第一章 焊接电弧及其电特性

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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。

.焊接电弧的引燃
(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
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
1、转移型等离子弧(b) 生于电极和工件之间。
电极接负极,工件接正极,等离子弧产
2、非转移型等离子弧(a)
产生于电极与喷嘴之间。 3、混合型等离子弧(c)
电极接负极,喷嘴接正极,等离子弧
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
上去。根据电弧是否可见又分为明弧和埋弧两类。
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
(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
U0 1 Uf 2
2 U yh
U
2 f

2
4
2.引燃电压
愈高,电弧愈不稳定,引燃愈困难。
2 U U0 1 2 yh 2 Uf 4 2 Uf
3.电路参数
增大L或减小R可使电弧趋向稳定地连续燃烧。
4.电弧电流 5.电源频率
电弧电流愈大,电弧的稳定性愈高。 f提高有利于提高电弧的稳定性。
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。
脉冲电流的参数
⑴ 脉冲电流 渡形式。
主要决定熔池形状(尤其熔深大小)和熔滴过
பைடு நூலகம்
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
2、电弧电压和电流发生畸变
3、热惯性作用较为明显
二、交流电弧连续燃烧的条件
1、纯电阻电路
平衡方程
U m sin t uh ih R
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。
2、电感性电路
u
Uyh
i b Uf
if uf
a
u
Φ
c
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。
交流电源供电原理图
上面原理图的电压平衡方程
Um sin(t ) Uf L
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。 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。 (3)重粒子撞击发射 引起电子的逸出。 能量大的重粒子撞击到阴极上,
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。
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
阴极区 弧柱区
一、焊接电弧的结构以及压降分布
三个区域:阳极区
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 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
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,同 时影响焊接效率(焊接速度)。
i ip t0 tp t
i0
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
微束等 离子弧 焊
埋弧焊
手工焊
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
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。
(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 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。
一.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
电离
+
激发
-
-
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)
结论:为保持电弧的 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
Pf
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 )
1
6.电极的热物理性能和尺寸
(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
四、交流电弧的功率和功率因数 (一)、交流电弧的功率Pf
U 02 K 2 2 Pf 0.905 1 K XL 8 式中,K Uf U0 ;X L L
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
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
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
Ⅰ Ⅱ

Uf
变,从而岁电流增加,电弧电压
增加,呈现上升特性。 If
影响电弧静特性的因素:
电弧长度
Ua
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
2
f 0.905
8 1 1.18K 2
K2
在焊接中, λf= 0.89~0.90,总是小于1的。
第四节
一 、自由电弧
焊接电弧的分类及其特点
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
(3)
(2)式和(3)式联立:
U0 1 Uf 2
2 U yh
U
2 f

2
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。
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 (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。
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 Z I f RZ I f
SZ Z
lZ
jZ
Z
lZ
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。
di f dt
(1)
求解(1)式,代入初始条件:t=0时,if=0
Uf Um cos cost t if XL XL
电弧稳定燃烧条件一:
t 时,i f 0
Uf
2 Um
cos
(2)
时,u大于引弧电压
电弧稳定燃烧条件二:
t 0
U m sin U yh
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。
Ua
焊条电弧焊
埋弧焊、 不熔化 极气体 保护焊、
小电流 钨极氩 弧焊
细丝 熔化 极气 体保 护焊 等离 子弧 焊、 水下 焊 Ia
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