第1章_焊接電弧及其電特性

1、 第第1章章 焊接電弧及其電特性焊接電弧及其電特性內(nèi)容提要內(nèi)容提要1.1 焊接電弧的物理本質(zhì)和引燃焊接電弧的物理本質(zhì)和引燃1.2 焊接電弧的結(jié)構(gòu)和伏安特性焊接電弧的結(jié)構(gòu)和伏安特性1.3 交流電弧交流電弧1.4 焊接電弧的分類及其特點(diǎn)焊接電弧的分類及其特點(diǎn)內(nèi)容提要內(nèi)容提要 l本章論述焊接電弧的物理本質(zhì)、形成、結(jié)構(gòu)和伏安特性，著重研究焊接電弧的電特性及交流電弧燃燒的特點(diǎn) 。1.1 焊接電弧的物理本質(zhì)和引燃焊接電弧的物理本質(zhì)和引燃l電弧是電弧焊接的熱源，而弧焊電源則是電弧能量的供應(yīng)者。弧焊電源電特性的好壞，直接影響到電弧燃燒的穩(wěn)定性，而電弧是否穩(wěn)定燃燒又直接影響焊接過(guò)程的穩(wěn)定性和焊縫的質(zhì)量，甚至效率

2、。所以，我們首先必須了解焊接電弧的物理本質(zhì)和特別是電特性，然后才能研究電弧對(duì)弧焊電源電氣性能的要求 。1.1.1 氣體原子的激發(fā)、電離和電子發(fā)氣體原子的激發(fā)、電離和電子發(fā)射射l焊接電弧也是氣體放電的一種形式。它與其他氣體放電的區(qū)別在于它的陰極壓降低、電流密度大，而氣體的電離和電子發(fā)射是電弧中最基本的物理現(xiàn)象。1.1.1.1. 氣體原子的激發(fā)與電離氣體原子的激發(fā)與電離l氣體原子的激發(fā)氣體原子的激發(fā) 如果氣體原子得到了外加的能量， 電子就可能從一個(gè)較低的能級(jí)跳躍到一個(gè)較高能級(jí)，這時(shí)原子處于“激發(fā)”狀態(tài)，使原子躍至“激發(fā)”狀態(tài)所需的能量，稱為激發(fā)能。l氣體原子的電離氣體原子的電離 使電子完全脫離原子

3、核的束縛，形成離子和自由電子的過(guò)程為電離。由原子形成正離子所需的能量稱為電離能。l電離的形式電離的形式 在焊接電弧中，根據(jù)引起電離的能量來(lái)源，有如下三種電離形式： (1) 撞擊電離； (2) 熱電離； (3) 光電離。1.1.1.2 電子發(fā)射電子發(fā)射l在陰極表面的原子或分子，接受外界的能量而釋放出自由電子的現(xiàn)象稱為電子發(fā)射。l電子發(fā)射是引弧和維持電弧穩(wěn)定燃燒的一個(gè)很重要的因素。按其能量來(lái)源的不同，可分為熱發(fā)射，光電發(fā)射，重粒子碰撞發(fā)射和強(qiáng)電場(chǎng)作用下的自發(fā)射等。1.1.2 焊接電弧的引燃焊接電弧的引燃 圖1-1 引弧過(guò)程電壓、電流變化曲線圖a) 接觸引弧 b) 非接觸引弧U0- 空載電壓 Uf-

4、 電弧電壓 if- 電弧電流1.1.2.1 接觸引弧接觸引弧 l接觸引弧即是在弧焊電源接通后，電極（焊條或焊絲）與工件直接短路接觸，隨后拉開(kāi)，從而把電弧引燃起來(lái)。這是一種最常用的引弧方式。 圖1-2 接觸引弧示意圖 1.1.2.2 非接觸引弧非接觸引弧l非接觸引弧它是指在電極與工件之間存在一定間隙， 施以高電壓擊穿間隙，使電弧引燃 。圖1-3 高頻和脈沖引弧示意圖a)引弧器接入方式 b)高頻高壓引弧電壓波形 c)高壓脈沖引弧電壓波形 引弧電壓 t 時(shí)間yhu1.2 焊接電弧的結(jié)構(gòu)和伏安特性焊接電弧的結(jié)構(gòu)和伏安特性l前面分析了焊接的物理本質(zhì)和形成?，F(xiàn)在介紹它的結(jié)構(gòu)和電特性，即伏安特性，包括靜特性

