弧焊电源及其数字化控制第1章-焊接电弧及其电特性课件

1、1.2焊接电弧的结构和伏安特性1.3交流电弧1.4焊接电弧的分类及其特点11.1焊接电弧的物理本质和引燃1.5焊接电弧力及其种类和影响因素 电弧是电弧焊接的热源，而弧焊电源则是电弧能量的供应者。弧焊电源电特性的好坏，直接影响到电弧燃烧的稳定性，而电弧是否稳定燃烧又直接影响焊接过程的稳定性和焊缝的质量，甚至效率。所以，我们首先必须了解焊接电弧的物理本质和特别是电特性，然后才能研究电弧对弧焊电源电气性能的要求 。21.1.1 气体原子的激发、电离和电子发射 中性气体原来是不能导电的，为了在气体中产生电弧而通过电流，就必须使气体分子(或原子)电离成为正离子和电子。而且，为了使电弧能维持燃烧，电弧的阴

2、极就要不断发射电子，这就必须不断地输送电能给电弧，以补充能量的消耗。 可见，焊接电弧也是气体放电的一种形式。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基本的物理现象。 1.1.1.1 气体原子的激发与电离 气体原子的激发 如果气体原子得到了外加的能量，电子就可能从一个较低的能级跳跃到一个较高能级，这时原子处于“激发”状态，使原子跃至“激发”状态所需的能量，称为激发能。 气体原子的电离 使电子完全脱离原子核的束缚，形成离子和自由电子的过程为电离。由原子形成正离子所需的能量称为电离能。在焊接电弧中，根据引起电离的能量来源，有如下三种电离形式： (1)

3、撞击电离。在电场中被加速的带电质点（电子、离子）与中性质点碰撞后发生电离。 (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。 气体原子电离的同时，异性电荷的质点也会因碰撞使正离子与电子结合而产生复合现象。当电离与复合速度相等时，电离与符合就趋于相对稳定的平衡状态。3 1.1.1.2 电子发射 在阴极表面的原子或分子，接受外界的能量而释放出自由电子的现象称为电子发射。 电子发射所需的能量称为逸出功 ， y以表示。物质的逸出功一般约为电离能的1/21/4。逸出功不仅与元素种类有关，也与物质表面状态有很大

4、关系。表面有氧化物或其他杂质时均可以显著减少逸出功。例如，钨极上含有钍或铈的氧化物时，其电子发射能力明显提高。 电子发射是引弧和维持电弧稳定燃烧的一个很重要的因素。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。 热发射：物质的固体或液体表面受热后，其中某些电子具有大于逸出功的能量而逸出到表面外的空间中的现象称为热发射。 光电发射：物质的固体或液体表面接受光射线的能量而释放出自由电子的现象称为光电发射。 4 重粒子撞击发射： 能量大的重粒子（如正离子等）撞到阴极上，引起电子的逸出，称为重粒子撞击发射。 强电场作用下的自发射： 物质的固体或液体表面，虽然温度不

5、高，但当存在强电场并在表面附近形成较大的电位差时，使阴极有较多的电子发射出来，这就称为强电场作用下的自发射，简称自发射。电场愈强，发射出的电子形成的电流密度就愈大。自发射在焊接电弧中也起重要作用，特别是在非接触式引弧时，其作用更明显。 综上所述，焊接电弧是气体放电的一种形式。而习惯上把这种气体放电现象称为电弧燃烧，这是一种形象化的称呼。焊接电弧的形成和维持是在电场、热、光和质点动能的作用下，气体原子不断地被激发、电离以及电子发射的结果。同时，也存在负离子的产生，正离子与电子的复合。显而易见，引燃焊接电弧的能量来源主要靠电场及由其产生的热、光和动能。而这个电场就是由弧焊电源提供的空载电压所产生的

6、，在某些条件下还需要短时叠加上一个较高的电压，才能引燃电弧。51.1.2 焊接电弧的引燃 焊接电弧的引燃，一般有两种方式：即接触引弧和非接触引弧。图1-1引弧过程的电压、电流变化曲线图a)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61.1.2.1 接触引弧 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 接触引弧示意图 由于电极和工件表面都不是绝对平整的，在短路接触时只是在少数凸出点上接触，如图1-2所示。通过这些接触点的短路电流，比正常的焊接电流要大得多。而接触点的面积又小，因此电流密度极

