第二章 电弧焊基础第一节 焊接电弧的导电机理一、电弧的一、电弧的基本概念基本概念1、电弧电弧：电弧是一种气体放电气体放电 现象，通过放电将电能转变为热能与机械能。2、气体放电气体放电：两极间的气体被击穿而导电的过程。3、电弧的实质电弧的实质： 在一定的条件下，电荷通过两电极之间的气体空间的一种导电现象。（气体放电现象）+-电弧UaIa电弧放电辉光放电暗放电暗放电自持放电非自持放电UI导体导电 电弧是特殊的气体放电过程：电能能转换为热能；机械能；光能；磁能 。气体放电 非自持放电:诱导（外加措施）； 自持放电 暗放电 辉光放电 电弧放电 电压最低（几十伏）电流最大（几百安培）温度最高（50008000K）发光最强 二、二、 带电粒子的产生过程带电粒子的产生过程产生方式：电离：气体中性原子或分子（A）分离为一价正离子 （ A+ ）和电子（ e ）的过程。 电子发射： 金属表面逸出电子的现象（一）电离与激励1、电离：在一定条件下中性原子分离成A+及e的现象。A A+ + e - Wi电离能：原子或分子电离所需要的能量 单位为ev 或J电子伏：一个电子被1V的电压所加速得到的能量。电离电压：电离能/电子带电量。A+Ae 碱金属、碱土金属（K、Na、Ca等），外层一个或两个电子，易失去、易电离、电离电位低，药皮中加入引弧容易，电弧燃烧稳定。（引弧剂，稳弧剂）。J422,J502,J423等酸性焊条。 F(7个电子)电离电位较高，不易电离，加入药皮不易引弧。 CaF2可去除H、S、P，焊缝含氢量较少。 J507(CaF2)。碱性低氢型焊条含较多CaF2。电离：使中性的气体分子变成电子和离子过程。电离势：原子或分子电离所需要的能量。 2、 激励：气体原子得到的一定的能量，虽然小于Wi，但可使电子从低能级跃迁到高能级。这种现象叫激励。激励能：所需的最小外加能量叫激励能We。激励能电压：激励能We/e。3、电离的分类：1） 热电离：气体粒子受热的作用而产生电离实质：中性粒子通过与电子碰撞，接收电子能量而电离。 电离度：电离了的粒子数量与电离前粒子数量之比。0.1%2） 电场作用下的电离：A+、e在电场作用下被加速、与A碰撞使其电离的过程。主要是e的作用：电子获得的能量是A+ 的4倍。3） 光电离：A直接捕捉光量子并吸收其能量而电离。波长越小越易促进光电离，电弧波长包括红外线、紫外线可见光、可使AI、K、Na原子光电离。但不能使Ar、He、Fe等电离。（二）电子发射（二）电子发射1、基本概念1） 电子发射：电子从金属表面逸出的现象。对电弧导电起作用的主要是阴极的发射。2） 逸出功（Ww）：电子发射所需的最小能量。1/21/4Wi3） 逸出电压：Ww/e物理意义：Ww越小，引弧越容易，电弧稳弧性越好。4）主要影响因素：材料，K、Na。表面状态：有氧化物时，逸出功降低加入杂质，例如，钍、铈及镧等可降低Ww。-2、阴极电子发射的分类1）热发射：在热量的作用下产生的发射产生条件：阴极温度足够高特点：对阴极有冷却作用，这一点对TIG焊具有重要意义。可提高W极的载流能力。2）电场发射：金属表面的电子在电场力的作用下逸出的现象。特点：对阴极的冷却作用较小。3）光发射：光幅射作用下产生的发射。实际电弧中产生光发射的可能性很小。4）粒子碰撞发射：高速运动的A+碰撞到阴极上导致的发射。库仑力（三）负离子的产生（三）负离子的产生中性粒子与电子结合的过程，是一个放热过程，所放出的热被称为电子亲和能。