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焊接电弧与弧焊电源
电弧的产生及分类 焊接电弧的结构 电弧的静特性 交流电弧 电弧的偏吹
弧焊变压器 直流弧焊发电机 硅弧焊整流器 晶闸管式弧焊整流器 晶体管式弧焊整流器 弧焊逆变器
1、电弧的产生
焊接电弧是一种气体放电 现象。在一定条件下电荷（带 电粒子）通过两电极之间气体 空间的导电过程。为维持电弧 燃烧，必须不断输送电能给电 弧。在焊接电弧燃烧过程中， 呈现出电压低、电流大、温度 高、发光强的特点。
If较小时：Si随If增大而增大
i
If Si
＝常数 Ui
id
常数
水平
电弧各区的压降与电流的关系图
If较大时：Si为常数
i
If Si
为I f 的函数，I f
i U
id
上升
弧柱区
U z izlz / z
在ab段：
iz
If S z
iz
I f
U z
I f T z
在bc段：
电弧的产生与维持需要具 备的两个条件：
气体电离 阴极电子发射
气体电离－使电子完全脱离原子核的束缚，
形成离子和自由电子的过程
过程
气体原子＋外加能量 →电子从低能级跳跃到高能级 →原子处于“激发”状态 →能量足够大 →电子脱离原子核的束缚 →自由电子
电离形式
❖撞击电离：在电场中，被加速的带 电质点（电子、离子）与中性质点 （原子）碰撞后所发生的电离。 ❖热电离：在高温下，具有高动能的 气体原子（或分子）互相碰撞引起的 电离。 ❖光电离：气体原子（或分子）吸收 了光射线的光子能而发生的电离。
4、焊接电弧的结构
电弧
Uy
Uz
Uf
Ui
阴极区
弧柱区
阳极区
电弧结构及压降分布
总电弧电压：U f U i U z U y
电弧结构
阴极区：
发射电子的地方，热量约占电弧总热量的36％，阴极表面的明亮点称为阴极 斑点，它是集中产生电子发射的地方，也是阴极表面温度最高的地方。
阴极压降是产生电场，用来发射电子和加速带电粒子
焊接电源的极性
以焊件为准
4、电弧的静特性
定义：
长度一定的电弧在稳定燃烧状态下，电弧电压和电弧电流之间的关系称为
焊接电弧的静态伏安特性，简称伏安特性或静特性。
电弧静特性曲线
U型曲线形成机理
阳极区：Uy基本是常数 阴极区：
电流密度 i E U
d
U id /
i If Si
i U ，i U
热发射：表面受热 光发射：物质的固体或液体表面接受光射线的能量 场致发射：存在强电场并在表面附近形成或较大的电位差 重粒子撞击发射：能量大的重粒子（如正离子等）撞击
总结
焊接电弧的形成和维持是在电场、热、光和质点动能作用下，气体原子不 断被激发、电离以及电子发射的结果。 存在负离子的产生，正离子和电子的复合。
注意
两种过程：气体原子电离，中和现象 电离速度＝和中和速度→动平衡状态→ 电弧燃烧稳定 负离子的出现：原子（或分子）＋电子→负离子
负离子↑ →电弧的导电能力↓ →电弧的稳定性↓
电子发射－阴极表面的原子或分子，接受外界
的能量面释放出自由电子的现象
☺电子发射是引弧或维持电弧稳定燃烧一个很重要的因素。 ☺电子发射所需的能量称逸出功：逸出功↓→电子发射↑ ☺电子发射的形式
增大回路感抗或漏抗
u U m sin(t ) U yh
t=0时
u U m sin U yh sin U yh /U m
交流电弧连续稳定燃烧的条件
U0 1
U
2 yh
2
Uf
2
U
2 f
4
电感性回路交流电弧的电流、电压波形
提高交流电弧的稳定性，还可以采用如下措施：
提高弧焊电源频率； 提高电源的空载电压（由于开始弧时，两电极及其间的
2、电弧的引燃－接触引弧和非接触引弧
接触引弧
电极与工件接触→短路→ 短路电流↑→热量产生→电极末端、工件升温→ 产生高温气体→电极提起→形成电场→电子定向运动→高温气体电离→带电 粒子运动、相互碰撞和复合→产生大量热和弧光→ 电弧
非接触引弧－电极与工件间存在一定间隙，施
以高电压击穿间隙，使电弧引燃
iz
If Sz
百度文库
i z 基本为一常数
I
f
U z不变
z也为常数