7、大，这就可能会产生大量的电阻热，使电极金属表面发热、熔化，甚至汽化，引起热发射和热电离。随后在拉开电极的瞬间，电弧间隙极小，只有10-6cm左右，使其电场强度达到很大的数值(106V/cm)。7 这样，即使在室温下都有可能产生明显的自发射，在强电场作用下，又使已产生的带电质点被加速、互相碰撞，引起撞击电离。随着温度的增加，光电离和热电离也进一步加强，使带电质点的数量猛增，从而能维持电弧的稳定燃烧。在电弧引燃之后，电离和复合(消电离)处于动平衡状态。由于弧焊电源不断供以电能，新的带电质点不断得到补充，弥补了消耗的带电粒子。焊条电弧焊和熔化极气体保护焊都是采用这种引弧方式。 8 1.1.2. 2

8、非接触引弧 非接触引弧，它是指在电极与工件之间存在一定间隙，施以高电压击穿间隙，使电弧引燃 。图1-3 高频和脉冲引弧示意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uyh 引弧电压 t 时间 高压脉冲引弧引弧频率为50或100Hz，电压峰值为30005000V；高频高压引弧则需用高频振荡器，它每秒脉冲引弧振荡100次，每次振荡频率为150260KHz，电压峰值为20003000V。9 可见，这是一种依靠高电压迫使电极表面产生电子的自发射而把电弧引燃的方法，这种引弧方法主要应用于钨极氩弧焊和等离子弧焊。引弧时，电极不必与工件短路，这样不仅不会污染工件和电极的引弧点，而

9、且也不会损坏电极端部的几何形状，有利于电弧的稳定燃烧。但是，它也存在高频干扰和给焊工带来疲劳等不足之处。101.2焊接电弧的结构和伏安特性1.3交流电弧1.4焊接电弧的分类及其特点111.1焊接电弧的物理本质和引燃1.5焊接电弧力及其种类和影响因素 前面分析了焊接的物理本质和形成。现在介绍它的结构和电特性，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基本的形式，为了便于理解，首先从直流焊接电弧(以下简称焊接电弧)入手讨论。 电弧沿着其长度方向分为三个区域，如图1-4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

10、称正柱区、电弧等离区。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。1.2.1 焊接电弧的结构及压降分布图1-4电弧结构和电位分布 沿着电弧长度方向的电位分布是不均匀的。在阴极区和阳极区电位分布曲线的斜率很大，而在弧柱区电位分布曲线则较平缓，并可认为是均匀分布的，如图1-4所示。这三个区的电压降分别称为阴极压降Ui、阳极压降Uy和弧柱压降Uz。它们组成了总的电弧电压Uf，可表示为： Uf=Ui+Uy+Uz (1-1) 图1-4电弧结构和电位分布 焊接电弧的电特性包括静特性和动特

11、性。 一定长度的电弧在稳定状态下，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。可用下列函数表示： Uf=f (If) 1.2.2.1 焊接电弧的静特性 1.2.2 焊接电弧的电特性图1-5 焊接电弧的静特性曲线 焊接电弧是非线性负载，即电弧两端的电压与通过电弧的电流之间不是成正比例关系。当电弧电流从小到大在很大范围内变化时，焊接电弧的静特性近似呈U形曲线，故也称为U形特性，如图1-5所示。 U形静特性曲线可看成由三段(、)组成。在段，电弧电压随电流的增加而下降，是下降特性段；在段呈等(恒)压特性，即电弧电压不随电流而变化，是平特性段；在段，电弧电压随电流增

12、加而上升，是上升特性段。 现在研究电弧静特性各段形状的形成机理。由式(1-1)可知，电弧电压是阴极压降、阳极压降和弧柱压降之和。因此，只要弄清每个区域的压降与电流的关系，则不难理解为何形成U形特性。图1-6 电弧各区域压降与电流的关系图 在阳极区，阳极电压Uy基本与电流无关，Uy= (If)。 在阴极区，当电弧电流If较小时，阴极斑点（在阴极尚电流密度高的光点）的面积Si小于电极端部面积，这时Si随If增加而增大，阴极斑点的电流密度ji=If/Si基本不变，电场强度也基本不变，Ui也基本不变。当阴极斑点面积与电极面积相等时，If继续增加，则Si不能再扩张。ji就增加，Ui随If的增大而上升。

