为什么电弧焊时只有电极的尖端熔化?

电器工程
2022-01-31 10:27:16

我在 youtube 上看到有人用“自耗电极”进行弧焊。乍一看,我看到电流流过所有电极和工件,我的问题来自这个事实。

我认为工件不会熔化,因为它通常比电极大很多,因此它可以更快地散热。虽然电极更薄,但我不明白为什么如果流过它的电流高到足以熔化电极尖端,为什么整个电极不会熔化。

我想了想,我的猜测是它与电极尖端的接触电阻与电极材料的接触电阻不同有关。原因是与产生的热量成正比的功率应该是 $$P=I^2R$$ 但我认为两个电阻之间的差异不足以解释这种现象,所以我想知道我缺少什么部分!

4个回答

电极的电阻不是加热的东西——它是电弧中电离空气的电阻!

因此,靠近弧的东西会变热,而远离弧的东西不会。

当电极靠近工件时,气隙变窄到当电场强度(例如,以伏特/米为单位)升高到足以电离介入空气分子时产生火花的程度。

电离空气是等离子体,具有非常高的温度——高到足以熔化电极和工件材料。

只要焊工保持适当长度的间隙,电场强度就会高到足以使间隙内的空气电离并熔化焊条和工件附近的材料。一些金属也可能气化并转变为等离子,从而有助于电弧。

如果间隙变得太大,则等离子将停止,任何焊接都将停止。

任何使用过棒焊机(使用焊条)的人都可以告诉您,如果间隙变得太小,您可能会将棒接触到工件,您可能会在接触时产生足够的等离子体来焊接棒到工件上。那时,你有一个没有等离子体的连续金属电路。它将传导与进行适当焊接时相同的电流量,但是,如果没有等离子弧,什么都不会熔化。

这些解释都与等离子体的电阻无关。它是等离子体如何响应施加的电场强度而形成的函数。

有几种焊接工艺通过不同的方式产生热量。我认为 TIG 焊接在概念上比棒焊或 MIG 焊接更容易理解。该解释将有助于理解其他焊接工艺,因此我将开始解释 TIG 焊接。

在 TIG 焊接(气体钨极电弧焊或 GTAW)中,焊接电源连接到带有钨尖端的手持焊枪。负极连接到焊炬。正极连接到待焊接的工件。

电弧是由电源中称为起弧器的电路产生的,它在钨尖端和工件之间产生高压、高频脉冲。电弧有足够的能量从保护气体中剥离电子,并形成一条离子路径,将电流从钨尖端传导到工件。对于 tig 焊接,通常使用氩气,因为它价格便宜、容易电离,并且比空气重,因此可以防止氧气进入。

当离子路径完成时,电源会感应电极之间的电压降。当电极和工件之间没有电离路径时,钨电极和工作电极之间可能存在 50V 或更大的电压差。电弧启动后,电极之间的电压将根据间隙大小降至 10V 左右。此时,电源开启焊接电流。氩弧焊是用恒流电源完成的。

电弧通过保护气体的电阻加热来维持。电离气体充当电阻器,其中热量是间隙电压和通过它的电流的函数。通过电离气体的高电流消散了如此多的热量,以至于气体保持足够热以保持等离子体并继续传导。

然而,热量并没有均匀地分布在电弧上。在我刚刚描述的这种配置中,电子实际上是从钨尖端发射并撞击工件。这会导致热量集中在工件上。如果我颠倒电极的极性并将负极连接到工件并将正极连接到割炬,我会产生相反的效果。我仍然会得到电弧和大量热量,但热量会集中在尖端而不是我试图焊接的部件上。这将导致尖端融化成球并脱落。钨用于尖端,因为它具有所有金属的最高熔点。在 tig 焊接中,您不希望电极熔化并成为焊接的一部分,但在其他类型的焊接中您会这样做。

在 MIG 焊接(气体保护金属电弧焊或 GMAW)中,这就是您想要的。在 MIG 焊接中,电极是一根导线,它从一卷焊丝高速送入。焊丝熔化并成为焊缝的一部分。极性颠倒,使导线为正极,工件为负极。您不需要使用 MIG 的起弧器。

当您按下 mig 割炬的扳机时,送丝机开始推出焊丝。当导线与工件接触时,导线充当电阻器并发热。电线伸出的时间越长,它的电阻就越大,它会产生不同的电压降。

由于通过导线的电流很大,导线会熔化并烧回。这会在有足够电压进行电离的工件和电线之间产生一个小间隙。这将创建一个弧。在不涉及不同 MIG 过程(短路、滴灌和喷雾转移)的细节的情况下,这个过程基本上是重复的。电线接触。加热并融化回来。划出一道弧线,然后再次接触。等等。

工件通常也需要熔化(但不要太多,否则会出现材料突破),否则不会有牢固的机械连接。您可以通过调整电流和材料进给率来计算工件的厚度、热质量和热导率。正如 Marcus Müller 所说:这与电极电阻无关。