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第二章 电弧焊基础,第一节 焊接电弧的导电机理,一、电弧的基本概念 1、电弧:电弧是一种气体放电 现象,通过放电将电能转变为热能与机械能。 2、气体放电:两极间的气体被击穿而导电的过程。 3、电弧的实质: 在一定的条件下,电荷通过两电极之间的气体空间的一种导电现象。(气体放电现象),+,-,电弧,Ua,Ia,电弧放电,辉光放电,暗放电,暗放电,自持放电,非自持放电,U,I,导体导电,电弧是特殊的气体放电过程:电能能转换为热能;机械能;光能;磁能 。,二、 带电粒子的产生过程 产生方式: 电离:气体中性原子或分子( A )分离为一价正离子 ( A+ )和电子( e )的过程。 电子发射: 金属表面逸出电子的现象 (一)电离与激励 1、电离:在一定条件下中性原子分离成A+及e的现象。 A A+ + e - Wi 电离能:原子或分子电离所需要的能量 单位为ev 或J 电子伏:一个电子被1V的电压所加速得到的能量。 电离电压:电离能/电子带电量。,碱金属、碱土金属(K、Na、Ca等),外层一个或两个电子,易失去、易电离、电离电位低,药皮中加入引弧容易,电弧燃烧稳定。(引弧剂,稳弧剂)。J422,J502,J423等酸性焊条。 F(7个电子)电离电位较高,不易电离,加入药皮不易引弧。 CaF2可去除H、S、P,焊缝含氢量较少。 J507(CaF2)。碱性低氢型焊条含较多CaF2。,电离:使中性的气体分子变成电子和离子过程。 电离势:原子或分子电离所需要的能量。,2、 激励:气体原子得到的一定的能量,虽然小于Wi,但可 使电子从低能级跃迁到高能级。这种现象叫激励。 激励能:所需的最小外加能量叫激励能We。 激励能电压:激励能We/e。,3、电离的分类: 1) 热电离:气体粒子受热的作用而产生电离 实质:中性粒子通过与电子碰撞,接收电子能量而电离。 电离度:电离了的粒子数量与电离前粒子数量之比。0.1% 2) 电场作用下的电离:A+、e在电场作用下被加速、与A碰撞 使其电离的过程。 主要是e的作用:电子获得的能量是A+ 的4倍。 3) 光电离:A直接捕捉光量子并吸收其能量而电离。 波长越小越易促进光电离,电弧波长包括红外线、紫外线 可见光、可使AI、K、Na原子光电离。但不能使Ar、He、Fe 等电离。,(二)电子发射 1、基本概念 1) 电子发射:电子从金属表面逸出的现象。 对电弧导电起作用的主要是阴极的发射。 2) 逸出功(Ww):电子发射所需的最小能量。1/21/4 Wi 3) 逸出电压:Ww/e 物理意义:Ww越小,引弧越容易,电弧稳弧性越好。 4)主要影响因素: 材料, K、Na。 表面状态:有氧化物时,逸出功降低 加入杂质,例如,钍、铈及镧等可降低Ww。,-,2、阴极电子发射的分类 1)热发射:在热量的作用下产生的发射 产生条件:阴极温度足够高 特点:对阴极有冷却作用,这一点对TIG焊具有重要意义。可提高W极的载流能力。 2)电场发射:金属表面的电子在电场力的作用下逸出的现象。 特点:对阴极的冷却作用较小。 3)光发射:光幅射作用下产生的发射。实际电弧中产生光发射的可能性很小。 4)粒子碰撞发射:高速运动的A+碰撞到阴极上导致的发射。,库仑力,(三)负离子的产生 中性粒子与电子结合的过程,是一个放热过程,所放出的热被称为电子亲和能。 A + e A- + W 不利于电弧稳定。 (四)扩散与复合 扩散:电弧中心处A+、e较多,e易向周边运动。当周边电子浓度达到一定值后,在e吸引下,A+也向周边运动。从而在周边复合 A+eA+Wi A+ A- 2A+Wi,A-,A,e,+,A,三、电弧的产生 (一)引弧方法:擦划,点接触。 焊条与工件接触又迅速拉开的瞬间产生的。但实际是由:“短路空载燃弧”三个极短的阶段。,短路 短路阶段:两极间有金属蒸气;药皮蒸气;电子的热发射。,10m,突出点接触,电流密度极大(I短1.53 I焊 ),很大的电流(I短),很小的接触面积,很大电阻热。 