第1章焊接电弧及其电特性ppt课件

1、 第第1章章 焊接电弧及其电特性焊接电弧及其电特性内容提要内容提要1.1 焊接电弧的物理本质和引燃焊接电弧的物理本质和引燃1.2 焊接电弧的构造和伏安特性焊接电弧的构造和伏安特性1.3 交流电弧交流电弧1.4 焊接电弧的分类及其特点焊接电弧的分类及其特点内容提要内容提要 l本章论述焊接电弧的物理本质、构成、构造和伏安特性，着重研讨焊接电弧的电特性及交流电弧熄灭的特点 。1.1 焊接电弧的物理本质和引燃焊接电弧的物理本质和引燃l电弧是电弧焊接的热源，而弧焊电源那么是电弧能量的供应者。弧焊电源电特性的好坏，直接影响到电弧熄灭的稳定性，而电弧能否稳定熄灭又直接影响焊接过程的稳定性和焊缝的质量，甚至效

2、率。所以，我们首先必需了解焊接电弧的物理本质和特别是电特性，然后才干研讨电弧对弧焊电源电气性能的要求 。1.1.1 气体原子的激发、电离和电子发气体原子的激发、电离和电子发射射l焊接电弧也是气体放电的一种方式。它与其他气体放电的区别在于它的阴极压降低、电流密度大，而气体的电离和电子发射是电弧中最根本的物理景象。1.1.1.1. 气体原子的激发与电离气体原子的激发与电离l气体原子的激发气体原子的激发 假设气体原子得到了外加的能量，假设气体原子得到了外加的能量，l 电子就能够从一个较低的能级腾跃到一个较高能级，这电子就能够从一个较低的能级腾跃到一个较高能级，这时原子处于时原子处于“激发形状，使原子

3、跃至激发形状，使原子跃至“激发形状所需的激发形状所需的能量，称为激发能。能量，称为激发能。l气体原子的电离气体原子的电离 使电子完全脱离原子核的束缚，构成离使电子完全脱离原子核的束缚，构成离子和自在电子的过程为电离。由原子构成正离子所需的能子和自在电子的过程为电离。由原子构成正离子所需的能量称为电离能。量称为电离能。l电离的方式电离的方式 在焊接电弧中，根据引起电离的能量来源，在焊接电弧中，根据引起电离的能量来源，有如下三种电离方式：有如下三种电离方式： (1) 撞击电离；撞击电离； (2) 热电离；热电离； (3) 光电离。光电离。1.1.1.2 电子发射电子发射l在阴极外表的原子或分子，接

4、受外界的能量而释放出自在电子的景象称为电子发射。l电子发射是引弧和维持电弧稳定熄灭的一个很重要的要素。按其能量来源的不同，可分为热发射，光电发射，重粒子碰撞发射和强电场作用下的自发射等。1.1.2 焊接电弧的引燃焊接电弧的引燃 图1-1 引弧过程电压、电流变化曲线图接触引弧 b) 非接触引弧U0- 空载电压 Uf- 电弧电压 if- 电弧电流1.1.2.1 接触引弧接触引弧 l接触引弧即是在弧焊电源接通后，电极焊条或焊丝与工件直接短路接触，随后拉开，从而把电弧引燃起来。这是一种最常用的引弧方式。 图1-2 接触引弧表示图 1.1.2.2 非接触引弧非接触引弧l非接触引弧它是指在电极与工件之间存

5、在一定间隙，l 施以高电压击穿间隙，使电弧引燃 。图1-3 高频和脉冲引弧表示图a)引弧器接入方式 b)高频高压引弧电压波形 c)高压脉冲引弧电压波形 引弧电压 t 时间yhu1.2 焊接电弧的构造和伏安特性焊接电弧的构造和伏安特性l前面分析了焊接的物理本质和构成。如今引见它的构造和电特性，即伏安特性，包括静特性和动特性。直流电弧和交流电弧是焊接电弧的两种最根本的方式。 1.2.1、焊接电弧的构造及压降分布、焊接电弧的构造及压降分布l电弧沿着其长度方向分为三个区域，如图1-2所示。电弧与弧焊电源正极所接的一端称阳极区，与负极相接的那端称阴极区。阴极区和阳极区之间的部分称弧柱区，或称正柱区、电弧

