电弧的基本理论共40页文档
第一章电弧焊基础知识
第一章电弧焊基础知识第一节焊接电弧目的与要求：了解电弧的实质、获得的途径、电弧各区域及其导电机构的特点、能量与温度的分布规律；掌握电弧偏吹的概念及影响因素、解决措施。
一、焊接电弧的物理基础（一）电弧及其电场强度分布电弧的实质：气体放电（导电）电弧的特点：低电压、大电流、温度高、亮度大（二）电弧中带电粒子的产生获得电弧的途径：气体电离+电子发射1、电离的种类：热电离场致电离光电离电离能及其与引弧的关系2、（阴极）电子发射热发射场致发射光发射粒子碰撞发射逸出功及其与引弧的关系1、电离的种类：热电离场致电离光电离电离能及其与引弧的关系2、（阴极）电子发射热发射场致发射光发射粒子碰撞发射逸出功及其与引弧的关系二、焊接电弧的导电特性电弧的三个区域：阴极区弧柱区阳极区（一）弧柱区的导电特性最小电压原理（难点，通过水珠的形状与能量的关系辅以解释说明）（二）阴极区的导电特性1、热发射型2、电场发射型阴极斑点（三）阳极区的导电特1、阳极斑点2、阳极区导电形式三、焊接电弧的工艺特性电弧的工艺特性主要包括：热能特性、力学特性、电弧稳定性等。
（一）电弧的热能特性1、电弧热的形成机构电弧的弧柱、阴极区、阳极区的产热特性各不相同。
⑴弧柱的产热⑵阴极区的产热特性⑶阳极区的产热特性2、电弧的温度分布⑴轴向－两极区低弧柱区高⑵径向－中心高四周低3、焊接电弧的热效率及能量密度电弧产热的一部分热量会通过对流、传导、辐射等形式散失，所以会存在热效率问题。
能量密度分布：轴向－两极区大弧柱区小径向－中心大四周小（二）、电弧的力学特性1、电弧力类型及作用（重点）电磁（收缩）力——使电弧获得刚直性，促进熔滴过渡等离子流力——促进熔滴过渡斑点（压）力——阴极＞阳极／阻碍熔滴过渡电极材料蒸发的反作用力——阴极＞阳极／阻碍熔滴过渡熔滴(droplet)冲击力——对熔池造成冲击短路爆破力——短路时产生，导致飞溅2、电弧力的主要影响因素气体介质、焊接电流和电压、焊丝（条）直径、极性和电极端部形状等。
电气设备中的电弧理论
4
阴极
自由电子
阳极
炙热的电流斑产生热电子发射
5
强电场
U
阴极
自由电子
阳极
强电场发射
6
强电场
U
阴极
自由电子 中性质点
阳极
正离子
碰撞游离
7
阴极
阳极
电弧开始燃烧
8
阴极
自由电子 中性质点
阳极
正离子
电弧高温所产生的热 游离维持电弧的燃烧
9
电弧燃烧中的复合去游离
阴极
自由电子 中性质点
阳极
正离子
复合去游离的强弱取决于 离子间的相对速度与 距离
15
速拉灭弧法
冷却灭弧法 吹弧灭弧法 粗弧分细灭弧法
常用的熄弧方法
降低电弧温度
长弧切短灭弧法 真空灭弧法
增大电弧上的压降 利用真空较高的绝缘强度
16
横
吹
阴极
阳极
气流，油流
17
纵
吹
阴极
阳极
18
长弧切短-栅片灭弧
阴极
阳极
19
灭弧室
20
开关电器中的灭弧方法和装置
• 触头在通断过程中产生的电弧会烧损 触头，造成其它故障。 • 对于通断大电流电路的电器，如接触 器、断路器等，这个问题更为突出， 因此开关电器要有较完善的灭弧装置。
23
（3）磁吹灭弧
• 利用电弧在磁场中受力， 将电弧拉长，并使电弧 在冷却的灭弧罩窄缝隙 中运动，产生强烈的去 游离作用，从而将电弧 熄灭。 • 电弧两侧的合成磁通不 相等，下侧大于上侧， 因此，产生强烈的电磁 力将电弧向上侧推动， 并使电弧急速进入灭弧 罩，电弧被拉长并受到 冷却而很快被熄灭。
