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§7-2焊接電弧的結(jié)構(gòu)及特性§7-2焊接電弧的結(jié)構(gòu)和特性一、焊接電弧的結(jié)構(gòu)焊接電弧沿其長度方向分為三個區(qū)域,見圖7-2所示。緊靠負(fù)電極的區(qū)域為陰極區(qū),緊靠正電極的區(qū)域為陽極區(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§7-2焊接電弧的結(jié)構(gòu)和特性圖7-2電弧結(jié)構(gòu)和壓降分布示意圖§7-2焊接電弧的結(jié)構(gòu)和特性弧柱壓降與弧柱長度成正比陽極壓降(常數(shù))陰極壓降(常數(shù))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)。§7-2焊接電弧的結(jié)構(gòu)和特性二、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)和動態(tài)伏安特性(動特性)。1.焊接電弧的靜特性焊接電弧的特性電特性熱特性力學(xué)特性§7-2焊接電弧的結(jié)構(gòu)和特性在電極材料、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§7-2焊接電弧的結(jié)構(gòu)和特性圖7-3焊接電弧的靜特性曲線小電流鎢極氬弧焊、微束等離子弧焊以及脈沖氬弧焊中的“維弧”狀態(tài),通常使用電弧靜特性的下降段
對于細(xì)絲大電流CO2氣體保護焊、等離子弧焊,則通常工作在電弧靜特性的上升段
對于焊條電弧焊、粗絲CO2氣體保護焊、埋弧焊,多工作在電弧靜特性的水平段
§7-2焊接電弧的結(jié)構(gòu)和特性該段為平特性段,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)弧長對靜特性曲線的影響當(dāng)電弧電流不變時,弧長增加,電弧電阻增大,根據(jù)歐姆定律,電弧電壓自然會增加。如圖7-4所示。2.焊接電弧的動特性在焊接過程中,由于受到熔滴過渡等因素的影響,電弧電壓和焊接電流時刻都在改變,即電弧永遠處于動平衡狀態(tài)。所謂電弧的動特性,是指在一定的弧長下,當(dāng)電弧電流以很快的速度變化時,電弧電壓和焊接電流瞬時值之間的關(guān)系§7-2焊接電弧的結(jié)構(gòu)和特性圖7-4弧長對電弧靜特性的影響§7-2焊接電弧的結(jié)構(gòu)和特性圖7-5是電弧動特性示意圖。(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能轉(zhuǎn)換而來。
—瞬時電流;
—瞬時電壓。§7-2焊接電弧的結(jié)構(gòu)和特性圖7-5電弧動特性的說明示意圖為什么§7-2焊接電弧的結(jié)構(gòu)和特性(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)生的熱量對電極或工件的影響更直接。所產(chǎn)生的熱量主要用于對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,由自由電子動能和位能轉(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§7-2焊接電弧的結(jié)構(gòu)和特性電弧產(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★當(dāng)其它條件不變時,電弧電壓升高,弧長增加,通過對流、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。
——熱效率。為有效熱功率系數(shù),即表7-1為常用焊接方法的熱效率系數(shù)有效熱功率§7-2焊接電弧的結(jié)構(gòu)和特性3.電弧的溫度分布焊接電弧中三個區(qū)域的溫度分布是不均勻的,一般情況下,陽極斑點溫度高于陰極斑點溫度,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。弧柱區(qū)的溫度最高,但沿其截面分布不均,其中心溫度最高,可達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)換為機械能,機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、斑點壓力、熔滴沖擊力及短路爆破力等?!?-2焊接電弧的結(jié)構(gòu)和特性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,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,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焊接電弧的結(jié)構(gòu)和特性(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行補充,補充進的氣體被加熱電離并連續(xù)流向工件,對熔池形成動壓力,即等離子流力。(3)斑點力電弧焊時,電極斑點受到帶電粒子的撞擊或金屬蒸發(fā)的反作用而對斑點產(chǎn)生壓力,稱為斑點力。★不論是陰極斑點力還是陽極斑點力,其方向總是與熔滴過渡方向相反,阻礙熔滴過渡。一般陰極斑點力比陽極斑點力大。(4)熔滴沖擊力當(dāng)采用較大電流進行熔化極氬弧焊時,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。§7-2焊接電弧的結(jié)構(gòu)和特性(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,對電弧產(chǎn)生的影響也不同。導(dǎo)熱性強的氣體或多原子氣體消耗的熱量多,對電弧有冷卻作用,會引起電弧的收縮,導(dǎo)致電弧力的增加。氣體流量或電弧空間氣體壓力增加,也會引起弧柱收縮導(dǎo)致電弧力增加,同時使斑點力增大。(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?!?-2焊接電弧的結(jié)構(gòu)和特性(3)焊絲直徑焊接電流一定時,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,可形成錐度較大的電弧,產(chǎn)生較大的電弧力。熔化極氣體保護焊采用直流正接時,熔滴受到較大的斑點力,過渡時受阻,電弧力較??;反之,直流反接時,電弧力較大?!?-2
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