焊接電弧及其電特性

1、第一章第一章 焊接電弧及其電特性焊接電弧及其電特性第一節(jié)第一節(jié) 焊接電弧的物理本質(zhì)及其引燃焊接電弧的物理本質(zhì)及其引燃研究意義研究意義：弧焊電源是電弧能量的供應(yīng)者，其電特性影響：弧焊電源是電弧能量的供應(yīng)者，其電特性影響到電弧燃燒的穩(wěn)定性，從而直接影響到焊縫的質(zhì)量。到電弧燃燒的穩(wěn)定性，從而直接影響到焊縫的質(zhì)量。焊接電?。涸陔姌O與工件之間的氣體中，產(chǎn)生持久、強烈的自焊接電?。涸陔姌O與工件之間的氣體中，產(chǎn)生持久、強烈的自 持放電現(xiàn)象。持放電現(xiàn)象。特性：特性：電壓低、電流大、溫度高、發(fā)光強。電壓低、電流大、溫度高、發(fā)光強。要使兩電極之間的氣體導(dǎo)電必須要使兩電極之間的氣體導(dǎo)電必須具備兩個條件具備兩個條件：

2、(1) (1) 兩電極之間有帶電粒子兩電極之間有帶電粒子 (2) (2) 兩電極之間有電場兩電極之間有電場 非自持放電：非自持放電：氣體導(dǎo)電所需要的帶電粒子不能通過導(dǎo)電過程本身產(chǎn)生，氣體導(dǎo)電所需要的帶電粒子不能通過導(dǎo)電過程本身產(chǎn)生，而需要外加措施來產(chǎn)生帶電粒子（加熱、施加一定能量的光子等等）。而需要外加措施來產(chǎn)生帶電粒子（加熱、施加一定能量的光子等等）。自持放電：自持放電：當(dāng)電流大于一定值時，一旦放電開始，氣體導(dǎo)電過程本身就當(dāng)電流大于一定值時，一旦放電開始，氣體導(dǎo)電過程本身就可以產(chǎn)生維持導(dǎo)電所需要的帶電粒子?？梢援a(chǎn)生維持導(dǎo)電所需要的帶電粒子。a) a) 氣體放電氣體放電b)b)金屬導(dǎo)電金屬導(dǎo)電

3、電弧是低壓、大電流、產(chǎn)生高溫、強光的一種自持氣電弧是低壓、大電流、產(chǎn)生高溫、強光的一種自持氣體放電現(xiàn)象體放電現(xiàn)象一氣體原子的激發(fā)、電離和電子發(fā)射一氣體原子的激發(fā)、電離和電子發(fā)射1 1氣體原子的激發(fā)氣體原子的激發(fā)+-氣體原子得到外氣體原子得到外加能量電子從低加能量電子從低能級躍遷到高能能級躍遷到高能級，這時原子處級，這時原子處于于“激發(fā)激發(fā)”狀態(tài)狀態(tài)電子完全脫離原電子完全脫離原子核的束縛形成子核的束縛形成自由電子的過程自由電子的過程程稱為程稱為“電離電離”激發(fā)激發(fā)電離電離由原子形成正離子所需要的能量稱為由原子形成正離子所需要的能量稱為電離能電離能2 2氣體原子的電離氣體原子的電離 （1 1）撞擊

4、電離撞擊電離：在：在電場電場中，被加速的帶電質(zhì)點（電子、離子）中，被加速的帶電質(zhì)點（電子、離子）和中性質(zhì)點（原子）碰撞后發(fā)生的電離。和中性質(zhì)點（原子）碰撞后發(fā)生的電離。（2 2）熱電離熱電離：在：在高溫高溫下，具有高動能的氣體原子（或分子）互下，具有高動能的氣體原子（或分子）互相碰撞而引起的電離。相碰撞而引起的電離。（3 3）光電離光電離：氣體原子（或分子）吸收了光射線的：氣體原子（或分子）吸收了光射線的光子能光子能而產(chǎn)而產(chǎn)生的電離。生的電離。常見氣體及元素的電離能常見氣體及元素的電離能E EL L( (e eV V) )3. 3. 電子發(fā)射電子發(fā)射 陰極表面的分子或原子接受外界的能量而釋放出

