焊接电弧的构造及静特性分析

1.焊接电弧的构造

焊接电弧的构造可分为三个区域：阴极区、阳极区、弧柱区，如图7-5所示。

(1)阴极区。为保证电弧稳定燃烧，阴极区的任务是向弧柱区提供电子流和接受弧柱区送来的正离子流。在焊接时，阳极表面存在一个烁亮的辉点，称为阴极斑点。阴极斑点是电子发射源，也是阴极区温度最高的部分，一般达2130℃～3230℃，放出的热量占焊接总热量的36%左右。阴极温度的高低主要取决于阴极的电极材料，一般都低于材料的沸点，如表7-1所示。此外，电极的电流密度增加，阴极区的温度也相应提高。

图7-5　焊接电弧的构造

Uy—阴极电压降　Uz—弧柱电压降　Uya—阳极电压降　Uh—电弧电压

表7-1　阴极区和阳极区的温度　单位：℃

(2)阳极区。阳极区的作用是接受弧柱区流过来的电子流和向弧柱区提供正离子流。在阳极表面上的光辉电称为阳极斑点，阳极斑点是由于电子对阳极表面撞击而形成的。一般情况下，与阴极比较，由于阳极能量只用于阳极材料的熔化和蒸发，无发射电子的能量消耗，因此在和阴极材料相同时，阳极区温度略高于阴极区。阳极区的温度一般达2330℃～3980℃，放出的热量占焊接总热量的43%左右。

(3)弧柱区。弧柱是处于阴极区与阳极区之间的区域。弧柱区起着电子流和正离子流的导电通路的作用，弧柱的温度不受材料沸点限制，而取决于弧柱中气体介质和焊接电流。焊接电流越强，弧柱中电离程度就越高，弧柱温度也就越高。弧柱区的中心温度可达5730℃～7730℃，放出的热量占总热量的21%左右。

(4)电弧电压。通常测出的电弧电压就是阴极区、阳极区和弧柱区电压降之和。

2.电弧的特性

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。焊接电流与电弧电压变化的关系称为电弧静特性。表明它们关系的曲线叫作电弧的静特性曲线。

从图7-6中可以看到，电弧静特性曲线呈U形。当电流较小时，电弧静特性为下降特性区，即随着电流的增加而电压降低；在正常工艺参数焊接时，电流通常从几十安培到几百安培，这时的电弧静特性曲线如图中的bc段，称为平特性区，即电流大小变化时电压几乎不变；当电流更大时，电弧静特性为上升特性区，电压随电流增加而升高。

图7-6　电弧静待性曲线

在一般情况下，电弧电压总是和电弧长度成正比地变化，当电弧长度增加时，电弧电压升高，其静特性曲线的位置也随之上升。

3.焊接电弧的偏吹

在焊接过程中，因焊条偏心、气流干扰和磁场的作用，常会使焊接电弧的中心偏离焊条的轴线，这种现象称为电弧偏吹。电弧偏吹不仅使电弧燃烧不稳定，飞溅加大，熔滴下落时失去保护容易产生气孔，还会因熔滴落点的改变而无法正常焊接，直接影响焊缝的成形。

(1)焊条偏心的影响。主要是焊条制造中的质量问题，因焊条药皮厚薄不均匀，使电弧燃烧时，药皮熔化不均，电弧偏向药皮薄的一侧，形成偏吹，如图7-7所示。所以施焊前应检查焊条的偏心度。

(2)气流的影响。由于焊接电弧是一个柔性体，气体的流动将会使电弧偏离焊条轴线方向。特别是大风中或狭小通道内的焊接作业，空气的流速快，会造成电弧的偏吹。

(3)磁场的影响。在使用直流弧焊机施焊过程中，常会因焊接回路中产生的磁场在电弧周围分布不均而引起电弧偏向一边，形成偏吹。这种偏吹称磁偏吹。

造成磁偏吹的原因主要有下列几种。(https://www.xing528.com)

①连接焊件的地线位置不正确，使电弧周围磁场分布不均，如图7-8所示，电弧会向磁力线稀疏的一侧偏吹。

图7-7　焊条偏心度过大

图7-8　接地线位置不正确

②电弧附近有铁磁物质存在，电弧将偏向铁磁物质一侧，引起偏吹，如图7-9所示。

③在焊件边缘处施焊，使电弧周围的磁场分布不平衡，也会产生电弧偏吹，如图7-10所示。

图7-9　铁磁性物质对电弧偏吹的影响

图7-10　在焊件边缘施焊的电弧偏吹

磁偏吹一般在焊接焊缝起头、收尾时容易出现，特别是起头处。

总之，只有在使用直流弧焊机时才会产生电弧磁偏吹，焊接电流越大，磁偏吹现象越严重。而对于交流焊接电源来说，一般不会产生明显的磁偏吹现象。

克服电弧偏吹的措施如下。

(1)在条件许可的情况下，尽可能使用交流弧焊电源焊接。

(2)室外作业可用挡板遮挡大风或“穿堂风”，以对电弧进行保护。

(3)将连接焊件的地线同时接于焊件两侧，可以减小磁偏吹，如图7-11所示。

(4)操作时出现电弧偏吹，可适当调整焊条角度，使焊条向偏吹一侧倾斜。这种方法在实际工作中较为有效，如图7-12所示。

图7-11　改变焊件接线位置克服磁偏吹

图7-12　为了防止磁偏吹角度的变化

a1=40°～50°　a2=60°～70°　a3=40°～50°