第一讲 电弧的基本特性

中南工业学校焊接教研室董盛荣•焊接电弧不是一般的燃烧现象，它是在一定条件下电荷通过两极间气体空间的一种导电过程（如图7-1），也可以说是一种气体放电现象。焊接电弧是电弧焊的热源，而弧焊电源是为焊接电弧提供能量的设备。•一、焊接电弧的种类•★按焊接电流种类，可分为交流电弧、直流电弧、脉冲电弧。图7-1焊接电弧导电示意图第一讲电弧的基本特性中南工业学校焊接教研室董盛荣•★按电弧状态，可分为自由电弧（如焊条电弧焊电弧）、压缩电弧（如等离子弧）。•★按电极材料，可分为熔化极电弧（如CO2气体保护焊电弧）、非熔化极电弧（如钨极氩弧焊电弧）。•二、焊接电弧的产生•一般情况下，气体不含有带电粒子（电子、正离子、负离子），是由中性的分子或原子组成的。要使气体产生电弧导电，必须使气体分子或原子电离成带电粒子——气体电离；同时，为了使电弧维持“燃烧”，还必须不断的输送电能给电弧，以补充气体电离时所消耗的电能，即电弧的阴极要不断的发射电子。综上所示，气体电离和阴极发射电子是电弧产生的必要条件。•1．气体电离第一讲电弧的基本特性中南工业学校焊接教研室董盛荣•★在外加能量作用下，中性气体分子或原子分离成正离子和电子的现象称为气体电离。•气体分子或原子分离出一个外层电子所需要的最小能量称为电离能或电离功，当用电子伏特（eV）来衡量时，又称电离势或电离电位，用表示。气体电离势的大小与其原子内部结构有关。电离势大表示气体难电离、难导电，反之表示气体容易电离。•在焊接电弧中，根据引起电离的能量来源不同，电离有如下三种形式：•（1）碰撞电离在电场中，被加速的带电粒子与原子和分子相碰撞而产生电离。•（2）热电离在高温下，具有高动能的气体原子（或分子）在无规则的相互碰撞中产生的电离。•（3）光电离气体原子（或分子）吸收光辐射的能量而产生的电离。1E第一讲电弧的基本特性中南工业学校焊接教研室董盛荣•2．阴极电子发射•阴极表面在外加能量作用下连续向外发射电子的现象称阴极电子发射。要使其逸出金属电极表面而产生电子发射，必须给电子施加一定的能量。电子从阴极表面逸出所需要的能量称逸出功。•按其能量来源不同，阴极电子发射可分为：•（1）热电子发射阴极表面受热后，其中某些电子具有大于逸出功的动能而逸出到表面外的空间中去的现象称为热电子发射。热电子发射在焊接电弧中起着重要的作用，它随着温度上升而增强。•（2）场致电子发射这种由于在电场作用下而产生的电子发射称为场致电子发射。电场越强，则场致电子发射能力越强。•（3）光电子发射阴极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子发射。•（4）撞击电子发射运动速度较高、能量较大的重粒子（如正离子）撞击阴极表面，将能量传递给阴极而产生的电子发射称为撞击电子发射。第一讲电弧的基本特性中南工业学校焊接教研室董盛荣•阴极所用的材料不同，其电子发射形式也不同，有的以热电子发射为主，有的以场致电发发射为主，而光电子发射和撞击电子发射在焊接电弧中占次要地位。•★当采用铜或铝等熔点较低的材料做阴极（称冷阴极）进行焊接时，因受材料本身熔点的限制，阴极表面无法达到很高温度，这时热电子发射较弱，主要靠场致电子发射；•★当采用钨、碳等熔点较高的材料做阴极（称热阴极）时，因表面温度可被加热到很高温度（可达4000～5000K），使电子获得足够的能量而进行强烈的热电子发射，这时场致电子发射就居于次要地位了。•★综上所述，焊接电弧的形成和维持，是在热、光、电场和粒子动能的作用下，气体原子或分子不断地被电离以及阴极电子发射的结果。•3．焊接电弧的引燃第一讲电弧的基本特性中南工业学校焊接教研室董盛荣•把造成两电极间气体发生电离和阴极电子发射而引起电弧燃烧的过程，称为焊接电弧的引燃。焊接电弧的引燃一般有两种方式：•（1）接触引弧•弧焊电源接通后，电极（焊条或焊丝）与工件直接短路接触，随后迅速拉起电极（约2～4mm）而引燃电弧，这种引弧方式称为接触引弧。