材料成形装备及自动化 第3版 课件 第四章 1 焊接的定义及其分类

华中科技大学材料学院材料成形及控制工程专业核心课程华中科技大学精品课及责任教授课程材料成形装备及自动化

EquipmentandAutomationofMaterialsProcess2024-2025学年第二学期EAMP

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2目录第一章

绪

论（2学时）

第二章金属液态成形装备及自动化（10学时）

第三章

金属塑性成形装备及自动化（10学时）第四章

金属连接成形装备及自动化（10学时）第五章

高分子材料成形设备及自动化（2学时）

第六章

快速成形装备及控制（6学时）第七章

其它材料成形装备（4学时）第八章热处理工业炉及其控制（2学时）第九章材料加工中的环境保护装备（2学时）4.1概述（0.5学时）4.1.1焊接的定义及其分类4.1.2金属焊接成形设备的发展趋势4.2电弧焊设备及自动化（6.5学时）

4.2.1电弧静特性和弧焊电源基本特性4.3电阻焊装备及自动化（3学时）4.4激光焊接设备（自学、不考试）4.5焊接机器人（自学、不考试）第四章

金属连接成形装备及自动化EAMP

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34.1概述1）焊接的定义及物理实质焊接的定义：焊接是通过适当的手段（加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料），使两个分离的金属物体（同种金属或异种金属）产生原子间结合而连接成一体的连接方法。焊接的一般特点：

采用加热或加压，或两者并用，用或不用填充材料；局部加热熔化，产生各种物理与化学变化；材料间产生原子或分子之间的结合；形成的接头一般是永久性的、不可拆卸的。焊接的物理实质：通过适当的物理——化学过程，使两个分离的金属物体表面接近到晶格距离（0.3～0.5nm），形成金属键，从而使金属连为一体。EAMP

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4螺柱焊手工电弧焊埋弧焊氩弧焊CO2焊电弧焊熔化极钨极氩弧焊原子氢焊等离子弧焊气焊氧氢焊氧乙炔焊空气乙炔焊铝热焊电渣焊电子束焊激光焊电阻点、缝焊电阻对焊冷压焊超声波焊锻焊爆炸焊扩散焊摩擦焊压力焊钎焊熔化焊基本焊接方法火焰钎焊感应钎焊炉钎焊盐浴钎焊电子束钎焊不熔化极2）焊接方法分类EAMP

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54.1概述常见的焊接方法（工艺）手工电弧焊(ManualMetalArcWelding,MMA;ShieldedMetalArcWelding,SMAW)药芯焊丝电弧焊(FluxCoredArcWelding,FCAW)电渣焊(ElectroslagWelding,EW)埋弧焊

(SubmergedArcWelding,SAW)钨极氩弧焊

(GasTungstenArcWelding,GTAWorTungstenInertGasWelding,TIG)熔化极气体保护焊(MetalInertGasWelding,MIG;MetalActiveGasWelding,MAGorGasMetalArcWelding,GMAW)等离子弧焊

(PlasmaArcWelding,PAW)激光焊(LaserWelding,LW)电子束焊(ElectronBeamWelding,EBW)激光复合焊(LaserHybridWelding,LHW)修复与制造硬面堆焊(Repair&ManufacturingHardfacing,R&MHardfacing)电弧焊高能束焊修复与堆焊EAMP

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64.1概述激光切割(LaserCutting)氧-燃料切割（乙炔、丙烷、天然气或混合气体）(Oxy-fuelCutting)等离子切割(PlasmaCutting)水射流切割(WaterJetCutting)电阻焊(ResisitanceWelding)点焊

(SpotWelding)凸焊(ProjectionWelding)缝焊

(SeamWelding)电阻对焊

(ResistanceButtWelding)闪光对焊

(FlashButtWelding)搅拌摩擦焊(FrictionStirWelding,FSW)软钎焊(Soldering)硬钎焊(Brazing)压力焊切割钎焊常见的焊接方法（工艺）EAMP

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74.1概述常用焊接方法熔化焊

FusionWelding

——电弧焊ArcWelding——激光焊LaserWelding——电子束焊ElectronBeamWelding压力焊

PressureWelding

——电阻焊ResistanceWelding——摩擦焊FrictionWelding——搅拌摩擦焊FrictionStirWelding——扩散焊DiffusionWelding钎焊

Brazing/Soldering其中，应用最广泛的是电弧焊工艺。电弧焊是采用电极与工件之间燃烧的电弧作为热源来加热熔化工件进行焊接的。EAMP

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84.1概述3）焊接设备焊接设备——不同的焊接方法需要相应的焊接设备电弧焊设备：

