金属焊接 1 焊接电弧与弧焊电源.pdf

金属焊接 第一章焊接电弧与弧焊电源 基本内容和要求 1 了解焊接电弧 2 掌握焊接电弧燃烧的基本条件和主要影响因素 3 掌握焊接电弧与焊接电源系统稳定的基本条件 4 了解弧焊电源的基本要求 分类和特征 5 掌握弧焊变压器工作原理和基本结构形式 教学重点 焊接电弧产生的条件 电弧静特性和弧焊电源外 特性 对弧焊电源的基本要求 弧焊变压器工作原理 教学难点 气体的电离 最小电压原理 磁路及漏磁概念 自身及反馈调节系统 第一章 焊接电弧与弧焊电源 1 1焊接电弧 如白炽灯 焊接电弧也是一个负载 电弧像一团火 但是并不是一般的燃烧现象 电弧是一种气体放电现象 在一定条件下电荷 带电粒子 通过两电极之间气体空间的导电过程 电弧 两个特性 放出强烈的光和大量的热 电能 热能 金属熔化 光能 强烈的光 机械能 电磁力 斑点压力等 第一章 焊接电弧与弧焊电源 第一章 焊接电弧与弧焊电源 过 渡 区 过 渡 区 非自持放电 自持放电 电流最大 电压最低 温度最高 发光最强 通常把气体导电或放电粗分成两种类型 依靠外界作用维持气体导电 且外界作用 撤除后放电即停止的叫做非自持放电 或被激放电 不依靠外界作用 在电场作用 下能自己维持导电状态的叫做自持放电 或自激放电 辉光放电的主要应用 是利用其发光效应 如霓虹灯 日光灯 辉光放电 辉光球 气体导电必须具备两个条件气体导电必须具备两个条件 两电极之间有带电粒子 两电极之间有电场 带电粒子在电场作用下运动形成电流 从而使两电极之 间的气体空间成为导体 也就形成了电弧 1 1 1焊接电弧概念 焊接电弧 由焊接电源提供的 具有一定电压的两电极间 或电极与焊件之间 在气体介质中产生的强烈而持久的放 电现象 利用热能和机械能达到焊接目的 为维持电弧燃烧 必须不断输送电能给电弧 在焊接电弧 燃烧过程中 呈现出电压低 10 50V 电流大 几A 几千A 温度高 5000 30000K 发光强的特点 第一章 焊接电弧与弧焊电源 第一章 焊接电弧与弧焊电源 1 1 2焊接电弧的产生 重点 金属导电与气体导电不同 金属中有自由电子可自由移动 一般气体呈电中性 不导电 无带电粒子 不会受电场作 用产生定向运动 不导电 因此电弧不能自发产生 因 此 要使正常状态气体导电 必须产生带电粒子 然后才 能呈现导电状态 电弧的产生与维持需要具备的两个条件 气体电离 阴极电子发射 当然 同时伴随着其他过程 解离 激励 扩散 复合 及负离子产生 第一章 焊接电弧与弧焊电源 焊接电弧气体放电现象 条件有带电粒子 电极两端有电压降 碰撞传递能量 气体电离 阴极电子发射 产生带电粒子的途径 产生带电粒子的途径 电离 热电离 场致电离 光电离 阴极电子发射 热发射 场致发射 光发射和粒子 碰撞发射 第一章 焊接电弧与弧焊电源 1 1 2 1气体电离 中性原子因失去带负电荷的电子而成为带正电荷的正离子 的过程 就叫做气体电离 1 过程 1 过程 气体原子 外加能量 电或热 电子从低能级跳跃到高 能级 原子处于 激发 状态 能量足够大 电子脱离原子 核的束缚 自由电子 使气体电离所需要的能量称为电离电位 或电离功 El 通 常以电子伏特表示 eV 碱土金属原子电离电位小 易失去电子而电离成正离子 卤族元素原子电离电位较大 较难电离成正离子 相反却 容易形成负离子 第一章 焊接电弧与弧焊电源 2 电离形式 根据引起电离的外加能量来源可分为 电场作用下的电离 撞击电离 在电场中 被加速 的带电质点 电子 离子 与中性质点 原子 碰撞 后发生的电离 U E 电离作用越强烈 热电离 在高温下 具有高动能的气体原子 或分子 互相碰撞引起的电离 T 热电离作用越大 光电离 气体原子 或分子 吸收了光射线的光子能 而发生的电离 3 中和现象 正离子 电子 中性质点 负离子出现 原子 或分子 电子 负离子 第一章 焊接电弧与弧焊电源 注意 两种过程 气体原子电离 中和现象 电离速度 中和速度 动平衡状态 电弧燃烧稳定 负离子的出现 负离子 电弧的导电能力 电弧的稳定性 4 激励 气体中性粒子接受外加能量作用时还不足以使电子脱离气 体原子或分子 但可以使电子从一个较低的能级跳跃到另 一个较高能级 这时原子或分子处于激励状态 非稳定状 态 寿命短 有两种方向 被激励的粒子或者继续接受外加能量使其电离 从高能级跃迁回低能级 释放能量 表现为电弧的辐 射光 即电弧弧光 第一章 焊接电弧与弧焊电源 1 1 2 2阴极电子发射 1 定义 1 定义 在阴极表面的原子或分子 