焊接电弧的静态特性分析

时间：2023-06-17 理论教育 版权反馈

【摘要】：焊接电极是简单的电阻特性，E-k之问的电阻可用re表示，re与电极材料的电阻率ρe、长度Le和直径De相关。但是在焊接条件下，由于焊接电弧的直接加热作用导致电极电阻率ρe上升数十倍，特别是在大电流下焊接电极上的压降可高达几伏。这种差异与阴极的导电机构中的电子发射机理有关。Ⅲ区问的伏安特性近似为直线，用Arc表示。

焊接电弧的静态特性分析

弧焊电源的负载是由焊接电缆（N-E）、焊接电极（E）、焊接电弧（k-A）、焊接工件（W）及焊接电缆（W-P）串联构成，如图2-1a所示。

图2-1 弧焊电源负载构成示意图

设图2-1a中弧焊电源的N为负极，P为正极，负载中各段的特性是不相同的，其中：

焊接电缆（N-E）和（W-P）是一个简单的电阻性负载，总电阻用r_c表示，对于常规的3～5m长度的焊接电缆r_c≤0.01Ω，因此在负载特性中这部分一般可以不予考虑。但是当焊接电缆过长（＞20m）的时候就不能忽略了。

焊接电极（E）是简单的电阻特性，E-k之问的电阻可用r_e表示，r_e与电极材料的电阻率ρ_e、长度L_e和直径D_e相关。常温下测量到焊接电极电阻r_e是很低的，可忽略不计。但是在焊接条件下，由于焊接电弧的直接加热作用导致电极电阻率ρ_e上升数十倍，特别是在大电流下焊接电极上的压降可高达几伏。

焊接电极E与焊接工件W之问（k-A）是最复杂也是最重要的电弧部分。电弧是一种基于气体放电的导电机构，不同于一般的金属导电，并导致了弧焊电源负载具有以下两个重要的特殊性。在讨论电弧特性之前，必须指出：焊接电极E-k这一段的电压降是焊接电弧电压不可分割的部分，所谓焊接电弧电压，实际上是E-W之问的电压，而不是k-A之问的电压，因为k-A之问的电压在工程上是不可测量的，因此焊接电极导电特性必须计入焊接电弧中。

1.各段的电压分配不均匀性

沿Ｚ轴方向，由焊接电极E到焊接工件W之问的电压分配关系如图2-1b所示。

设E-k之问的距离为L_e，即电极长度。电极上压降U_e＝Ir_e，其中r_e正比与L_e。

设k-A之问距离为L_a，即电弧长度（一般在2～10mm的范围内）。在电流一定的条件下，对于一个初始的L_a记下初始的电弧电压U_arc＝U₁，将弧长L_a减小会发现k-A之问的电压U_arc也随之减小，这说明两者之问成正比关系。当L_a趋于零但尚未短路时（此时仍有电弧）记下U_arc＝U₂，此时U₂＜U₁但仍会有较大的数值，通常在10V以上。当焊接电极E与焊接工件W短路时（此时电弧熄灭），电压会突然降低到3V以下（与电极电阻有关），此时的电压即为电极压降U_e。这说明在靠近阴极k和阳极A区问里有一个显著的电压降，这就是阴极压降U_k和阳极压降U_a。其中阴极区约10^-5mm，阳极区A约10^-3mm，如此小的距离在弧长测量中完全可忽略。且阴极压降U_k和阳极压降U_a与电流和弧长无关。在上述关系中，U_arc、U_c、Ue均可实际测量到，其中U_c＝U₁-U₂，因此通过图2-1b的关系可以得到：U_k+U_a＝U_arc-Uc^-Ue，其数值大致在8～20V的范围。

阴极压降U_k受电极材料熔点影响较大，高熔点材料U_k低，例如钨仅为5～7V，低熔点材料U_k高，例如铝合金可高达20V左右。这种差异与阴极的导电机构中的电子发射机理有关。而阳极的导电机构只是接受电子，因此阳极压降U_a相对稳定，与材料关系不大，一般在5V以下。这样一来，在电极与工件的材料不同时，如果转换电源极性，电弧的导电性将发生变化。例如在铝合金的交流钨极氩弧焊中，DCEN（钨极接负）期问的电弧电压仅为10V左右，而DCEP（工件接负）期问的电弧电压高达20～30V。从这个角度看，可认为电弧具有“整流作用”，而事实上建立在钨极与汞之问的电弧装置是最早的工业整流器，即汞弧整流器。

2.电弧伏安特性曲线的非线性

伏安特性曲线就是负载电压与负载电流的关系曲线。在保持电弧长度恒定（k-A之问距离不变）的条件下，改变电流I，测量k-A之问的电压U获得如图2-2所示结果。