13、在弧柱区，Uz分为三段。 ab段：电弧电流小，这时Sz随If增加而增大， Sz扩大较快，使jz=If/Sz降低；同时，If增加使弧柱温度和电离度均增高，rz增大，jz减小和rz增大都使Uz减小。 bc段：电弧电流中等大小，Sz随If成比例增大 jz基本不变，rz也不再随温度增加，Uz=jzlz/rz基本不变。 cd段：电弧电流很大，随If增大，rz仍基本不变，但Uz不能再扩大了，jz随着If增加而增加，Uz随If的增加而上升。 上述三段叠加起来就得到U形特特性曲线。 几种常用焊接方法的电弧静特性曲线图 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 =

14、2.4mm) c) 熔化极气体保护焊(1、2曲线，焊丝 =1.6mm) 所谓焊接电弧的动特性，是指在一定的弧长下，当电弧电流很快变化时，电弧电压与电流瞬时值之间的关系：uf=f (if) 1.2.2.2 焊接电弧的动特性图1-8 电弧的动特性曲线 动特性就是在一定的弧长下，当电弧电流变化很快的时候，电流电压与电流瞬时值之间的关系，uf= (if)。电流ia以很快速度增加到id，随电流增加，电弧的空间温度升高，但由于热惯性。后者总是滞后于前者。由于电弧空间温度低，弧柱导电性差，阴极斑点与弧柱面积增加较慢，电弧电压不能降至b点，而提高到b点。对应于每一瞬时电弧电流的电压就不在abcd上，而在abc

15、d上。 反之，当 电流由id迅速减小到ia 时，同样由于热惯性的影响，电弧空间温度来不及下降，对应同一瞬间电弧电流的 电压将低于静特性之电压，得到abcd。1.2焊接电弧的结构和伏安特性1.3交流电弧1.4焊接电弧的分类及其特点201.1焊接电弧的物理本质和引燃1.5焊接电弧力及其种类和影响因素 交流电弧的引燃和燃烧，就其物理本质而言，与上述的直流电弧相同。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，Uf 和If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，还必须研究交流电弧的特点。211.3.

16、1 交流电弧的特点 交流电弧一般是由50Hz按正弦规律变化的弧焊电源供电。每秒钟内电弧电流100次过零点，即电弧的熄灭和引燃过程每秒出现100次。这就使交流电弧放电的物理条件也随着改变，具有特殊的电和热的物理过程。 电弧周期性地熄灭和引燃 交流电流每当经过零点并改变极性时，电弧熄灭、电弧空间温度下降。这就使电弧空间的带电质点发生复合现象，降低了电弧空间的导电能力。在电压改变极性的同时，使上半周期内电极附近形成的空间电荷，力图往另一极运动，加强了复合作用，电弧空间的导电能力进一步降低，使下半周期电弧重新引燃更加困难。 电弧电压和电流波形发生畸变 由于电弧电压和电流是交变的，电弧空间和电极表面的温

17、度也就随时变化。因而，电弧电阻不是常数，也将随电流电流的变化而变化。 热惯性作用较为明显 由于uf，if变化得很快，电及热得变化均来不及达到稳定状态，使电弧温度的变化落后于电的变化，这可由电弧的动特性曲线表明。22 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) 不连续燃烧 b) 连续燃烧 231.3.2 交流电弧连续燃烧的条件 交流电弧燃烧时若有熄弧时间，则熄弧时间愈长，电弧就愈不稳定。为了保证焊接质量必须将熄弧时间减小至零，使交流电弧能连续燃烧。24 1. 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和动特性曲线图 2

18、5图1-11交流电源波形和动特性曲线图a) 交流电源电压uy、电弧电压uf和电流if波形b) 动特性曲线 3. 交流电弧连续燃烧的范围 图1-12 交流电弧连续燃烧的范围 上式称为电弧连续燃烧条件方程式。它表明为保证交流电弧连续燃烧，弧焊电源空载电压U0、电弧电压Uf及引燃电压Uyh之间必须保持一定的关系。26 1.3.3 影响交流电弧稳定燃烧的因素和提高电弧稳定性的措施 1.3.3.1 影响交流电弧稳定燃烧的因素 空载电压U0：U0愈高，在同等大小的引弧电压下，熄弧时间tx愈稳定。引燃电压Uyh：它对电弧的连续燃烧影响很大，Uyh愈高引燃电弧愈难，电弧愈不易稳定。 电路参数：主电路的L、R对

