焊接电弧及其特性.ppt

第一章 焊接电弧及其特性第一节第一节 焊接电弧的物理本质和引燃焊接电弧的物理本质和引燃第二节第二节 焊接电弧的结构和伏安特性焊接电弧的结构和伏安特性第三节第三节 交流电弧交流电弧第四节第四节 焊接电弧的分类及其特点焊接电弧的分类及其特点第一节第一节 焊接电弧的物理本质和引燃焊接电弧的物理本质和引燃电弧是一段导体导体导体？导体？电弧是一种气体放电气体放电现象气体放电？气体放电？电弧为什么能够导电？电弧为什么能够导电？电弧如何引燃？电弧如何引燃？一.气体原子的激发、电离和阴极电子发射 气体气体原子的原子的激发与电离激发与电离阴极阴极电子发射电子发射 引燃电弧并维持电弧燃烧的引燃电弧并维持电弧燃烧的能量来源能量来源主要是主要是两电两电极间的电场极间的电场及由其产生的热、光和动能及由其产生的热、光和动能 维持电弧维持电弧稳定燃烧的条件稳定燃烧的条件是：是： 1. 气体原子不断的被激发和电离；气体原子不断的被激发和电离； 2. 阴极不断地发射电子阴极不断地发射电子气体原子的激发与电离气体原子的激发与电离激发：激发： 气体原子得到外加气体原子得到外加能量，电子从一个较能量，电子从一个较低的能级跳到另一个低的能级跳到另一个较高能级的现象叫较高能级的现象叫“激发激发”。

使原子跃迁使原子跃迁至激发状态所需的能至激发状态所需的能量叫量叫“激发能激发能”电离电离 使气体元素中的电子使气体元素中的电子完全脱离原子核的束缚完全脱离原子核的束缚形成离子和自由电子的形成离子和自由电子的过程称为过程称为“电离电离”由原子形成正离子所需的原子形成正离子所需的能量称为能量称为“电离能电离能El ” 气体原子气体原子 的的 电离形式电离形式撞击电离撞击电离热电离热电离光电离光电离气体原子（或分子）气体原子（或分子）吸收了光射线的光子能吸收了光射线的光子能而产生的电离而产生的电离气体离子与电子的复合气体离子与电子的复合 → 中性原子中性原子正离子正离子电子电子 （电离）（电离）中和中和中性原子中性原子中性原子中性原子负离子负离子 吸附、结合吸附、结合电子电子气体原子与电子的结合气体原子与电子的结合 → 负离子负离子各种元素与电子形成负离子的倾向决定于它于电子各种元素与电子形成负离子的倾向决定于它于电子的亲和能的亲和能 Eq Eq 越大，形成负离子的倾向越大越大，形成负离子的倾向越大电弧中常见气体元素的电离能电弧中常见气体元素的电离能 E El l、逸出功、逸出功 W Wy y、亲和能、亲和能 E Eq q(ev)(ev)气体E El lE Eq q元素元素E El lE Eq qW Wy y元素E El lE Eq qW Wy yHe24.58<0Cu7.721.84.36C11.261.33 4.45Ar15.76<0Cr6.760.984.59K4.340.30 2.22N14.53 0.54Mo7.101.34.29Na5.140.35 2.33H13.600.8W7.98/4.50B8.300.34.30O13.612.0Fe7.870.854.40F17.423.62/卤族元素卤族元素（（F、、Cl、、Br、、I 等）的电子亲和能最大，降低电弧等）的电子亲和能最大，降低电弧的电离度，影响电弧的稳定性。

的电离度，影响电弧的稳定性碱性焊条药皮中含有大量碱性焊条药皮中含有大量CaF2，因此电弧的稳定性较差因此电弧的稳定性较差惰性气体惰性气体（（Ar、、He)与电子的亲和能最小，所以不可与电子的亲和能最小，所以不可能形成负离子；能形成负离子；金属元素金属元素介于两者之间介于两者之间 K、Na元素的电离能与亲和能较低，能起到稳弧作用 在阴极表面的原子或分子，接受外界的能量而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释放出自由电子的现象称为““电子发射电子发射””气体E El lE Eq q元素元素E El lE Eq qW Wy y元素E El lE Eq qW Wy yHe24.58<0Cu7.721.84.36C11.261.334.45Ar15.76<0Cr6.760.984.59K4.340.302.22N14.530.54Mo7.101.34.29Na5.140.352.33H13.600.8W7.98/4.50B8.300.34.30O13.612.0Fe7.870.854.40F17.423.62/ 固态物质表面电子发射所需的能量称为固态物质表面电子发射所需的能量称为 “逸出功逸出功WY ” 。

