焊接电弧及其电特性
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2021/4/22
二、压缩电弧
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。等离子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： 1、转移型等离子弧 电极接负极，工件接正极，等离子 弧产生于电极和工件之间。 2、非转移型等离子弧 电极接负极，喷嘴接正极，等离子 弧产生于电极与喷嘴之间。 3、混合型等离子弧
第一章 焊接电弧及其电特性 第一节 焊接电弧的物理本质及其引燃
研究意义：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。 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。 特性：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具备两个条件： (1) 两电极之间有带电粒子 (2) 两电极之间有电场
U
焊条电弧焊
细丝
a
小电流 钨极氩
埋弧焊、 不熔化 极气体 保护焊、
熔化 极气 体保 护焊
弧焊
微束等 离子弧 焊
等离 子弧 焊、 水下
焊 Ia
手工焊
埋弧焊
CO2气体保护焊 氩弧焊
(二)、焊接电弧的动特性
焊接电弧的动特性，是指在一定弧长下，当电弧电流很快变化 时，电弧电压和电流之间的关系：Uf=f(if)，由于热惯性对电离 度的影响，焊接电弧的动特性曲线不同于静特性曲线特性
2021/4/22
2、电感性电路
ui
Uyh
a
Φ
Uf
if
b
uf
uc
d
ωt
分析：要使交流电弧稳定燃烧，应保证焊接回路中有足够大的电 感，从而使得电流滞后于电压一个相位角，电流改变极性时另一 半波的电压已经大于电弧再引燃电压，电弧立即反向恢复燃烧。
2021/4/22
交流电源供电原理图 上面原理图的电压平衡方程
阴极区：长度极短10-510-6cm 、电压较大、E电场强度极高 阳极区：长度也极短10-210-4cm 、电压较大、E极高 弧柱区：长度基本上等于电弧长度，E较小
二．焊接电弧的电特性
(一)、焊接电弧的静特性 在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧时 ，焊接电流和电弧电压变化的关系，又称伏安特性。 Ⅰ段：电弧电压随电流的增加而下降，是下降特性段
2021/4/22
UmsinUyh (3)
(2)式和(3)式联立: U0 1 Uy2h2
Uf
2 U2f 4
为了保证电弧连续燃烧，电源空载电压（为交
流有效值）U0、电弧电压Uf及引燃电压Uyh之间必 须保持一定的关系。
2021/4/22
Uyh/ Uf
三、影响交流电弧稳定燃烧的因素和提高电弧稳定性的 措施
2021/4/22
Pf
0.905U02K XL
12 K2
8
式中， K Uf U0
；XL
L
m
0.4
0.8
K
（二）交流电弧的功率因数
交流电弧的功率因数λf是指交流电弧的有效功率Pf与 电弧电压和电弧电流有效值乘积之比值。即：
λf＝ Pf/(Uf.If )
2
1
K2
f
0.905 8 11.18K2
在焊接中， λf＝ 0.89～0.90，总是小于1的。
一．气体原子的激发、电离和电子发射
1．气体原子的激发
+
激发
-
气体原子得到外 加能量电子从低 能级跃迁到高能 级，这时原子处 于“激发”状态
电离 电子完全脱离原
- 子核的束缚形成
自由电子的过程 程称为“电离”
由原子形成正离子所需要的能量称为电离能
2．气体原子的电离
（1）撞击电离：在电场中，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。 （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。
Ⅱ段：呈等压特性，即 电弧电压不随电流的变 化而变化，是平特性段
Ⅲ段：电弧电压随电流的 增加而上升，是上升特性 段
弧柱区电压
U ZIfR ZIf SZ lZZjZlZ Z
下降段:负阻特性区,电流增加，弧柱截面积更快增加，电流密度jZ下
降；电弧温度增加，电离度增加，γZ增加，电弧电压下降，呈现下
