【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(gè)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(qiáng)烈的 場(chǎng)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(qiáng)電場(chǎng)的作用下被加速運(yùn)動(dòng)，能撞擊中性原子，因此也能產(chǎn)生強(qiáng)烈的 場(chǎng)致電離 ，使帶電粒子數(shù)量進(jìn)一步增加。 燃弧階段 長(zhǎng)大工院機(jī)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(dǎo)電機(jī)構(gòu) 焊接電弧 ： 陰極區(qū) ： 狹窄（ 105—— 106） cm， UK大，場(chǎng)強(qiáng)大，陰極斑點(diǎn) 陽(yáng)極區(qū) ：稍寬 （ 102—— 103） cm， UA較小，場(chǎng)強(qiáng)較小，陽(yáng)極斑點(diǎn) 弧柱區(qū)： 很長(zhǎng) ， Uc小，場(chǎng)強(qiáng)很小 在長(zhǎng)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(zhǎng)度成正比 , 其徑向方向上 ,中心的帶電粒子密度大，而周?chē)男　? 焊接電弧的構(gòu)造 圖 16 電弧各區(qū)的電壓分布 長(zhǎng)大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 對(duì)于每一個(gè)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(yáng)極電壓降 UA之和 ,即 Ua = UK + UC + UA 長(zhǎng)大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 焊接電弧的導(dǎo)電機(jī)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(lèi)、電流大小、氣體介質(zhì)等工作條件。 導(dǎo)電機(jī)構(gòu)三類(lèi) : （ 1）熱發(fā)射型 （ 2）場(chǎng)致發(fā)射型 （ 3）等離子型 (比例非常少） 長(zhǎng)大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 （ 1）熱發(fā)射型 條件 ：當(dāng)采用 W, C等熱陰極材料作為陰極 ,而且流過(guò)大電流時(shí) ,能發(fā)生熱發(fā)射型導(dǎo)電。在這種情況下 ,陰極區(qū)可以達(dá)到很高的溫度 ,因此可以產(chǎn)生很強(qiáng)烈的電子熱發(fā)射。 特點(diǎn) ： a)如果電流足夠大，陰極通過(guò)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(méi)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(duì)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(dǎo)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(diǎn)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(shí)這種陰極導(dǎo)電機(jī)構(gòu)占主要地位。 長(zhǎng)大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 （ 2）場(chǎng)致發(fā)射型 條件： 當(dāng)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(shí) ,將主要發(fā)生場(chǎng)致發(fā)射型導(dǎo)電。 導(dǎo)電機(jī)構(gòu) ： 冷陰極型電極受材料沸點(diǎn)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(qiáng)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(fù)電荷處于非平衡狀態(tài)，正離子過(guò)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(chǎng)。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(chǎng)強(qiáng)度將繼續(xù)增加。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大時(shí) ,就會(huì)使陰極表面的電子沖破束縛發(fā)射出來(lái) ,即產(chǎn)生 場(chǎng)致發(fā)射 。 長(zhǎng)大工院機(jī)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(chǎng)，在電場(chǎng)作用下電極通過(guò)電場(chǎng)發(fā)射形式發(fā)射電子。所以熱發(fā)射和電場(chǎng)發(fā)射同時(shí)存在。 長(zhǎng)大工院機(jī)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(chǎng)加速，當(dāng)動(dòng)能大于氣體的電離能時(shí)，就會(huì)在陰極區(qū)的終端與中性粒子碰撞并 電離 。電離出來(lái)的正離子與從弧柱區(qū)來(lái)的正離子一起向陰極運(yùn)動(dòng) ,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(zhǎng)大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 特點(diǎn) ： 在場(chǎng)致發(fā)射型導(dǎo)電時(shí) ,陰極表面有 陰極斑點(diǎn) ： a)當(dāng)用 W、 C等材料作陰極且電流比較小時(shí) ,陰極斑點(diǎn)是固定不動(dòng)的 ,電流密度較低 ,即使是交流電弧也很穩(wěn)定。 b)當(dāng)用 Cu、 Fe、 Al 等材料做陰極時(shí) ,陰極斑點(diǎn)是游動(dòng)的 ,電弧自動(dòng)選擇最有利于場(chǎng)致發(fā)射的點(diǎn)作為陰極斑點(diǎn) , 陰極斑點(diǎn)可能是一個(gè) ,也可能是多個(gè) ,電流密度較高，在交流情況下電弧不穩(wěn)定。 長(zhǎng)大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 特點(diǎn) : a)場(chǎng)致謝發(fā)射 的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)是熔化極電弧焊常見(jiàn)的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)。 b)在通常的情況下場(chǎng)致發(fā)射型和熱發(fā)射型兩種導(dǎo)電機(jī)構(gòu)并存。 