第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程

第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程2024/3/11第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程非自持放電：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，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：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。a)氣體放電b)金屬導(dǎo)電電弧是低壓、大電流、產(chǎn)生高溫、強(qiáng)光的一種自持氣體放電現(xiàn)象第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程一．氣體原子的激發(fā)、電離和電子發(fā)射1．氣體原子的激發(fā)+--氣體原子得到外加能量電子從低能級躍遷到高能級，這時原子處于“激發(fā)”狀態(tài)電子完全脫離原子核的束縛形成自由電子的過程程稱為“電離”激發(fā)電離由原子形成正離子所需要的能量稱為電離能第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程2．氣體原子的電離

（1）撞擊電離：在電場中，被加速的帶電質(zhì)點(diǎn)（電子、離子）和中性質(zhì)點(diǎn)（原子）碰撞后發(fā)生的電離。（2）熱電離：在高溫下，具有高動能的氣體原子（或分子）互相碰撞而引起的電離。（3）光電離：氣體原子（或分子）吸收了光射線的光子能而產(chǎn)生的電離。常見氣體及元素的電離能EL(eV)第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程3.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自由電子的現(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Wy。（1）熱發(fā)射固態(tài)或者液態(tài)物質(zhì)表面受熱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。（2）光電發(fā)射固態(tài)或者液態(tài)物質(zhì)表面接受光射線的能量而釋放出自由電子的現(xiàn)象。（3）重粒子撞擊發(fā)射能量大的重粒子撞擊到陰極上，引起電子的逸出。（4）自發(fā)射固態(tài)或者液態(tài)物質(zhì)表面存在強(qiáng)電場，使陰極有較多的電子發(fā)射出來，又稱為場強(qiáng)發(fā)射。第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程常見材料的逸出功復(fù)合電極材料的逸出功第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程1.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

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(yùn)動，包括熱運(yùn)動和電場定向運(yùn)動

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

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

子、分子吸附電子復(fù)合成負(fù)離子的過程。

總結(jié)：第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程二．焊接電弧的引燃（一）接觸引弧接觸點(diǎn)面積小，電流密度大，發(fā)熱，熔化，汽化，引起熱發(fā)射以及熱電離，拉開時發(fā)生強(qiáng)場發(fā)射，帶電質(zhì)點(diǎn)被加速，碰撞，引起撞擊電離，并進(jìn)一步引起光電離和熱電離從而維持電弧的穩(wěn)定燃燒。應(yīng)用場合：焊條電弧焊熔化極氣體保護(hù)焊第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程（二）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150-250kHz,電壓峰值2000-3000V,后者每半波產(chǎn)生一個3000-5000V的高壓脈沖。應(yīng)用場合:鎢極氬弧焊和等離子弧焊。第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程三個區(qū)域：陽極區(qū)陰極區(qū)弧柱區(qū)陰極區(qū)：長度極短10-510-6cm

、電壓較大、E電場強(qiáng)度極高陽極區(qū)：長度也極短10-210-4cm

、電壓較大、E極高弧柱區(qū)：長度基本上等于電弧長度，E較小一、焊接電弧的結(jié)構(gòu)以及壓降分布第二節(jié)焊接電弧的結(jié)構(gòu)以及伏安特性第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程Ⅰ段：電弧電壓隨電流的增加而下降，是下降特性段Ⅱ段：呈等壓特性，即電弧電壓不隨電流的變化而變化，是平特性段Ⅲ段：電弧電壓隨電流的增加而上升，是上升特性段二．焊接電弧的電特性

(一)、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，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。第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程下降段:負(fù)阻特性區(qū),電流增加，弧柱截面積更快增加，電流密度jZ下降；電弧溫度增加，電離度增加，γZ增加，電弧電壓下降，呈現(xiàn)下降特性。平直段:平特性區(qū),電流增加，If和Sf成比例增加，電流密度Jz，電導(dǎo)率γZ不變，電弧電壓不變，呈現(xiàn)平特性。上升段:電流增加，電弧面積不再增加，從而電流密度增加，而電離度已達(dá)飽和，電導(dǎo)率基本不變，從而歲電流增加，電弧電壓增加，呈現(xiàn)上升特性。

