電弧的基本特性演示文稿_第1頁
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電弧的基本特性演示文稿當(dāng)前第1頁\共有25頁\編于星期六\10點(diǎn)優(yōu)選電弧的基本特性當(dāng)前第2頁\共有25頁\編于星期六\10點(diǎn)★按電弧狀態(tài),可分為自由電弧(如焊條電弧焊電?。嚎s電?。ㄈ绲入x子?。!锇措姌O材料,可分為熔化極電?。ㄈ鏑O2氣體保護(hù)焊電?。⒎侨刍瘶O電?。ㄈ珂u極氬弧焊電弧)。二、焊接電弧的產(chǎn)生一般情況下,氣體不含有帶電粒子(電子、正離子、負(fù)離子),是由中性的分子或原子組成的。要使氣體產(chǎn)生電弧導(dǎo)電,必須使氣體分子或原子電離成帶電粒子——?dú)怏w電離;同時(shí),為了使電弧維持“燃燒”,還必須不斷的輸送電能給電弧,以補(bǔ)充氣體電離時(shí)所消耗的電能,即電弧的陰極要不斷的發(fā)射電子。綜上所示,氣體電離和陰極發(fā)射電子是電弧產(chǎn)生的必要條件。

1.氣體電離第一講電弧的基本特性當(dāng)前第3頁\共有25頁\編于星期六\10點(diǎn)★在外加能量作用下,中性氣體分子或原子分離成正離子和電子的現(xiàn)象稱為氣體電離。氣體分子或原子分離出一個(gè)外層電子所需要的最小能量稱為電離能或電離功,當(dāng)用電子伏特(eV)來衡量時(shí),又稱電離勢(shì)或電離電位,用表示。氣體電離勢(shì)的大小與其原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。電離勢(shì)大表示氣體難電離、難導(dǎo)電,反之表示氣體容易電離。在焊接電弧中,根據(jù)引起電離的能量來源不同,電離有如下三種形式:(1)碰撞電離在電場中,被加速的帶電粒子與原子和分子相碰撞而產(chǎn)生電離。(2)熱電離在高溫下,具有高動(dòng)能的氣體原子(或分子)在無規(guī)則的相互碰撞中產(chǎn)生的電離。(3)光電離氣體原子(或分子)吸收光輻射的能量而產(chǎn)生的電離。第一講電弧的基本特性當(dāng)前第4頁\共有25頁\編于星期六\10點(diǎn)2.陰極電子發(fā)射陰極表面在外加能量作用下連續(xù)向外發(fā)射電子的現(xiàn)象稱陰極電子發(fā)射。要使其逸出金屬電極表面而產(chǎn)生電子發(fā)射,必須給電子施加一定的能量。電子從陰極表面逸出所需要的能量稱逸出功。按其能量來源不同,陰極電子發(fā)射可分為:(1)熱電子發(fā)射陰極表面受熱后,其中某些電子具有大于逸出功的動(dòng)能而逸出到表面外的空間中去的現(xiàn)象稱為熱電子發(fā)射。熱電子發(fā)射在焊接電弧中起著重要的作用,它隨著溫度上升而增強(qiáng)。(2)場致電子發(fā)射這種由于在電場作用下而產(chǎn)生的電子發(fā)射稱為場致電子發(fā)射。電場越強(qiáng),則場致電子發(fā)射能力越強(qiáng)。(3)光電子發(fā)射陰極表面接受光射線的能量而釋放出自由電子的現(xiàn)象稱為光電子發(fā)射。(4)撞擊電子發(fā)射運(yùn)動(dòng)速度較高、能量較大的重粒子(如正離子)撞擊陰極表面,將能量傳遞給陰極而產(chǎn)生的電子發(fā)射稱為撞擊電子發(fā)射。

第一講電弧的基本特性當(dāng)前第5頁\共有25頁\編于星期六\10點(diǎn)陰極所用的材料不同,其電子發(fā)射形式也不同,有的以熱電子發(fā)射為主,有的以場致電發(fā)發(fā)射為主,而光電子發(fā)射和撞擊電子發(fā)射在焊接電弧中占次要地位?!锂?dāng)采用銅或鋁等熔點(diǎn)較低的材料做陰極(稱冷陰極)進(jìn)行焊接時(shí),因受材料本身熔點(diǎn)的限制,陰極表面無法達(dá)到很高溫度,這時(shí)熱電子發(fā)射較弱,主要靠場致電子發(fā)射;★當(dāng)采用鎢、碳等熔點(diǎn)較高的材料做陰極(稱熱陰極)時(shí),因表面溫度可被加熱到很高溫度(可達(dá)4000~5000K),使電子獲得足夠的能量而進(jìn)行強(qiáng)烈的熱電子發(fā)射,這時(shí)場致電子發(fā)射就居于次要地位了?!