《電弧的基本特性》PPT課件.ppt

1、第一講 電弧的基本特性,焊接電弧不是一般的燃燒現(xiàn)象，它是在一定條件下電荷通過兩極間氣體空間的一種導(dǎo)電過程（如圖7-1），也可以說是一種氣體放電現(xiàn)象。焊接電弧是電弧焊的熱源，而弧焊電源是為焊接電弧提供能量的設(shè)備。 一、焊接電弧的種類 按焊接電流種類，可分為交流電弧、直流電弧、脈沖電弧。,圖7-1 焊接電弧導(dǎo)電示意圖,第一講 電弧的基本特性,按電弧狀態(tài)，可分為自由電?。ㄈ绾笚l電弧焊電?。?、壓縮電弧（如等離子?。?按電極材料，可分為熔化極電?。ㄈ鏑O2氣體保護(hù)焊電弧）、非熔化極電弧（如鎢極氬弧焊電?。?。 二、焊接電弧的產(chǎn)生 一般情況下，氣體不含有帶電粒子（電子、正離子、負(fù)離子），是由中性的分子或原

2、子組成的。要使氣體產(chǎn)生電弧導(dǎo)電，必須使氣體分子或原子電離成帶電粒子氣體電離；同時(shí)，為了使電弧維持“燃燒”，還必須不斷的輸送電能給電弧，以補(bǔ)充氣體電離時(shí)所消耗的電能，即電弧的陰極要不斷的發(fā)射電子。綜上所示，氣體電離和陰極發(fā)射電子是電弧產(chǎn)生的必要條件。 1氣體電離,第一講 電弧的基本特性,在外加能量作用下，中性氣體分子或原子分離成正離子和電子的現(xiàn)象稱為氣體電離。 氣體分子或原子分離出一個(gè)外層電子所需要的最小能量稱為電離能或電離功，當(dāng)用電子伏特（eV）來衡量時(shí)，又稱電離勢或電離電位，用 表示。氣體電離勢的大小與其原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。電離勢大表示氣體難電離、難導(dǎo)電，反之表示氣體容易電離。 在焊接電弧中，

3、根據(jù)引起電離的能量來源不同，電離有如下三種形式： （1）碰撞電離 在電場中，被加速的帶電粒子與原子和分子相碰撞而產(chǎn)生電離。 （2）熱電離 在高溫下，具有高動(dòng)能的氣體原子（或分子）在無規(guī)則的相互碰撞中產(chǎn)生的電離。 （3）光電離 氣體原子（或分子）吸收光輻射的能量而產(chǎn)生的電離。,第一講 電弧的基本特性,2陰極電子發(fā)射 陰極表面在外加能量作用下連續(xù)向外發(fā)射電子的現(xiàn)象稱陰極電子發(fā)射。要使其逸出金屬電極表面而產(chǎn)生電子發(fā)射，必須給電子施加一定的能量。電子從陰極表面逸出所需要的能量稱逸出功。 按其能量來源不同，陰極電子發(fā)射可分為 ： （1）熱電子發(fā)射 陰極表面受熱后，其中某些電子具有大于逸出功的動(dòng)能而逸出到

4、表面外的空間中去的現(xiàn)象稱為熱電子發(fā)射。熱電子發(fā)射在焊接電弧中起著重要的作用，它隨著溫度上升而增強(qiáng)。 （2）場致電子發(fā)射 這種由于在電場作用下而產(chǎn)生的電子發(fā)射稱為場致電子發(fā)射。電場越強(qiáng)，則場致電子發(fā)射能力越強(qiáng)。 （3）光電子發(fā)射 陰極表面接受光射線的能量而釋放出自由電子的現(xiàn)象稱為光電子發(fā)射。 （4）撞擊電子發(fā)射 運(yùn)動(dòng)速度較高、能量較大的重粒子（如正離子）撞擊陰極表面，將能量傳遞給陰極而產(chǎn)生的電子發(fā)射稱為撞擊電子發(fā)射。,第一講 電弧的基本特性,陰極所用的材料不同，其電子發(fā)射形式也不同，有的以熱電子發(fā)射為主，有的以場致電發(fā)發(fā)射為主，而光電子發(fā)射和撞擊電子發(fā)射在焊接電弧中占次要地位。 當(dāng)采用銅或鋁等熔