5、和動(dòng)特性。直流電弧和交流電弧是焊接電弧的兩種最基本的形式。 1.2.1、焊接電弧的結(jié)構(gòu)及壓降分布、焊接電弧的結(jié)構(gòu)及壓降分布l電弧沿著其長(zhǎng)度方向分為三個(gè)區(qū)域，如圖1-2所示。電弧與弧焊電源正極所接的一端稱陽(yáng)極區(qū)，與負(fù)極相接的那端稱陰極區(qū)。陰極區(qū)和陽(yáng)極區(qū)之間的部分稱弧柱區(qū)，或稱正柱區(qū)、電弧等離區(qū)。陰極區(qū)的寬度約為10-510-6cm， 而陽(yáng)極區(qū)的寬度僅約10-3 10-4cm, 因此，電弧長(zhǎng)度可以視為近似等于弧柱長(zhǎng)度。弧柱部分的溫度高達(dá)500050000K。l 沿著電弧長(zhǎng)度方向的電位分布是不均勻的。在陰極區(qū)和陽(yáng)極區(qū)，電位分布曲線的斜率很大，而在弧柱區(qū)電位分布曲線則較平緩，并可認(rèn)為是均勻分布的，如圖

6、1-4所示。這三個(gè)區(qū)的電壓降分別稱為陰極壓降 、陽(yáng)極壓降 和弧柱壓降 。它們組成了總的電弧電壓，可用下式表示：iUyUzUzyifUUUU 1.2.2 焊接電弧的電特性焊接電弧的電特性l焊接電弧的電特性包括靜特性和動(dòng)特性。 1.2.2.1 焊接電弧的靜特性焊接電弧的靜特性 l一定長(zhǎng)度的電弧在穩(wěn)定狀態(tài)下，電弧電壓與電弧電流之間的關(guān)系，稱為焊接電弧的靜特性伏安特性，簡(jiǎn)稱伏安特性或靜特性。可用下列函數(shù)表示： )(ffIfU 焊接電弧的靜特性曲線焊接電弧的靜特性曲線圖1-5焊接電弧的靜特性曲線 電弧各區(qū)域壓降與電流的關(guān)系圖電弧各區(qū)域壓降與電流的關(guān)系圖 圖1-6 電弧各區(qū)域壓降與電流的關(guān)系圖 幾種常用焊

7、接方法的電弧靜特性曲線圖幾種常用焊接方法的電弧靜特性曲線圖 mm4 . 2mm6 . 1圖1-7幾種常用焊接方法的電弧靜特性曲線圖a)焊條電弧焊 b)埋弧焊（直流電源，焊絲 ）c)熔化極氣體保護(hù)焊（1，2曲線，焊絲 ）1.2.2.2 焊接電弧的動(dòng)特性焊接電弧的動(dòng)特性l所謂焊接電弧的動(dòng)特性，是指在一定的弧長(zhǎng)下，當(dāng)電弧電流很快變化的時(shí)候，電弧電壓和電流瞬時(shí)值之間的關(guān)系： )(fiifu 電弧的動(dòng)特性曲線電弧的動(dòng)特性曲線 圖1-8 電弧的動(dòng)特性曲線1.3 交流電弧交流電弧l交流電弧的引燃和燃燒，就其物理本質(zhì)而言，與上述的直流電弧相同。交流電弧也是非線性的。上述的焊接電弧靜特性對(duì)于交流電弧也是適用的。

8、這時(shí)， 和 分別表示電弧電壓和電弧電流的有效值。但是，交流電弧作為弧焊電源的負(fù)載，還有其特殊性。因此，在確定對(duì)弧焊電源的要求之前，還必須研究交流電弧的特點(diǎn)。fUfI1.3.1 交流電弧的特點(diǎn)交流電弧的特點(diǎn)l電弧周期性地熄滅和引燃 交流電流每當(dāng)經(jīng)過(guò)零點(diǎn)并改變極性時(shí)，電弧熄滅、電弧空間溫度下降。 l電弧電壓和電流波形發(fā)生畸變。l熱慣性作用較為明顯 。埋弧焊電弧電壓和電流波形圖埋弧焊電弧電壓和電流波形圖 圖1-9 埋弧焊電弧電壓和電流波形圖a)不連續(xù)燃燒 b)連續(xù)燃燒 1.3.2 交流電弧連續(xù)燃燒的條件交流電弧連續(xù)燃燒的條件l交流電弧燃燒時(shí)若有熄弧時(shí)間，則熄弧時(shí)間愈長(zhǎng)，電弧就愈不穩(wěn)定。為了保證焊接質(zhì)

9、量必須將熄弧時(shí)間減小至零，使交流電弧能連續(xù)燃燒1、交流電弧供電原理簡(jiǎn)圖、交流電弧供電原理簡(jiǎn)圖 圖1-10 交流電弧供電原理簡(jiǎn)圖2、交流電源電壓、電弧電壓和電流波形、交流電源電壓、電弧電壓和電流波形和動(dòng)特性曲線圖和動(dòng)特性曲線圖 3、交流電弧連續(xù)燃燒的范圍、交流電弧連續(xù)燃燒的范圍 圖1-12交流電弧連續(xù)燃燒的范圍 1.3.3 影響交流電弧穩(wěn)定燃燒的因素和影響交流電弧穩(wěn)定燃燒的因素和提高電弧穩(wěn)定性的措施提高電弧穩(wěn)定性的措施 1.3.3.1 影響交流電弧穩(wěn)定燃燒的因素影響交流電弧穩(wěn)定燃燒的因素 l空載電壓 l引燃電壓 l電路參數(shù) l電弧電流 l電源頻率 fl電極的熱物理性能和尺寸 1.3.3.2 提高

