1、第1章 焊接電弧及其電特性,1.1 焊接電弧的物理本質和引燃 1.2 焊接電弧的結構和伏安特性 1.3 交流電弧 1.4 焊接電弧的分類及其特點,內容提要,本章論述焊接電弧的物理本質、形成、結構和伏安特性，著重研究焊接電弧的電特性及交流電弧燃燒的特點 。,1.1 焊接電弧的物理本質和引燃,電弧是電弧焊接的熱源，而弧焊電源則是電弧能量的供應者?；『鸽娫措娞匦缘暮脡?，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程的穩(wěn)定性和焊縫的質量，甚至效率。所以，我們首先必須了解焊接電弧的物理本質，特別是電特性，然后才能研究電弧對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

2、子發(fā)射,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) 如果氣體原子得到了外加的能量， 電子就可能從一個較低的能級跳躍到一個較高能級，這時原子處于“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。 氣體原子的電離 使電子完全脫離原子核的束縛，形成離子和自由電子的過程為電離。由原子形成正離子所需的能量稱為電離能。 電離的形式 在焊接電弧中，根據(jù)引起電離的能量來源，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.

3、2 電子發(fā)射,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。 電子發(fā)射是引弧和維持電弧穩(wěn)定燃燒的一個很重要的因素。按其能量來源的不同，可分為熱發(fā)射、光電發(fā)射、重粒子碰撞發(fā)射和強電場作用下的自發(fā)射等。,1.1.2 焊接電弧的引燃,圖1-1 引弧過程電壓、電流變化曲線圖 接觸引弧 b) 非接觸引弧 u0 空載電壓 uf 電弧電壓 if 電弧電流,1.1.2.1 接觸引弧,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，從而把電弧引燃起來。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,非接觸引弧是指在電極與

4、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 uyh 引弧電壓 t 時間,1.2 焊接電弧的結構和伏安特性,前面分析了焊接的物理本質和形成，現(xiàn)在介紹它的結構和電特性，即伏安特性，包括靜特性和動特性。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 焊接電弧的結構及壓降分布,電弧沿著其長度方向分為三個區(qū)域，如圖1-4所示。電弧與弧焊電源正極所接的一端稱陽極區(qū)，與負極相接的那端稱陰極區(qū)。陰極區(qū)和陽極區(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10-51

5、0-6cm,而陽極區(qū)的寬度僅約10-3 10-4cm, 因此，電弧長度可以視為近似等于弧柱長度。弧柱部分的溫度高達500050000K。,沿著電弧長度方向的電位分布是不均勻的。在陰極區(qū) 和陽極區(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，并可認為是均勻分布的，如圖 1-4所示。這三個區(qū)的電壓降分別稱為陰極壓降 、陽極壓降 和弧柱壓降 。它們組成了總的電弧電壓，可用下式表示：,1.2.2 焊接電弧的電特性,焊接電弧的電特性包括靜特性和動特性。,1.2.2.1 焊接電弧的靜特性,一定長度的電弧在穩(wěn)定狀態(tài)下，電弧電壓與電弧電流之間的關系，稱為焊接電弧的靜特性伏安特性，簡稱電弧靜特性。

6、可用下列函數(shù)表示：,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)域壓降與電流的關系圖,圖1-6 電弧各區(qū)域壓降與電流的關系圖,幾種常用焊接方法的電弧靜特性曲線圖,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 = 2.4mm） c)熔化極氣體保護焊（1，2曲線，焊絲 =1.6mm）,1.2.2.2 焊接電弧的動特性,所謂焊接電弧的動特性，是指在一定的弧長下，當電弧電流很快變化的時候，電弧電壓和電流瞬時值之間的關系：,電弧的動特性曲線,圖1-8 電弧的動特性曲線,1.3 交流電弧,交流電弧的引燃和燃燒，就其物理本質而言，與上述的直流電弧相

7、同。交流電弧也是非線性的。上述的焊接電弧靜特性對于交流電弧也是適用的。這時， 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載，還有其特殊性。因此，在確定對弧焊電源的要求之前，還必須研究交流電弧的特點。,1.3.1 交流電弧的特點,電弧周期性地熄滅和引燃 交流電流每當經(jīng)過零點并改變極性時，電弧熄滅，電弧空間溫度下降。 電弧電壓和電流波形發(fā)生畸變 熱慣性作用較為明顯,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,交流電弧燃燒時若有熄弧時間，則熄弧時間愈長，電弧就愈不穩(wěn)定。為了保證焊接質量

8、必須將熄弧時間減小至零，使交流電弧能連續(xù)燃燒。,1. 交流電弧供電原理簡圖,圖1-10 交流電弧供電原理簡圖,2. 交流電源電壓、電弧電壓和電流波形和動特性曲線圖,3. 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 空載電壓 引燃電壓 電路參數(shù) 電弧電流 電源頻率 f 電極的熱物理性能和尺寸,1.3.3.2 提高交流電弧穩(wěn)定性的措施,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

9、電壓 （3）改善電弧電流的波形 （4）疊加高壓電,1.3.4 交流電弧的功率和功率因數(shù),在用交流電弧進行焊接時，要求能充分利用電弧功率，以獲得較高的效率。此外，還希望在弧長略有變化時功率保持穩(wěn)定，使焊接過程能順利進行。因此，研究交流電弧功率及功率因數(shù)的影響因素和計算方法，也是有必要的。,1.3.4.1交流電弧的功率,交流電弧的電壓和電流時刻都在變化。所以，交流電弧的功率是指交流電弧在半個周期內的平均功率(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值,1.3.4.2 交流電弧的功率因數(shù),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

10、比值，即：,交流電弧功率 與K的關系圖,1.4 焊接電弧的分類及其特點,焊接電弧的性質與供電電源的種類、電弧的狀態(tài)、電弧周圍的介質以及電極材料有關。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,電極本身在焊接過程中不熔化，沒有金屬熔滴過渡，通常都采用惰性氣體(如氬氣、氦氣等)保護。在我國因氦氣甚為昂貴，在大多數(shù)情況下都采用氬氣保護，

11、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 。 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,作為電弧一個極，在焊接電弧燃燒過程中是不斷熔化 并過渡到焊接工件上去的。熔化極焊接電弧，根據(jù)電弧是否可見又可分為明弧和埋弧兩大類。 明弧的電極也有兩種：一種是在金屬絲表面敷有涂料，即到處可見的焊條電弧焊所用的焊條；另一種明弧是采用光電極(光焊絲)。 埋弧焊采用的是光焊絲，但在焊接過程中要不斷地往電弧周圍送給顆粒狀焊劑(或稱焊藥)，電弧在焊劑中燃燒，或者說電弧被埋在焊劑下。因為焊劑中也含有穩(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,如果把自由電弧的弧柱強迫壓縮，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 。,等離子弧就是一種典型壓縮電弧，它靠熱收縮、磁收縮和機械壓縮效應，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。 等離子弧又可分為以下三種型式： （1） 轉移型等離子弧 （2）非轉移型等離子弧 （3）混合型等離子弧,三種型式等離子弧示意圖,1.4.3 脈沖電弧,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弧。它與一般電弧的區(qū)別在于，電弧電流周期地從基本電