1、第1章 焊接电弧及其电特性1.1 1.1 焊接电弧的物理本质及其引燃焊接电弧的物理本质及其引燃研究意义研究意义：弧焊电源是电弧能量的供应者，其电特性影响：弧焊电源是电弧能量的供应者，其电特性影响到电弧燃烧的稳定性，从而直接影响到焊缝的质量。到电弧燃烧的稳定性，从而直接影响到焊缝的质量。焊接电弧：在电极与工件之间的气体中，产生持久、强烈的自焊接电弧：在电极与工件之间的气体中，产生持久、强烈的自 持放电现象。持放电现象。特性：特性：电压低、电流大、温度高、发光强。电压低、电流大、温度高、发光强。要使两电极之间的气体导电必须要使两电极之间的气体导电必须具备两个条件具备两个条件：(1) (1) 两电极
2、之间有带电粒子两电极之间有带电粒子 (2) (2) 两电极之间有电场两电极之间有电场 非自持放电非自持放电：气体导电所需要的带电粒子不能通过导气体导电所需要的带电粒子不能通过导电过程本身产生，而需要外加措施来产生带电粒子电过程本身产生，而需要外加措施来产生带电粒子（加热、施加一定能量的光子等等）。（加热、施加一定能量的光子等等）。自持放电自持放电：当电流大于一定值时，一旦放电开始，气当电流大于一定值时，一旦放电开始，气体导电过程本身就可以产生维持导电所需要的带电粒体导电过程本身就可以产生维持导电所需要的带电粒子。子。a) a) 气体放电气体放电b)b)金属导电金属导电电弧是低压、大电流、产生高
3、温、强光的一种自持气体放电现象电弧是低压、大电流、产生高温、强光的一种自持气体放电现象1.1.11.1.1气体原子的激发、电离和电子发射气体原子的激发、电离和电子发射1 1气体原子的激发气体原子的激发+-气体原子得到外加能气体原子得到外加能量电子从低能级跃迁量电子从低能级跃迁到高能级，这时原子到高能级，这时原子处于处于“激发激发”状态状态电子完全脱离原子核电子完全脱离原子核的束缚形成自由电子的束缚形成自由电子的过程称为的过程称为“电离电离”激发激发电离电离由原子形成正离子所需要的能量称为由原子形成正离子所需要的能量称为电离能电离能2 2气体原子的电离气体原子的电离 （1 1）撞击电离撞击电离：
4、在：在电场电场中，被加速的带电质点（电子、中，被加速的带电质点（电子、离子）和中性质点（原子）碰撞后发生的电离。离子）和中性质点（原子）碰撞后发生的电离。（2 2）热电离热电离：在：在高温高温下，具有高动能的气体原子（或下，具有高动能的气体原子（或分子）互相碰撞而引起的电离。分子）互相碰撞而引起的电离。（3 3）光电离光电离：气体原子（或分子）吸收了光射线的：气体原子（或分子）吸收了光射线的光光子能子能而产生的电离。而产生的电离。常见气体及元素的电离能常见气体及元素的电离能E EL L( (e eV)V)气体离子与电子的复合气体离子与电子的复合 中性原子中性原子正离子正离子电子电子 （电离）（
5、电离）中和中和中性原子中性原子中性原子中性原子负离子负离子 吸附、结合吸附、结合电子电子气体原子与电子的结合气体原子与电子的结合 负离子负离子各种元素与电子形成负离子的倾向决定于电子的亲各种元素与电子形成负离子的倾向决定于电子的亲和能和能 Eq 。 Eq 越大，形成负离子的倾向越大。越大，形成负离子的倾向越大。电弧中常见气体元素的电离能电弧中常见气体元素的电离能 E El l、逸出功、逸出功 W Wy y、亲和、亲和能能 E Eq q(ev)(ev)气体E El lE Eq q元素元素E El lE Eq qW Wy y元素E El lE Eq qW Wy yHe24.580Cu7.721.8