电阻热使接触点温度骤然升高,电极表面金属熔化,蒸发,药皮中物质K、Na、Ca分解蒸发,Fe、K、Na、Ca蒸气具备电离气氛.,电子的热发射 阴极表面温度很高,电子获得足够的能量,活跃,冲破表面,逸出到空间去叫做热发射电子,电子逸出金属表面消耗的能量逸出功。,短路阶段:金属蒸气(Fe ); 药皮蒸气(K、Na、Ca ); 电子的热发射(e)。 为电弧的产生准备了条件。,空载 焊条刚刚拉开,电弧尚未形成的一瞬间,电源处在空载状态:I=0, V=U0 。 空载电压较高:手工电弧焊U05090伏。不大于100伏。,很短的距离,弧长105106mm内。 电场强度很大。 E=100伏/ 105cm=106 伏/cm,足够大的电场强度,使电子从阴极发射出来,叫做电子自发射。空载阶主要是自发射。,自发射,热发射很强烈,但刚刚开始,还不能使两极间的气体充分电离,因此电弧尚未形成,还处于空载状态。I=0。,燃弧 短路阶段和空载阶段为燃弧准备了必要条件。,a.两极间:空气,金属蒸气,药皮蒸气,易电离成为能导电的电弧介质。 b.热发射,自发射:从阴极表面发射大量高速运动电子。 c.电源供电:两极间有足够大的电场强度,成为发射电子、电离气体的动力来源。,由于具备了上述条件,使得由阴极发射出来的电子,在电场加速下,发生激烈的碰撞:电子在电场作用下,撞击原子使之电离,碰撞电离发生链锁反应。产生雪崩式击穿而形成电弧。,即当焊条提升到一定高度时,则两极间的空间顷刻发生突变,发出强烈的光和热,即电弧引燃。,弧柱空间:大量的碰撞,碰撞电离、热电离,中和放电,达到热平衡。 正离子跑向阴极撞击阴极表面,释放出动能,同时在阴极表面中和成原子,释放成位能。 电子跑向阳极,进入阳极,释放出动、位能,全部能量。 电弧作为换能器,电能转化为热能,光能,机械能。,常见导体材料逸出功 元素 逸出电压V Fe 4.48 W 4.50 W-Th 2.63 W-Ce 2.70,电极表面温度的高低受材料沸点的限制。 钨电极表面温度可达3500K以上,高温下发射大量电子。热阴极(材料)。 W沸点:5950K, 熔点:3653K Cu、Al、Fe电极表面沸点低,表面温度也低,热发射能力不足,必须依靠电场发射电子予以补充。冷阴极。 Fe沸点:3008 K ,熔点:1808K(1535),四、电弧的结构 直流电弧为例,电弧近似看成为一个圆柱形的气体导体。,阴极区:靠近阴极端部的地方,阴极压降较大,相当于电弧介质的电离势。E106V/cm,自发射。 阴极斑点:在整个阴极端面上电流集中在很小很光亮的斑点上,是电子集中发射的地方。T22003600K,几乎接近电极材料的沸点。 阴极区电流:正离子流向阴极,撞击阴极斑点并与电子中和。电子流向弧柱,去进行撞碰电离。,阳极区:靠近阳极的地方。 103104cm 阳极斑点:光亮的斑点,弧柱中来的电子经阳极区电场作用加速,集中射击到阳极斑点,撞入阳极,此处温度高,电流密度大。 阳极区电流:基本上全部由电子流组成。 阳极区压降:基本上不受电极材料和电弧介质的影响,约为2.5V。,弧柱区:充满着气体介质的分子,原子,以及电子,正离子和负离子。 高速运动的电子撞击原子使之电离,电子和正离子中和,释放出能量。碰撞时发生能量的转换,部分动能转化为热能。 每次碰撞产生的能量虽小,但电子数目极多,故反应激烈,产生很大的热量,弧柱5000-8000K,发强光。 电弧温度分布:纵向、横向。,电弧极性的选择:主要依据焊条的性质和焊件所需能量: 一般低碳钢结构:J422,J423,交直两用。 焊接重要结构:J507,J557,直流反接。 厚板正接,薄板反接。有色金属,铸铁反接(药皮影响)。,极性鉴别:J507 直流电焊机稳定性交流 交流:f=50Hz,正负变化100次/秒,过零点I=0,电弧熄灭,所以电弧温度比直流低一些,稳弧性差。 碱性焊条J507不能用交流焊机焊接 ,必须用直流电焊机,且反接。,第二节 焊接电源,一、焊接电弧的静特性 二、焊接电源的外特性 三、焊接电源(电焊机) (一)焊接电源的特点 (二)常用焊条电弧焊机简介 (三)电焊机型号介绍,焊机-焊接电源 电弧-负载(电阻性、电导率不是常数) 一、焊接电弧的静特性 电弧的静特性:当弧长一定时,通过电弧的电流与电弧两端的压降之间的关系。