焊接电弧的基础知识共47页文档
31、园日涉以成趣，门虽设而常关。 32、鼓腹无所思。朝起暮归眠。 33、倾壶绝余沥，窥灶不见烟。
34、春秋满四泽，夏云多奇峰，秋月 扬明辉 ，冬岭 秀孤松 。 3❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
电弧基本理论good
6.短弧原理灭弧 利用一个金属灭弧栅将电弧分为多个短弧，利 用近阴极效应的方法灭弧。常用于低压开关电器中， 如自动开关和电磁接触器等。
7、利用固体介质的狭缝灭弧 将电弧拉入灭弧片的狭缝中，灭弧片由石 棉水泥或陶土材料制成，加强冷却。灭弧片结 构有直缝式和曲缝式。 常用于低压电器中的接触器等。
高压断路器熄灭电弧的基本方法
4．利用多断口灭弧
采用多断口的结构后，每一个断口在开断位置的电压 分配和开断过程中的恢复电压分配出现了不均匀现象。 如图为单相断路器在开断 接地故障后的电路图。 U:电源电压 U1、U2：两个断口的电压 Cd：断口的等效电容
C0：底座对地等效电容
二、高压断路器熄灭电弧的基本方法
一、电弧的基本理论
（一)电弧的产生、维持及物理过程
3.去游离过程（带电质点减少）
在电弧中，发生游离过程的同时还进行着使带 电质点减少的去游离过程。 游离过程>去游离过程：电弧电流增大，炽热燃烧 游离过程=去游离过程：电弧电流不变，稳定燃烧
游离过程<去游离过程：电弧电流减小，最终熄灭
因此，要想使电弧熄灭，就必须设法加强去游离 过程，使其大于游离过程。
(二)熄灭交流电弧的物理过程
介质强度和弧隙电压的恢复过程图示 (a)在t1时刻发生 击穿．电弧重燃 (b)电弧熄灭 (c)电弧熄灭
弧隙介质强度的恢复过程
介质强度的恢复过程与下列因结构)
灭弧介质的特性（SF6气体和真空介质）
触头分离的速度（电阻） 近阴极效应：交流低压电器常利用近阴极效应来灭弧 150～250伏的起始介质强度（0.1微秒-1微秒）。 在电流过零后在阴极附近的薄 层空间介质强度突然升高的现象。
一、电弧的基本理论
电弧理论
压恰好等于电弧稳定燃烧所需要的电弧电压。当电源加在弧隙上的电压小于电弧
稳定燃烧所需要的电弧电压时，电弧将熄灭，即直流电弧的熄灭条件是
＜U h （1-5，当电源电压减去线路压降后的电压小于电弧电压降， 则电弧无法维持燃烧而自行熄灭。
因此，为使直流电弧熄灭，可从两方面考虑，一是降低加在弧隙上的电压，二是 提高电弧电压。
▪ 曲线2：若电流从a点很快增大，以致游离 作用的增强迟于电流的变化，则得到高于 曲线1
▪ 曲线3：若电流从b点很 快减小，以致去游 离作用的增强迟于电流的变化，则得到低 于曲线1
▪ 曲线2和曲线3称为动态特性，它们的变化 随电流变化速度而不同。电流变化越快， 越偏离曲线1。
直流电弧的熄灭
当电弧稳定燃烧时，电流大小不变，电感上的电压降为零，电源加在弧隙上的电
▪ 由于上述两方面的原因，阴极表面有可能 向外发射电子，这种现象称热电子发射或 强电场发射。
阴极
▪ 自由电子在电场力的作用下，加速飞奔阳极。具有一定动 能的电子碰撞中性质点，如果电场强度足够强，电子所受 的力足够大，且两次碰撞间的自由行程足够大，电子积累 的能量足够多，这个电子会将中性质点中的电子碰撞出来， 这种在电场力作用下的电子碰撞中性质点，使它分裂成自
▪ 扩散：带电粒子从电弧中溢出的现象 ▪ 复合：带电粒子互相中和的现象
电弧的危害
▪ 开关电器中出现电弧是个有害现象。