6、4.36C11.261.334.45Ar15.760Cr6.760.984.59K4.340.302.22N14.530.54Mo7.101.34.29Na5.140.352.33H13.600.8W7.98/4.50B8.300.34.30O13.612.0Fe7.870.854.40F17.423.62/卤族元素卤族元素（F、Cl、Br、I 等）的电子亲和能最大，降低电弧等）的电子亲和能最大，降低电弧的电离度，影响电弧的稳定性。的电离度，影响电弧的稳定性。碱性焊条药皮中含有大量碱性焊条药皮中含有大量CaF2，因此电弧的稳定性较差。，因此电弧的稳定性较差。惰性体惰性体（Ar、He)与电子的亲
7、和能最小，所以与电子的亲和能最小，所以不可能形成负离子；不可能形成负离子；金属元素金属元素介于两者之间。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。 在阴极表面的原子或分子，接受外界的能量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而释放出自由电子的现象称为“电子发射电子发射”。气体E El lE Eq q元素元素E El lE Eq qW Wy y元素E El lE Eq qW Wy yHe24.580Cu7.721.84.36C11.261.334.45Ar15.76(U2.5(Uo o/U/Uf f)1.57)1.57 交流电弧的功率因数交流电弧
8、的功率因数f f是指交流电弧的有效功率是指交流电弧的有效功率P Pf f与电弧电压和电弧电流有效值乘积之比值。即：与电弧电压和电弧电流有效值乘积之比值。即：f f P Pf f/(U/(Uf f.I.If f ) )在焊接中，在焊接中， f f 0.890.890.900.90，总是小于，总是小于1 1的。的。1.3.4.21.3.4.2交流电弧的功率因数交流电弧的功率因数22218.1181905.0KKfv按电流种类按电流种类v按电弧状态按电弧状态v按电极材料按电极材料交交 流流 电电 弧弧直直 流流 电电 弧弧脉脉 冲冲 电电 弧弧自自 由由 电电 弧弧压压 缩缩 电电 弧弧熔熔 化化
9、极极非非 熔熔 化化 极（钨极）极（钨极）1.4 1.4 焊接电弧的分类及其特点焊接电弧的分类及其特点1.4.11.4.1自由电弧自由电弧 自由电弧可分为不熔化极电弧和熔化极电弧两种。自由电弧可分为不熔化极电弧和熔化极电弧两种。 1.4.1.11.4.1.1不熔化极焊接电弧不熔化极焊接电弧 电极本身在焊接过程中不熔化，没有金属熔滴过电极本身在焊接过程中不熔化，没有金属熔滴过渡，通常采用惰性气体保护。渡，通常采用惰性气体保护。1.4.1.21.4.1.2熔化极焊接电弧熔化极焊接电弧 在焊接电弧燃烧过程中，电极不断熔化并过渡在焊接电弧燃烧过程中，电极不断熔化并过渡到焊接工件上去。根据电弧是否可见又
10、分为明弧和到焊接工件上去。根据电弧是否可见又分为明弧和埋弧两类。埋弧两类。1.4.21.4.2压缩电弧压缩电弧 把自由电弧的弧柱强迫压缩，即得到一种比一把自由电弧的弧柱强迫压缩，即得到一种比一般电弧温度更高、能量更集中的热源，即压缩电弧。般电弧温度更高、能量更集中的热源，即压缩电弧。等离子弧等离子弧即为以一种典型的压缩电弧。即为以一种典型的压缩电弧。等离子弧又分为以下三种形式：等离子弧又分为以下三种形式：1 1、转移型等离子弧、转移型等离子弧 电极接负极，工件接正极，电极接负极，工件接正极，等离子弧产生于电极和工件之间。等离子弧产生于电极和工件之间。2 2、非转移型等离子弧、非转移型等离子弧
