本文为美国宾法西尼亚州立大学E. W. REUTZEL先生撰写，鬼斧翻译。
近代科学，是西方人的科学。而西方人把电弧的诞生归功于英国大科学家——汉弗莱·戴维爵士。
1801年，年轻的汉弗莱·戴维被英国皇家研究所聘请，任化学讲师兼管实验室。在鼓捣电化学实验的过程中，戴维发现可以用电池供电的高压电路产生电弧，以此产生大量的光和热量。
然而，由于19世纪初，电机尚未被发明，电弧并未真正进入应用，甚至深入的研究也没有多大推进。直到30年后，同是大英帝国的法拉第发现了电磁感应。又过了30多年，德国电工学家西门子维尔纳.冯.西门子发明了自激励式发电机，1877年，真正实用的发电机进入商业应用。
这才为稳定的电弧提供了持续的能量，为电弧焊的出现与发展提供了能源与技术基础。
稍微曲折一点的是，随着商用发电机的出现，利用电弧技术的碳弧路灯在19世纪70年代得到很大的发展，从而也电弧技术变得更加普及。
1881年，法国电气发明家奥古斯·德梅里滕斯（Auguste De Meritens）发明碳电弧焊接，用来焊接蓄电池铅板。 同年，俄罗斯人尼古拉·贝纳多斯在巴黎国际电力展览会上展示了使用碳电极进行金属电弧焊接的技术。
开始之时，电弧焊技术在坦克和欧洲贵族的花园器具生产中，得到快的商业化使用，并且到1892年用于机车的维护。但是，由于碳弧焊技术本身的局限性，即将碳元素引入焊缝金属中，从而增加了焊缝的脆性。这实在是不够理想。
1889年，N.G. Slavianoff和Charles Coffin分别独立开发了金属电极，以取代碳棒。这一发展，取得了显着改善。因为电极棒不仅可提供热量，而且还可在电极被消耗时，直接熔化作为补充金属以填充接头。
当然，裸露金属电极在电弧作用下，产生的焊缝仍然较为脆弱。实际上，裸露金属电极的发展也极为缓慢。
在20世纪的前些年，引入了包药电极，用于稳定电弧，并最终净化焊缝金属。但是生产包药电极的成本极高，这大大限制了其广泛使用。
直到第一次世界大战，与传统技术如铆接、气焊相比，发现电弧焊可以更快地生产炸弹，鱼雷，船只，甚至飞机机身。
1922年，波音的冶金工程师路易斯.马什改善了轻型航空钢管的电弧焊工艺，并应用到波音PW-9战斗机上，大大提高了飞机的产量。
1927年，开发了一种挤出工艺，可以廉价地生产包覆有涂层的金属芯焊条。 这使得电弧焊的应用取得大规模的增长。 在20世纪30年代，国际条约限制国家海军战船的总吨位，更是鼓励工业国家通过减轻传统连接方法的重量（电弧焊之于战船轻量化），来变相增加自己的海军战船吨位，而电弧焊则是首选。
1935年，开发了埋弧焊工艺。颗粒焊剂在裸漏的钢质填充焊丝电极之前堆积，以为电弧提供足够的屏蔽。同时，焊接流也可防止熔池氧化。到1946年，该工艺被改进，并用于具有进行电压和电流控制的手持式半自动喷枪，以降低焊机颗粒质量对操作员技能的依赖性。由于焊剂颗粒的性质，该工艺仍然只适用于平焊。
在20世纪20年代末、30年代初，开发了使用惰性气体作为工艺屏蔽介质的电弧焊接工艺。这些基于气体保护的电弧工艺通常采用高熔点钨电极，以氦（He）或氩（Ar）作为保护气，来产生电弧。该过程被称为钨极惰性气体（TIG）焊接，后来改为更准确的气体钨极电弧焊（GTAW）。因为人们认识到某些应用，可以采用非惰性工艺气体作保护气。该工艺能够焊接诸如铝、镁等活性金属，而它们则很难找到合适的埋弧焊颗粒焊机。另一个优势，是没有颗粒流显着降低了夹渣的可能性。由于热输入相对较低，该方法不适合于连接厚导热材料。1953年，对此工艺进行了修改，以引导电弧通过喷嘴，从而形成最终称为等离子弧焊的焊接工艺。
