《焊接电工》第4版 课件7-2焊接电弧的结构及特性

§7-2焊接电弧的结构及特性§7-2焊接电弧的结构和特性一、焊接电弧的结构焊接电弧沿其长度方向分为三个区域，见图7-2所示。紧靠负电极的区域为阴极区，紧靠正电极的区域为阳极区，阴极区和阳极区之间的区域称为弧柱区。阳极区的长度约为10-3～10-4cm，阴极区的长度约为10-5～10-6cm，因此，电弧长度可近似认为等于弧柱长度。沿着电弧长度方向的电压分布是不均匀的，靠近电极部分产生较强烈的电压降，即阴极区和阳极区的压降较大，沿着弧柱长度方向的电压降可以认为是均匀分布的。这三个区的电压降分别称为阴极压降、阳极压降和弧柱压降，它们组成了总的电弧电压，可表示为§7-2焊接电弧的结构和特性图7-2电弧结构和压降分布示意图§7-2焊接电弧的结构和特性弧柱压降与弧柱长度成正比阳极压降（常数）阴极压降（常数）a—阴极压降与阳极压降之和（V）；b—单位长度弧柱压降（V/mm）；

—弧柱长度（mm）。§7-2焊接电弧的结构和特性二、焊接电弧的特性（一）焊接电弧的电特性焊接电弧的电特性即伏安特性，包括静态伏安特性（静特性）和动态伏安特性（动特性）。1．焊接电弧的静特性焊接电弧的特性电特性热特性力学特性§7-2焊接电弧的结构和特性在电极材料、气体介质和电弧弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧时电弧电压和焊接电流之间的关系称为静特性。其数学表达式为（1）焊接电弧的静特性曲线形状及其应用焊接电弧是非线性负载，即电弧两端的电压与通过电弧的电流之间不是成正比例关系。焊接电弧的静特性近似呈形曲线，见图7-3所示。形静特性曲线可看成由三个区段组成。在Ⅰ区段，电弧电压随着电流的增加而下降，称该段为下降特性段；在Ⅱ区段，电弧电压基本上不随电流的变化而变化，称§7-2焊接电弧的结构和特性图7-3焊接电弧的静特性曲线小电流钨极氩弧焊、微束等离子弧焊以及脉冲氩弧焊中的“维弧”状态，通常使用电弧静特性的下降段

对于细丝大电流CO2气体保护焊、等离子弧焊，则通常工作在电弧静特性的上升段

对于焊条电弧焊、粗丝CO2气体保护焊、埋弧焊，多工作在电弧静特性的水平段

§7-2焊接电弧的结构和特性该段为平特性段，或称恒压特性；在Ⅲ区段，电弧电压

随电流的增加而上升，称该段为上升特性段。（2）弧长对静特性曲线的影响当电弧电流不变时，弧长增加，电弧电阻增大，根据欧姆定律，电弧电压自然会增加。如图7-4所示。2．焊接电弧的动特性在焊接过程中，由于受到熔滴过渡等因素的影响，电弧电压和焊接电流时刻都在改变，即电弧永远处于动平衡状态。所谓电弧的动特性，是指在一定的弧长下，当电弧电流以很快的速度变化时，电弧电压和焊接电流瞬时值之间的关系§7-2焊接电弧的结构和特性图7-4弧长对电弧静特性的影响§7-2焊接电弧的结构和特性图7-5是电弧动特性示意图。（二）焊接电弧的热特性1．焊接电弧的产热特性在电弧焊中，通过电弧把电能转换成焊接所需要的热能和机械能。（1）弧柱的产热特性弧柱中的导电任务绝大部分由电子来承担，即弧柱中的热量主要由电子的动能转换而来。

