第2章电弧特性

1、第第二章二章 电弧焊电弧焊材料科学与工程学院材料科学与工程学院教师：崔丽教师：崔丽20132013年年3 3月月-4-4月月2013-20142013-2014第二学期第二学期材料加工自动化本科生课程材料加工自动化本科生课程办公室：材料楼办公室：材料楼318室室本课程的考核及评分标准 平时成绩：20% 实验成绩：10% 课程论文：10% 考试成绩：60%课程论文题目 1、概念与内涵：熔钎焊，电弧熔钎焊，激光熔钎焊 2、钢/铝异种合金熔钎焊母材的种类及厚度研究现状 3、钢/铝异种合金熔钎焊填充材料的研究现状 4、影响接头力学性能的影响因素，如金属间化合物厚度，焊缝成形等 5、提高熔钎焊接头力学性

2、能的方法及措施钢钢/ /铝异种合金熔钎焊接头力学性能的研究铝异种合金熔钎焊接头力学性能的研究 1.学术论文的撰写，格式规范，不低于5000字，小四号宋体，行间距1.2倍，A4纸打印 2.附主要引用的参考文献，不少于15篇 3.电子版发邮箱：，纸质版4月15日交考试试卷试题类型：试题类型：一、填空题（每空一、填空题（每空1 1分，共计分，共计3030分）分）二、选择题（每题二、选择题（每题1 1分，共计分，共计1515分）分）三、判断题（每题三、判断题（每题1 1分，共计分，共计 1515分）分） 四、名词解释（每题四、名词解释（每题2 2分，共计分，共计1010分）分）五、问答题五、问答题(

3、(每题每题6 6分，共计分，共计3030分分) ) 焊接方法的种类很多，按照焊接过程的物理特点可焊接方法的种类很多，按照焊接过程的物理特点可分为分为熔焊熔焊、压焊压焊和和钎焊钎焊三类。常用焊接方法有三类。常用焊接方法有: 熔焊熔焊 堆焊与喷涂堆焊与喷涂 高能焊高能焊 电渣焊电渣焊 电弧焊电弧焊 气焊气焊 激光焊激光焊 电子束焊电子束焊 等离子弧焊等离子弧焊 气体保护焊气体保护焊 埋弧焊埋弧焊 焊条电弧焊焊条电弧焊焊接定义焊接定义 焊接是通过加热加热或加压加压，或两者并用两者并用，并且用用或不用填充不用填充材料材料，使工件达到结合的一种方法。绪论绪论 压焊压焊 摩擦焊摩擦焊 扩散焊扩散焊 电阻焊

4、电阻焊 超声波焊超声波焊 爆炸焊爆炸焊 对焊对焊 点焊点焊 缝焊缝焊 钎焊钎焊 真空钎焊真空钎焊 感应钎焊感应钎焊 炉中钎焊炉中钎焊 电阻钎焊电阻钎焊 盐浴钎焊盐浴钎焊 火焰钎焊火焰钎焊 烙铁钎焊烙铁钎焊绪论绪论 电弧焊电弧焊是焊接方法中应用是焊接方法中应用最为广泛最为广泛的一种焊接方法。据统计，的一种焊接方法。据统计，电弧焊在焊接生产总量中所占的比例一般都在电弧焊在焊接生产总量中所占的比例一般都在60%以上。以上。 根据其工艺特点不同，电弧焊可分为根据其工艺特点不同，电弧焊可分为焊条电弧焊焊条电弧焊、埋弧焊埋弧焊、气气体保护焊体保护焊和和等离子弧焊等离子弧焊等多种。等多种。焊条电弧焊焊条电弧

5、焊：需要由对电弧供电的电源装置和焊枪组成的手：需要由对电弧供电的电源装置和焊枪组成的手弧焊机；弧焊机；锅炉、化工、造船等工业广为使用的锅炉、化工、造船等工业广为使用的埋弧焊埋弧焊，需要由电源装，需要由电源装置、控制箱和焊车等组成的埋弧焊机置、控制箱和焊车等组成的埋弧焊机适用于焊接化学性活波金属的适用于焊接化学性活波金属的气体保护电弧焊气体保护电弧焊，需要由电源，需要由电源装置、控制箱、焊车（自动焊）或送丝机构、焊枪、气路和装置、控制箱、焊车（自动焊）或送丝机构、焊枪、气路和水路系统等组成的气体保护电弧焊机；水路系统等组成的气体保护电弧焊机；适用于焊接高熔点金属的适用于焊接高熔点金属的等离子弧焊

6、等离子弧焊，则需要由电源装置、，则需要由电源装置、控制系统、焊枪或焊车、气路和水路系统等组成的等离子弧控制系统、焊枪或焊车、气路和水路系统等组成的等离子弧焊机。焊机。绪论绪论u采用采用渣渣来进行保护，使熔池和焊缝金属能够得到一个优来进行保护，使熔池和焊缝金属能够得到一个优良的品质。如良的品质。如焊条电弧焊焊条电弧焊、埋弧焊埋弧焊。u采用采用气体气体来进行保护，就是来进行保护，就是电弧焊的保护方式：电弧焊的保护方式：气体保护焊仍然是电弧的燃烧形成熔池，只是在电极的外面，气体保护焊仍然是电弧的燃烧形成熔池，只是在电极的外面，通过通过焊嘴输送气体焊嘴输送气体。惰性气体：惰性气体：主要采用主要采用氩气

7、氩气，因为氩气和其他一些元素都不发，因为氩气和其他一些元素都不发生任何化学反应，而且氩气比较重，它能够比较干净地排除生任何化学反应，而且氩气比较重，它能够比较干净地排除掉空气。掉空气。活性气体：活性气体：所谓活性气体就是叫所谓活性气体就是叫“ActiveActive”的气体，就是在氩的气体，就是在氩气中间加气中间加3%3%到到5 5的二氧化碳的二氧化碳。在这种活性气体作用下，能够。在这种活性气体作用下，能够使黑色金属在焊接的时候，焊缝看起来很漂亮、很舒展。使黑色金属在焊接的时候，焊缝看起来很漂亮、很舒展。第一节第一节 焊接电弧焊接电弧弧焊电源的负载是弧焊电源的负载是电弧电弧，弧焊电源的电特性影

