第一章 焊接电弧及其特性.ppt

1、1,第一章 焊接电弧及其电特性,2,第一章 焊接电弧及其特性,第一节 焊接电弧的物理本质和引燃 第二节 焊接电弧的结构和伏安特性 第三节 交流电弧 第四节 焊接电弧的分类及其特点,第一章 焊接电弧及其电特性,3,第一节 焊接电弧的物理本质和引燃,电弧是一段导体,导体？,电弧是一种气体放电现象,气体放电？,电弧为什么能够导电？,电弧如何引燃？,第一章 焊接电弧及其电特性,4,气体原子的激发、电离和阴极电子发射,气体原子的 激发与电离,阴极电子发射,引燃电弧并维持电弧燃烧的能量来源主要是两电极间的电场及由其产生的热、光和动能。,维持电弧稳定燃烧的条件是： 1. 气体原子不断的被激发和电离； 2.

2、阴极不断地发射电子。,第一章 焊接电弧及其电特性,5,气体原子的激发与电离,激发： 气体原子得到外加能量，电子从一个较低的能级跳到另一个较高能级的现象叫“激发”。使原子跃迁至激发状态所需的能量叫“激发能”。,电离 使气体元素中的电子完全脱离原子核的束缚形成离子和自由电子的过程称为“电离”。由原子形成正离子所需的能量称为“电离能El ” 。,第一章 焊接电弧及其电特性,6,气体原子 的 电离形式,撞击电离,热电离,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。,第一章 焊接电弧及其电特性,7,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

3、的倾向决定于它于电子的亲和能 Eq 。 Eq 越大，形成负离子的倾向越大。,第一章 焊接电弧及其电特性,8,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。,惰性气体（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。,第一章 焊接电弧及其电特性,9,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

4、的能量称为 “逸出功WY ” 。逸出功一般只为电离能的 一半 。,第一章 焊接电弧及其电特性,10,热发射 光电发射 重粒子撞击发射 强电场作用下的自发射 实际焊接过程中的阴极电子发射是若干种发射形式的组合。,电子发射种类,第一章 焊接电弧及其电特性,11,二. 焊接电弧的引燃,接触引弧： 是在电源接通后，电极（焊条或焊丝）与工件直接短路接触，随后拉开，在拉开瞬间（小间隙）的强电场作用下引燃电弧。 接触引弧是熔化极焊接时的基本引弧方式。,非接触引弧： 在电极与工件间存在一定间隙，由焊接电源施以高压击穿间隙，使电弧引燃。 非接触引弧是非熔化极（钨极）焊接时的基本引弧方式。,第一章 焊接电弧及其电

5、特性,12,图1-3 高频和脉冲引弧示意图,第一章 焊接电弧及其电特性,13,图1-1 引弧过程的电压、电流变化 U0 空载电压 Uf 电弧电压 if 电弧电流,t,t,i,u,a) 接触引弧,b） 非接触引弧,第一章 焊接电弧及其电特性,14,第二节 焊接电弧的结构和静特性,结构？ 电弧分区及各区域特点 静特性（伏安特性）？ 电弧电压与电流间的关系,第一章 焊接电弧及其电特性,15,一. 焊接电弧的结构及压降分布,阴极区 弧柱区 阳极区,U = Ui + Uy + Uz,Ui 、Uy 基本不变， Uz与弧长成正比。,第一章 焊接电弧及其电特性,16,二. 焊接电弧的电特性,焊接电弧的静特性：

6、 一定长度的电弧在稳定状态下，电弧电压 Uf 与焊接电流 If 之间的关系。 焊接电弧的动特性： 在一定的弧长下，当电弧电流很快变化的时候，电弧电压 uf 和电流瞬时值 if 之间的关系。,第一章 焊接电弧及其电特性,17,第三节 交流电弧（正弦波交流）,一. 交流电弧的特点 二. 交流电弧稳定燃烧的条件 三. 影响交流电弧稳定的因素及稳弧措施 四. 交流电弧的功率和功率因数,第一章 焊接电弧及其电特性,18,一. 交流电弧的特点,电弧周期性地熄灭和引燃 电流过零 电弧熄灭 电弧空间温度下降 带电质点中和 导电能力下降 当U0 Uyh 时，电弧再次引燃。 电流过零时间越长，电弧再引燃越困难。,