尽管20世纪20年代，首次引入了使用惰性气体做保护气，来实施可消耗焊接电极的工艺概念。但直到1948年，金属惰性气体（MIG）焊接工艺才被商业化。 在20世纪50年代，这一工艺变得非常普遍。人们希望降低气体成本，比如使用较便宜的反应气体，如CO2。因此，该工艺现在通常被称为气体保护金属极电弧焊（GMAW)。
20世纪五六十年代，其它电弧焊和制造工艺的研发，产生了商业化的药芯焊丝气体保护焊（FCAW），可有和没有气体保护的情况下使用。这种自保护电极有很高的堆积速率，可用于自动化和半自动化设备。
在之后的几年里，制造技术、冶金、机器人、电力电子、电源技术以及计算机技术的巨大进步，以及对弧焊工艺的科学理解，从而使电弧焊成为现代社会工业发展的关键推动技术。几乎所有的现代建筑物或制造物品，都或多或少地采用了电弧焊接技术。如今，电弧焊广泛应用于诸如建筑、结构、桥梁、重型机械、汽车、火车、船舶、采矿设备、石油设备等各行各业。
1. 金属极气体保护电弧焊（GMAW）
气体保护金属电弧焊（GMAW）工艺应用广泛，它通过使用电弧将金属加热至其熔点，来连接金属。焊接电弧是一种高温，电离的气体（或等离子体）柱，它在连续进给的自耗电极（通常直径为0.89-1.60毫米）和工件之间产生。电弧温度通常为6600℃（相比之下，铁的熔点为1539℃，铝的熔点为660℃），并且通过高电流（100至450A）、低电压（15至35V）来维持。 凝固后，部件生成永久的冶金熔合连接。焊接时，可通过改变操作参数来平衡，增加焊接速率，或限制热输入以减少变形和冶金退化。
保护气体
电弧在熔化电极和被焊接的金属部件之间的保护气体中形成。保护气体可以是用于形成和稳定电弧的各种气体混合物中的任何一种，以及保护熔融焊池免受大气和其它大气污染物的氧化。保护气体的选择在很大程度上取决于所连接的合金，所需的焊接转移模式和质量要求，以及焊接过程的经济性。氩（Ar）是保护气体混合物的常用组分，用于连接各种金属，部分原因是它提供惰性环境以防止铁水在固化和冷却时氧化。低的电离能有助于确保容易形成的电子流束，因此它提供了稳定的电弧、较深的熔深。当焊接铁合金时，通常会引入不同量的其他反应性气体，如CO2和O2。二氧化碳相对便宜，并且其反应性可产生更宽、更热的电弧，这导致更加流动的焊接熔池。当然，宽而深的熔池，通常会增加飞溅。氧气的存在会导致合金污染物的氧化，这有助于从焊接区域清除不希望的污染物，并导致改善焊缝性能。它也有助于在焊接表面上形成熔渣，这在一些焊机过程中是有害的。例如，必须将其除去以确保油漆和涂料的附着力。各种其他气体，也用于产生其它效应。为特定焊接应用选择合适的保护气体，需要在各种要求之间、焊接设备、材料、气体供应商提供的信息间进行微妙的平衡。
填丝
选择熔化电极，要平衡工艺的成本与产能、焊缝质量要求。电极合金和配置，要提供各种有益的功能，例如改善填丝可进料性、工艺稳定性、焊接熔池污染物的脱氧和清除（特别是使用药芯焊丝），增强的导热性（以获得更高的热量和熔池流动性）、补充焊接过程中基板材料中挥发和损失的关键合金元素。
焊接模式
过去，大多数GMAW应用中都采用了恒压电源。 使用这种类型的电源，有三种主要模式，将填充材料从熔化电极过渡到焊件。
a. 短路金属过渡