维持了电弧所需要的电场、产生了大量的光和热， 以及带电粒子的运动，包括热运动和电场定向运动 的动能。 3.作用结果：引起电极表面电子发射，导致气体原子的激发、电 离，从而维持了电弧的气体放电。 4.复合过程：同时存在正离子和电子复合成中性原子，以及原 子、分子吸附电子复合成负离子的过程。
． 二 焊接电弧的引燃
压引弧和高压脉冲引弧。前者是在工频电源的半波时间内振 荡一小段时间，频率为150-250kHz,电压峰值20003000V,后者每半波产生一个3000-5000V的高压脉冲。
应用场合:钨极氩弧焊和等离子弧焊。
第二节 焊接电弧的结构以及伏安特性
一、焊接电弧的结构以及压降分布
三个区域：阳极区 阴极区 弧柱区
a) 气体放电
b)金属导电
非自持放电：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（加热、施加一定能量的光子等等）。
自持放电：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子。
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
i
ip
t0
2021/4/22
i0
tp
t
脉冲电弧的电流波形有多种形式，如矩形波脉冲、梯形波脉 冲、正弦波脉冲和三角形波脉冲等
2021/4/22
2021/4/22
脉冲电流的参数
⑴ 脉冲电流 主要决定熔池形状（尤其熔深大小）和熔滴过渡形 式。
⑵ 基值电流 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。
⑶ 脉冲持续时间 主要影响焊缝热输入和熔池形状（大小）。
⑷ 基值持续时间 对焊缝的热输入、焊丝的预热有影响电流快速减小时，由于电 弧电离度较高，电弧电压 低于静态值，V-A特性曲 线地于静特性曲线。
电流快速增加时，由于电弧电离 度较低，电弧电压高于静态值， V-A特性曲线高于静特性曲线。
电流增加过程中，动态性曲线上的电弧电压比静特性曲 线上的电弧电压值高；电流下降时，每一瞬间电弧电压 低于静特性曲线。 电流变化速度愈小，静、动特性曲线就愈接近。
6．电极的热物理性能和尺寸 2021/4/22
（二）提高交流电弧稳定性的措施 1．提高弧焊电源频率 2．提高电源的空载电压 3．改善电弧电流的波形 4．叠加高压电
2021/4/22
四、交流电弧的功率和功率因数
（一）、交流电弧的功率Pf
结论：为保持电弧的 Pf 稳定燃烧和电弧功率 的稳定，K值最好取 在0.4～0.637之间， 即要求 2.5>(Uo/Uf)>1.57
（一）接触引弧 接触点面积小，电流密度大，发热，熔化，汽化，引起热
发射以及热电离，拉开时发生强场发射，带电质点被加速，碰 撞，引起撞击电离，并进一步引起光电离和热电离从而维持电 弧的稳定燃烧。
应用场合： 焊条电弧焊 熔化极气体保护焊
（二）非接触引弧 用高电压击穿间隙使电弧引燃。引弧器有两种，高频高
2021/4/22
第四节 焊接电弧的分类及其特点
一 、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。 （一）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，通常采 用惰性气体保护。 （二）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。
第三节 交流电弧
一、交流电弧的特性 1、电弧周期性地引燃和熄灭 2、电弧电压和电流发生畸变 3、热惯性作用较为明显
2021/4/22
二、交流电弧连续燃烧的条件
1、纯电阻电路
平衡方程 U m sitn u h ihR
分析：电源电压和 电流同相位，电流 过零后到下一周波 电压等于再引燃电 压之间，有一段间 隔时间，造成熄弧， 不能满足电弧稳定 燃烧的要求。
2021/4/22
1、转移型等离子弧(b) 电极接负极，工件接正极，等离子弧产 生于电极和工件之间。 2、非转移型等离子弧(a) 电极接负极，喷嘴接正极，等离子弧产 生于电极与喷嘴之间。 3、2混021/合4/22型等离子弧(c)
三、脉冲电弧
电流为脉冲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，电弧电流从基本的维弧电流幅值周期的 增大到脉冲电流幅值。可看成由维持电弧和脉冲电弧两种电弧 组成。维持电弧用于维持电弧的连续燃烧；脉冲电弧用于加热 工件和焊丝，并使熔滴从焊丝脱落和向工件过渡。
常见气体及元素的电离能EL(eV)
3. 电子发射
