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1、College of Materials Science and Engineering,HUST第二章 焊接电弧及其电特性 焊接电弧的实质：气体放电焊接电弧的实质：气体放电2.1 2.1 焊接电弧及其引燃焊接电弧及其引燃图图2-1 2-1 电弧放电示意图电弧放电示意图产生气体放电的方式：产生气体放电的方式：气体电离 电子发射1College of Materials Science and Engineering,HUSTl电极的电子发射 （1）热发射 （2）电场发射 （3）光发射 （4）粒子碰撞发射气体的不断电离与电极不断的电子发射是形成电弧的前提条件 2.1.1 2.1.1 2.1.1
2、2.1.1 气体的电离与电子发射气体的电离与电子发射气体的电离与电子发射气体的电离与电子发射n n气体的电离：（气体的电离：（1 1）热电离）热电离 （2 2）场致电离）场致电离 （3 3）光电离）光电离2.1.2 2.1.2 2.1.2 2.1.2 焊接电弧的引燃焊接电弧的引燃焊接电弧的引燃焊接电弧的引燃 接触引弧 非接触引弧2College of Materials Science and Engineering,HUST接触引弧接触引弧图图2-2 2-2 电弧引燃过程示意图电弧引燃过程示意图a)a)接触接触 b)b)拉开拉开 c)c)燃弧燃弧接触接触电阻热电阻热金属熔化、蒸发金属熔化、蒸
3、发热发射热发射热电离热电离场致发射场致发射电弧引燃电弧引燃拉开拉开1e-4cm(1e-4cm(数量级数量级)以上以上温度温度光、热电离光、热电离弧焊电源弧焊电源电能电能电弧燃烧电弧燃烧电能电能3College of Materials Science and Engineering,HUST非接触引弧非接触引弧 a)b)a)b)图图2-3 2-3 非接触引弧的电压波形非接触引弧的电压波形a)a)高频高压引弧电压波形高频高压引弧电压波形 b)b)高压脉冲引弧波形高压脉冲引弧波形场致发射场致发射电弧引燃电弧引燃不接触、高电压拉开1e-4cm(数量级)以上弧焊电源弧焊电源电能电能电弧燃烧电弧燃烧电能
4、电能4College of Materials Science and Engineering,HUSTl 2.2 2.2 焊接电弧的结构和伏安特性焊接电弧的结构和伏安特性其中，UC 弧柱压降，单位为V；If 电弧电流，单位为A；RC 弧柱电阻，单位为；lc 弧柱长度，单位为mm；SC 弧柱截面积，单位为mm2；C 弧柱的电导率，单位为Smm/mm2；JC 弧柱的电流密度，单位为A/mm2；2.2.1 2.2.1 2.2.1 2.2.1 焊接电弧的结构与电弧电压焊接电弧的结构与电弧电压焊接电弧的结构与电弧电压焊接电弧的结构与电弧电压焊接电弧最小电压原理焊接电弧最小电压原理 -能耗最小的趋势能耗
5、最小的趋势图图2-4 2-4 电弧结构及压降分布电弧结构及压降分布 长度和压降基本固定长度和压降基本固定 5College of Materials Science and Engineering,HUST 2.2.2 2.2.2 焊接电弧的静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。可用下式表示：焊接电弧静特性曲线形状分析焊接电弧静特性曲线形状分析-U U形曲线形曲线图2-5 金属电阻的伏安特性曲线图图2-6 2-6 电弧的静特电弧的静特性曲线性曲线 图图2-7 2-7 电弧各区域压降与电弧各区域
6、压降与电流的关系电流的关系6College of Materials Science and Engineering,HUST 对于不同的焊接方法，在其正常使用范围内，并不包括电弧“U”形 静特性曲线的所有部分。手工电弧焊、埋弧焊等焊接电弧基本工作在电弧静特性的水平段。TIG焊、微束等离子弧焊、等离子弧焊的焊接电弧也基本工作在电弧静特性的水平段 熔化极气体保护焊（氩弧焊和CO2焊等）和水下焊接等焊接电弧基本上工作在电弧静 特性的上升段。焊接电弧静特性曲线的影响因素焊接电弧静特性曲线的影响因素 电弧长度的影响电弧长度的影响 电极直径的影响电极直径的影响 电极直径改变时，主要影响电极直径改变时，主
7、要影响S SK K和和S SC C的变化。的变化。n n易产生错误认识之处易产生错误认识之处易产生错误认识之处易产生错误认识之处COCOCOCO2 2 2 2/MIG/MAG/MIG/MAG/MIG/MAG/MIG/MAG焊焊焊焊在上升段在上升段在上升段在上升段埋弧焊在水平段埋弧焊在水平段埋弧焊在水平段埋弧焊在水平段COCOCOCO2 2 2 2/MIG/MAG/MIG/MAG/MIG/MAG/MIG/MAG焊的焊的焊的焊的焊接电流大于焊接电流大于焊接电流大于焊接电流大于埋弧焊吗？埋弧焊吗？埋弧焊吗？埋弧焊吗？7College of Materials Science and Engineer
8、ing,HUSTCOCOCOCO2 2 2 2/MIG/MAG/MIG/MAG/MIG/MAG/MIG/MAG焊焊焊焊在上升段在上升段在上升段在上升段埋弧焊在水平段埋弧焊在水平段埋弧焊在水平段埋弧焊在水平段不同的焊接电弧有不同的电弧静特性曲线不同的焊接电弧有不同的电弧静特性曲线不同的焊接电弧有不同的电弧静特性曲线不同的焊接电弧有不同的电弧静特性曲线在在在在U-IU-IU-IU-I坐标上的上下左右位置不同坐标上的上下左右位置不同坐标上的上下左右位置不同坐标上的上下左右位置不同8College of Materials Science and Engineering,HUST 2.2.3 2.2.