10、交流電弧穩(wěn)定性的施提高交流電弧穩(wěn)定性的施 l為了提高交流電弧的穩(wěn)定性，在焊接電源方面除了焊接回路要有足夠大的電感量之外，還可以采用如下措施 ： （1）提高弧焊電源頻率； （2）提高電源的空載電壓； （3）提高電源的空載電壓； （4）疊加高壓電。1.3.4 交流電弧的功率和功率因數(shù)交流電弧的功率和功率因數(shù) l在用交流電弧進(jìn)行焊接時(shí)，要求能充分利用電弧功率，以獲得較高的效率。此外，還希望在弧長(zhǎng)略有變化時(shí)功率保持穩(wěn)定，使焊接過(guò)程能順利進(jìn)行。因此，研究交流電弧功率及功率因數(shù)的影響因素和計(jì)算方法，也是有必要的。1.3.4.1交流電弧的功率交流電弧的功率l交流電弧的電壓和電流時(shí)刻都在變化。所以，交流電弧的

11、功率是指交流電弧在半個(gè)周期內(nèi)的平均功率(又稱為有功功率)，即 為交流電弧的有功功率； 、 分別為電弧電壓和電弧電流的瞬時(shí)值01tdiuPffffPfufi1.3.4.2 交流電弧的功率因數(shù)交流電弧的功率因數(shù) l交流電弧的功率因數(shù)是指交流電弧的有功功率與電弧電壓和電弧電流有效值乘積之比值，即： ffffIUP1、交流電弧功率、交流電弧功率 與與K的關(guān)系圖的關(guān)系圖 fP1.4 焊接電弧的分類及其特點(diǎn)焊接電弧的分類及其特點(diǎn)l 焊接電弧的性質(zhì)與供電電源的種類、電弧的狀態(tài)、電弧周?chē)慕橘|(zhì)以及電極材料有關(guān)。按照不同的方法，可作出如下的分類： （1）按電流種類可分為：交流電弧、直流電弧和 脈沖電弧(包括高頻

12、脈沖電弧)。 （2）按電弧狀態(tài)可分為：自由電弧和壓縮電弧。 （3）按電極材料可分為：熔化極電弧和不熔化極 電弧。1.4.1 自由電弧自由電弧l自由電弧可分為不熔化極電弧和熔化極電弧兩種1.4.1.1 不熔化極焊接電弧不熔化極焊接電弧l電極本身在焊接過(guò)程中不熔化，沒(méi)有金屬熔滴過(guò)渡，通常都采用惰性氣體(如氬氣、氦氣等)保護(hù)。在我國(guó)因氦氣甚為昂貴，在大多數(shù)情況下都采用氬氣保護(hù)，電極多采用鎢極或鎢極摻有少量稀土金屬，如釷或鈰等，這種電弧通常稱為鎢極氬弧 。l鎢極氬弧又分為直流電弧與交流電弧兩種。 1.4.1.2 熔化極焊接電弧熔化極焊接電弧 l作為電弧一個(gè)極，在焊接電弧燃燒過(guò)程中是不斷熔化 并過(guò)渡到焊

13、接工件上去的。熔化極焊接電弧，根據(jù)電弧是否可見(jiàn)又可分為明弧和埋弧兩大類。 l明弧的電極也有兩種，一種是在金屬絲表面敷有涂料，即到處可見(jiàn)的手工電弧焊所用的焊條。另一種明弧是采用光電極(光焊絲)。 l埋弧焊采用的是光焊絲，但在焊接過(guò)程中要不斷地往電弧周?chē)徒o顆粒狀焊劑(或稱焊藥)，電弧在焊劑中燃燒，或者說(shuō)電弧被埋在焊劑下。因?yàn)楹竸┲幸埠蟹€(wěn)弧元素，所以電弧燃燒也很穩(wěn)定。這種電弧既可以是直流電弧，也可以是交流電弧。1.4.2 壓縮電弧壓縮電弧l如果把自由電弧的弧柱強(qiáng)迫壓縮，就獲得一種比一般電弧溫度更高，能量更集中的熱源，即壓縮電弧 。l等離子弧就是一種典型壓縮電弧，它靠熱收縮、磁收縮和機(jī)械壓縮效應(yīng)，使弧柱截面縮小，能量集中，從而提高了電弧電離度，形成高溫等離于弧。l等離子弧又可分為以下三種型式： （1） 轉(zhuǎn)移型等離子弧 （2）非轉(zhuǎn)移型等離子弧 （3）混合型等離子弧 1、三種型式等離子弧示意圖、三種型式等離子弧示意圖 1.4.3 脈沖電弧脈沖電弧l電流為脈沖波形的電弧，稱為脈沖電弧。它可分為直 流脈沖電弧和交流脈沖電