锞C上所述,焊接電弧的形成和維持,是在熱、光、電場和粒子動(dòng)能的作用下,氣體原子或分子不斷地被電離以及陰極電子發(fā)射的結(jié)果。3.焊接電弧的引燃第一講電弧的基本特性當(dāng)前第6頁\共有25頁\編于星期六\10點(diǎn)把造成兩電極間氣體發(fā)生電離和陰極電子發(fā)射而引起電弧燃燒的過程,稱為焊接電弧的引燃。焊接電弧的引燃一般有兩種方式:(1)接觸引弧弧焊電源接通后,電極(焊條或焊絲)與工件直接短路接觸,隨后迅速拉起電極(約2~4mm)而引燃電弧,這種引弧方式稱為接觸引弧。(2)非接觸引弧非接觸引弧指在引弧時(shí),電極與工件之間保持一定的間隙,然后在電極與工件之間施以高電壓擊穿間隙使電弧引燃。這是一種依靠高壓電使電極表面產(chǎn)生電場發(fā)射來引燃電弧的方法。第一講電弧的基本特性當(dāng)前第7頁\共有25頁\編于星期六\10點(diǎn)三、焊接電弧的結(jié)構(gòu)焊接電弧沿其長度方向分為三個(gè)區(qū)域,見圖7-2所示。緊靠負(fù)電極的區(qū)域?yàn)殛帢O區(qū),緊靠正電極的區(qū)域?yàn)殛枠O區(qū),陰極區(qū)和陽極區(qū)之間的區(qū)域稱為弧柱區(qū)。陽極區(qū)的長度約為10-3~10-4cm,陰極區(qū)的長度約為10-5~10-6cm,因此,電弧長度可近似認(rèn)為等于弧柱長度。沿著電弧長度方向的電壓分布是不均勻的,靠近電極部分產(chǎn)生較強(qiáng)烈的電壓降,即陰極區(qū)和陽極區(qū)的壓降較大,沿著弧柱長度方向的電壓降可以認(rèn)為是均勻分布的。這三個(gè)區(qū)的電壓降分別稱為陰極壓降、陽極壓降和弧柱壓降,它們組成了總的電弧電壓,可表示為第一講電弧的基本特性當(dāng)前第8頁\共有25頁\編于星期六\10點(diǎn)四、焊接電弧的特性(一)焊接電弧的電特性焊接電弧的電特性即伏安特性,包括靜態(tài)伏安特性(靜特性)和動(dòng)態(tài)伏安特性(動(dòng)特性)。1.焊接電弧的靜特性a—陰極壓降與陽極壓降之和(V);b—單位長度弧柱壓降(V/mm);

—弧柱長度(mm)。焊接電弧的特性電特性熱特性力學(xué)特性第一講電弧的基本特性當(dāng)前第9頁\共有25頁\編于星期六\10點(diǎn)在電極材料、氣體介質(zhì)和電弧弧長一定的情況下,電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)電弧電壓和焊接電流之間的關(guān)系稱為靜特性。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為(1)焊接電弧的靜特性曲線形狀及其應(yīng)用焊接電弧是非線性負(fù)載,即電弧兩端的電壓與通過電弧的電流之間不是成正比例關(guān)系。焊接電弧的靜特性近似呈形曲線,見圖7-3所示。形靜特性曲線可看成由三個(gè)區(qū)段組成。在Ⅰ區(qū)段,電弧電壓隨著電流的增加而下降,稱該段為下降特性段;在Ⅱ區(qū)段,電弧電壓基本上不隨電流的變化而變化,稱該段為平特性段,或稱恒壓特性;在Ⅲ區(qū)段,電弧電壓隨電流的增加而上升,稱該段為上升特性段。(2)弧長對(duì)靜特性曲線的影響當(dāng)電弧電流不變時(shí),弧長增加,電弧電阻增大,根據(jù)歐姆定律,電弧電壓自然會(huì)增加。如圖7-4所示。第一講電弧的基本特性當(dāng)前第10頁\共有25頁\編于星期六\10點(diǎn)2.焊接電弧的動(dòng)特性在焊接過程中,由于受到熔滴過渡等因素的影響,電弧電壓和焊接電流時(shí)刻都在改變,即電弧永遠(yuǎn)處于動(dòng)平衡狀態(tài)。所謂電弧的動(dòng)特性,是指在一定的弧長下,當(dāng)電弧電流以很快的速度變化時(shí),電弧電壓和焊接電流瞬時(shí)值之間的關(guān)系圖7-5是電弧動(dòng)特性示意圖。(二)焊接電弧的熱特性1.焊接電弧的產(chǎn)熱特性在電弧焊中,通過電弧把電能轉(zhuǎn)換成焊接所需要的熱能和機(jī)械能。(1)弧柱的產(chǎn)熱特性弧柱中的導(dǎo)電任務(wù)絕大部分由電子來承擔(dān),即弧柱中的熱量主要由電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)換而來。