逸出功一般只为电离能的逸出功一般只为电离能的 一半一半  热发射热发射 光电发射光电发射 重粒子撞击发射重粒子撞击发射 强电场作用下的自发射强电场作用下的自发射 实际焊接过程中的阴极电子发射是若干种实际焊接过程中的阴极电子发射是若干种发射形式的组合发射形式的组合二. 焊接电弧的引燃 接触引弧：接触引弧： 是在电源接通后，电极（焊条或焊丝）与是在电源接通后，电极（焊条或焊丝）与工件直接短路接触，随后拉开，在拉开瞬间工件直接短路接触，随后拉开，在拉开瞬间（小间隙）的强电场作用下引燃电弧小间隙）的强电场作用下引燃电弧 接触引弧是熔化极焊接时的基本引弧方式接触引弧是熔化极焊接时的基本引弧方式 非接触引弧：非接触引弧： 在电极与工件间存在一定间隙，由焊接电在电极与工件间存在一定间隙，由焊接电源施以高压击穿间隙，使电弧引燃源施以高压击穿间隙，使电弧引燃 非接触引弧是非熔化极（钨极）焊接时的非接触引弧是非熔化极（钨极）焊接时的基本引弧方式基本引弧方式高频高压引弧高压脉冲引弧图1-3 高频和脉冲引弧示意图 图图1-1 引弧过程的电压、电流变化引弧过程的电压、电流变化 U0 — 空载电压空载电压 Uf — 电弧电压电弧电压 if — 电弧电流电弧电流ttiua) 接触引弧接触引弧b）） 非接触引弧非接触引弧第二节 焊接电弧的结构和静特性 结构？结构？ —— 电弧分区及各区域特点电弧分区及各区域特点 静特性（伏安特性）？静特性（伏安特性）？ —— 电弧电压与电流间的关系电弧电压与电流间的关系一. 焊接电弧的结构及压降分布阴极区 弧柱区 阳极区U = Ui + Uy + UzUi 、、Uy 基本不变，基本不变， Uz与弧长成正比。

与弧长成正比二. 焊接电弧的电特性 焊接电弧的静特性焊接电弧的静特性：： 一定长度的电弧在稳定状态下，电弧电压一定长度的电弧在稳定状态下，电弧电压 Uf 与焊接电流与焊接电流 If 之间的关系之间的关系 焊接电弧的动特性： 在一定的弧长下，当电弧电流很快变化的时候，在一定的弧长下，当电弧电流很快变化的时候，电弧电压电弧电压 uf 和电流瞬时值和电流瞬时值 if 之间的关系之间的关系第三节 交流电弧（正弦波交流）一一. 交流电弧的特点交流电弧的特点二二. 交流电弧稳定燃烧的条件交流电弧稳定燃烧的条件三三. 影响交流电弧稳定的因素及稳弧措施影响交流电弧稳定的因素及稳弧措施四四. 交流电弧的功率和功率因数交流电弧的功率和功率因数一. 交流电弧的特点 电弧周期性地熄灭和引燃电弧周期性地熄灭和引燃 电流过零电流过零 — 电弧熄灭电弧熄灭 — 电弧空间温度下降电弧空间温度下降 — 带电质点中和带电质点中和 — 导电能力下降导电能力下降 — 当当U0 > Uyh 时，电弧再次引燃时，电弧再次引燃 电流过零时间越长，电弧再引燃越困难。

电流过零时间越长，电弧再引燃越困难 电弧电压和电流波形发生畸变电弧电压和电流波形发生畸变 由于电弧电阻随弧柱温度发生交变，因此电由于电弧电阻随弧柱温度发生交变，因此电弧电压及焊接电流都不再按正弦规律变化弧电压及焊接电流都不再按正弦规律变化 电弧温度交变，热惯性作用较为明显电弧温度交变，热惯性作用较为明显 二. 交流电弧连续燃烧的条件 在焊接主回路加入电感，使焊接电流的变化滞后在焊接主回路加入电感，使焊接电流的变化滞后于电源电压一个相位角于电源电压一个相位角φ 在电流过零时，若电源在电流过零时，若电源电压电压 u 达到电弧的再引燃电压达到电弧的再引燃电压Uyh ，，就可以保持电就可以保持电弧连续燃烧弧连续燃烧 维持交流电弧连续燃烧条件的数学表达式为：维持交流电弧连续燃烧条件的数学表达式为： 三. 影响交流电弧稳定的因素及稳弧措施引弧电压引弧电压 Uyh电路参数（电路参数（ L 与与 R ））;电极的热物理性能（电极的热物理性能（ c、、a、、Tm ) 和和尺寸尺寸空载电压空载电压U0电源频率电源频率 f采用交流方波电源采用交流方波电源四. 交流电弧的功率和功率因数 交流电弧的功率交流电弧的功率 Pf Pf 是交流电弧在半个周期内的平均功率（或有效功率）是交流电弧在半个周期内的平均功率（或有效功率） 交流电弧的功率因数交流电弧的功率因数 λ f 简化后得近似值为：简化后得近似值为：当正弦波交流电流与电压同相位时，当正弦波交流电流与电压同相位时， λ f ＝＝1一般焊接中为一般焊接中为 0.85 左右。

