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1、第七章习题答案7-1 焊接电弧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，或者说是一种气体放电现象。焊接电弧并不是一般的燃烧现象，它和一般的燃烧现象看似相同，但有质的区别。焊接电弧分阳极区、阴极区和弧柱区，弧柱区的温度很高，可达到50008000，足以熔化金属。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。显而易见，引燃焊接电弧的能量来源主要靠电场及由其产生的热、光和动能。7-2 正常情况下，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
2、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和维持的必要条件。7-3 气体电离的形式有三种，即碰撞电离、热电离和光电离。热电离是在热能的作用下，气体粒子具有很高的动能，它们在无规则的相互碰撞中产生的电离；碰撞电离是在电场中被加速的带电粒子与原子和分子相互碰撞而产生的电离。因此热电离与碰撞电离有本质上的区别。7-4 阴极电子发射按其能量来源不同，可分为热电子发射、场致电子发射、光电子发射和撞击电子发射等四种形式。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，场致电子发
3、射也越强，甚至可以在室温时发生。场致电子发射在焊接电弧中起着重要的作用，特别是在非接触式引弧或电极为低熔点材料时，其作用更明显。热电子发射是在阴极表面受热后，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。热电子发射在焊接电弧中也起着重要的作用，它随温度的上升而增强。7-5 焊接电弧一般有两种引燃方式，即接触引燃和非接触引燃。接触引燃是电极（焊条或焊丝）与工件直接接触短路，随后拉起电极，使电弧引燃，它是一种最常用的引燃方式。焊条电弧焊和熔化极气体保护焊都采用这种引弧方式。非接触引弧是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而击穿间隙使电弧引燃。非接触引弧需要
4、采用引弧器才能实现。这种引弧方式主要应用于钨极氩弧焊和等离子弧焊。7-6 答：电弧静特性反映一定长度的电弧，在稳定燃烧状态下电弧电压与焊接电流之间的函数关系，称为电弧的静态伏安特性或静特性。7-7 答：影响电弧静特性的因素主要有：（1）气体介质的成分和压力；（2）电弧的弧长；（3）电极的材料等。7-8 焊接电弧沿其长度方向分为三个区域。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。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。弧柱中的导电任务绝大部分由电子
5、来承担，即弧柱中的热量主要由电子的动能转换而来。在实际焊接中，为了增加弧柱的产热量，从而获得能量更集中、温度更高的电弧，往往采取措施使弧柱强迫冷却、电弧断面减小。普通的电弧焊，其弧柱部分的热量只有很少一部分传给填充材料及工件，大部分则通过对流等形式损失掉了。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。焊接时，这部分热量可被用来加热填充材料及工件。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。与阴极区相似，阳极区所产生的热量主要用于对阳极的加热和阳极区的散热损失。焊接时
6、，这部分热量可被用来加热填充材料及工件。7-9 答：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 。式中，为有效热功率系数，即热效率，它受焊接方法、焊接工艺参数、周围条件等因素的影响。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，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。7-10 答：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