接受外界的能量连续地向外发射出 电子的现象称为阴极电子发射 电子发射是引弧或维持电弧稳定燃烧一个 很重要的因素 只有气体电离 无阴极发射 则无电流 也不能形成电弧 若高温 电场 碰撞阴极可发射电子 电子发射所需的能量称逸出功 金属表面有氧化物逸出功小 逸出功 电子发射 在焊条药皮中加K Ca Na等化合物 钨极中加Th 钍 Cs 铯 利于电 子发射 使电弧稳定 2 电子发射的形式 热发射 表面受热 温度上升 热发射增强 光发射 物质的固体或液体表面接受光射线的能量 场致发射 存在强电场并在表面附近形成或较大的电位差 重粒子撞击发射 能量大的重粒子 如正离子等 撞击 第一章 焊接电弧与弧焊电源 总结 焊接电弧是气体放电的一种形式 焊接电弧的形成和维持 是在电场 热 光和质点动 能作用下 气体原子不断被激励 电离以及电子发射 的结果 电弧中存在负离子的产生 正离子和电子的复合 引燃焊接电弧的能量来源主要靠电场及由其产生的热 光和动能 而这个电场就是由弧焊电源提供的空载电 压所产生的 第一章 焊接电弧与弧焊电源 1 1 3最小电压原理 最小电压原理的含义是 在给定电流和周围条件一定的情 况下 电弧稳定燃烧时 其导电区的半径 或温度 应使 电弧电场强度具有最小的数值 就是说电弧具有保持最小 能量消耗的特性 例如当电弧被周围介质强迫冷却时 高速气流或环境温度 降低 则电弧将自动收缩其断面 使其电流密度提高 电场强度E和温度也将提高 因周围环境从电弧取走更多 热量时 电弧的散热增加 要求电弧产生更多热量来补偿 电弧产热为IE 如果电流I不变 则E必定要增加 根据最 小电压原理 电弧有自动使E增加到最小限度的倾向 也 就是热损失最小的倾向 按最小电压原理 电弧要自动缩 小断面 减少散热 使之与外界散热相平衡 但断面又不 能收缩过小 否则电流密度大使 增加太多 所以在电弧 被冷却时 电弧将自动收缩到某一个直径 电弧自动调整 可使 增加最小数值 第一章 焊接电弧与弧焊电源 1 1 4焊接电弧的引燃 接触引弧和非接触引弧 引弧电压 电流变化如图1 2 1 1 4 1接触引弧 电极与工件接触 短路 短路电流 热量产生 热发 射和热电离 电极末端 工件升温 产生高温气体 电 极提起 形成电场 电场发射 电子定向运动 高温气 体电离 带电粒子运动 相互碰撞和复合 撞击电离 产生大量热和弧光 电弧 第一章 焊接电弧与弧焊电源 1 1 4 2非接触引弧 电极与工件间存在一定间隙 施以高电压击穿间隙 使电 弧引燃 是依靠高电压使电极表面产生自发射而把电弧引 燃 适于TIG PAW a高频高压引弧150 260kHz 2000 3000V b高压脉冲引弧50或100kHz 3000 5000V 第一章 焊接电弧与弧焊电源 1 1 5焊接电弧的构造及静特性 第一章 焊接电弧与弧焊电源 1 1 5 1焊接电弧的构造 阴极区 阴极区 发射电子的地方 热量约占电弧总热量的36 阴极表面的明亮点称 为阴极斑点阴极斑点 它是集中产生电子发射的地方 也是阴极表面温度最高 的地方 阴极压降是产生电场 用来发射电子和加速带电粒子 阳极区 阳极区 接收电子的地方 其热量约卡电弧总热量的43 阳极表面的明亮点 称为阳极斑点阳极斑点 它是阳极表面上集中接收电子的地方 也是阳极表面 温度最高的地方 放出热量约占43 左右 阳极压降主要用来加速带电粒子 弧柱区 弧柱区 进行气体原子或分子的电离与复合过程 其热量约占电弧总热量的21 弧柱的长度基本等于电弧长度 弧柱区的外加电能绝大部分转化 为热能 是整个焊接电弧温度最高的区域 其温度可达5000 50000K 第一章 焊接电弧与弧焊电源 图 电弧径向温度分布示意图 1 0 图 电弧的温度 电流密度和能 量密度的轴向分布示意图 能 量 密 度 电 流 密 度 温 度 C u 1 0 0 0 K 1 2 0 0 K 1 4 0 0 K 1 6 0 0 0 K W 第一章 焊接电弧与弧焊电源 电弧电压 电弧两端 两电极 之间的电压降称为电弧电压 f bl 式中 f 电弧电压 伏 阴极压降 伏 阳极压降 伏 弧柱压降 伏 b 单位长度的弧柱压降 一般为20 40伏 厘米 l 电弧长度 厘米 阳极压降基本不变 可视为常数 阴极压降在一定条件下基本上也是固定的数值 弧柱压降则在一定气体介质下与弧柱长度成正比 如焊工手抖动 则弧长改变 电弧电压相应改变 第一章 焊接电弧与弧焊电源 1 1 5 2焊接电弧的静特性 定义 定义 一定长度的电弧在稳定燃烧状态下 电弧电压和电弧 电流之间的关系称为焊接电弧的静态伏安特性 