8、响到电弧燃，弧焊电源的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。烧的稳定性，从而直接影响到焊缝的质量。焊接电弧是在一定电压的两电极间或电极与焊接工件间焊接电弧是在一定电压的两电极间或电极与焊接工件间的气体介质中产生的强烈而持久的的气体介质中产生的强烈而持久的放电现象放电现象，它是带电，它是带电粒子通过两电极之间气体空间的一种粒子通过两电极之间气体空间的一种导电过程导电过程。一、一、 焊接电弧的概念焊接电弧的概念 电弧电弧是所有电弧焊接方法是所有电弧焊接方法的的能量载体能量载体。 借助这种气体放电过程，借助这种气体放电过程，电弧将电能转变为热能、电弧将电能转变为热能、机械能。焊接主

9、要利用热机械能。焊接主要利用热能、机械能达到熔化并连能、机械能达到熔化并连接金属的目的。接金属的目的。图图2-1 电弧放电示意图电弧放电示意图二、焊接电弧的物理本质二、焊接电弧的物理本质（一）气体放电的概念（一）气体放电的概念焊接电弧是一种气体放电现象焊接电弧是一种气体放电现象。u非自持放电：在非自持放电：在气体放电过程中，不能够产生足够的带电气体放电过程中，不能够产生足够的带电粒子使放电过程维持下去，而是要一直依靠外加措施（加热、粒子使放电过程维持下去，而是要一直依靠外加措施（加热、光照射等），才能维持气体放电。光照射等），才能维持气体放电。u自持放电：自持放电：在在气体放电过程中，能够产生

10、足够的带电粒子气体放电过程中，能够产生足够的带电粒子使放电过程维持下去，这种放电只需要开始时通过外加措施使放电过程维持下去，这种放电只需要开始时通过外加措施产生放电所需要的带电粒子，一旦形成放电，即使取消外加产生放电所需要的带电粒子，一旦形成放电，即使取消外加措施，放电过程仍然可以维持下去。措施，放电过程仍然可以维持下去。图图2 2 气体放电的伏安特性曲线气体放电的伏安特性曲线低电压、大电流是焊接电弧的低电压、大电流是焊接电弧的显著特点之一。显著特点之一。（二）、焊接电弧的物理机制（二）、焊接电弧的物理机制 要使两电极之间的气体导电必须具备两个条件：要使两电极之间的气体导电必须具备两个条件：(

11、1) (1) 两电极之间有两电极之间有带电粒子带电粒子 (2) (2) 两电极之间有两电极之间有电场电场 气体电离气体电离和和阴极的电子发射阴极的电子发射是电弧中带电粒子产生的主要来源。是电弧中带电粒子产生的主要来源。（1）气体电离）气体电离在一定条件下，中性气体粒子（分子或原子）分离为正离在一定条件下，中性气体粒子（分子或原子）分离为正离子和电子的现象称为电离。子和电子的现象称为电离。u热电离热电离：中性气体粒子受热的作用而产生的电离。：中性气体粒子受热的作用而产生的电离。u场致电离：场致电离：中性气体粒子受电场作用而产生的电离。中性气体粒子受电场作用而产生的电离。u光电离光电离：中性气体粒

12、子吸收了光射线的光子能而产生的电离。：中性气体粒子吸收了光射线的光子能而产生的电离。u碰撞电离碰撞电离：带电粒子在定向运动过程中，与中性粒子发生碰撞：带电粒子在定向运动过程中，与中性粒子发生碰撞而引起的电离。而引起的电离。焊接电弧中，气体电离的形式：焊接电弧中，气体电离的形式： 固体金属中的固体金属中的自由电子自由电子在外加能量的作用下，由金属表面逸在外加能量的作用下，由金属表面逸出的现象称为出的现象称为电子发射电子发射。热发射热发射：当阴极表面承受热作用而产生电子发射现象。：当阴极表面承受热作用而产生电子发射现象。光电发射光电发射：当阴极表面接受光辐射时，也可使金属内的自由：当阴极表面接受光

13、辐射时，也可使金属内的自由电子能量增加，从而冲破金属表面的束缚而逸出的现象。电子能量增加，从而冲破金属表面的束缚而逸出的现象。粒子碰撞发射：粒子碰撞发射：高速运动的粒子碰撞电极表面时，将能量传高速运动的粒子碰撞电极表面时，将能量传给电极表面的电子，使其能量增加而逸出金属表面的现象。给电极表面的电子，使其能量增加而逸出金属表面的现象。电场发射：电场发射：当阴极表面附近空间存在一定的正电场时，金属当阴极表面附近空间存在一定的正电场时，金属内电子受到电场力作用达到一定数值时，电子会逸出金属表面内电子受到电场力作用达到一定数值时，电子会逸出金属表面的现象。的现象。（2）电子发射）电子发射 在焊接电弧系

14、统中，阴极和阳极表面都可能发生电子发射在焊接电弧系统中，阴极和阳极表面都可能发生电子发射的现象，但是，的现象，但是，只有从阴极发射出来的电子在电场作用下只有从阴极发射出来的电子在电场作用下参与导电过程参与导电过程。因此，因此，阴极发射电子阴极发射电子对产生和维持电弧稳对产生和维持电弧稳定燃烧是非常重要的定燃烧是非常重要的。焊接电弧中阴极发射电子有：。焊接电弧中阴极发射电子有：（3 3）其他物理过程）其他物理过程 电弧导电是个复杂的过程，除了电弧导电是个复杂的过程，除了气体电离气体电离、阴极电子阴极电子发射发射等物理过程外，同时还存在着等物理过程外，同时还存在着扩散扩散、复合复合和和负离负离子产

