【文章內(nèi)容簡介】 rsity college of engineering technology 第一章 焊接電弧 非接觸式引弧只包含激發(fā)和燃弧兩個階段 ： 激發(fā)階段 ：在鎢極和焊件之間除了施加焊接電源的空載電壓外，還施加了高頻高壓引弧電壓或高壓脈沖引弧電壓。由于引弧電壓很高，在陰極表面能產(chǎn)生非常強烈的 場致發(fā)射 ，因此能為電極空間提供大量的電子。這些電子在強電場的作用下被加速運動，能撞擊中性原子，因此也能產(chǎn)生強烈的 場致電離 ，使帶電粒子數(shù)量進一步增加。 燃弧階段 長大工院機械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 焊接電弧的構(gòu)造及其導電機構(gòu) 焊接電弧 ： 陰極區(qū) ： 狹窄（ 105—— 106） cm， UK大，場強大，陰極斑點 陽極區(qū) ：稍寬 （ 102—— 103） cm， UA較小，場強較小，陽極斑點 弧柱區(qū)： 很長 ， Uc小，場強很小 在長度方向上 ,帶電粒子的分布是均勻的 ,因此電壓降 UC與電弧長度成正比 , 其徑向方向上 ,中心的帶電粒子密度大，而周圍的小。 焊接電弧的構(gòu)造 圖 16 電弧各區(qū)的電壓分布 長大工院機械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 對于每一個焊接電弧 ,電弧的電壓 Ua都等于陰極電壓降 UK 、弧柱電壓降 UC和陽極電壓降 UA之和 ,即 Ua = UK + UC + UA 長大工院機械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 焊接電弧的導電機構(gòu) 組成 ： 陰極區(qū)的總電流是由電子流和正離子流 共同組成的。 電子流占總電流的比率（ 6080%）取決于電極材料的種類、電流大小、氣體介質(zhì)等工作條件。 導電機構(gòu)三類 : （ 1）熱發(fā)射型 （ 2）場致發(fā)射型 （ 3）等離子型 (比例非常少） 長大工院機械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 （ 1）熱發(fā)射型 條件 ：當采用 W, C等熱陰極材料作為陰極 ,而且流過大電流時 ,能發(fā)生熱發(fā)射型導電。在這種情況下 ,陰極區(qū)可以達到很高的溫度 ,因此可以產(chǎn)生很強烈的電子熱發(fā)射。 特點 ： a)如果電流足夠大，陰極通過熱發(fā)射就能夠提供弧柱區(qū)所需要的電子比率。 b)陰極表面以外的區(qū)域?qū)⑴c弧柱區(qū)沒有區(qū)別 ： ① 其電流組成與弧柱區(qū)相同 (電子流比率約占 %)，其空間電荷總和為零 ,對外呈中性 , ② 弧柱的斷面一直到陰極表面不發(fā)生很大變化，不產(chǎn)生收縮。 ③ 陰極表面導電區(qū)域的電流密度也與弧柱區(qū)相近 (約為 103A/cm2),陰極表面不再存在陰極斑點力， ④ 陰極區(qū)的電壓降很小，甚至為零。 c)在大電流鎢極氬弧焊時這種陰極導電機構(gòu)占主要地位。 長大工院機械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 （ 2）場致發(fā)射型 條件： 當采用 Cu、 Fe、 Al等冷陰極型材料作為陰極 ,或采用 W、 C等熱陰極型材料作為陰極但電流比較小時 ,將主要發(fā)生場致發(fā)射型導電。 導電機構(gòu) ： 冷陰極型電極受材料沸點的限制，其表面的溫度不能升得很高 .因此陰極表面不可能產(chǎn)生強烈的電子熱發(fā)射。由于最初電子供應(yīng)不足 ,使得靠近陰極的區(qū)域正負電荷處于非平衡狀態(tài)，正離子過剩并造成堆積 ,形成正的空間電荷 ,因而在陰極表面前面形成局部較高的電場。只要陰極不能發(fā)出足夠的電子數(shù)量 ,正離子將繼續(xù)堆積 ,電場強度將繼續(xù)增加。