焊接电弧的伏-安特性曲线分析

在所有类型的电负载中，电弧负载最为复杂。其VAC的具体函数式不像电阻负载那样可用欧姆定律表达，而是必须通过实验方法进行研究。这是因为电弧负载是气体放电现象，电弧在何种气体介质中放电、气体压力多大、两电极是什么材料制成以及电弧的弧长等因素都会对电弧负载的VAC有影响。这样一来，必须针对具体的电弧，才能有确定的VAC曲线。

一般来说，电弧的VAC曲线具有图2-3所示ABCD曲线的形状，由于像英文大写字母U，所以称电弧的U形VAC曲线。

图2-3 电弧负载特性的定义

获得电弧的VAC曲线的实验方法是：测量出每次流过电弧负载的电流I_S与电弧负载上的电压降U_F。然后，将I_S与U_F数据对I_S1、U_F1，I_S2、U_F2，I_S3、U_F3…作为坐标点画在以电流I为横坐标、以电压U为纵坐标的平面上。例如图2-3中，通过实验得到四组I_S与U_F数据对，与其对应的四个坐标点分别标记为A、B、C、D。将四个坐标点用直线连接形成A—B—C—D折线。显然，增加坐标点的数量，也就是增加实验I_S与U_F数据对，A—B—C—D折线就会接近ABCD曲线。

初步分析图2-3所示电弧的VAC曲线，得出电弧的VAC如下性质：

1）电弧的U形VAC曲线表明它本身是非线性函数曲线，它不能用一数学函数式表示出来。

2）电弧的VAC曲线大致可分成三段：下降段AB，水平段BC和上升段CD，电弧VAC曲线这三段有不同的特性。

3）电弧VAC曲线上的点具有不同的静态电阻R_G。

分析电弧的三段VAC曲线的特性，两个电弧电阻的定义至关重要。

电弧的静态电阻R_G——在以电流为横坐标、以电压U为纵坐标的平面上通过坐标零点向电弧的VAC曲线作一射线，则两线交点的纵坐标（电压U坐标）与横坐标（电流I坐标）的比值具有电阻量纲。例如图2-4中的B点，纵坐标电压为U_FB，横坐标电流为I_SB，二者之比U_FB/I_SB=R_GB就是B点的静态电阻。同理，电弧VAC曲线上的每一点都有各自的静态电阻。

4）电弧VAC曲线上的点具有不同的微分电阻R_W，且微分电阻值可正，可负，还可为零。

电弧的微分电阻R_W——电弧VAC曲线上，任一点的切线的斜率值也具有电阻量纲，例如图2-4中D点的斜率为：

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式中α_D——D点的切线与水平线间（按逆时针方向）的夹角；

ΔI_D——D点处的电流增量；

ΔU_D——D点处的电压增量。

这D点处的切线的斜率值就定义为D点的微分电阻R_WD。而对整条电弧VAC曲线，即电弧VAC曲线上，任一点的切线的斜率值称为电弧的微分电阻R_W。

注意，电弧的微分电阻R_W的值可能是正值，例如D点的微分电阻R_WD；也可能是负值，例如A点的微分电阻R_WA（因为按逆时针方向，A点的切线与水平线间的夹角α_A处于第二象限内，而第二象限内夹角α_A的正切值tanα_A为负值）为负值；还可能是零值，例如C点的微分电阻R_WC。

在实际应用中，特别在各种电弧焊工艺中，通常按微分电阻值是负、零、还是正值，将电弧VAC曲线分为下降段、水平段和上升段，如图2-4所示，AB段是下降段，BC段是水平段，CD段是上升段。

在微分电阻R_W为正值的上升段内，ΔU/ΔI是正值，表明：随着通过电弧电流的增大（电流的增量ΔI是正值），电弧上的电压也随之增大，也就是电弧电压增量ΔU是正值，这与一般电阻的特性是相同的。

图2-4 电弧负载静态电阻R_G和 微分电阻R_W的定义

在微分电阻R_W为负值的下降段内，ΔU/ΔI是负值，表明：随着通过电弧电流的增大（电流的增量ΔI是正值），电弧上的电压不是随之增大，反而减小，也就是电弧电压增量ΔU是负值，这与一般电阻的特性是截然不同的。这微分电阻R_W为负值的下降段有时简称为“负阻特性”段，而将该段电弧VAC称为“负阻特性”。

须提醒注意的是：“负阻特性”不是说电阻值是负值或者说“负电阻”。电弧下降段VAC曲线上每点的静态电阻R_G都是正值；“负阻特性”强调的是电弧的微分电阻R_W有时为负值。

微分电阻R_W为零点值的水平段内，ΔU/ΔI是零值，表明：随着通过电弧电流的增大，电弧上的电压保持不变，也就是电弧电压增量ΔU是零。