在相对低的电流和电压下，发生短路过渡（或“短弧”）。在这种情况下，当按下焊枪的开关时，熔化极焊丝被连续地供给工件。在它接触工件后，电极的电阻使其加热并熔化并形成电弧。随着电极继续供电，电极线的顶端开始熔化并形成液滴。当液滴实际接触工件，并通过表面张力吸入熔池时，熔融电极液滴转移到工件上。当发生接触时，会产生瞬间熄灭电弧的短路。对于工作在恒压模式电源下的标准碳钢，通常发生在180 A和20V，相对应大约5.3m/min的送丝速度和1.14mm直径的焊丝。由于必须使用较细的焊丝和低的送丝速度，该过程的沉积速率受到限制。然而，它产生相对较少的热量，因此产生最小的变形并且在某些应用中提供其它的优点。低热量会产生一个小而相对不流动的熔池，因此这种模式可以有效地连接薄的材料和焊接不合适的位置。副作用是低热过程有时会导致焊道的不完全熔合，并且短路事件和相应的电流急剧增加可能导致过度飞溅。改变电源或电路的电感可用于调节电流上升速率，以最小化飞溅产生。
b. 颗粒过渡
在相对高的电流和电压下，在进给焊丝电极时保持电弧，并且在焊丝末端形成的熔融液滴长得足够大（通常大于电线直径），从而可以靠重力将焊滴从焊丝上拉下来。在短路发生之前，熔滴进入熔池。重力对熔滴转移的主导作用，使得一些位置的焊接几乎不可能。而且在实践中，从未完全避免短路。 当大液滴形成并悬浮在工件上方时，熔池受到在弧内的剧烈湍流。因此很少具有规则形状，并且经常受到导致飞溅过多的不规则轨迹的影响。 相对于短路过渡模式，该焊接模式提供更高的焊接速度和更大的金属沉积速率，但是与工艺相关的飞溅限制了其广泛使用。
c. 喷射过渡
在更高的电流和电压下，在电极尖端上的电磁力将倾向于“夹断”熔融液滴并强制地将其引导到工件上，从而产生轴向喷射过渡。液滴通常小于焊丝直径，并且将以比颗粒过渡更高的速度脱落。通常，很少发生短路，并且电弧持续、过程稳定、飞溅最小。对于工作在恒压电源模式下的标准碳钢，喷射过渡通常在高达350A和29V时发生，在直径为1.14mm的焊丝，对应送丝速度大约9.6m/min。该工艺中使用的较高能量导致更热、更流动的焊道，从而产生高的焊接速度和沉积速率以及优异的焊接熔合。但相对于短路过渡，有更大的变形，受限的最小工件厚度、一些焊接位置的不可行。另外，这种焊接模式生产，同所需的气体混合物确保稳定性，通常比可用于短路过渡模式的气体更昂贵。
最近的电源进展
电源技术的最新进展已经引入了新的金属转移模式，这些模式并不完全适用于传统的金属过渡类别。
自20世纪50年代以来，电源技术经历了巨大的发展，为GMAW工艺开发了各种金属过渡模式。在20世纪50年代后期，开发出能够使小直径焊丝（低至0.89mm）的电源采用短路过渡以降低热量输入以减少变形。在20世纪60年代，为了在消除不完全的融合缺陷的同时减少飞溅和热量输入，引入了脉冲电源，使脉冲喷射过渡具有高峰值电流和低的背景电流。在20世纪70年代，电源技术迅速发展，高速晶体管控制晶闸管电源的改进，以及焊接工程师对脉冲频率和送丝速度之间关系的理解，使得能够引入所谓的协同功率电源。以前的电源要求焊工根据经验和直觉设置送丝速度和电压或脉冲参数，这项技术允许操作员自行选择送丝速度，电源提供最佳电压或脉冲参数，即单旋钮控制。在20世纪80年代，电源制造商开始引入基于逆变器的变压器，该变压器能够高速控制单个脉冲的波形。在20世纪90年代，飞速发展的计算机技术和数字控制实现了对每个单独脉冲波形的实时的相应和控制，以产生稳定和平滑的液滴过渡，同时确保最小的热输入和用于焊接各种基板厚度的完全熔合。下面描述了这些进步的几个关键方面。
a. 脉冲喷射过渡
