埋弧焊电弧参数关系探析

埋弧焊中电弧弧长、电流、电压表现出非常复杂的关系，难于精确地用数学公式表达，只能用近似的表达式，目前有多种经验公式，描述的电弧特性的具体表达式也不同，如著名的Ayrton经验公式可以表示为^[1]

式中 a，b，c，d——常数；

U_a——电弧电压；

L_a——电弧长度；

I_a——电弧电流。

该式适合表示下降段电弧特性，对于L_a≤1cm、I_a≤20A的电弧能与试验较好地吻合，a、b、c、d并无具体的物理意义。实际埋弧焊的电弧电流远远超过20A，因此Ayrton经验公式并不适用于埋弧焊。目前适合描述埋弧焊的电弧电流、弧长、电弧电压之间关系的公式有多种，但它们都有一定的局限性，准确度不高，一般在控制过程中都将电弧看成非线性对象，采用传统的控制方法效果并不理想。

埋弧焊过程是一个非常复杂的非线性过程，其电弧负载为一个非线性负载，由文献[2]可知，电弧电压由三部分组成，电弧负载的等效模型可以用图7-1来表示，R₁表示焊丝伸出长度等效电阻，R₂表示电弧弧柱等效电阻，稳压二极管D上的电压U₃表示电弧的阴极和阳极电压之和。一般认为阴极电压和阳极电压几乎不变，因此电弧电压可表示为

U_a=U₁+U₂+U₃ （7-2）

式中 U_a——电弧电压；

U₁——焊丝伸出长度的电压；

U₂——电弧弧柱电压；

U₃——电弧的阴极和阳极电压之和。

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图7-1 电弧负载的等效模型

式（7-2）又可改写为

U_a=IR₁+E_ll_a+U₃ （7-3）

式中 I——电弧电流；

E_l——电弧弧柱的电位梯度，稳定焊接过程中大致保持常值；

l_a——电弧弧柱长度（不包含阴极和阳极长度）；

U₃——通常为18～19V。

埋弧焊通常为粗直径焊丝，R₁的值非常小，但埋弧焊的电弧电流却很大，因此U_a在式（7-3）中不能被忽略。将式（7-3）改写为

U_a=IR₁+E_ll_a+19 （7-4）

文献[1]对大气中软钢裸焊条的焊接电弧电压与弧长作了定量的描述，得出了经验公式：

U_a=22+20L_a （7-5）

式中 L_a——弧长。

焊接电弧的电位梯度大致为20～32V/cm。在改变焊接条件的情况下，电弧梯度会发生变化，式（7-5）中的电位梯度将不再是20V/cm。从式（7-4）和式（7-5）可以看出，无论电位梯度常数为何值，维持电弧长度不变是维持弧压稳定的关键因素。