A + e A- + W不利于电弧稳定。（四）扩散与复合扩散：电弧中心处A+、e较多，e易向周边运动。当周边电子浓度达到一定值后，在e吸引下，A+也向周边运动。从而在周边复合A+eA+WiA+ A- 2A+WiA-Ae+A三、电弧的产生三、电弧的产生（一）引弧方法：擦划，点接触。 焊条与工件接触又迅速拉开的瞬间产生的。但实际是由：“短路空载燃弧”三个极短的阶段。短路 短路阶段：两极间有金属蒸气；药皮蒸气；电子的热发射。 10m 突出点接触，电流密度极大（I短1.53 I焊 ），很大的电流（I短），很小的接触面积，很大电阻热。 电阻热使接触点温度骤然升高，电极表面金属熔化，蒸发，药皮中物质K、Na、Ca分解蒸发,Fe、K、Na、Ca蒸气具备电离气氛.电子的热发射 阴极表面温度很高，电子获得足够的能量，活跃，冲破表面，逸出到空间去叫做热发射电子，电子逸出金属表面消耗的能量逸出功。 短路阶段：金属蒸气(Fe )； 药皮蒸气(K、Na、Ca )； 电子的热发射(e)。为电弧的产生准备了条件。 空载焊条刚刚拉开，电弧尚未形成的一瞬间，电源处在空载状态：I=0, V=U0 。空载电压较高：手工电弧焊U05090伏。不大于100伏。很短的距离，弧长105106mm内。电场强度很大。E=100伏/ 105cm=106 伏/cm足够大的电场强度，使电子从阴极发射出来，叫做电子自发射。空载阶主要是自发射。 自发射，热发射很强烈，但刚刚开始，还不能使两极间的气体充分电离，因此电弧尚未形成，还处于空载状态。I=0。燃弧 短路阶段和空载阶段为燃弧准备了必要条件。 a.两极间：空气，金属蒸气，药皮蒸气，易电离成为能导电的电弧介质。b.热发射，自发射：从阴极表面发射大量高速运动电子。c.电源供电：两极间有足够大的电场强度，成为发射电子、电离气体的动力来源。 由于具备了上述条件，使得由阴极发射出来的电子，在电场加速下，发生激烈的碰撞：电子在电场作用下，撞击原子使之电离，碰撞电离发生链锁反应。产生雪崩式击穿而形成电弧。 即当焊条提升到一定高度时，则两极间的空间顷刻发生突变，发出强烈的光和热，即电弧引燃。弧柱空间：大量的碰撞，碰撞电离、热电离，中和放电，达到热平衡。正离子跑向阴极撞击阴极表面，释放出动能，同时在阴极表面中和成原子，释放成位能。电子跑向阳极，进入阳极，释放出动、位能，全部能量。电弧作为换能器，电能转化为热能，光能，机械能。常见导体材料逸出功 元素 逸出电压V Fe 4.48 W 4.50 W-Th 2.63 W-Ce 2.70 电极表面温度的高低受材料沸点的限制。 钨电极表面温度可达3500K以上，高温下发射大量电子。热阴极（材料）。 W沸点：5950K, 熔点：3653K Cu、Al、Fe电极表面沸点低，表面温度也低，热发射能力不足，必须依靠电场发射电子予以补充。冷阴极。Fe沸点：3008 K ，熔点：1808K(1535)四、电弧的结构 直流电弧为例，电弧近似看成为一个圆柱形的气体导体。电弧（气体导体）分三部分： 阴极区（105cm） 弧柱区(25mm) 阳极区(103104cm)阴极区：靠近阴极端部的地方，阴极压降较大，相当于电弧介质的电离势。E106V/cm，自发射。阴极斑点：在整个阴极端面上电流集中在很小很光亮的斑点上，是电子集中发射的地方。T22003600K，几乎接近电极材料的沸点。阴极区电流：正离子流向阴极，撞击阴极斑点并与电子中和。电子流向弧柱，去进行撞碰电离。