15、生子产生等过程。等过程。总结总结：u焊接电弧是气体放电的一种形式。焊接电弧是气体放电的一种形式。u由于中性气体是不能导电的，为了使气体导电并产生电弧，由于中性气体是不能导电的，为了使气体导电并产生电弧，就必须使气体中产生足够的就必须使气体中产生足够的带电粒子；带电粒子；而且为了维持电弧稳而且为了维持电弧稳定燃烧，要求电弧的定燃烧，要求电弧的阴极不断发射电子阴极不断发射电子，电弧中气体不断电，电弧中气体不断电离，离，这就必须这就必须不断地输送电能给电弧，不断地输送电能给电弧，以补充其能量的消耗以补充其能量的消耗。u焊接电弧的形成和维持是在电场、热、光和质点动能的共焊接电弧的形成和维持是在电场、热

16、、光和质点动能的共同作用下，气体分子、原子不断地被激发、电离以及阴极电同作用下，气体分子、原子不断地被激发、电离以及阴极电子发射的结果，同时伴随着一些其他过程。子发射的结果，同时伴随着一些其他过程。三、焊接电弧的引燃三、焊接电弧的引燃（一）接触引弧（一）接触引弧 在弧焊电源接通后，电极（焊条或焊丝）与工件直接短在弧焊电源接通后，电极（焊条或焊丝）与工件直接短路接触，接着迅速拉开，即将焊条或焊丝提起路接触，接着迅速拉开，即将焊条或焊丝提起2 24 mm ,4 mm ,从而从而引燃电弧。引燃电弧。应用场合：应用场合：焊条电弧焊焊条电弧焊熔化极气体保护焊熔化极气体保护焊接触引弧分为接触引弧分为接触接

17、触、空载空载和和燃弧燃弧三个阶段。三个阶段。气体电离和阴极电子发射是电弧燃烧和维持的必要条件。把造成两电极间气体发生电离和阴极电子发射而引起电弧燃烧的过程，称为焊接电弧的引弧。（二）非接触引弧（二）非接触引弧 非接触引弧需非接触引弧需采用专门的引弧器采用专门的引弧器才能实现。引弧器有两种：才能实现。引弧器有两种：高频高压引弧高频高压引弧和和高压脉冲引弧高压脉冲引弧。应用场合应用场合: :钨极氩弧焊钨极氩弧焊和和等离子弧焊等离子弧焊。图图2-32-3非接触引弧的电压波形非接触引弧的电压波形u高频高压引弧高频高压引弧：每秒振荡：每秒振荡5050次，每次振荡频率为次，每次振荡频率为150Hz260k

18、Hz150Hz260kHz左右左右, ,电压峰值电压峰值2500-5000V2500-5000V。u高压脉冲引弧：高压脉冲引弧：引弧电压的频率一般为引弧电压的频率一般为50Hz50Hz或或100Hz100Hz，引，引弧电压峰值为弧电压峰值为5000-10000V5000-10000V。 三个区域：阳极区、阴极区、弧柱区三个区域：阳极区、阴极区、弧柱区四、四、 焊接电弧的结构焊接电弧的结构在两电极间产生电弧放电时，电弧长度在两电极间产生电弧放电时，电弧长度方向的电场强度分布是方向的电场强度分布是不均匀不均匀的，的，靠近靠近电极部分产生较大的电压降，而沿着电极部分产生较大的电压降，而沿着弧弧柱长度

19、方向的电压降可以认为是均匀分柱长度方向的电压降可以认为是均匀分布的布的。图图2-4 电弧结构及压降分布电弧结构及压降分布Ua=UA+Uc+UKUA-阳极压降阳极压降 UC-弧柱压降弧柱压降 UK-阴极压降阴极压降阴极区阴极区：在长度方向的尺寸很小，在长度方向的尺寸很小，1010-6-6cmcm。阳极区阳极区：在长度方向的尺寸很小，在长度方向的尺寸很小， 10-4cm。弧柱区弧柱区：两极间的距离，也称电弧的弧长。两极间的距离，也称电弧的弧长。弧柱压降弧柱压降CcCfCfCCCcllUI RIJS可见，可见，电弧电压电弧电压Ua与弧柱长度呈正比。与弧柱长度呈正比。Ua=UA+Uc+UK电弧的温度较

20、高，可达电弧的温度较高，可达500050000K K，其温度的高低主，其温度的高低主要与要与电弧电流的大小电弧电流的大小、电弧及其周围、电弧及其周围气体介质的种类气体介质的种类以及以及电弧的形态电弧的形态等有关。等有关。 最小电压原理最小电压原理：在给定的电流和电弧边界条件下，：在给定的电流和电弧边界条件下，稳定燃烧的电弧将自动选择一适当的截面，以保稳定燃烧的电弧将自动选择一适当的截面，以保证弧柱中具有最低的电场强度，即在固定弧长上证弧柱中具有最低的电场强度，即在固定弧长上的电压为最小。也就是说，焊接电弧具有保持最的电压为最小。也就是说，焊接电弧具有保持最小能量消耗的特性，当电流一定时，电弧将

21、自动小能量消耗的特性，当电流一定时，电弧将自动选择一截面来保持最小的电弧电压。选择一截面来保持最小的电弧电压。五、五、 最小电压原理最小电压原理n焊接电弧是两个电极之间的气体导电，它可以自由焊接电弧是两个电极之间的气体导电，它可以自由扩大和缩小其导电截面。扩大和缩小其导电截面。第二节、第二节、 焊接电弧的电特性焊接电弧的电特性焊接电弧的电特性包括焊接电弧的静态伏安特性（焊接电弧的电特性包括焊接电弧的静态伏安特性（静特性静特性）和动态伏安特性（和动态伏安特性（动特性动特性）。）。一、焊接电弧的静特性一、焊接电弧的静特性（一）、概念（一）、概念一定长度的电弧在稳定燃烧状态下，一定长度的电弧在稳定燃

