焊接电弧及其特性

焊接电弧及其特性第1页，课件共42页，创作于2023年2月1第一章焊接电弧及其特性第一节焊接电弧的物理本质和引燃第二节焊接电弧的结构和伏安特性第三节交流电弧第四节焊接电弧的分类及其特点2第一章焊接电弧及其电特性第2页，课件共42页，创作于2023年2月第一节焊接电弧的物理本质和引燃电弧是一段导体导体？电弧是一种气体放电现象气体放电？电弧为什么能够导电？电弧如何引燃？3第一章焊接电弧及其电特性第3页，课件共42页，创作于2023年2月气体原子的激发、电离

和阴极电子发射

气体原子的激发与电离阴极电子发射

引燃电弧并维持电弧燃烧的能量来源主要是两电极间的电场及由其产生的热、光和动能。

维持电弧稳定燃烧的条件是：1.气体原子不断的被激发和电离；2.阴极不断地发射电子。4第一章焊接电弧及其电特性第4页，课件共42页，创作于2023年2月气体原子的激发与电离激发：

气体原子得到外加能量，电子从一个较低的能级跳到另一个较高能级的现象叫“激发”。使原子跃迁至激发状态所需的能量叫“激发能”。电离使气体元素中的电子完全脱离原子核的束缚形成离子和自由电子的过程称为“电离”。由原子形成正离子所需的能量称为“电离能El”

。5第一章焊接电弧及其电特性第5页，课件共42页，创作于2023年2月气体原子的电离形式撞击电离热电离光电离气体原子（或分子）吸收了光射线的光子能而产生的电离。6第一章焊接电弧及其电特性第6页，课件共42页，创作于2023年2月气体离子与电子的复合→中性原子正离子电子（电离）中和中性原子中性原子负离子

吸附、结合电子气体原子与电子的结合→

负离子各种元素与电子形成负离子的倾向决定于它于电子的亲和能Eq

。Eq

越大，形成负离子的倾向越大。7第一章焊接电弧及其电特性第7页，课件共42页，创作于2023年2月电弧中常见气体元素的电离能El、逸出功Wy、亲和能Eq(ev)气体ElEq元素ElEqWy元素ElEqWyHe24.58<0Cu7.721.84.36C11.261.334.45Ar15.76<0Cr6.760.984.59K4.340.302.22N14.530.54Mo7.101.34.29Na5.140.352.33H13.600.8W7.98/4.50B8.300.34.30O13.612.0Fe7.870.854.40F17.423.62/卤族元素（F、Cl、Br、I等）的电子亲和能最大，降低电弧的电离度，影响电弧的稳定性。碱性焊条药皮中含有大量CaF2，因此电弧的稳定性较差。惰性气体（Ar、He)与电子的亲和能最小，所以不可能形成负离子；金属元素介于两者之间。K、Na元素的电离能与亲和能较低，能起到稳弧作用。8第一章焊接电弧及其电特性第8页，课件共42页，创作于2023年2月

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”。气体ElEq元素ElEqWy元素ElEqWyHe24.58<0Cu7.721.84.36C11.261.334.45Ar15.76<0Cr6.760.984.59K4.340.302.22N14.530.54Mo7.101.34.29Na5.140.352.33H13.600.8W7.98/4.50B8.300.34.30O13.612.0Fe7.870.854.40F17.423.62/固态物质表面电子发射所需的能量称为“逸出功WY”。逸出功一般只为电离能的一半。9第一章焊接电弧及其电特性第9页，课件共42页，创作于2023年2月

热发射

光电发射

重粒子撞击发射

强电场作用下的自发射实际焊接过程中的阴极电子发射是若干种发射形式的组合。电子发射种类10第一章焊接电弧及其电特性第10页，课件共42页，创作于2023年2月二.焊接电弧的引燃

接触引弧：是在电源接通后，电极（焊条或焊丝）与工件直接短路接触，随后拉开，在拉开瞬间（小间隙）的强电场作用下引燃电弧。

接触引弧是熔化极焊接时的基本引弧方式。

非接触引弧：在电极与工件间存在一定间隙，由焊接电源施以高压击穿间隙，使电弧引燃。

非接触引弧是非熔化极（钨极）焊接时的基本引弧方式。11第一章焊接电弧及其电特性第11页，课件共42页，创作于2023年2月高频高压引弧高压脉冲引弧图1-3高频和脉冲引弧示意图12第一章焊接电弧及其电特性第12页，课件共42页，创作于2023年2月图1-1引弧过程的电压、电流变化

U0—空载电压Uf—电弧电压if—电弧电流ttiua)接触引弧b）非接触引弧13第一章焊接电弧及其电特性第13页，课件共42页，创作于2023年2月第二节焊接电弧的结构和静特性结构？

——电弧分区及各区域特点

静特性（伏安特性）？

——电弧电压与电流间的关系14第一章焊接电弧及其电特性第14页，课件共42页，创作于2023年2月一.焊接电弧的结构及压降分布阴极区弧柱区阳极区U=Ui+Uy+UzUi、Uy

基本不变，

Uz与弧长成正比。15第一章焊接电弧及其电特性第15页，课件共42页，创作于2023年2月二.焊接电弧的电特性

焊接电弧的静特性：

一定长度的电弧在稳定状态下，电弧电压Uf与焊接电流If之间的关系。

焊接电弧的动特性：

在一定的弧长下，当电弧电流很快变化的时候，电弧电压uf和电流瞬时值if之间的关系。16第一章焊接电弧及其电特性第16页，课件共42页，创作于2023年2月第三节交流电弧（正弦波交流）一.交流电弧的特点二.交流电弧稳定燃烧的条件三.影响交流电弧稳定的因素及稳弧措施四.交流电弧的功率和功率因数17第一章焊接电弧及其电特性第17页，课件共42页，创作于2023年2月一.交流电弧的特点