——电源

——焊枪

——送丝机

——气路和水路电阻焊设备：

——电源——机械结构激光焊设备：

——激光器电子束焊设备

——电子束发生器

——真空室EAMP

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94.1概述埋弧自动焊焊条电弧焊熔化极气体保护电弧焊钨极氩弧焊等离子弧焊常用的电弧焊方法及设备EAMP

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104.1概述电阻点焊电阻缝焊电阻对焊EAMP

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114.1概述常用的电弧焊方法及设备弧焊电源是电弧焊机中的核心部分：

供给电弧能量（提供电流电压），并具有适于电弧焊工艺电气特性的设备或者装置。

弧焊电源的主要作用☼提供电弧燃烧的能量☼保证电弧稳定燃烧☼调节电弧能量电焊机：供完成各种焊接工艺操作的专用设备。包括电源、控制箱、焊接小车、送丝机、焊炬（枪）等。没有先进的弧焊电源，不可能实现先进的弧焊工艺。不同的电弧焊方法需要不同的电弧焊机。4）弧焊电源的发展EAMP

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124.1概述弧焊电源的发展新的焊接方法、焊接工艺的发展新材料及其应用相关领域科学技术的发展经济建设、国家需求……直流发电机弧焊变压器整流电源晶闸管电源逆变电源20世纪初期20世纪20年代20世纪40年代20世纪60年代20世纪70、80年代4）弧焊电源的发展EAMP

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134.1概述4）弧焊电源的发展现代弧焊电源与传统弧焊电源的区别：应用了电力电子可控器件电子控制技术、数字控制技术代替了机械、电磁控制技术精确控制代替了粗糙控制模块化、集成化、多功能化，一机多用智能化（“傻瓜”化）降低了对操作者的要求外观仪器化、美观、便携抗噪性降低，对维修人员技术水平要求高逆变技术、计算机技术、遥控技术、智能控制技术、远程通讯技术、远程监控技术得到广泛应用。现代弧焊电源：应用了现代科学技术的弧焊电源。包括逆变弧焊电源、数字化弧焊电源。EAMP

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144.1概述4）弧焊电源的发展焊机调节——人机对话系统焊接工艺参数数据库（柔性化）一元化调节现代弧焊电源控制的趋势：精确化、柔性化、智能化数字化弧焊电源控制面板EAMP

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154.1概述4）弧焊电源的发展焊机控制——精确控制（引弧、收弧）（精确化）动态电弧控制（波形控制等）协同控制（熔滴过渡、弧长控制等）焊后——焊接工艺参数记录（智能化）无飞溅引弧控制双脉冲电弧控制数字化MIG/MAG电源波形控制参数记录EAMP

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164.1概述4）弧焊电源的发展控制原理与方法：

PID控制、模糊控制、专家系统；开环控制、闭环控制；变结构控制：变给定参数、变结构参数、变电路结构。控制技术：模拟电子技术、数字电子技术、数字模拟仿真技术；微机控制技术、单片机控制技术；数字信号处理器（DSP）控制技术（数字化电源）。EAMP

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174.1概述5）焊接的应用航空航天火箭舰船输油管道EAMP

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184.1概述汽车轨道交通民用建筑钢结构EAMP

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194.1概述5）焊接的应用压力容器、锅炉桥梁武汉长江大桥（1957）南京长江大桥（1968）成昆铁路迎水村桥（1970）西陵长江大桥（1996）EAMP

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204.1概述5）焊接的应用课程内容（重点）：电弧静特性和弧焊电源基本特性及其匹配性问题弧焊设备埋弧焊设备（MZ-1-1000型埋弧自动焊机）熔化极氩弧焊设备CO2气体保护焊设备钨极氩弧焊设备等离子弧焊设备电阻焊设备电阻焊的原理及分类电阻焊机的基本结构点焊设备、缝焊设备、对焊设备EAMP

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21课程内容、教学与学习课程教学：以典型的金属连接（焊接）成形工艺为主线，主要阐述主要连接成形设备的分类、构造、特点、用途及选择。金属连接（焊接）成形设备的种类繁多，其工作原理、构造及特点各异，且与生产实际紧密结合。由于学时有限，本课程重点介绍典型的连接成形设备，并通过图片和动画等多媒体手段向同学们介绍各种成形设备。同时，配以实验室和工厂参观增加学生的感性认识，同学们可以通过查阅有关书籍和文献来扩充相关知识。课程内容、教学与学习EAMP

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22课程学习：教材阅读、笔记心得实验教学、实验报告课堂教学、课后习题考试（闭卷！！！）EAMP

