焊接电弧的负载特点分析

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：焊接电弧是一个特殊的负载，其主要特点如下：1）非线性负载。除焊接电弧所具有的一般特点之外，焊接电弧负载与焊接方法、电弧状态、电弧周围的介质以及电极材料等有关。直流电弧最大的特点是电弧稳定性好。其电弧稳定燃烧的主要影响因素是焊接电流、电弧电压和电弧长度。由此可见，熔化极焊接电弧是一个变化极快的动态负载，由于熔滴短路使电弧变得更加不稳定，因此需要对弧焊电源的动特性提出更高的要求。

焊接电弧是一个特殊的负载，其主要特点如下：

1）非线性负载。其静特性曲线形状为U形曲线。

2）低电压，大电流。

3）焊接电弧负载变化大。无论是在电弧引燃过程中还是在电弧焊接过程中，焊接电弧负载的短路、空载、燃弧等现象是经常出现的，而其电压、电流变化很大。

除焊接电弧所具有的一般特点之外，焊接电弧负载与焊接方法、电弧状态、电弧周围的介质以及电极材料等有关。

按照不同的方法，电弧可以有下述分类：

1）按电流种类分类：直流电弧、交流电弧和脉冲电弧。

2）按电弧形态分类：自由电弧和压缩电弧。

3）按电极熔化情况分类：熔化极电弧和非熔化极电弧。

1.直流电弧

直流电弧是指电弧燃烧过程中，电极极性不发生变化的电弧。直流电弧最大的特点是电弧稳定性好。

根据焊接过程中电流变化的规律，直流电弧可以分为恒定电流的直流电弧和变动电流的直流电弧。

恒定电流的直流电弧是指在整个焊接过程中，焊接电流恒定不变；变动电流的直流电弧是指在焊接过程中，焊接电流随时间按照某种规律变化，弧焊电源按照事先设定的电流变化规律输出焊接电流进行焊接，例如，直流脉冲电弧焊接。

恒定电流的直流电弧是应用最为广泛的电弧形式之一，直流电弧也有熔化极电弧和非熔化极电弧。下面以直流电弧为例，进行熔化极电弧和非熔化极电弧特点的分析。

（1）非熔化极焊接电弧焊枪一端的电极在焊接过程中不熔化，没有由于电极熔化形成的金属熔滴过渡，通常采用惰性气体（如氩气、氦气等）作为保护气体。目前应用较多的是钨极氩弧焊（TIG焊或GTAW焊）和等离子弧焊，电极多采用钍钨极或铈钨极。

对于非熔化极电弧焊接，没有由于电极熔化形成的金属熔滴过渡过程，故只要求弧焊电源能够保证电弧的稳定燃烧。其电弧稳定燃烧的主要影响因素是焊接电流、电弧电压和电弧长度。电弧长度主要取决于钨极尖端到工件的距离。在保持弧长（电弧电压）一定之后，影响电弧稳定燃烧的主要电参数只有焊接电流。在焊接过程中主要保证焊接电流的恒定，就能保证电弧的稳定燃烧。因此，非熔化极电弧焊接一般应采用恒流（垂直陡降特性）特性的弧焊电源。

（2）熔化极焊接电弧焊枪（焊炬）一端的电极为金属焊丝（或焊条），在焊接过程中，作为电弧一极的焊丝（或焊条）不断熔化，形成熔滴过渡到焊接熔池中去。熔化极焊接电弧，根据电弧是否可见又分为明弧和埋弧两大类。

1）明弧熔化极电弧焊的电极主要有焊条、光焊丝和药芯焊丝。

由于焊条表面的药皮中含有大量的稳弧剂，所以焊条电弧比较稳定。焊条药皮成分不同，焊接电弧稳定性等也不同，因此所需要的弧焊电源种类也不同。

采用光焊丝的熔化极电弧焊一般都要采用保护气体，可以选用Ar等惰性气体即MIG焊；也可以选用活性气体或者混合气体，如CO₂、CO₂+Ar、O₂+Ar、CO₂+O₂+Ar等，采用CO₂作为保护气体的就是CO₂焊接，其他活性气体保护焊称为MAG焊。

近年来，药芯焊丝的应用得到迅速发展。所谓药芯焊丝即是焊丝的内部是药粉，而焊丝外部是金属皮。在药粉中含有大量的稳弧剂、造气剂等。药芯焊丝电弧焊有气保护的药芯焊丝电弧焊，也有不用气保护的药芯焊丝电弧焊。不用气保护的药芯焊丝电弧焊称为自保护药芯焊丝电弧焊。