當電場強度足夠大時 ,就會使陰極表面的電子沖破束縛發(fā)射出來 ,即產(chǎn)生 場致發(fā)射 。 長大工院機械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 W、 C陰極，小電流 Fe、 Al、 Cu等冷陰極 熱發(fā)射不夠，造成正離子在陰極前的堆積，從而形成正電場，在電場作用下電極通過電場發(fā)射形式發(fā)射電子。所以熱發(fā)射和電場發(fā)射同時存在。 長大工院機械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 從陰極發(fā)射的電子被該電場加速，當動能大于氣體的電離能時，就會在陰極區(qū)的終端與中性粒子碰撞并 電離 。電離出來的正離子與從弧柱區(qū)來的正離子一起向陰極運動 ,使正離子流占陰極區(qū)總電流的比率大大增加。陰極區(qū)的電子流和正離子流比率的變化如圖 17所示。 圖 17 陰極壓降區(qū)的電子流和離子流 長大工院機械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 特點 ： 在場致發(fā)射型導電時 ,陰極表面有 陰極斑點 ： a)當用 W、 C等材料作陰極且電流比較小時 ,陰極斑點是固定不動的 ,電流密度較低 ,即使是交流電弧也很穩(wěn)定。 b)當用 Cu、 Fe、 Al 等材料做陰極時 ,陰極斑點是游動的 ,電弧自動選擇最有利于場致發(fā)射的點作為陰極斑點 , 陰極斑點可能是一個 ,也可能是多個 ,電流密度較高，在交流情況下電弧不穩(wěn)定。 長大工院機械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 特點 : a)場致謝發(fā)射 的導電機構(gòu)是熔化極電弧焊常見的導電機構(gòu)。 b)在通常的情況下場致發(fā)射型和熱發(fā)射型兩種導電機構(gòu)并存。 c)當電極材料的熔點較高或逸出功較小時 ,熱發(fā)射的比例較大，場致發(fā)射的比例較小； 反之 ,熱發(fā)射的比例較小 ,場致發(fā)射的比例較大 ,陰極壓降也比較大。 d)當焊接電流增大時 ,一般熱發(fā)射的比例增大 ,場致發(fā)射的比例減小 ,陰極壓降也減小。 長大工院機械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 組成 ： 弧柱區(qū)充滿了電子、正離子、氣體原子、氣體分子 ,以及負離子。由于負離子的數(shù)量比較少,弧柱區(qū)的帶電粒子主要是電子和正離子。研究表明 ,弧柱區(qū)的總電流是由約占 %的電子流和約占 %的正離子流組成的 。在每個瞬間，每個單位體積內(nèi)的正、負帶電粒子數(shù)量是相等的，因此從整體上看，弧柱是 呈電中性 的。 長大工院機械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 從宏觀上看 ,弧柱區(qū)的電子流是來自陰極區(qū) ,正離子流是來自陽極區(qū)，在外加電場的作用下 ,分別沿著相反的方向運動。但從微觀上來看 ,弧柱內(nèi)粒子的碰撞、擴散、解離、激勵、電離、復合等過程都進行得非常激烈。 弧柱的溫度很高 ,可以達到 500050000K。其電離和復合過程也進行得非常激烈。由于復合 ,雖然使正、負帶電粒子的數(shù)量減少，但是在弧柱中心部位激烈地進行著電離過程，又可產(chǎn)生大量的電子和正離子。當電弧穩(wěn)定燃燒時 ,這兩個過程處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)。 長大工院機械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 弧柱區(qū)的能量也在激烈地轉(zhuǎn)換，由電源提供的電能不斷地轉(zhuǎn)化成熱能、輻射能、機械能等，當電弧穩(wěn)定燃燒時 ,能量轉(zhuǎn)換也處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)。 