电弧周期性地熄灭和引燃电流过零—电弧熄灭—电弧空间温度下降—带电质点中和—导电能力下降—当U0>Uyh时，电弧再次引燃。电流过零时间越长，电弧再引燃越困难。

电弧电压和电流波形发生畸变由于电弧电阻随弧柱温度发生交变，因此电弧电压及焊接电流都不再按正弦规律变化。电弧温度交变，热惯性作用较为明显18第一章焊接电弧及其电特性第18页，课件共42页，创作于2023年2月二.交流电弧连续燃烧的条件

在焊接主回路加入电感，使焊接电流的变化滞后于电源电压一个相位角φ。在电流过零时，若电源电压u达到电弧的再引燃电压Uyh

，就可以保持电弧连续燃烧。维持交流电弧连续燃烧条件的数学表达式为：

19第一章焊接电弧及其电特性第19页，课件共42页，创作于2023年2月三.影响交流电弧稳定的因素及稳弧措施引弧电压Uyh电路参数（

L与

R）;电极的热物理性能（

c、a、Tm

)和尺寸空载电压U0电源频率

f采用交流方波电源20第一章焊接电弧及其电特性第20页，课件共42页，创作于2023年2月四.交流电弧的功率和功率因数交流电弧的功率Pf

Pf

是交流电弧在半个周期内的平均功率（或有效功率）交流电弧的功率因数λf

简化后得近似值为：当正弦波交流电流与电压同相位时，λf

＝1一般焊接中为0.85左右。

21第一章焊接电弧及其电特性第21页，课件共42页，创作于2023年2月第四节焊接电弧的分类及其特点按电流种类按电弧状态按电极材料交流电弧直流电弧脉冲电弧自由电弧压缩电弧熔化极非熔化极（钨极）22第一章焊接电弧及其电特性第22页，课件共42页，创作于2023年2月撞击电离——气体原子相互撞击或被其他质点撞击后吸收撞击机械能后所产生的电离。23第一章焊接电弧及其电特性第23页，课件共42页，创作于2023年2月热电离

——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。24第一章焊接电弧及其电特性第24页，课件共42页，创作于2023年2月物质的固体或液体表面受热后电子动能增大，其中某些电子动能大于逸出功时将逸出到表面外的空间中去的现象称为“热发射”。

钨极氩弧焊过程中“热发射”作用明显。25第一章焊接电弧及其电特性第25页，课件共42页，创作于2023年2月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”。26第一章焊接电弧及其电特性第26页，课件共42页，创作于2023年2月能量大的重粒子（如重离子）撞击到阴极上，引起电子的逸出称为“重粒子撞击发射”。27第一章焊接电弧及其电特性第27页，课件共42页，创作于2023年2月受强电场作用，阴极表面形成较大的电位差所导致的电子发射称为“强电场作用下的自发射”。高频或高压非接触式引弧时，自发射作用明显。28第一章焊接电弧及其电特性第28页，课件共42页，创作于2023年2月接触引弧非接触引弧29第一章焊接电弧及其电特性第29页，课件共42页，创作于2023年2月下降特性段平特性段上升特性段电弧静特性不服从一般导体的欧姆定律，弧压与气体介质、电离度、电流密度等因素有关。30第一章焊接电弧及其电特性第30页，课件共42页，创作于2023年2月fIfⅠⅡⅢUUfUiUy图1-6电弧各区域的压降与电流的关系图Uf（阳极区压降）（阴极区压降）（弧柱区压降）（电弧总压降）31第一章焊接电弧及其电特性第31页，课件共42页，创作于2023年2月图1-7几种常用弧焊方法的电弧静特性曲线熔化极气体保护焊埋弧焊药皮焊条电弧焊32第一章焊接电弧及其电特性第32页，课件共42页，创作于2023年2月电流增大，温度滞后上升，弧柱导电性差，压降高于稳态。电流减少，温度滞后下降，弧柱导电性好，压降低于稳态。静特性曲线33第一章焊接电弧及其电特性第33页，课件共42页，创作于2023年2月34第一章焊接电弧及其电特性第34页，课件共42页，创作于2023年2月不连续燃烧连续燃烧埋弧焊电弧电压和电流波形图35第一章焊接电弧及其电特性第35页，课件共42页，创作于2023年2月36第一章焊接电弧及其电特性第36页，课件共42页，创作于2023年2月37第一章焊接电弧及其电特性第37页，课件共42页，创作于2023年2月脉冲电流与熔滴过渡38第一章焊接电弧及其电特性第38页，课件共42页，创作于2023年2月等离子压缩电弧39第一章焊接电弧及其电特性第39页，课件共42页，创作于2023年2月本章结束40第一章焊接电弧及其电特性第40页，课件共42页，创作于2023年2月第一章 复习思考题1．在电弧燃烧过程中会伴随着哪些物理过程？在电路中电弧是什么样的负载属性？2．电离、阴极电子发射有哪些方式？何谓电离能、电子逸出功，两者对电弧的稳定性有何影响？3．焊接电弧的引燃有哪两种方式，分别在什么情况下应用？4．焊接电弧在物理结构上可分为哪几个区，各区域