弧焊电源及其数字化控制第2版 黄石生电子课件 教学课件 第1章 焊接电弧及其电特性.pptx

第1章 焊接电弧及其电特性 华南理工大学 主讲人 黄石生教授 薛家祥教授 第1章 焊接电弧及其电特性 1 2 焊接电弧的结构和伏安特性 1 3 交流电弧 1 4 焊接电弧的分类及其特点 2 1 1 焊接电弧的物理本质和引燃 1 5 焊接电弧力及其种类和影响因素 1 1 焊接电弧的物理本质和引燃 电弧是电弧焊接的热源 而弧焊电源则是电弧能量的供应者 弧焊电源电特性的好 坏 直接影响到电弧燃烧的稳定性 而电弧是否稳定燃烧又直接影响焊接过程的稳定性 和焊缝的质量 甚至效率 所以 我们首先必须了解焊接电弧的物理本质和特别是电特 性 然后才能研究电弧对弧焊电源电气性能的要求 3 1 1 1 气体原子的激发 电离和电子发射 中性气体原来是不能导电的 为了在气体中产生电弧而通过电流 就必须使气体分 子 或原子 电离成为正离子和电子 而且 为了使电弧能维持燃烧 电弧的阴极就要不 断发射电子 这就必须不断地输送电能给电弧 以补充能量的消耗 可见 焊接电弧也是气体放电的一种形式 它与其他气体放电的区别 在于它的阴 极压降低 电流密度大 而气体的电离和电子发射是电弧中最基本的物理现象 1 1 焊接电弧的物理本质和引燃 1 1 1 1 气体原子的激发与电离 气体原子的激发 如果气体原子得到了外加的能量 电子就可能从一个较低的能 级跳跃到一个较高能级 这时原子处于 激发 状态 使原子跃至 激发 状态所 需的能量 称为激发能 气体原子的电离 使电子完全脱离原子核的束缚 形成离子和自由电子的过程为 电离 由原子形成正离子所需的能量称为电离能 在焊接电弧中 根据引起电离的能量来源 有如下三种电离形式 1 撞击电离 在电场中被加速的带电质点 电子 离子 与中性质点碰撞后发 生电离 2 热电离在高温下 具有高动能的气体原子 或分子 互相碰撞而引起的 电离 3 光电离气体原子 或分子 吸收了光射线的光子能而产生的电离 气体原子电离的同时 异性电荷的质点也会因碰撞使正离子与电子结合而产生复 合现象 当电离与复合速度相等时 电离与符合就趋于相对稳定的平衡状态 4 1 1 焊接电弧的物理本质和引燃 1 1 1 2 电子发射 在阴极表面的原子或分子 接受外界的能量而释放出自由电子的现象称为电子 发射 电子发射所需的能量称为逸出功 y以表示 物质的逸出功一般约为电离能的 1 2 1 4 逸出功不仅与元素种类有关 也与物质表面状态有很大关系 表面有氧 化物或其他杂质时均可以显著减少逸出功 例如 钨极上含有钍或铈的氧化物时 其电子发射能力明显提高 电子发射是引弧和维持电弧稳定燃烧的一个很重要的因素 按其能量来源的不 同 可分为热发射 光电发射 重粒子碰撞发射和强电场作用下的自发射等 热发射 物质的固体或液体表面受热后 其中某些电子具有大于逸出功的能量 而逸出到表面外的空间中的现象称为热发射 光电发射 物质的固体或液体表面接受光射线的能量而释放出自由电子的现象 称为光电发射 5 1 1 焊接电弧的物理本质和引燃 重粒子撞击发射 能量大的重粒子 如正离子等 撞到阴极上 引起电子的逸 出 称为重粒子撞击发射 强电场作用下的自发射 物质的固体或液体表面 虽然温度不高 但当存在强 电场并在表面附近形成较大的电位差时 使阴极有较多的电子发射出来 这就称为强 电场作用下的自发射 简称自发射 电场愈强 发射出的电子形成的电流密度就愈大 自发射在焊接电弧中也起重要作用 特别是在非接触式引弧时 其作用更明显 综上所述 焊接电弧是气体放电的一种形式 而习惯上把这种气体放电现象称为 电弧燃烧 这是一种形象化的称呼 焊接电弧的形成和维持是在电场 热 光和质点 动能的作用下 气体原子不断地被激发 电离以及电子发射的结果 同时 也存在负 离子的产生 正离子与电子的复合 显而易见 引燃焊接电弧的能量来源主要靠电场 及由其产生的热 光和动能 而这个电场就是由弧焊电源提供的空载电压所产生的 