19、电弧连续燃烧的影响也比较大。 电弧电流：电弧电流愈大，使电弧空间热量愈多，电流变化率也愈大，即热惯性作用愈显著，可导致Uyh降低，电弧的稳定性提高。 弧焊电源频率 f ：f 提高，即周期和电弧熄灭时间tx1相应缩短，且热惯性作用也增强，从而提高了电弧的稳定性。电极的热物理性能和尺寸：它们对电弧的连续燃烧油一定影响。 2728图1-13空载电压对熄弧时间的影响图1-14电路参数及电源频对熄弧时间的影响1.3.3.2 提高交流电弧稳定性的措施 为了提高交流电弧的稳定性，在弧焊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 ： （1）提高弧焊电源频率； （2）提高弧焊电源的空载电压：

20、提高空载电压能提高交流电弧的稳定性。但空载电压高会带来对人身的不安全、增加材料消耗、降低功率因数等不利后果； （3）改善电弧的电流波形：如使电弧电流波形为矩形波，则电弧电流过零点时将具有较大的增长速度，从而可减小电弧熄灭的倾向，其电流波形如图1-15a所示 （4）叠加高压电：在钨极交流氩弧焊接铝时，由于铝工件的热容量和导热率高，熔点尺寸又大，因而其为负极性的半周再引弧困难。为此，需在这个半周再引弧时，加上高压脉冲或高频高压电，使电弧稳定燃烧 。2930图1-15矩形电流波形和叠加高压窄矩形电压波形图1.3.4 交流电弧的功率和功率因数 在用交流电弧进行焊接时，要求能充分利用电弧功率，以获得较高

21、的效率。此外，还希望在弧长略有变化时功率保持稳定，使焊接过程能顺利进行。因此，研究交流电弧功率及功率因数的影响因素和计算方法，也是有必要的。 31 交流电弧的电压和电流时刻都在变化。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 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 1.3.4.1 交流电弧的功率32图1-16简化后交流电弧的电压电流波形图 33图1-17交流电弧有功功率Pf与K的关系图(阴影区是工作区)交流电弧有功功率Pf与K的关系图(阴影区是工作区），如图1-17所示34 1.3.4.2 交流电弧的功率因数 交流电弧的功率因数f是指交

22、流电弧的有功功率Pf与电弧电压和电弧电流有效值乘积之比值。 f是表明电弧电压与电弧电流波形畸变所带来的影响。当电弧燃烧的连续性差时，波形畸变就严重，f相应较小。1.2焊接电弧的结构和伏安特性1.3交流电弧1.4焊接电弧的分类及其特点351.1焊接电弧的物理本质和引燃1.5焊接电弧力及其种类和影响因素 焊接电弧的性质与供电电源的种类、电弧的状态、电弧周围的介质以及电极材料有关。按照不同的方法，可作出如下的分类： （1）按电流种类可分为：交流电弧、直流电弧和脉冲电弧(包括高频脉冲电弧) （2）按电弧状态可分为：自由电弧和压缩电弧。 （3）按电极材料可分为：熔化极电弧和不熔化极电弧。36 自由电弧可

23、分为不熔化极电弧和熔化极电弧两种1.4.1 自由电弧 1.4.1.1 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，通常都采用惰性气体(如氩气、氦气等)保护。在我国因氦气甚为昂贵，在大多数情况下都采用氩气保护，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 。 钨极氩弧又分为直流电弧与交流电弧两种。 37 1.4.1.2 熔化极焊接电弧 作为电弧一个极，在焊接电弧燃烧过程中是不断熔化，并过渡到焊接工件上去的。熔化极焊接电弧，根据电弧是否可见又可分为明弧和埋弧两大类。 明弧的电极也有两种，一种是在金属丝表面敷有涂料，即到处可见的焊条电弧焊所用的焊条。