5、點(diǎn)較低的材料做陰極（稱冷陰極）進(jìn)行焊接時(shí)，因受材料本身熔點(diǎn)的限制，陰極表面無法達(dá)到很高溫度，這時(shí)熱電子發(fā)射較弱，主要靠場致電子發(fā)射； 當(dāng)采用鎢、碳等熔點(diǎn)較高的材料做陰極（稱熱陰極）時(shí)，因表面溫度可被加熱到很高溫度（可達(dá)40005000K），使電子獲得足夠的能量而進(jìn)行強(qiáng)烈的熱電子發(fā)射，這時(shí)場致電子發(fā)射就居于次要地位了。 綜上所述，焊接電弧的形成和維持，是在熱、光、電場和粒子動(dòng)能的作用下，氣體原子或分子不斷地被電離以及陰極電子發(fā)射的結(jié)果。 3焊接電弧的引燃,第一講 電弧的基本特性,把造成兩電極間氣體發(fā)生電離和陰極電子發(fā)射而引起電弧燃燒的過程，稱為焊接電弧的引燃。焊接電弧的引燃一般有兩種方式： （1

6、）接觸引弧 弧焊電源接通后，電極（焊條或焊絲）與工件直接短路接觸，隨后迅速拉起電極（約24mm）而引燃電弧，這種引弧方式稱為接觸引弧。 （2）非接觸引弧 非接觸引弧指在引弧時(shí)，電極與工件之間保持一定的間隙，然后在電極與工件之間施以高電壓擊穿間隙使電弧引燃。這是一種依靠高壓電使電極表面產(chǎn)生電場發(fā)射來引燃電弧的方法。,第一講 電弧的基本特性,三、焊接電弧的結(jié)構(gòu) 焊接電弧沿其長度方向分為三個(gè)區(qū)域，見圖7-2所示。緊靠負(fù)電極的區(qū)域?yàn)殛帢O區(qū)，緊靠正電極的區(qū)域?yàn)殛枠O區(qū)，陰極區(qū)和陽極區(qū)之間的區(qū)域稱為弧柱區(qū)。陽極區(qū)的長度約為10-310-4cm，陰極區(qū)的長度約為10-510-6cm，因此，電弧長度可近似認(rèn)為等

7、于弧柱長度。 沿著電弧長度方向的電壓分布是不均勻的，靠近電極部分產(chǎn)生較強(qiáng)烈的電壓降，即陰極區(qū)和陽極區(qū)的壓降較大，沿著弧柱長度方向的電壓降可以認(rèn)為是均勻分布的。這三個(gè)區(qū)的電壓降分別稱為陰極壓降、陽極壓降和弧柱壓降，它們組成了總的電弧電壓 ，可表示為,弧柱壓降與弧柱長度成正比,陽極壓降（常數(shù)）,陰極壓降（常數(shù)）,第一講 電弧的基本特性,四、焊接電弧的特性 （一）焊接電弧的電特性 焊接電弧的電特性即伏安特性，包括靜態(tài)伏安特性（靜特性）和動(dòng)態(tài)伏安特性（動(dòng)特性）。 1焊接電弧的靜特性,a陰極壓降與陽極壓降之和（V）； b單位長度弧柱壓降（V/mm）； 弧柱長度（mm）。,第一講 電弧的基本特性,在電極材

