弧焊电源的基本电气特性

a b
c
d UC
UK
电流较大时，阴极斑点面积基本不变了，
UA
电流↑→电流密度↑→Uk↑。
电弧静特性曲线
I/A
UC：电流较小(ab段）时，电流↑→弧柱截面↑↑ →电流密度↓ →UC ↓ ；
电流稍大(bc段）时，电流↑→弧柱截面↑ →电流密度基本为一常量→UC =C；
电流继续增加(cd段），电流↑→弧柱截面变化慢 →电流密度↑ → UC ↑ 。
第二章 弧焊电源的基本电气特性
焊接电弧静特性曲线形状的影响因素
弧长的影响：
弧长增加，弧柱长度增加，电弧电压提高；即电弧静特性曲线形状不变， 但曲线整体上移；这表明电弧电流一定时，电弧电压随弧长的增加而增加。
电极直径的影响：
主要影响阴极斑点面积 SK 和弧柱 截面SC；电极直径减小， SK、 SC减小， 则曲线整体左移；同理，电极直径增 大，电弧静特性曲线则将向电流增加 的方向移动（向右移动）。
第二章 弧焊电源的基本电气特性
2.1 焊接电弧 焊接电弧：在一定电压的两电极（或电极与工件）之间的气 体介质中产生的强烈而持久的放电现象。
气体放电的前提：
两电极间有电位差 存在带电粒子
气体的电离 带电粒子
电极表面的电子发射
气体的电离与电极的电子发射是形成及稳定电弧的充要条件。
第二章 弧焊电源的基本电气特性
接触——拉开——燃弧
焊接电弧的形成和维持是在电场、热、 光和质点动能的作用下，气体原子不断的被 激发、电离以及电子发射和复合反应的结果。
电能
弧焊电源
电能
接触
电阻热
金属熔化、蒸发
热发射 热电离
带电
粒子
拉开2-4mm(数量级)以上
场致发射
电弧燃烧
电弧引燃 碰撞电离 复合反应
定向运动
第二章 弧焊电源的基本电气特性
电弧结构及压降分布
长度和压降基本固定
总的电弧电压： U f U A U C U K
第二章 弧焊电源的基本电气特性
弧柱压降UC：
U c I f Rc I f
lc
S c c
jc
lc
c
If — 电弧电流 lC — 弧柱长度 γC — 弧柱的电导率
RC — 弧柱电阻 SC — 弧柱截面积 jC — 弧柱的电流密度
U f f (I f )
(1)焊接电弧静特性曲线的形状
U/V
Uf =f( If )
金属电阻特性曲线
电弧静特性曲线
A
第二章 弧焊电源的基本电气特性
焊接电弧静特性曲线的构成
U/V
U f UA UC UK
A
B
C
UA： UA与电流无关，为一直线。
Uf
Uk：电流较小时，阴极斑点面积随电流 增加而增加，电流密度保持常量，Uk 基 本为一恒定值；
➢ 热发射 当阴极表面承受热作用而产生电子发射现象称为热发射。 ➢ 电场发射 当阴极表面附近空间存在一定强度的正电场时，金属内的电子受电场 力（静电库伦力）的作用，使电子逸出金属表面； ➢ 光发射 当阴极表面接受光辐射时，也可使金属内的自由电子能量增加，从而冲 破金属表面的束缚而逸出的现象。 ➢ 粒子碰撞发射 高速运动的粒子（电子或离子）碰撞电极表面时，将能量传给电 极表面的电子，使其能量增加而逸出金属表面的现象。
4. 焊接电弧的动特性
一定弧长的电弧，当电弧电流以很快速度连续变化时，电弧电压瞬时 值与电流瞬时值之间的关系称为电弧动态伏安特性，简称为电弧动特性。
焊接电弧最小电压原理：
在给定的电流和边界条件下，稳定燃烧的电弧将自动选择一适当的 断面，以保证弧柱中具有最低的电场强度，即固定弧长上的电压为最小。
即：焊接电弧具有保持最小能量消耗的特性，当电流一定时，电弧 要保持最小的电压降。
第二章 弧焊电源的基本电气特性
3.焊接电弧的静特性
一定长度的电弧在稳定状态下，电弧电压Uf与电弧电流If 之间的关系，称为焊接电弧的静态伏安特性，简称伏安特性或 静特性。
电弧结构：
阴极区: 靠近阴极附近的区域 10-5-10-6cm, 其电压降用UK表示，与阴 极材料、电流等有关，3～20V；
阳极区: 靠近阳极附近的区域 10-3-10-4cm,其电压降用UA表示，与阳 极材料、气体介质有关，2～10V ；
弧柱区:电弧中间的区域，其电压降用 UC表示；在一定的气体介质下与弧柱 长度成正比。，一般在10V左右。
第二章 弧焊电源的基本电气特性
1.焊接电弧的产生
滑擦引弧
电弧引燃
接触引弧 非接触引弧 短路引弧
Torch
Electrode
（+）
Rubbing direction
Workpiece （-）
引弧过程：
带电粒子产生、扩散、复合、负 离子形成等一系列变化
第二章 弧焊电源的基本电气特性
短路引燃电弧: 短路——空载——燃弧
非接触引弧： 高频（数百kHz,2000-3000V）；高压脉冲(50-100Hz,3000-500V上）
高频高压引弧电压波形
高压脉冲引弧波形
不接触、高电压
工件与钨极 距离 2-6mm 左右
弧焊电源
电能
场致发射
带电
粒子
电能
定向 运动
电弧燃烧
电弧引燃
碰撞电离 复合反应
第二章 弧焊电源的基本电气特性
2.焊接电弧的结构及电压分布
电离:在一定条件下中性气体分子或原子分离为正离子和电子的现象。
➢ 热电离 中性气体粒子受热的作用而产生的电离称热电离。
➢ 场致电离 中性气体粒子受电场作用而产生的电离称场致电离。 ➢ 光电离 中性气体粒子吸收了光射线的光子能而产生的电离。 ➢ 碰撞电离 中性粒子与运动的粒子碰撞吸收能量产生的电离。
电子发射:电极中的自由电子，在外界能量的作用下，冲破电极表面的约 束而逸出到电弧空间的现象。
其它影响：
气体保护焊中的气体介质、气体 流量等其它因素。
第二章 弧焊电源的基本电气特性
需要说明：
手工焊条电弧焊
电弧静特性曲线是电流 由小到大，电弧电压和电流 之间的关系曲线；
对于每一种焊接方法， 其电弧静特性曲线只是电弧 静特性曲线的其中一段。
直流埋弧焊 熔化极气体保护焊
第二章 弧焊电源的基本电气特性
弧焊电源及控制
弧焊电源及控制
第二章 弧焊电源的基本电气特性
❖ 2.1 焊接电弧 ❖ 2.2 弧焊电源的基本要求 ❖ 2.3 弧焊电源的外特性 ❖ 2.4 弧焊电源的调节特性 ❖ 2.5 弧焊电源的动态特性
本章的重点与难点： 弄清电弧负载的特性；掌握弧焊电源的三基本特性概念；学
会根据焊接方法与工艺，应用弧焊电源理论分析、正确选择弧 焊电源的外特性及调节特性；了解弧焊电源动特性的应用。