▪ 电弧是一种明亮的气体放电，弧柱的温 度可达5000K以上，这样的高温足以使 金属触头熔化蒸发，可能烧坏触头及触 头附近的其它部件。如果电弧长久不能 熄灭，必然破坏开关设备，将引起电气 设备被烧毁或爆炸，长期不能切断故障 部分，还将危及整个系统的安全发供电， 危及电力系统的安全运行，造成生命财 产的极大损失。
第六章-1电弧基本理论-good
一、电弧的基本理论
(二)熄灭交流电弧的物理过程 交流电弧的特性
如果在电流过零电弧自然 熄灭时，采取有效措施加 熄灭时， 强弧隙的冷却． 强弧隙的冷却．使弧隙介 质的绝缘能力达到不会被 弧隙外加电压击穿的程度， 弧隙外加电压击穿的程度， 则在下半周电弧就不会重 燃而最终熄灭。 燃而最终熄灭。
电弧电压、电流波形 电弧电压、
一、电弧的基本理论
（一)电弧的产生、维持及物理过程 电弧的产生、 3.去游离过程 3.去游离过程
A．复合去游离：带电质点的电荷彼此中和的现象。电子 复合去游离：带电质点的电荷彼此中和的现象。 碰撞中性质点— 碰撞中性质点—速度慢的负离子与正离子中和 复合去游离进行的快慢与弧隙电场强度的大小、电弧 复合去游离进行的快慢与弧隙电场强度的大小、 的温度及电弧的表面积有关。 的温度及电弧的表面积有关。 B.扩散去游离 B.扩散去游离：弧柱中的自由电子和正离子由于热运动 扩散去游离： 而从弧柱内部逸出进入周围冷介质的现象。 而从弧柱内部逸出进入周围冷介质的现象。 浓度扩散；温度扩散；高速冷气吹弧。 浓度扩散；温度扩散；高速冷气吹弧。
一、电弧的基本理论
(二)熄灭交流电弧的物理过程 熄灭交流电弧的物理过程 决定交流电弧熄灭的基本因素是 决定交流电弧熄灭的基本因素是“弧隙介质强 度的恢复过程" 弧隙电压的恢复过程” 度的恢复过程"和“弧隙电压的恢复过程”。 弧隙电压的恢复过程 电弧电流过零后． 电弧电流过零后．弧隙电压将由熄弧电压经 过一个由电路参数所决定的振荡过程，逐渐恢 过一个由电路参数所决定的振荡过程， 复到电源电压，此称为“ 复到电源电压，此称为“弧隙电压的恢复过 程”。
一、电弧的基本理论
（一)电弧的产生、维持及物理过程 电弧的产生、 3.去游离过程（带电质点减少） 3.去游离过程（带电质点减少） 去游离过程
第4章 电弧的基本理论
第4章电弧的基本理论电弧的实质是高温等离子体。
等离子体：由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它是除去固、液、气外，物质存在的第四态。
等离子体分为：高温等离子体和低温等离子体。
电弧是高温等离子体。
电弧的特点：导电性能强、能量集中、温度高、亮度大、质量轻、易变形等。
4．1电弧的形成与去游离放电的形式：非自持式放电和自持式放电。
非自持式放电：需要外部游离因素来维持的放电形式，主要指在气体环境下，放电持续需要依靠外界游离因素所造成的原始游离才能实现。
它的特点：1.外因影响放电，外界游离因素消失，放电也会衰减直至停止；2.具有饱和性，稳定的外部因素单位时间里游离出的带电粒子数目是稳定的，于是形成饱和形式的放电现象。
自持式放电：指当电场强度（场强）达到或超过一定值时，出现的电子崩可仅由电场的作用而自行维持和发展，不必再依赖外界游离因素的放电现象。
电弧是一种自持式放电现象，即电极间的带电质点不断产生和消失，处于一种动态平衡状态。
