焊接电弧的构造及静特性
焊接电弧的构造及静特性
§6—2焊接电弧的构造及静特性一焊接电弧的构造及温度焊接电弧的构造可划分三个区域：阴极区，阳极区，弧株。
电弧焊是利电弧的热能来达到连接金属的目的，电弧的热能是由上述各个区域的电过程作用下产生的，由于各个区域的电过程特点不同，因此各区域所放出的能量及温度的分布也是不相同的。
1阴极区电弧紧靠负电极的区域称为阴极区。
阴极区很窄，约为10～10cm。
在阴极区的阴极表面有一个明显的光的斑点，它是电弧放电时，负电极表面上集中发射的微小区域，称为阴极斑点。
阴极区的温度一般达到2130～3230℃，放出的热量占36%左右》阴极温度的高低主要取决于阴极的电极材料而且阴极的温度一般都低于阴极金属材料的沸点。
（见图表）此外，如果增加电极中的电流密度，那么阴极区的温度也可相应提高。
阴极区和阳极去的温度电极材料材料沸腾℃阴极区温度℃阳极区温度℃碳4367 3227 3827铁2998 2130 2330铜2307 1927 21772900 2097 2177钨5927 2727 3927注（1）电弧中气体介质为空气。
（2）阴极和阳极为同种材料2阳极区电弧紧靠正极的区域称为阳极区。
阳极区较阴极区宽，越为10～10cm在阳极区的阳极表面也有光亮的斑点，它是电弧放电时，正电极表面上集中的接收电子的位区域，称为阳极斑点。
阳极不发射电子，消耗能量少，因此在阴极材料相同时，阳极去的温度略高于阴极。
阳极区的温度一般达2330～3930℃放出热量占43%左右，一般手工电弧焊时，阳极的温度比阴极的温度高些。
3弧柱电弧阴极区和阳极区的部分称为弧柱。
由于阴极区和阳极区都很窄，因此弧柱的长度基本上等于电弧长度。
弧柱中所进行的电过程较复杂，而且它的温度不受材料沸点的限制，因此弧柱中心温度可达到5730～7730℃放出的热量占21%左右（手工电弧焊）。
弧柱的温度与弧柱中气体介质和焊接电流大小等因素有关；焊接电流越大，弧柱中电离程度也越大，弧柱温度也越高。
电弧静特性和弧焊电源基本特性简介
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4.2.1 电弧静特性和弧焊电源基本特性简介
第四章
金属连接成形设备及自动化
所谓“电源一电弧”系统的稳定性应包含两方面的含义： 1) 系统在无外界因素干扰时，能在给定电弧电压和电流下维持长时间的连 续电弧放电，保持静态平衡。此时应有如下关系：
Uf＝Uy；If＝Iy 式中， Uf 和 If 各为电弧电压和电弧电流的稳定值。
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4.2.1 电弧静特性和弧焊电源基本特性简介
第四章
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图4-1 焊接电弧的静特性曲程
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4.2.1 电弧静特性和弧焊电源基本特性简介
第四章
金属连接成形设备及自动化
焊接电弧是非线性负载，静特性近似呈U形曲线，可以 可以分为三个区段：
Ⅰ段，电弧电压随电流的增加而下降，是一下降特性段，电弧呈 负阻特性；
曲线3为恒流的外特性（亦称 垂直陡降外特性），当弧长由 L1变为L2时，恒流外特性的电 流偏差△I3最小，即焊接电流 稳定。
图4－6 弧长变化时引起的电流偏移 1,2－缓降特性的电源 3－恒流特性的电源 l1,l2—电弧静特性
