焊接电弧及其电特性

第1章焊接电弧及其电特性,1.1焊接电弧的物理本质及其引燃,研究意义：弧焊电源是电弧能量的供应者，其电特性影响到电弧燃烧的稳定性，从而直接影响到焊缝的质量。,焊接电弧：在电极与工件之间的气体中，产生持久、强烈的自持放电现象。特性：电压低、电流大、温度高、发光强。,要使两电极之间的气体导电必须具备两个条件：(1)两电极之间有带电粒子(2)两电极之间有电场,非自持放电：气体导电所需要的带电粒子不能通过导电过程本身产生，而需要外加措施来产生带电粒子（加热、施加一定能量的光子等等）。自持放电：当电流大于一定值时，一旦放电开始，气体导电过程本身就可以产生维持导电所需要的带电粒子。,电弧是低压、大电流、产生高温、强光的一种自持气体放电现象,1.1.1气体原子的激发、电离和电子发射,1气体原子的激发,气体原子得到外加能量电子从低能级跃迁到高能级，这时原子处于“激发”状态电子完全脱离原子核的束缚形成自由电子的过程称为“电离”,激发,电离,由原子形成正离子所需要的能量称为电离能,2气体原子的电离,（1）撞击电离：在电场中，被加速的带电质点（电子、离子）和中性质点（原子）碰撞后发生的电离。（2）热电离：在高温下，具有高动能的气体原子（或分子）互相碰撞而引起的电离。（3）光电离：气体原子（或分子）吸收了光射线的光子能而产生的电离。,常见气体及元素的电离能EL(eV),气体离子与电子的复合中性原子,气体原子与电子的结合负离子,各种元素与电子形成负离子的倾向决定于电子的亲和能Eq。Eq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El、逸出功Wy、亲和能Eq(ev),卤族元素（F、Cl、Br、I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。碱性焊条药皮中含有大量CaF2，因此电弧的稳定性较差。,惰性体（Ar、He)与电子的亲和能最小，所以不可能形成负离子；金属元素介于两者之间。,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，接受外界的能量而释放出自由电子的现象称为“电子发射”。,固态物质表面电子发射所需的能量称为“逸出功WY”。逸出功一般只为电离能的一半。,3.电子发射,阴极表面的分子或原子接受外界的能量而释放出自由电子的现象称为电子发射,电子发射所需要的能量成为逸出功Wy。,（1）热发射固态或者液态物质表面受热后其中的某些电子具有大于逸出功的动能而逸出到表面以外的空间中去。,（2）光电发射固态或者液态物质表面接受光射线的能量而释放出自由电子的现象。,（3）重粒子撞击发射能量大的重粒子撞击到阴极上，引起电子的逸出。,（4）自发射固态或者液态物质表面存在强电场，使阴极有较多的电子发射出来，又称为场强发射。,复合电极材料的逸出功,1.焊接电弧是气体放电的一种形式2.能量来源：焊接电源提供了空载以及焊接电压、电流，形成和维持了电弧所需要的电场、产生了大量的光和热，以及带电粒子的运动，包括热运动和电场定向运动的动能。3.作用结果：引起电极表面电子发射，导致气体原子的激发、电离，从而维持了电弧的气体放电。4.复合过程：同时存在正离子和电子复合成中性原子，以及原子、分子吸附电子复合成负离子的过程。,总结：,1.1.2焊接电弧的引燃,1.1.2.1接触引弧接触点面积小，电流密度大，发热，熔化，汽化，引起热发射以及热电离，拉开时发生强场发射，带电质点被加速，碰撞，引起撞击电离，并进一步引起光电离和热电离从而维持电弧的稳定燃烧。,应用场合：焊条电弧焊熔化极气体保护焊,1.1.2.2非接触引弧用高电压击穿间隙使电弧引燃。引弧器有两种，高频高压引弧和高压脉冲引弧。前者是在工频电源的半波时间内振荡一小段时间，频率为150-250kHz,电压峰值2000-3000V,后者每半波产生一个3000-5000V的高压脉冲。,应用场合:钨极氩弧焊和等离子弧焊。,三个区域：阳极区阴极区弧柱区,阴极区：长度极短10-510-6cm、电压较大、E电场强度极高阳极区：长度也极短10-210-4cm、电压较大、E极高弧柱区：长度基本上等于电弧长度，E较小,1.2.1焊接电弧的结构以及压降分布,1.2焊接电弧的结构以及伏安特性,U=Ui+Uy+Uz,Ui、Uy基本不变，Uz与弧长成正比。,1.2.2焊接电弧的电特性1.2.2.1焊接电弧的静特性,在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧时，焊接电流和电弧电压变化的关系，又称伏安特性。,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。,下降段:负阻特性区,电流弧柱截面积更快电流密度jZ；电弧温度电离度Z电弧电压，呈现下降特性。平直段:平特性区,电流If和Sf成比例电流密度Jz不变，电导率Z不变，电弧电压不变，呈现平特性。,上升段:电流电弧面积不变从而电流密度而电离度已达饱和电导率Z基本不变从而电弧电压呈现上升特性。