焊接电弧的静态特性分析及优化

焊接电弧静特性是指在电极材料、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曲线，也称伏-安特性，如图2-53所示。

1.电弧静特性曲线

图2-53所示的电弧静特性曲线分为三个部分：ab段焊接电流较小时，电弧静特性为负阻特性，即随着焊接电流的增加而电弧电压减小；当焊接电流稍大时为bc段，焊接电流变化时，电弧电压基本不变，为水平特性；当焊接电流更大时为cd段，电弧电压随焊接电流的增加而增加，电弧静特性为上升特性。电弧静特性之所以如此，下面作简要的说明。

图2-53 焊接电弧静特性曲线

ab段—下降特性段 bc段—水平特性段 cd段—上升特性段

1）焊接电流很小时为辉光放电，这时电弧电压很高，达几百伏。随着焊接电流的增加，气体放电形式进入电弧放电。在小电流区间电弧静特性呈下降特性。因焊接电流较小，弧柱断面将随焊接电流的增加而按比例增加。如果焊接电流增加到原来电流的4倍，则弧柱断面积也增加到原弧柱的4倍，而弧柱周长却只增加2倍。使电弧向周围空间散失热量也只增加2倍。总之，减小了散热，却提高了电弧温度和电离度，所以必然使电弧的电场强度下降，弧柱压降也呈下降趋势。同时阴极与阳极压降也因相同的原因随焊接电流的增加而减小，故电弧电压随着焊接电流的增加而减小，使电弧特性呈负阻特性。小电流TIG焊属于此种。

2）在中电流区间，电弧静特性呈水平特性。焊接电流稍大时，焊丝金属将产生金属蒸气和等离子流。以一定速度喷射的金属蒸气和等离子流将对电弧产生附加的冷却作用。此时电弧的产热不但有周边散热损失，而且还有金属蒸气与等离子流的附加损耗。这些能量消耗将随焊接电流的增加而增加，因此在某一焊接电流区间，可以保持电弧电场强度E不变，使电弧静特性成平特性，如埋弧焊、焊条电弧焊和大电流TIG焊均属此种情况，如图2-54所示。

图2-54 埋弧焊的电弧静特性曲线

3）大电流区间电弧静特性呈上升特性。当焊接电流进一步增大时，特别是用细焊丝气体保护电弧焊（GMAW）焊接时，电弧弧柱区尺寸受焊丝直径的限制，随着焊接电流的增加，电弧弧柱的电流密度增大。同时，由于金属蒸气的喷射、等离子流冷却作用的进一步加强及电磁收缩力的作用，电弧断面不能随焊接电流的增加而成比例地增大，使得电弧电导率减小，为了保证一定的焊接电流通过则要求有较大的电场强度E。所以在大电流区间，随着焊接电流的增加，弧柱的电场强度增大。另外，阴极及阳极压降在这种情况下影响不大。所以电弧电压U_a主要受弧柱压降的影响。它随着焊接电流的增加而升高，使得电弧静特性呈上升趋势。如GMAW的电弧静特性大多为上升特性，如图2-55所示。

图2-55 铝合金MIG焊的电弧静特性曲线

2.影响电弧静特性的因素

当弧长、保护气体成分、电极与母材成分等发生改变时，都会对电弧静特性产生影响，下面分别加以介绍。

（1）弧长的影响 焊接电弧中，电弧电压U_a与弧长的关系见式（2-39）。

U_a=U_ao+EL （2-39）

式中 U_ao——阴极与阳极压降之和（U_C+U_A）（V）；

E——弧柱电场强度（V/cm）；

L——弧长（cm）。(www.xing528.com)

由于阴极压降区、阳极压降区的长度与弧柱长度相比很小，可忽略不计。所以可以认为弧柱长度等于弧长。而弧柱电场强度又可称为弧柱电位梯度，主要决定于保护气体和环境条件所决定的常数。

当弧长变化时，如图2-54和图2-55所示，电弧静特性曲线将发生上、下移动。图2-56所示为TIG焊时，电弧电压与弧长大致成正比关系。

（2）保护气体的影响 保护气体的影响因素包括气体介质的特性和气体介质的压力两个方面。

1）气体介质的特性主要是气体的热导率和气体的热容，如图2-57所示。

图2-56 电弧电压与弧长的关系

图2-57 几种气体的热导率与温度的关系

由图2-57可以看到，热导率较好的气体（如H₂和He），对电弧产生冷却作用，引起电弧收缩，增大了电弧电场强度，而Ar气为单原子气体，同时具有较低的热导率，有较强的保持弧柱温度的能力，所以弧柱电场强度较低。这样一来，将得到如图2-58所示的电弧静特性曲线。氩气保护的电弧，电弧静特性曲线偏低。相反，氦气保护的电弧，电弧静特性曲线较高。

表2-13为各种保护气体介质中电弧电场强度的比较。保护气体的差别对电弧电场强度的影响原因可以从几方面考虑：一为电弧散热能力不同；二为氧气、氢气和二氧化碳等多原子气体，其在电离前要分解为原子，通常分子的分解为吸热反应；三为各种气体的电离能不同，电离能大的保护气体将从电弧中吸取更多的能量，而低电离能物质存在于电弧气氛中将会显著降低电弧电压。

图2-58 气体介质对电弧静特性曲线的影响

表2-13 各种保护气体介质中弧柱电场强度的比较（空气为1.0）

2）气体介质压力的影响主要表现在随着气体压力增大，气体离子密度也增加，气体离子通过散乱运动从电弧带走更多的热量。因此，气体压力越大，冷却作用就越强，电弧电压也越高。同理，压缩电弧与自由电弧相比，压缩电弧的电场强度更高些，所以气体介质的压力增大时，电弧静特性曲线将提高。

保护气体的流量对电弧温度有影响，气体流量越大，电弧的热量被带走得越多，而提高电弧的电场强度。

（3）电极与母材的影响 TIG焊时，钨极成分对电弧电压有影响，如纯钨与加入稀土氧化物的钨极发射电子能力不同，后者发射电子能力增强，使电弧电压降低。另外钨极的形状和尺寸、焊丝直径等也对电弧静特性有影响。

母材的材料由于其导热能力和尺寸的不同，将影响散热能力，对电弧的冷却作用也不同，所以对电弧电压也有影响。