电弧的基本特性(1).ppt

第一讲 电弧的基本特性
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焊接电弧不是一般的燃烧现象，它是在一定条件下电荷通过两极间气体空间的一种导电过程（如图7-1），也可以说是一种气体放电现象。焊接电弧是电弧焊的热源，而弧焊电源是为焊接电弧提供能量的设备。
一、焊接电弧的种类
★按焊接电流种类，可分为交流电弧、直流电弧、脉冲电弧。
图7-1 焊接电弧导电示意图
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★按电弧状态，可分为自由电弧（如焊条电弧焊电弧）、压缩电弧（如等离子弧）。
★按电极材料，可分为熔化极电弧（如CO2气体保护焊电弧）、非熔化极电弧（如钨极氩弧焊电弧）。
二、焊接电弧的产生
一般情况下，气体不含有带电粒子（电子、正离子、负离子），是由中性的分子或原子组成的。要使气体产生电弧导电，必须使气体分子或原子电离成带电粒子——气体电离；同时，为了使电弧维持“燃烧”，还必须不断的输送电能给电弧，以补充气体电离时所消耗的电能，即电弧的阴极要不断的发射电子。综上所示，气体电离和阴极发射电子是电弧产生的必要条件。
1．气体电离
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★在外加能量作用下，中性气体分子或原子分离成正离子和电子的现象称为气体电离。
气体分子或原子分离出一个外层电子所需要的最小能量称为电离能或电离功，当用电子伏特（eV）来衡量时，又称电离势或电离电位，用 表示。气体电离势的大小与其原子内部结构有关。电离势大表示气体难电离、难导电，反之表示气体容易电离。
在焊接电弧中，根据引起电离的能量来源不同，电离有如下三种形式：
（1）碰撞电离 在电场中，被加速的带电粒子与原子和分子相碰撞而产生电离。
（2）热电离 在高温下，具有高动能的气体原子（或分子）在无规则的相互碰撞中产生的电离。
（3）光电离 气体原子（或分子）吸收光辐射的能量而产生的电离。
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2．阴极电子发射
阴极表面在外加能量作用下连续向外发射电子的现象称阴极电子发射。要使其逸出金属电极表面而产生电子发射，必须给电子施加一定的能量。电子从阴极表面逸出所需要的能量称逸出功。
按其能量来源不同，阴极电子发射可分为 ：
（1）热电子发射 阴极表面受热后，其中某些电子具有大于逸出功的动能而逸出到表面外的空间中去的现象称为热电子发射。热电子发射在焊接电弧中起着重要的作用，它随着温度上升而增强。
（2）场致电子发射 这种由于在电场作用下而产生的电子发射称为场致电子发射。电场越强，则场致电子发射能力越强。
（3）光电子发射 阴极表面接受光射线的能量而释放出自由电子的现象称为光电子发射。
（4）撞击电子发射 运动速度较高、能量较大的重粒子（如正离子）撞击阴极表面，将能量传递给阴极而产生的电子发射称为撞击电子发射。
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阴极所用的材料不同，其电子发射形式也不同，有的以热电子发射为主，有的以场致电发发射为主，而光电子发射和撞击电子发射在焊接电弧中占次要地位。
★当采用铜或铝等熔点较低的材料做阴极（称冷阴极）进行焊接时，因受材料本身熔点的限制，阴极表面无法达到很高温度，这时热电子发射较弱，主要靠场致电子发射；
★当采用钨、碳等熔点较高的材料做阴极（称热阴极）时，因表面温度可被加热到很高温度（可达4000～5000K），使电子获得足够的能量而进行强烈的热电子发射，这时场致电子发射就居于次要地位了。
★综上所述，焊接电弧的形成和维持，是在热、光、电场和粒子动能的作用下，气体原子或分子不断地被电离以及阴极电子发射的结果。
3．焊接电弧的引燃
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把造成两电极间气体发生电离和阴极电子发射而引起电弧燃烧的过程，称为焊接电弧的引燃。焊接电弧的引燃一般有两种方式：
（1）接触引弧
弧焊电源接通后，电极（焊条或焊丝）与工件直接短路接触，随后迅速拉起电极（约2～4mm）而引燃电弧，这种引弧方式称为接触引弧。
（2）非接触引弧
非接触引弧指在引弧时，电极与工件之间保持一定的间隙，然后在电极与工件之间施以高电压击穿间隙使电弧引燃。这是一种依靠高压电使电极表面产生电场发射来引燃电弧的方法。
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三、焊接电弧的结构
焊接电弧沿其长度方向分为三个区域，见图7-2所示。紧靠负电极的区域为阴极区，紧靠正电极的区域为阳极区，阴极区和阳极区之间的区域称为弧柱区。阳极区的长度约为10-3～10-4cm，阴极区的长度约为10-5～10-6cm，因此，电弧长度可近似认为等于弧柱长度。
沿着电弧长度方向的电压分布是不均匀的，