阴极表面的分子或原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,电子发射所需要的能量成为逸出功 Wy 。
（1）热发射 固态或者液态物质表面受热后其中的某些电子 具有大于逸出功的动能而逸出到表面以外的空间中去。
（2） 光电发射 固态或者液态物质表面接受光射线的能量 而释放出自由电子的现象。
U m si n t()U fLd d fti (1)
2021/4/22
求解(1)式,代入初始条件:t=0时,if=0
if
U m c o c so t s U f t
X L
X L
电弧稳定燃烧条件一: t时i， f 0
cos Uf
(2)
2Um
电弧稳定燃烧条件二: t 0 时， u大于引弧电压
（3）重粒子撞击发射 能量大的重粒子撞击到阴极上， 引起电子的逸出。
（4）自发射 固态或者液态物质表面存在强电场，使阴极 有较多的电子发射出来，又称为场强发射。
常见材料的逸出功 复合电极材料的逸出功
总结：
1.焊接电弧是气体放电的一种形式 2.能量来源：焊接电源提供了空载以及焊接电压、电流，形成和
U a
L2 >L1 L2
L1
电弧长度对电弧静特性的影响
周围气体种类
焊接电弧静特性的应用 对于不同的焊接方法，电弧静特性曲线有所不同。静特性下降
段电弧燃烧不稳定而很少采用。 焊条电弧焊、埋弧焊多半工作在静特性水平段。 熔化极气体保护焊、微束等离子弧焊、等离子弧焊也多半工作
在水平段，当焊接电流很大时才工作在上升段。 熔化极气体保护焊和水下焊接基本上工作在上升段。
（一）影响交流电弧稳定燃烧的因素
1．空载电压 愈高，电弧就愈稳定。
U0 1 Uy2h2
Uf
2 U2f 4
2021/4/22
2．引燃电压 3．电路参数
愈高，电弧愈不稳定，引燃愈困难。
U0 1 Uy2h2
Uf
2 U2f 4
增大L或减小R可使电弧趋向稳定地连续燃烧。
2021/4/22
4．电弧电流 电弧电流愈大，电弧的稳定性愈高。 5．电源频率 f提高有利于提高电弧的稳定性。
降特性。
平直段:平特性区,电流增加，If和Sf成比例增加，电流密度Jz ，电
导率γZ不变，电弧电压不变，呈现平特性。
上升段: 电流增加，电弧面积不 Uf 再增加，从而电流密度增加，而 电离度已达饱和，电导率基本不 变，从而岁电流增加，电弧电压 增加，呈现上升特性。
Ⅰ Ⅱ
Ⅲ Uf If
影响电弧静特性的因素： 电弧长度
二、压缩电弧
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。等离子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： 1、转移型等离子弧 电极接负极，工件接正极，等离子 弧产生于电极和工件之间。 2、非转移型等离子弧 电极接负极，喷嘴接正极，等离子 弧产生于电极与喷嘴之间。 3、混合型等离子弧
第一章 焊接电弧及其电特性 第一节 焊接电弧的物理本质及其引燃
研究意义：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。 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。 特性：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具备两个条件： (1) 两电极之间有带电粒子 (2) 两电极之间有电场
U
焊条电弧焊
细丝
a
小电流 钨极氩
埋弧焊、 不熔化 极气体 保护焊、
熔化 极气 体保 护焊
弧焊
微束等 离子弧 焊
等离 子弧 焊、 水下
焊 Ia
手工焊
埋弧焊
CO2气体保护焊 氩弧焊
(二)、焊接电弧的动特性
焊接电弧的动特性，是指在一定弧长下，当电弧电流很快变化 时，电弧电压和电流之间的关系：Uf=f(if)，由于热惯性对电离 度的影响，焊接电弧的动特性曲线不同于静特性曲线特性
2021/4/22
2、电感性电路
ui
Uyh
a
Φ
Uf
if
b
uf
uc
d
ωt
分析：要使交流电弧稳定燃烧，应保证焊接回路中有足够大的电 感，从而使得电流滞后于电压一个相位角，电流改变极性时另一 半波的电压已经大于电弧再引燃电压，电弧立即反向恢复燃烧。
2021/4/22
交流电源供电原理图 上面原理图的电压平衡方程
阴极区：长度极短10-510-6cm 、电压较大、E电场强度极高 阳极区：长度也极短10-210-4cm 、电压较大、E极高 弧柱区：长度基本上等于电弧长度，E较小
二．焊接电弧的电特性