8、料、氣體介質(zhì)和電弧弧長一定的情況下，電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)電弧電壓和焊接電流之間的關(guān)系稱為靜特性。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 （1）焊接電弧的靜特性曲線形狀及其應(yīng)用 焊接電弧是非線性負(fù)載，即電弧兩端的電壓與通過電弧的電流之間不是成正比例關(guān)系。焊接電弧的靜特性近似呈 形曲線，見圖7-3所示。 形靜特性曲線可看成由三個(gè)區(qū)段組成。在區(qū)段，電弧電壓隨著電流的增加而下降，稱該段為下降特性段；在區(qū)段，電弧電壓基本上不隨電流的變化而變化，稱該段為平特性段，或稱恒壓特性；在區(qū)段，電弧電壓隨電流的增加而上升，稱該段為上升特性段。 （2）弧長對靜特性曲線的影響 當(dāng)電弧電流不變時(shí)，弧長增加，電弧電阻增大，根據(jù)歐姆定律，電弧電壓自然會(huì)增

9、加。如圖7-4所示。,第一講 電弧的基本特性,2焊接電弧的動(dòng)特性 在焊接過程中，由于受到熔滴過渡等因素的影響，電弧電壓和焊接電流時(shí)刻都在改變，即電弧永遠(yuǎn)處于動(dòng)平衡狀態(tài)。所謂電弧的動(dòng)特性，是指在一定的弧長下，當(dāng)電弧電流以很快的速度變化時(shí)，電弧電壓和焊接電流瞬時(shí)值之間的關(guān)系 圖7-5是電弧動(dòng)特性示意圖。 （二）焊接電弧的熱特性 1焊接電弧的產(chǎn)熱特性 在電弧焊中，通過電弧把電能轉(zhuǎn)換成焊接所需要的熱能和機(jī)械能。 （1）弧柱的產(chǎn)熱特性 弧柱中的導(dǎo)電任務(wù)絕大部分由電子來承擔(dān)，即弧柱中的熱量主要由電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)換而來。,瞬時(shí)電流； 瞬時(shí)電壓。,第一講 電弧的基本特性,（2）陰極區(qū)的產(chǎn)熱特性 陰極區(qū)和弧柱區(qū)相比

10、，長度短，且直接靠近電極或工件，所以陰極區(qū)產(chǎn)生的熱量對電極或工件的影響更直接。所產(chǎn)生的熱量主要用于對陰極的加熱和陰極區(qū)的散熱損失。 （3）陽極區(qū)的產(chǎn)熱特性 陽極區(qū)的熱量主要是當(dāng)自由電子撞入陽極時(shí)，由自由電子動(dòng)能和位能轉(zhuǎn)化而來。 2焊接電弧的熱效率及能量密度 電弧焊的熱能由電能轉(zhuǎn)換而來，因此電弧的熱功率可用下式表示 電弧產(chǎn)生的熱能并不能全部有效地用于焊接，其中一部分因?qū)α?、輻射及傳?dǎo)等損失，用于加熱、熔化填充材料及工件的電弧熱功率稱為有效熱功率，表示為,熱效率 。為有效熱功率系數(shù)，即 表7-1為常用焊接方法的熱效率系數(shù),有效熱功率,第一講 電弧的基本特性,當(dāng)其它條件不變時(shí)，電弧電壓升高，弧長增加

11、，通過對流、輻射等損失的弧柱熱量增加，熱效率 隨著電弧電壓 的升高而降低。 單位面積上的有效功率稱為能量密度。能量密度在電弧軸線處最大，從中心到周圍逐漸降低。 3電弧的溫度分布 焊接電弧中三個(gè)區(qū)域的溫度分布是不均勻的，一般情況下，陽極斑點(diǎn)溫度高于陰極斑點(diǎn)溫度，分別占放出熱量的43%和36%左右，但都低于該種電極材料的沸點(diǎn)。弧柱區(qū)的溫度最高，但沿其截面分布不均，其中心溫度最高，可達(dá)5000K8000K。 （三）焊接電弧的力學(xué)特性 電弧在電弧焊中的作用之一是把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，機(jī)械能在電弧焊中以電弧力的形式表現(xiàn)出來。電弧力包括電磁收縮力、等離子流力、斑點(diǎn)壓力、熔滴沖擊力及短路爆破力等。,第一講 電