采用光焊丝焊接的电弧一般采用直流弧焊电源或矩形波交流弧焊电源，采用活性气体保护的电弧一般需要选用直流弧焊电源；用惰性气体保护焊的电弧，则可选用脉冲弧焊电源、矩形波交流弧焊电源或正弦波交流弧焊电源（但后者应叠加高压脉冲或高频高压以稳弧）。

2）埋弧焊采用的也是光焊丝，但在焊接过程中要不断地往电弧周围送给颗粒状焊剂（或焊药），电弧被埋在焊剂下。因为焊剂中也含有稳弧元素，所以电弧燃烧很稳定。这种电弧焊既可以选用直流弧焊电源、矩形波弧焊电源，也可以选用正弦波交流弧焊电源。

由于熔化极电弧焊中电极本身的不断熔化并过渡到熔池中去，使电弧燃烧过程变得比较复杂，除了非熔化极电弧的三个基本参数（电弧电压、焊接电流和弧长）影响电弧及焊接过程的稳定外，还有一个电极熔化的因素。

在熔化极电弧中，为了维持电弧的稳定燃烧，就必须以一定的速度向电弧区内送入焊丝以补充已熔化了的焊丝，即焊丝的熔化率必须与焊丝的进给速度（送丝速度）相等才能保证电弧弧长的稳定。如果没有新的电极金属送入电弧区域内，电弧间隙将由于电极熔化而变化。弧长增加将导致电弧静特性曲线的移动（即电弧静特性曲线由低的位置上升到高的位置）。当电弧弧长增加到一定程度，所需电弧电压很高而弧焊电源不能提供其所需电压时，就会断弧。电极熔化形成熔滴过渡也需要有一个过程，即熔滴长大的过程，而熔滴长大过程中体积的变化必然引起弧长的变化。在焊条电弧焊、CO₂气体保护（短弧）焊中，电弧经常被熔滴短路。这种经常被熔滴短路的电弧，不仅弧长发生剧烈的变化，更主要的是在熔滴短路并向熔池过渡之后必然有重新引燃电弧的问题。由此可见，熔化极焊接电弧是一个变化极快的动态负载，由于熔滴短路使电弧变得更加不稳定，因此需要对弧焊电源的动特性提出更高的要求。

2.交流电弧

交流电弧是指电弧燃烧过程中，电极极性随时间周期性交替变化的电弧。

最常见的交流电弧是工频正弦波交流电弧。该电弧一般是由50Hz按正弦规律变化的电源供电，每秒内焊接电流变换极性50次，经过电流的零点100次。电流经过零点的瞬间，电弧熄灭，过零点后电弧重新引燃。也就是说，电弧的熄灭和再引燃现象每秒要出现100次。再引燃电弧的过程称为再引弧，再引燃电弧所需的电压称为再引弧电压。

由于工频交流焊接电流的周期性变化，使交流电弧放电的物理条件和电、热物理过程也随之改变，这对电弧的稳定燃烧和弧焊电源的特性有很大的影响。

假设弧焊电源等效内阻抗为电阻特性时，其交流电弧的电压电流波形如图2-17所示。如图可见，电弧引燃后，电弧电压u_f为一“恒定”值，当电源电压u低于该电压值时，焊接电流i_f为零，电弧熄灭，此时“电弧”电压u_f与电源电压u相等；当电源电压改变极性后重新达到再引弧电压U_r时，电弧才能再引燃，焊接电流i_f渐增，电弧电压u_f为另一“恒定”值。图中的t_e为瞬时熄弧时间。瞬时熄弧时间越长，电弧越不稳定。

若弧焊电源等效内阻抗为电感-电阻特性时，相当于焊接回路中串入一个具有足够电感量的电抗器（见图2-18）。由于焊接回路中串入了电感，焊接电流i_f的变化将滞后于电源电压u的变化。当焊接电流i_f为零时，下一个半波的电源电压u瞬时值已达到或超过电弧的再引弧电压U_r，电弧熄灭瞬间便会迅速再引燃，只不过是焊接电流i_f已经反向。此种情况可以认为焊接电流是“连续”的，电弧燃烧稳定。由此可见，在交流电弧电路中有足够大的电感是保证交流焊接电流“连续”和电弧稳定燃烧的有效措施之一。