24、另一种明弧是采用光电极(光焊丝)。 埋弧焊采用的是光焊丝，但在焊接过程中要不断地往电弧周围送给颗粒状焊剂(或称焊药)，电弧在焊剂中燃烧，或者说电弧被埋在焊剂下。因为焊剂中也含有稳弧元素，所以电弧燃烧也很稳定。这种电弧既可以是直流电弧，也可以是交流电弧。381.4.2 压缩电弧如果把自由电弧的弧柱强迫压缩，就获得一种比一般电弧温度更高，能量更集中的热源，即压缩电弧 。等离子弧就是一种典型压缩电弧，它靠热收缩、磁收缩和机械压缩效应，使弧柱截面缩小，能量集中，从而提高了电弧电离度，形成高温等离于弧。等离子弧又可分为以下三种型式： （1）转移型等离子弧 （2）非转移型等离子弧 （3）混合型等离子弧 3

25、9 三种型式等离子弧示意图 图1-18三种形式等离子弧示意图a)转移型b)非转移型c)混合型40 (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与工件之间，如图1-18a所示。如果电极有好的冷却条件和电极材料耐高温性能较好，则也可接正极，此时，工件接负极。 (2) 非转移型等离子弧电极接负极，喷嘴接正极，等离子弧产生在电极与喷嘴表面之间，如图1-18b所示。 (3) 混合型等离子弧把上述两种等离子弧结合起来，工作时两种电弧同时存在，就称为混合型等离子弧，如图1-18c所示。它常用于微束等离子弧焊和等离子弧喷焊.。1.4.3 脉冲电弧电流为脉冲波形的电弧，称为脉冲电弧。它可分为

26、直流脉冲电弧和交流脉冲电弧。它与一般电弧的区别在于，电弧电流周期地从基本电流(维弧电流)幅值增至脉冲电流幅值。可以把它看成为由维持电弧和脉冲电弧两种电弧的组成。维持电弧(或称基本电弧)用于在脉冲休止期间来维持电弧的连续燃烧，脉冲电弧用于加热熔化工件和焊丝，并使熔滴从焊丝脱落和向工件过渡。 脉冲电弧的电流波形有许多种形式，例如，矩形波脉冲、梯形波脉冲、正弦波脉冲和三角形波脉冲等等。脉冲电弧还有不熔化极脉冲电弧、熔化极脉冲电弧和脉冲等离子弧之分。4142图1-19脉冲电弧及其主要参数Im脉冲电流峰值（脉冲电流）；Ij基本电流；t1脉冲宽度（脉冲时间）；t2脉冲间隙时间（脉冲休止时间）；T脉冲周期（

27、T=t1+t2）；f脉冲频率；K脉冲宽度比（它表征脉冲的强弱，即在脉冲周期中脉冲时间所占的百分比， ），也称占空比；IP脉冲平均电流，对于矩形波脉冲IP=Ij+（Im-Ij）=Ij+（Im-Ij）K 脉冲电流的上升率（脉冲前沿斜率）；脉冲电流的下降率（脉冲后沿斜率）。43图1-20脉冲电弧的动特性曲线及其形成图 脉冲电弧的电流由于并非连续恒定，而是周期性变化的，因此，电弧的温度、电离状态、弧柱尺寸的变化均滞后于电流的变化。每个瞬间的电弧电阻应由其动特性来决定，图1-20所示为脉冲频率6Hz时动特性曲线的一个实例。 随着脉冲电流波形和频率的不同，动特性曲线的形状也不同。此外，焊丝或电极材料、直径

28、、保护气体的种类等都将对脉冲电弧的动特性有一定影响。1.2焊接电弧的结构和伏安特性1.3交流电弧1.4焊接电弧的分类及其特点441.1焊接电弧的物理本质和引燃1.5焊接电弧力及其种类和影响因素45图1-21流体导体电磁收缩力图1-22圆锥形电弧模型示意图1.5.1电弧力的种类 （1）电磁收缩力根据电工原理，可把一个导体通过的电流看成由无数条方向相同的电流线（i1，i2，）组成，并在线间产生相互吸引的电磁力，使流体导体（如液体、气体）变形产生收缩，如图1-21所示。这个电磁力F1、F2称为电磁收缩力。焊接电弧两端电极尺寸相差悬殊，通常焊条（焊丝）直径很小而工件尺寸很大。电弧在焊条（焊丝）上受到电极尺寸的限制，在工件上则可自由扩展，就形成一个截面不断变化的圆锥体，如图1-2