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23课程内容、教学与学习教材及主要参考书资料教材：樊自田，材料成形装备及自动化（第2版），机械工业出版社，2019主要参考书：（1）姜焕中，电弧焊及电渣焊，机械工业出版社，1988（2）胡特生，电弧焊，机械工业出版社，1996（3）中国机械工程学会焊接分会编，焊接手册（第3版），第1卷，焊接方法及设备，机械工业出版社，2007（4）毕惠琴，焊接方法及设备，第二分册电阻焊，机械工业出版社，1981（5）中国机械工程学会焊接学会，电阻焊（Ⅲ）专业委员会编，电阻焊理论与实践，机械工业出版社，1994（6）郑宜庭，弧焊电源，机械工业出版社，1996（7）熊腊森，焊接工程基础，机械工业出版社，2002（8）王敏，材料成形设备及自动化，高等教育出版社，2010EAMP

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24网络资源：[1]焊接之家[2]焊接人社区[3]焊接资源网[4]www.shenhui_焊接论坛[5]焊工知识网[6]焊接信息联盟[7]

现代焊接生产技术国家重点实验室[8]相关科技论文（期刊、杂志）EAMP

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25教材及主要参考书资料焊接相关的期刊、杂志：焊接学报、电焊机、焊接、焊接技术、焊管、金属学报、有色金属学报、航空制造技术、热加工工艺、电力电子技术、电气自动化等。WeldingJournal,ScienceandTechnologyofWeldingandJoining,ChinaWelding,TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofChina,ActaMetallurgicaSinica,WeldingResearchAbroad,WeldingResearchInternational,WeldingDesignandFabrication,MetalJoining,WeldingintheWorld,IEEETransactiononIndustrialApplication,IEEETransactiononElectronics,JournalofMaterialsProcessingTechnology,MaterialsandDesign,etcEAMP

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26教材及主要参考书资料4.2弧焊设备及自动化熔化极电弧焊设备埋弧焊设备熔化极氩弧焊设备

CO2气体保护弧焊设备不熔化极电弧焊设备钨极氩弧焊设备等离子弧焊接设备EAMP

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27弧焊电源：是一种二次电源，在一次电源（电力网）和负载（电弧）之间的电能变换器。其作用是从一次电源获得电能，并转化为负载所需的形式和参数。弧焊电源的空载电压大约为20~80V，输出功率一般在2kW以上，最大可达数百千瓦，低电压、大电流、高功率是弧焊电源的基本特征。弧焊电源是用来产生焊接电弧并维持电弧燃烧的供电器件弧焊变压器（交流）矩形波交流弧焊电源（方波交流）直流弧焊发电机（直流）弧焊整流器（直流）弧焊逆变器（直流）脉冲弧焊电源（脉动直流）4.2.1电弧静特性和弧焊电源基本特性EAMP

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28弧焊变压器由主变压器及外特性调节部分组成将网路交流电变成低压交流电结构简单、易于制造和维修、成本低、效率高电弧稳定性差、功率因数低用于焊条电弧焊、埋弧焊和钨极氩弧焊矩形波交流弧焊电源采用半导体技术获得矩形波交流电流，电弧稳定性好、可调参数多、功率因数高用于钨极氩弧焊、埋弧焊，可代替直流弧焊电源用于碱性焊条焊接和手工电弧焊EAMP

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294.2.1电弧静特性和弧焊电源基本特性直流弧焊发电机由直流发电机和外特性调节装置组成直流电流，过载能力强、输出脉动小空载损耗大、效率低、噪声很大、造价高、维修难可用于各种弧焊方法，目前已很少使用，仅用于野外作业弧焊整流器由主变压器、半导体整流元件及外特性调节装置组成直流电流，制造方便、价格低、空载损耗小、噪声小，可远距离调节，能自动补偿电网电压波动对输出电流和电压的影响可用于各种弧焊方法，分为硅弧焊整流器、晶闸管弧焊整流器EAMP

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304.2.1电弧静特性和弧焊电源基本特性弧焊逆变器将交流电整流后，由逆变器转为几百至几万Hz的中频交流电，再经降压后输出交流电（AC→DC→AC）或经整流输出直流电（AC→DC→AC→DC）由电子电路控制获得所需的外特性和动特性高效节能、体积小重量轻、功率因数高、焊接性能好可用于各种弧焊方法，最具发展前途脉冲弧焊电源由普通弧焊电源与脉冲发生器组成低频脉冲电流，效率高，输入线能量小，可在较宽范围内控制线能量，用于对热输入量敏感的高合金材料、薄板和全位置焊接按主要功率器件分类：晶闸管式、晶体管式按脉冲电流的频率分类：低频脉冲式、高频脉冲式EAMP