,I与V之间的关系,v,I,R常数(金属电阻,T不高) V=IR(电阻静特性),V,R,I,0,R斜率=常数,电阻静特性曲线,电弧电阻R在变化 VI (曲线关系) U型特性,I,O,电弧静特性曲线,ab段,下降特性 ,电流密度小 , 不适合焊接,生产上很少用 bc段 水平特性,电流密度较大 , 手工焊条,埋弧自动焊 cd段,上升段,电流密度大,熔化极气体保护焊电弧焊,细丝埋弧焊,a,b,c,d,V,I,O,28 24 20,6mm 4mm 2mm,2mm,4mm,6mm,l-V ,50 40 30 20 10,L=5,L=3,Uf,If,60 120 180,I,电弧静特性全部,(a)手工电弧(焊条),Uf,If,40 30 20 10 0,200 400 600,10mm 5mm 3mm,Uf,If,(b)埋弧焊,钨TIG,CO2,Ar,Uf,If,200 400 600,50 40 30 20 10 0,手工电弧焊(SMAW) 熔化极气保(GMAW) 钨极氩弧(GTAW) 等离子弧焊(PAW) 埋弧焊(SAW),MIG、CO2保护焊,二、焊接电源的外特性 焊接电源外特性 : 焊接电源的输出电压与输出电流之间的关系。,IiVi 电弧静特性 I0 U0 焊接电源外特性,(一) 焊接电源应该具备的条件 1、陡降的外特性 2、适当的空载电压 3、可调的外特性 4、较好的动特性 1、陡降的外特性 电弧本身性质:放电条件 影响焊接稳定性主要 K、Na 、Ca、Fe、F 供电电源(焊机)性质,(一) 焊接电源应该具备的条件 1、陡降的外特性 2、适当的空载电压 3、可调的外特性 4、较好的动特性 1、陡降的外特性 为什么需要有陡降的外特性呢?,为什么要陡降? 稳定工作点,A点:IAIA(U源U 弧)IA(U源U 弧)IB 大 IA IA (U源U 弧)IA (U源U 弧)0 熄灭 所以A点不是稳定的工作点 B点:IBIB(U源U 弧)IBIB IBIB (U源U 弧) IB IB 所以B点是稳定工作点,电流波动小,l 波动,5mm 2mm l1l2 I1 I2 变大,A点:IAIA(U源U 弧)IA(U源U 弧)IB 大 IA IA (U源U 弧)IA (U源U 弧)0 熄灭 所以A点不是稳定的工作点 B点:IBIB(U源U 弧)IBIB IBIB (U源U 弧) IB IB 所以B点是稳定工作点,O,两台焊机: I 1I2,H不一致 l: 未焊透 烧穿,I,V,O,恒流,I0,短路电流不过大,焊条过热 后果 药皮 熔化 分解 蒸发 烧损电焊机,短路,引弧 熔滴过渡,失效,短路 V=0 I=I短路 I2I1,一般要求 I短=(120130)%I焊 最大不超过 150%I焊,O,lI=0 I焊=I短,U0,I,V,I短,e1 e2 e3,I变大,熔滴过渡推力大,e1,e3,焊条电弧焊的理想特性 外拖特性,2、适当的空载电压 电焊机无负载时的输出电压,U=U0 I=0,过低:难引弧、易断弧、电弧燃烧稳定性差 空载电压 铁铜材料消耗多 焊机体积重量大 不经济 过高: 增加能量损耗 降低弧焊电压效率 不安全,O,O,交流电焊机 U0= 6080V 100V 直流电焊机 U0= 5070V 90V 举例:工人师傅自己缠绕的电焊机,3、连续可调的外特性(I) 4、3.2、2.5、1.6 调节 I 平、立、仰、横 工件,第一种:,第二种:,O,O,第三种:,第四种:,O,O,最大输出电流Imax 最小输出电流Imin Imax(45)Imin 可满足使用要求,4、对弧焊电源动特性的要求 焊接电源的负载:焊接电弧(动负载) 因为: 熔滴过渡时,弧长频繁变化 短路过渡这种变化更突出 所以要求电源要有良好的动特性,适应I、U的瞬间变化。,电弧燃烧处于不稳定状态,(1)引弧 U=0 电弧熄灭 短路过渡 在焊条拉开的瞬间,电弧电压25V/0.05s(再引燃电压) 重新自行引燃 金属飞溅 (2)短路时,由于电磁惯性,产生 I短路冲击电流 烧穿工件 损害电机 一般要求:I短路冲击3I短 动特性好的电焊机: 容易引弧,电弧突然拉长一些电弧也不易熄灭,飞溅小,电弧“安静”“柔软”好 像富有“弹性” 动特性不好的电焊机: 打火时,易粘住,不易引弧,拉长熄灭,飞溅严重,感觉电弧很“硬”,很“暴躁”,小结: 适合焊接的电源(手工焊条电弧焊焊机)应具备 1.