—瞬時(shí)電流;

—瞬時(shí)電壓。第一講電弧的基本特性當(dāng)前第11頁\共有25頁\編于星期六\10點(diǎn)(2)陰極區(qū)的產(chǎn)熱特性陰極區(qū)和弧柱區(qū)相比,長度短,且直接靠近電極或工件,所以陰極區(qū)產(chǎn)生的熱量對(duì)電極或工件的影響更直接。所產(chǎn)生的熱量主要用于對(duì)陰極的加熱和陰極區(qū)的散熱損失。(3)陽極區(qū)的產(chǎn)熱特性陽極區(qū)的熱量主要是當(dāng)自由電子撞入陽極時(shí),由自由電子動(dòng)能和位能轉(zhuǎn)化而來。2.焊接電弧的熱效率及能量密度電弧焊的熱能由電能轉(zhuǎn)換而來,因此電弧的熱功率可用下式表示電弧產(chǎn)生的熱能并不能全部有效地用于焊接,其中一部分因?qū)α?、輻射及傳?dǎo)等損失,用于加熱、熔化填充材料及工件的電弧熱功率稱為有效熱功率,表示為第一講電弧的基本特性當(dāng)前第12頁\共有25頁\編于星期六\10點(diǎn)★當(dāng)其它條件不變時(shí),電弧電壓升高,弧長增加,通過對(duì)流、輻射等損失的弧柱熱量增加,熱效率隨著電弧電壓的升高而降低。單位面積上的有效功率稱為能量密度。能量密度在電弧軸線處最大,從中心到周圍逐漸降低。3.電弧的溫度分布焊接電弧中三個(gè)區(qū)域的溫度分布是不均勻的,一般情況下,陽極斑點(diǎn)溫度高于陰極斑點(diǎn)溫度,分別占放出熱量的43%和36%左右,但都低于該種電極材料的沸點(diǎn)?;≈鶇^(qū)的溫度最高,但沿其截面分布不均,其中心溫度最高,可達(dá)5000K~8000K。(三)焊接電弧的力學(xué)特性電弧在電弧焊中的作用之一是把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,機(jī)械能在電弧焊中以電弧力的形式表現(xiàn)出來。電弧力包括電磁收縮力、等離子流力、斑點(diǎn)壓力、熔滴沖擊力及短路爆破力等。第一講電弧的基本特性當(dāng)前第13頁\共有25頁\編于星期六\10點(diǎn)1.電弧力的類型及作用(1)電磁收縮力當(dāng)電流通過兩根相近的平行導(dǎo)線時(shí),若電流方向相同則產(chǎn)生相互吸引力,電流方向相反則產(chǎn)生排斥力。這種由電磁場產(chǎn)生的力稱為電磁力,其大小與導(dǎo)線中流過的電流大小成正比,與兩導(dǎo)線間的距離成反比。若把電弧中的電流看成是由許多靠近的平行同向電流線組成時(shí),則它們之間將產(chǎn)生相互吸引力。因電弧是柔性導(dǎo)體,它的截面是可變的,截面將產(chǎn)生收縮。這種現(xiàn)象稱為電磁收縮效應(yīng),產(chǎn)生此效應(yīng)的力稱為電磁收縮力。(2)等離子流力錐形電弧在電磁收縮力的作用下,高溫氣體不斷的由電極流向工件,電弧周圍的氣體不斷地從電極旁進(jìn)行補(bǔ)充,補(bǔ)充進(jìn)的氣體被加熱電離并連續(xù)流向工件,對(duì)熔池形成動(dòng)壓力,即等離子流力。(3)斑點(diǎn)力電弧焊時(shí),電極斑點(diǎn)受到帶電粒子的撞擊或金屬蒸發(fā)的反作用而對(duì)斑點(diǎn)產(chǎn)生壓力,稱為斑點(diǎn)力。第一講電弧的基本特性當(dāng)前第14頁\共有25頁\編于星期六\10點(diǎn)★不論是陰極斑點(diǎn)力還是陽極斑點(diǎn)力,其方向總是與熔滴過渡方向相反,阻礙熔滴過渡。一般陰極斑點(diǎn)力比陽極斑點(diǎn)力大。(4)熔滴沖擊力當(dāng)采用較大電流進(jìn)行熔化極氬弧焊時(shí),熔滴呈射流過渡,在等離子流力的作用下,熔滴以極大的加速度連續(xù)沿軸向射向熔池,使焊縫極易形成指狀熔深。