(一)、焊接电弧的静特性 在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧时 ，焊接电流和电弧电压变化的关系，又称伏安特性。 Ⅰ段：电弧电压随电流的增加而下降，是下降特性段
2021/4/22
UmsinUyh (3)
(2)式和(3)式联立: U0 1 Uy2h2
Uf
2 U2f 4
为了保证电弧连续燃烧，电源空载电压（为交
流有效值）U0、电弧电压Uf及引燃电压Uyh之间必 须保持一定的关系。
2021/4/22
Uyh/ Uf
三、影响交流电弧稳定燃烧的因素和提高电弧稳定性的 措施
2021/4/22
Pf
0.905U02K XL
12 K2
8
式中， K Uf U0
；XL
L
m
0.4
0.8
K
（二）交流电弧的功率因数
交流电弧的功率因数λf是指交流电弧的有效功率Pf与 电弧电压和电弧电流有效值乘积之比值。即：
λf＝ Pf/(Uf.If )
2
1
K2
f
0.905 8 11.18K2
在焊接中， λf＝ 0.89～0.90，总是小于1的。
一．气体原子的激发、电离和电子发射
1．气体原子的激发
+
激发
-
气体原子得到外 加能量电子从低 能级跃迁到高能 级，这时原子处 于“激发”状态
电离 电子完全脱离原
- 子核的束缚形成
自由电子的过程 程称为“电离”
由原子形成正离子所需要的能量称为电离能
2．气体原子的电离
（1）撞击电离：在电场中，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。 （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。
Ⅱ段：呈等压特性，即 电弧电压不随电流的变 化而变化，是平特性段
Ⅲ段：电弧电压随电流的 增加而上升，是上升特性 段
弧柱区电压
U ZIfR ZIf SZ lZZjZlZ Z
下降段:负阻特性区,电流增加，弧柱截面积更快增加，电流密度jZ下
降；电弧温度增加，电离度增加，γZ增加，电弧电压下降，呈现下
维持了电弧所需要的电场、产生了大量的光和热， 以及带电粒子的运动，包括热运动和电场定向运动 的动能。 3.作用结果：引起电极表面电子发射，导致气体原子的激发、电 离，从而维持了电弧的气体放电。 4.复合过程：同时存在正离子和电子复合成中性原子，以及原 子、分子吸附电子复合成负离子的过程。
． 二 焊接电弧的引燃
压引弧和高压脉冲引弧。前者是在工频电源的半波时间内振 荡一小段时间，频率为150-250kHz,电压峰值20003000V,后者每半波产生一个3000-5000V的高压脉冲。
应用场合:钨极氩弧焊和等离子弧焊。
第二节 焊接电弧的结构以及伏安特性
一、焊接电弧的结构以及压降分布
三个区域：阳极区 阴极区 弧柱区
a) 气体放电
b)金属导电
非自持放电：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（加热、施加一定能量的光子等等）。
自持放电：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子。
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
i
ip
t0
2021/4/22
i0
tp
t
脉冲电弧的电流波形有多种形式，如矩形波脉冲、梯形波脉 冲、正弦波脉冲和三角形波脉冲等
2021/4/22
2021/4/22
脉冲电流的参数
⑴ 脉冲电流 主要决定熔池形状（尤其熔深大小）和熔滴过渡形 式。
⑵ 基值电流 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。
⑶ 脉冲持续时间 主要影响焊缝热输入和熔池形状（大小）。
⑷ 基值持续时间 对焊缝的热输入、焊丝的预热有影响电流快速减小时，由于电 弧电离度较高，电弧电压 低于静态值，V-A特性曲 线地于静特性曲线。
电流快速增加时，由于电弧电离 度较低，电弧电压高于静态值， V-A特性曲线高于静特性曲线。
电流增加过程中，动态性曲线上的电弧电压比静特性曲 线上的电弧电压值高；电流下降时，每一瞬间电弧电压 低于静特性曲线。 电流变化速度愈小，静、动特性曲线就愈接近。
6．电极的热物理性能和尺寸 2021/4/22
（二）提高交流电弧稳定性的措施 1．提高弧焊电源频率 2．提高电源的空载电压 3．改善电弧电流的波形 4．叠加高压电
2021/4/22
四、交流电弧的功率和功率因数
（一）、交流电弧的功率Pf