UfIfUfⅠⅡⅢ弧柱區(qū)電壓第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程影響電弧靜特性的因素：電弧長度UaL2L1L2>L1電弧長度對電弧靜特性的影響第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程周圍氣體種類第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程焊接電弧靜特性的應(yīng)用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。焊條電弧焊、埋弧焊多半工作在靜特性水平段。熔化極氣體保護(hù)焊、微束等離子弧焊、等離子弧焊也多半工作在水平段，當(dāng)焊接電流很大時才工作在上升段。熔化極氣體保護(hù)焊和水下焊接基本上工作在上升段。UaIa焊條電弧焊埋弧焊、不熔化極氣體保護(hù)焊、微束等離子弧焊細(xì)絲熔化極氣體保護(hù)焊等離子弧焊、水下焊小電流鎢極氬弧焊第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程CO2氣體保護(hù)焊氬弧焊手工焊埋弧焊第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程(二)、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)電弧電流很快變化時，電弧電壓和電流之間的關(guān)系：Uf=f(if)，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，V-A特性曲線高于靜特性曲線。電流快速減小時，由于電弧電離度較高，電弧電壓低于靜態(tài)值，V-A特性曲線地于靜特性曲線。第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程電流增加過程中，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，每一瞬間電弧電壓低于靜特性曲線。電流變化速度愈小，靜、動特性曲線就愈接近。第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程第三節(jié)交流電弧一、交流電弧的特性1、電弧周期性地引燃和熄滅2、電弧電壓和電流發(fā)生畸變3、熱慣性作用較為明顯第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程1、純電阻電路平衡方程二、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。第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程2、電感性電路分析：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。uωtuΦ

ifiabcdufUfUyh第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程上面原理圖的電壓平衡方程交流電源供電原理圖(1)第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程求解(1)式,代入初始條件:t=0時,if=0電弧穩(wěn)定燃燒條件一:電弧穩(wěn)定燃燒條件二:(2)(3)第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程為了保證電弧連續(xù)燃燒，電源空載電壓（為交流有效值）U0、電弧電壓Uf及引燃電壓Uyh之間必須保持一定的關(guān)系。Uyh/UfUo/Uf不連續(xù)燃燒連續(xù)燃燒(2)式和(3)式聯(lián)立:第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程1．空載電壓

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)定性的措施（一）影響交流電弧穩(wěn)定燃燒的因素第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程2．引燃電壓愈高，電弧愈不穩(wěn)定，引燃愈困難。3．電路參數(shù)增大L或減小R可使電弧趨向穩(wěn)定地連續(xù)燃燒。第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程6．電極的熱物理性能和尺寸4．電弧電流電弧電流愈大，電弧的穩(wěn)定性愈高。5．電源頻率f提高有利于提高電弧的穩(wěn)定性。第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程1．提高弧焊電源頻率2．提高電源的空載電壓3．改善電弧電流的波形4．疊加高壓電（二）提高交流電弧穩(wěn)定性的措施第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程四、交流電弧的功率和功率因數(shù)（一）、交流電弧的功率Pfm0.40.8PfK結(jié)論：為保持電弧的穩(wěn)定燃燒和電弧功率的穩(wěn)定，K值最好取在0.4～0.637之間，即要求2.5>(Uo/Uf)>1.57第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程交流電弧的功率因數(shù)λf是指交流電弧的有效功率Pf與電弧電壓和電弧電流有效值乘積之比值。即：λf＝Pf/(Uf.If)在焊接中，λf＝0.89～0.90，總是小于1的。（二）交流電弧的功率因數(shù)第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程第四節(jié)焊接電弧的分類及其特點(diǎn)一、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。（一）不熔化極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，通常采用惰性氣體保護(hù)。（二）熔化極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上去。根據(jù)電弧是否可見又分為明弧和埋弧兩類。第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程二、壓縮電弧把自由電弧的弧柱強(qiáng)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。等離子弧即為以一種典型的壓縮電弧。等離子弧又分為以下三種形式：1、轉(zhuǎn)移型等離子弧電極接負(fù)極，工件接正極，等離子弧產(chǎn)生于電極和工件之間。2、非轉(zhuǎn)移型等離子弧電極接負(fù)極，噴嘴接正極，等離子弧產(chǎn)生于電極與噴嘴之間。3、混合型等離子弧第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程1、轉(zhuǎn)移型等離子弧(b)電極接負(fù)極，工件接正極，等離子弧產(chǎn)生于電極和工件之間。2、非轉(zhuǎn)移型等離子弧(a)電極接負(fù)極，噴嘴接正極，等離子弧產(chǎn)生于電極與噴嘴之間。3、混合型等離子弧(c)第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程三、脈沖電弧電流為脈沖波形的電弧稱為脈沖電弧。可分為直流和交流。它與一般電弧區(qū)別在于，電弧電流從基本的維弧電流幅值周期的增大到脈沖電流幅值?？煽闯捎删S持電弧和脈沖電弧兩種電弧組成。維持電弧用于維持電弧的連續(xù)燃燒；脈沖電弧用于加熱工件和焊絲，并使熔滴從焊絲脫落和向工件過渡。第一章焊接電弧及其電特性歡迎進(jìn)入山東大學(xué)材料科學(xué)與工程脈沖電流的參數(shù)itipi0t0tp⑴