Transcript 第一章焊接电弧及其电特性

第一章
焊接电弧及其电特性
第一节
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
a) 气体放电
b)金属导电
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
一．气体原子的激发、电离和电子发射
1．气体原子的激发
+
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
电离
-
-
电子完全脱离原
子核的束缚形成
自由电子的过程
程称为“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)
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
引起电子的逸出。
能量大的重粒子撞击到阴极上，
（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。
常见材料的逸出功
复合电极材料的逸出功
总结：
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。
二
．焊接电弧的引燃
（一）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
（二）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20003000V,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。
第二节
焊接电弧的结构以及伏安特性
一、焊接电弧的结构以及压降分布
三个区域：阳极区
阴极区
弧柱区
阴极区：长度极短10-510-6cm 、电压较大、E电场强度极高
阳极区：长度也极短10-210-4cm 、电压较大、E极高
弧柱区：长度基本上等于电弧长度，E较小
二．焊接电弧的电特性
(一)、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。
Ⅰ段：电弧电压随电流的增加而下降，是下降特性段
Ⅱ段：呈等压特性，即
电弧电压不随电流的变
化而变化，是平特性段
Ⅲ段：电弧电压随电流
的增加而上升，是上升
特性段
弧柱区电压
U Z  I f RZ  I
lZ
f
SZ Z
 jZ
lZ
Z
下降段:负阻特性区,电流增加，弧柱截面积更快增加，电流密度jZ
下降；电弧温度增加，电离度增加，γZ增加，电弧电压下降，呈现
下降特性。
平直段:平特性区,电流增加，If和Sf成比例增加，电流密度Jz ，
电导率γZ不变，电弧电压不变，呈现平特性。
上升段: 电流增加，电弧面积不
Uf
再增加，从而电流密度增加，而
电离度已达饱和，电导率基本不
Ⅰ
Ⅲ
Ⅱ
Uf
变，从而岁电流增加，电弧电压
增加，呈现上升特性。
If
影响电弧静特性的因素：
电弧长度
Ua
L2 >L1
L2
L1
电弧长度对电弧静特性的影响
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。
Ua
焊条电弧焊
小电流
钨极氩
弧焊
埋弧焊、
不熔化
极气体
保护焊、
微束等
离子弧
焊
细丝
熔化
极气
体保
护焊
等离
子弧
焊、
水下
焊 Ia
埋弧焊
手工焊
CO2气体保护焊
氩弧焊
(二)、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特性
电流快速增加时，由于电弧电离
度较低，电弧电压高于静态值，
V-A特性曲线高于静特性曲线。
电流快速减小时，由于电
弧电离度较高，电弧电压
低于静态值，V-A特性曲
线地于静特性曲线。
电流增加过程中，动态性曲线上的电弧电压比静特性曲
线上的电弧电压值高；电流下降时，每一瞬间电弧电压
低于静特性曲线。
电流变化速度愈小，静、动特性曲线就愈接近。
第三节
交流电弧
一、交流电弧的特性
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
二、交流电弧连续燃烧的条件
1、纯电阻电路
平衡方程
U m sin  t  u h  i h R
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。
2、电感性电路
u
i
if
Uyh
uf
b
Uf
a
ωt
u
d
c
Φ
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。
交流电源供电原理图
上面原理图的电压平衡方程
U m sin(  t   )  U f   L
di f
d t
(1)
求解(1)式,代入初始条件:t=0时,if=0
if 
Um
X
cos 
 cos  t    
U
f
X
L
L
电弧稳定燃烧条件一:
 t   时， i f  0
cos  
 U
f
(2)
2 Um
电弧稳定燃烧条件二:
t
t  0
时， u 大于引弧电压
U m sin   U
yh
(3)
U0
(2)式和(3)式联立:
U
f

1
2
U
2
yh
U
2
f


2
4
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
三、影响交流电弧稳定燃烧的因素和提高电弧稳定性的
措施
（一）影响交流电弧稳定燃烧的因素
1．空载电压
愈高，电弧就愈稳定。
U0
U
f

1
2
U
2
yh
U
2
f


2
4
2．引燃电压
愈高，电弧愈不稳定，引燃愈困难。
U0
U
3．电路参数
f

1
2
U
2
yh
U
2
f


2
4
增大L或减小R可使电弧趋向稳定地连续燃烧。
4．电弧电流
5．电源频率
电弧电流愈大，电弧的稳定性愈高。
f提高有利于提高电弧的稳定性。
6．电极的热物理性能和尺寸
（二）提高交流电弧稳定性的措施
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
4．叠加高压电
四、交流电弧的功率和功率因数
2
（一）、交流电弧的功率Pf
P f  0 . 905
U0K
U
f
U0
稳定燃烧和电弧功率
Pf
2
K
2
8
XL
式中， K 
结论：为保持电弧的
1

； X L  L
m
的稳定，K值最好取在
0.4～0.637之间，即
要求
2.5>(Uo/Uf)>1.57
0.4
0.8
K
（二）交流电弧的功率因数
交流电弧的功率因数λf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：
λf＝ Pf/(Uf.If )
1
 f  0 . 905

2
K
8
1  1 . 18 K
2
2
在焊接中， λf＝ 0.89～0.90，总是小于1的。
第四节
焊接电弧的分类及其特点
一 、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。
（一）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。
（二）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。
二、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(b)
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(a)
产生于电极与喷嘴之间。
3、混合型等离子弧(c)
电极接负极，喷嘴接正极，等离子弧
三、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
⑴ 脉冲电流
渡形式。
主要决定熔池形状（尤其熔深大小）和熔滴过
⑵ 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。
⑶ 脉冲持续时间
主要影响焊缝热输入和熔池形状（大小）。
⑷ 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）。
i
ip
t0
i0
tp
t
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