§7-2焊接電弧的結(jié)構(gòu)及特性§7-2焊接電弧的結(jié)構(gòu)和特性一、焊接電弧的結(jié)構(gòu)焊接電弧沿其長(zhǎng)度方向分為三個(gè)區(qū)域，見圖7-2所示。緊靠負(fù)電極的區(qū)域?yàn)殛帢O區(qū)，緊靠正電極的區(qū)域?yàn)殛枠O區(qū)，陰極區(qū)和陽極區(qū)之間的區(qū)域稱為弧柱區(qū)。陽極區(qū)的長(zhǎng)度約為10-3～10-4cm，陰極區(qū)的長(zhǎng)度約為10-5～10-6cm，因此，電弧長(zhǎng)度可近似認(rèn)為等于弧柱長(zhǎng)度。沿著電弧長(zhǎng)度方向的電壓分布是不均勻的，靠近電極部分產(chǎn)生較強(qiáng)烈的電壓降，即陰極區(qū)和陽極區(qū)的壓降較大，沿著弧柱長(zhǎng)度方向的電壓降可以認(rèn)為是均勻分布的。這三個(gè)區(qū)的電壓降分別稱為陰極壓降、陽極壓降和弧柱壓降，它們組成了總的電弧電壓，可表示為§7-2焊接電弧的結(jié)構(gòu)和特性圖7-2電弧結(jié)構(gòu)和壓降分布示意圖§7-2焊接電弧的結(jié)構(gòu)和特性弧柱壓降與弧柱長(zhǎng)度成正比陽極壓降（常數(shù)）陰極壓降（常數(shù)）a—陰極壓降與陽極壓降之和（V）；b—單位長(zhǎng)度弧柱壓降（V/mm）；

—弧柱長(zhǎng)度（mm）。§7-2焊接電弧的結(jié)構(gòu)和特性二、焊接電弧的特性（一）焊接電弧的電特性焊接電弧的電特性即伏安特性，包括靜態(tài)伏安特性（靜特性）和動(dòng)態(tài)伏安特性（動(dòng)特性）。1．焊接電弧的靜特性焊接電弧的特性電特性熱特性力學(xué)特性§7-2焊接電弧的結(jié)構(gòu)和特性在電極材料、氣體介質(zhì)和電弧弧長(zhǎng)一定的情況下，電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)電弧電壓和焊接電流之間的關(guān)系稱為靜特性。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為（1）焊接電弧的靜特性曲線形狀及其應(yīng)用焊接電弧是非線性負(fù)載，即電弧兩端的電壓與通過電弧的電流之間不是成正比例關(guān)系。焊接電弧的靜特性近似呈形曲線，見圖7-3所示。形靜特性曲線可看成由三個(gè)區(qū)段組成。在Ⅰ區(qū)段，電弧電壓隨著電流的增加而下降，稱該段為下降特性段；在Ⅱ區(qū)段，電弧電壓基本上不隨電流的變化而變化，稱§7-2焊接電弧的結(jié)構(gòu)和特性圖7-3焊接電弧的靜特性曲線小電流鎢極氬弧焊、微束等離子弧焊以及脈沖氬弧焊中的“維弧”狀態(tài)，通常使用電弧靜特性的下降段

