高的焊接效率，適合于厚板的焊接。上面對非熔化極電弧焊的簡(jiǎn)要說(shuō)明給出了最常用的電弧基本知識。很多科學(xué)家對鎢極氬弧進(jìn)行過(guò)研究，但仍有很多問(wèn)題尚未解決，因此通常認為電弧是一種復雜的熱加工方法。