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4.2.1 电弧静特性和弧焊电源基本特性简介
第四章
金属连接成形设备及自动化
用来产生焊接电弧并维持电弧燃烧的供电器件，主要有以下几种： • 弧焊变压器 • 矩形波交流弧焊电源 • 直流弧焊发电机 • 弧焊整流器 • 弧焊逆变器 • 脉冲弧焊电源
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4.2.1 电弧静特性和弧焊电源基本特性简介
一、焊接电弧的静特性
第四章
金属连接成形设备及自动化
焊工初级第六章84
国家职业资格培训教材
焊工(初级) 初级)
国家职业资格培训教材编审委员会 编 刘云龙 主编
技能型人才培训用书
国家职业资格培训教材
第六章 焊条电弧焊
依据劳动和社会保障部 制定的《国家职业标准》 制定的《国家职业标准》要求编写
第六章 焊条电弧焊
培训学习目标
熟悉焊条电弧焊工艺特点，会选择焊接工艺， 掌握焊条电弧焊的基本操作技能。
第六章 焊条电弧焊
第一节 焊接电弧
2、影响因素
（1）弧焊电源 （2）焊条药皮 （3）气流 （4）焊件接头处清洁程度 （5）磁偏吹 造成焊接电弧磁偏吹的因素： 1）焊接电缆线位置不正确引起的电弧磁偏吹。 2）铁磁物质引起的电弧磁偏吹。 3）焊条与焊件的位置不对称引起的电弧磁偏吹。
第六章 焊条电弧焊
第一节 焊接电弧
坡口的主要作用是：确保焊接电弧能深入到坡口根部 间隙处，使焊缝根部焊透；便于操作者清除焊渣，获得较 好的焊缝成形；调节熔敷金属比例，提高焊接接头综合性 能。
3.坡口的尺寸
坡口角度：用以调节熔敷金属比例，提高焊接接头 综合性能。 钝边：坡口钝边尺寸，在焊接过程中调节坡口根部 热量，以保证焊缝焊透和防止烧穿。 间隙：坡口的根部间隙用以保证根部能焊透。
第六章 焊条电弧焊
第二节 焊接参数
4.坡口的选择
选择的原则是： 1）坡口形状容易加工。 2）能够使焊条伸入根部间隙，便于焊接操作，保 证焊件焊透（焊条电弧焊熔深一般为2～4mm）。 3）坡口焊后变形小。 4）坡口焊接时，能节省焊条和提高焊接生产力。
第六章 焊条电弧焊
第三节 焊条电弧焊操作技术
一、基本操作技术
平焊位置焊接时，选择偏大些的焊接电流；非平焊位 置焊接时，应比平焊时的焊接电流小，立焊、横焊的焊接电 流比平焊焊接电流小10%～15%；仰焊焊接电流比平焊焊接 电流小15%～20%。角焊缝的焊接电流比平焊焊接电流稍大； 不锈钢焊接时，焊接电流应选择允许值的下限。
电弧特性
滑擦引弧
Electrode
（+）
Rubbing direction
接触引弧 电弧引燃 非接触引弧
短路引弧 Workpiece （-）
现 代 焊 接电 源 及 其 计 算 机 控 制
短路引燃电弧: 短路——空载——燃弧 接触——拉开——燃弧
弧焊电源 电能 接触 电阻热 金属熔化、蒸发
电能
电弧燃烧
弧长的影响：
弧长增加，弧柱长度增加，电弧电压提高；即电弧静特性曲线形状不变，但曲 线整体上移；这表明电弧电流一定时，电弧电压随弧长的增加而增加。
电极直径的影响：
主要影响阴极斑点面积 SK 和弧柱截 面SC；电极直径减小， SK、 SC减小，则 曲线整体左移；同理，电极直径增大，电 弧静特性曲线则将向电流增加的方向移动 （向右移动）。