图2-17 电阻性电路交流电弧电压电流波形

a）波形图 b）电路示意图

图2-18 电感性电路交流电弧电压电流波形

a）波形图 b）电路示意图

通过研究表明，采用工频正弦波交流电弧焊，为使焊接电流连续，应满足下列条件：

式中，对于交流焊条电弧焊，m=1.3～1.5；

U₀——弧焊电源的空载电压（V）；

U_f——交流电弧电压（交流电压的有效值）（V）；

U_r——再引弧电压（V）。

再引弧电压的高低取决于电极材料、气体介质与电流过零点后的电流上升速率。热阴极和气体介质中含有低电离能元素，电流过零后上升速率高，再引弧电压低。

为了提高交流电弧的稳定性，目前在弧焊电源方面常采用以下措施：

1）增加交流电弧焊接回路中的感抗。使焊接回路中具有一定的感抗是保证交流电弧稳定燃烧的最有效措施，例如，在弧焊变压器中，一般采用增加变压器自身漏磁的方法或者串联电抗器的方法来保证焊接回路中具有所需要的感抗，提高交流电弧的稳定性。

2）提高电源的空载电压。提高空载电压能提高交流电弧的稳定性，但空载电压过高会降低操作的安全性、增加材料的消耗、降低电源的功率因数等，所以提高空载电压是有限度的。

3）改善焊接电流的波形。如使焊接电流波形为矩形波（或梯形波），增大电流过零点时的增长速度，从而可减小电弧熄灭的倾向。目前采用该方法比较多，方波交流弧焊电源可用于不加稳弧装置的交流钨极氩弧焊，也可以代替直流弧焊电源用于碱性焊条的焊接等。

4）叠加高压电。在交流钨极氩弧焊焊接铝合金等材料时，由于钨极与铝合金工件两种材料在发射电子的能力、热物理性能以及几何尺寸上差别很大，造成电弧在正极性半周引弧容易，而在负极性半周引弧困难，因此往往需要在负极性半周再引弧时，加上一高压脉冲或高频高压脉冲使电弧能够可靠地再引燃，保证电弧燃烧稳定。

5）提高弧焊电源频率。交流电流的频率越高，焊接电流过零点后的电流上升速率越大，电弧热惯性作用越大，再引弧电压越低，焊接电流容易连续，但是提高交流焊接电流的频率在一般弧焊电源中很难实现。

除焊条电弧焊外，其他焊接方法的交流电弧不仅具有一般交流电弧的特点，还具有焊接方法决定的其他特点，这些特点将在相关教材中介绍。

3.脉冲电弧

焊接电流为脉冲波形的电弧称为脉冲电弧。根据电弧燃烧过程中，电极极性变化情况可分为直流脉冲电弧和交流脉冲电弧。

脉冲电弧的电流波形有许多种形式，例如，矩形波脉冲、梯形波脉冲、正弦波脉冲和三角形波脉冲等，图2-19所示为直流矩形波脉冲焊接电流波形。脉冲电弧与一般电弧的区别在于，焊接电流周期性地变化，电弧形态和对工件的加热状态也周期性地变化。以矩形波脉冲电弧为例，焊接电流在基本电流（维弧电流）和脉冲电流之间周期性地跃变，相当于维持电弧和脉冲电弧两种电弧的组合。维持电弧（或称基本电弧）主要保证电弧的连续燃烧，脉冲电弧主要用于加热熔化工件和焊丝，并使熔滴从焊丝脱落和向工件过渡。

如图2-19所示，脉冲电弧的基本参数有脉冲电流峰值I_m（A）；脉冲电流基值I_j（A）；脉冲峰值时间t₁（s）；脉冲基值时间t₂（s）；脉冲周期T（s），T=t₁+t₂；脉冲频率f（Hz），f=1/T；脉冲宽度比K，也称占空位，K=t₁/T；脉冲平均电流I_p（A），对于矩形波脉冲I_p=I_j+（I_m-I_j）K；脉冲电流的上升率（脉冲前沿斜率）为di_m/dt；脉冲电流的下降率（脉冲后沿斜率）为-di_m/dt。

图2-19 直流矩形波脉冲焊接电流波形

由于脉冲电弧的电流并非连续恒定的，而是周期性变化的，电弧的温度、电离状态、弧柱尺寸的变化，均滞后于电流的变化。脉冲电弧的电流与电压之间的关系往往由其动特性来决定（见图2-15）。脉冲电流波形和频率不同，动特性曲线的形状也不同。此外，焊丝或电极材料、直径、保护气体的种类等都对脉冲电弧的动特性有一定影响。由于脉冲峰值和脉冲基值电流的较大差异，其电弧有时可能处于不同的静特性曲线段。在低频脉冲电弧焊时，为了满足焊接电弧的稳定及焊接工艺的需要，在脉冲峰值和脉冲基值时往往需要采用不同的弧焊电源特性。

焊接电弧的负载特点分析

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