2.1.2  焊接电弧的结构

2.1.2 焊接电弧的结构

直流电弧是焊接电弧最基本的形式，下面以直流电弧（以下简称焊接电弧）为例，分析焊接电弧的结构及电压压降分布。

1.焊接电弧的结构

如图2-5所示，在两电极间产生电弧放电时，电弧长度方向的电场强度分布是不均匀的。在阴极和阳极附近很小的区域里电压变化比较大，电弧中间部分的电压变化小，而且比较均匀。由此可以把整个电弧分成三个区域：靠近阴极附近的区域称为阴极区，其电压降用U_K表示；靠近阳极附近的区域称为阳极区，其电压降用U_A表示；电弧中间的区域称为弧柱区，其电压降用U_C表示。总的电弧电压U_f是这三部分压降之和，即

U_f=U_A+U_C+U_K （2-1）

阴极区和阳极区在长度方向的尺寸均很小，分别为10^-4cm和10^-6cm左右，其余为弧柱区。由于弧柱区的长度占电弧长度的绝大部分，因此可以近似认为两极间的距离即为弧柱区的长度，也称为电弧的弧长。

由于阳极压降U_A基本不变，可以认为是一常数；而阴极压降U_K在一定条件下（焊接电流、电极材料和气体介质等一定的条件下）基本上也是固定的数值，即U_A、U_K与弧长无关。而弧柱压降U_C在一定的气体介质下与弧柱长度成正比：

图2-5 电弧结构及压降分布

式中 U_C——弧柱压降（V）；

I_f——焊接电流（A）；

R_C——弧柱电阻（Ω）；

l_C——弧柱长度（mm）；

S_C——弧柱截面积（mm²）；

γ_C——弧柱的电导率（S·mm/mm²）；

J_C——弧柱的电流密度（A/mm²）。

可见，总的电弧电压U_f与弧柱长度成正比。

电弧的温度较高，可达5000～50000K，其温度的高低主要与焊接电流的大小、电弧及其周围气体介质的种类以及电弧的形态等有关。

2.最小电压原理

焊接电弧是两个电极之间的气体放电现象，电弧的导电截面是变化的。最小电压原理是指，一个轴线对称的电弧，在给定电流和电弧边界条件下，稳定燃烧的电弧将自动选择一适当的截面，以保证弧柱中具有最低的电场强度，即固定弧长上的电压为最小。也就是说，焊接电弧具有保持最小能量消耗的特性，当电流一定时，电弧将自动选择一截面来保持最小的电弧电压。