11、电极接负极，喷嘴接正极，电极接负极，喷嘴接正极，等离子弧产生于电极与喷嘴之间。等离子弧产生于电极与喷嘴之间。3 3、混合型等离子弧、混合型等离子弧1 1、转移型等离子弧、转移型等离子弧(a)(a) 电极接负极，工件接正极，等电极接负极，工件接正极，等离子弧产生于电极和工件之间。离子弧产生于电极和工件之间。2 2、非转移型等离子弧、非转移型等离子弧(b)(b) 电极接负极，喷嘴接正极，电极接负极，喷嘴接正极，等离子弧产生于电极与喷嘴之间。等离子弧产生于电极与喷嘴之间。3 3、混合型等离子弧、混合型等离子弧(c)(c)1.4.3 脉冲电弧脉冲电弧 电流为脉冲波形的电弧称为脉冲电弧。可分为电流为脉冲
12、波形的电弧称为脉冲电弧。可分为直流和交流。它与一般电弧区别在于，电弧电流从直流和交流。它与一般电弧区别在于，电弧电流从基本的基本的维弧电流维弧电流幅值周期的增大到幅值周期的增大到脉冲电流脉冲电流幅值。幅值。可看成由维持电弧和脉冲电弧两种电弧组成。可看成由维持电弧和脉冲电弧两种电弧组成。维持电弧维持电弧用于维持电弧的连续燃烧；用于维持电弧的连续燃烧；脉冲电弧脉冲电弧用于加热工件和焊丝，并使熔滴从焊丝脱用于加热工件和焊丝，并使熔滴从焊丝脱落和向工件过渡。落和向工件过渡。脉冲电流的参数脉冲电流的参数 i it tipi0t0tp 脉冲电流脉冲电流 主要决定熔池形状（尤其熔深大主要决定熔池形状（尤其熔
13、深大小）和熔滴过渡形式。小）和熔滴过渡形式。 基值电流基值电流 主要作用是维持电弧的燃烧，同时主要作用是维持电弧的燃烧，同时对焊缝的热输入、焊丝的预热有影响。对焊缝的热输入、焊丝的预热有影响。 脉冲持续时间脉冲持续时间 主要影响焊缝热输入和熔池形主要影响焊缝热输入和熔池形状（大小）。状（大小）。 基值持续时间基值持续时间 对焊缝对焊缝的热输入、焊丝的预热有影的热输入、焊丝的预热有影响，同时影响焊接效率（焊响，同时影响焊接效率（焊接速度）。接速度）。 （5 5）占空比：脉冲周期中脉冲时间所占的百分比）占空比：脉冲周期中脉冲时间所占的百分比脉冲电弧的电流波形有多种形式，如矩形波脉冲、脉冲电弧的电流
14、波形有多种形式，如矩形波脉冲、梯形波脉冲、正弦波脉冲和三角形波脉冲等梯形波脉冲、正弦波脉冲和三角形波脉冲等本本 章章 结结 束束第一章 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？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离能、电子逸出功，两者对电弧的稳定性有何影响？有何影响？3焊接电弧的引燃有哪两种方式，分别在什焊接电弧的引燃有哪两种方式，分别在什么情况下应用？么情况下应用？4焊接电弧在物理结构上可分为哪几个区，焊接电
15、弧在物理结构上可分为哪几个区，各区域有何特点？各区域有何特点？5何谓电弧的静特性、动特性，如何解释电弧的静何谓电弧的静特性、动特性，如何解释电弧的静特性曲线？焊接电弧的静特性曲线会受到哪些因特性曲线？焊接电弧的静特性曲线会受到哪些因素的影响？素的影响？6电弧的静特性曲线可分为哪几个区段？实用的几电弧的静特性曲线可分为哪几个区段？实用的几种焊接电弧静特性通常位于哪个区段？种焊接电弧静特性通常位于哪个区段？7 交流电弧与直流电弧相比有何特点？交流电弧连交流电弧与直流电弧相比有何特点？交流电弧连续燃烧的条件是什么？哪些因素会影响交流电弧续燃烧的条件是什么？哪些因素会影响交流电弧的稳定性，从弧焊电源方面考虑，可采取哪些措的稳定性，从弧焊电源方面考虑，可采取哪些措施来提高其稳定性？施来提高其稳定性？8焊接电弧从特性上可分为哪些种类？各种焊接电焊接电弧从特性上可分为哪些种类？各种焊接电弧的典型特征是什么？弧的典型特征是什么？
