第一章焊接电弧及其特性

交流电弧
• 按电流种类 直 流 电 弧
脉冲电弧
• 按电弧状态 • 按电极材料
自由电弧 压缩电弧
熔化极 非 熔 化 极（钨极）
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撞击电离 ——
气体原子相互撞击 或被其他质点撞击 后吸收撞击机械能 后所产生的电离。
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• 物质的固体或液体表面受热后电子动 能增大，其中某些电子动能大于逸出功 时将逸出到表面外的空间中去的现象称 为“热发射”。
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图1-3 高频和脉冲引弧示意图
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高频高压引弧 高压脉冲引弧
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u
t i
t
a) 接触引弧
b） 非接触引弧
图1-1 引弧过程的电压、电流变化
U0 — 空载电压 Uf — 电弧电压 if — 电弧电流
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第二节 焊接电弧的结构和静特 性
• 结构？
b
c
c
d
静特性曲线 b
bc
电流减少，温度滞后下降，弧 柱导电性好，压降低于稳态。
o
ia
ib ic
id
if
图1-8 电弧的动特性曲线
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33
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不连续燃烧
连续燃烧
埋弧焊电弧电压和电流波形图
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R u
L If uf
图1-10 交流电弧供电原理简图
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Ⅰ Ⅱ
U f（电弧总压降）
Ⅲ
U （弧柱区压降） Ui （阴极区压降） Uy（阳极区压降） If
图1-6 电弧各区域的压降与电流的关系图
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药皮焊条电弧焊
埋弧焊
熔化极气体保护焊
图1-7 几种常用弧焊方法的 电弧静特性曲线
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Uf
电流增大，温度滞后上升，弧柱
a
导电性差，压降高于稳态。
）
Pf 1 0 uf if d t
简化后得近似值为：
f
Pf
0.90U 50 2K XL
2
1 8
K2
K
U
f
U0
交流电弧的功率因数 λ f
f

Pf
UFI f
当正弦波交流电流与电压同相位时， λ f ＝1
一般焊接中为 0.85 左右。
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第四节 焊接电弧的分类及其 特点
由至原激子发形状成态正所离需子的所能需
的量能叫量“称激为发“能电”离。能
E ” 。 l2020/2/28
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气体原子
的
电离wenku.baidu.com式
撞击电离 热电离 光电离
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气体原子（或分子） 吸收了光射线的光子能
而产生的电离。
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气体离子与电子的复合 → 中性原
子正离子
电子
中和
（电离）
中性原子
各种元素与电子形成负离子的倾向决定于它于电子
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1
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第一节 焊接电弧的物理本质和 引燃
电弧是一段导导体体？ 电弧是一种气气体体放放电电现？象
电弧为什么能够导电？
电弧如何引燃？
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一. 气体原子的激发、电离 和阴极电子发射
气体原子的
激发与电离
阴极电子发射
维引持燃电电弧弧并稳维定持燃电烧弧的燃条烧件的能是量：来源主要是两电
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三. 影响交流电弧稳定的因素及稳弧措施
空载电压U0 引弧电压 Uyh 电路参数（ L 与 R ）; 电源频率 f 电极的热物理性能（ c、a、Tm ) 和尺寸 采用交流方波电源
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f 四. 交流电弧的功率和功率因 数
• 交流电弧的功率 Pf
Pf 是交流电弧在半个周期内的平均功率（或有效功率
• 高频或高压非接触式引弧时，自发 射作用明显。
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接触引弧
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非接触引弧
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Uf
下降特性段
Ⅰ
平特性段 上升特性段
Ⅱ
Ⅲ
电弧静图特1-性5 不焊服接从电一弧般的导静体特的性欧曲姆线定形律状，弧压与 气体介质、电离度、电流密度等因素有关。
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Uff
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二. 焊接电弧的引燃
接触引弧： 非是接在触电引源弧接通：后，电极（焊条或焊丝）与
工件在直电接极短与路工接件触间，存随在后一拉定开间，隙在，拉由开焊瞬接间电 （小间隙）的强电场作用下引燃电弧。 源施以高压击穿间隙，使电弧引燃。 接触非引接弧触是引熔弧化是极非焊熔接化时极的（基钨本极引）弧焊方接式时。的 基本引弧方式。
难。
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二. 交流电弧连续燃烧的条件
• 在焊接主回路加入电感，使焊接电流的变
化滞后于电源电压一个相位角φ 。在电流过
零时，若电源电压 u 达到电弧的再引燃电压
Uyh ，就可以保持电弧连续燃烧。
• 维持交流电弧连续燃烧条件的数学表达式
为：
U0 Uf

1 2
Uy2h
2
U2f
4
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一. 交流电弧的特点
电弧周期性地熄灭和引燃
电弧电流电过压零和—电流电弧波熄形灭发—生电畸弧变空间温
度下降 — 带电质点中和 — 导电能力下降
—由电于当弧电U温0弧>度电U交阻yh变随时弧，，柱电热温弧惯度再性发次作生引用交燃较变。为，因明此显电
弧电压及焊接电流都不再按正弦规律变化。 电流过零时间越长，电弧再引燃越困
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—— 电弧分区及各区域特点
• 静特性（伏安特性）？
—— 电弧电压与电流间的关系
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一. 焊接电弧的结构及压降分
布
U = Ui + Uy + Uz
Ui 、Uy 基本不变， Uz与弧长成正比。
阴极区 弧柱区 阳极区
图1-4 电弧结构和电位分布
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二. 焊接电弧的电特性
• 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 与焊接电流 If 之间的关系。 • 焊接电弧的动特性：
在一定的弧长下，当电弧电流很快变化
的时候，电弧电压 uf 和电流瞬时值 if 之
间的关系。 2020/2/28
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第三节 交流电弧（正弦波交流）
一. 交流电弧的特点 二. 交流电弧稳定燃烧的条件 三. 影响交流电弧稳定的因素及稳弧措施 四. 交流电弧的功率和功率因数
6．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？
7． 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？
8．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？
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ui if
Uyh
a
u b
t ωt d
c
φ
图-11 a） 交流电源电压u、电弧电压uf的电流if波形图
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脉冲电流与熔滴过渡
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等离子压缩电 弧
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本章结束
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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 离能、电子逸出功，两者对电弧的稳定性 有何影响？
3．焊接电弧的引燃有哪两种方式，分别在什 么情况下应用？
4．焊接电弧在物理结构上可分为哪几个区，
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5．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素的影响？
极1间. 的气电体场原及子由不其断产的生被的激热发、和光电和离动；能。 2. 阴极不断地发射电子。
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气体原子的激发与电离
激电发离：
气使体气原体子元得素到中外的加电 能量，电子从一个较 子完全脱离原子核的束 低的能级跳到另一个 缚较形高成能离级子的和现自象由叫电“子 的激过发程”称。为使“原电子离跃”迁。
→ 的亲气和体能原Eq子。与Eq电越大子，的形结成合负离子的负倾向离越子大。
中性原子 电子
吸附、结合
负离子
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• 热发射 • 光电发射 • 重粒子撞击发射 • 强电场作用下的自发射 • 实际焊接过程中的阴极电子发射是若
干种发射形式的组合。
• 钨极氩弧焊过程中“热发射”作用明 显。
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• 物质的固体或液体表面接受光射线 的能量而释放出自由电子的现象称 为“光电发射”。
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• 能量大的重粒子（如重离子）撞击 到阴极上，引起电子的逸出称为“ 重粒子撞击发射”。
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• 受强电场作用，阴极表面形成较大 的电位差所导致的电子发射称为“ 强电场作用下的自发射”。