简称伏安 特性或静特性 U形曲线 U形特性 Uf f If 第一章 焊接电弧与弧焊电源 U型曲线形成机理 第一章 焊接电弧与弧焊电源 阴极区 I较小时阴极 斑点面积S小于电极端 部面积 此时S随I增大 而增大 其上电流密度 基本不变 阴极电场强 度也不变 因而阴极电 压UK也不变 为水平 线 当继续增大I S不 能再扩张 阴极斑点上 的电流密度随之增大 电压增大 加剧电子发 射 图形如图 阳极区 阳极斑点不受 电极端部限制 阳极压 降UA基本不变 如图 第一章 焊接电弧与弧焊电源 弧柱区 电流较小 时 I增加 弧柱 空间增加 且弧柱 温度及气体电离度 增加 UC减小 I 继续增加 弧柱空 间继续增加 但弧 柱温度及气体电离 度接近饱和 UC 维持一定值 I继 续增加 弧柱空间 增加缓慢 弧柱温 度及气体电离度饱 和 UC开始增 加 手工电弧焊 无上升段 电流小于500A 埋弧焊 一般电流平特性 大电流时上升特性 钨极氩弧焊 下降段 细丝熔化极气体保护焊 电流较大 上升段 影响电弧静特性的因素 1 电弧长度 L增大 U增大 2 电弧周围气体 3 气体介质压力 P大 冷却作用强 U升高 静特性曲 线上移 第一章 焊接电弧与弧焊电源 1 1 6焊接电弧的极性及应用 第一章 焊接电弧与弧焊电源 1 1 7焊接电弧的稳定性 交流电弧 1 1 7 1焊接电弧的稳定性 焊接电弧的稳定性就是指电弧保持稳定燃烧 不产生断弧 飘移和磁偏吹等 的程度 影响因素 1 焊接电源的影响 焊接电源的特性 焊接电流的种类 焊接电源的空载电压 2 焊接电流的影响 3 焊条药皮的影响 4 电弧长度 5 其它影响因素 焊工操作 油漆 油脂 水分和锈层 等存在 第一章 焊接电弧与弧焊电源 1 1 7 2交流电弧 特点 特点 电弧周期性的熄灭和引燃 电弧电压和电流波形发生畸变 热惯性作用较为明显 第一章 焊接电弧与弧焊电源 交流电弧连续燃烧的条件交流电弧连续燃烧的条件 第一章 焊接电弧与弧焊电源 提高交流电弧的稳定性 还可以采用如下措施 提高弧焊电源频率 提高电源的空载电压 由于开始弧时 两电极及其间的气 隙尚未充分加热电离 为了加强气体的电离作用 电极之 间应有较高的电压 这个电压称为空载电压空载电压 改善电流的波形 如采用矩形波交流电源 叠加高压电 第一章 焊接电弧与弧焊电源 1 1 8电弧的偏吹 在焊接过程中 因磁场的作用 气流的干扰或焊条偏心的 影响 使电弧中心偏离电极轴线 这种现象称为电弧偏吹 第一章 焊接电弧与弧焊电源 解决方法 短弧焊 以交代直 工件消磁 避免周围铁磁物质 选用厚皮焊条 在气流比较大时 要采用挡板遮挡 在焊接间隙较大的对接焊缝时 可在焊缝下面加垫板 防 止热对流造成电弧偏吹 必要时采用引弧板和引出扳 使磁力线分布均匀 同时还 可以减少热对流的影响 操作中合理调整焊条角度 第一章 焊接电弧与弧焊电源 适当改变接地线的位置 使磁力线分布均匀 采用小电流焊接 减少磁偏吹的影响 第一章 焊接电弧与弧焊电源 1 1 9电弧的分类电弧的分类 第一章 焊接电弧与弧焊电源 1 2弧焊电源 电弧焊最常用 不同的电弧焊接方法对应相应的焊接设 备 弧焊电源是电弧焊机中的核心部分 是用来对焊接 电弧提供电能的一种专用设备 1 2 1弧焊电源的分类及其特点 1 2 1 1分类 弧焊电源可以分为四大类 交流弧焊电源 主要有弧焊变压器和矩形波交流弧 焊电源等 直流弧焊电源 主要有直流弧焊发电机和弧焊整流 器等 脉冲弧焊电源 逆变式弧焊电源 第一章 焊接电弧与弧焊电源 1 2 1 2特点 1 弧焊变压器 它把网路电压的交流电变成适宜于弧焊的低压交流电 由 主变压器及所需的调节部分和指示装置等组成 它具有结 构简单 易造易修 成本低 效率高等优点 但其电流波 形为正弦波 电弧稳定性较差 功率因数低 一般应用于 手弧焊 埋弧焊和钨极氩弧焊等方法 2 矩形波交流弧焊电源 它采用半导体控制技术来获得矩形波交流电流 其电弧稳 定性好 可调参数多 功率因数高 它除了用于交流钨极 氩弧焊 TIG 外 还可用于埋弧焊 甚至可代替直流弧焊 电源用于碱性焊条手弧焊 第一章 焊接电弧与弧焊电源 3 直流弧焊发电机 一般由特种直流发电机和获得所需外特性的调节装置等组 成 缺点空载损耗较大 效率低 噪声大 造价高 维修 难 优点是过载能力强 输出脉动小 可用作各种弧焊方 法的电源 也可由柴油机驱动用于没有电源的野外施工 4 弧焊整流器 它是把交流电经降压整流后获得直流电的 它由主变压器 半导体整流元件以及获得所需外特性的调节装置等组成 