22、烧状态下，电弧电压与电弧电流电弧电压与电弧电流之间的关系之间的关系称为焊接电弧的静态伏安特性，简称伏安特性称为焊接电弧的静态伏安特性，简称伏安特性或静特性，也称为或静特性，也称为U U曲线曲线。u焊接电弧的静特性可以在直角坐标系中以取线的形式来表焊接电弧的静特性可以在直角坐标系中以取线的形式来表示。该曲线称为电弧的示。该曲线称为电弧的静特性曲线静特性曲线。u电弧的静特性曲线可以直观地表示电弧稳定燃烧时，电弧电弧的静特性曲线可以直观地表示电弧稳定燃烧时，电弧电流与电压之间的关系。电流与电压之间的关系。ffUf I电弧的静特性：电弧的静特性：段：电弧电压随电流的增加而下降，是段：电弧电压随电流的增

23、加而下降，是下降特性。下降特性。段：电压几乎不变，即电弧电段：电压几乎不变，即电弧电压压呈平特性呈平特性。段：电弧电压随电流的增加而段：电弧电压随电流的增加而上升，是上升，是上升特性。上升特性。（二）焊接电弧静特性曲线形状（二）焊接电弧静特性曲线形状U U曲线曲线金属电阻是线性负载，其静特性是线性曲线。金属电阻是线性负载，其静特性是线性曲线。焊接电弧是一个非线性负载焊接电弧是一个非线性负载。根据焊接电弧静特性曲线的形状，分为根据焊接电弧静特性曲线的形状，分为I I、II II、IIIIII三段。三段。图图2-5 电弧的静特性曲线电弧的静特性曲线（三）常用弧焊方法的电弧静特性（三）常用弧焊方法的

24、电弧静特性 由于不同的焊接方法，其焊接中所取的电流范围有限，因此由于不同的焊接方法，其焊接中所取的电流范围有限，因此对于特定焊接方法，根据其电流适用范围，其电弧静特性曲线只对于特定焊接方法，根据其电流适用范围，其电弧静特性曲线只是整个是整个U U曲线的某一部分。曲线的某一部分。U Ua aI Ia a焊条电弧焊焊条电弧焊埋弧焊、埋弧焊、TIGTIG、等离子弧等离子弧焊焊细丝熔细丝熔化极气化极气体保护体保护焊焊小电流钨小电流钨极氩弧焊、极氩弧焊、微束微束TIGu焊条电弧焊焊条电弧焊、埋弧焊埋弧焊多半工作在静特性多半工作在静特性水平段水平段。 一般的钨极氩弧焊、等离子弧焊的焊接电弧也工作在一般的钨

25、极氩弧焊、等离子弧焊的焊接电弧也工作在水平段水平段，u当电流很小时，如当电流很小时，如微束等离子弧焊微束等离子弧焊、微束微束TIGTIG焊工作在焊工作在下降段下降段u细丝熔化极气体保护焊细丝熔化极气体保护焊基本上工作在基本上工作在上升段上升段。手工焊手工焊埋弧焊埋弧焊焊接电弧的弧长、电极直径等对电弧静特性有很大的影响焊接电弧的弧长、电极直径等对电弧静特性有很大的影响UaL2L1L2 L1电弧长度对电弧静特性的影响电弧长度对电弧静特性的影响电弧长度的影响电弧长度的影响当弧长增加时，电弧电压增加，电弧静特性的形状当弧长增加时，电弧电压增加，电弧静特性的形状不变，但其位置会提高。不变，但其位置会提高

26、。（四）、焊接电弧静特性的影响因素（四）、焊接电弧静特性的影响因素周围气体种类周围气体种类图图2-6 不锈钢钨极氩弧焊电弧电压、弧不锈钢钨极氩弧焊电弧电压、弧长与气体种类的关系（电流长与气体种类的关系（电流100A）电极直径的变化电极直径的变化u当电极直径改变时，主要影当电极直径改变时，主要影响阴极斑点和弧柱截面积的变响阴极斑点和弧柱截面积的变化，进而影响电弧静特性曲线。化，进而影响电弧静特性曲线。u电极直径减小，电弧静特性电极直径减小，电弧静特性曲线形状基本不变，但将向电曲线形状基本不变，但将向电流减小的方向流减小的方向( (向左向左) )移动。移动。在气体保护焊中气体介质种类、气体流量、气

27、体介质压在气体保护焊中气体介质种类、气体流量、气体介质压力等对电弧静特性都会产生影响。力等对电弧静特性都会产生影响。（四）、焊接电弧静特性的影响因素（四）、焊接电弧静特性的影响因素二、焊接电弧的动特性二、焊接电弧的动特性（一）、焊接电弧的动特性概念（一）、焊接电弧的动特性概念在一定的弧长下，在一定的弧长下，当电弧电流以很快速度连续变化时，电弧当电弧电流以很快速度连续变化时，电弧电压与电流瞬时值之间的关系电压与电流瞬时值之间的关系称为电弧动态伏安特性，简称称为电弧动态伏安特性，简称为电弧动特性。为电弧动特性。()ffufi电弧的动特性：电弧的动特性：三个含量：电弧电压、电弧电流和时间。三个含量：

28、电弧电压、电弧电流和时间。直角坐标系中的电弧动特性曲线是一直角坐标系中的电弧动特性曲线是一闭合曲线闭合曲线，称为电，称为电弧动特性闭合曲线。弧动特性闭合曲线。（二）、焊接电弧的动特性曲线形状（二）、焊接电弧的动特性曲线形状电流快速增加时，由于电电流快速增加时，由于电弧电离度较低，电弧电压弧电离度较低，电弧电压高于静态值，高于静态值，V-A特性曲特性曲线高于静特性曲线。线高于静特性曲线。 电流快速减小时，由电流快速减小时，由于电弧电离度较高，于电弧电离度较高，电弧电压低于静态值，电弧电压低于静态值，V-A特性曲线低于静特性曲线低于静特性曲线。特性曲线。u电流增加过程中，动态曲线上的电弧电压比静特

