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1、第二章 电弧焊基础,第一节 焊接电弧的导电机理,一、电弧的基本概念 1、电弧：电弧是一种气体放电 现象，通过放电将电能转变为热能与机械能。 2、气体放电：两极间的气体被击穿而导电的过程。 3、电弧的实质： 在一定的条件下，电荷通过两电极之间的气体空间的一种导电现象。（气体放电现象）,+,-,电弧,Ua,Ia,电弧放电,辉光放电,暗放电,暗放电,自持放电,非自持放电,U,I,导体导电,电弧是特殊的气体放电过程：电能能转换为热能；机械能；光能；磁能 。,二、 带电粒子的产生过程 产生方式： 电离：气体中性原子或分子（ A ）分离为一价正离子 （ A+ ）和电子（ e ）的过程。 电子发射： 金属表
2、面逸出电子的现象 （一）电离与激励 1、电离：在一定条件下中性原子分离成A+及e的现象。 A A+ + e - Wi 电离能：原子或分子电离所需要的能量 单位为ev 或J 电子伏：一个电子被1V的电压所加速得到的能量。 电离电压：电离能/电子带电量。,碱金属、碱土金属（K、Na、Ca等），外层一个或两个电子，易失去、易电离、电离电位低，药皮中加入引弧容易，电弧燃烧稳定。（引弧剂，稳弧剂）。J422,J502,J423等酸性焊条。 F(7个电子)电离电位较高，不易电离，加入药皮不易引弧。 CaF2可去除H、S、P，焊缝含氢量较少。 J507(CaF2)。碱性低氢型焊条含较多CaF2。,电离：使中
3、性的气体分子变成电子和离子过程。 电离势：原子或分子电离所需要的能量。,2、 激励：气体原子得到的一定的能量，虽然小于Wi，但可 使电子从低能级跃迁到高能级。这种现象叫激励。 激励能：所需的最小外加能量叫激励能We。 激励能电压：激励能We/e。,3、电离的分类： 1） 热电离：气体粒子受热的作用而产生电离 实质：中性粒子通过与电子碰撞，接收电子能量而电离。 电离度：电离了的粒子数量与电离前粒子数量之比。0.1% 2） 电场作用下的电离：A+、e在电场作用下被加速、与A碰撞 使其电离的过程。 主要是e的作用：电子获得的能量是A+ 的4倍。 3） 光电离：A直接捕捉光量子并吸收其能量而电离。 波
4、长越小越易促进光电离，电弧波长包括红外线、紫外线 可见光、可使AI、K、Na原子光电离。但不能使Ar、He、Fe 等电离。,（二）电子发射 1、基本概念 1） 电子发射：电子从金属表面逸出的现象。 对电弧导电起作用的主要是阴极的发射。 2） 逸出功（Ww）：电子发射所需的最小能量。1/21/4 Wi 3） 逸出电压：Ww/e 物理意义：Ww越小，引弧越容易，电弧稳弧性越好。 4）主要影响因素： 材料， K、Na。 表面状态：有氧化物时，逸出功降低 加入杂质，例如，钍、铈及镧等可降低Ww。,-,2、阴极电子发射的分类 1）热发射：在热量的作用下产生的发射 产生条件：阴极温度足够高 特点：对阴极有
5、冷却作用，这一点对TIG焊具有重要意义。可提高W极的载流能力。 2）电场发射：金属表面的电子在电场力的作用下逸出的现象。 特点：对阴极的冷却作用较小。 3）光发射：光幅射作用下产生的发射。实际电弧中产生光发射的可能性很小。 4）粒子碰撞发射：高速运动的A+碰撞到阴极上导致的发射。,库仑力,（三）负离子的产生 中性粒子与电子结合的过程，是一个放热过程，所放出的热被称为电子亲和能。 A + e A- + W 不利于电弧稳定。 （四）扩散与复合 扩散：电弧中心处A+、e较多，e易向周边运动。当周边电子浓度达到一定值后，在e吸引下，A+也向周边运动。从而在周边复合 A+eA+Wi A+ A- 2A+W