阳极区：靠近阳极的地方。 103104cm阳极斑点：光亮的斑点，弧柱中来的电子经阳极区电场作用加速，集中射击到阳极斑点，撞入阳极，此处温度高，电流密度大。阳极区电流:基本上全部由电子流组成。阳极区压降：基本上不受电极材料和电弧介质的影响，约为2.5V。弧柱区：充满着气体介质的分子，原子，以及电子，正离子和负离子。高速运动的电子撞击原子使之电离，电子和正离子中和，释放出能量。碰撞时发生能量的转换，部分动能转化为热能。每次碰撞产生的能量虽小，但电子数目极多，故反应激烈，产生很大的热量，弧柱5000-8000K，发强光。电弧温度分布：纵向、横向。 五、电弧的极性 正接极（正极性）：工件接正，焊条接负。 反接极（反极性）：工件接负，焊条接正。 电弧极性的选择：主要依据焊条的性质和焊件所需能量： 一般低碳钢结构：J422，J423，交直两用。 焊接重要结构：J507，J557，直流反接。厚板正接，薄板反接。有色金属，铸铁反接（药皮影响）。 极性鉴别：J507 直流电焊机稳定性交流交流：f=50Hz，正负变化100次/秒，过零点I=0，电弧熄灭，所以电弧温度比直流低一些，稳弧性差。碱性焊条J507不能用交流焊机焊接 ，必须用直流电焊机，且反接。第二节第二节 焊接电源焊接电源一、焊接电弧的静特性一、焊接电弧的静特性二、焊接电源的外特性二、焊接电源的外特性三、焊接电源（电焊机）三、焊接电源（电焊机）（一）焊接电源的特点（一）焊接电源的特点（二）常用焊条电弧焊机简介（二）常用焊条电弧焊机简介（三）电焊机型号介绍（三）电焊机型号介绍焊机-焊接电源电弧-负载（电阻性、电导率不是常数）一、焊接电弧的静特性一、焊接电弧的静特性电弧的静特性：当弧长一定时，通过电弧的电流与电弧两端的压降之间的关系。电源VI与V之间的关系vRIR常数（金属电阻，T不高）V=IR（电阻静特性）VRI0R斜率=常数电阻静特性曲线RVI电弧电阻R在变化VI（曲线关系）U型特性VIO电弧静特性曲线VI6050403020100102103ab段，下降特性，电流密度小，不适合焊接，生产上很少用bc段水平特性，电流密度较大，手工焊条，埋弧自动焊cd段，上升段，电流密度大，熔化极气体保护焊电弧焊，细丝埋弧焊abcdVIO2824206mm4mm2mm2mm4mm6mml-V5040302010L=5L=3UfIf60120180VI电弧静特性全部（a）手工电弧（焊条）UfIf40302010020040060010mm5mm3mmUfIf（b）埋弧焊钨TIGCO2ArUfIf20040060050403020100手工电弧焊（SMAW）熔化极气保（GMAW）钨极氩弧（GTAW）等离子弧焊（PAW）埋弧焊（SAW）MIG、CO2保护焊二、焊接电源的外特性二、焊接电源的外特性二、焊接电源的外特性二、焊接电源的外特性焊接电源外特性焊接电源外特性 : :焊接电源的输出电压与输出电流之间的关系。电源ViU0I0IiIiVi电弧静特性I0U0焊接电源外特性（一）（一） 焊接电源应该具备的条件焊接电源应该具备的条件1、陡降的外特性2、适当的空载电压3、可调的外特性4、较好的动特性1 1、陡降的外特性、陡降的外特性电弧本身性质：放电条件影响焊接稳定性主要K、Na、Ca、Fe、F供电电源（焊机）性质（一） 焊接电源应该具备的条件 1、陡降的外特性 2、适当的空载电压 3、可调的外特性 4、较好的动特性 1、陡降的外特性 为什么需要有陡降的外特性呢？