6、等离区。阴极区的宽度约为10-510-6cm， 而阳极区的宽度仅约10-3 10-4cm, 因此，电弧长度可以视为近似等于弧柱长度。弧柱部分的温度高达500050000K。l 沿着电弧长度方向的电位分布是不均匀的。在阴极区l和阳极区，电位分布曲线的斜率很大，而在弧柱区电位l分布曲线那么较平缓，并可以为是均匀分布的，如图l1-4所示。这三个区的电压降分别称为阴极压降 、阳极压降 和弧柱压降 。它们组成了总的电弧电压，可用下式表示：iUyUzUzyifUUUU 1.2.2 焊接电弧的电特性焊接电弧的电特性l焊接电弧的电特性包括静特性和动特性。 1.2.2.1 焊接电弧的静特性焊接电弧的静特性 l一

7、定长度的电弧在稳定形状下，电弧电压与电弧电流之间的关系，称为焊接电弧的静特性伏安特性，简称伏安特性或静特性。可用以下函数表示： l )(ffIfU 焊接电弧的静特性曲线焊接电弧的静特性曲线图1-5焊接电弧的静特性曲线 电弧各区域压降与电流的关系图电弧各区域压降与电流的关系图 图1-6 电弧各区域压降与电流的关系图 几种常用焊接方法的电弧静特性曲线图几种常用焊接方法的电弧静特性曲线图 mm4 . 2mm6 . 1图1-7几种常用焊接方法的电弧静特性曲线图a)焊条电弧焊 b)埋弧焊直流电源，焊丝 c)熔化极气体维护焊1，2曲线，焊丝 1.2.2.2 焊接电弧的动特性焊接电弧的动特性l所谓焊接电弧的

8、动特性，是指在一定的弧长下，当电弧电流很快变化的时候，电弧电压和电流瞬时值之间的关系：l )(fiifu 电弧的动特性曲线电弧的动特性曲线 图1-8 电弧的动特性曲线1.3 交流电弧交流电弧l交流电弧的引燃和熄灭，就其物理本质而言，与上述的直流电弧一样。交流电弧也是非线性的。上述的焊接电弧静特性对于交流电弧也是适用的。这时， 和 分别表示电弧电压和电弧电流的有效值。但是，交流电弧作为弧焊电源的负载，还有其特殊性。因此，在确定对弧焊电源的要求之前，还必需研讨交流电弧的特点。fUfI1.3.1 交流电弧的特点交流电弧的特点l电弧周期性地熄灭和引燃 交流电流每当经过零点并改动极性时，电弧熄灭、电弧空

9、间温度下降。 l电弧电压和电流波形发生畸变。l热惯性作用较为明显 。埋弧焊电弧电压和电流波形图埋弧焊电弧电压和电流波形图 图1-9 埋弧焊电弧电压和电流波形图a)不延续熄灭 b)延续熄灭 1.3.2 交流电弧延续熄灭的条件交流电弧延续熄灭的条件l交流电弧熄灭时假设有熄弧时间，那么熄弧时间愈长，电弧就愈不稳定。为了保证焊接质量必需将熄弧时间减小至零，使交流电弧能延续熄灭1、交流电弧供电原理简图、交流电弧供电原理简图 图1-10 交流电弧供电原理简图2、交流电源电压、电弧电压和电流波形、交流电源电压、电弧电压和电流波形和动特性曲线图和动特性曲线图 3、交流电弧延续熄灭的范围、交流电弧延续熄灭的范围

10、 图1-12交流电弧延续熄灭的范围 1.3.3 影响交流电弧稳定熄灭的要素和影响交流电弧稳定熄灭的要素和提高电弧稳定性的措施提高电弧稳定性的措施 1.3.3.1 影响交流电弧稳定熄灭的要素影响交流电弧稳定熄灭的要素 空载电压空载电压 引燃电压引燃电压 电路参数电路参数 电弧电流电弧电流 电源频率电源频率 f电极的热物理性能和尺寸电极的热物理性能和尺寸 1.3.3.2 提高交流电弧稳定性的施提高交流电弧稳定性的施 l为了提高交流电弧的稳定性，在焊接电源方面除了焊接回路要有足够大的电感量之外，还可以采用如下措施 ：l 1提高弧焊电源频率；l 2提高电源的空载电压；l 3提高电源的空载电压； l 4