9、3 2.2.3 2.2.3 焊接电弧的动特性焊接电弧的动特性焊接电弧的动特性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，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，简称为伏安特性，简称为电弧动特性电弧动特性。可用下列函数表示：。可用下列函数表示：图图2-9 2-9 交流电弧的电压交流电弧的电压电流波形与动特性曲线电流波形与动特性曲线a)a)电压电压电流波形电流波形 b)b)动特性曲线动特性曲线 X XX XY YY YZ ZZ Z单向电流电弧呢？9College o
10、f Materials Science and Engineering,HUST 2.3 焊接电弧负载的特点焊接电弧是非线性负载焊接电弧负载变化大，有的频繁地短路与开路焊接电弧负载特性不仅与电弧的电流特性有关，而且与焊接方法、电 弧的状态、电弧周围的介质以及电极材料等有关直流电弧、交流电弧和脉冲电弧；自由电弧和压缩电弧；熔化极电弧和非熔化极电弧；交流电弧交流电弧图2-11 电阻性电路交流电弧电压电流波形图2-12 电感性电路交流电弧电压电流波形10College of Materials Science and Engineering,HUST 通过研究表明，采用工频正弦波交流电弧焊接，为使电
11、弧电流连续，应满足下列条件：（2-5）式中 U0 弧焊电源的空载电压，单位为V；Uf 交流电弧电压（交流电压的有效值），单位为V；Ur 再引弧电压，单位为V。对于手工焊条的交流电弧焊，m=1.3 1.5。提高交流电弧稳定性的措施：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 （矩形波）（4）叠加高压电11College of Materials Science and Engineering,HUST 2.3.2 2.3.2 2.3.2 2.3.2 脉冲电弧脉冲电弧脉冲电弧脉冲电弧图图2-13 2-13 直流矩形波脉冲电弧电流波形直流矩形
12、波脉冲电弧电流波形由维持电弧和脉冲电弧两部分组成。也可看作直流分量维持电弧和脉冲电弧两部分组成。也可看作直流分量+交流分量交流分量 维持电弧（或称基本电弧）主要保证电弧的连续燃烧，维持电弧（或称基本电弧）主要保证电弧的连续燃烧，脉冲电弧主要用于加热熔化工件和焊丝，并使熔滴从焊丝脱落和向脉冲电弧主要用于加热熔化工件和焊丝，并使熔滴从焊丝脱落和向 工件过渡。工件过渡。为了满足焊接电弧的稳定及焊接工艺的需要，在脉冲峰值和脉冲基值时往往为了满足焊接电弧的稳定及焊接工艺的需要，在脉冲峰值和脉冲基值时往往需要采用不同的弧焊电源外特性。需要采用不同的弧焊电源外特性。12College of Material
13、s Science and Engineering,HUST2.3.3 2.3.3 2.3.3 2.3.3 非熔化极焊接电弧非熔化极焊接电弧非熔化极焊接电弧非熔化极焊接电弧非熔化极电弧焊接，通常都采用惰性气体（如氩气、氦气等）保护，电极非熔化极电弧焊接，通常都采用惰性气体（如氩气、氦气等）保护，电极本身在焊接过程中不熔化，没有金属熔滴过渡。本身在焊接过程中不熔化，没有金属熔滴过渡。由于没有熔滴过渡和飞溅问题，只要求能够维持电弧稳定燃烧即可。由于没有熔滴过渡和飞溅问题，只要求能够维持电弧稳定燃烧即可。弧长和弧压波动很少，稳定焊接电流是关键，常采用恒流外特性的电源。2.3.4 2.3.4 2.3.
14、4 2.3.4 熔化极焊接电弧熔化极焊接电弧熔化极焊接电弧熔化极焊接电弧熔化极电弧焊是指在焊接电弧燃烧过程中，作为电弧一极的焊丝（条）不熔化极电弧焊是指在焊接电弧燃烧过程中，作为电弧一极的焊丝（条）不断熔化并过渡到焊接熔池中去的焊接方法。断熔化并过渡到焊接熔池中去的焊接方法。与非熔化极电弧相比，由于存在电极熔化，弧长和弧压都会发生波动。因与非熔化极电弧相比，由于存在电极熔化，弧长和弧压都会发生波动。因此要保证电弧稳定，弧焊电源外特性要和送丝系统相匹配。此要保证电弧稳定，弧焊电源外特性要和送丝系统相匹配。熔化极焊接电弧是一个变化极快的动负载，熔滴短路往往使电弧变得更加熔化极焊接电弧是一个变化极快的动负载，熔滴短路往往使电弧变得更加不稳定。因此需要对弧焊电源的动态特性提出更高的要求。不稳定。因此需要对弧焊电源的动态特性提出更高的要求。13College of Materials Science and Engineering,HUSTl焊接电弧是一种低电压大电流的气体放电现象l焊接电弧是一个变化剧烈的阻性负载，甚至会频繁地短路与开路l不同的焊接方法，焊接电弧特性不同l弧焊电源的作用就是保证在不同的焊接方法中，焊接电弧的稳定燃烧14