与直流弧焊发电机比较 它具有制造方便 价格低 空载 损耗小 噪声小等优点 而且大多数可以远距离调节 能 自动补偿电网电压波动对输出电压 电流的影响 它可用 作各种弧焊方法的电源 第一章 焊接电弧与弧焊电源 5 弧焊逆变器 它把单相 或三相 交流电经整流后 由逆变器转变为几百 至几十万赫兹的交流电 经降压后输出交流或直流电 整 个过程由电子电路控制 使电源具有符合需要的外特性和 动特性 它具有高效节电 质量轻 体积小 功率因数高 焊接性能好等独特的优点 可应用于各种弧焊方法 是一 种最有发展前途的普及型弧焊电源 6 脉冲弧焊电源 焊接电流以低频调制脉冲方式馈送 一般是由普通的弧焊 电源与脉冲发生电路组成 也有其他结构形式 它具有效 率高 输入线能量较小 可在较宽范围内控制线能量等优 点 这种弧焊电源用于对热输入量比较敏感的高合金材料 薄板和全位置焊接 具有独特的优点 第一章 焊接电弧与弧焊电源 1 2 2焊机型号的编制方式 按照 电焊机型号编制办法 GB10249 编制 1 产品型号的组成 采用汉语拼音字母及阿拉伯数字 2 产品型号的编制次序为 第一章 焊接电弧与弧焊电源 焊机编号视频 第一章 焊接电弧与弧焊电源 氩气及混合气体保护脉冲熔 化极自动焊机 横臂式 额 定焊接电流400A 1 2 3弧焊电源的主要参数 1 额定值 额定值即是对焊接电源规定的使用限额 如额定电压 额 定电流和额定功率等 按额定值工作最安全 可靠 经济合理 2 负载持续率 负载持续率是指在所规定的工作周期时间tz之内焊接时间 th与周期时间tz之比 以FS表示之 必须规定负载持续率 否则焊接工作时间增加 易发热 第一章 焊接电弧与弧焊电源 焊机铭牌视频 1 2 4对弧焊电源的基本要求 弧焊电源不仅为焊接电弧提供电能 而且其性能对于各种 电弧焊方法的焊接工艺性能有很大的影响 弧焊电源本省 性能与焊接工艺之间的关系成为适应性 环境 工艺 工艺适应性包括 应满足电弧特性及焊接工艺的要求 引弧容易 电弧稳定 焊接规范稳定 具有足够宽的焊接规范调节范围 弧焊电源的电气性能应考虑以下三个方面 对弧焊电源外特性外特性的要求 对弧焊电源调节性能调节性能的要求 对弧焊电源动特性动特性的要求 第一章 焊接电弧与弧焊电源 1 2 4 1弧焊电源外特性 外部静态伏安特性 静特性 广义弧焊电源的含义不同于一般供电电源 定义为 凡为 焊接电弧供电的电路皆称为弧焊电源 也就是说一个有焊 接电弧负载的电路 除电弧以外 所有其它电气元件 不 管它们是否与电源共同装在一起 或分别装成几个箱体 中间再用导线连接起来 统称为弧焊电源 如图2 1所示 第一章 焊接电弧与弧焊电源 图2 1 弧焊电源连接示意图 第一章 焊接电弧与弧焊电源 1 弧焊电源外特性定义 在电源内部参数一定的条件下 改变负载 即电弧 时 电源输出电压稳定值Uy与输出电流稳 定值Iy之间的关系 有三种 下降特性 各种手工焊 平特性 自动 半自动焊 上升特性 自动 半自动焊 2 电源 电弧 系统的稳定性 电弧特殊 要考虑系统稳定性 含义 系统在无外界干扰时 能在给 定电弧电压和电流下 维持长 时间的连续电弧放电 保持静 态平衡 干扰消失后 系统能自动地达 到新的稳定平衡 第一章 焊接电弧与弧焊电源 稳定工作点的判据 电弧静特性在此点的斜率要大于电源外特性 曲线在此点的斜率 3 对弧焊电源外特性曲线的要求 空载点 工作区段和短路区段 对于空载点 讨论对空载电压的要求 对工作区 分析对其形状的要求 对短路区 是要说明对其形状和短路电流的要求 对弧焊电源空载电压的要求 保证引弧容易 保证电弧的稳定燃烧 保证电弧功率稳定 要有良好的经济性 保证人身安全 第一章 焊接电弧与弧焊电源 对电源外特性工作区段形状的要求 弧焊电源外特性工作区段是指外特性上在稳定工作点附近 的区段 各种焊接方法不同 电弧静特性也不同 分别 分析 手工电弧焊 手工钨极氩弧焊 等离子电弧焊及自动钨 极氩弧焊 一般是工作于电弧静特性的水平段 采用下 降外特性的弧焊电源 可满足系统稳定性的要求 工作点的确定 系统可能有两个交点 电弧能燃烧 即A点与B点 既 然有两个工作点 是否都能利用 是否稳定 需分析与 判断 结合后面图分析在A和B点在受到外界干扰时的变化 第一章 焊接电弧与弧焊电源 第一章 焊接电弧与弧焊电源 系统工作状态图 分析A B工作点的工作情况 根据电流的改变分析 结论 电源的下降特性曲线 与电弧静特性曲线的交点B 不仅是一个电弧燃烧点 而 且是电弧正常 稳定的燃烧 点 外特性曲线的确定 第一章 焊接电弧与弧焊电源 