2.2 弧焊电源的特性
2.2.1 什么是开路电压（或空载电压）？什么是闭路电压（或工作电压）？
（1）空载电压
弧焊电源在次级焊接回路断开状态下运行时测得的输出电压为空载电压。空载电压越高，越容易引弧，电弧燃烧越稳定，但电压过高则电源体积大、重量大、功率因数低，不经济，而且也不利于安全操作。所以在确保引弧容易、电弧稳定的条件下，尽量降低空载电压。
对于通用交流和直流弧焊电源的空载电压规定如下。
交流弧焊电源（为了保证引弧容易和电弧的连续燃烧，通常采用）：U0（空载电压）≥（1.8～2.25）Uf（工作电压）；
焊条电弧焊电源：U0=55～70V；
埋弧焊电源：U0=70～90V。
直流弧焊电源：直流电弧比交流电弧易于稳定。但为了容易引弧，一般也取接近于交流弧焊电源的空载电压，只是下限减少10V。综合考虑引弧、稳弧工艺需要，空载电压通常具体要求如下：
弧焊变压器：U0≤80V；
弧焊整流器、弧焊逆变器：U0≤85V；
弧焊发电机：U0≤100V。
一般规定空载电压不得超过100V，在特殊用途中，若超过100V时必须备有自动防触电装置。
（2）工作电压
弧焊电源在次级焊接回路闭合状态下测得的输出电压为闭路电压（或工作电压）。焊条电弧焊引弧所需要的电压要比空载电压低。为使电弧在焊条与焊件之间保持连续稳定地燃烧，必须在两电极间保持一定的电压，这个电压一般称为工作电压。工作电压通常为16～35V。
2.2.2 何为焊接电弧的静特性？
（1）电弧静特性曲线
焊接电弧静特性是指在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧时，焊接电流和电弧电压变化的关系曲线，也称伏-安特性，如图2.9所示。
图2.9 焊接电弧的静特性
ab段——下降特性段；bc段——水平特性段；cd段——上升特性段
焊接电弧静特性曲线分为三个部分：ab段焊接电流较小时，电弧静特性为负阻特性，即随着焊接电流的增加而电弧电压减小；当焊接电流稍大时为bc段，焊接电流变化时，电弧电压基本不变，为水平特性；当焊接电流更大时为cd段，电弧电压随焊接电流的增加而增加，电弧静特性为上升特性。
ab段焊接电流很小，这时电弧电压很高，达几百伏。随着焊接电流的增加，气体放电形式进入电弧放电。在小电流区间电弧静特性呈下降特性。因焊接电流较小，弧柱断面将随焊接电流的增加而按比例增加。如果焊接电流增加到原来电流的4倍，则弧柱断面积也增加到原弧柱的4倍，而弧柱周长却只增加2倍，使电弧向周围空间散失热量也只增加2倍。总之，减小了散热，却提高了电弧温度和电离度，所以必然使电弧的电场强度下降，弧柱压降也呈下降趋势。同时阴极与阳极压降也因相同弧电压随着焊接电流的增加而减小，使电弧特性呈负阻特性。小电流TIG焊属于此种。
在中电流bc区间段，电弧静特性呈平特性。焊接电流稍大时，焊丝金属将产生金属蒸气和等离子流。以一定速度喷射的金属蒸气和等离子流将对电弧产生附加的冷作用。此时电弧的产热除有周边散热损失，还有金属蒸气与等离子流的附加损耗。这些能量消耗将随焊接电流的增加而增加，在某一焊接电流区间，可以保持电弧电场强度不变，使电弧静特性成平特性，如埋弧焊、焊条电弧焊和大电流TIG焊均属此种情况，如图2.10所示。
图2.10 TIG焊与埋弧焊的电弧静特性曲线
