第一讲 电弧的基本特性

1、焊接电弧不是一般的燃烧现象，而是在一定条件下电荷通过两极间气体空间的导电过程(图7-1 )，也可以说是气体放电现象。 焊接电弧是电弧焊的热源，电弧焊电源是为焊接电弧提供能量的设备。 一、焊接电弧的种类根据焊接电流的种类分为交流电弧、直流电弧、脉冲电弧。，图7-1的焊接电弧的导电性的图像，第一根据电弧的基本特性，电弧的状态，可以分为自由电弧(焊接电弧等)，压缩电弧(等离子电弧等)。 根据电极材料，可以分为熔化极电弧(CO2气体保护电弧焊接电弧等)、非熔化极电弧(钨极电弧焊接电弧等)。 二、焊接电弧的产生一般来说，气体不含有带电粒子(电子、正离子、负离子)，由中性的分子和原子构成。 为了导电气体产

2、生的电弧，必须使气体分子和原子电离成带电粒子，同时，为了“燃烧”电弧，为了补偿气体电离时消耗的电力，电弧的阴极必须不断地发射电子。 如上所述，气体电离和阴极发射电子是产生电弧的必要条件。 1气体电离、第一次电弧的基本特性是，通过能量的施加中性气体分子和原子分离为正离子和电子的现象被称为气体电离。 气体分子和原子分离一个外层电子所需的最小能量称为电离能和电离能，用电子螺栓(eV )测定时也称为电离电势和电离电位，用来表示。 气体电离势的大小与原子内部结构有关。 电离电位大表示气体难以离子化、难以导电，相反，表示气体容易离子化.的特性。 在焊接电弧中，根据引起电离的能量源，电离有以下三种形式： (

3、1)在碰撞电离电场下，被加速的带电粒子与原子或分子碰撞电离。 (2)热电分离在高温下，具有高动能的气体原子(或分子)在不规则的相互碰撞中产生电离。 (3)光电分离气体原子(或分子)吸收光照射的能量而产生的电离。 第一，电弧的基本特性，2阴极电子发射阴极表面施加能量连续向外部发射电子的现象称为阴极电子发射。 为了从金属电极表面发生电子发射，需要向电子提供一定的能量。 电子从阴极表面逃跑所需要的能量叫做工作。 由于其能量源，阴极电子发射，(1)热电子发射阴极表面受到热后，其中具有比逃避功能的动能还大的动能逃跑到表面外的空间的现象可以称为热电子发射。 热电子发射在焊接电弧中起着重要的作用，随着温度上

4、升而增强。 (2)由电场电子发射这一电场产生的电子发射称为电场电子发射。 电场越强，场致电子发射能力越强。 (3)光电子发射阴极表面接受光能发射自由电子的现象称为光电子发射。 (4)碰撞电子发射运动速度高、能量大的重粒子(正离子等)碰撞阴极表面，把能量传递到阴极产生的电子发射称为碰撞电子发射。、第一次电弧的基本特性，阴极使用的材料不同，其电子发射形式也不同，有的以热电子发射为主，有的以电场电话发射为主，光电子发射和碰撞电子发射在焊接电弧中占次要地位。 在将铜、铝等熔点低的材料作为阴极(称为冷阴极)进行焊接的情况下，由于材料自身的熔点的制约，阴极表面不能成为高温时，热电子发射弱，主要依赖于场电子

5、发射的钨、碳等熔点高的材料作为阴极(热阴极)的情况下，表面温度高的温度(40005000K )。如上所述，焊接电弧的形成和维持是气体原子和分子通过热、光、电场和粒子动能不断电离，发射出阴极电子的结果。 3 .焊接电弧的点火，第一，阐述了电弧的基本特性，把两电极间气体的电离和阴极电子发射引起的电弧燃烧的过程称为焊接电弧的点火。 焊接电弧的点火，一般有以下两种方式： (1)接触电弧焊接电源接通后，电极(焊接棒或焊丝)与工件直接短路接触，然后马上提升电极(约24mm )来对电弧进行点火，这种电弧牵引方式称为接触电弧。 (2)非接触电弧非接触电弧是指在电弧时，在电极与工件之间保持一定的间隙，然后在电极

6、与工件之间施加高电压破坏间隙来使电弧点火。 这是通过高电压在电极表面产生电场来点燃电弧的方法。 第一次电弧的基本特性如图7-2所示，三、焊接电弧的结构焊接电弧沿其长度方向分为三个区域。 靠近负极的区域称为阴极区域，靠近正极的区域称为阳极区域，阴极区域和阳极区域之间的区域称为弧柱区域。 阳极区域的长度约为10-310-4cm，阴极区域的长度约为10-510-6cm，因此，电弧长度被认为与弧柱长度大致相等。 可以认为，沿着电弧长度方向的电压分布不均匀，在靠近电极的部分发生了强电压降，即阴极部和阳极部的电压降大，沿着电弧柱的长度方向的电压降均匀分布。 这三个区域的电压降分别称为阴极电压降、阳极电压降