缓降和陡降外特性对焊接电流的影响 a 缓降外特性b 陡降特性 哪一种更有利于电弧的稳定燃烧呢 比较 I1 I2 可见采用陡降外特性的电源 在遇到 干扰时 焊接电流恢复到稳定值的速度就越快 时间就越短 故手工电弧焊 手工钨极氩弧焊 等离子电弧焊及自动钨 极氩弧焊一般要求采用陡降外特性 图2 5 不同外特性形状稳定规范情况 第一章 焊接电弧与弧焊电源 图2 5a中 当弧长由L1增加到L2时 负载电流将由If1减小到If2 其静 态误差 If If1 If2 而图2 5b中显然 If非常小 焊接电流几乎是保 持不变的 由此可以看出 外特曲线的工作部分 愈陡 则稳定规范的 性能愈好 a图的外特性称为缓降特性 而图b则称为陡降特性 因为它 在弧长变化时几乎可以保持选定的焊接电流不变 因而 这种外特性也 称为恒流特性 手工电弧焊 手工钨极氩弧焊 等离子电弧焊及自动钨 极氩弧焊一般要求采用陡降外特性 熔化极自动焊 这类焊接方法都是使用自动焊机 实现了 焊接自动化 如埋弧焊与熔化极气体保护焊 采取了自动 稳定焊接规范的措施 自动焊稳定规范常用的方法有两种 一种是在焊接过程中送 丝速度保持不变 称为等速送丝自动焊 另一种是采用电 弧电压调节器监测电弧电压来控制弧长 一旦电弧电压发 生变化 便自动调节弧长 以便恢复到原有的规范值 第一章 焊接电弧与弧焊电源 两种不同外特性的等速送丝电源 A 等速送丝控制系统 电弧静特性一般是上升的 CO2 MAG MIG焊或细丝 直径 小于3mm 直流埋弧自动焊 第一章 焊接电弧与弧焊电源 图2 6两种不同外特性的等速送丝电源 如图2 6所示 当弧长由L1增加到L2时 则焊接电流分别比 原来的焊接电流减小了 I1与 I2 由于焊丝熔化速度近 似的与焊接电流成正比的 因此 焊接电流减小必然减小 了焊丝熔化速度 此时焊丝的熔化速度小于焊丝的送给速 度 弧长自动减小 由L2向L1移动 直到弧长恢复到L1才 能停止 可见这种调节焊接规范的作用是借助于弧长变化 时引起的焊接电流增量 I来实现的 显然 I愈大 则 弧长恢复的愈快 稳定规范的作用愈强 从图2 6a b中 可以看出 平特性电源在相同的弧长变化时其电流的增量 比缓降特性电源的要大 也就是说等速送丝自动焊的自动 调节灵敏度取决于电流的变化量 另外 焊丝直径越小 相同 I下焊丝熔化速度的变化就越大 即弧长恢复也愈 快 因此 采用等速送进自动焊机 为了稳定焊接规范 一般采用细丝 用平特性或缓降特性的焊接电源进行焊接 第一章 焊接电弧与弧焊电源 B 变速送丝控制系统的熔化极弧焊 这种焊机的工作原理是焊丝送进速度决定于电弧电压与给 定电压相比较的差值 如果差值为正 增加送丝速度 差 值越大 增加的速度就越大 相反 如果差值为负 则降 低送丝速度 一个灵敏度很高的电弧电压调节器 U变 化很小 送丝速度将有很大的变化 第一章 焊接电弧与弧焊电源 图2 6两种不同外特性的等速送丝电源 如图2 6所示 当弧长由L1受干扰突然增加到L2时 电弧 电压增加 由于电弧电压与给定的比较电压差值为正增 大 于是送丝速度增加 弧长开始下降 直到恢复原工作 点 应当指出的是 当弧长增加时 焊接电流会下降 焊 丝的熔化速度也随之下降 弧长也可下降 但由于电弧电 压调节器灵敏高很高 弧长变化主要是靠变化送丝速度的 方法来稳定规范的 所以这种弧长的调节方法与前一种不 一样 其调节的灵敏度取决于电弧电压的变化量 这一点 与等速送丝方法刚好相反 从图2 6可以看出 当弧长发 生变化时 平特性电源引起的 U较下降特性电源的 U要 小得多 因此电弧电压自动调节的自动焊一般采用缓降外 特性的电源 也可采用陡降特性的弧焊电源 第一章 焊接电弧与弧焊电源 对弧焊电源空载电压要求 电源空载电压的确定应遵循如下原则 保证引弧容易 空载电压越高 越好 保证电弧的稳定燃烧 U0 1 8 2 25 Uf 保证电弧功率稳定 2 51 57 第一章 焊接电弧与弧焊电源 要有良好的经济性 空载电压越大 机器越大 能量消 耗大 保证人身安全 加以限制 在满足引弧容易和电弧稳定的前提下 尽可能采用较低的 空载电压 以利于人身安全和提高经济效益 具体要求为 交流弧焊电源 手弧焊电源 55 70V 埋弧自动焊电源 70 90V 直流弧焊电源 弧焊变压器 80V 弧焊整流器 85V 弧焊发电机 100V 第一章 焊接电弧与弧焊电源 对弧焊电源短路电流的要求 引弧和熔滴过渡时经常会发生短路 当短路电流Iwd过大 时 焊条易过热 飞溅及电源过载 当短路电流Iwd过小 时 引弧和熔滴过渡困难 