29、性曲线电流增加过程中，动态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低上的电弧电压值高；电流下降时，每一瞬间电弧电压低低于静特性曲线。于静特性曲线。u 电流变化速度愈小，静、动特性曲线就愈接近。电流变化速度愈小，静、动特性曲线就愈接近。“热惯性热惯性”现象现象三、三、 电弧连续燃烧和稳定的要求电弧连续燃烧和稳定的要求 按电流种类：交流电弧、直流电弧和脉冲电弧按电流种类：交流电弧、直流电弧和脉冲电弧 按电弧状态：自由电弧和压缩电弧按电弧状态：自由电弧和压缩电弧 按电极材料：熔化极电弧和非熔化极电弧按电极材料：熔化极电弧和非熔化极电弧（一）、焊接电弧的分类（一）、

30、焊接电弧的分类焊接电弧是一个特殊的负载，其主要特点：焊接电弧是一个特殊的负载，其主要特点：非线性负载非线性负载，其静特性曲线形状为，其静特性曲线形状为U U形曲线形曲线。低电压，大电流低电压，大电流。焊接电弧负载变化大。焊接电弧负载的短路、空载、燃焊接电弧负载变化大。焊接电弧负载的短路、空载、燃烧等现象是经常出现的，而其电压、电流变化很大。烧等现象是经常出现的，而其电压、电流变化很大。（1 1）按电流种类）按电流种类 直流电弧：直流电弧：电弧燃烧过程中，（电极）极性不发生变化的电弧燃烧过程中，（电极）极性不发生变化的电流。电流。 直流电弧最大的特点：电弧稳定性好。直流电弧最大的特点：电弧稳定性

31、好。 交流电弧：交流电弧：电弧燃烧过程中，（电极）极性随时间交替变电弧燃烧过程中，（电极）极性随时间交替变化的电弧。化的电弧。最常见的交流电弧是工频正弦波交流电弧最常见的交流电弧是工频正弦波交流电弧。 由于交流电弧电流的周期性变化，使交流电弧放电的物理由于交流电弧电流的周期性变化，使交流电弧放电的物理条件和电、热物理过程也随之改变，这对电弧的稳定燃烧条件和电、热物理过程也随之改变，这对电弧的稳定燃烧和弧焊电源的特性有很大的影响。和弧焊电源的特性有很大的影响。 脉冲电弧脉冲电弧：电弧电流为脉冲波形的电弧。：电弧电流为脉冲波形的电弧。 根据电弧燃烧过程中，极性变化的情况分为根据电弧燃烧过程中，极性

32、变化的情况分为直流脉冲电流直流脉冲电流和和交流脉冲电流交流脉冲电流。1 1）自由电弧）自由电弧 u不熔化极焊接电弧：不熔化极焊接电弧：电极本身在焊接过程中不熔化，没有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。金属熔滴过渡，通常采用惰性气体保护。u熔化极焊接电弧：熔化极焊接电弧：在焊接电弧燃烧过程中，电极不断熔化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。弧两类。（2 2） 、按电弧状态、按电弧状态u转移型等离子弧：转移型等离子弧：电极接负极，工件接正极，等离子弧电极接

33、负极，工件接正极，等离子弧产生于电极和工件之间。产生于电极和工件之间。u非转移型等离子弧：非转移型等离子弧：电极接负极，喷嘴接正极，等离子电极接负极，喷嘴接正极，等离子弧产生于电极与喷嘴之间。弧产生于电极与喷嘴之间。u混合型等离子弧混合型等离子弧2 2）压缩电弧）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。高、能量更集中的热源，即压缩电弧。等离子弧等离子弧即为以一种即为以一种典型的压缩电弧。典型的压缩电弧。等离子弧又分为以下三种形式：等离子弧又分为以下三种形式：非转移型等离子弧非转移型等离子弧

34、(a)(a)电极接负极，喷嘴接正极，等离子弧产生于电极接负极，喷嘴接正极，等离子弧产生于电极与喷嘴之间。电极与喷嘴之间。转移型等离子弧转移型等离子弧(b)(b)电极接负极，工件接正极，电极接负极，工件接正极，等离子弧产生于电极和工件之间。等离子弧产生于电极和工件之间。混合型等离子弧混合型等离子弧(c)(c)（二）、交流电弧的特性（二）、交流电弧的特性 电弧周期性地熄灭和引燃电弧周期性地熄灭和引燃 电弧电压和电流波形发生畸变电弧电压和电流波形发生畸变 热惯性作用较为明显热惯性作用较为明显最常见的交流电弧是工频正弦波交流电弧最常见的交流电弧是工频正弦波交流电弧。该电弧一般是由该电弧一般是由50Hz

35、50Hz按正弦规律变化的电源供电，每秒按正弦规律变化的电源供电，每秒钟内电弧电流变换极性钟内电弧电流变换极性5050次，次，100100次经过零点。次经过零点。电流经过电流经过零点的瞬间，电弧熄灭，过零点后电弧重新引燃零点的瞬间，电弧熄灭，过零点后电弧重新引燃。电弧的熄灭和再引燃现象每秒钟要出现电弧的熄灭和再引燃现象每秒钟要出现100100次。次。再引燃电弧的过程称为再引燃电弧的过程称为再引弧再引弧。再引燃电弧所需电压称为再引燃电弧所需电压称为再引燃电压再引燃电压。（1 1）纯电阻电路）纯电阻电路（三）、交流电弧连续燃烧的条件（三）、交流电弧连续燃烧的条件分析：分析：电源电压和电源电压和电流同

36、相位电流同相位，电流，电流过零后到下一周波过零后到下一周波电压等于再引燃电电压等于再引燃电压之间，有一段间压之间，有一段间隔时间，造成熄弧，隔时间，造成熄弧，不能满足电弧稳定不能满足电弧稳定燃烧的要求。燃烧的要求。图图2- 电阻性电路交流电弧电压、电流波形图电阻性电路交流电弧电压、电流波形图（2 2）电感性电路）电感性电路分析：分析：要使交流电弧稳定燃烧，应保证焊接回路中有要使交流电弧稳定燃烧，应保证焊接回路中有足够大的电足够大的电感感，从而使得电流滞后于电压一个相位角，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，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

