所谓电弧的稳态，是指电弧长度、电弧电压和电流在较长时间内不改变数值，处在相对稳定的状态。因此，就要求弧焊电源在焊接中，当电弧长度、电弧电压和电流变化时，必须具有满足动态电弧负载要求的特性，该特性就是弧焊电源的动特性。弧焊电源的动特性对电弧焊中的引弧、燃弧和熔滴过渡状态具有重要的影响，它是能否获得满意焊缝质量的重要因素之一。......
2023-06-30
电弧动态变化及其对弧焊电源动特性的要求
【摘要】：熔化极电弧焊中，所采用的工艺方法和焊接参数不同，熔滴过渡形式不同，负载的变化情况各异，对弧焊电源动特性的要求就有所不同。以短路过渡的熔化极电弧焊来说，电弧不停地在负载、短路和空载三态之间转换，所以采用短路过渡的熔化极电弧焊对电源的动特性提出了较高的要求。满足细丝CO2焊接短路过渡对di/dt的要求，是衡量该类电源动特性的一个重要指标，但是目前尚无具体的评价指标。
在引弧和焊接熔滴过渡阶段，焊接电弧将发生动态变化。由于不同的电弧焊，引燃电弧的方法不同，熔滴过渡的形式不同，电弧动态变化的情况不同，对弧焊电源动态特性的要求也不同，因此不同种类电弧焊的弧焊电源的动特性不同。
由于非熔化极电弧焊中往往没有熔滴过渡，焊接过程中电弧长度、电弧电压和电流变化不大，而且通常采用非接触引弧，所以一般非熔化极直流电弧对电源动特性的要求不高。
熔化极电弧焊中，所采用的工艺方法和焊接参数不同，熔滴过渡形式不同，负载的变化情况各异，对弧焊电源动特性的要求就有所不同。图2-35表示了射流过渡、滴状过渡和短路过渡三种熔滴过渡的电压、电流波形。以短路过渡的熔化极电弧焊来说，电弧不停地在负载、短路和空载三态之间转换，所以采用短路过渡的熔化极电弧焊对电源的动特性提出了较高的要求。
图2-35 熔滴过渡形式和电弧电压、电流的波形
a）射流过渡 b）滴状过渡 c）短路过渡
1.焊条电弧焊
焊条电弧焊往往采用短路引弧，首先使焊条与工件短路，弧焊电源输出电压由空载电压U0迅速下降至阻抗电压Ud，而输出电流迅速由0增至短路电流的最大值Isd，然后又逐渐下降到稳定短路电流Iwd。待焊条迅速提起，离开工件之后，电源输出电压迅速上升，电流迅速下降，形成了电弧放电，引燃电弧。引弧过程及相应的电压、电流变化如图2-36中1、2阶段所示。如果在焊条电弧焊中采用短路过渡焊接，在电弧稳定燃烧之后，焊条端部形成熔滴并逐渐长大，电弧弧长逐渐变短，电弧电压逐渐下降，而电流逐渐上升，此阶段为燃弧阶段，如图2-36中3阶段所示。当熔滴足够大时，会使焊条与熔池短路（图2-36中4阶段），电弧瞬时熄灭，电压下降，电流增至热态短路电流的最大值Ifd，此时金属熔滴在重力和电磁压缩力的作用下，进入熔池，这是短路过渡阶段。当熔滴脱落之后，又进入电弧重新引燃阶段。如此周而复始，电弧电压和焊接电流就出现周期性的变化。因此，可以把整个循环过程概括成“空载→短路→负载”的引弧过程和“负载→短路→负载”的熔滴过渡过程。
图2-36 焊条电弧焊时，弧焊电源输出电压和电压变化示意图
由焊条电弧焊短路过渡焊接的循环过程来看，瞬时短路的电流峰值对焊接电弧及焊接质量的影响是非常大的。所谓瞬时短路电流峰值，就是当焊接回路突然短路时，输出电流的峰值，一般需考虑由空载到短路和由负载到短路两种情况。
1）由空载到短路的瞬时短路电流峰值Isd。Isd主要影响引弧过程。Isd太小，则不利于引弧阶段的热发射和热电离，使引弧困难；Isd太大，则容易造成飞溅大，甚至引起工件烧穿。对Isd的要求，一般是限制其与焊接电流I2之比值，例如Isd/I2≤3.0。
2）由负载到短路的瞬时短路电流峰值Ifd。Ifd主要影响熔滴过渡的情况。Ifd太大，熔滴短路过渡时飞溅严重，使焊缝成形变坏，甚至引起焊件烧穿、电弧不稳；Ifd过小，熔滴短路过渡困难。对Ifd的要求，也是限制其与焊接电流I2之比值，例如Ifd/I2≤2.5。
除此之外，根据不同的弧焊电源特点还有一些其他的电源动特性要求。例如，采用直流弧焊发电机进行焊接时，由于其焊机的内电感比较大，引弧或短路熔滴过渡时，由短路到空载的过程中，电压不能瞬间恢复到空载电压U0，而是先出现一个尖峰值（时间极短），紧接着下降到电压最低值U2min（U2min叫作恢复电压最低值），U2min过小，不利于电子发射和电离，使电弧引燃或熔滴短路过渡后的复燃困难，因而对弧焊发电机的U2min往往要提出要求。
2.短路过渡细丝CO2焊接
典型的细丝CO2焊接短路过渡过程与电压电流波形如图2-37所示。电弧引燃后，在电弧热作用下，焊丝端部熔化形成熔滴（图2-37中2阶段）而后逐渐增大（图2-37中3阶段），弧长变短，当熔滴将焊丝和工件（熔池）短路（图2-37中4阶段）时，电弧熄灭，电压急剧下降，电流突然增大，熔滴在电磁收缩力等作用下形成缩颈，并向熔池过渡（图2-37中5、6、7阶段）。熔滴过渡后，焊丝与工件之间的电压急剧增大、超过额定的电弧电压，重新引燃电弧，以后重复整个循环。显然，这与焊条电弧焊短路过渡的情况相似，弧焊电源也工作在“空载→短路→负载”周期性地变换状态之中，而且频率更高。因此，对弧焊电源提供的瞬时短路电流峰值Isd、Ifd也要提出相应的要求。
图2-37 典型的细丝CO2焊接短路过渡过程与电压电流波形示意图
t1—燃弧时间 t2—短路时间 t3—拉断熔滴后的电压恢复时间T—短路周期T=t1+t2+t3Imax—最大电流（短路峰值电流） Imin—最小电流 Ia—平均焊接电流 Ua—平均电弧电压
在细丝CO2焊接短路过渡焊接过程中，除Isd、Ifd对电弧的稳定性和焊接质量有重要影响外，短路电流上升率di/dt也是影响熔滴过渡是否平稳、飞溅大小、焊接过程是否稳定的主要因素。di/dt过小，熔滴难以短路过渡，导致短路时间的延长和焊丝成段爆断；di/dt过大，导致短路电流增长过快，瞬间达到短路电流的峰值，产生严重的小颗粒飞溅，使熔滴过渡困难。因此，di/dt必须有一合适值，表2-3给出了仅供参考的推荐值。满足细丝CO2焊接短路过渡对di/dt的要求，是衡量该类电源动特性的一个重要指标，但是目前尚无具体的评价指标。
表2-3 CO2焊接短路电流增长速率推荐值
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