7、，可达5000K8000K。7-11 答：（1）电磁收缩力 由电磁场产生的力称为电磁力。由电磁力引起的收缩效应，不仅使熔池下凹，同时也对熔池产生搅拌作用，有利于细化晶粒，排出气孔和夹渣，使焊缝的质量得到改善。（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。等离子流力可增大电弧的挺度，在熔化极电弧焊时促进熔滴轴向过渡，增大熔深和对熔池的搅拌作用。（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。不论是阴极斑点力还
8、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。所以在具体应用时应该注意，如熔化极气体保护焊宜采用直流反接，以减少熔滴过渡的阻碍作用。（4）细熔滴的冲击力 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。7-12 答：影响电弧力的因素有：气体介质，电流和电弧电压，焊丝直径和电极极性等。7-13 答：交流电弧有以下特点：（1）电弧周期性地熄灭
9、和引燃；（2）电弧电压和电流的波形发生畸变；（3）热惯性作用较明显。交流电弧燃烧时若有熄弧时间，则熄弧时间越长，电弧就越不稳定。为了保证焊接质量，必须将熄弧时间减小至零，即电弧在每次熄灭后能迅速地自行恢复燃烧，使交流电弧连续燃烧。要使交流电弧稳定燃烧，就应保证焊接回路中有足够大的电感，这样才能保证电流改变极性时电弧能迅速地自行恢复燃烧，保证交流电弧稳定性，提高焊接质量。7-14 答：1影响交流电弧燃烧的因素（1）空载电压 越高，在相同的引弧电压下熄弧时间越短，电弧越稳定。一般条件下，/=1.31.5，相应地/=1.52.4时，电弧才能稳定燃烧。（2）再引燃电压 值越大，电弧引燃越困难，电弧越不
10、稳定。（3）电路参数 主电路的电感、电阻对电弧连续燃烧也有较大的影响。如当/不大时，增大或减小，均可使电弧趋向稳定连续地燃烧。（4）焊接电流 焊接电流越大，电弧空间的热量就越多，而且电流变化率也越大，即热惯性作用越显著，将导致降低，电弧的稳定性提高。（5）电源频率，提高，周期和电弧熄灭时间相应缩短。（6）电极的热物理性能和尺寸 电极的热物理性能和尺寸对电弧的连续燃烧有一定的影响。如果电极具有较大的热容量和热导率，或具有较大的尺寸和较低的熔点，就会使电极散热迅速，温度降低快，因而较大，增大电弧不稳定性。2提高交流电弧稳定性的措施：（1）提高弧焊电源的频率；（2）提高电源的空载电压；（3）改善电弧
11、电流的波形。如把正弦波改为矩形波，则电流过零点时将具有较大的增长速度，从而可降低电弧熄灭的倾向；（4）叠加高压电 在钨极交流氩弧焊时，由于铝工件的热容量和热导率高，熔点低，尺寸又大，因而在负极性的半周再引弧困难。为此，需在这个半周再引燃电弧时加上高压脉冲或高频高压电，使电弧稳定燃烧，提高焊接质量。7-15 答：“电源电弧”系统的稳定条件包括两个方面，即系统的静态稳定条件和系统的动态稳定条件。（1）系统的静态稳定条件： ， （2）系统的动态稳定条件：系统的动态稳定条件可以用数学的方法解释，即电弧静特性曲线在工作点处的斜率必须大于电源外特性曲线在该工作点处的斜率。其数学表达式为：，式中为动态稳定系
12、数。7-16 答：焊条电弧焊一般工作在电弧静特性的水平段。采用下降外特性的弧焊电源，就可满足系统稳定性的要求。但是怎样下降的外特性曲线才更合适，还得从保证焊接工艺参数稳定来考虑。图7-10中曲线1和曲线2是陡降度不同的两条电源外特性曲线。弧长从增至时，电弧静特性曲线与下降陡度大的电源外特性曲线1的交点A0移至A1，电弧电流偏移了，而与下降陡度小的电源外特性曲线2的交点由A0移至A2，电流偏差为，显然。当弧长减小时，情况类同。由此可见，当弧长变化时，电源外特性下降的陡度越大，则电流偏差就越小，焊接电弧和工艺参数稳定。但外特性陡降度过大时，稳态短路电流过小，影响引弧和熔滴过渡；陡降度过小的电源，其
13、稳态短路电流又过大，焊接时产生的飞溅大，电弧不够稳定。因此，陡降度过大和过小的电源均不适合焊条电弧焊，故规定弧焊电源的外特性应满足。最好是采用恒流带外拖特性的弧焊电源，如图7-11所示。它既可体现恒流特性焊接工艺参数稳定的特点，又通过外拖增大短路电流，提高了引弧性能和电弧熔透能力。7-17 答：弧焊电源空载电压高可以保证引弧容易，保证电弧的稳定燃烧。然而空载电压过高不符合经济观点，另外不能保证人身安全。 7-18 答：所谓弧焊电源的动特性，是指电弧负载状态发生突变时，弧焊电源输出电压与电流的响应过程，可以用弧焊电源的输出电流=和电压=来表示，它反映弧焊电源对负载瞬变的适应能力。只有当弧焊电源的动特性合适时，才能获得预期有规律的熔滴过渡，电弧稳定，飞溅小和良好的焊缝成形。