6、i,A-,A,e,+,A,三、电弧的产生 （一）引弧方法：擦划，点接触。 焊条与工件接触又迅速拉开的瞬间产生的。但实际是由：“短路空载燃弧”三个极短的阶段。,短路 短路阶段：两极间有金属蒸气；药皮蒸气；电子的热发射。,10m,突出点接触，电流密度极大（I短1.53 I焊 ），很大的电流（I短），很小的接触面积，很大电阻热。 电阻热使接触点温度骤然升高，电极表面金属熔化，蒸发，药皮中物质K、Na、Ca分解蒸发,Fe、K、Na、Ca蒸气具备电离气氛.,电子的热发射 阴极表面温度很高，电子获得足够的能量，活跃，冲破表面，逸出到空间去叫做热发射电子，电子逸出金属表面消耗的能量逸出功。,短路阶段：金属蒸
7、气(Fe )； 药皮蒸气(K、Na、Ca )； 电子的热发射(e)。 为电弧的产生准备了条件。,空载 焊条刚刚拉开，电弧尚未形成的一瞬间，电源处在空载状态：I=0, V=U0 。 空载电压较高：手工电弧焊U05090伏。不大于100伏。,很短的距离，弧长105106mm内。 电场强度很大。 E=100伏/ 105cm=106 伏/cm,足够大的电场强度，使电子从阴极发射出来，叫做电子自发射。空载阶主要是自发射。,自发射，热发射很强烈，但刚刚开始，还不能使两极间的气体充分电离，因此电弧尚未形成，还处于空载状态。I=0。,燃弧 短路阶段和空载阶段为燃弧准备了必要条件。,a.两极间：空气，金属蒸气，
8、药皮蒸气，易电离成为能导电的电弧介质。 b.热发射，自发射：从阴极表面发射大量高速运动电子。 c.电源供电：两极间有足够大的电场强度，成为发射电子、电离气体的动力来源。,由于具备了上述条件，使得由阴极发射出来的电子，在电场加速下，发生激烈的碰撞：电子在电场作用下，撞击原子使之电离，碰撞电离发生链锁反应。产生雪崩式击穿而形成电弧。,即当焊条提升到一定高度时，则两极间的空间顷刻发生突变，发出强烈的光和热，即电弧引燃。,弧柱空间：大量的碰撞，碰撞电离、热电离，中和放电，达到热平衡。 正离子跑向阴极撞击阴极表面，释放出动能，同时在阴极表面中和成原子，释放成位能。 电子跑向阳极，进入阳极，释放出动、位能
9、，全部能量。 电弧作为换能器，电能转化为热能，光能，机械能。,常见导体材料逸出功 元素 逸出电压V Fe 4.48 W 4.50 W-Th 2.63 W-Ce 2.70,电极表面温度的高低受材料沸点的限制。 钨电极表面温度可达3500K以上，高温下发射大量电子。热阴极（材料）。 W沸点：5950K, 熔点：3653K Cu、Al、Fe电极表面沸点低，表面温度也低，热发射能力不足，必须依靠电场发射电子予以补充。冷阴极。 Fe沸点：3008 K ，熔点：1808K(1535),四、电弧的结构 直流电弧为例，电弧近似看成为一个圆柱形的气体导体。,阴极区：靠近阴极端部的地方，阴极压降较大，相当于电弧介
10、质的电离势。E106V/cm，自发射。 阴极斑点：在整个阴极端面上电流集中在很小很光亮的斑点上，是电子集中发射的地方。T22003600K，几乎接近电极材料的沸点。 阴极区电流：正离子流向阴极，撞击阴极斑点并与电子中和。电子流向弧柱，去进行撞碰电离。,阳极区：靠近阳极的地方。 103104cm 阳极斑点：光亮的斑点，弧柱中来的电子经阳极区电场作用加速，集中射击到阳极斑点，撞入阳极，此处温度高，电流密度大。 阳极区电流:基本上全部由电子流组成。 阳极区压降：基本上不受电极材料和电弧介质的影响，约为2.5V。,弧柱区：充满着气体介质的分子，原子，以及电子，正离子和负离子。 高速运动的电子撞击原子使