12、弧的基本特性,1電弧力的類型及作用 （1）電磁收縮力 當(dāng)電流通過兩根相近的平行導(dǎo)線時(shí)，若電流方向相同則產(chǎn)生相互吸引力，電流方向相反則產(chǎn)生排斥力。這種由電磁場產(chǎn)生的力稱為電磁力，其大小與導(dǎo)線中流過的電流大小成正比，與兩導(dǎo)線間的距離成反比。若把電弧中的電流看成是由許多靠近的平行同向電流線組成時(shí)，則它們之間將產(chǎn)生相互吸引力。因電弧是柔性導(dǎo)體，它的截面是可變的，截面將產(chǎn)生收縮。這種現(xiàn)象稱為電磁收縮效應(yīng)，產(chǎn)生此效應(yīng)的力稱為電磁收縮力。 （2）等離子流力 錐形電弧在電磁收縮力的作用下，高溫氣體不斷的由電極流向工件，電弧周圍的氣體不斷地從電極旁進(jìn)行補(bǔ)充，補(bǔ)充進(jìn)的氣體被加熱電離并連續(xù)流向工件，對熔池形成動(dòng)壓力

13、，即等離子流力。 （3）斑點(diǎn)力 電弧焊時(shí)，電極斑點(diǎn)受到帶電粒子的撞擊或金屬蒸發(fā)的反作用而對斑點(diǎn)產(chǎn)生壓力，稱為斑點(diǎn)力。,第一講 電弧的基本特性,不論是陰極斑點(diǎn)力還是陽極斑點(diǎn)力，其方向總是與熔滴過渡方向相反，阻礙熔滴過渡。一般陰極斑點(diǎn)力比陽極斑點(diǎn)力大。 （4）熔滴沖擊力 當(dāng)采用較大電流進(jìn)行熔化極氬弧焊時(shí)，熔滴呈射流過渡，在等離子流力的作用下，熔滴以極大的加速度連續(xù)沿軸向射向熔池，使焊縫極易形成指狀熔深。 （5）短路爆破力 電弧從燃燒狀態(tài)過渡到短路狀態(tài)，電弧電流迅速上升，熔滴溫度急劇升高，使液柱汽化爆斷，產(chǎn)生較大的沖擊力，導(dǎo)致飛濺產(chǎn)生。 2影響電弧力的因素 （1）氣體介質(zhì) 不同種類的氣體介質(zhì)，其熱物

14、理性能不同，對電弧產(chǎn)生的影響也不同。導(dǎo)熱性強(qiáng)的氣體或多原子氣體消耗的熱量多，對電弧有冷卻作用，會(huì)引起電弧的收縮，導(dǎo)致電弧力的增加。氣體流量或電弧空間氣體壓力增加，也會(huì)引起弧柱收縮導(dǎo)致電弧力增加，同時(shí)使斑點(diǎn)力增大。,第一講 電弧的基本特性,（2）電流和電弧電壓 電流越大，電磁收縮力和等離子流力都將增大，所以電弧力也增大。電流一定，電弧長度增加引起電弧電壓升高，則電弧力降低。 （3）焊絲直徑 焊接電流一定時(shí)，焊絲越細(xì)，電流密度越大，造成電弧錐形越明顯，電磁力和等離子流力越大，電弧力也增大。 （4）電極極性 通常陰極導(dǎo)電區(qū)的收縮程度比陽極區(qū)大，因此，直流正接時(shí)，可形成錐度較大的電弧，產(chǎn)生較大的電弧力

15、。 熔化極氣體保護(hù)焊采用直流正接時(shí)，熔滴受到較大的斑點(diǎn)力，過渡時(shí)受阻，電弧力較?。环粗?，直流反接時(shí)，電弧力較大。,第一講 電弧的基本特性,圖7-2 電弧結(jié)構(gòu)和壓降分布示意圖,第一講 電弧的基本特性,圖7-3 焊接電弧的靜特性曲線,小電流鎢極氬弧焊、微束等離子弧焊以及脈沖氬弧焊中的“維弧”狀態(tài)，通常使用電弧靜特性的下降段,對于細(xì)絲大電流CO2氣體保護(hù)焊、等離子弧焊，則通常工作在電弧靜特性的上升段,對于焊條電弧焊、粗絲CO2氣體保護(hù)焊、埋弧焊，多工作在電弧靜特性的水平段,第一講 電弧的基本特性,圖7-4 弧長對電弧靜特性的影響,第一講 電弧的基本特性,圖7-5 電弧動(dòng)特性的說明示意圖,第一講 電弧