为什么要陡降？稳定工作点VIIAIAIAIBIBIBABOA点：IAIA（U源U弧）IA（U源U弧）IB大IAIA（U源U弧）IA（U源U弧）0熄灭所以A点不是稳定的工作点B点：IBIB（U源U弧）IBIBIBIB（U源U弧）IBIB所以B点是稳定工作点电流波动小l波动5mm2mml1l2I1I2变大A点：IAIA（U源U弧）IA（U源U弧）IB大IAIA（U源U弧）IA（U源U弧）0熄灭所以A点不是稳定的工作点B点：IBIB（U源U弧）IBIBIBIB（U源U弧）IBIB所以B点是稳定工作点VII1I212O两台焊机：I1I2VII1I212H不一致l：未焊透烧穿IVO恒流I0短路电流不过大短路电流不过大焊条过热后果药皮熔化分解蒸发烧损电焊机短路引弧熔滴过渡失效VII1I2O短路V=0I=I短路I2I1一般要求I短=（120130）%I焊最大不超过150%I焊OlI=0I焊=I短U0IVI短e1e2e3I变大，熔滴过渡推力大e1e3焊条电弧焊的理想特性外拖特性2 2、适当的空载电压、适当的空载电压电焊机无负载时的输出电压U0VII=0U=U0I=0过低：难引弧、易断弧、电弧燃烧稳定性差空载电压铁铜材料消耗多焊机体积重量大不经济过高：增加能量损耗降低弧焊电压效率不安全OO交流电焊机U0=6080V100V直流电焊机U0=5070V90V举例：工人师傅自己缠绕的电焊机3 3、连续可调的外特性（、连续可调的外特性（I I）4、3.2、2.5、1.6调节I平、立、仰、横工件第一种：第二种：OO第三种：第四种：UIminImaxIUIminImaxIOOO最大输出电流Imax最小输出电流IminImax（45）Imin可满足使用要求4 4、对弧焊电源动特性的要求、对弧焊电源动特性的要求焊接电源的负载：焊接电弧（动负载）因为：熔滴过渡时，弧长频繁变化短路过渡这种变化更突出所以要求电源要有良好的动特性，适应I、U的瞬间变化。电弧燃烧处于不稳定状态（1）引弧U=0电弧熄灭短路过渡在焊条拉开的瞬间，电弧电压25V/0.05s（再引燃电压）重新自行引燃金属飞溅（2）短路时，由于电磁惯性，产生I短路冲击电流烧穿工件损害电机一般要求：I短路冲击3I短动特性好的电焊机：容易引弧，电弧突然拉长一些电弧也不易熄灭，飞溅小，电弧“安静”“柔软”好像富有“弹性”动特性不好的电焊机：打火时，易粘住，不易引弧，拉长熄灭，飞溅严重，感觉电弧很“硬”，很“暴躁”小结：适合焊接的电源（手工焊条电弧焊焊机）应具备1.陡降的外特性（稳定的工作点B、电流波动小I小、短路电流不过大I短小）2.适当的空载电压（直流5070V90V，交流6080V100V）3.连续可调的外特性Imax（45）Imin4.较好的动特性U=025V/0.05sI冲3I短三、 电焊机 弧焊变压器 我国三大类常用焊条电弧焊机常用焊条电弧焊机 直流弧焊发电机 弧焊整流器 1、弧焊变压器（交流弧焊机） 引弧、稳弧 特殊的降压变压器 陡降的外特性 较大的漏感：内部加一较大的感抗 交流电焊机：构造简单，成本低，效率高，价格便宜，节省电能，维护方便初级380V（220V）是特制的降压变压器降到空载电压6080V保证电弧稳定燃烧其内部加一较大感抗一定范围调节I大小常见型号：BX1-300BX3-300BX6-330动铁芯式动绕组式抽头式B焊接变压器，即交流电焊机；X下降特性；1，3，6焊机系列号最后三位额定电流300A33A500A2、旋转式直流电焊机由一个发电机和一个拖动它的电动机组成。