37、烧。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。utu ifiabcdufUfUyh1 1空载电压空载电压（四）、提高电弧稳定性措施（四）、提高电弧稳定性措施（1 1）影响交流电弧稳定燃烧的因素）影响交流电弧稳定燃烧的因素4212220fyhfUUUU愈高，电弧就愈稳定。愈高，电弧就愈稳定。2 2引燃电压引燃电压 愈高，电弧愈不稳定，引燃愈困难。愈高，电弧愈不稳定，引燃愈困难。3 3电路参数电路参数 增大增大L L或减小或减小R R可使电弧趋向稳定地连续燃烧。可使电弧趋向稳定地连续燃烧。4212220fyhfUUUU6 6电极的热物理性能和尺寸电极的热物理性能和尺寸4 4电弧电流电

38、弧电流 电弧电流愈大，电弧的稳定性愈高。电弧电流愈大，电弧的稳定性愈高。5 5电源频率电源频率 f f提高有利于提高电弧的稳定性。提高有利于提高电弧的稳定性。（2 2）提高交流电弧稳定性的措施）提高交流电弧稳定性的措施1 1、增加交流电弧焊接回路中的感抗增加交流电弧焊接回路中的感抗。使焊接回路中具有一定的。使焊接回路中具有一定的感抗是保证电弧稳定燃烧的最有效措施。感抗是保证电弧稳定燃烧的最有效措施。2 2提高电源的空载电压。提高电源的空载电压。提高电源的空载电压能提高交流电弧提高电源的空载电压能提高交流电弧的稳定性，但空载电压过高会降低人身的安全性、增加材料的消的稳定性，但空载电压过高会降低人

39、身的安全性、增加材料的消耗等，所以提高空载电压是有限度的。耗等，所以提高空载电压是有限度的。3 3改善电弧电流的波形。改善电弧电流的波形。如使电弧电流波形为矩形波（或梯形如使电弧电流波形为矩形波（或梯形波），增大电流过零点的速度，从而可减小电弧熄灭的倾向。波），增大电流过零点的速度，从而可减小电弧熄灭的倾向。目目前采用该方法比较多。前采用该方法比较多。4 4叠加高压电。叠加高压电。在交流在交流TIGTIG焊接铝合金等材料时，在负极性半焊接铝合金等材料时，在负极性半周引弧困难，因此往往在负极半周再引弧时，加上一高压脉冲或周引弧困难，因此往往在负极半周再引弧时，加上一高压脉冲或高频高压使电弧稳定。

40、高频高压使电弧稳定。5 5、提高弧焊电源频率、提高弧焊电源频率。 交流电弧的频率越高，电弧电流过零点交流电弧的频率越高，电弧电流过零点后的电流上升速率越大，电弧热惯性作用越大，再引弧电压越低，后的电流上升速率越大，电弧热惯性作用越大，再引弧电压越低，电弧电流容易连续，但是提高交流焊接电流的频率在一般弧焊电电弧电流容易连续，但是提高交流焊接电流的频率在一般弧焊电源中很难实现。源中很难实现。第三节第三节 对弧焊电源外特性的基本要求对弧焊电源外特性的基本要求在规定范围内，弧焊电源稳态输出电压在规定范围内，弧焊电源稳态输出电压U Uy y与输出电流与输出电流I Iy y之间的之间的关系。即在电源内部参

41、数一定的条件下，改变负载，稳态输出关系。即在电源内部参数一定的条件下，改变负载，稳态输出电压电压Uy与稳态输出电流与稳态输出电流Iy之间的关系。之间的关系。外特性是电源的基本特性之一，选择合理的弧焊电源外特性外特性是电源的基本特性之一，选择合理的弧焊电源外特性是保证电弧稳定燃烧，焊接质量稳定的基本要求。是保证电弧稳定燃烧，焊接质量稳定的基本要求。一、电源的外特性（一、电源的外特性（V-A V-A 特性特性) )0I Iy yU Uy y()yyUfI弧焊电源的外特性一般可以采用弧焊电源的外特性一般可以采用 来表示。来表示。()yyUfI图图2-8 弧焊电源的外特性取线弧焊电源的外特性取线二、二

42、、 弧焊电源外特性形状的种类弧焊电源外特性形状的种类常用弧焊电源的外特性主要有：常用弧焊电源的外特性主要有：下降特性下降特性、陡降特性陡降特性以及以及平特性平特性。a)垂直陡降特性垂直陡降特性 b)陡降特性陡降特性 c)缓降特性缓降特性 d)平特性平特性(恒压特性恒压特性) e)平特性平特性(稍上升稍上升)图图2-10 常用的弧焊电源的外特性曲线常用的弧焊电源的外特性曲线平缓特性平缓特性（1 1）缓降特性缓降特性：当电流和电压变化接近于：当电流和电压变化接近于直线变化直线变化规律，可规律，可称为称为斜特性；斜特性；当电流和电压变化接近于当电流和电压变化接近于1/41/4椭圆变化规律时，椭圆变化

43、规律时，可称为可称为缓降外特性。缓降外特性。（2 2）垂直下降垂直下降( (恒流恒流) )特性特性 当电弧负载变化时，焊接电流基本当电弧负载变化时，焊接电流基本不变，而只有电源输出端电压发生变化，垂直下降特性也叫不变，而只有电源输出端电压发生变化，垂直下降特性也叫恒流特性恒流特性。（3 3）恒流带外拖特性恒流带外拖特性根据外特性曲线斜率的不同：根据外特性曲线斜率的不同：缓降特性缓降特性和和垂直下降特性垂直下降特性。( (一一) )平特性平特性1. 1.平特性或微降特性：电源输出端电压降低平特性或微降特性：电源输出端电压降低小于小于7V/100A7V/100A 。2.2.微升特性：电压增高微升特