5、自由電陰極表面的分子或原子接受外界的能量而釋放出自由電子的現(xiàn)象稱為電子發(fā)射子的現(xiàn)象稱為電子發(fā)射, ,電子發(fā)射所需要的能量成為逸出功電子發(fā)射所需要的能量成為逸出功 W Wy y 。（1 1）熱發(fā)射熱發(fā)射 固態(tài)或者液態(tài)物質(zhì)表面固態(tài)或者液態(tài)物質(zhì)表面受熱受熱后其中的某些電后其中的某些電子具有大于逸出功的動能而逸出到表面以外的空間中去。子具有大于逸出功的動能而逸出到表面以外的空間中去。（2 2） 光電發(fā)射光電發(fā)射 固態(tài)或者液態(tài)物質(zhì)表面接受固態(tài)或者液態(tài)物質(zhì)表面接受光射線的能量光射線的能量而釋放出自由電子的現(xiàn)象。而釋放出自由電子的現(xiàn)象。（3 3）重粒子撞擊發(fā)射重粒子撞擊發(fā)射 能量大的重粒子能量大的重粒子撞擊

6、撞擊到陰極上，到陰極上，引起電子的逸出。引起電子的逸出。（4 4）自發(fā)射自發(fā)射 固態(tài)或者液態(tài)物質(zhì)表面存在固態(tài)或者液態(tài)物質(zhì)表面存在強電場強電場，使陰，使陰極有較多的電子發(fā)射出來，又稱為場強發(fā)射。極有較多的電子發(fā)射出來，又稱為場強發(fā)射。常見材料的逸出功常見材料的逸出功復(fù)合電極材料的逸出功復(fù)合電極材料的逸出功1.焊接電弧是氣體放電的一種形式焊接電弧是氣體放電的一種形式2.能量來源：焊接電源提供了空載以及焊接電壓、電流，形成和能量來源：焊接電源提供了空載以及焊接電壓、電流，形成和 維持了電弧所需要的電場、產(chǎn)生了大量的光和熱，維持了電弧所需要的電場、產(chǎn)生了大量的光和熱， 以及帶電粒子的運動，包括熱運動和

7、電場定向運動以及帶電粒子的運動，包括熱運動和電場定向運動 的動能。的動能。3.作用結(jié)果：引起電極表面電子發(fā)射，導(dǎo)致氣體原子的激發(fā)、電作用結(jié)果：引起電極表面電子發(fā)射，導(dǎo)致氣體原子的激發(fā)、電 離，從而維持了電弧的氣體放電。離，從而維持了電弧的氣體放電。4.復(fù)合過程：同時存在正離子和電子復(fù)合成中性原子，以及原復(fù)合過程：同時存在正離子和電子復(fù)合成中性原子，以及原 子、分子吸附電子復(fù)合成負離子的過程。子、分子吸附電子復(fù)合成負離子的過程?？偨Y(jié)總結(jié)：二二焊接電弧的引燃焊接電弧的引燃（一）一）接觸引弧接觸引弧 接觸點面積小，電流密度大，發(fā)熱，熔化，汽化，引起接觸點面積小，電流密度大，發(fā)熱，熔化，汽化，引起熱發(fā)