,弧柱区电压,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,埋弧焊,药皮焊条电弧焊,影响电弧静特性的因素：电弧长度,周围气体种类,焊接电弧静特性的应用对于不同的焊接方法，电弧静特性曲线有所不同。静特性下降段电弧燃烧不稳定而很少采用。焊条电弧焊、埋弧焊多半工作在静特性水平段。熔化极气体保护焊、微束等离子弧焊、等离子弧焊也多半工作在水平段，当焊接电流很大时才工作在上升段。熔化极气体保护焊和水下焊接基本上工作在上升段。,小电流钨极氩弧焊,CO2气体保护焊,氩弧焊,埋弧焊,1.2.2.2焊接电弧的动特性,焊接电弧的动特性，是指在一定弧长下，当电弧电流很快变化时，电弧电压和电流之间的关系：Uf=f(if)。由于热惯性对电离度的影响，焊接电弧的动特性曲线不同于静特性曲线。电流变化速度愈小，静、动特性曲线就愈接近。,电流增大，温度滞后上升，弧柱导电性差，压降高于稳态,静特性曲线,电流减少，温度滞后下降，弧柱导电性好，压降低于稳态。,1.3交流电弧,1.3.1交流电弧的特点,1、电弧周期性地引燃和熄灭,2、电弧电压和电流发生畸变,3、热惯性作用较为明显,1、纯电阻电路,1.3.2交流电弧连续燃烧的条件,分析：电源电压和电流同相位，电流过零后到下一周波电压等于再引燃电压之间，有一段间隔时间，造成熄弧，不能满足电弧稳定燃烧的要求。,平衡方程,2、电感性电路,分析：要使交流电弧稳定燃烧，应保证焊接回路中有足够大的电感，从而使得电流滞后于电压一个相位角，电流改变极性时另一半波的电压已经大于电弧再引燃电压，电弧立即反向恢复燃烧。,上面原理图中忽略R电压平衡方程,(1-4),求解(1-4)式,代入初始条件:t=0时,if=0,(1-5),电弧稳定燃烧条件一:,电弧稳定燃烧条件二:,(1-6),(1-7),(1-6)式和(1-7)式联立:,为了保证电弧连续燃烧，电源空载电压（为交流有效值）U0、电弧电压Uf及引燃电压Uyh之间必须保持一定的关系。,Uyh/Uf,Uo/Uf,不连续燃烧,连续燃烧,1空载电压愈高，电弧就愈稳定。,1.3.3影响交流电弧稳定燃烧的因素和提高电弧稳定性的措施,1.3.3.1影响交流电弧稳定燃烧的因素,2引燃电压愈高，电弧愈不稳定，引燃愈困难。,3电路参数增大L或减小R可使电弧趋向稳定地连续燃烧。,6电极的热物理性能和尺寸具有较大的热容量和热导率，较大的尺寸和低熔点散热较快，电弧稳定性下降,4电弧电流电弧电流愈大，电弧的稳定性愈高。,5电源频率f提高有利于提高电弧的稳定性。,1提高弧焊电源频率2提高电源的空载电压3改善电弧电流的波形-矩形波4叠加高压电,1.3.3.2提高交流电弧稳定性的措施,1.3.4交流电弧的功率和功率因数,1.3.4.1交流电弧的功率PfPf是交流电弧在半个周期内的平均功率（或有效功率）,简化后得近似值为：,结论：为保持电弧的稳定燃烧和电弧功率的稳定，K值最好取在0.40.637之间，即要求2.5(Uo/Uf)1.57,交流电弧的功率因数f是指交流电弧的有效功率Pf与电弧电压和电弧电流有效值乘积之比值。即：fPf/(Uf.If)在焊接中，f0.890.90，总是小于1的。,1.3.4.2交流电弧的功率因数,按电流种类按电弧状态按电极材料,交流电弧直流电弧脉冲电弧,自由电弧压缩电弧,熔化极非熔化极（钨极）,1.4焊接电弧的分类及其特点,1.4.1自由电弧自由电弧可分为不熔化极电弧和熔化极电弧两种。,1.4.1.1不熔化极焊接电弧电极本身在焊接过程中不熔化，没有金属熔滴过渡，通常采用惰性气体保护。,1.4.1.2熔化极焊接电弧在焊接电弧燃烧过程中，电极不断熔化并过渡到焊接工件上去。根据电弧是否可见又分为明弧和埋弧两类。,1.4.2压缩电弧把自由电弧的弧柱强迫压缩，即得到一种比一般电弧温度更高、能量更集中的热源，即压缩电弧。等离子弧即为以一种典型的压缩电弧。,等离子弧又分为以下三种形式：1、转移型等离子弧电极接负极，工件接正极，等离子弧产生于电极和工件之间。2、非转移型等离子弧电极接负极，喷嘴接正极，等离子弧产生于电极与喷嘴之间。3、混合型等离子弧,1、转移型等离子弧(a)电极接负极，工件接正极，等离子弧产生于电极和工件之间。2、非转移型等离子弧(b)电极接负极，喷嘴接正极，等离子弧产生于电极与喷嘴之间。3、混合型等离子弧(c),1.4.3脉冲电弧电流为脉冲波形的电弧称为脉冲电弧。可分为直流和交流。它与一般电弧区别在于，电弧电流从基本的维弧电流幅值周期的增大到脉冲电流幅值。可看成由维持电弧和脉冲电弧两种电弧组成。维持电弧用于维持电弧的连续燃烧；脉冲电弧用于加热工件和焊丝，并使熔滴从焊丝脱落和向工件过渡。,脉冲电流的参数,脉冲电流主要决定熔池形状（尤其熔深大小）和熔滴过渡形式。基值电流主要作用是维持电弧的燃烧，同时对焊缝的热输入、焊丝的预热有影响。脉冲持续时间主要影响焊缝热输入和熔池形状（大小）。基值持续时间对焊缝的热输入、焊丝的预热有影响，同时影响焊接效率（焊接速度）。（5）占空比：脉冲周期中脉冲时间所占的百分比,脉冲电弧的电流波形有多种形式，如矩形波脉冲、梯形波脉冲、正弦波脉冲和三角形波脉冲等,本章结束,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