左右 第四节第四节 焊接电弧的分类及其特点焊接电弧的分类及其特点按电流种类按电流种类按电弧状态按电弧状态按电极材料按电极材料交交 流流 电电 弧弧直直 流流 电电 弧弧脉脉 冲冲 电电 弧弧自自 由由 电电 弧弧压压 缩缩 电电 弧弧熔熔 化化 极极非非 熔熔 化化 极（钨极）极（钨极）撞击电离撞击电离 ——气体原子相互撞击气体原子相互撞击或被其他质点撞击或被其他质点撞击后吸收撞击机械能后吸收撞击机械能后所产生的电离后所产生的电离•热电离 —— 在高温高温下，具有高动高动能能的气体原子（或分子）互相碰撞互相碰撞而引起的电离 物质的固体或液体表面受热表面受热后电子动能增大，其中某些电子动能大于逸出功电子动能大于逸出功时将逸出到表面外的空间中去的现象称为“热发射热发射” 钨极氩弧焊钨极氩弧焊过程中“热发射”作用明显物质的固体或液体表面接受光射线接受光射线的能量的能量而释放出自由电子的现象称为“光电发射光电发射”能量大的重粒子（如重离子）撞击到阴极上，引起电子的逸出称为“重粒子撞击发射重粒子撞击发射”受强电场作用强电场作用，阴极表面阴极表面形成较大的电位差电位差所导致的电子发射称为“强电场作用下的自发射强电场作用下的自发射”。

高频或高压非接触式引弧高频或高压非接触式引弧时，自发射作用明显接触引弧非接触引弧下降特性段平特性段上升特性段电弧静特性不服从一般导体的欧姆定律，弧压与电弧静特性不服从一般导体的欧姆定律，弧压与气体介质、电离度、电流密度等因素有关气体介质、电离度、电流密度等因素有关fIfⅠⅡⅢUUfUiUy图1-6 电弧各区域的压降与电流的关系图Uf（阳极区压降）（阴极区压降）（弧柱区压降）（电弧总压降）图1-7 几种常用弧焊方法的电弧静特性曲线熔化极气体保护焊熔化极气体保护焊埋弧焊埋弧焊药皮焊条电弧焊药皮焊条电弧焊电流增大，温度滞后上升，弧柱电流增大，温度滞后上升，弧柱导电性差，压降高于稳态导电性差，压降高于稳态电流减少，温度滞后下降，弧电流减少，温度滞后下降，弧柱导电性好，压降低于稳态柱导电性好，压降低于稳态静特性曲线静特性曲线不连续燃烧不连续燃烧 连续燃烧连续燃烧埋弧焊电弧电压和电流波形图埋弧焊电弧电压和电流波形图脉冲电流与熔滴过渡脉冲电流与熔滴过渡等离子压缩电弧等离子压缩电弧本本 章章 结结 束束第一章复习思考题1．在电弧燃烧过程中会伴随着哪些物理过程？在电．在电弧燃烧过程中会伴随着哪些物理过程？在电路中电弧是什么样的负载属性？路中电弧是什么样的负载属性？2．电离、阴极电子发射有哪些方式？何谓电离能、．电离、阴极电子发射有哪些方式？何谓电离能、电子逸出功，两者对电弧的稳定性有何影响？电子逸出功，两者对电弧的稳定性有何影响？3．焊接电弧的引燃有哪两种方式，分别在什么情况．焊接电弧的引燃有哪两种方式，分别在什么情况下应用？下应用？4．焊接电弧在物理结构上可分为哪几个区，各区域．焊接电弧在物理结构上可分为哪几个区，各区域有何特点？有何特点？5．何谓电弧的静特性、动特性，如何解释电弧的静特性曲线．何谓电弧的静特性、动特性，如何解释电弧的静特性曲线？焊接电弧的静特性曲线会受到哪些因素的影响？？焊接电弧的静特性曲线会受到哪些因素的影响？6．电弧的静特性曲线可分为哪几个区段？实用的几种焊接电．电弧的静特性曲线可分为哪几个区段？实用的几种焊接电弧静特性通常位于哪个区段？弧静特性通常位于哪个区段？7．． 交流电弧与直流电弧相比有何特点？交流电弧连续燃烧的交流电弧与直流电弧相比有何特点？交流电弧连续燃烧的条件是什么？哪些因素会影响交流电弧的稳定性，从弧焊条件是什么？哪些因素会影响交流电弧的稳定性，从弧焊电源方面考虑，可采取哪些措施来提高其稳定性？电源方面考虑，可采取哪些措施来提高其稳定性？8．焊接电弧从特性上可分为哪些种类？各种焊接电弧的典型．焊接电弧从特性上可分为哪些种类？各种焊接电弧的典型特征是什么？特征是什么？。