所以下降外特性的弧焊电源的 短路电流和工作电流的比值范围为 例如 手弧焊时 采用恒流 或陡降 带外拖的外特性 第一章 焊接电弧与弧焊电源 第一章 焊接电弧与弧焊电源 外特性曲线种类 熔化极脉冲 弧焊 微机 控制的脉冲 自动弧焊 等速送丝 的细丝气 体保护焊 等速送丝 的粗细丝 气体保护 焊 细丝 埋弧焊 一般焊 条电弧 焊 焊条手 弧焊 变速送 丝埋弧 焊 钨极氩 弧焊 非熔化 极等离 子焊 适用 范围 L T切换而成上升特性恒压特性 恒流带 外拖 缓降特 性 恒流 垂直 陡降 特征 双阶梯形特 性 平特性 下降特性 1 2 4 2对弧焊电源调节性能的要求 弧焊电源能满足不同的要求的可调性能为其调节性能 是 指当调节工作电流 电压时 弧焊电源的其它参数如空载 电压和短路电流对调整过程的适应能力 它是通过电源外 特性的调节来体现的 第一章 焊接电弧与弧焊电源 焊接电源的调节性能从工作原理来分析 主要由改变等效 电阻和改变空载电压二种方法 根据图2 7 在稳定的工 作条件下 电弧电流If 电弧电压Uf 空载电压U0和等效 阻抗Z之间的关系可表示为 Uf UO IfZ 第一章 焊接电弧与弧焊电源 改变空载电压时的外特性 第一章 焊接电弧与弧焊电源 改变等效阻抗时的外特性 同时改变空载电压 等效阻抗时的外特性 手工电弧焊一般采用改变等效阻抗 埋弧焊电弧电流增大时 熔深增大 则应增大熔宽 则 需提高电弧电压 而电弧电压增大 为了使电弧稳定 则 需增大空载电压 因此采用改变空载电压 等速送丝气体保护焊采用改变等效阻抗 1 2 4 3对弧焊电源动特性的要求 1 动特性定义 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 它说明弧焊电源对负载瞬变的适应能力 第一章 焊接电弧与弧焊电源 2 负载特点 只有采用短路过渡的熔化极电弧焊才对电源动特性提出要 求 而对不熔化极电弧焊或非短路过渡的熔化极电弧焊 则对电源动特性不作要求 3 对动特性的要求 所谓动特性好 一般是指引弧和重新引弧容易 电弧稳定 和飞溅少 弧焊电源动特性的指标因焊接方法 电源类型 的不同而不同 第一章 焊接电弧与弧焊电源 1 2 5弧焊变压器 也称为交流弧焊电源 应用最广 结构最简单 1 2 5 1特点 具有下降外特性 外特性应可调 有一定的空载电压和较大的电感 1 2 5 2基本原理 空载电压的建立 获得下降外特性的原理 调节焊接规范的方法 第一章 焊接电弧与弧焊电源 a空载电压的建立 空载时 由于次级绕组无焊接电流通过 焊机能保持较高 的空载电压 第一章 焊接电弧与弧焊电源 B 负载 第一章 焊接电弧与弧焊电源 在初级绕组上施加电压U1 次级绕组和负载Rf接通 于是 在初级和次级回路各有电流I1和I2和相应的磁势I1N1和 I2N2 它们共同产生磁通 而且又各自产生经空气闭合的 漏磁通 L1和 L2 穿过两级绕组分别产生感应电势 E1 E2 漏磁通分别在初 次级绕组产生漏感电动势EL1和 EL2 假若次级回路负载为具有感抗的电抗器和电弧 则 见 下页 第一章 焊接电弧与弧焊电源 第一章 焊接电弧与弧焊电源 1 2 5 3弧焊变压器的分类 第一章 焊接电弧与弧焊电源 1 2 5 6同体式弧焊变压器 串联电抗器式 这类弧焊变压器由本身的外特性接近于平的正常漏磁的普 通变压器 通过调节串联电抗器的电感以获得不同的下降 外特性及调节电流 第一章 焊接电弧与弧焊电源 BX 500型弧焊变压器的结构是属于同体式类型 的空载 电压为60伏 额定工作电压为30伏 电流调节范围为 150 700安 第一章 焊接电弧与弧焊电源 BX 500型弧焊变压器结构简图 1 焊机构造 BX 500型弧焊变压器是与普通变压器不同的同体式降压 变压器 其变压器部分和电抗器部分是装在一起的 如图 2 14所示 其铁芯形状象一个 日 字 并在上部装有可动 铁芯 利用手柄的转动 带动可动铁芯移动 以改变它与 固定铁芯之间的间隙大小 从而改变漏磁的大小 达到调 节电流大小之目的 在变压器的铁芯上 绕有三个线圈 初级 次级及电抗线 圈 初级线圈及次级线圈绕在铁芯的下部 而电抗线圈绕 在铁芯的上部 与次级线圈串联 并按反联方向连接 在 电焊机的前后各装有一块接线板 电流调节手柄端为初级 接线板 另一端为次级接线板 第一章 焊接电弧与弧焊电源 2 工作原理 BX 500型弧焊变压器的降压特性是依靠电抗线圈所产生 的电压降而获得的 空载时在空载的时候 由于次级绕组无焊接电流通 过 而电抗线圈与次级绕组是串联的 因此 