焊接电弧的构造

2019-03-0816:10:00焊接电弧的构造已关闭评论

焊接时,在两电极之间通过空气的电离,产生连续持久而强烈的放电过程,空气因电离而变成良好的导体,因而产生电弧。

焊接电弧由阴极区、阳极区、弧柱三个部分组成,如图1-3所示。

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图1-3 焊接电弧的构造

1—电极;2—弧柱;3—焊件;4—阴极辉点;5—阴极区;6—阳极区;7—阳极辉点

(1)阴极区。在阴极区的阴极表面有一个明亮的斑点,称为阴极辉点。电子就是从阴极辉点发射出来的。这个区的尺寸很小,它的厚度只有万分之一毫米左右。从阴极辉点发射出来的电子,受到阳极吸引,很快离开阴极向阳极移动。电弧中被电离的阳离子也受到阴极的吸引向阴极移动。但阳离子的质量比电子大,活动速度较小,所以在阴极表面每一瞬间阳离子的浓度都比电子的浓度大得多,使阴极表面附近的空间形成了一层阳离子层。

阴极温度的高低主要取决于阴极的电极材料,一般都低于阴极金属材料的沸点,见表1-1。此外,如果增加电极中的电流密度,阴极区的温度也可以相应提高。

表1-1 阴极区和阳极区的温度

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(2)阳极区。在阳极区的阳极表面有一个明亮斑点,称为阳极辉点。阳极辉点是由电子对阳极表面的撞击而形成的。由于电子的质量小,运动速度大,电子在阳极表面附近聚集的浓度比阳离子在阴极表面附近聚集的浓度相应要小。但阳极区的厚度与阴极区的厚度相近。

阳极区的温度与阴极区的比较,在阳极和阴极材料相同时,阳极辉点温度略高于阴极辉点。另外,阳极和阴极的温度与焊接工艺方法有关,钨极氩弧焊时阳极温度高于阴极温度;熔化极氩弧焊时,阳极温度低于阴极温度。

(3)弧柱。弧柱是处于阴极区和阳极区之间的区域。它是电子和阳离子的混合物,也有一些阴离子和中性微粒。弧柱的温度由于不受材料沸点的限制,通常高于阴极辉点和阳极辉点的温度。弧柱中心温度可达6000~8000K。

电弧电压是由阴极区电压(U)、阳极区电压(U)和弧柱电压(U)三部分组成。即当弧长一定时,电弧电压=U+U+U

由于阴极区和阳极区的电弧长度方向很小,可视二者之和为一定值a。则

U=a+U=a+bl

式中b——单位长度的弧柱电压,一般为20~40V/cm;

 l——弧柱长度。

由此可见,电弧电压与弧柱长度成正比。

二、焊接电弧的静特性

1.电弧的静特性的意义

在电弧长度一定时,电弧燃烧电压与焊接电流之间的关系称为电弧静特性。表示它们关系的曲线称为电弧的静特性曲线。

焊接电弧是焊接回路中的负载,它起着把电能转变为热能的作用,在这一点上,它与普通的电阻有相似之处。但是,它与普通的电阻相比又有明显的特点。

普通电阻通过电流时,电阻两端的电压降与通过的电流值成正比。根据欧姆定律,其比值基本是不变的,称为电阻静特性,如图1-4中的虚线1所示。而焊接电弧在燃烧时,电弧两端的电压降与通过电弧的电流值不成正比关系,其比值是随着电流值的不同而变化的,如图1-4中的曲线2所示。

(1)ab段是在电流很小情况下的变化。电流小,电弧电压增高;电流增大时电弧的温度升高,气体电离和阴极电子发射增强,所以维持电弧所需的电弧电压就降低。

(2)bc段为在正常工艺参数焊接时,电流通常从几十安培到几百安培。加大电流只是增加对电极材料的加热和熔化程度,电弧电压却不再随着电流强度的改变而改变。

(3)当焊接电流从曲线c点继续增加时,如果电极直径仍然不变,则由于电极区电流密度过大,电极辉点受电极端面积限制而相对地比正常状态有所压缩,使电极区的电压降增大,于是维持电弧所需的电弧电压随着焊接电流的增加而增加,形成曲线cd段。

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图1-4 普通电阻静特性与电弧静特性

1—普通电阻静特性;2—电弧静特性

2.弧长变化对电弧静特性的影响

自动熔化极氩弧焊和自动钨极氩弧焊中,两极间距离基本固定不变,所以弧长变化不大。手工钨极氩弧焊或半自动熔化极氩弧焊中,均以手工操作运弧,所以弧长随时变化。因此,电弧的静特性曲线位置也随之变化,但电弧静特性曲线形状基本不变。电弧拉长时,电弧静特性曲线向上移动;电弧缩短时,电弧静特性曲线向下移动,见图1-5。

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图1-5 不同弧长对静特性曲线位置的影响

l1—正常弧长;l2—拉长弧长;l3—缩短弧长

3.电弧静特性曲线各区段的应用范围

焊接时,电弧静特性曲线中如图1-4所示的b~d区段的任何一点均可使电弧稳定燃烧。氩弧焊中,随着使用的电极类别不同,对电弧静特性曲线各区段的选用也不同。

(1)钨极氩弧焊。由于钨极的使用电流小,电流密度也小,电弧受气体的压缩作用较小,故一般只用电弧静特性曲线的水平区段(b~c区段)。

(2)熔化极氩弧焊。由于焊丝细,许用电流大,电流密度也大,同时气流对弧柱起着强烈的压缩和冷却作用,故一般都用电弧静特性曲线的上升区段(c~d区段)。

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