大电流区间电弧静特性呈上升特性。当焊接电流进一步增大时，特别是用细焊丝气体保护电弧焊（GMAW）焊接时，电弧弧柱区尺寸受焊丝直径的限制，随着焊接电流的增加，电弧弧柱的电流密度增大。同时，由于金属蒸气的喷射、等离子流冷却作用的进一步加强及电磁收缩力的作用，电弧断面不能随焊接电流的增加而成比例地增大，使得电弧电导率减小，为了保证一定的焊接电流通过则要求有较大的电场强度。所以在大电流区间，随着焊接电流的增加，弧柱的电场强度增大。另外，阴极及阳极压降在这种情况下影响不大。所以电弧电压以主要受弧柱压降的影响。它随着焊接电流的增加而升高，使得电弧静特性呈上升趋势。如MIG焊的电弧静特性大多为上升特性，如图2.11所示。
（2）影响电弧静特性的因素
当弧长、保护气体成分、电极与母材成分等发生改变时，都会对电弧静特性产生影响。当弧长变化时（如图2.10和图2.11所示），电弧静特性曲线将发生上、下移动。图2.12所示为TIG焊时，电弧电压与弧长大致成正比关系。
图2.11 铝合金MIG焊的电弧静特性曲线
图2.12 电弧电压与弧长的关系
保护气体的影响因素包括气体介质的特性和气体介质的压力两个方面。气体介质的特性主要是气体的热导率，如图2.13所示。热导率较好的气体（如H2和He），对电弧产生冷却作用，引起电弧收缩，增大了电弧电场强度，而Ar气为单原子气体，同时具有较低的热导率，有较强的保持弧柱温度的能力，所以弧柱电场强度较低。氩气保护的电弧，电弧静特性曲线偏低。相反，氦气保护的电弧，电弧静特性曲线较高。如图2.14所示。
图2.13 几种气体的热导率与温度的关系
图2.14 气体介质对电弧静特性曲线的影响
气体介质压力的影响主要表现在随着气体压力增大，气体离子密度也增加，气体离子通过散乱运动从电弧带走更多的热量。因此，气体压力越大，冷却作用就越强，电弧电压也越高。同理，压缩电弧与自由电弧相比，压缩电弧的电场强度更高些，所以气体介质的压力增大时，电弧静特性曲线将提高。
保护气体的流量对电弧温度有影响，气体流量越大，电弧的热量被带走得越多，而提高电弧的电场强度。
电极与母材对电弧静特性曲线也会产生一定的影响。TIG焊时，钨极成分会影响对电弧电压的大小，如纯钨与加入稀土氧化物的钨极发射电子能力不同，后者发射电子能力增强，使电弧电压降低。另外钨极的形状和尺寸、焊丝直径等也对电弧静特性有影响。母材的材料由于其导热能力和尺寸的不同，将影响散热能力，对电弧的冷却作用也不同，所以对电弧电压也有影响。
2.2.3 弧焊电源的外特性有哪几种？
弧焊电源和焊接电弧是一个供电与用电系统。在稳定状态下，弧焊电源的输出电压Uy和输出电流Iy之间的关系，称为弧焊电源的外特性，或弧焊电源的伏安特性。对于直流电源，Uy和输出电流Iy为平均值；对于交流电源则为有效值。
（1）下降特性
这种外特性的特点是，当输出电流在运行范围内增加时，其输出电压随着输出电流的增加而下降。其工作部分每增加100A电流，其电压下降一般应大于7V。根据斜率的不同又分为垂直下降（恒流）特性、陡降特性和缓降特性等。
①垂直下降（恒流）特性。垂直下降特性也叫恒流特性，如图2.15（a）所示。其特点是，在工作部分当输出电压变化时输出电流几乎不变。有的在接近短路时施加推力电流，称为恒流带外拖特性。
图2.15 弧焊电源的几种外特性曲线
②陡降特性。其特点是输出电压随输出电流的增大而迅速下降，如图2.15（b）所示。
③缓降特性。其特点是输出电压随输出电流的增大而缓慢下降，如图2.15（c）所示。
（2）平特性