陡降的外特性(稳定的工作点B、电流波动小I小、短路电流不过大I短小) 2.适当的空载电压(直流5070V 90V,交流6080V 100V ) 3.连续可调的外特性 Imax(45)Imin 4.较好的动特性 U=0 25V/0.05s I冲3I短,三、 电焊机,弧焊变压器 我国三大类常用焊条电弧焊机 直流弧焊发电机 弧焊整流器 1、弧焊变压器(交流弧焊机) 引弧、稳弧 特殊的降压变压器 陡降的外特性 较大的漏感:内部加一较大的感抗,交流电焊机 : 构造简单,成本低,效率高,价格便宜,节省电能,维护方便 初级380V(220V) 是特制的降压变压器 降到 空载电压6080V 保证电弧稳定燃烧 其内部加一较大感抗 一定范围调节I大小 常见型号:BX1-300 BX3-300 BX6-330 动铁芯式 动绕组式 抽头式 B焊接变压器,即交流电焊机;X下降特性; 1,3,6焊机系列号 最后三位额定电流 300A 33A 500A 2、旋转式直流电焊机 由一个发电机和一个拖动它的电动机组成。 由交流网络供电,使电动机旋转,带动发电机电枢旋转发出直流电焊,交:结构简单,制造方便,成本低,噪音小 特点 直:结构复杂,制造复杂,成本高,噪音大 整流:结构简单,制造方便,成本低,噪音小(无旋转P) 交:电弧燃烧稳定性较差,适合于酸性焊条 直:电弧燃烧稳定性好,适合于碱性焊条,均可 整流:电弧燃烧稳定性较好,酸碱均可 常见型号 AX-300 AX 1-500 AX 3-300 额定电流 下降特性 A旋转式直流弧焊(发电机) 3、硅整流式直流电焊机 手弧焊整流器 将工频交流电 整流 直流电 特点:直流输出电流的波纹较大,电弧稳定较差,对网路电压的波动较敏感。,目前:已部分替代了旋转直流电焊机。 常见型号:ZXG-300 ZXG-500 表示整流器,硅整流 整流器焊机 4、逆变焊机(弧焊逆变器) 裂极式 AX-300 差复励式 AX1-500 AX7-500 换向极去磁式 AX4-300 变压器+整流器(桥式全波整流) 三类电焊机比较,5、电焊机主要技术参数 空载电压:5090 100V 工作电压:十几伏二十几伏 2030V 3050V 额定电流:300A 500A 1000A 电流调节范围:50300A 60500A 暂载率:65% 额定 (1)暂载率:在选定的工作时间周期内,允许焊机连续负载的时间。 焊机工作:发热,温升过高,烧毁焊机 机温不超高6080 温升 焊接电流大小 有关 I大,T上升 焊机使用状态 连续(I小),短续(I大) 焊接电源工作状态参数-暂载率。 暂载率=在选定的工作时间内负载的时间/在选定的工作时间的周期100% 标准规定:500A以下焊机选定工作时间为5分钟 例:焊接时间+换焊条,敲渣时间,暂载率越高,则允许焊接电流越小。 例:AX1-500 可手工焊 可埋弧焊 电焊机铭牌:AX1-500 额定暂载率65% 意:5min内 500A GB/T8118-1995额定负载持续率为20% 35% 60% 80% 100% 10min , 连续 t焊=3.25min 连续焊:暂载率100% I? 实际允许焊接电流=额定电流(额定暂载率/实际暂载率)1/2 I=500(60%/100%) =500 (0.65) =400A 实际手工:200300A 焊机铭牌上往往列出不同暂载率下的许用焊接电流,使用时不能超过其许用值。,t焊/5min100%=65%,(三)电焊机型号 电焊机型号(摘自GB10249-88),附其他大类 S超声波焊机 E电子束焊机 G光束焊机 Y冷压焊机 C摩擦焊机 Q钎焊机 P高频焊机 R螺柱焊机 J其他焊机 K控制器,额定暂载率与额定电流 暂载率(负载持续率)是用来表示焊接电源工作状态的参数,它是在选定的工作时间周期内,许焊机连续负载的时间。,焊机工作时会发热,温升过高焊机烧毁,一般机温不得超过6080。 焊接电流大、连续运转温升高。,标准规定,50

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