自持式放电：1.放电不再依赖外界游离因素；2.自持放电的条件是：电源的能量足以维持电弧的燃烧；3.放电电流迅速增加，放电间隙电压迅速降低；4.伴随有强光和高温。
4.1.1介质中电弧形成的机理电弧的形成过程：介质向等离子体态的转化过程；电弧的产生和维持：弧隙里中性质点（分子和原子）被游离的结果，游离就是中性质点转化为带电质点的过程。
从电弧的形成过程来看，游离过程分三种形式：1.强电场发射：是在弧隙间最初产生电子的原因；2.碰撞游离》：由英国物理学家汤森德在1903年提出（汤森德机理）3.热游离：电弧产生之后，弧隙的温度很高，在高温作用下，气体的不规则热运动速度增加；具有足够动能的中性质点互相碰撞，又可能游离出电子和离子。
还有光游离、热电子发射、金属气化等。
4.1.2电弧的去游离过程去游离的主要形式：复合和扩散。
1.复合去游离复合：指正离子和负离子互相吸引，结合在一起，电荷互相中和的过程。
城市轨道交通电弧的基本理论
20%
30%
40%
75%
① 热电子发射。
② 强电场发射。
③ 碰撞游离。
④ 热游离。
3. 电弧的产生
（3） 开关电弧形成的过程。断路器断开过程中，电 弧是这样形成的：触头刚分离时突然解除接触压力，阴极 表面立即出现高温炽热点，产生热电子发射；同时，由于 触头的间隙很小，使得电压强度很高，产生强电场发射。 从阴极表面逸出的电子在强电场作用下加速向阳极运动， 发生碰撞游离，导致触头间隙中带电质点急剧增加，温度 骤然升高，产生热游离并且成为游离的主要因素。此时， 在外加电压作用下，间隙被击穿，形成电弧。
（3） 直流电弧的熄灭方法。
20%
30%
40%
75%
① 拉长电弧。
② 开断电路时在 电路中逐级串入 电阻。
③ 在断口上装灭弧 栅。
④ 冷却电弧。
6. 交流电弧的特性和熄灭
（1） 交流电弧的特性。在交流电路中，电流瞬 时值随时间的变化而变化，因而电弧的温度、直径及 电弧电压也随时间的变化而变化，电弧的这种特性称 为动特性。由于弧柱的受热升温或散热降温都有一定 的过程，跟不上快速变化的电流，所以电弧温度的变 化总滞后于电流的变化，这种现象称为电弧的热惯性。
电弧电压＝阴极区压降U1＋弧柱区压降U2＋阳极 区压降U3，即
Uh=U1+U2+U3（2=5）
5. 直流电弧的特性和熄灭
图2-35直流电弧的 图2-36直流电弧的稳
伏安特性曲线
定燃烧曲线
（1） 直流电弧的特性。直流电弧的伏安特性曲线如 图2-35所示，直流电弧的稳定燃烧曲线如图2-36所示。 直流电弧的稳定燃烧点也称工作点，让触头保持一定的 距离，电弧燃烧达到稳定状态后，电流不随时间的变化 而变化。两条曲线交于A、B两点，此两点既满足了电路 的要求（电弧外部条件），又满足了电弧静态伏安特性 的要求（电弧内部条件）。B点称为稳定燃烧点，A点称 为视在稳定燃烧点。
《电弧的基本理论》课件
电弧的特性
电弧的种类
有多种电弧类型，如直流电弧、交流电弧、气 体电弧等。
电弧的温度和能量
电弧温度极高，可达数千摄氏度，能量也非常 大。
电弧的颜色和形态
电弧的颜色和形态根据电弧种类、电力、环境 等因素而异。
电弧的声音
电弧形成的声音是由于空气分子震荡而产生的， 通常被描述为噼啪声。
电弧的应用
1
电弧的切割和焊接应用
可以使用电弧切割金属，还可以使用电
电弧的灯光应用
2
弧焊接多种材料。
电弧灯可以用于照明和特效灯光，例如 舞台表演和电影拍摄。
电弧的如眼睛和皮肤灼伤， 同时可能产生有毒气体。
电弧的防护措施
