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2025-09-29
交流焊接电弧的特点与电特性
【摘要】：交流焊接电弧一般是由50Hz按正弦规律变化的弧焊电源供电，电弧电流过零点及其电弧熄灭和引燃过程每秒出现100次。交流焊接电弧最大的特点是电弧周期性地熄灭和引燃。3）适当增大电流If，使电弧空间能量、热惯性增大，利于降低引弧所需电压，提高稳定性。
1.交流焊接电弧的特点
交流焊接电弧的物理本质及其静特性与直流焊接电弧基本相同，然而，交流焊接电弧作为弧焊电源的负载还有其特殊性。
交流焊接电弧一般是由50Hz按正弦规律变化的弧焊电源供电，电弧电流过零点及其电弧熄灭和引燃过程每秒出现100次。这就使交流焊接电弧放电的物理条件也随着改变，具有特殊的电和热的物理过程，对电弧的稳定燃烧及其对弧焊电源要求有很大的影响。
交流焊接电弧最大的特点是电弧周期性地熄灭和引燃。交流电流每当经过零点并改变极性时，电弧熄灭、电弧空间温度下降，使下半周期电弧重新引燃困难，只有当弧焊电源电压uy增至大于引燃电压Uyh后电弧才可能引燃和稳定燃烧，即t=0时，u=Umsinφ≥Uyh，这是交流电弧稳定燃烧的条件之一。如果焊接回路中没有足够大的电感时，从上半波电弧熄灭至下半波电弧重新引燃之前，可能有一段电弧熄灭时间，并引起图1-1-9a所示的电流波形畸变，使其不按正弦规律变化。如有足够大的电感，就可阻止电流if减小，维持电弧继续燃烧，使熄弧时间为零，即ωt=π时，if正好过零点，获得图1-1-9b所示电弧连续燃烧的正常波形，这是交流电弧稳定燃烧条件之二。显而易见，Uyh越小，熄弧间隔越短，重新引弧越容易，电流波形畸变越小，电弧越稳定。
图1-1-10所示为经简化的交流焊接电弧供电电路原理图，可满足上述交流电弧的两个连续燃烧条件。
在考虑交流电弧连续燃烧两个条件下，通过对上述电源电压方程式的推导，可得出保证电路中各项参数符合交流电弧连续燃烧条件方程式的关系如下：
由式（1-1-5）描绘出交流电弧连续燃烧范围，如图1-1-11所示，曲线左上方是电弧连续燃烧区，右下方是不连续燃烧区。
图1-1-9 交流埋弧焊电弧电压和电流波形
a）不连续燃烧畸变波形 b）连续燃烧正常波形
图1-1-10 经简化的交流焊接电弧供电电路原理图
2.提高交流焊接电弧稳定燃烧的措施
综上所述，为了提高交流电弧的引弧性、稳定性，在弧焊电源方面需采取如下措施：
1）适当提高空载电压，要求U0/Uf≈1.5～2.4。
2）适当增大焊接回路的L或减小R。
3）适当增大电流If，使电弧空间能量、热惯性增大，利于降低引弧所需电压，提高稳定性。
4）采用过零点时间为零的矩（方）形波交流。
5）叠加高压脉冲或高频高压电流。
(https://www.chuimin.cn)
图1-1-11 交流电弧连续燃烧范围
电路参数对电弧稳定性的影响及动特性如图1-1-12所示。
a）电路参数的综合影响 b）交流电弧动特性曲线
3.交流焊接电弧的功率和功率因数
用交流电弧进行焊接，要求充分利用电弧功率，以获得较高的效率，还希望在弧长略有变化时功率保持稳定，使焊接过程顺利进行，研究交流电弧功率及功率因数的影响因素和计算方法是有必要的。
（1）交流焊接电弧的功率交流电弧的功率是指交流电弧在半个周期（π）内的平均功率（又称为有功功率），见式（1-1-6a）。另外，焊接回路的电感较大，引燃电压不很大且存在的时间很短，可近似看成在每半个周期中电弧电压是不变的矩形波，即uf=Uf，通过公式推导，可得到交流焊接电弧有功功率为式（1-1-6b）：
式中 Pf——交流电弧的有功功率；
uf、if——电弧电压和电弧电流的瞬时值；
K——Uf/U0；
XL——XL=ωL。
根据式（1-1-6b），可作出Pf曲线，如图1-1-13所示，K<0.4或K>0.637时，均不利于保持电弧燃烧和电弧功率的稳定，K值最好取0.4～0.637，即要求：
2.5＞U0/Uf＞1.57 （1-1-7）
图1-1-13 Pf与K的关系（阴影区是工作区）
（2）交流电弧的功率因数 交流正弦波功率因数λf是指交流有功功率Pf与UfIf乘积之比值，交流电弧的Uf、If波形非正弦波，其Pf≠UfIf。λf表明Uf、If波形畸变所带来的影响。当电弧连续性差时，波形畸变就严重。λf相应较小，电弧所提供的功率也就小。λf的表达式为
在一般焊接中，K=0.4～0.56，所以λf=0.89～0.90。可见λf总是小于1的。
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