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314.2.1电弧静特性和弧焊电源基本特性一、电弧的基本特性1.电弧的实质电弧是一种气体放电现象，在一定电压的两电极（或电极与工件）之间的气体介质中产生的强烈而持久的放电现象。具有低电压、大电流的特点。电弧放电示意图气体放电的前提：两电极间有电位差（电源）存在带电粒子产生带电粒子的方式：气体的电离

电极表面的电子发射气体的电离与电极的电子发射是形成及稳定电弧的充分条件。气体的不断电离与电极不断的电子发射是形成电弧的前提条件。为了维持电弧稳定燃烧，要求电弧的阴极不断发射电子，电弧中的气体不断电离，这就必须不断地输送电能给电弧，以补充其能量的消耗。EAMP

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324.2.1电弧静特性和弧焊电源基本特性阴极区：靠近阴极附近的区域10-5~10-6cm，其电压降用UK表示，与阴极材料、电流等有关，3~20V阳极区：靠近阳极附近的区域10-3~10-4cm，其电压降用UA表示，与阳极材料、气体介质有关，2~10V弧柱区：电弧中间的区域，其电压降用UC表示，在一定的气体介质下与弧柱长度成正比，一般在10V左右总的电弧电压：2.电弧的结构与电弧电压电弧结构及压降分布长度和压降基本固定EAMP

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334.2.1电弧静特性和弧焊电源基本特性UC

——弧柱压降If

——电弧电流RC——弧柱电阻lc——弧柱长度SC——弧柱截面积γC——弧柱的电导率JC——弧柱的电流密度

由于UA

、UK基本不变，因此总的电弧电压Uf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电弧电流的大小、电弧及周围气体介质的种类以及电弧的形态等有关。电弧结构及压降分布长度和压降基本固定弧柱压降UC

：EAMP

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344.2.1电弧静特性和弧焊电源基本特性3.电弧的静特性

电弧静特性曲线的形状——近似U形曲线（电弧是非线性负载）金属电阻的伏安特性曲线电弧的静特性曲线电弧静特性的定义：一定长度的电弧在稳定状态下，电弧电压Uf与电弧电流If之间的关系，称为电弧的静态伏安特性，简称伏安特性或静特性。EAMP

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354.2.1电弧静特性和弧焊电源基本特性电弧各区域压降与电流的关系静特性曲线的特点：A段电流较小，下降特性；B段，中等电流，平特性；C段电流较大，上升特性。UA：与电流无关，为一直线。UK：电流较小时，阴极斑点面积随电流增加而增加，因此电流密度JC保持常量，UK基本为恒定值。

电流较大时，阴极斑点面积基本不变，但是电流↑→电流密度JC↑→UK↑。UC：电流较小(ab段)时，电流↑→弧柱截面↑↑→电流密度JC↓，且温度↑→γC↑→UC↓；

电流稍大(bc段)时，电流↑→弧柱截面↑（成比例增加）→电流密度JC基本为常量→UC=C；

电流继续增加(cd段)时，电流↑→弧柱截面变化慢(基本不变)→电流密度JC↑→UC↑。

电弧静特性曲线形状产生的原因分析EAMP

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364.2.1电弧静特性和弧焊电源基本特性

对于不同的焊接方法，在其正常使用范围内，电弧静特性并不包括电弧U形静特性曲线的所有部分。

对于每一种焊接方法，其电弧静特性曲线只由电弧U形静特性曲线的部分区段组成。

手工电弧焊、埋弧焊等焊接电弧基本工作在电弧U形静特性曲线的水平段。

TIG焊、微束等离子弧焊、等离子弧焊的焊接电弧也基本工作在电弧U形静特性线的水平段。

熔化极气体保护焊（氩弧焊和CO2焊等）和水下焊接等焊接电弧基本上工作在电弧U形静特性曲线的上升段。EAMP

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374.2.1电弧静特性和弧焊电源基本特性二、弧焊电源的外特性电源的外特性定义：弧焊电源的外特性是指焊接电弧作为弧焊电源的负载，在改变负载时，电源输出的电压稳定值Uy与输出的电流稳定值Iy之间的关系曲线。各种常见弧焊电源的外特性如下图所示EAMP

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384.2.1电弧静特性和弧焊电源基本特性三、电弧对弧焊电源外特性的要求1.“电源－电弧”系统在电弧焊接过程中，电源起供电作用，电弧是用电对象，从而构成“电源—电弧”系统，电路示意图如下图所示：EAMP