电抗线圈 内也无电流 不会产生电压降 所以 焊机的空载电压 基本上就等于次级电压 以便于引弧 焊接时在焊接的时候 由于焊接电流通过电抗线圈而 产生电压降 这是交变电流经过线圈就会出现的一种特 有现象 而且随着经过电抗线圈的焊接电流的增大 电 压降也就越大 从而获得了下降的外特性 其外特性曲 线见图 第一章 焊接电弧与弧焊电源 第一章 焊接电弧与弧焊电源 短路时焊接短路时 由于很大的短路电流通过电抗线 圈 串联电抗器便产生了很大的电压降 使次线绕组的电压 接近于零 这就限制了短路电流 3 焊接电流的调节 BX 500型弧焊变压器只有一种电流调节方法 即利用移 动可动铁芯改变其与固定铁芯间气隙的大小来实现的 第一章 焊接电弧与弧焊电源 增强漏磁式弧焊变压器 靠增强它的本身漏磁面获得下降 外特性 第一章 焊接电弧与弧焊电源 1 2 5 7动铁式弧焊变压器 BXl 330型弧焊变压器为例说明 见图2 18 其结构是属 于动铁式类型 空载电压为60 70伏 额定工作电压为30 伏 电流调节范围为50 450安 第一章 焊接电弧与弧焊电源 BX1 330型弧焊变压器的结构示意图及磁路简图 a 结构简图b 磁路简图 漏1 初级漏磁通 漏 次级漏磁通 1 焊机构造 BXl 330型弧焊变压器是一台具有三只铁芯柱的单相漏 磁式降压变压器 中间为可动铁芯 两边为固定的主铁 芯 变压器的初级绕组1为筒形 绕在一个主铁芯柱上 次级绕组分为两部分 一部分次级绕组2与初级绕组绕在 一个主铁芯上 一般就绕在初级绕组的外面 另一部分 次级绕组3则绕在另一侧主铁芯上 图中右侧 由于可动 铁芯是置于初级绕组与次级绕组所在的固定主铁芯的中 间 因而便形成了一个磁分路 使初级绕组与部分次级 绕组之间出现了相当大的漏磁通 漏 即次级附加 漏磁通 如图2 18b所示 由于此漏磁通的存在 在次级 绕组3中产生了一个电动势 这个电动势随着焊接电流的 增加而增加 因而绕组3事实上成了一个电抗线圈 第一章 焊接电弧与弧焊电源 2 工作原理 降压特性是借可动铁芯的漏磁作用而获得的 空载肘 由于次级绕组无电流通过 则不出现次级漏磁 通 不产生电压降 故能保持较高的空载电压 焊接时在焊接时 次级绕组有焊接电流通过 由此在铁 芯内产生次级附加漏磁通 焊接电流越大 经过可动铁芯 的漏磁就越大 次级电压也就不断下降 从而获得了下降 的外特性 图中1 2所包围的面积是接法I 小挡 的调节 范围 3 4所包围的面积是接法 I 大挡 的调节范围 短路时焊接短路时 由于很大的短路电流通过兼作电抗 线圈的次级绕组3 造成了很大的电压降 使次级绕组的电 压接近于零 这就限制了短路电流 第一章 焊接电弧与弧焊电源 第一章 焊接电弧与弧焊电源 BX1 330型弧焊变压器的外特性曲线 3 焊接电流的调节 1 粗调节粗调节是通过改变次级绕组的匝数来实现的 两种接线方法 当连接片接在I位置时 电抗线圈3的匝数 增加 使外特性曲线趋于陡降状态 图曲线1 2的范围 I位置时 空载电压为70伏 焊接电流调节范围为50 180 安 当连接片接在 位置时 电抗线圈3的匝数减少 使 下降外特性稍趋平缓 曲线3 4的范围 位置时 空载 电压为60伏 焊接电流调节范围为160 450安 2 细调节焊接电流的细调节是通过改变可动铁芯的位置 进行的 当可动铁芯由最里面不断移出时 通过铁芯的附 加漏磁通逐渐减少 电抗线圈3所产生的电压降减小 焊 接电流增大 反之则焊接电流减小 在两种连接法时 当 铁芯由里向外移动 外特性曲线分别由1移到2或由3移到4 第一章 焊接电弧与弧焊电源 第一章 焊接电弧与弧焊电源 BX1 330型弧焊变压器的电流细调节 1 2 5 8动圈式弧焊变压器 亦称动绕组式弧焊变压器 与动铁式弧焊变压器一样同属 于增强漏磁式类 它是利用有初级漏磁通和次级漏磁通的 存在而获得下降外特性的 第一章 焊接电弧与弧焊电源 动圈式弧焊变压器的磁通分布BX3 300型弧焊变压器结构简图 1 焊机构造 变压器的初级绕组分成两部分 固定在口形铁芯两芯柱的 底部 铁芯的宽度较小 而叠厚较大 次级绕组也分成两部分 装在两铁芯柱的上部并固定于可 动的支架 通过丝杆连接 经手柄转动可使次级绕组上下 移动 以改变初 次级绕组间的距离 调节焊接电流的大 小 初 次级绕组可分别接成串联和并联 使之得到较大的电 流调节范围 第一章 焊接电弧与弧焊电源 返回总目录 2 工作原理 通过初级和次级漏磁通的存在而获得降压特性的 空载时由于次级绕组无焊接电流通过 故不存在次级漏 磁通 则无降压现象 