7、电弧电压和电流波形发生畸变 由于电弧电阻随弧柱温度发生交变，因此电弧电压及焊接电流都不再按正弦规律变化。,电弧温度交变，热惯性作用较为明显,第一章 焊接电弧及其电特性,19,二. 交流电弧连续燃烧的条件,在焊接主回路加入电感，使焊接电流的变化滞后于电源电压一个相位角 。在电流过零时，若电源电压 u 达到电弧的再引燃电压Uyh ，就可以保持电弧连续燃烧。 维持交流电弧连续燃烧条件的数学表达式为：,第一章 焊接电弧及其电特性,20,三. 影响交流电弧稳定的因素及稳弧措施,引弧电压 Uyh,电路参数（ L 与 R ）;,电极的热物理性能（ c、a、Tm ) 和尺寸,空载电压U0,电源频率 f,采用交

8、流方波电源,第一章 焊接电弧及其电特性,21,四. 交流电弧的功率和功率因数,交流电弧的功率 Pf Pf 是交流电弧在半个周期内的平均功率（或有效功率）,交流电弧的功率因数 f,简化后得近似值为：,当正弦波交流电流与电压同相位时， f 1 一般焊接中为 0.85 左右。,第一章 焊接电弧及其电特性,22,第四节 焊接电弧的分类及其特点,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）,第一章 焊接电弧及其电特性,23,撞击电离 气体原子相互撞击或被其他质点撞击后吸收撞击机械能后所产生的电离。,

9、第一章 焊接电弧及其电特性,24,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。,第一章 焊接电弧及其电特性,25,物质的固体或液体表面受热后电子动能增大，其中某些电子动能大于逸出功时将逸出到表面外的空间中去的现象称为“热发射”。 钨极氩弧焊过程中“热发射”作用明显。,第一章 焊接电弧及其电特性,26,物质的固体或液体表面接受光射线的能量而释放出自由电子的现象称为“光电发射”。,第一章 焊接电弧及其电特性,27,能量大的重粒子（如重离子）撞击到阴极上，引起电子的逸出称为“重粒子撞击发射”。,第一章 焊接电弧及其电特性,28,受强电场作用，阴极表面形成较大的电位差所导致的

10、电子发射称为“强电场作用下的自发射”。 高频或高压非接触式引弧时，自发射作用明显。,第一章 焊接电弧及其电特性,29,接触引弧,非接触引弧,第一章 焊接电弧及其电特性,30,下降特性段,平特性段,上升特性段,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。,第一章 焊接电弧及其电特性,31,U,U,f,U,i,U,y,图1-6 电弧各区域的压降与电流的关系图,Uf,（阳极区压降）,（阴极区压降）,（弧柱区压降）,（电弧总压降）,第一章 焊接电弧及其电特性,32,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,第一章 焊接电弧

11、及其电特性,33,第一章 焊接电弧及其电特性,34,第一章 焊接电弧及其电特性,35,不连续燃烧 连续燃烧 埋弧焊电弧电压和电流波形图,第一章 焊接电弧及其电特性,36,第一章 焊接电弧及其电特性,37,第一章 焊接电弧及其电特性,38,脉冲电流与熔滴过渡,第一章 焊接电弧及其电特性,39,等离子压缩电弧,第一章 焊接电弧及其电特性,40,本 章 结 束,第一章 焊接电弧及其电特性,41,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，分别在什么情况下应用？ 4焊接电弧在物理结构上可分为哪几个区，各区域有何特点？,第一章 焊接电弧及其电特性,42,5何谓电弧的静特性、动特性，如何解释电弧