對(duì)于細(xì)絲大電流CO2氣體保護(hù)焊、等離子弧焊，則通常工作在電弧靜特性的上升段

對(duì)于焊條電弧焊、粗絲CO2氣體保護(hù)焊、埋弧焊，多工作在電弧靜特性的水平段

§7-2焊接電弧的結(jié)構(gòu)和特性該段為平特性段，或稱恒壓特性；在Ⅲ區(qū)段，電弧電壓

隨電流的增加而上升，稱該段為上升特性段。（2）弧長(zhǎng)對(duì)靜特性曲線的影響當(dāng)電弧電流不變時(shí)，弧長(zhǎng)增加，電弧電阻增大，根據(jù)歐姆定律，電弧電壓自然會(huì)增加。如圖7-4所示。2．焊接電弧的動(dòng)特性在焊接過程中，由于受到熔滴過渡等因素的影響，電弧電壓和焊接電流時(shí)刻都在改變，即電弧永遠(yuǎn)處于動(dòng)平衡狀態(tài)。所謂電弧的動(dòng)特性，是指在一定的弧長(zhǎng)下，當(dāng)電弧電流以很快的速度變化時(shí)，電弧電壓和焊接電流瞬時(shí)值之間的關(guān)系§7-2焊接電弧的結(jié)構(gòu)和特性圖7-4弧長(zhǎng)對(duì)電弧靜特性的影響§7-2焊接電弧的結(jié)構(gòu)和特性圖7-5是電弧動(dòng)特性示意圖。（二）焊接電弧的熱特性1．焊接電弧的產(chǎn)熱特性在電弧焊中，通過電弧把電能轉(zhuǎn)換成焊接所需要的熱能和機(jī)械能。（1）弧柱的產(chǎn)熱特性弧柱中的導(dǎo)電任務(wù)絕大部分由電子來承擔(dān)，即弧柱中的熱量主要由電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)換而來。

—瞬時(shí)電流；

—瞬時(shí)電壓?！?-2焊接電弧的結(jié)構(gòu)和特性圖7-5電弧動(dòng)特性的說明示意圖為什么§7-2焊接電弧的結(jié)構(gòu)和特性（2）陰極區(qū)的產(chǎn)熱特性陰極區(qū)和弧柱區(qū)相比，長(zhǎng)度短，且直接靠近電極或工件，所以陰極區(qū)產(chǎn)生的熱量對(duì)電極或工件的影響更直接。所產(chǎn)生的熱量主要用于對(duì)陰極的加熱和陰極區(qū)的散熱損失。（3）陽極區(qū)的產(chǎn)熱特性陽極區(qū)的熱量主要是當(dāng)自由電子撞入陽極時(shí)，由自由電子動(dòng)能和位能轉(zhuǎn)化而來。2．焊接電弧的熱效率及能量密度電弧焊的熱能由電能轉(zhuǎn)換而來，因此電弧的熱功率可用下式表示§7-2焊接電弧的結(jié)構(gòu)和特性電弧產(chǎn)生的熱能并不能全部有效地用于焊接，其中一部分因?qū)α鳌⑤椛浼皞鲗?dǎo)等損失，用于加熱、熔化填充材料及工件的電弧熱功率稱為有效熱功率，表示為★當(dāng)其它條件不變時(shí)，電弧電壓升高，弧長(zhǎng)增加，通過對(duì)流、輻射等損失的弧柱熱量增加，熱效率隨著電弧電壓的升高而降低。單位面積上的有效功率稱為能量密度。能量密度在電弧軸線處最大，從中心到周圍逐漸降低。

——熱效率。為有效熱功率系數(shù)，即表7-1為常用焊接方法的熱效率系數(shù)有效熱功率§7-2焊接電弧的結(jié)構(gòu)和特性3．電弧的溫度分布焊接電弧中三個(gè)區(qū)域的溫度分布是不均勻的，一般情況下，陽極斑點(diǎn)溫度高于陰極斑點(diǎn)溫度，分別占放出熱量的43%和36%左右，但都低于該種電極材料的沸點(diǎn)。弧柱區(qū)的溫度最高，但沿其截面分布不均，其中心溫度最高，可達(dá)5000K～8000K。