—瞬时电流；

—瞬时电压。§7-2焊接电弧的结构和特性图7-5电弧动特性的说明示意图为什么§7-2焊接电弧的结构和特性（2）阴极区的产热特性阴极区和弧柱区相比，长度短，且直接靠近电极或工件，所以阴极区产生的热量对电极或工件的影响更直接。所产生的热量主要用于对阴极的加热和阴极区的散热损失。（3）阳极区的产热特性阳极区的热量主要是当自由电子撞入阳极时，由自由电子动能和位能转化而来。2．焊接电弧的热效率及能量密度电弧焊的热能由电能转换而来，因此电弧的热功率可用下式表示§7-2焊接电弧的结构和特性电弧产生的热能并不能全部有效地用于焊接，其中一部分因对流、辐射及传导等损失，用于加热、熔化填充材料及工件的电弧热功率称为有效热功率，表示为★当其它条件不变时，电弧电压升高，弧长增加，通过对流、辐射等损失的弧柱热量增加，热效率随着电弧电压的升高而降低。单位面积上的有效功率称为能量密度。能量密度在电弧轴线处最大，从中心到周围逐渐降低。

——热效率。为有效热功率系数，即表7-1为常用焊接方法的热效率系数有效热功率§7-2焊接电弧的结构和特性3．电弧的温度分布焊接电弧中三个区域的温度分布是不均匀的，一般情况下，阳极斑点温度高于阴极斑点温度，分别占放出热量的43%和36%左右，但都低于该种电极材料的沸点。弧柱区的温度最高，但沿其截面分布不均，其中心温度最高，可达5000K～8000K。

（三）焊接电弧的力学特性电弧在电弧焊中的作用之一是把电能转换为机械能，机械能在电弧焊中以电弧力的形式表现出来。电弧力包括电磁收缩力、等离子流力、斑点压力、熔滴冲击力及短路爆破力等。§7-2焊接电弧的结构和特性1．电弧力的类型及作用（1）电磁收缩力当电流通过两根相近的平行导线时，若电流方向相同则产生相互吸引力，电流方向相反则产生排斥力。这种由电磁场产生的力称为电磁力，其大小与导线中流过的电流大小成正比，与两导线间的距离成反比。若把电弧中的电流看成是由许多靠近的平行同向电流线组成时，则它们之间将产生相互吸引力。因电弧是柔性导体，它的截面是可变的，截面将产生收缩。这种现象称为电磁收缩效应，产生此效应的力称为电磁收缩力。§7-2焊接电弧的结构和特性（2）等离子流力锥形电弧在电磁收缩力的作用下，高温气体不断的由电极流向工件，电弧周围的气体不断地从电极旁进行补充，补充进的气体被加热电离并连续流向工件，对熔池形成动压力，即等离子流力。（3）斑点力电弧焊时，电极斑点受到带电粒子的撞击或金属蒸发的反作用而对斑点产生压力，称为斑点力。★不论是阴极斑点力还是阳极斑点力，其方向总是与熔滴过渡方向相反，阻碍熔滴过渡。一般阴极斑点力比阳极斑点力大。（4）熔滴冲击力当采用较大电流进行熔化极氩弧焊时，熔滴呈射流过渡，在等离子流力的作用下，熔滴以极大的加速度连续沿轴向射向熔池，使焊缝极易形成指状熔深。§7-2焊接电弧的结构和特性（5）短路爆破力电弧从燃烧状态过渡到短路状态，电弧电流迅速上升，熔滴温度急剧升高，使液柱汽化爆断，产生较大的冲击力，导致飞溅产生。2．影响电弧力的因素（1）气体介质不同种类的气体介质，其热物理性能不同，对电弧产生的影响也不同。导热性强的气体或多原子气体消耗的热量多，对电弧有冷却作用，会引起电弧的收缩，导致电弧力的增加。气体流量或电弧空间气体压力增加，也会引起弧柱收缩导致电弧力增加，同时使斑点力增大。（2）电流和电弧电压电流越大，电磁收缩力和等离子流力都将增大，所以电弧力也增大。电流一定，电弧长度增加引起电弧电压升高，则电弧力降低。§7-2焊接电弧的结构和特性（3）焊丝直径焊接电流一定时，焊丝越细，电流密度越大，造成电弧锥形越明显，电磁力和等离子流力越大，电弧力也增大。（4）电极极性通常阴极导电区的收缩程度比阳极区大，因此，直流正接时，可形成锥度较大的电弧，产生较大的电弧力。熔化极气体保护焊采用直流正接时，熔滴受到较大的斑点力，过渡时受阻，电弧力较小；反之，直流反接时，电弧力较大。§7-2