焊接电弧及其电特性

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1、第1章焊接电弧及其电特性1.1焊接电弧的物理本质和引燃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内容提要本章论述焊接电弧的物理本质、形成、结构和伏安特性，着重研究焊接电弧的电特性及交流电弧燃烧的特点。1.1焊接电弧的物理本质和引燃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，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。1.

2、1.1气体原子的激发、电离和电子发射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。电离的形式在焊接电弧中，根据引起电离的能量来源，有如下三

3、种电离形式：(1)撞击电离(2)热电离(3)光电离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。1.1.2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

4、最常用的引弧方式。图1-2接触引弧示意图1.1.2.2非接触引弧非接触引弧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uyh—引弧电压t—时间1.2焊接电弧的结构和伏安特性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。1.2.1焊接电弧的结构及压降分布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

5、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、电弧等离区。阴极区的宽度约为10-5~10-6cm,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5000～50000K。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、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：1.2.2焊接电弧的电特性焊接电

6、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，简称电弧静特性。可用下列函数表示：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φ=2.4mm）c)熔化极气体保护焊（1，2曲线，焊丝φ=1.6mm）1.2.2.2焊接电弧的动特性所谓焊接电弧的动特性，是

7、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：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，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，还必须研究交流电弧的特点。1.3.1交流电弧的特点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。电弧电压和电流波

8、形发生畸变热惯性作用较为明显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1.3.2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