由交流网络供电，使电动机旋转，带动发电机电枢旋转发出直流电焊交：结构简单，制造方便，成本低，噪音小特点直：结构复杂，制造复杂，成本高，噪音大整流：结构简单，制造方便，成本低，噪音小（无旋转P）交：电弧燃烧稳定性较差，适合于酸性焊条直：电弧燃烧稳定性好，适合于碱性焊条，均可整流：电弧燃烧稳定性较好，酸碱均可常见型号AX-300AX1-500AX3-300额定电流下降特性A旋转式直流弧焊（发电机）3、硅整流式直流电焊机手弧焊整流器将工频交流电整流直流电特点：直流输出电流的波纹较大，电弧稳定较差，对网路电压的波动较敏感。目前：已部分替代了旋转直流电焊机。常见型号：ZXG-300ZXG-500表示整流器，硅整流整流器焊机4、逆变焊机（弧焊逆变器）裂极式AX-300差复励式AX1-500AX7-500换向极去磁式AX4-300变压器+整流器（桥式全波整流）三类电焊机比较弧焊变压器弧焊发电机弧焊整流器稳弧性较差好较好电网电压波动影响较小小较大噪声小大较小硅钢片与铜导线需要量少多较多结构与维护简单复杂较简单功率因数较低较高较高空载电压较小较大较小成本低高较高重量轻重较轻5、电焊机主要技术参数空载电压：5090100V工作电压：十几伏二十几伏2030V3050V额定电流：300A500A1000A电流调节范围：50300A60500A暂载率：65%额定（1）暂载率：在选定的工作时间周期内，允许焊机连续负载的时间。焊机工作：发热，温升过高，烧毁焊机机温不超高6080温升焊接电流大小有关I大，T上升焊机使用状态连续（I小），短续（I大）焊接电源工作状态参数-暂载率。暂载率=在选定的工作时间内负载的时间/在选定的工作时间的周期100%标准规定：500A以下焊机选定工作时间为5分钟例：焊接时间+换焊条，敲渣时间暂载率越高，则允许焊接电流越小。例：AX1-500可手工焊可埋弧焊电焊机铭牌：AX1-500额定暂载率65%意：5min内500AGB/T8118-1995额定负载持续率为20%35%60%80%100%10min，连续t焊=3.25min连续焊：暂载率100%I？实际允许焊接电流=额定电流（额定暂载率/实际暂载率）1/2I=500（60%/100%）=500（0.65）=400A实际手工：200300A焊机铭牌上往往列出不同暂载率下的许用焊接电流，使用时不能超过其许用值。t焊/5min100%=65%（三）电焊机型号电焊机型号（摘自GB10249-88）第一字位第二字位第三字位第四字位第五字位大类名称（字母）（22大类）小类名称（字母）附注特征（字母）系类序号（数字）基本规格A弧焊发电机（直流电焊机）X下降特性P平特性D多特性省略：电动机驱动D单纯弧焊发电机Q汽油机驱动C柴油机驱动T拖拉机驱动H汽车驱动省略：直流1交流发电机整流2交流额定焊接电流AX500B弧焊变压器X下降特性P平特性U高空载电压省略：磁放大器活磁饱和电抗器式1动铁心式2串联电抗式3动圈式4晶体管式5晶闸管式6变换抽头式7变频式额定焊接电流BX500Z弧焊整流器X下降特性P平特性D多特性省略：一般电压M脉冲E交直两用U高空载电压省略：磁放大器活磁饱和电抗器式1动铁心式2串联电抗式3动圈式4晶体管式5晶闸管式6变换抽头式7变频式额定焊接电流ZX500ZX7500（弧焊逆变器）M埋弧焊机Z自动焊B半自动焊U堆焊D多用省略：直流