•（2）非接触引弧•非接触引弧指在引弧时，电极与工件之间保持一定的间隙，然后在电极与工件之间施以高电压击穿间隙使电弧引燃。这是一种依靠高压电使电极表面产生电场发射来引燃电弧的方法。第一讲电弧的基本特性中南工业学校焊接教研室董盛荣•三、焊接电弧的结构•焊接电弧沿其长度方向分为三个区域，见图7-2所示。紧靠负电极的区域为阴极区，紧靠正电极的区域为阳极区，阴极区和阳极区之间的区域称为弧柱区。阳极区的长度约为10-3～10-4cm，阴极区的长度约为10-5～10-6cm，因此，电弧长度可近似认为等于弧柱长度。•沿着电弧长度方向的电压分布是不均匀的，靠近电极部分产生较强烈的电压降，即阴极区和阳极区的压降较大，沿着弧柱长度方向的电压降可以认为是均匀分布的。这三个区的电压降分别称为阴极压降、阳极压降和弧柱压降，它们组成了总的电弧电压，可表示为hUzYihUUUU弧柱压降与弧柱长度成正比阳极压降（常数）阴极压降（常数）第一讲电弧的基本特性中南工业学校焊接教研室董盛荣•四、焊接电弧的特性•（一）焊接电弧的电特性•焊接电弧的电特性即伏安特性，包括静态伏安特性（静特性）和动态伏安特性（动特性）。•1．焊接电弧的静特性zhblaUa—阴极压降与阳极压降之和（V）；b—单位长度弧柱压降（V/mm）；—弧柱长度（mm）。zl焊接电弧的特性电特性热特性力学特性第一讲电弧的基本特性中南工业学校焊接教研室董盛荣•在电极材料、气体介质和电弧弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧时电弧电压和焊接电流之间的关系称为静特性。其数学表达式为•（1）焊接电弧的静特性曲线形状及其应用焊接电弧是非线性负载，即电弧两端的电压与通过电弧的电流之间不是成正比例关系。焊接电弧的静特性近似呈形曲线，见图7-3所示。•形静特性曲线可看成由三个区段组成。在Ⅰ区段，电弧电压随着电流的增加而下降，称该段为下降特性段；在Ⅱ区段，电弧电压基本上不随电流的变化而变化，称该段为平特性段，或称恒压特性；在Ⅲ区段，电弧电压随电流的增加而上升，称该段为上升特性段。•（2）弧长对静特性曲线的影响当电弧电流不变时，弧长增加，电弧电阻增大，根据欧姆定律，电弧电压自然会增加。如图7-4所示。)(hhIfUUU第一讲电弧的基本特性中南工业学校焊接教研室董盛荣•2．焊接电弧的动特性•在焊接过程中，由于受到熔滴过渡等因素的影响，电弧电压和焊接电流时刻都在改变，即电弧永远处于动平衡状态。所谓电弧的动特性，是指在一定的弧长下，当电弧电流以很快的速度变化时，电弧电压和焊接电流瞬时值之间的关系•图7-5是电弧动特性示意图。•（二）焊接电弧的热特性•1．焊接电弧的产热特性•在电弧焊中，通过电弧把电能转换成焊接所需要的热能和机械能。•（1）弧柱的产热特性弧柱中的导电任务绝大部分由电子来承担，即弧柱中的热量主要由电子的动能转换而来。)(hhifu—瞬时电流；—瞬时电压。hihu第一讲电弧的基本特性中南工业学校焊接教研室董盛荣•（2）阴极区的产热特性阴极区和弧柱区相比，长度短，且直接靠近电极或工件，所以阴极区产生的热量对电极或工件的影响更直接。所产生的热量主要用于对阴极的加热和阴极区的散热损失。•（3）阳极区的产热特性阳极区的热量主要是当自由电子撞入阳极时，由自由电子动能和位能转化而来。•2．焊接电弧的热效率及能量密度•电弧焊的热能由电能转换而来，因此电弧的热功率可用下式表示•电弧产生的热能并不能全部有效地用于焊接，其中一部分因对流、辐射及传导等损失，用于加热、熔化填充材料及工件的电弧热功率称为有效热功率，表示为hIUPPP——热效率。为有效热功率系数，即表7-1为常用焊接方法的热效率系数有效热功率第一讲电弧的基本特性中南工业学校焊接教研室董盛荣•★当其它条件不变时，电弧电压升高，弧长增加，通过对流、辐射等损失的弧柱热量增加，热效率随着电弧电压的升高而降低。•单位面积上的有效功率称为能量密度。能量密度在电弧轴线处最大，从中心到周围逐渐降低。•3．