故能保持较高空载电压利于引弧 焊接时焊接时由于焊接电流的存在 使漏磁通随着焊接 电流的增大而增大 初级漏磁通也可折合成次级漏磁通 使焊机获得下降的外特性 其外特性曲线见图2 23 图 中曲线1为接法I 动圈在最高位置 曲线2为接法I 动圈 在最低位置 曲线3为接法 动圈在最高位置 曲线4为 接法 动圈在最低位置 短路时焊接短路时 由于短路电流很大 由此而产生的 漏磁造成更大的电压降 从而限制了短路电流的增长 第一章 焊接电弧与弧焊电源 返回总目录 3 焊接电流的调节 动圈式弧焊变压器通过改变初 次级的匝数来进行粗调 节 改变初 次级绕组的距离来进行细调节 第一章 焊接电弧与弧焊电源 返回总目录 粗调节电流的粗调节是先将电源切断 然后再将电源转换开关转 至相应的接法 或 当初 次级绕组接成接法 时 初 次级绕 组均为串联 使焊机总的漏磁通增大 焊机的外特性便处于曲线1和 曲线2的范围内 接成接法 时 初 次级绕组均为并联 使焊机的 漏磁减小 外特性便处于曲线3和曲线4的范围内 位置时 空载电压为75伏 焊接电流调节范围为40 125安 位置 时 空载电压为60伏 焊接电流调节范围为115 400安 细调节在上述两种接法中 都可利用改变初 次级绕组之间的距离 来进行电流细调节 这主要是因为改变了两绕组间的距离 而使得初 次级绕组间空气漏磁通发生变化的缘故 当距离增大 漏磁增大 焊 接电流就减小 反之 焊接电流增大 接法 时 减小两绕组间的距离 外特性曲线由1移到2 接法 时 减小两绕组的距离 外特性曲线由3移到4 故一般可称接法 为小 挡 接法 为大挡 第一章 焊接电弧与弧焊电源 返回总目录 两类变压器的比较 1 串联电抗器式弧焊变压器因为多一个感抗器 所以耗 材多 体积大而重 而且电抗器中若有活动铁心 装配不 严焊接时会产生振动 小电流焊接时由于间隙小 振动的 影响更大 会使电弧不稳 所以这焊机宜做成大容量的产 品 2 增大漏磁式的没有单独的感抗器 所以耗材少 而且 采用小电流焊接时振动轻微 电弧稳定 所以宜做成中小 容量的产品 第一章 焊接电弧与弧焊电源 返回总目录 1 2 6直流弧焊发电机 1 基本原理 靠导体切割磁极和电枢之间空气隙内的磁 力线而感应出电动势 2 获得下降外特性的主要方法 在电枢电路中串联镇定电阻 第一章 焊接电弧与弧焊电源 返回总目录 改变磁极磁通 3 分类 根据产生去磁磁通的不同方法 分为 差复激式 用串联 绕组去磁 裂极式 用电枢反应去磁 换向极去磁式 用换向极绕组去磁 第一章 焊接电弧与弧焊电源 返回总目录 4 差复激式弧焊发电机 利用激磁绕组激磁 用串联绕 组去磁 第一章 焊接电弧与弧焊电源 返回总目录 5 裂极式的弧焊发电机 第一章 焊接电弧与弧焊电源 返回总目录 1 2 7弧焊整流器 它是利用交流电经过变压 整流后而获得直流电的 弧焊 整流器基本上有硅弧焊整流器 晶闸管弧焊整流器及晶体 管式弧焊整流器等三种 1 2 7 1硅弧焊整流器 1 与发电机相比有很多优点 易造好修 节省材料 降低成本 提高效率 易获得不同形状的外特性 以满足不同焊接工艺的要求 动特性及输出电流波形易于控制 适应性强 噪音小 第一章 焊接电弧与弧焊电源 返回总目录 第一章 焊接电弧与弧焊电源 返回总目录 第一章 焊接电弧与弧焊电源 2 分类 返回总目录 3 磁放大器式弧焊整流器 第一章 焊接电弧与弧焊电源 返回总目录 规范调节规范调节 第一章 焊接电弧与弧焊电源 返回总目录 4 动线圈式硅弧焊整流器 结构结构 主要由增强漏磁的三相动圈式弧焊变压器和三相桥式整流 器构成 由于弧焊变压器漏抗很大 所以可获得下降外特 性 调节初 次级绕组之间的距离 就可改变漏抗的大 小 从而调节电流 优点优点 动特性很好 飞溅较少 输出的电流和电压受电网电压和温升的影响较小 结构与线路简单 省材 重量轻 缺点缺点 线圈可动 使用时有轻微振动和噪音 不易于实现远距离 调节 不便于进行电网电压补偿 第一章 焊接电弧与弧焊电源 返回总目录 1 2 7 2晶闸管式弧焊整流器 1 晶闸管 1 晶闸管 晶闸管是晶体闸流管的简称 俗称可控硅 它是一种大功率 开关型半导体器件 普通晶闸管 SCR 是由PNPN四层半导 体材料构成的三端半导体器件 三个引出端分别为阳极A 阴极K和门极G 基本特点基本特点 正向阻断 可控导通 只有一定条件下才 能导通 持续导通 一旦导通只有在一定的反向电压 作用下才能关闭 反向阻断 导通的基本条件导通的基本条件 阳 阴 接正向电压 控制极和阴极间接正向触发电压 第一章 焊接电弧与弧焊电源 返回