J交流E交直流M脉冲省略：焊车式2横壁式3机床式9焊头悬挂式额定焊接电流MZ1000WTIG焊机B半自动焊Z自动焊S手工焊D点焊Q其他省略：直流J交流E交直流M脉冲省略：焊车式1全位置焊车式2横壁式3机床式4旋转焊头式5台式6焊接机器人7变位式8真空充气式9焊头悬挂式额定焊接电流NB400NMIG/MAG焊机B半自动焊Z自动焊D点焊U堆焊G切割省略：氩气及混合气体保护焊（直流）M氩气及混合气体保护焊的脉冲焊CCO2保护焊省略：焊车式1全位置焊车式2横壁式3机床式4旋转焊头式5台式6焊接机器人7变位式额定焊接电流NB400H电渣焊机S丝极B板极D多用极R熔嘴额定焊接电流L等离子弧焊机和切割机G切割H焊接U堆焊D多用省略：直流等离子R熔化极等离子M脉冲等离子J交流等离子S水下等离子F粉末等离子E热丝等离子K空气等离子省略：焊车式1全位置焊车式2横壁式3机床式4旋转焊头式5台式8手工等离子额定焊接电流LGK120D点焊机T凸焊机F缝焊机U对焊机N工频R电容储能J直流冲击波Z次级整流D低频B变频省略：一般点焊K快速点焊W网状点焊省略：垂直运动式1圆弧运动2手提式3悬挂式6焊接机器人KVA额定容量DTN63（63W）附其他大类S超声波焊机E电子束焊机G光束焊机Y冷压焊机C摩擦焊机Q钎焊机P高频焊机R螺柱焊机J其他焊机K控制器额定暂载率与额定电流 暂载率(负载持续率)是用来表示焊接电源工作状态的参数，它是在选定的工作时间周期内，许焊机连续负载的时间。 焊机工作时会发热，温升过高焊机烧毁，一般机温不得超过6080。 焊接电流大、连续运转温升高。 标准规定，500A以下的焊机，选定的工作时间为10min。 如手工电弧焊时，只有电弧燃烧时焊接电源才有负载，在更换焊条与清渣时焊接电源没有负载。 额定暂载率及额定电流：是电焊机设计时根据其最经常的工作条件选定的。实际暂载率与允许工作电流 如AXl500可以用于手工电弧焊，也可用于埋弧焊。 AXl500的额定暂载率是65，这时允许的焊接电流为500A。 用于埋弧焊时，由于焊接过程是连续的，暂载率接近100，允许的电流只有400A。实际与允许的焊接电流换算： 例 ： 实 际 允 许 工 作 电 流=500（65/100）1/2 =400 A 焊接电源铭牌上往往列出不同暂载率下的许用焊接电流，使用中不能超过其允许值。第三节 电弧的挺直性与磁偏吹一、电弧的挺直性 电弧挺直性是指电弧作为柔性导体具有抵抗外界干扰、力求保持焊接电流沿电极轴线方向流动的性能。二、电弧的磁偏吹 电弧挺直性是由于电弧中流动的电流受到其自身磁场的作用而表现出的现象(特性)，然而只有电弧周围的磁场是均匀的、磁力线分布相对电弧轴线是对称的，电弧才能保持轴向对称。 如果某种原因使磁力线分布的均匀性受到破坏，使电弧中的电荷受力不均匀，就会使电弧偏向一侧，这种现象称作电弧磁偏吹。电弧磁偏吹总是表现为电磁力把电弧从磁力线密集的一侧推向磁力线稀疏的一侧。如图1.51所示， 电弧焊因所处条件的不同，一般在如下几种情况下表现出磁偏吹：(1)导线接线位置引起的磁偏吹(2)电弧附近的铁磁性物质引起的磁偏吹 (3)电弧处于工件端部时产生的磁偏吹(4)平行电弧间的磁偏吹 消除和减少磁偏吹的办法：采用较短弧长进行焊接，电弧越短磁偏吹越小；对工件采取分布式接地的办法，比如两侧接地或多点接地；操作中调整焊枪或焊条角度； 避免铁磁性物质的影响；考虑使用脉冲焊或高频电弧焊；考虑使用交流焊接等。结束