8、射以及熱電離，拉開時發(fā)生強場發(fā)射，帶電質(zhì)點被加速，熱發(fā)射以及熱電離，拉開時發(fā)生強場發(fā)射，帶電質(zhì)點被加速，碰撞，引起撞擊電離，并進一步引起光電離和熱電離從而維碰撞，引起撞擊電離，并進一步引起光電離和熱電離從而維持電弧的穩(wěn)定燃燒。持電弧的穩(wěn)定燃燒。 應(yīng)用場合：應(yīng)用場合：焊條電弧焊焊條電弧焊熔化極氣體保護焊熔化極氣體保護焊（二）（二）非接觸引弧非接觸引弧 用高電壓擊穿間隙使電弧引燃。引弧器有兩種，高頻用高電壓擊穿間隙使電弧引燃。引弧器有兩種，高頻高壓引弧和高壓脈沖引弧。前者是在工頻電源的半波時間高壓引弧和高壓脈沖引弧。前者是在工頻電源的半波時間內(nèi)振蕩一小段時間，頻率為內(nèi)振蕩一小段時間，頻率為150-

9、250150-250kHz,kHz,電壓峰值電壓峰值2000-2000-30003000V,V,后者每半波產(chǎn)生一個后者每半波產(chǎn)生一個3000-50003000-5000V V的高壓脈沖。的高壓脈沖。 應(yīng)用場合應(yīng)用場合: :鎢極氬弧焊和等離子弧焊。鎢極氬弧焊和等離子弧焊。 三個區(qū)域：陽極區(qū)三個區(qū)域：陽極區(qū) 陰極區(qū)陰極區(qū) 弧柱區(qū)弧柱區(qū)陰極區(qū)：長度極短陰極區(qū)：長度極短1010-5-5 1010-6-6cmcm 、電壓較大、電壓較大、E E電場強度極高電場強度極高陽極區(qū)：長度也極短陽極區(qū)：長度也極短1010-2-2 1010-4-4cmcm 、電壓較大、電壓較大、E E極高極高弧柱區(qū)：長度基本上等于電

10、弧長度，弧柱區(qū)：長度基本上等于電弧長度，E E較小較小一、焊接電弧的結(jié)構(gòu)以及壓降分布一、焊接電弧的結(jié)構(gòu)以及壓降分布第二節(jié)第二節(jié) 焊接電弧的結(jié)構(gòu)以及伏安特性焊接電弧的結(jié)構(gòu)以及伏安特性段：電弧電壓隨電流的增加而下降，是下降特性段段：電弧電壓隨電流的增加而下降，是下降特性段段：呈等壓特性，即段：呈等壓特性，即電弧電壓不隨電流的變電弧電壓不隨電流的變化而變化，是平特性段化而變化，是平特性段段：電弧電壓隨電流段：電弧電壓隨電流的增加而上升，是上升的增加而上升，是上升特性段特性段二焊接電弧的電特性二焊接電弧的電特性 ( (一一) )、焊接電弧的靜特性焊接電弧的靜特性在電極材料、氣體介質(zhì)和弧長一定的情況下，

11、電弧穩(wěn)定燃燒時，在電極材料、氣體介質(zhì)和弧長一定的情況下，電弧穩(wěn)定燃燒時，焊接電流和電弧電壓變化的關(guān)系，又稱伏安特性。焊接電流和電弧電壓變化的關(guān)系，又稱伏安特性。下降段下降段: :負阻特性區(qū)負阻特性區(qū), ,電流增加，弧柱截面積更快增加，電流密度電流增加，弧柱截面積更快增加，電流密度j jZ Z下降；電弧溫度增加，電離度增加，下降；電弧溫度增加，電離度增加，Z增加，電弧電壓下降，呈現(xiàn)增加，電弧電壓下降，呈現(xiàn)下降特性。下降特性。平直段平直段: :平特性區(qū)平特性區(qū), ,電流增加，電流增加，IfIf和和SfSf成比例增加，電流密度成比例增加，電流密度JzJz ，電導(dǎo)率電導(dǎo)率Z不變，電弧電壓不變，呈現(xiàn)平特