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394.2.1电弧静特性和弧焊电源基本特性2.“电源—电弧”系统的稳定性

1)工作点为了能在给定电弧电流和电压的情况下维持长时间的电弧稳定燃烧，应有如下关系：式中，Uf

和If分别为电弧电压和电弧电流的稳定值。EAMP

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404.2.1电弧静特性和弧焊电源基本特性图4-3“电源—电弧”系统工作状态图1—电源外特性曲线2—电弧静特性曲线电源外特性曲线1与电弧静持性曲线2必须相交，这是系统稳定工作的必要条件，如图中的A0与A1点。电源外特性曲线1与电弧静特性曲线2的交点A0和A1确定了系统的静态平衡，形成工作点。但在实际焊接过程中，由于操作不稳定、工件表面的不平整和电网电压的突然变化等外界干扰的出现，都会破坏这种静态平衡。2）稳定工作点当系统受到瞬时的外界干扰，将破坏原来的静态平衡，造成焊接工艺参数的变化；但是当干扰消失之后，系统应能够自动地恢复到原来的平衡点。要达到这一条件，在工作点上电弧静特性曲线的斜率必须大于电源外特性曲线的斜率，这是系统稳定的充分条件。图中A0点是稳定工作点，A1点是非稳定工作点。EAMP

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414.2.1电弧静特性和弧焊电源基本特性图4-3“电源—电弧”系统工作状态图1—电源外特性曲线2—电弧静特性外特性曲线A1为非稳定工作点从“电源—电弧系统”供求关系看：在A1点的右边，当波动引起电弧电流增大时，供大于求（电压），电弧电流将增大，到达A0点，系统形成新的稳定工作点在A1点的左边，当波动引起电弧电流减小时，供小于求（电压），电弧电流将进一步减小，直至电弧电流减小到零，电弧熄灭A0为稳定工作点从“电源—电弧系统”供求关系看：在A0点的右边，当波动引起电弧电流增大时，供小于求（电压），电弧电流将减小，逐步恢复到原值→A0点在A0点的左边，当波动引起电流减小时，供大于求（电压），电弧电流将增大，逐步恢复到原值→A0点为什么A0点是稳定工作点，A1点是非稳定工作点呢？EAMP

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424.2.1电弧静特性和弧焊电源基本特性3.电弧对弧焊电源外特性的要求电源的外特性形状除了影响“电源—电弧”系统的稳定性外，还关系到焊接工艺参数的稳定。在外界干扰使弧长变化的情况下，将引起系统工作点移动和焊接工艺参数出现静态偏差。为了获得稳定的焊接过程，不但要求电弧燃烧稳定，而且还要求干扰引起的静态偏差越小越好。因此，一定形状的电弧静特性需要与适当形状的电源外特性相配合。EAMP

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434.2.1电弧静特性和弧焊电源基本特性（1）焊条电弧焊

电弧静特性：工作在平特性段电源外特性：下（缓）降特性（2）熔化极弧焊

埋弧焊(SAW)、熔化极氩弧焊(MIG)、CO2气体保护焊，以及混合气体保护焊(MAG)。不仅要根据电弧静特性的形状，而且还要考虑送丝方式来选择合适的弧焊电源外特性工作部分的形状。根据送丝方式的不同，可分为两大类：1）等速送丝熔化极弧焊CO2气体保护焊、MIG焊、MAG焊或细丝直流埋弧焊(焊丝直径Φ≤3mm)。电弧静特性：工作在上升特性段。电源外特性：水平（略有下降）特性、微升特性。EAMP

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444.2.1电弧静特性和弧焊电源基本特性图4-4电弧静特性为上升形状时

电源外特性对电流偏差的影响

1—平外特性2—下降外特性

3、4—电弧静特性等速送丝熔化极弧焊，由于焊丝中的电流密度较大，电弧的自身调节作用较强，因此采用等速送丝控制系统，依靠电弧自身调节作用可保证电弧的稳定性。此时应尽可能配用平特性电源，因为弧长变化引起的电流偏差大，从而使得焊丝熔化速度的变化大，因此电弧的自身调节能力强，能够快速恢复弧长原值。如图4-4所示，当弧长减小(l3→l4)时，平外特性1比下降外特性2引起的电流偏差大(△I2>△I1)，其电弧自身调节能力强，弧长恢复速度快。l3l4EAMP

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454.2.1电弧静特性和弧焊电源基本特性2）变速送丝熔化极弧焊

埋弧焊（焊丝直径大于3mm）、一部分MIG焊（粗丝）电弧静特性：工作在平特性段电源外特性：