结论：为保持电弧的 Pf 稳定燃烧和电弧功率 的稳定，K值最好取 在0.4～0.637之间， 即要求 2.5>(Uo/Uf)>1.57
（一）接触引弧 接触点面积小，电流密度大，发热，熔化，汽化，引起热
发射以及热电离，拉开时发生强场发射，带电质点被加速，碰 撞，引起撞击电离，并进一步引起光电离和热电离从而维持电 弧的稳定燃烧。
应用场合： 焊条电弧焊 熔化极气体保护焊
（二）非接触引弧 用高电压击穿间隙使电弧引燃。引弧器有两种，高频高
2021/4/22
第四节 焊接电弧的分类及其特点
一 、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。 （一）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，通常采 用惰性气体保护。 （二）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。
第三节 交流电弧
一、交流电弧的特性 1、电弧周期性地引燃和熄灭 2、电弧电压和电流发生畸变 3、热惯性作用较为明显
2021/4/22
二、交流电弧连续燃烧的条件
1、纯电阻电路
平衡方程 U m sitn u h ihR
分析：电源电压和 电流同相位，电流 过零后到下一周波 电压等于再引燃电 压之间，有一段间 隔时间，造成熄弧， 不能满足电弧稳定 燃烧的要求。
2021/4/22
1、转移型等离子弧(b) 电极接负极，工件接正极，等离子弧产 生于电极和工件之间。 2、非转移型等离子弧(a) 电极接负极，喷嘴接正极，等离子弧产 生于电极与喷嘴之间。 3、2混021/合4/22型等离子弧(c)
三、脉冲电弧
电流为脉冲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，电弧电流从基本的维弧电流幅值周期的 增大到脉冲电流幅值。可看成由维持电弧和脉冲电弧两种电弧 组成。维持电弧用于维持电弧的连续燃烧；脉冲电弧用于加热 工件和焊丝，并使熔滴从焊丝脱落和向工件过渡。
常见气体及元素的电离能EL(eV)
3. 电子发射
阴极表面的分子或原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,电子发射所需要的能量成为逸出功 Wy 。
（1）热发射 固态或者液态物质表面受热后其中的某些电子 具有大于逸出功的动能而逸出到表面以外的空间中去。
（2） 光电发射 固态或者液态物质表面接受光射线的能量 而释放出自由电子的现象。
U m si n t()U fLd d fti (1)
2021/4/22
求解(1)式,代入初始条件:t=0时,if=0
if
U m c o c so t s U f t
X L
X L
电弧稳定燃烧条件一: t时i， f 0
cos Uf
(2)
2Um
电弧稳定燃烧条件二: t 0 时， u大于引弧电压
（3）重粒子撞击发射 能量大的重粒子撞击到阴极上， 引起电子的逸出。
（4）自发射 固态或者液态物质表面存在强电场，使阴极 有较多的电子发射出来，又称为场强发射。
常见材料的逸出功 复合电极材料的逸出功
总结：
1.焊接电弧是气体放电的一种形式 2.能量来源：焊接电源提供了空载以及焊接电压、电流，形成和
U a
L2 >L1 L2
L1
电弧长度对电弧静特性的影响
周围气体种类
焊接电弧静特性的应用 对于不同的焊接方法，电弧静特性曲线有所不同。静特性下降
段电弧燃烧不稳定而很少采用。 焊条电弧焊、埋弧焊多半工作在静特性水平段。 熔化极气体保护焊、微束等离子弧焊、等离子弧焊也多半工作
在水平段，当焊接电流很大时才工作在上升段。 熔化极气体保护焊和水下焊接基本上工作在上升段。
（一）影响交流电弧稳定燃烧的因素
1．空载电压 愈高，电弧就愈稳定。
U0 1 Uy2h2
Uf
2 U2f 4
2021/4/22
2．引燃电压 3．电路参数
愈高，电弧愈不稳定，引燃愈困难。
U0 1 Uy2h2
Uf
2 U2f 4
增大L或减小R可使电弧趋向稳定地连续燃烧。
2021/4/22
4．电弧电流 电弧电流愈大，电弧的稳定性愈高。 5．电源频率 f提高有利于提高电弧的稳定性。
降特性。
平直段:平特性区,电流增加，If和Sf成比例增加，电流密度Jz ，电
导率γZ不变，电弧电压不变，呈现平特性。
上升段: 电流增加，电弧面积不 Uf 再增加，从而电流密度增加，而 电离度已达饱和，电导率基本不 变，从而岁电流增加，电弧电压 增加，呈现上升特性。
Ⅰ Ⅱ
Ⅲ Uf If
影响电弧静特性的因素： 电弧长度