44、性：电压增高小于小于10V/100A10V/100A的外特性。的外特性。( (二二) )下降特性下降特性当焊接电流增加时，电源输出电压当焊接电流增加时，电源输出电压“急剧急剧”下降。焊接电流增下降。焊接电流增大时，电源输出端电压降低大时，电源输出端电压降低大于大于7V/100A7V/100A的外特性。的外特性。三、三、 “电源电源电弧电弧”系统的稳定性系统的稳定性（1) 1) 系统的静态平衡：无干扰时，能在给定的电弧电压和系统的静态平衡：无干扰时，能在给定的电弧电压和电流下，保证焊接电弧的稳定燃烧，系统保持平衡状态。电流下，保证焊接电弧的稳定燃烧，系统保持平衡状态。A A1 1A A0 0U

45、UI I01 12 2I If fU Uf fI Iwdwd此时：此时： UfUy ；IyIf电源的外特性：电源的外特性：Uy=f(Iy)与电弧的静特性：与电弧的静特性：Uf=f(If)必须必须相交相交。电源的外特性电源的外特性电弧的静特性电弧的静特性UfUy“电源电源电弧电弧”系统的稳定包括两方面的含义：系统的稳定包括两方面的含义：系统处于静态平衡就是系统处于静态平衡就是系统有个静态工作点系统有个静态工作点（2)2)系统对干扰的反应能力：当系统一旦受到瞬时的外界干扰，系统对干扰的反应能力：当系统一旦受到瞬时的外界干扰，破坏了原来的静态平衡，造成了焊接规范的变化，当干扰消失后，破坏了原来的静态

46、平衡，造成了焊接规范的变化，当干扰消失后，系统能够自动恢复到原来的平衡状态或者达到新的平衡状态。系统能够自动恢复到原来的平衡状态或者达到新的平衡状态。A A1 1A A0 0U UI I01 12 2I If fU Uf fI IwdwdB B1 1 u电弧静特性在电弧静特性在工作点的斜率必须大于电源外特性在该工作工作点的斜率必须大于电源外特性在该工作点处的斜率时点处的斜率时，电源，电源- -电弧系统才能稳定。电弧系统才能稳定。0fyjwfydUdUKdIdI 电弧静特性和电源外特性曲线相交的稳定工作点决定了焊接电弧静特性和电源外特性曲线相交的稳定工作点决定了焊接电流和电压。对于一定弧长的电弧

47、，只有一个稳定工作点。电流和电压。对于一定弧长的电弧，只有一个稳定工作点。 弧焊电源外特性的形状不仅与弧焊电源外特性的形状不仅与焊接电弧的静特性焊接电弧的静特性有关，还与有关，还与各种焊接工艺发方法各种焊接工艺发方法的特点有关。的特点有关。 满足满足“电源电源- -电弧电弧”系统稳定性的要求是电源外特性选择的必系统稳定性的要求是电源外特性选择的必要条件要条件，同时所选择的外特性形状，同时所选择的外特性形状还需要满足各种焊接工艺还需要满足各种焊接工艺特点特点对电源外特性形状的要求。对电源外特性形状的要求。SMAWGTAWPAWSAWGMAW电弧静特性水平段水平段水平段水平段略上升段电源外特性下降

48、或陡降陡降或横流陡降或横流平/陡降平/陡降表表2-1 2-1 常用焊接电弧静特性与弧焊电源外特性常用焊接电弧静特性与弧焊电源外特性 弧焊电源是电焊机的核心部分，是对焊接电弧提供电能的弧焊电源是电焊机的核心部分，是对焊接电弧提供电能的一种专业设备。对其要求：从经济角度出发，要求结构简单轻一种专业设备。对其要求：从经济角度出发，要求结构简单轻巧，制造容易，消耗材料少，节省电能，成本低；从使用角度巧，制造容易，消耗材料少，节省电能，成本低；从使用角度出发，要求方便、可靠、安性能良好和容易维修。出发，要求方便、可靠、安性能良好和容易维修。 焊接电源的电气特性和结构方面，还具有焊接电源的电气特性和结构方

49、面，还具有不同于一般电力不同于一般电力电源的特点电源的特点。主要原因是弧焊电源的负载是电弧，电源的电气。主要原因是弧焊电源的负载是电弧，电源的电气性能要求性能要求适应电弧负载的特性适应电弧负载的特性。弧焊工艺对焊接电源有如下的要求：弧焊工艺对焊接电源有如下的要求： 保证保证引弧容易引弧容易 保证保证电弧稳定电弧稳定 保证保证焊接规范稳定焊接规范稳定 具有具有足够宽的焊接规范调节范围足够宽的焊接规范调节范围四、对焊条电弧焊设备的要求四、对焊条电弧焊设备的要求 在焊接过程中，电弧不仅是个在焊接过程中，电弧不仅是个热源热源也是一个也是一个力源力源。 电弧产生的机械作用力与焊缝熔深、熔池搅拌、熔滴过电

50、弧产生的机械作用力与焊缝熔深、熔池搅拌、熔滴过渡、焊缝成形等有直接关系。渡、焊缝成形等有直接关系。 如果对电弧力控制不当，它将破坏焊接过程，产生飞溅，如果对电弧力控制不当，它将破坏焊接过程，产生飞溅，甚至形成焊瘤、烧穿等缺陷，因此，对电弧力的利用和甚至形成焊瘤、烧穿等缺陷，因此，对电弧力的利用和控制将直接影响焊缝质量。控制将直接影响焊缝质量。 电弧力主要包括电弧力主要包括电磁收缩力电磁收缩力、等离子流力等离子流力、斑点力斑点力等。等。第四节第四节 焊接电弧的控制焊接电弧的控制一、电弧力及其作用（自学）一、电弧力及其作用（自学）（1 1）电磁收缩力）电磁收缩力当电流流过导体时，电当电流流过导体时