7、和弧柱电压降，它们构成总电弧电压，弧柱电压降与弧柱的长度成比例，阳极电压降(常数)、阴极电压降(常数)、第一次电弧的基本特性、四、焊接电弧的特性(一) 焊接电弧的电特性包括作为焊接电弧的电特性的伏安特性、静态伏安特性(静态特性)和动态伏安特性(动态特性)。 1焊接电弧的静特性，a阴极电压降和阳极电压降之和(v) b单位长度的弧柱电压降(V/mm )弧柱长度(mm )。 第一次电弧的基本特性是，电极材料、气体介质和电弧弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧时的电弧电压与焊接电流之间的关系称为静特性。 其数学式(1)焊接电弧的静特性曲线形状及其应用焊接电弧为非线性负载，即电弧两端的电压与通过电弧的电流之间

8、没有正比关系。 焊接电弧的静态特性近似地描绘了曲线，如图7-3所示。 形状静态特性曲线可以看作由三个段组成。 在段中，电弧电压随着电流的增加而下降，在将该段称为降低特性段的段中，电弧电压几乎不依赖于电流的变化，在将该段称为平均特性段，或者在将恒定电压特性的段中，电弧电压随着电流的增加而上升(2)如果电弧长对静特性曲线的影响电弧电流不变化，电弧长增加，电弧电阻增大，根据欧姆定律，电弧电压自然增加。 如图7-4所示。第一次电弧的基本特性、第二次电弧的动态特性受到焊接中、熔滴过渡等的影响，电弧电压和焊接电流的时刻变化，即电弧总是处于动平衡状态。 所谓电弧的动态特性，是表示在一定的电弧长度下电弧电流以

9、较快的速度变化时的电弧电压与焊接电流瞬时值的关系的图7-5是电弧动态特性图。 (2)焊接电弧的热特性1焊接电弧的发热特性在电弧焊接中，通过电弧将电能转换成焊接所需的热能和机械能。 (1)弧柱的发热特性弧柱中的导电任务大部分由电子负担，弧柱中的热主要由电子的动能转换。、瞬时电流瞬时电压。 第一次电弧的基本特性是，(2)阴极部的发热特性阴极部与电弧柱部相比长度短，直接接近电极和工件，因此在阴极部产生的热对电极和工件的影响更直接。 产生的热主要用于阴极加热和阴极区域的散热损失。(3)阳极区发热特性阳极区的热主要是在自由电子撞击阳极时，自由电子的动能与能量转化。 2由于焊接电弧的热效率和能量密度电弧焊

10、接的热能是从电能转换而来的，电弧的热功率用以下公式表示，电弧产生的热能不能全部有效地用于焊接。 其中一部分是对流、辐射和传导等损失，将填充材料和工件加热、熔化的电弧热电力称为有效热电力，表示热效率。 有效热功率系数，即表7-1是常用焊接方法的热效率系数、有效热功率、第一电弧的基本特性，在其他条件不变的情况下，电弧电压变高，电弧长增加，因对流、辐射等损失的电弧柱热增加，热效率随着电弧电压变高而下降。 单位面积的有效功率叫做能量密度。 能量密度在电弧轴线上最大，从中心向周围逐渐下降。 3电弧的温度分布焊接电弧中三个区域的温度分布不均匀，一般来说，阳极点温度比阴极点温度高，分别占发热量的43%和36

11、%左右，都比这种电极材料的沸点低。 弧柱区的温度最高，但沿其截面分布不均匀，其中心温度最高，可达到5000K8000K。 (3)焊接电弧力学特性在电弧焊中的作用之一是把电能转换成机械能，机械能在电弧焊中作为电弧力表现出来。 电弧力有电磁收缩力、等离子体流力、斑点压力、熔滴冲击力、短路爆破力等。第一，电弧的基本特性，1电弧力的类型和作用(1)电磁收缩力电流通过2根接近的平行导线时，如果电流方向相同，则相互产生吸引力，电流方向相反，则产生排斥力。 电磁场产生的力称为电磁力，其大小与导线中流动的电流的大小成正比，与两导线之间的距离成反比。 如果考虑电弧中的电流由很多接近的平行的同向电流线构成的话，它

12、们之间就会相互吸引。 因为电弧是柔性导体，所以其截面可变，截面收缩。 该现象称为电磁收缩效果，产生该效果的力称为电磁收缩力。 (2)等离子体流力锥形电弧在电磁收缩力的作用下，高温气体不断从电极流向工件，电弧周围的气体不断从电极旁边补充，补充的气体被加热离子化后流向工件，在熔池中形成动压，即等离子体流力。 (3)斑点力电弧焊时，电极的斑点受到带电粒子的碰撞和金属蒸发的反作用，在斑点上产生压力，称为斑点力。 第一次电弧的基本特性是，无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。 一般来说，阴极光斑力比阳极光斑力大。 (4)在熔滴冲击力以大电流进行熔极电弧焊接的情况下，

