弧焊电源及其数字化控制第2版黄石生第1章 焊接电弧及其电特性.pptx

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1、第1章焊接电弧及其电特性华南理工大学主讲人：黄石生教授、薛家祥教授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21.1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。31.1.1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

2、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

3、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)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。41.1.1.2电子发射在阴极表面的原子或分子，接受外界的能

4、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，φy以表示。物质的逸出功一般约为电离能的1/2~1/4。逸出功不仅与元素种类有关，也与物质表面状态有很大关系。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

5、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。5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

6、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，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。61.1.2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71.1.2.1接触引弧接触引弧即是在弧焊电源接

7、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)。8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，

8、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