平特性有两种：一种是在运行范围内，随着电流增大，电弧电压接近于恒定不变（又称恒压特性）或稍有下降，电压下降率小于7V/100A，如图2.15（d）所示；另一种是在运行范围内随着电流增大，电压稍有增加（有时称上升特性），电压上升率应小于10V/100A，如图2.15（e）所示。
（3）双阶梯形特性
这种特性的弧焊电源用于脉冲电弧焊。维弧阶段工作于“┗”形特性上，而脉冲阶段工作于“┓”形特性上。由这两种外特性切换而成双阶梯形特性，或称框形特性，如图2.16所示。
图2.16 双阶梯形特性曲线
2.2.4 不同焊接方法对电源外特性曲线的要求有哪些？
（1）焊条电弧焊
焊条电弧焊一般是工作于电弧静特性的水平段上。采用下降外特性的弧焊电源，便可以满足系统稳定性的要求。但是怎样下降的外特性曲线才更合适，还得从保证焊接工艺参数稳定来考虑。图2.17中曲线1、2、3是陡降度不同的三条电源外特性曲线。
图2.17 焊条电弧焊弧长变化时引起的电流偏移
1、2—缓降外特性；3—恒流外特性；l1、l2——电弧静特性
分析图2.17可见，当弧长变化时，电源外特性下降的陡度越大，电流偏差就越小，焊接电弧和工艺参数稳定。但外特性陡降度过大时，稳态短路电流过小，影响引弧和熔滴过渡；陡降度过小的电源，其稳态短路电流又过大，焊接时产生的飞溅大，电弧不够稳定。
因此，焊条电弧焊最好是采用恒流带外拖特性的弧焊电源，如图2.18所示。它既可体现恒流特性焊接工艺参数稳定的特点，又通过外拖增大短路电流，提高了引弧性能和电弧熔透能力。
图2.18 电源恒流带外拖特性曲线
（2）熔化极电弧焊
熔化极电弧焊包括埋弧焊、熔化极氩弧焊（MIG）、CO2气体保护焊和含有活性气体的混合气体保护焊（MAG）等。这些焊接方法，在选择合适的电源外特性工作部分的形状时，既要根据其电弧静特性的形状，又要考虑送丝方式。根据送丝方式不同，熔化极电弧焊可分为以下两种。
①等速送丝控制系统的熔化极弧焊 MIG/MAG、CO2焊或细丝（焊丝直径≤3mm）的直流埋弧焊，电弧静特性均是上升的。弧焊电源外特性为下降、平、微升（但上升的陡度需小于电弧静特性上升的陡度）都可以满足“电源-电弧”系统稳定条件。对于这些焊接方法，特别是半自动焊，电弧的自身调节作用较强，焊接过程的稳定是靠弧长变化时引起焊接电流和焊丝熔化速度的变化来实现的。弧长变化时，如果引起的电流偏移越大，则电弧自身调节作用就越强，焊接工艺参数恢复得就越快。因此以平特性电源为最佳。
②变速送丝控制系统的熔化极弧焊 通常的埋弧焊（焊丝直径大于3mm）和一部分MIG焊，它们的电弧静特性是平的，下降外特性电源都能满足要求。这类焊接方法的电流密度较小，自身调节作用不强，不能在弧长变化时维持焊接工艺参数稳定，应该采用变速送丝控制系统，利用电弧电压作为反馈量来调节送丝速度。当弧长增加时，电弧电压增大，电压反馈迫使送丝速度加快，使弧长得以恢复；当弧长减小时，电弧电压减小，电压反馈迫使送丝速度减慢，使弧长得以恢复。显然，陡降度较大的外特性电源，在弧长或电网电压变化时所引起的电弧电压变化较大，电弧均匀调节的作用也较强。因此，在电弧电压反馈自动时所引起的电弧电压变化较大，电弧均匀调节的作用也较强。因此，在电弧电压反馈自动调节系统中应采用具有陡降外特性曲线的电源，这样电流偏差较小，有利于焊接工艺参数的稳定。
（3）非熔化极电弧焊
非熔化极电弧焊方法包括钨极氩弧焊（TIG）、等离子弧焊以及非熔化极脉冲电弧焊等。它们的电弧静特性工作部分呈平的或略上升的形状，影响电弧稳定燃烧的主要参数是电流，而弧长变化不像熔化极电弧那样大。为了尽量减小由外界因素干扰引起的电流偏移，应采用具有陡降特性的电源。