电弧的温度分布•焊接电弧中三个区域的温度分布是不均匀的，一般情况下，阳极斑点温度高于阴极斑点温度，分别占放出热量的43%和36%左右，但都低于该种电极材料的沸点。弧柱区的温度最高，但沿其截面分布不均，其中心温度最高，可达5000K～8000K。•（三）焊接电弧的力学特性•电弧在电弧焊中的作用之一是把电能转换为机械能，机械能在电弧焊中以电弧力的形式表现出来。电弧力包括电磁收缩力、等离子流力、斑点压力、熔滴冲击力及短路爆破力等。hU第一讲电弧的基本特性中南工业学校焊接教研室董盛荣•1．电弧力的类型及作用•（1）电磁收缩力当电流通过两根相近的平行导线时，若电流方向相同则产生相互吸引力，电流方向相反则产生排斥力。这种由电磁场产生的力称为电磁力，其大小与导线中流过的电流大小成正比，与两导线间的距离成反比。若把电弧中的电流看成是由许多靠近的平行同向电流线组成时，则它们之间将产生相互吸引力。因电弧是柔性导体，它的截面是可变的，截面将产生收缩。这种现象称为电磁收缩效应，产生此效应的力称为电磁收缩力。•（2）等离子流力锥形电弧在电磁收缩力的作用下，高温气体不断的由电极流向工件，电弧周围的气体不断地从电极旁进行补充，补充进的气体被加热电离并连续流向工件，对熔池形成动压力，即等离子流力。•（3）斑点力电弧焊时，电极斑点受到带电粒子的撞击或金属蒸发的反作用而对斑点产生压力，称为斑点力。第一讲电弧的基本特性中南工业学校焊接教研室董盛荣•★不论是阴极斑点力还是阳极斑点力，其方向总是与熔滴过渡方向相反，阻碍熔滴过渡。一般阴极斑点力比阳极斑点力大。•（4）熔滴冲击力当采用较大电流进行熔化极氩弧焊时，熔滴呈射流过渡，在等离子流力的作用下，熔滴以极大的加速度连续沿轴向射向熔池，使焊缝极易形成指状熔深。•（5）短路爆破力电弧从燃烧状态过渡到短路状态，电弧电流迅速上升，熔滴温度急剧升高，使液柱汽化爆断，产生较大的冲击力，导致飞溅产生。•2．影响电弧力的因素•（1）气体介质不同种类的气体介质，其热物理性能不同，对电弧产生的影响也不同。导热性强的气体或多原子气体消耗的热量多，对电弧有冷却作用，会引起电弧的收缩，导致电弧力的增加。气体流量或电弧空间气体压力增加，也会引起弧柱收缩导致电弧力增加，同时使斑点力增大。第一讲电弧的基本特性中南工业学校焊接教研室董盛荣•（2）电流和电弧电压电流越大，电磁收缩力和等离子流力都将增大，所以电弧力也增大。电流一定，电弧长度增加引起电弧电压升高，则电弧力降低。•（3）焊丝直径焊接电流一定时，焊丝越细，电流密度越大，造成电弧锥形越明显，电磁力和等离子流力越大，电弧力也增大。•（4）电极极性通常阴极导电区的收缩程度比阳极区大，因此，直流正接时，可形成锥度较大的电弧，产生较大的电弧力。•熔化极气体保护焊采用直流正接时，熔滴受到较大的斑点力，过渡时受阻，电弧力较小；反之，直流反接时，电弧力较大。第一讲电弧的基本特性中南工业学校焊接教研室董盛荣图7-2电弧结构和压降分布示意图第一讲电弧的基本特性中南工业学校焊接教研室董盛荣图7-3焊接电弧的静特性曲线小电流钨极氩弧焊、微束等离子弧焊以及脉冲氩弧焊中的“维弧”状态，通常使用电弧静特性的下降段对于细丝大电流CO2气体保护焊、等离子弧焊，则通常工作在电弧静特性的上升段对于焊条电弧焊、粗丝CO2气体保护焊、埋弧焊，多工作在电弧静特性的水平段第一讲电弧的基本特性中南工业学校焊接教研室董盛荣图7-4弧长对电弧静特性的影响第一讲电弧的基本特性中南工业学校焊接教研室董盛荣图7-5电弧动特性的说明示意图为什么第一讲电弧的基本特性中南工业学校焊接教研室董盛荣实际动特性曲线成因分析第一讲电弧的基本特性中南工业学校焊接教研室董盛荣表7-1常用焊接方法的热效率系数焊接方法焊条电弧焊埋弧焊CO2气体保护焊熔化极氩弧焊钨极氩弧焊0.65～0.850.80～0.900.75～0.900.70～0.800.65～0.70第一讲电弧的基本特性中南工业学校焊接教研室董盛荣•以交流电形式向焊接电弧输送电能的电源称为交流弧焊电源，产生的焊接电弧是交流电弧。•五、交流电