13、熔滴转移到喷流，在等离子流力的作用下，熔滴以极大的加速度连续地沿轴向朝向熔池，焊接容易成为指状熔融深度。 (5)短路爆破力电弧从燃烧状态转移到短路状态，电弧电流急速上升，熔滴温度急剧上升，液柱气化破裂，产生大的冲击力，产生飞溅。 2影响电弧力的因素(1)气体介质种类不同的气体介质，热物性不同，对电弧的影响也不同。 导热性强的气体和多原子气体消耗的热量多，电弧有冷却作用，引起电弧的收缩，导致电弧力的增加。 气体流量和电弧空间的气体压力增加时，电弧柱收缩，电弧力增加，同时斑点力增大。 第一，对电弧的基本特性进行说明，(2)电流和电弧电压电流越大，电磁收缩力和等离子体流力越大，因此电弧力也变大。 电

14、流一定，电弧长增加电弧电压上升时，电弧力下降。 (3)焊丝直径焊接电流一定的情况下，焊丝越细电流密度越大，电弧锥越明显，电磁力和等离子体流量越大，电弧力也越大。(4)电极的极性通常阴极导电部的收缩程度比阳极部大，因此直流正立时，形成锥形大的电弧，能够产生大的电弧力。 熔极气体保护焊接采用直流正切时，熔滴受到很大的斑点力，迁移时被阻断，电弧力较小，相反，直流相反时，电弧力变大。 第一次电弧的基本特性、图7-2电弧结构和电压降分布的示意图、第一次电弧的基本特性、图7-3焊接电弧的静特性曲线、小电流钨极电弧焊接、微波等离子电弧焊接及脉冲电弧焊接中的“维电弧”状态通常是电弧静特性的下降级灯丝大电流CO

15、2气体保护焊接、等离子电弧焊接，通常在电弧静特性的上升段工作，关于焊条电弧焊接、粗焊丝CO2气体保护焊接、埋弧焊，在电弧静特性的水平段多工作，第一次电弧的基本特性，图7-4电弧长成为电弧静特性图7-5电弧动态特性的说明图、第一次电弧的基本特性、实动特性曲线成因分析、第一次电弧的基本特性、表7-1常用焊接方法的热效率系数、第一次电弧的基本特性、以交流电流的形式向焊接电弧供电的电源称为交流电弧焊接电源，产生的焊接电弧五、交流电弧的特征交流电弧一般每秒的电弧电流有100次过零，每秒的电弧熄灭和再点火有100次。 交流电弧具有以下特征： (1)电弧周期性熄灭，引导交流电弧超过零点而改变极性时熄灭，电弧

16、空间的温度降低，此时电弧中的各向异性带电粒子复合，电弧空间的导电能力降低。 如果电源电压不上升到超过再点火电压，电弧就不会再点火。 (2)因为电弧电压和电流的波形变形，电弧电压和电流交替，所以电弧空间和电极表面的温度也随时变化。 因此，电弧电阻不是根据常数，而是根据电弧电流的变化而变化。 如果电源电压以正弦曲线变化，电弧电压和电流就不会以正弦规则变化，而是失真。、某时刻的瞬时电流，必须使电弧空间产生热电分离的效果延迟一定时间来表现。 六、交流电弧连续燃烧条件交流电弧燃烧时，如果有消弧时间，消弧时间越长，电弧越不稳定。 为了保证焊接质量，消弧时间必须为零。 也就是说，电弧每次消弧后，迅速自己再次

17、燃烧，使交流电弧连续燃烧。 纯电阻性电路、即焊接电路的电阻值远远大于电感值，通过理论分析，可知其总是存在一定的消弧时间，对交流电弧的稳定燃烧不利，在这种电感性电路中，根据电压和电流的波形图(图7-6 )，如果电路中的电感值足够大， 使焊接电流延迟电源电压的一定相位角，使电源电压值达到电弧电压，保证交流电弧连续且稳定地燃烧。第一批电弧的基本特性必须保证焊接电路有足够的电感，以使交流电弧稳定燃烧。 由此，电流改变极性时电弧迅速自我恢复，保证交流电弧的稳定性，提高焊接质量。 七、影响交流电弧燃烧的因素和提高电弧稳定性的措施1影响交流电弧燃烧的因素(1)无负载电压越高，相同电弧电压下的消弧时间越短，电弧越稳定。 在一般条件下，(2)再先导电压对电弧的稳定燃烧有很大影响。 值越大，电弧点火越困难，电弧变得不稳定。 (3)电路参数主电路的电感、电阻对电弧连续燃烧也有很大的影响。 可以增大