(5)短路爆破力電弧從燃燒狀態(tài)過渡到短路狀態(tài),電弧電流迅速上升,熔滴溫度急劇升高,使液柱汽化爆斷,產(chǎn)生較大的沖擊力,導(dǎo)致飛濺產(chǎn)生。2.影響電弧力的因素(1)氣體介質(zhì)不同種類的氣體介質(zhì),其熱物理性能不同,對(duì)電弧產(chǎn)生的影響也不同。導(dǎo)熱性強(qiáng)的氣體或多原子氣體消耗的熱量多,對(duì)電弧有冷卻作用,會(huì)引起電弧的收縮,導(dǎo)致電弧力的增加。氣體流量或電弧空間氣體壓力增加,也會(huì)引起弧柱收縮導(dǎo)致電弧力增加,同時(shí)使斑點(diǎn)力增大。第一講電弧的基本特性當(dāng)前第15頁\共有25頁\編于星期六\10點(diǎn)(2)電流和電弧電壓電流越大,電磁收縮力和等離子流力都將增大,所以電弧力也增大。電流一定,電弧長度增加引起電弧電壓升高,則電弧力降低。(3)焊絲直徑焊接電流一定時(shí),焊絲越細(xì),電流密度越大,造成電弧錐形越明顯,電磁力和等離子流力越大,電弧力也增大。(4)電極極性通常陰極導(dǎo)電區(qū)的收縮程度比陽極區(qū)大,因此,直流正接時(shí),可形成錐度較大的電弧,產(chǎn)生較大的電弧力。熔化極氣體保護(hù)焊采用直流正接時(shí),熔滴受到較大的斑點(diǎn)力,過渡時(shí)受阻,電弧力較?。环粗?,直流反接時(shí),電弧力較大。第一講電弧的基本特性當(dāng)前第16頁\共有25頁\編于星期六\10點(diǎn)圖7-2電弧結(jié)構(gòu)和壓降分布示意圖第一講電弧的基本特性當(dāng)前第17頁\共有25頁\編于星期六\10點(diǎn)圖7-3焊接電弧的靜特性曲線第一講電弧的基本特性當(dāng)前第18頁\共有25頁\編于星期六\10點(diǎn)圖7-4弧長對(duì)電弧靜特性的影響第一講電弧的基本特性當(dāng)前第19頁\共有25頁\編于星期六\10點(diǎn)圖7-5電弧動(dòng)特性的說明示意圖為什么第一講電弧的基本特性當(dāng)前第20頁\共有25頁\編于星期六\10點(diǎn)實(shí)際動(dòng)特性曲線成因分析第一講電弧的基本特性當(dāng)前第21頁\共有25頁\編于星期六\10點(diǎn)表7-1常用焊接方法的熱效率系數(shù)焊接方法焊條電弧焊埋弧焊CO2氣體保護(hù)焊熔化極氬弧焊鎢極氬弧焊0.65~0.850.80~0.900.75~0.900.70~0.800.65~0.70第一講電弧的基本特性當(dāng)前第22頁\共有25頁\編于星期六\10點(diǎn)以交流電形式向焊接電弧輸送電能的電源稱為交流弧焊電源,產(chǎn)生的焊接電弧是交流電弧。五、交流電弧的特點(diǎn)交流電弧一般是由頻率為50Hz的交流電源供電。每秒鐘電弧電流有100次過零點(diǎn),即每秒鐘電弧熄滅和再引燃100次。交流電弧有以下特點(diǎn):(1)電弧周期性地熄滅和引燃交流電弧在過零點(diǎn)改變極性時(shí)熄滅,電弧空間溫度下降,此時(shí)電弧中異性帶電粒子發(fā)生復(fù)合,降低了電弧空間的導(dǎo)電能力。只有當(dāng)電源電壓增大到超過再引燃電壓后,電弧才有可能被再次引燃。(2)電弧電壓和電流的波形發(fā)生畸變由于電弧電壓和電流是交變的,使電弧空間和電極表面的溫度也隨時(shí)變化。因而電弧電阻不是常數(shù),而是隨著電弧電流的變化而變化。當(dāng)電源電壓按正弦曲線變化時(shí),電弧電壓和電流就不按正弦規(guī)律變化,而發(fā)生了畸變。第一講電弧的基本特性當(dāng)前第23頁\共有25頁\編于星期六\10點(diǎn)(3)熱慣性作用較明顯由于電弧電壓和電流變化得較快,而電弧熱的變化滯后于電的變化。某一時(shí)刻的瞬時(shí)電流,使電弧空間發(fā)生熱電離的效應(yīng)要推遲一定時(shí)間才能表現(xiàn)出來。六、交流電弧連續(xù)燃燒的條件交流電弧

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