随着电源技术的进步，可以修改电压波形，以有效地克服纯恒压焊接系统的一些缺点。基于特定焊接工艺（期望的焊丝进给速度、金属合金、保护气体成分等）的知识，焊接电流可以从高峰值电流到低背景电流的特定速率的循环。以这种方式，金属熔滴可以在脉冲的高电流期间以稳定且无飞溅的方式排出，从而接近常规的喷射过渡模式时的稳定性。由此，高电流脉冲可以确保完整的焊接熔合，较低的背景电流可以限制整体热量输入。从而，可以限制变形，并实现一些特殊位置的焊接。脉冲参数通常由电源制造商针对各个合金/保护气体组合进行映射调整，以便为操作员启用一键控制，从而大大简化参数选择。这通常被称为协同控制。
实时自适应控制
整个20世纪90年代，计算机技术飞速发展，并越来越便宜，它可以实时监控电弧的电气特性，如电压和电流，并主动控制或调整波形，以实现最佳和可重复的结果。例如，为了实现具有最少量飞溅的最稳健的脉冲喷射过渡焊接工艺，可能希望每次脉冲仅排出单个液滴。然而，改变工艺条件，例如改变接触件与工件距离或焊丝进给速度的微小变化，可能导致传统前馈脉冲系统的不稳定性。通过监视电路特性和开发高速计算机控制算法，可以基于实时反馈来改变电压或电流，以防止每个脉冲多个或没有熔滴过渡。另一个实时电源控制的例子是减少低热量输入，减少飞溅。在这种情况下，可以仔细监控工艺以确定焊丝何时接触工件并产生短路。在不受控制的恒压电源中，短路期间电流的急剧增加经常导致熔融金属或飞溅物的剧烈排出。自适应计算机算法可利用传感器反馈来迫使电源实时改变电压，电流或送丝特性，以实现更温和且无飞溅的液滴转移。随着计算机技术以及对电弧动力学和金属转移的理解不断推进，未来可能会开发和商业化实时GMAW过程控制的进一步发展。
GMAW的优势
与其他焊接工艺相比，GMAW工艺具有多个优点。首先，相对于诸如激光焊接等其他高成本工艺，焊接设备可以相对便宜。采用保护气体，将填丝直接送入熔池的工艺，相对简单，相对容易学习和使用，并且还有助于机械化或自动化。焊丝从喂料轮进给，可以产生更长的焊缝，减少出现容易出错的启/停操作，从而提高了使用有限长度电极的金属电弧焊的沉积速率。填充金属可以有助于补充接头间隙，并且可以通过添加合金元素来以获得所需的冶金性能。针对些焊接模式的相对高的热输入，还可以通过降低冷却速率以防止形成不希望的冶金相并限制开裂，而有益于冶金性能。相反，在其他模式中，相对低的热输入使得能够进行特殊位置的焊接，例如竖直的焊缝、甚至仰面焊接。经过适当调整后，该工艺可以实现相对较高的焊接速度，很少或没有飞溅。通过适当改变参数和工艺条件，该方法可以连接各种金属。
GMAW的缺点
与其他一些焊接工艺相比，GMAW工艺确实存在一些缺点。由于有时难以实现合适的参数选择，因此存在产生焊接飞溅的可能性。在使用低热输入焊接模式时，不正确的技术参数会导致熔合不足。电弧在相对宽的区域上提供热量，意味着不可能进行较深的焊透。焊缝高堆积速率的焊接模式需要高的热输入，这会可能产生不期望出现的变形。另外，由于热量通过工件表面传导到内部，因此其热传导模式和熔合区通常是不对称的，易于产生变形。在某些焊接模式中，电弧放电会导致过程不稳定和飞溅。与包药金属极电弧焊相比，涉及更多的设备，因此它往往不那么便携。GMAW不适用于厚截面材料的单道焊缝连接，因此通常需要多道焊缝焊接，导致高的热输入和填丝的消耗。填丝材料在空间上过渡，并且来自电极的材料液滴的消耗显著地改变了电弧特性，易于产生不希望的飞溅。与包药金属极电弧焊不同，气体保护金属极电弧焊在有风环境中十分困难。
2. 气体保护钨极电弧焊（GTAW）