11、之电离，电子和正离子中和，释放出能量。碰撞时发生能量的转换，部分动能转化为热能。 每次碰撞产生的能量虽小，但电子数目极多，故反应激烈，产生很大的热量，弧柱5000-8000K，发强光。 电弧温度分布：纵向、横向。,电弧极性的选择：主要依据焊条的性质和焊件所需能量： 一般低碳钢结构：J422，J423，交直两用。 焊接重要结构：J507，J557，直流反接。 厚板正接，薄板反接。有色金属，铸铁反接（药皮影响）。,极性鉴别：J507 直流电焊机稳定性交流 交流：f=50Hz，正负变化100次/秒，过零点I=0，电弧熄灭，所以电弧温度比直流低一些，稳弧性差。 碱性焊条J507不能用交流焊机焊接 ，必
12、须用直流电焊机，且反接。,第二节 焊接电源,一、焊接电弧的静特性 二、焊接电源的外特性 三、焊接电源（电焊机） （一）焊接电源的特点 （二）常用焊条电弧焊机简介 （三）电焊机型号介绍,焊机-焊接电源 电弧-负载（电阻性、电导率不是常数） 一、焊接电弧的静特性 电弧的静特性：当弧长一定时，通过电弧的电流与电弧两端的压降之间的关系。,I与V之间的关系,v,I,R常数（金属电阻，T不高） V=IR（电阻静特性）,V,R,I,0,R斜率=常数,电阻静特性曲线,电弧电阻R在变化 VI （曲线关系） U型特性,I,O,电弧静特性曲线,ab段，下降特性 ，电流密度小 ， 不适合焊接，生产上很少用 bc段 水
13、平特性，电流密度较大 ， 手工焊条，埋弧自动焊 cd段，上升段，电流密度大，熔化极气体保护焊电弧焊，细丝埋弧焊,a,b,c,d,V,I,O,28 24 20,6mm 4mm 2mm,2mm,4mm,6mm,l-V ,50 40 30 20 10,L=5,L=3,Uf,If,60 120 180,I,电弧静特性全部,（a）手工电弧（焊条）,Uf,If,40 30 20 10 0,200 400 600,10mm 5mm 3mm,Uf,If,（b）埋弧焊,钨TIG,CO2,Ar,Uf,If,200 400 600,50 40 30 20 10 0,手工电弧焊（SMAW） 熔化极气保（GMAW） 钨
14、极氩弧（GTAW） 等离子弧焊（PAW） 埋弧焊（SAW）,MIG、CO2保护焊,二、焊接电源的外特性 焊接电源外特性 : 焊接电源的输出电压与输出电流之间的关系。,IiVi 电弧静特性 I0 U0 焊接电源外特性,（一） 焊接电源应该具备的条件 1、陡降的外特性 2、适当的空载电压 3、可调的外特性 4、较好的动特性 1、陡降的外特性 电弧本身性质：放电条件 影响焊接稳定性主要 K、Na 、Ca、Fe、F 供电电源（焊机）性质,（一） 焊接电源应该具备的条件 1、陡降的外特性 2、适当的空载电压 3、可调的外特性 4、较好的动特性 1、陡降的外特性 为什么需要有陡降的外特性呢？,为什么要陡降
15、？ 稳定工作点,A点：IAIA（U源U 弧）IA（U源U 弧）IB 大 IA IA （U源U 弧）IA （U源U 弧）0 熄灭 所以A点不是稳定的工作点 B点：IBIB（U源U 弧）IBIB IBIB （U源U 弧） IB IB 所以B点是稳定工作点,电流波动小,l 波动,5mm 2mm l1l2 I1 I2 变大,A点：IAIA（U源U 弧）IA（U源U 弧）IB 大 IA IA （U源U 弧）IA （U源U 弧）0 熄灭 所以A点不是稳定的工作点 B点：IBIB（U源U 弧）IBIB IBIB （U源U 弧） IB IB 所以B点是稳定工作点,O,两台焊机： I 1I2,H不一致 l： 未焊透 烧穿,I,V,O,恒流,I0,短路电流不过大,焊条过热 后果 药皮 熔化 分解 蒸发 烧损电焊机,短路,引弧 熔滴过渡,失效,短路 V=0 I=I短路 I2I1,一般要求 I短=（120130）%I焊 最大不超过 150%I焊,O,lI=0 I焊=I