在cd段：
iz
S（z 为I f常数） iz
I f
U z
z也为常数
5、交流电弧
特点 （1）电弧周期性的熄
灭和引燃； （2）电弧电压和电流
波形发生畸变； （3）热惯性作用较为
明显。
纯电阻回路交流电弧的电流、电压波形
交流电弧连续燃烧的条件
阳极区：
接收电子的地方，其热量约卡电弧总热量的43％。阳极表面的明亮点称为阳 极斑点，它是阳极表面上集中接收电子的地方，也是阳极表面温度最高的地方。
阳极压降主要用来加速带电粒子。
弧柱区：
进行气体原子或分子的电离与复合过程，其热量约占电弧总热量的21％，弧柱 的长度基本等于电弧长度。弧柱区的外加电能绝大部分转化为热能，是整个焊接 电弧温度最高的区域，其温度可达5000-50000K。
气隙尚未充分加热电离，为了加强气体的电离作用，电 极之间应有较高的电压，这个电压称为空载电压）； 改善电流的波形（如采用矩形波交流电源）； 叠加高压电。
6、电弧的偏吹
解决方法
短弧焊； 以交代直； 工件消磁、避免周围铁磁物质； 选用厚皮焊条； 在气流比较大时，要采用挡板遮挡； 在焊接间隙较大的对接焊缝时，可在焊缝下面加垫板，防止热对流造成电弧偏吹； 必要时采用引弧板和引出扳，使磁力线分布均匀，同时还可以减少热对流的影响； 操作中合理调整焊条角度； 适当改变接地线的位置，使磁力线分布均匀； 采用小电流焊接，减少磁偏吹的影响。
高频高压引弧 150～260kHz 高压脉冲引弧 50或100kHz
2000-3000V 3000-5000V
3、电弧的分类
按电源性质分交脉直流冲流电电电弧弧弧
按电极材料分非熔熔化化极极电电弧弧
电弧按对焊件的作用间直接接弧弧
按电弧外周是否受拘束自拘由束电电弧弧（压缩电弧）
常压电弧
按电弧燃烧的环境高水低压下压电电电弧弧弧
7、对弧焊电源的基本要求
应满足电弧特性及焊接工 艺的要求： 引弧容易，电弧稳定； 焊接规范稳定； 具有足够宽的焊接规范调 节范围
弧焊电源的电气性能应考虑 以下三个方面：
对弧焊电源外特性的要求。 对弧焊电源调节性能的要求 对弧焊电源动特性的要求
电弧的产生及分类 焊接电弧的结构 电弧的静特性 交流电弧 电弧的偏吹
弧焊变压器 直流弧焊发电机 硅弧焊整流器 晶闸管式弧焊整流器 晶体管式弧焊整流器 弧焊逆变器
1、电弧的产生
焊接电弧是一种气体放电 现象。在一定条件下电荷（带 电粒子）通过两电极之间气体 空间的导电过程。为维持电弧 燃烧，必须不断输送电能给电 弧。在焊接电弧燃烧过程中， 呈现出电压低、电流大、温度 高、发光强的特点。
If较小时：Si随If增大而增大
i
If Si
＝常数 Ui
id
常数
水平
电弧各区的压降与电流的关系图
If较大时：Si为常数
i
If Si
为I f 的函数，I f
i U
id
上升
弧柱区
U z izlz / z
在ab段：
iz
If S z
iz
I f
U z
I f T z
在bc段：
电弧的产生与维持需要具 备的两个条件：
气体电离 阴极电子发射
气体电离－使电子完全脱离原子核的束缚，
形成离子和自由电子的过程
过程
气体原子＋外加能量 →电子从低能级跳跃到高能级 →原子处于“激发”状态 →能量足够大 →电子脱离原子核的束缚 →自由电子
电离形式
❖撞击电离：在电场中，被加速的带 电质点（电子、离子）与中性质点 （原子）碰撞后所发生的电离。 ❖热电离：在高温下，具有高动能的 气体原子（或分子）互相碰撞引起的 电离。 ❖光电离：气体原子（或分子）吸收 了光射线的光子能而发生的电离。
4、焊接电弧的结构
电弧
Uy
Uz
Uf
Ui
阴极区
弧柱区
阳极区
电弧结构及压降分布
总电弧电压：U f U i U z U y
电弧结构
阴极区：
发射电子的地方，热量约占电弧总热量的36％，阴极表面的明亮点称为阴极 斑点，它是集中产生电子发射的地方，也是阴极表面温度最高的地方。
阴极压降是产生电场，用来发射电子和加速带电粒子
焊接电源的极性
以焊件为准
4、电弧的静特性
定义：
长度一定的电弧在稳定燃烧状态下，电弧电压和电弧电流之间的关系称为