c)當(dāng)電極材料的熔點(diǎn)較高或逸出功較小時(shí) ,熱發(fā)射的比例較大，場(chǎng)致發(fā)射的比例較?。? 反之 ,熱發(fā)射的比例較小 ,場(chǎng)致發(fā)射的比例較大 ,陰極壓降也比較大。 d)當(dāng)焊接電流增大時(shí) ,一般熱發(fā)射的比例增大 ,場(chǎng)致發(fā)射的比例減小 ,陰極壓降也減小。 長(zhǎng)大工院機(jī)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(fù)離子。由于負(fù)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(gè)瞬間，每個(gè)單位體積內(nèi)的正、負(fù)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(zhǎng)大工院機(jī)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(lái)自陰極區(qū) ,正離子流是來(lái)自陽(yáng)極區(qū)，在外加電場(chǎng)的作用下 ,分別沿著相反的方向運(yùn)動(dòng)。但從微觀上來(lái)看 ,弧柱內(nèi)粒子的碰撞、擴(kuò)散、解離、激勵(lì)、電離、復(fù)合等過(guò)程都進(jìn)行得非常激烈。 弧柱的溫度很高 ,可以達(dá)到 500050000K。其電離和復(fù)合過(guò)程也進(jìn)行得非常激烈。由于復(fù)合 ,雖然使正、負(fù)帶電粒子的數(shù)量減少，但是在弧柱中心部位激烈地進(jìn)行著電離過(guò)程，又可產(chǎn)生大量的電子和正離子。當(dāng)電弧穩(wěn)定燃燒時(shí) ,這兩個(gè)過(guò)程處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。 長(zhǎng)大工院機(jī)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(jī)械能等，當(dāng)電弧穩(wěn)定燃燒時(shí) ,能量轉(zhuǎn)換也處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。 弧柱單位長(zhǎng)度上的電壓降即為弧柱的電場(chǎng)強(qiáng)度 E。 E的大小反映了弧柱的導(dǎo)電性能 ,E值越小 ,說(shuō)明弧柱的導(dǎo)電性能越好。 長(zhǎng)大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 電弧燃燒時(shí) ,陽(yáng)極區(qū)主要接受來(lái)自弧柱的占總電流%的電子流，同時(shí)，還要向弧柱區(qū)發(fā)送約占總電流 %的正離子流。 每一個(gè)電子到達(dá)陽(yáng)極時(shí)，將向陽(yáng)極釋放出相當(dāng)于電子逸出功的能量。 陽(yáng)極區(qū)可以通過(guò)兩種不同的方式（ 場(chǎng)致電離， 熱電離） 提供正離子。 長(zhǎng)大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 （ 1） 場(chǎng)致電離 當(dāng)電流密度較小時(shí) ,在陽(yáng)極區(qū)難以發(fā)生熱電離過(guò)程 ,陽(yáng)極前面的正離子不足 ,正離子數(shù)少于電子數(shù) ,因此陽(yáng)極前方能形成負(fù)的空間電荷和空間電場(chǎng) ,因此能產(chǎn)生一定的陽(yáng)極壓降 UA。在陽(yáng)極壓降的作用下 ,來(lái)自弧柱區(qū)的電子被加速 ,其動(dòng)能大大提高。此時(shí) ,電子不僅擁有弧柱區(qū)給予的動(dòng)能 ,而且增加了陽(yáng)極區(qū)給予的動(dòng)能。當(dāng)陽(yáng)極壓降 UA增加到一定程度時(shí)，其中有一部分電子與中性粒子發(fā)生碰撞后產(chǎn)生 場(chǎng)致電離 。 長(zhǎng)大工院機(jī)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(lái)的電子共同組成陽(yáng)極電流進(jìn)入陽(yáng)極，生成的正離子向弧柱區(qū)輸送。當(dāng)通過(guò)場(chǎng)致電離提供給弧柱的正離子流達(dá)到總電流的%時(shí)，陽(yáng)極壓降UA不再繼續(xù)升高 ,而保持穩(wěn)定。 圖 19 陽(yáng)極區(qū)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)情況和電位分布示意圖 長(zhǎng)大工院機(jī)械系 Yangtze university college of engineering technology 第一章 焊接電弧 （ 2）熱電離 當(dāng)電流密度較大時(shí) ,陽(yáng)極表面及其前面的溫度都很高 ,陽(yáng)極的溫度可以達(dá)到陽(yáng)極材料的沸點(diǎn) ,因此能發(fā)生蒸發(fā) ,使陽(yáng)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(yáng)極區(qū)的溫度很高，陽(yáng)極區(qū)完全能通過(guò)電離滿足弧柱區(qū)對(duì)正離子流的需要，此時(shí)，陽(yáng)極區(qū)壓降很低，可接近于零。 長(zhǎng)大工院機(jī)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?chē)鷹l件一定的情況下 ,穩(wěn)定燃燒的電弧將自動(dòng)選擇一適當(dāng)?shù)臄嗝?,以保證電弧的電場(chǎng)強(qiáng)度具有最小的數(shù)值 ,即在固定弧長(zhǎng)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(chǎng)的最小值決定 長(zhǎng)大工院機(jī)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?chē)鷹l件一定時(shí) ,電弧的斷面既不能大于其自動(dòng)確定的值 ,也不能小于其自動(dòng)確定的值。如果斷面大了 ,電弧與周?chē)橘|(zhì)的接觸面將增大 ,電弧向周?chē)橘|(zhì)散失的熱量要增加 ,必須增加電場(chǎng)強(qiáng)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(huì)自動(dòng)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(guò)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(chǎng)強(qiáng)度。在這種情況下 ,電弧會(huì)自動(dòng)增大其斷面 ,以減少能量損耗。 長(zhǎng)大工院機(jī)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(dòng)特性。 長(zhǎng)大工院機(jī)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(zhǎng)一定的情況