51、，电流可看成是由许多相距很流可看成是由许多相距很近的平行同向电流线组成，近的平行同向电流线组成，这些电流线之间将产生相这些电流线之间将产生相互吸引力，将使导体截面互吸引力，将使导体截面有收缩的倾向，这种现象有收缩的倾向，这种现象称为电磁收缩效应，称为电磁收缩效应，产生产生电磁收缩效应的力称为电电磁收缩效应的力称为电磁收缩力磁收缩力。通常电弧可看成是一圆锥形的气态导体。电极端直径小，焊件通常电弧可看成是一圆锥形的气态导体。电极端直径小，焊件端直径大。由于不同直径处电磁收缩力的大小不同，直径小的端直径大。由于不同直径处电磁收缩力的大小不同，直径小的一端收缩压力大，直径大的一端收缩压力小，因此将在电

52、弧中一端收缩压力大，直径大的一端收缩压力小，因此将在电弧中产生压力差，形成由小直径端（电极端）指向大直径端（工件产生压力差，形成由小直径端（电极端）指向大直径端（工件端）的端）的电弧轴向推力电弧轴向推力。而且电流越大，形成的推力越大。而且电流越大，形成的推力越大。由由电磁力引起的收缩效应，不仅使熔池下凹，同时对熔池产生电磁力引起的收缩效应，不仅使熔池下凹，同时对熔池产生搅拌作用，有利于细化晶粒，排出气孔和夹渣，使焊缝的质量搅拌作用，有利于细化晶粒，排出气孔和夹渣，使焊缝的质量得到改善。得到改善。（2 2）等离子流力）等离子流力 锥形电弧在电磁收缩效应形成的轴向作锥形电弧在电磁收缩效应形成的轴向

53、作用下，高温气体从电极端的用下，高温气体从电极端的A A区向靠近工区向靠近工件的件的B B区流动。此时，电弧周围的气体从区流动。此时，电弧周围的气体从电极上方电极上方C C区补充新的气体到区补充新的气体到A A区，补充区，补充的气体被加热电离并连续流向的气体被加热电离并连续流向B B区，对熔区，对熔池形成动压力，即等离子流力。池形成动压力，即等离子流力。等离子流力的分布于等离子流速度分布相对应，电弧轴线处等等离子流力的分布于等离子流速度分布相对应，电弧轴线处等离子流速度最高，因此，电弧轴线处的等离子流力也最强。离子流速度最高，因此，电弧轴线处的等离子流力也最强。当钨极氩弧焊的钨极锥角较小、电流

54、较大，或熔化极氩弧焊射当钨极氩弧焊的钨极锥角较小、电流较大，或熔化极氩弧焊射流过渡时，等离子流力都将显著增大。流过渡时，等离子流力都将显著增大。等离子流力可增大电弧的挺直性，在熔化极电弧焊时促进熔滴等离子流力可增大电弧的挺直性，在熔化极电弧焊时促进熔滴轴向过渡，增大熔深并对熔池形成搅拌作用。轴向过渡，增大熔深并对熔池形成搅拌作用。（3 3）斑点力）斑点力 电极上形成斑点时，由于斑点处受到带电粒子的撞击或电极上形成斑点时，由于斑点处受到带电粒子的撞击或金属蒸发的反作用而对斑点产生的压力，称为斑点压力金属蒸发的反作用而对斑点产生的压力，称为斑点压力或斑点力。或斑点力。 不论是阴极斑点力还是阳极斑点

55、力，其方向总是与熔滴不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。过渡方向相反，阻碍熔滴过渡。 阴极斑点力比阳极斑点力大阴极斑点力比阳极斑点力大，主要原因是：阴极斑点，主要原因是：阴极斑点承受正离子的撞击，阳极斑点承受电子的撞击，而正离承受正离子的撞击，阳极斑点承受电子的撞击，而正离子的质量远大于电子的质量，且阴极压降一般大于阳极子的质量远大于电子的质量，且阴极压降一般大于阳极压降，所以阴极斑点承受的撞击远大于阳极斑点；阴压降，所以阴极斑点承受的撞击远大于阳极斑点；阴极斑点的电流密度比阳极斑点的电流密度大，金属蒸发极斑点的电流密度比阳极斑点的电流密度大，金属蒸发产

56、生的反作用力也比阳极斑点大。产生的反作用力也比阳极斑点大。 由于阴极斑点力大于阳极斑点力，所以在直流电弧焊时由于阴极斑点力大于阳极斑点力，所以在直流电弧焊时可通过采用可通过采用反接法反接法来减小这种影响。熔化极气体保护焊来减小这种影响。熔化极气体保护焊采用采用直流反接直流反接，可以减小熔滴过渡的阻碍作用，钨极氩，可以减小熔滴过渡的阻碍作用，钨极氩弧焊采用直流反接，由于阴极斑点位于焊件上，正离子弧焊采用直流反接，由于阴极斑点位于焊件上，正离子的撞击使电弧具有阴极清理作用。的撞击使电弧具有阴极清理作用。二、焊接电弧的稳定性二、焊接电弧的稳定性 焊接电弧的稳定性是焊接电弧的稳定性是指电弧保持稳定燃烧

57、（不产生断指电弧保持稳定燃烧（不产生断弧、飘移和偏吹等）的程度弧、飘移和偏吹等）的程度。 电弧焊过程中，当电弧电压和焊接电流为某一定值时，电弧焊过程中，当电弧电压和焊接电流为某一定值时，电弧放电可电弧放电可在长时间内连续进行在长时间内连续进行且且稳定燃烧的性能稳定燃烧的性能称称为为电弧的稳定性电弧的稳定性。 电弧的稳定燃烧是保证焊接质量的一个重要因素，因电弧的稳定燃烧是保证焊接质量的一个重要因素，因此维持电弧的稳定性是非常重要的。此维持电弧的稳定性是非常重要的。 电弧不稳定的原因除操作人员技术熟练程度外，还与电弧不稳定的原因除操作人员技术熟练程度外，还与下列因素有关。下列因素有关。 （一）焊接电流（一）焊接电流 焊接电流大，电弧的温度就增高，则电弧气氛中的电焊接电流大，电弧的温度就增高，则电弧气氛中的电离程度和热发射作用就增强，电弧燃烧也就越稳定。离程度和热发射作用就增强，电弧燃烧也就越稳定。 随着焊接电流的