A 段：电弧电压随电流的增加而下降，是下降特性段（负阻区）。 B 段：呈等压特性，即电弧电压 不随电流的变化而变化，是平特 性段（零阻区） C 段：电弧电压随电流的增加 而上升，是上升特性段（正阻 区）
电弧静特性曲线 U/V
A
B
C
Uf
I/A
现代焊接电源及其计算机控制
焊接电弧静特性曲线的构成
U U U U f A C K
高压脉冲引弧波形
电能
电弧燃烧
电能
不接触、高电压 工件与钨极 距离2-4mm 左右
碰撞电离、发射
场致发射
电弧引燃
应用场合:钨极氩弧焊和等离子弧焊。
现代焊接电源及其计算机控制
2.2 焊接电弧的结构以及伏安特性
一、焊接电弧的结构以及压降分布
三个区域：阳极区、阴极区、弧柱区
总的电弧电压：
焊接电弧特性
焊接电弧特性焊接电弧的电特性包括焊接电弧的静态伏安特性（静特性）和动态伏安特性（动特性）。
一、电弧静特性曲线图1-1普通电阻静特性与电弧静特性曲线1—普通电阻静特性曲线2—电弧静特性曲线一定长度的电弧在稳定燃烧状态下，电弧电压与电弧电流之间的关系称为焊接电弧的静态伏安特性，简称伏安特性或静特性，也称为U曲线。
1）电弧静特性曲线。
焊接电弧是焊接回路中的负载，它与普通电路中的普通电阻不同，普通电阻的电阻值是常数，电阻两端的电压与通过的电流成正比（U=IR），遵循欧姆定律，这种特性称为电阻静特性，为一条直线，如图1-1中的曲线1所示。
焊接电弧也相当于一个电阻性负载，但其电阻值不是常数。
电弧两端的电压与通过的焊接电流不成正比关系，而呈U形曲线关系，如图1-1中的曲线2所示。
电弧静特性曲线分为三个不同的区域，当电流较小时（图1-1中的ab区），电弧静特性属下降特性区，即随着电流增加电压减小;当电流稍大时（图1-1中的bc区），电弧静特性属平特性区，即电流变化时，而电压几乎不变;当电流较大时（图1-1中的cd区），电弧静特性属上升特性区，电压随电流的增加而升高。
2）电弧静特性曲线的应用。
由于不同的焊接方法，其焊接中所取的电流范围有限，因此对于特定焊接方法，根据其电流适用范围，其电弧静特性曲线只是整个U曲线的某一部分。
焊条电弧焊、埋弧焊一般工作在静特性的平特性区，即电弧电压只随弧长而变化，与焊接电流关系很小。
◆焊条电弧焊、埋弧焊多半工作在静特性水平段。
◆一般的钨极氩弧焊、等离子弧焊的焊接电弧也工作在水平段，◆当电流很小时，如微束等离子弧焊、微束TIG焊工作在下降段◆细丝熔化极气体保护焊基本上工作在上升段。
二、焊接电弧的动特性在一定的弧长下，当电弧电流以很快速度连续变化时，电弧电压与电流瞬时值之间的关系称为电弧动态伏安特性，简称为电弧动特性。
直角坐标系中的电弧动特性曲线是一闭合曲线，称为电弧动特性闭合曲线。
电弧的动特性：“热惯性”现象1）电流快速减小时，由于电弧电离度较高，电弧电压低于静态值，V-A 特性曲线低于静特性曲线。
焊接技术作业及部分答案
第二章1、简述焊接电弧的引燃方法。
（一）接触引弧应用场合：焊条电弧焊熔化极气体保护焊（二）非接触引弧应用场合:钨极氩弧焊和等离子弧焊。
2、说明焊接电弧的结构，说明焊接电弧的静特性及影响电弧静特性的因素并举例说明焊接电弧静特性的应用。
结构:三个区域：阳极区阴极区弧柱区焊接电弧静特性: 在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧时，焊接电流和电弧电压变化的关系，又称伏安特性。
影响电弧静特性的因素：主要有：电弧长度、周围气体种类焊接电弧静特性的应用对于不同的焊接方法，应用的电弧静特性曲线段、有所不同。
静特性下降段电弧燃烧不稳定而很少采用。