12、性。不變，電弧電壓不變，呈現(xiàn)平特性。上升段上升段: 電流增加，電弧面積不電流增加，電弧面積不再增加，從而電流密度增加，而再增加，從而電流密度增加，而電離度已達飽和，電導(dǎo)率基本不電離度已達飽和，電導(dǎo)率基本不變，從而歲電流增加，電弧電壓變，從而歲電流增加，電弧電壓增加，呈現(xiàn)上升特性。增加，呈現(xiàn)上升特性。 U Uf fI If fU Uf f ZZZZZZfZfZljSlIRIU弧柱區(qū)電壓弧柱區(qū)電壓影響電弧靜特性的因素：影響電弧靜特性的因素：電弧長度電弧長度UaL2L1L2 L1電弧長度對電弧靜特性的影響電弧長度對電弧靜特性的影響周圍氣體種類周圍氣體種類焊接電弧靜特性的應(yīng)用焊接電弧靜特性的應(yīng)用 對于

13、不同的焊接方法，電弧靜特性曲線有所不同。靜特性下對于不同的焊接方法，電弧靜特性曲線有所不同。靜特性下降段電弧燃燒不穩(wěn)定而很少采用。降段電弧燃燒不穩(wěn)定而很少采用。 焊條電弧焊、埋弧焊多半工作在靜特性焊條電弧焊、埋弧焊多半工作在靜特性水平段水平段。 熔化極氣體保護焊、微束等離子弧焊、等離子弧焊也多半工熔化極氣體保護焊、微束等離子弧焊、等離子弧焊也多半工作在作在水平段水平段，當(dāng)焊接電流很大時才工作在，當(dāng)焊接電流很大時才工作在上升段上升段。 熔化極氣體保護焊和水下焊接基本上工作在熔化極氣體保護焊和水下焊接基本上工作在上升段上升段。U Ua aI Ia a焊條電弧焊焊條電弧焊埋弧焊、埋弧焊、不熔化不熔化

14、極氣體極氣體保護焊、保護焊、微束等微束等離子弧離子弧焊焊細絲細絲熔化熔化極氣極氣體保體保護焊護焊等離等離子弧子弧焊、焊、水下水下焊焊小電流小電流鎢極氬鎢極氬弧焊弧焊CO2氣體保護焊氣體保護焊氬弧焊氬弧焊手工焊手工焊埋弧焊埋弧焊( (二二) )、焊接電弧的動特性焊接電弧的動特性焊接電弧的動特性，是指在一定弧長下，當(dāng)電弧電流很快變化焊接電弧的動特性，是指在一定弧長下，當(dāng)電弧電流很快變化時，電弧電壓和電流之間的關(guān)系：時，電弧電壓和電流之間的關(guān)系：U Uf f= =f(if(if f) )，由于熱慣性對電，由于熱慣性對電離度的影響，焊接電弧的動特性曲線不同于靜特性曲線特性離度的影響，焊接電弧的動特性曲

15、線不同于靜特性曲線特性電流快速增加時，由于電弧電離電流快速增加時，由于電弧電離度較低，電弧電壓高于靜態(tài)值，度較低，電弧電壓高于靜態(tài)值，V-A特性曲線高于靜特性曲線。特性曲線高于靜特性曲線。 電流快速減小時，由于電電流快速減小時，由于電弧電離度較高，電弧電壓弧電離度較高，電弧電壓低于靜態(tài)值，低于靜態(tài)值，V-A特性曲特性曲線地于靜特性曲線。線地于靜特性曲線。電流增加過程中，動態(tài)性曲線上的電弧電壓比靜特性曲電流增加過程中，動態(tài)性曲線上的電弧電壓比靜特性曲線上的電弧電壓值高；電流下降時，每一瞬間電弧電壓線上的電弧電壓值高；電流下降時，每一瞬間電弧電壓低于靜特性曲線。低于靜特性曲線。 電流變化速度愈小，