使用防护服、防护眼镜等个人防护装备，对工作场 所进行安全评估和防护设施安装。
电弧的基本理论
欢迎来到本课程，我们将深入研究电弧的基本理论。从原理到应用，探索电 弧的神奇世界。
什么是电弧
电弧的定义
电弧是由于电流通过气体或液体导体时，由于空间 弧形区域中的电离和迁移导致的放电现象，通常表 现为明亮而有形的火焰。
电弧的形成
当两个电极之间的电压高到足以使空气击穿时，空 气将被电离并形成电弧现象。
电弧与航空
1 雷电
飞机在空中受到雷电攻击时，可能会产生一种称为“St. Elmo's Fire”的电弧现象。
2 火花
当两个金属表面互相碰撞时或出现电缆线和插头之类的故障时，也会出现火花和电弧。
电弧设计艺术
电弧不仅是科学领域的研究对象，还是艺术家的创作素材。
电弧雕塑
艺术家使用电极在金属上创造出令人惊叹的3D雕塑。
电弧摄影
在暗处使用摄像机捕捉电弧现象，可以创造出非常 独特的图像。
电弧焊基本理论
1、金属导电：自由电子定向移动。 2、电弧导电：带电粒子在电场作用下定向移动。 特性：电压低、电流大、温度高、发光强。
图1 焊接电弧焊示意图
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
（二）气体原子的激发、电离和电子发射
1、气体原子的激发
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”
3、短路过渡 （1）定义 电弧引燃后，焊丝或者焊条端部形成熔滴并逐渐长大。 当电流较小，电弧电压比较低，弧长比较短，熔滴未 长成大滴就与熔池接触形成液态金属短路，电弧随之 熄灭，金属熔滴过渡到熔池中去，如图所示。 （2）特点 弧长短，焊件加热区小，质量高；小直径焊条或焊 丝，电流密度大，产热集中，焊接速度快。 （3）应用 适合薄板及全位置焊接，如细丝CO2气体保护焊。
重力：当焊丝直径较大而电流较小 时，在平焊位置的情况下，使熔滴 脱离焊丝的力主要是重力。
Fg=mg=4/3ρgπr3
重力大于表面张力时，熔滴就要脱 离焊丝。
立焊和氧焊时，重力阻碍熔滴过渡。
电弧力：电弧对熔滴和熔池的机械作用力，包括电磁 收缩力、等离子流力、斑点力。返回 电弧力只有在焊接电流较大的时候，才对熔滴过渡起 主要作用；电流小时，重力表面张力其主要作用。
焊条电弧焊
小电流 钨极氩 弧焊 埋弧焊、 不熔化极 气体保护 焊、 微束等离 子弧焊
Ua
细丝熔 化极气 体保护 焊 等离子 弧焊、 水下焊
Ia
埋弧焊
手工焊
CO2气体保护焊
氩弧焊
第二节
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41、实际上，我们想要的不是针对犯 罪的法 律，而 是针对 疯狂的 法律。 ——马 克·吐温 42、法律的力量应当跟随着公民，就 像影子 跟随着 身体一 样。— —贝卡 利亚 43、法律和制度必须跟上人类思想进 步。— —杰弗 逊 44、人类受制于法律，法律受制于情 理。— —托·富 勒
45、法律的制定是为了保证每一个人 自由发 挥自己 的才能 ，而不 是为了 束缚他 的才能 。—— 罗伯斯 庇尔
谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
Байду номын сангаас
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子