在某些条件下还需要短时叠加上一个较高的电压 才能引燃电弧 6 1 1 焊接电弧的物理本质和引燃 1 1 2 焊接电弧的引燃 焊接电弧的引燃 一般有两种方式 即接触引弧和非接触引弧 图1 1 引弧过程的电压 电流变化曲线图 a 接触引弧 b 非接触引弧 u0 空载电压 uf 电弧电压 if 电弧电流 7 1 1 焊接电弧的物理本质和引燃 1 1 2 1 接触引弧 接触引弧即是在弧焊电源接通后 电极 焊条或焊丝 与工件直接短路接触 随后 拉开 从而把电弧引燃起来 这是一种最常用的引弧方式 图1 2 接触引弧示意图 由于电极和工件表面都不是绝对平整的 在短路接触 时只是在少数凸出点上接触 如图1 2所示 通过这些接 触点的短路电流 比正常的焊接电流要大得多 而接触 点的面积又小 因此电流密度极大 这就可能会产生大 量的电阻热 使电极金属表面发热 熔化 甚至汽化 引起热发射和热电离 随后在拉开电极的瞬间 电弧间 隙极小 只有10 6cm左右 使其电场强度达到很大的数 值 106V cm 8 1 1 焊接电弧的物理本质和引燃 这样 即使在室温下都有可能产生明显的自发射 在强电场作用下 又使已产生 的带电质点被加速 互相碰撞 引起撞击电离 随着温度的增加 光电离和热电离也 进一步加强 使带电质点的数量猛增 从而能维持电弧的稳定燃烧 在电弧引燃之后 电离和复合 消电离 处于动平衡状态 由于弧焊电源不断供以电能 新的带电质点不 断得到补充 弥补了消耗的带电粒子 焊条电弧焊和熔化极气体保护焊都是采用这种 引弧方式 9 1 1 焊接电弧的物理本质和引燃 1 1 2 2 非接触引弧 非接触引弧 它是指在电极与工件之 间存在一定间隙 施以高电压击穿间隙 使电弧引燃 图1 3 高频和脉冲引弧示意 a 引弧器接入方式 b 高频高压引弧电压波形 c 高压脉冲引弧电压波形 uyh 引弧电压 t 时间 高压脉冲引弧引弧频率为50或 100Hz 电压峰值为3000 5000V 高频高压引弧则需用高频振荡器 它 每秒脉冲引弧振荡100次 每次振荡 频率为150 260KHz 电压峰值为 2000 3000V 10 1 1 焊接电弧的物理本质和引燃 可见 这是一种依靠高电压迫使电极表面产生电子的自发射而把电弧引燃的方 法 这种引弧方法主要应用于钨极氩弧焊和等离子弧焊 引弧时 电极不必与工件 短路 这样不仅不会污染工件和电极的引弧点 而且也不会损坏电极端部的几何形 状 有利于电弧的稳定燃烧 但是 它也存在高频干扰和给焊工带来疲劳等不足之 处 11 第1章 焊接电弧及其电特性 1 2 焊接电弧的结构和伏安特性 1 3 交流电弧 1 4 焊接电弧的分类及其特点 12 1 1 焊接电弧的物理本质和引燃 1 5 焊接电弧力及其种类和影响因素 1 2 焊接电弧的结构和伏安特性 13 前面分析了焊接的物理本质和形成 现在介绍它的结构和电特性 即伏安特性 包括静特性和动特性 直流电弧和交流电弧是焊接电弧的两种最基本的形式 为了便 于理解 首先从直流焊接电弧 以下简称焊接电弧 入手讨论 电弧沿着其长度方向分为三个区域 如图1 4所示 电弧与弧焊电源正极所接的一 端称阳极区 与负极相接的那端称阴极区 阴极区和阳极区之间的部分称弧柱区 或 称正柱区 电弧等离区 阴极区的宽度约为10 5 10 6cm 而阳极区的宽度仅约10 3 10 4cm 因此 电弧长度可以视为近似等于弧柱长度 弧柱部分的温度高达5000 50000K 1 2 1 焊接电弧的结构及压降分布 图1 4 电弧结构和电位分布 1 2 焊接电弧的结构和伏安特性 14 沿着电弧长度方向的电位分布是不均匀的 在阴极区和阳极区电位分布曲线的 斜率很大 而在弧柱区电位分布曲线则较平缓 并可认为是均匀分布的 如图1 4 所示 这三个区的电压降分别称为阴极压降Ui 阳极压降Uy和弧柱压降Uz 它们组 成了总的电弧电压Uf 可表示为 Uf Ui Uy Uz 1 1 图1 4 电弧结构和电位分布 1 2 焊接电弧的结构和伏安特性 