焊条电弧焊、埋弧焊多半工作在静特性水平段。
焊条电弧焊、埋弧焊多半工作在静特性水平段。
熔化极气体保护焊、微束等离子弧焊、等离子弧焊也多半工作在水平段，当焊接电流很大时才工作在上升段。
熔化极气体保护焊和水下焊接基本上工作在上升段。
3、简述交流电弧连续燃烧的条件。
二、交流电弧连续燃烧的条件纯电阻电路电感性电路4、简述影响交流电弧稳定燃烧的因素和提高电弧稳定性的措施。
（一）影响交流电弧稳定燃烧的因素1．空载电压愈高，电弧就愈稳定。
2．引燃电压所需的愈高，电弧愈不稳定，引燃愈困难。
3．电路参数增大电感L或减小电阻R可使电弧趋向稳定地连续燃烧。
4．电弧电流电弧电流愈大，电离程度愈高，电弧的稳定性愈高。
5．电源频率f提高有利于提高电弧的稳定性。
6．电极的热物理性能和尺寸发射电子的能力，尖端形状等；如钨极。
（二）提高交流电弧稳定性的措施1．提高弧焊电源频率2．提高电源的空载电压3．改善电弧电流的波形4．叠加高压电5、简述空载电压的选用原则，常用的弧焊电源空载电压规定。
空载电压含义：当弧焊电源接通电网而焊接回路为开路时，弧焊电源输出端电压选择原则：为保证引弧容易，则需要较高的空载电压。
为保证焊工人身安全，空载电压低些为好。
降低制造成本，空载电压不宜高。
空载电压要适当，一般不大于100V.6、焊接时，对弧焊电源的基本要求是什么？对弧焊电源的具体要求是：①引弧容易。
焊接电弧特性
§1.2 焊接电弧特性电弧特性是指电弧在导电行为方面表现出的一些特征，其中的电弧电特性与电弧热平衡、电弧稳定性等有很深的联系，是很重要的事项。
焊接电弧静特性焊接电弧动特性阴极斑点和阳极斑点电弧的阴极清理作用最小电压原理电弧的挺直性与磁偏吹1. 焊接电弧静特性1）电弧静特性曲线变化特征（与金属电阻对应理解）电弧的电流·电压特性左图概念性示出稳定状态下焊接电弧的电流·电压特性，称作电弧静特性曲线。
静特性曲线是在①某一电弧长度数值下，在②稳定的保护气流量和③电极条件下（还应包括其他稳定条件），改变电弧电流数值，在电弧达到稳定燃烧状态时所对应的电弧电压曲线。
呈现3个区段的变化特点下降特性区（负阻特性区）平特性区上升特性区3个特性区域的特点是由于电弧自身性质所确定的，主要和电弧自身形态、所处环境、电弧产热与散热平衡等有关在小电流区：电弧电压随电流的增大而减小，呈现负阻特性。
原因如下：电流小时，电弧热量低，导电性差，需要较高的电场推导电荷运动；电弧极区（特别是阴极区），温度低，提供电子能力差，会形成较强的极区电场；电流增大：电弧中产生和运动等量的电荷不再需要更高的电场；电弧自身性质具有保持热量动态平衡的能力当电流稍大时：焊条金属将产生金属蒸气的发射和粒子流。
消耗能量，故E不用降低当电流进一步增大时，金属蒸气的发射和等离子流的冷却作用进一步增强，同时由于电磁收缩力的作用，电弧断面不能随电流的增加而成比例的增加，电弧电压降升高，电弧静特性呈正特性。
埋弧焊电弧静特性曲线埋弧焊电弧的散热损失小，且电弧中基本没有GTA、GMA那样的等离子流存在，采用粗焊丝大电流，电弧特性呈下降趋势。
电弧特性反应了电弧的导电性能和变化特征，电弧种发生的许多现象都与静特性有关，也可以用于对比解释各种电弧焊方法的差别③电极条件非熔化电极情况下，电极成分对电弧电压会有一定程度的影响④母材情况母材热导率影响所形成的熔池大小以及母材热输入量中散失热量的快慢，对电流产生间接的冷却作用。
焊接电弧的静特性和熔滴过渡的形式
平特性