16、靜、動特性曲線就愈接近。電流變化速度愈小，靜、動特性曲線就愈接近。第三節(jié)第三節(jié) 交流電弧交流電弧一、交流電弧的特性一、交流電弧的特性1 1、電弧周期性地引燃和熄滅、電弧周期性地引燃和熄滅2 2、電弧電壓和電流發(fā)生畸變、電弧電壓和電流發(fā)生畸變 3 3、熱慣性作用較為明顯、熱慣性作用較為明顯 1 1、純電阻電路、純電阻電路平衡方程平衡方程RiutUhhmsin二、交流電弧連續(xù)燃燒的條件二、交流電弧連續(xù)燃燒的條件分析：電源電壓和電流同相位，電流過零后到下一周波電壓等于再引燃電壓之間，有一段間隔時間，造成熄弧，不能滿足電弧穩(wěn)定燃燒的要求。2 2、電感性電路、電感性電路分析：分析：要使交流電弧穩(wěn)定燃燒，

17、應(yīng)保證焊接回路中有足夠大的電要使交流電弧穩(wěn)定燃燒，應(yīng)保證焊接回路中有足夠大的電感，從而使得電流滯后于電壓一個相位角，電流改變極性時另一感，從而使得電流滯后于電壓一個相位角，電流改變極性時另一半波的電壓已經(jīng)大于電弧再引燃電壓，電弧立即反向恢復(fù)燃燒。半波的電壓已經(jīng)大于電弧再引燃電壓，電弧立即反向恢復(fù)燃燒。utu ifiabcdufUfUyh上面原理圖的電壓平衡方程上面原理圖的電壓平衡方程tddiLUtUffm )sin(交流電源供電原理圖交流電源供電原理圖(1)求解求解(1)式式,代入初始條件代入初始條件:t=0時時,if=0tXUtXUiLfLmfcoscos電弧穩(wěn)定燃燒條件一電弧穩(wěn)定燃燒條件一

18、:0fit時，mfUU2cos電弧穩(wěn)定燃燒條件二電弧穩(wěn)定燃燒條件二:大于引弧電壓時，ut0yhmUUsin(2)(3) 為了保證電弧連續(xù)燃燒，電源空載電壓（為為了保證電弧連續(xù)燃燒，電源空載電壓（為交流有效值）交流有效值）U U0 0、電弧電壓電弧電壓U Uf f及及引燃電壓引燃電壓U Uyhyh之間必之間必須保持一定的關(guān)系。須保持一定的關(guān)系。Uyh/ UfUo/ Uf不連續(xù)燃燒連續(xù)燃燒4212220fyhfUUUU(2)式和(3)式聯(lián)立:1 1空載電壓空載電壓 愈高，電弧就愈穩(wěn)定。愈高，電弧就愈穩(wěn)定。三、影響交流電弧穩(wěn)定燃燒的因素和提高電弧穩(wěn)定性的三、影響交流電弧穩(wěn)定燃燒的因素和提高電弧穩(wěn)定性

19、的措施措施（一）（一）影響交流電弧穩(wěn)定燃燒的因素影響交流電弧穩(wěn)定燃燒的因素4212220fyhfUUUU2 2引燃電壓引燃電壓 愈高，電弧愈不穩(wěn)定，引燃愈困難。愈高，電弧愈不穩(wěn)定，引燃愈困難。3 3電路參數(shù)電路參數(shù) 增大增大L L或減小或減小R R可使電弧趨向穩(wěn)定地連續(xù)燃燒。可使電弧趨向穩(wěn)定地連續(xù)燃燒。4212220fyhfUUUU6 6電極的熱物理性能和尺寸電極的熱物理性能和尺寸4 4電弧電流電弧電流 電弧電流愈大，電弧的穩(wěn)定性愈高。電弧電流愈大，電弧的穩(wěn)定性愈高。5 5電源頻率電源頻率 f f提高有利于提高電弧的穩(wěn)定性。提高有利于提高電弧的穩(wěn)定性。1 1提高弧焊電源頻率提高弧焊電源頻率 2

