《電弧的基本理論》課件

電弧的基本理論電弧是一種高溫等離子體，在電極之間流動(dòng)，具有強(qiáng)烈的電磁場和熱效應(yīng)。課程簡介電弧焊接介紹電弧焊接技術(shù)的基本原理，包括電弧的產(chǎn)生、特性以及應(yīng)用。高壓輸電分析電弧在高壓輸電線路中的影響，以及如何防止電弧故障。電弧爐探討電弧爐冶煉的原理，包括電弧的穩(wěn)定性、溫度控制以及材料特性。電弧的定義和特點(diǎn)定義電弧是指在兩個(gè)電極之間或電極與工件之間，由于氣體被電離而形成的持續(xù)放電現(xiàn)象。特點(diǎn)電弧具有高溫、高能、高電流密度等特點(diǎn)。電弧的產(chǎn)生過程1電極間隙在兩個(gè)電極之間建立一定電壓。2擊穿電壓當(dāng)電壓達(dá)到一定值時(shí)，氣體介質(zhì)被擊穿。3電子碰撞電子與氣體分子發(fā)生碰撞，導(dǎo)致氣體分子電離。4電離通道形成一條充滿等離子體的通道，即電弧。電弧電壓的影響因素電極材料電極材料的性質(zhì)會(huì)影響電弧電壓，例如，不同材料的電離勢和電阻率不同，導(dǎo)致電弧電壓的變化。電極間距電極間距越大，電弧電壓越高，因?yàn)殡妶鰪?qiáng)度降低。氣體種類不同氣體的電離勢和熱導(dǎo)率不同，會(huì)影響電弧的溫度和電離度，從而影響電弧電壓。電流強(qiáng)度電流強(qiáng)度增加會(huì)導(dǎo)致電弧電壓降低，因?yàn)殡娏髅芏仍龃?，電弧的溫度和電離度增加。電弧電壓-電流特性曲線電弧電壓與電流之間的關(guān)系是非線性關(guān)系，可以用電弧電壓-電流特性曲線來描述。該曲線一般呈現(xiàn)下降趨勢，表明隨著電流增加，電弧電壓會(huì)降低。電弧電壓-電流特性曲線受到多種因素的影響，例如電極材料、電弧長度、氣體成分等。影響電弧電壓的主要因素電極間距間距越大，電弧電壓越高。電流強(qiáng)度電流強(qiáng)度越大，電弧電壓越低。氣體種類氣體種類不同，電離電位不同，影響電弧電壓。氣體壓力氣體壓力越高，電弧電壓越高。電弧電壓的數(shù)學(xué)模型模型公式說明熱離子理論模型Ua=a+bla和b是常數(shù)，與電極材料、氣體成分和壓力有關(guān)氣體動(dòng)力學(xué)模型Ua=f(T,P,V)T為電弧溫度，P為氣體壓力，V為電弧電流等離子體模型Ua=g(n,T,E)n為電子密度，T為電弧溫度，E為電場強(qiáng)度熱離子理論金屬表面電弧中，金屬電極表面原子獲得能量，克服束縛力，成為帶電粒子電離氣體高溫氣體電離形成帶電粒子，參與電弧電流的傳輸離子流帶電粒子在電場作用下定向運(yùn)動(dòng)，形成電弧電流電離過程1原子吸收能量原子吸收能量，躍遷到激發(fā)態(tài)2外層電子脫離電子獲得足夠能量，脫離原子核束縛3形成離子原子失去電子，成為帶正電的離子4自由電子脫離的電子成為自由電子電離平衡方程1平衡電離和復(fù)合過程達(dá)到平衡狀態(tài)。2方程描述電離度和溫度的關(guān)系。3影響氣體成分和溫度影響電離平衡。電離度的影響因素溫度溫度升高，原子獲得能量，更容易發(fā)生電離，電離度增大。氣壓氣壓越高，原子之間碰撞更頻繁，電離難度增加，電離度降低。氣體成分不同氣體的電離能不同，電離度也會(huì)不同。電場強(qiáng)度電場強(qiáng)度越高，原子更容易獲得能量，電離度增大。電弧的溫度分布電弧的溫度分布并非均勻，而是呈現(xiàn)出明顯的梯度變化。電弧中心溫度最高，可以達(dá)到數(shù)千甚至上萬攝氏度，而靠近電極的區(qū)域溫度則相對較低。這種溫度分布是由于電弧中發(fā)生的熱量傳遞和能量平衡所決定的。電弧的熱流特性1熱流密度電弧的熱流密度集中在電極附近和電弧柱的中心區(qū)域。2熱傳導(dǎo)電弧柱通過熱傳導(dǎo)向周圍環(huán)境傳遞熱量，熱傳導(dǎo)速率取決于氣體種類、壓力和溫度。3熱對流電弧柱通過氣體的對流運(yùn)動(dòng)向周圍環(huán)境傳遞熱量，對流速率取決于氣體速度、密度和溫度。4熱輻射電弧柱通過熱輻射向周圍環(huán)境傳遞熱量，熱輻射速率取決于電弧溫度和材料的輻射率。電弧溫度的測定方法光譜法利用電弧發(fā)射的光譜，分析不同波長光線的強(qiáng)度，推算出電弧的溫度。熱電偶法將熱電偶插入電弧中，利用熱電偶的溫差電勢來測量電弧溫度?？焖贌犭娕挤ㄓ每焖贌犭娕紲y量電弧溫度，可獲得電弧溫度隨時(shí)間變化的曲線。輻射法利用電弧輻射的能量，通過計(jì)算推算出電弧的溫度。電弧電導(dǎo)的概念電弧電導(dǎo)是指電弧對電流的導(dǎo)通能力。