16、的基本特性,實(shí)際動(dòng)特性曲線 成因分析,第一講 電弧的基本特性,表7-1 常用焊接方法的熱效率系數(shù),第一講 電弧的基本特性,以交流電形式向焊接電弧輸送電能的電源稱為交流弧焊電源，產(chǎn)生的焊接電弧是交流電弧。 五、交流電弧的特點(diǎn) 交流電弧一般是由頻率為50Hz的交流電源供電。每秒鐘電弧電流有100次過零點(diǎn)，即每秒鐘電弧熄滅和再引燃100次。 交流電弧有以下特點(diǎn)： （1）電弧周期性地熄滅和引燃 交流電弧在過零點(diǎn)改變極性時(shí)熄滅，電弧空間溫度下降，此時(shí)電弧中異性帶電粒子發(fā)生復(fù)合，降低了電弧空間的導(dǎo)電能力。只有當(dāng)電源電壓 增大到超過再引燃電壓 后，電弧才有可能被再次引燃。 （2）電弧電壓和電流的波形發(fā)生畸變

17、 由于電弧電壓和電流是交變的，使電弧空間和電極表面的溫度也隨時(shí)變化。因而電弧電阻不是常數(shù)，而是隨著電弧電流的變化而變化。當(dāng)電源電壓按正弦曲線變化時(shí)，電弧電壓和電流就不按正弦規(guī)律變化，而發(fā)生了畸變。,第一講 電弧的基本特性,（3）熱慣性作用較明顯 由于電弧電壓和電流變化得較快，而電弧熱的變化滯后于電的變化。某一時(shí)刻的瞬時(shí)電流，使電弧空間發(fā)生熱電離的效應(yīng)要推遲一定時(shí)間才能表現(xiàn)出來。 六、交流電弧連續(xù)燃燒的條件 交流電弧燃燒時(shí)若有熄弧時(shí)間，則熄弧時(shí)間越長，電弧就越不穩(wěn)定。為了保證焊接質(zhì)量，必須將熄弧時(shí)間減小至零，即電弧在每次熄滅后能迅速地自行恢復(fù)燃燒，使交流電弧連續(xù)燃燒。 對純電阻性電路，即焊接回路

18、的電阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于感抗值，通過理論分析可知，它總是存在一定的熄弧時(shí)間，不利于交流電弧的穩(wěn)定燃燒；對電感性電路，根據(jù)電壓與電流的波形圖（圖7-6）看出，只要電路中電感 值足夠大，就能使焊接電流滯后于電源電壓一定的相位角 ，使電源電壓 的值達(dá)到引弧電壓 ，便能保證交流電弧連續(xù)、穩(wěn)定地燃燒。,第一講 電弧的基本特性,要使交流電弧穩(wěn)定燃燒，就應(yīng)保證焊接回路中有足夠大的電感，這樣才能保證電流改變極性時(shí)電弧能迅速地自行恢復(fù)燃燒，保證交流電弧穩(wěn)定性，提高焊接質(zhì)量。 七、影響交流電弧燃燒的因素和提高電弧穩(wěn)定性的措施 1影響交流電弧燃燒的因素 （1）空載電壓 越高，在相同的引弧電壓下熄弧時(shí)間越短，電弧越穩(wěn)定。一般條件下 （2）再引燃電壓 對電弧的穩(wěn)定燃燒有很大的影響。 值越大，電弧引燃越困難，電弧越不穩(wěn)定。 （3）電路參數(shù) 主電路的電感、電阻對電弧連續(xù)燃燒也有較大的影響。增大 或減小 ，均可使電弧趨向穩(wěn)定連續(xù)地燃燒。,第一