15 焊接电弧的电特性包括静特性和动特性 一定长度的电弧在稳定状态下 电弧电压与电弧电流之间的关系 称为焊 接电弧的静特性伏安特性 简称伏安特性或静特性 可用下列函数表示 Uf f If 1 2 2 1 焊接电弧的静特性 1 2 2 焊接电弧的电特性 1 2 焊接电弧的结构和伏安特性 16 图1 5 焊接电弧的静特性曲线 焊接电弧是非线性负载 即电弧两端的电压与通过电弧的电流之间不是成正比例 关系 当电弧电流从小到大在很大范围内变化时 焊接电弧的静特性近似呈U形曲线 故也称为U形特性 如图1 5所示 U形静特性曲线可看成由三段 组成 在 段 电弧电压随电流的增 加而下降 是下降特性段 在 段呈等 恒 压特性 即电弧电压不随电流而变化 是 平特性段 在 段 电弧电压随电流增加而上升 是上升特性段 现在研究电弧静特性各段形状的形成机理 由式 1 1 可知 电弧电压是阴极压 降 阳极压降和弧柱压降之和 因此 只要弄清每个区域的压降与电流的关系 则不 难理解为何形成U形特性 1 2 焊接电弧的结构和伏安特性 17 图1 6 电弧各区域压降与电流的关系图 在阳极区 阳极电压Uy基本与电流无关 Uy If 在阴极区 当电弧电流If较小时 阴极斑点 在阴极 尚电流密度高的光点 的面积Si小于电极端部面积 这时 Si随If增加而增大 阴极斑点的电流密度ji If Si基本不变 电场强度也基本不变 Ui也基本不变 当阴极斑点面积 与电极面积相等时 If继续增加 则Si不能再扩张 ji就增 加 Ui随If的增大而上升 在弧柱区 Uz分为三段 ab段 电弧电流小 这时Sz随If增加而增大 Sz扩 大较快 使jz If Sz降低 同时 If增加使弧柱温度和电离 度均增高 rz增大 jz减小和rz增大都使Uz减小 bc段 电弧电流中等大小 Sz随If成比例增大 jz基本 不变 rz也不再随温度增加 Uz jzlz rz基本不变 cd段 电弧电流很大 随If增大 rz仍基本不变 但 Uz不能再扩大了 jz随着If增加而增加 Uz随If的增加而上 升 上述三段叠加起来就得到U形特特性曲线 1 2 焊接电弧的结构和伏安特性 18 几种常用焊接方法的电弧静特性曲线图 图1 7 几种常用焊接方法的电弧静特性曲线图 a 焊条电弧焊 b 埋弧焊 直流电源 焊丝 2 4mm c 熔化极气体保护焊 1 2曲线 焊丝 1 6mm 1 2 焊接电弧的结构和伏安特性 19 所谓焊接电弧的动特性 是指在一定的弧长下 当电弧电流很快变化时 电弧 电压与电流瞬时值之间的关系 uf f if 1 2 2 2 焊接电弧的动特性 1 2 焊接电弧的结构和伏安特性 20 图1 8 电弧的动特性曲线 动特性就是在一定的弧长下 当电弧电 流变化很快的时候 电流电压与电流瞬时值 之间的关系 uf if 电流ia以很快速度增 加到id 随电流增加 电弧的空间温度升高 但由于热惯性 后者总是滞后于前者 由 于电弧空间温度低 弧柱导电性差 阴极斑 点与弧柱面积增加较慢 电弧电压不能降至 b点 而提高到b 点 对应于每一瞬时电弧 电流的电压就不在abcd上 而在ab c d 上 反之 当 电流由id迅速减小到ia 时 同 样由于热惯性的影响 电弧空间温度来不及 下降 对应同一瞬间电弧电流的 电压将低于 静特性之电压 得到ab c d 第1章 焊接电弧及其电特性 1 2 焊接电弧的结构和伏安特性 1 3 交流电弧 1 4 焊接电弧的分类及其特点 21 1 1 焊接电弧的物理本质和引燃 1 5 焊接电弧力及其种类和影响因素 1 3 交流电弧 交流电弧的引燃和燃烧 就其物理本质而言 与上述的直流电弧相同 交流电弧 也是非线性的 上述的焊接电弧静特性对于交流电弧也是适用的 这时 Uf 和If分别表 示电弧电压和电弧电流的有效值 但是 交流电弧作为弧焊电源的负载 还有其特殊 性 因此 在确定对弧焊电源的要求之前 还必须研究交流电弧的特点 22 1 3 交流电弧 1 3 1 交流电弧的。