電弧電導(dǎo)的倒數(shù)為電弧電阻。電弧電導(dǎo)的計(jì)算公式電弧電導(dǎo)是電弧中電流和電壓的比值，它反映了電弧傳導(dǎo)電流的能力。電弧電導(dǎo)的影響因素電流強(qiáng)度電流強(qiáng)度越高，電弧電導(dǎo)越大。因?yàn)殡娏鲝?qiáng)度越大，電弧的溫度越高，電離度越高，電子濃度越高，電弧的導(dǎo)電能力就越強(qiáng)。氣體成分不同的氣體成分對電弧電導(dǎo)有不同的影響。例如，氮?dú)夂蜌錃獾碾娀‰妼?dǎo)比空氣高。電極材料電極材料的性質(zhì)也會(huì)影響電弧電導(dǎo)。例如，鎢電極比銅電極的電弧電導(dǎo)高。電弧穩(wěn)定性的概念持續(xù)燃燒電弧穩(wěn)定性是指電弧能夠持續(xù)穩(wěn)定地燃燒的能力。它對于電弧裝置的正常工作至關(guān)重要。影響因素電弧的穩(wěn)定性受多種因素影響，包括電弧電流、電極材料、氣體環(huán)境等。電弧穩(wěn)定性的影響因素電流大小電流強(qiáng)度會(huì)影響電弧的溫度和電離程度，進(jìn)而影響電弧的穩(wěn)定性。電壓電壓會(huì)影響電弧的長度和電場強(qiáng)度，進(jìn)而影響電弧的穩(wěn)定性。氣體成分氣體的熱導(dǎo)率、電離勢等特性會(huì)影響電弧的溫度和電離程度，進(jìn)而影響電弧的穩(wěn)定性。電弧穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)指標(biāo)描述熄弧電壓電弧熄滅所需的最低電壓再燃電壓電弧重新點(diǎn)燃所需的最低電壓電弧長度電弧的長度電弧電流電弧中流過的電流電弧的能量平衡能量輸入電弧的主要能量來源是電流通過電弧所產(chǎn)生的焦耳熱。能量輸出電弧能量主要以熱能、光能和電離能的形式散發(fā)出去。能量平衡電弧能量平衡指的是電弧的能量輸入和能量輸出之間的關(guān)系。電弧的熱效應(yīng)高溫電弧溫度極高，可達(dá)數(shù)千攝氏度，并能有效地傳遞熱量。熔化電弧的熱量可以熔化金屬，并能進(jìn)行焊接、切割、熔煉等操作。加熱電弧的熱量可用于加熱金屬材料，提高其可塑性和加工性能。陽極和陰極附近的特殊現(xiàn)象電弧在陽極和陰極附近會(huì)出現(xiàn)一些特殊的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象會(huì)影響電弧的穩(wěn)定性、熱量分布以及材料的熔化和蒸發(fā)。在陽極附近，由于電弧的熱量集中，陽極表面溫度會(huì)急劇升高，導(dǎo)致材料的熔化和蒸發(fā)。陽極表面會(huì)形成一個(gè)熔池，熔池中的金屬蒸汽會(huì)向電弧中擴(kuò)散，形成陽極斑點(diǎn)。在陰極附近，由于陰極材料釋放電子，陰極表面會(huì)形成一個(gè)陰極斑點(diǎn)。陰極斑點(diǎn)是一個(gè)高溫、高電流密度的區(qū)域，它會(huì)發(fā)射大量的電子，導(dǎo)致陰極材料的濺射和蒸發(fā)。氣體成分對電弧特性的影響惰性氣體惰性氣體，例如氬氣和氦氣，可以穩(wěn)定電弧，提高焊接質(zhì)量。活性氣體活性氣體，例如二氧化碳，會(huì)影響電弧的穩(wěn)定性和熔池的特性?；旌蠚怏w混合氣體可以優(yōu)化電弧特性，滿足不同的焊接需求。電弧模型的應(yīng)用1電弧焊接電弧模型用于優(yōu)化焊接參數(shù)，如電流、電壓和焊接速度，以提高焊接質(zhì)量和效率。2電弧等離子體技術(shù)電弧模型用于分析和控制等離子體特性，用于材料加工、表面處理和醫(yī)療等領(lǐng)域。3高壓輸電電弧模型用于研究高壓輸電線上的電弧故障，為預(yù)防和處理故障提供理論依據(jù)。電弧裝置的設(shè)計(jì)原則穩(wěn)定性電弧裝置設(shè)計(jì)應(yīng)確保電弧穩(wěn)定燃燒，避免電弧熄滅或過早斷路，提高焊接效率和質(zhì)量。安全性電弧裝置應(yīng)具備完善的保護(hù)措施，防止電擊、過載、短路等安全事故發(fā)生，保障操作人員的安全。可控性電弧裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)便于控制電弧參數(shù)，如電流、電壓、焊接速度等，以滿足不同的焊接工藝要求。本課程的小結(jié)與思考1知識(shí)回顧回顧電弧的基本理論，包括電弧的定義、產(chǎn)生過程、電壓特性、熱離子理論、溫度分布、電導(dǎo)、穩(wěn)定性等。2應(yīng)用