（4）熔化极脉冲电弧焊
这种焊接方法一般采用等速送丝，维弧阶段和脉冲阶段分别工作于两条电源外特性上。根据不同的焊接工艺要求，脉冲电弧和维弧电弧的工作点也可以分别在恒压和恒流特性段，利用“电源-电弧”系统的自身调节作用来稳定焊接参数。以双阶梯形外特性电源最佳。
2.2.5 弧焊电源动特性及其指标有哪些？
用熔化极进行电弧焊时，电极（焊条或焊丝）在被加热形成金属熔滴进入熔池时，经常会出现短路，这样就会使电弧长度、电弧电压和电流产生瞬间的变化。因而，在熔化极弧焊时，焊接电弧对供电的弧焊电源来说是一个动态负载。这就需要对弧焊电源动特性提出相应的要求。
所谓弧焊电源的动特性，是指电弧负载状态发生突然变化时，弧焊电源输出电压与电流的响应过程，可以用弧焊电源的输出电流和电压对时间的关系来表示，它说明弧焊电源对负载瞬变的适应能力。只有当弧焊电源的动特性合适时，才能获得预期有规律的熔滴过渡，电弧稳定，飞溅小和良好的焊缝成形。
弧焊电源动特性的指标主要有瞬时短路电流峰值、短路电流上升速度和最低恢复电压值。焊条电弧焊时，从有利于引弧、加速金属的熔化和过渡、缩短电源处于短路状态的时间等方面考虑，希望短路电流峰值大一些好；但短路电流峰值过大，会导致焊条和焊件过热，甚至使焊件烧穿，并会使飞溅增大。因此必须要有合适的瞬时短路电流峰值。
合适的短路电流上升速度。短路电流上升速度太小，不利于熔滴过渡；短路电流上升速度太大，飞溅严重。所以，必须要有合适的短路电流上升速度。
合适的恢复电压最低值。在进行直流焊条电弧焊开始引弧时，当焊条与工件短路被拉开后，即在由短路到空载的过程中，由于焊接回路内电感的影响，电源电压不能瞬间就恢复到空载电压，而是先出现一个尖峰值（时间极短），紧接着下降到电压最低值，然后再逐渐升高到空载电压。这个电压最低值就叫恢复电压最低值。如果过小，即焊条与工件之间的电场强度过小，则不利于阴极电子发射和气体电离，使熔滴过渡后的电弧复燃困难。
2.2.6 弧焊电源的调节特性是什么？其可调参数有哪些？
（1）弧焊电源的调节特性
焊接时，由于工件的材料、厚度及几何形状不同，选用的焊条（或焊丝）直径及采用的熔滴过渡形式也不同，因而需要选择不同的焊接工艺参数，即选择不同的电弧电压和焊接电流等。为满足上述要求，电源必须具备可以调节的性能。弧焊电源这种外特性可调的性能，称弧焊电源的调节特性。
（2）可调参数
①下降外特性弧焊电源的可调参数 下降外特性电源的可调参数有：工作电流If；工作电压Uf；最大焊接电流Ifmax；最小焊接电流Ifmin；电流调节范围。其可调参数曲线如图2.19所示。
图2.19 下降外特性弧焊电源的可调参数
焊条电弧焊和埋弧焊国家标准规定的负载特性为：
当If<600A时，Uf=（20+0.04If）V；
当If>600A时，Uf=44V。
TIG焊国家标准规定的负载特性为：
当If<600A时，Uf=（10+0.04If）V；
当If>600A时，Uf=34V。
②平外特性弧焊电源的可调参数 平外特性电源的可调参数有：工作电流If；工作电压Uf；最大工作电压Ufmax；最小工作电压Ufmin；工作电压调节范围。其可调参数曲线如图2.20所示。
图2.20 平外特性弧焊电源的可调参数
国家标准规定的负载特性为：
当If<<600A时，Uf=（14+0.05If）V；
当If>>600A时，Uf=44V。