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二、焊接电弧及弧焊电源
1 什么是焊接电弧?它有何主要性质?
电弧是一种空气导电的现象,在两电极之间产生强烈而持久的放电现象,称为电弧。
由焊接电源供给的,具有一定电压的两电极间或电极与焊件间、在气体介质中产生的强烈而持久的放电现象称为焊接电弧。其主要性质为:
1) 维持电弧放电的电压较低一般为10~50V。
2) 电弧中的电流很大,可从几安到几千安。
3) 具有很高的温度,弧柱中心温度可达5000~30000K,某些情况下可达50000K以上(等离子弧)。正是由于弧柱中心具有如此高的温度,超过了金属的熔点,因此可以用来熔化金属,作为各种电弧焊方法的热源。
2 什么是等离子弧?它有何特点?
利用等离子焊炬,将阴极(如钨极)和阳极之间的自由电弧压缩成高温、高电离度及高能量密度的电弧,称为等离子弧。
等离子弧的主要特点是:
⑴能量高度集中能量密度大,因此等离子弧对焊件加热集中,熔透能力强,可采用比钨极氩弧焊高得多的焊接速度进行焊接。
⑵温度高生产中使用的等离子弧其弧柱中心温度可达18000~24000K,比普通焊接电弧高出很多。
⑶焰流速度大,可达300m/s以上。
因此,等离子弧被广泛应用于焊接、喷涂、堆焊以及金属和非金属的切割。
3 焊接电弧由哪几部分所组成?各部分的性质如何?
焊接电弧在其轴线方向由阴极区、阳极区和弧柱三部分所组成,见图1。
⑴阴极区电弧紧靠负电极的区域。阴极区很窄,约为10-5~10-6cm。电弧放电时,负电极表面上集中发射电子的微小区域,称为阴极斑点。阴极斑点是负电极上具有光亮的部分,是阴极区温度最高的地方。
⑵阳极区电弧紧靠正电极的区域。阳极区较阴极区宽,约为10-3~10-4cm。电弧放电时,正电极表面上集中接收电子的微小区域,称为阳极斑点。阴极斑点是正电极上具有光亮的部分,是阳极区温度最高的地方。
⑶弧柱电弧阳极区和阴极区之间的部分为弧柱。阴极区、阳极区和弧柱长度之和组成焊接电弧的长度,简称弧长,即 L=L阴+L阳+L柱式中 L——弧长(cm)
L阴——阴极区长度(10-5~10-6cm) L阳——阳极区长度(10-3~10-4cm) L柱——弧柱长度(cm)
由于阴极区和阳极区的长度都是极短的,而弧柱的长度占了弧长的极大部分,故弧柱长度就可以认为是弧长。
4 试述焊接电弧中各区段的温度分布。焊接电弧中三个区段的温度分布极不均匀:阳极斑点的温度高于阴极斑点的温度,但都低于该种材料的沸点。但铝阴极斑点和阳极斑点的温度均高于铝的沸点,这是由于铝的表面有氧化铝存在,对测量温度产生影响所致。不同电极材料阴极斑点和阳极斑点的温度,见表
1。
由1~1000A变化时,弧柱温度可在5000~30000K之间变化。 5 试述焊接电弧中各区段的电压降。
焊接电弧中的电压降可分成阴极压降、阳极压降和弧柱压降三部分。⑴阴极压降阴极压降是指电弧阴极区两端的电压降。因为阴极表面总是不断地堆积着一批从电弧中被电离出来的正离子,所以形成一个电压降,以U阴表示。⑵阳极压降阳极压降是指电弧阳极区两端的电压降。因为阳极表面总是不断地堆积着一批从电弧中被电离出来的电子,所以形成一个电压降,以U阳表示。
⑶弧柱压降弧柱压降是指焊接电弧弧柱两端的电压降,以U柱表面示。
由于U阴、U阳在一定电极材料和气体介质的场合下,基本上是固定的数值,U柱在一定的气体介质条件下和弧柱长度(实际上就是弧长)成正比。所以电弧电压可表示为 U=a+bL 式中 U——电弧电压(V); a——U阴+U阳(V);
b——弧柱单位长度上的电压降(V/mm); L——弧长(mm)
当电极材料、电源种类和极性以及气体介质一定时,a和b均是确定的数值,此时电弧电压
仅决定于电弧的长度,即当电弧拉长时,电弧电压升高;弧长缩短时,电弧电压降低。
6 试述用接触短路引弧法引燃焊接电弧的过程。
引弧时,首先接通焊接电源,再将焊条或焊丝与焊件接触短路,这时在接触点上由于通过较大的短路电流而产生高温,电极金属和接触焊件的表面立刻熔化,形成液态金属间层,充满在电极和焊件之间。当将焊条或焊丝提起时,液态金属间层的横截面减小,电流密度增加,温度升高,当液态金属间层被拉断瞬时,间层的温度达到沸点,产生大量金属蒸气,在电场的作用下,气体被电离,因而产生焊接电弧。整个引弧过程见图2。
手弧焊、埋弧焊、CO2焊广泛采用接触短路法引弧,其优点是可以采用较低的电压(<100V)即能引燃电弧,避免高电压给焊工带来的危险。
7 试述用高频高压引弧法引燃焊接电弧的过程。
钨极氩弧焊时,一般不采取接触短路引弧法引燃焊接电弧,因为接触短路引弧一方面由于较大的短路电流使钨极烧损严重;另