11、叠加高压电。1.3.4 交流电弧的功率和功率因数交流电弧的功率和功率因数 l在用交流电弧进展焊接时，要求能充分利用电弧功率，以获得较高的效率。此外，还希望在弧长略有变化时功率坚持稳定，使焊接过程能顺利进展。因此，研讨交流电弧功率及功率因数的影响要素和计算方法，也是有必要的。1.3.4.1交流电弧的功率交流电弧的功率l交流电弧的电压和电流时辰都在变化。所以，交流电弧的功率是指交流电弧在半个周期内的平均功率(又称为有功功率)，即l 为交流电弧的有功功率； 、 分别为电弧电压和电弧电流的瞬时值01tdiuPffffPfufi1.3.4.2 交流电弧的功率因数交流电弧的功率因数 l交流电弧的功率因数是

12、指交流电弧的有功功率与电弧电压和电弧电流有效值乘积之比值，即： l ffffIUP1、交流电弧功率、交流电弧功率 与与K的关系图的关系图 fP1.4 焊接电弧的分类及其特点焊接电弧的分类及其特点l 焊接电弧的性质与供电电源的种类、电弧的形状、电弧周围的介质以及电极资料有关。按照不同的方法，可作出如下的分类：l 1按电流种类可分为：交流电弧、直流电弧和l 脉冲电弧(包括高频脉冲电弧)。l 2按电弧形状可分为：自在电弧和紧缩电弧。l 3按电极资料可分为：熔化极电弧和不熔化极 l 电弧。1.4.1 自在电弧自在电弧l自在电弧可分为不熔化极电弧和熔化极电弧两种1.4.1.1 不熔化极焊接电弧不熔化极焊

13、接电弧l电极本身在焊接过程中不熔化，没有金属熔滴过渡，通常都采用惰性气体(如氩气、氦气等)维护。在我国因氦气甚为昂贵，在大多数情况下都采用氩气维护，电极多采用钨极或钨极掺有少量稀土金属，如钍或铈等，这种电弧通常称为钨极氩弧 。l钨极氩弧又分为直流电弧与交流电弧两种。 1.4.1.2 熔化极焊接电弧熔化极焊接电弧 l作为电弧一个极，在焊接电弧熄灭过程中是不断熔化l 并过渡到焊接工件上去的。熔化极焊接电弧，根据电弧能否可见又可分为明弧和埋弧两大类。 l明弧的电极也有两种，一种是在金属丝外表敷有涂料，即四处可见的手工电弧焊所用的焊条。另一种明弧是采用光电极(光焊丝)。 l埋弧焊采用的是光焊丝，但在焊

14、接过程中要不断地往电弧周围送给颗粒状焊剂(或称焊药)，电弧在焊剂中熄灭，或者说电弧被埋在焊剂下。由于焊剂中也含有稳弧元素，所以电弧熄灭也很稳定。这种电弧既可以是直流电弧，也可以是交流电弧。1.4.2 紧缩电弧紧缩电弧l假设把自在电弧的弧柱强迫紧缩，就获得一种比普通电弧温度更高，能量更集中的热源，即紧缩电弧 。l等离子弧就是一种典型紧缩电弧，它靠热收缩、磁收缩和机械紧缩效应，使弧柱截面减少，能量集中，从而提高了电弧电离度，构成高温等离于弧。l等离子弧又可分为以下三种型式： l 1 转移型等离子弧 l 2非转移型等离子弧 l 3混合型等离子弧 1、三种型式等离子弧表示图、三种型式等离子弧表示图 1.4.3 脉冲电弧脉冲电弧l电流为脉冲波形的电弧，称为脉冲电弧。它可分为直l 流