在B区：电流稍大，电极温度提高，阴极热发射能力增强， 阴极电压降低；阳极蒸发加剧，阳极电压降低。也就是说电弧 中产生和运动等量的电荷不需要更强的电场。 对于弧柱区，电弧等离子气流增强，除电弧表面积增加造成的 热损失外，等离子气流的流动对电弧产生附加的冷却作用，因 此在一定的电弧区间内，电弧电压自动的维持一定的数值，保 证产热和散热的平衡。成平特性。 一般埋弧焊、手工焊、大电流TIG焊等都工作在平特性段。
下降特性
在A区：电流较小，电弧热量较低，电离度低，电弧的导电性 较差，需要有较高的电场推动电荷运动； 电弧阴极区，由于电极温度低，电子提供能力较差，不能实现 大量的电子发射，会形成比较强的阴极电压降。所以电流越小 电压越高。 弧柱区在小电流范围内电流密度基本不变，弧柱截面随电流的 增加按比例增加，但弧柱周长增加的少，产热多，散热少，电 弧温度提高，电离程度提高，电弧电场强度降低，弧压降低， 所以电弧成负阻特性。
上升特性
在C区：电流更大时， 金属蒸汽的发射及等离子流的冷却作用进一步加强，同时由于电 磁力的作用，电弧截面不能成比例增加，电弧的电导率减小，要 保证较大的电流通过相对比较小的截面，需要更高的电场。 MIG焊的电弧一般工作在上升段。
电弧电压决定于电弧长 度和焊接电流值
不同电弧长度的电弧静特性曲线
仰焊 横焊
重力
表面张力 气体吹力
电磁力 斑点压力
有利于熔滴过渡的打√，阻碍熔滴过渡的打×
斑点压力
斑点压力：斑点受到带电粒子的撞击，或金属蒸汽的反作用而对 斑点产生的压力，称为斑点力，或斑点压力。 阴极斑点力大于阳极斑点力
不论是阴极斑点力还是阳极 斑点力，其方向总是与熔滴 过渡方向相反，如图所示。 但由于阴极斑点力大于阳极 斑点力，所以熔化极气体保 护焊可通过采用直流反接减 小对熔滴过渡的阻碍作用， 减少飞溅。
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焊接电弧的构造及静特性
1、焊接电弧的构造
焊接电弧组成
(1)阴极区：电弧紧靠负电极的区域，很窄，约10-5～10-6cm 。
阴极斑点：电弧放电时，负电极表面集中发射电子的微小区域——阴极斑点。
T 阴=2130～3230o C ，放出的热量占36％
(2)阳极区：电弧紧靠正电极的区域，比阴极区宽，约10-3～10-4cm 。
阳极斑点：电弧放电时，正电极表面集中接收电子的微小区域—阳极斑点。
T 阳 =2330～3930o C 占总热量的43%左右。
(3)弧柱区：介于阳极区与阴极区之间的区域。
T 弧柱=5730～7730o C.占总热量的21%。
阳极区 阴极区
弧柱区
(4)电弧电压：即电弧两端(或电极)之间的电压降。
U弧=U阴+U阳+U柱
2、焊接电弧的静特性
含义：在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧时，焊接电流与电弧电压变化的关系称为电弧静特性，也称为伏——安特性。
表示它们之间关系的曲线称为电弧的静特性曲线。
(1)电弧静特性曲线：呈“U”形；
ab段—下降特性区
bc段—平特性区
cd段—上升特性区
(2) 电弧静特性曲线应用：
不同的焊接方法在一定的条件下其电弧静特性只是曲线中的某一区域；下降特性区电弧燃烧不稳定，一般不采用。
①焊条电弧焊、埋弧焊一般工作在平特性区，电弧电压只随弧长变化，与焊接电流关系很小。
②钨极氩弧焊、等离子弧焊一般也工作在平特性区。
当电流较大时才工作在上升特性区。
③熔化极氩弧焊、二氧化碳气体保护焊和熔化极活性气体保护焊基本上工作在上升特性区。