气体钨极电弧焊（GTAW）工艺是一种通过使用电弧连接金属的方法，该电弧将金属加热至其熔点以形成熔池。焊接电弧是一种跨越非自耗钨电极和工件之间的高温、电离的气体（或等离子体）束，温度通常为5000至30000K。如果需要，焊工可以手动或通过送丝系统向熔池喂送填丝材料，或者在不填丝的模式下操作。通过焊枪供给的气体用作形成电弧的介质，并且还起到保护熔融金属免受大气污染的作用。电弧通常以短暂的高频交流电流启动，以击穿保护气体，并由提供相对低电位通常8至12V）的焊接电源提供的电流（通常为50-400A，但可以更高或更低）。通常使用电极负极和工件正极的直流电，但正的、高频交流电，每秒高达50000次循环（通常小于500 Hz）。这在铝焊接中很常见，它有助于分解热稳定性氧化铝层。在熔体熔池凝固后，部件永久地冶金熔合。
气体保护钨极电弧焊设备
气体钨极电弧焊设备包括产生电弧所需的各种部件。电源提供维持电弧所需的电压和电流（直接或交流）。电流通过电缆馈送到位于焊枪中的钨电极。一旦电弧建立，电源的另一个引线必须连接到工件以完成电路。大多数金属焊接时，电极直接作为负极，电子从钨电极流入工件，金属和气体离子则从工件传播到电极。在这种情况下，产生的大约70％的热量集中在工件上，导致更集中的电弧具有更深的熔透，从而能够实现比电极作为正极的配置更快的行进速度。某些材料，如铝和镁，很容易在大气中形成绝缘的高熔点氧化层，必须在焊接前除去。交流电路，在负周期与正周期具有不同时间百分比的方波，通常与这些材料一起使用。在正周期期间，由于工件服务而产生的气体离子分解并去除氧化层。
焊枪可以是水冷的，不仅可以保持钨电极，还可以供给保护气体，为电弧稳定和过程保护提供足够的覆盖。使用各种保护气体，但通常使用惰性氩气或氦气，He的较高电离能量导致更加狭窄和更深的穿透电弧。
气体保护钨极电弧焊的优势
使用GTAW工艺，可以加入比GMAW和许多其他电弧焊接工艺更多种类的金属，因为电弧不需要使用自耗电极。另外，由于不需要送丝机，因此该过程往往更容易携带。在GTAW中，热源和填充金属是独立控制的，因此简化了工艺参数的开发并能够使用更广泛的填充材料。精确控制热输入可以产生狭窄的热影响区，从而可以改善接头的机械性能。高度热源控制的其他好处包括优异的渗透控制和低变形，这使得该工艺有利于薄材料的连接。通过GTAW工艺，可以生产无渣的焊缝，因为不需要焊剂。该过程产生相对于GMAW非常稳定的电弧，其中金属从自耗电极的尖端排出而产生电弧波动，因此火花或飞溅的可能性显着降低。除非由材料或污染引起，否则GTAW工艺几乎不会产生烟雾或烟雾，因为不使用助焊剂。通常认为GTAW工艺非常干净，熟练的焊工可以生产出非常高质量的焊接熔敷层。
气体保护钨极电弧焊的缺点
与GMAW相比，GTAW工艺倾向于提供相对较低的填充金属沉积和低速度，因为填充材料是冷的并且不会自动进入熔池。与包药金属丝电弧焊或金属极气体保护电弧焊不同，GTAW工艺要求焊工双手使用，因此必须具有出色的手眼协调性和操作技能。电弧往往比其他电弧焊过程更热，因此电弧射线往往更亮并且可能更危险，并且来自电弧的紫外线发射产生不希望的臭氧和氮氧化物。当GTAW以交流模式使用时，例如通常用于铝焊接时，该过程非常嘈杂并且分散注意力。另外，接头中的钨夹杂物也是可能的。如果利用高频电弧启动，产生的高能电磁波则可能对附近的电子设备有害。
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