焊接电弧的静态伏安特性，简称伏安特性或静特性。
电弧静特性曲线
U型曲线形成机理
阳极区：Uy基本是常数 阴极区：
电流密度 i E U
d
U id /
i If Si
i U ，i U
热发射：表面受热 光发射：物质的固体或液体表面接受光射线的能量 场致发射：存在强电场并在表面附近形成或较大的电位差 重粒子撞击发射：能量大的重粒子（如正离子等）撞击
总结
焊接电弧的形成和维持是在电场、热、光和质点动能作用下，气体原子不 断被激发、电离以及电子发射的结果。 存在负离子的产生，正离子和电子的复合。
注意
两种过程：气体原子电离，中和现象 电离速度＝和中和速度→动平衡状态→ 电弧燃烧稳定 负离子的出现：原子（或分子）＋电子→负离子
负离子↑ →电弧的导电能力↓ →电弧的稳定性↓
电子发射－阴极表面的原子或分子，接受外界
的能量面释放出自由电子的现象
☺电子发射是引弧或维持电弧稳定燃烧一个很重要的因素。 ☺电子发射所需的能量称逸出功：逸出功↓→电子发射↑ ☺电子发射的形式
增大回路感抗或漏抗
u U m sin(t ) U yh
t=0时
u U m sin U yh sin U yh /U m
交流电弧连续稳定燃烧的条件
U0 1
U
2 yh
2
Uf
2
U
2 f
4
电感性回路交流电弧的电流、电压波形
提高交流电弧的稳定性，还可以采用如下措施：
提高弧焊电源频率； 提高电源的空载电压（由于开始弧时，两电极及其间的
2、电弧的引燃－接触引弧和非接触引弧
接触引弧
电极与工件接触→短路→ 短路电流↑→热量产生→电极末端、工件升温→ 产生高温气体→电极提起→形成电场→电子定向运动→高温气体电离→带电 粒子运动、相互碰撞和复合→产生大量热和弧光→ 电弧
非接触引弧－电极与工件间存在一定间隙，施
以高电压击穿间隙，使电弧引燃
iz
If Sz
百度文库
i z 基本为一常数
I
f
U z不变
z也为常数
在cd段：
iz
S（z 为I f常数） iz
I f
U z
z也为常数
5、交流电弧
特点 （1）电弧周期性的熄
灭和引燃； （2）电弧电压和电流
波形发生畸变； （3）热惯性作用较为
明显。
纯电阻回路交流电弧的电流、电压波形
交流电弧连续燃烧的条件
阳极区：
接收电子的地方，其热量约卡电弧总热量的43％。阳极表面的明亮点称为阳 极斑点，它是阳极表面上集中接收电子的地方，也是阳极表面温度最高的地方。
阳极压降主要用来加速带电粒子。
弧柱区：
进行气体原子或分子的电离与复合过程，其热量约占电弧总热量的21％，弧柱 的长度基本等于电弧长度。弧柱区的外加电能绝大部分转化为热能，是整个焊接 电弧温度最高的区域，其温度可达5000-50000K。
气隙尚未充分加热电离，为了加强气体的电离作用，电 极之间应有较高的电压，这个电压称为空载电压）； 改善电流的波形（如采用矩形波交流电源）； 叠加高压电。
6、电弧的偏吹
解决方法
短弧焊； 以交代直； 工件消磁、避免周围铁磁物质； 选用厚皮焊条； 在气流比较大时，要采用挡板遮挡； 在焊接间隙较大的对接焊缝时，可在焊缝下面加垫板，防止热对流造成电弧偏吹； 必要时采用引弧板和引出扳，使磁力线分布均匀，同时还可以减少热对流的影响； 操作中合理调整焊条角度； 适当改变接地线的位置，使磁力线分布均匀； 采用小电流焊接，减少磁偏吹的影响。
高频高压引弧 150～260kHz 高压脉冲引弧 50或100kHz
2000-3000V 3000-5000V
3、电弧的分类
按电源性质分交脉直流冲流电电电弧弧弧
按电极材料分非熔熔化化极极电电弧弧
电弧按对焊件的作用间直接接弧弧
按电弧外周是否受拘束自拘由束电电弧弧（压缩电弧）
常压电弧
按电弧燃烧的环境高水低压下压电电电弧弧弧
7、对弧焊电源的基本要求
应满足电弧特性及焊接工 艺的要求： 引弧容易，电弧稳定； 焊接规范稳定； 具有足够宽的焊接规范调 节范围
弧焊电源的电气性能应考虑 以下三个方面：
对弧焊电源外特性的要求。 对弧焊电源调节性能的要求 对弧焊电源动特性的要求