弧柱單位長度上的電壓降即為弧柱的電場強度 E。 E的大小反映了弧柱的導電性能 ,E值越小 ,說明弧柱的導電性能越好。 長大工院機械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 電弧燃燒時 ,陽極區(qū)主要接受來自弧柱的占總電流%的電子流，同時，還要向弧柱區(qū)發(fā)送約占總電流 %的正離子流。 每一個電子到達陽極時，將向陽極釋放出相當于電子逸出功的能量。 陽極區(qū)可以通過兩種不同的方式（ 場致電離， 熱電離） 提供正離子。 長大工院機械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 （ 1） 場致電離 當電流密度較小時 ,在陽極區(qū)難以發(fā)生熱電離過程 ,陽極前面的正離子不足 ,正離子數(shù)少于電子數(shù) ,因此陽極前方能形成負的空間電荷和空間電場 ,因此能產(chǎn)生一定的陽極壓降 UA。在陽極壓降的作用下 ,來自弧柱區(qū)的電子被加速 ,其動能大大提高。此時 ,電子不僅擁有弧柱區(qū)給予的動能 ,而且增加了陽極區(qū)給予的動能。當陽極壓降 UA增加到一定程度時，其中有一部分電子與中性粒子發(fā)生碰撞后產(chǎn)生 場致電離 。 長大工院機械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 生成的電子與從弧柱來的電子共同組成陽極電流進入陽極，生成的正離子向弧柱區(qū)輸送。當通過場致電離提供給弧柱的正離子流達到總電流的%時，陽極壓降UA不再繼續(xù)升高 ,而保持穩(wěn)定。 圖 19 陽極區(qū)帶電粒子的運動情況和電位分布示意圖 長大工院機械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 （ 2）熱電離 當電流密度較大時 ,陽極表面及其前面的溫度都很高 ,陽極的溫度可以達到陽極材料的沸點 ,因此能發(fā)生蒸發(fā) ,使陽極區(qū)充滿大量的蒸汽。金屬蒸氣中原子的電離能一般都比較低 ,因此在高溫的作用下容易發(fā)生電離。 如果電流足夠大，陽極區(qū)的溫度很高，陽極區(qū)完全能通過電離滿足弧柱區(qū)對正離子流的需要，此時，陽極區(qū)壓降很低，可接近于零。 長大工院機械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 最小電壓原理 含義 : 在電流和周圍條件一定的情況下 ,穩(wěn)定燃燒的電弧將自動選擇一適當?shù)臄嗝?,以保證電弧的電場強度具有最小的數(shù)值 ,即在固定弧長上的電壓最小。這意味著電弧總是保持最小的能量消耗。 E r R* E* 電弧半徑的穩(wěn)定值由電場的最小值決定 長大工院機械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 根據(jù)最小電壓原理 ,在電流和周圍條件一定時 ,電弧的斷面既不能大于其自動確定的值 ,也不能小于其自動確定的值。如果斷面大了 ,電弧與周圍介質(zhì)的接觸面將增大 ,電弧向周圍介質(zhì)散失的熱量要增加 ,必須增加電場強度，以產(chǎn)生更多的熱量才能與其相平衡。在這種情況下 ,電弧會自動縮小其斷面積 ,以減小能量損耗；如果斷面小了 ,電弧的電流密度要增加 ,即在較小的斷面里要通過相同數(shù)量的帶電粒子 ,使電阻率增加 ,要維持相同的電流也必須增加電場強度。在這種情況下 ,電弧會自動增大其斷面 ,以減少能量損耗。 長大工院機械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 焊接電弧的電特性 焊接電弧的電特性主要指的是焊接電弧的靜特性和焊接電弧的動特性。 長大工院機械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 焊接電弧的靜特性 焊接電弧的靜特性是指在電極材料、氣體介質(zhì)和弧長一定的情況