20、 2提高電源的空載電壓提高電源的空載電壓 3 3改善電弧電流的波形改善電弧電流的波形 4 4疊加高壓電疊加高壓電（二）提高交流電弧穩(wěn)定性的措施（二）提高交流電弧穩(wěn)定性的措施四、交流電弧的功率和功率因數(shù)四、交流電弧的功率和功率因數(shù)（一）、交流電弧的功率（一）、交流電弧的功率P Pf fm0.40.8PfK結(jié)論：為保持電弧的結(jié)論：為保持電弧的穩(wěn)定燃燒和電弧功率穩(wěn)定燃燒和電弧功率的穩(wěn)定，的穩(wěn)定，K K值最好取在值最好取在0.40.40.6370.637之間，即之間，即要求要求2.5(2.5(U Uo o/U/Uf f)1.57)1.57LXUUKKXKUPLfLf；式中，0222081905. 0交

21、流電弧的功率因數(shù)交流電弧的功率因數(shù)f f是指交流電弧的有效功率是指交流電弧的有效功率P Pf f與與電弧電壓和電弧電流有效值乘積之比值。即：電弧電壓和電弧電流有效值乘積之比值。即：f f P Pf f/(/(U Uf f.I.If f ) )在焊接中，在焊接中， f f 0.890.890.900.90，總是小于，總是小于1 1的。的。（二）交流電弧的功率因數(shù)（二）交流電弧的功率因數(shù)22218. 1181905. 0KKf第四節(jié)第四節(jié) 焊接電弧的分類及其特點焊接電弧的分類及其特點一一 、自由電弧、自由電弧 自由電弧可分為不熔化極電弧和熔化極電弧兩種。自由電弧可分為不熔化極電弧和熔化極電弧兩種。

22、 （一）不熔化極焊接電?。ㄒ唬┎蝗刍瘶O焊接電弧電極本身在焊接過程中不熔化，沒有金屬熔滴過渡，通常采電極本身在焊接過程中不熔化，沒有金屬熔滴過渡，通常采用惰性氣體保護。用惰性氣體保護。（二）熔化極焊接電?。ǘ┤刍瘶O焊接電弧在焊接電弧燃燒過程中，電極不斷熔化并過渡到焊接工件在焊接電弧燃燒過程中，電極不斷熔化并過渡到焊接工件上去。根據(jù)電弧是否可見又分為明弧和埋弧兩類。上去。根據(jù)電弧是否可見又分為明弧和埋弧兩類。二、壓縮電弧二、壓縮電弧把自由電弧的弧柱強迫壓縮，即得到一種比一般電弧溫度更高、把自由電弧的弧柱強迫壓縮，即得到一種比一般電弧溫度更高、能量更集中的熱源，即壓縮電弧能量更集中的熱源，即壓縮電弧。等離子弧等離子弧即為以一種典型的即為以一種典型的壓縮電弧。壓縮電弧。等離子弧又分為以下三種形式：等離子弧又分為以下三種形式：1 1、轉(zhuǎn)移型等離子弧、轉(zhuǎn)移型等離子弧 電極接負極，工件接正極，等離子電極接負極，工件接正極，等離子弧產(chǎn)生于電極和工件之間。弧產(chǎn)生于電極和工件之間。2 2、非轉(zhuǎn)移型等離子弧、非轉(zhuǎn)移型等離子弧 電極接負極，噴嘴接正極，等離電極接負極，噴嘴接正極，等離子弧產(chǎn)生于電極與噴嘴之間。子弧產(chǎn)生于電極與噴嘴之間。3 3、混合型等離子弧、混合型等離子弧1 1、轉(zhuǎn)移型等離子弧、轉(zhuǎn)移型等離子弧(b)(b) 電極接負極，工件接正極，等離子弧產(chǎn)電極接負極，工件接正極，等離子弧產(chǎn)生于電極和工