（三）焊接電弧的力學(xué)特性電弧在電弧焊中的作用之一是把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，機(jī)械能在電弧焊中以電弧力的形式表現(xiàn)出來。電弧力包括電磁收縮力、等離子流力、斑點(diǎn)壓力、熔滴沖擊力及短路爆破力等。§7-2焊接電弧的結(jié)構(gòu)和特性1．電弧力的類型及作用（1）電磁收縮力當(dāng)電流通過兩根相近的平行導(dǎo)線時(shí)，若電流方向相同則產(chǎn)生相互吸引力，電流方向相反則產(chǎn)生排斥力。這種由電磁場(chǎng)產(chǎn)生的力稱為電磁力，其大小與導(dǎo)線中流過的電流大小成正比，與兩導(dǎo)線間的距離成反比。若把電弧中的電流看成是由許多靠近的平行同向電流線組成時(shí)，則它們之間將產(chǎn)生相互吸引力。因電弧是柔性導(dǎo)體，它的截面是可變的，截面將產(chǎn)生收縮。這種現(xiàn)象稱為電磁收縮效應(yīng)，產(chǎn)生此效應(yīng)的力稱為電磁收縮力。§7-2焊接電弧的結(jié)構(gòu)和特性（2）等離子流力錐形電弧在電磁收縮力的作用下，高溫氣體不斷的由電極流向工件，電弧周圍的氣體不斷地從電極旁進(jìn)行補(bǔ)充，補(bǔ)充進(jìn)的氣體被加熱電離并連續(xù)流向工件，對(duì)熔池形成動(dòng)壓力，即等離子流力。（3）斑點(diǎn)力電弧焊時(shí)，電極斑點(diǎn)受到帶電粒子的撞擊或金屬蒸發(fā)的反作用而對(duì)斑點(diǎn)產(chǎn)生壓力，稱為斑點(diǎn)力。★不論是陰極斑點(diǎn)力還是陽極斑點(diǎn)力，其方向總是與熔滴過渡方向相反，阻礙熔滴過渡。一般陰極斑點(diǎn)力比陽極斑點(diǎn)力大。（4）熔滴沖擊力當(dāng)采用較大電流進(jìn)行熔化極氬弧焊時(shí)，熔滴呈射流過渡，在等離子流力的作用下，熔滴以極大的加速度連續(xù)沿軸向射向熔池，使焊縫極易形成指狀熔深?！?-2焊接電弧的結(jié)構(gòu)和特性（5）短路爆破力電弧從燃燒狀態(tài)過渡到短路狀態(tài)，電弧電流迅速上升，熔滴溫度急劇升高，使液柱汽化爆斷，產(chǎn)生較大的沖擊力，導(dǎo)致飛濺產(chǎn)生。2．影響電弧力的因素（1）氣體介質(zhì)不同種類的氣體介質(zhì)，其熱物理性能不同，對(duì)電弧產(chǎn)生的影響也不同。導(dǎo)熱性強(qiáng)的氣體或多原子氣體消耗的熱量多，對(duì)電弧有冷卻作用，會(huì)引起電弧的收縮，導(dǎo)致電弧力的增加。氣體流量或電弧空間氣體壓力增加，也會(huì)引起弧柱收縮導(dǎo)致電弧力增加，同時(shí)使斑點(diǎn)力增大。（2）電流和電弧電壓電流越大，電磁收縮力和等離子流力都將增大，所以電弧力也增大。電流一定，電弧長(zhǎng)度增加引起電弧電壓升高，則電弧力降低。§7-2焊接電弧的結(jié)構(gòu)和特性（3）焊絲直徑焊接電流一定時(shí)，焊絲越細(xì)，電流密度越大，造成電弧錐形越明顯，電磁力和等離子流力越大，電弧力也增大。（4）電極極性通常陰極導(dǎo)電區(qū)的收縮程度比陽極區(qū)大，因此，直流正接時(shí)，可形成錐度較大的電弧，產(chǎn)生較大的電弧力。熔化極氣體保護(hù)焊采用直流正接時(shí)，熔滴受到較大的斑點(diǎn)力，過渡時(shí)受阻，電弧力較小；反之，直流反接時(shí)，電弧力較大?！?-2