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1、中南工业学校焊接教研室董盛荣中南工业学校焊接教研室董盛荣第一讲第一讲 电弧的根本特性电弧的根本特性.中南工业学校焊接教研室董盛荣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间的一种导电过程如图7-17-1，也可以说是一种气体放电现象。焊接电，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。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
2、冲电弧。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第一讲 电弧的根本特性电弧的根本特性.中南工业学校焊接教研室董盛荣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。如等离子弧。按电极材料，可分为熔化极电弧如按电极材料，可分为熔化极电弧如CO2CO2气体保护焊电弧、非熔气体保护焊电弧、非熔化极电弧如钨极氩弧焊电弧。化极电弧如钨极氩弧焊电弧。二、焊接电弧的产生二、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，是由一般情况下，气体不含有带电粒
3、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或原子电离成带电粒子气体电离；同时，为了使电弧维持气体电离；同时，为了使电弧维持“燃烧燃烧，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，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。子是电弧产生的必要条件。1 1气体电离气体电离第一讲第一讲 电弧的根本特性电弧的
4、根本特性.中南工业学校焊接教研室董盛荣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别离成正离子和电子的现象在外加能量作用下，中性气体分子或原子别离成正离子和电子的现象称为气体电离。称为气体电离。气体分子或原子别离出一个外层电子所需要的最小能量称为电离能或电气体分子或原子别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，当用电子伏特离功，当用电子伏特eVeV来衡量时，又称电离势或电离电位，用来衡量时，又称电离势或电离电位，用 表表示。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、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
5、表示气体容易电离。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：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 1碰撞电离碰撞电离 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。产生电离。2 2热电离热电离 在高温下，具有高动能的气体原子或分子在无规那在高温下，具有高动能的气体原子或分子在无规那么的相互碰撞中产生的电离。么的相互碰撞中产生的电离。3 3光电离光电离 气体原子或分子吸收光辐射的能量而产生的电离。气体原子或分子吸收光辐射的能量而产生的电离。第一讲第一讲 电弧的根本
6、特性电弧的根本特性.中南工业学校焊接教研室董盛荣中南工业学校焊接教研室董盛荣2 2阴极电子发射阴极电子发射阴极外表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。要阴极外表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外表而产生电子发射，必须给电子施加一定的能量。电使其逸出金属电极外表而产生电子发射，必须给电子施加一定的能量。电子从阴极外表逸出所需要的能量称逸出功。子从阴极外表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按其能量来源不同，阴极电子发射可分为 ：1 1热电子发射热电子发射 阴极外表受热后，其中某些电子具有大于逸出功的动能阴极外表受
7、热后，其中某些电子具有大于逸出功的动能而逸出到外表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而逸出到外表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。弧中起着重要的作用，它随着温度上升而增强。2 2场致电子发射场致电子发射 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，那么场致电子发射能力越强。子发射。电场越强，那么场致电子发射能力越强。3 3光电子发射光电子发射 阴极外表接受光射线的能量而释放出自由电子的现象称阴极外表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。
8、为光电子发射。4 4撞击电子发射撞击电子发射 运动速度较高、能量较大的重粒子如正离子撞击运动速度较高、能量较大的重粒子如正离子撞击阴极外表，将能量传递给阴极而产生的电子发射称为撞击电子发射。阴极外表，将能量传递给阴极而产生的电子发射称为撞击电子发射。第一讲第一讲 电弧的根本特性电弧的根本特性.中南工业学校焊接教研室董盛荣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
9、要地位。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，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，阴极外表无法到达很高温度，这时热电子因受材料本身熔点的限制，阴极外表无法到达很高温度，这时热电子发射较弱，主要靠场致电子发射；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，因外表温当采用钨、碳等熔点较高的材料做阴极称热阴极时，因外表温度可被加热到很高温度可达度可被加热到很高温度可达400040005000K5000K，使电子获得足够的能，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
10、位了。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。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 3焊接电弧的引燃焊接电弧的引燃第一讲第一讲 电弧的根本特性电弧的根本特性.中南工业学校焊接教研室董盛荣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，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
11、两种方式：称为焊接电弧的引燃。焊接电弧的引燃一般有两种方式：1 1接触引弧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速拉起电极约2 24mm4mm而引燃电弧，这种引弧方式称为接触引弧。而引燃电弧，这种引弧方式称为接触引弧。2 2非接触引弧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外表产生电场发射来
12、引燃电弧的方法。电使电极外表产生电场发射来引燃电弧的方法。第一讲第一讲 电弧的根本特性电弧的根本特性.中南工业学校焊接教研室董盛荣中南工业学校焊接教研室董盛荣三、焊接电弧的结构三、焊接电弧的结构焊接电弧沿其长度方向分为三个区域，见图焊接电弧沿其长度方向分为三个区域，见图7-27-2所示。紧靠负电极的区所示。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。阳极区的长度约为域称为弧柱区。阳极区的长度约为10-310-310-4cm10-4cm，阴极区的长度约为，阴极区的长度约为10-510-510-
13、6cm10-6cm，因此，电弧长度可近似认为等于弧柱长度。，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，靠近电极局部产生较强烈沿着电弧长度方向的电压分布是不均匀的，靠近电极局部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极压降和弧柱压降，它们组成了总的电弧电压 ，可表示为，可表示为 弧柱压降与弧柱长度成正比阳极压降常数阴
14、极压降常数第一讲第一讲 电弧的根本特性电弧的根本特性.中南工业学校焊接教研室董盛荣中南工业学校焊接教研室董盛荣四、焊接电弧的特性四、焊接电弧的特性一焊接电弧的电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。伏安特性动特性。1焊接电弧的静特性焊接电弧的静特性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。焊接电弧的特焊接电弧的特性性电电特特性性热热特特性性力学特性力学特性第一讲第一讲 电弧的根本特性电弧的根本特性.中南工业学校焊接教研室董盛荣中南工业学校焊接教研室董盛荣在
15、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。其数学表达式为和焊接电流之间的关系称为静特性。其数学表达式为 1 1焊接电弧的静特性曲线形状及其应用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近似呈 形曲线，见图形曲线，见图7-37-3所示。所示。形静特性曲线可看成由三个区段组成。在形静特性曲线可看成由三
16、个区段组成。在区段，电弧电压随着电流的区段，电弧电压随着电流的增加而下降，称该段为下降特性段；在增加而下降，称该段为下降特性段；在区段，电弧电压根本上不随电流的区段，电弧电压根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；在变化而变化，称该段为平特性段，或称恒压特性；在区段，电弧电压随电区段，电弧电压随电流的增加而上升，称该段为上升特性段。流的增加而上升，称该段为上升特性段。2 2弧长对静特性曲线的影响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。如图阻增大，根据欧姆定律，电弧电压自然会增加。如图7-47-4所示。所示。第一讲第一讲 电弧的根本特性电弧的根本特性.中南工业学校焊接教研室董盛荣中南工业学校焊接教研室董盛荣2 2焊接电弧的动特性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，是指时刻都在改变，即电弧永远处于动平衡状态。所谓电弧的
