第五章焊接电源.ppt

焊接电源 第五章 目的和要求 了解手弧焊对电源的基本要求 熟知电焊机的分类 型号编制及结构特点 掌握电焊机的选择 使用及日常维护 重点与难点 焊机的型号编制及结构特点 电焊机的选择 使用与维护 教学建议 结合实物进行相关教学 教学内容 5 1对弧焊电源的要求 分类及型号一 基本要求二 焊机的分类 特点及应用三 焊机的型号 5 2弧焊变压器一 对弧焊变压器的特殊要求二 同体式弧焊变压器三 增强漏磁式弧焊变压器 5 3弧焊整流器一 ZXG系列硅弧焊整流器二 晶闸管式弧焊整流器三 逆变式弧焊电源 5 4弧焊电源的选择及使用一 弧焊电源的选择二 弧焊电源的安装接线三 维护及故障处理 5 1对弧焊电源的基本要求 分类及型号 一 对弧焊电源外特性的要求1 何谓电源外特性 在其它参数不变 焊接电源输出电压与输出电流之间的关系叫 2 外特性曲线的类型与特点 见图3 16 下降外特性 随输出电流增加 输出电压下降 平外特性 随输出电流增加 输出电压不变 上升外特性 随输出电流增加 输出电压上升 一 基本要求 3 弧焊电源外特性的选择 焊条电弧焊 选用陡降外特性的电源 如图3 17 钨极氩弧焊 等离子弧焊 选用陡降外特性电源 所以一般焊条电弧焊电源可作为其电源使用 电源并非就是焊机 熔化极气体保护焊 选用缓降外特性的电源 埋弧焊 二 对弧焊电源空载电压的要求 1 从引弧角度考虑 空载高易引弧 2 从安全角度考虑 空载低安全 3 从成本角度考虑 空载低成本低 4 一般空载电压 交流 直流 焊条电弧焊 U0 55 70 V 埋弧焊 U0 70 90 V 焊条电弧焊 U0 45 70 V 埋弧焊 U0 60 90 V 三 对弧焊电源稳态短路电流的要求短路电流对焊接的影响 过大 焊条过热 药皮易脱 飞溅增加 过小则过渡困难 要求 Iwd 1 25 2 0 Ih 其中Iwd为稳态短路电流 A Ih为焊接电流 四 对弧焊电源调节特性的要求 见图3 18 能提供一系列的外特性与电弧静特性相交 产生一系列稳定工作点 五 对弧焊电源动特性的要求能及时根据电弧负载的变化输出与之对应的焊接电流与电压 二 焊机的分类 特点及应用 交流弧焊电源 特点 结构简单 易维护 成本低 无磁偏吹 噪声小 效率高 电弧稳定性较差 功率因数较低 应用 用于焊条电弧焊 埋弧焊及钨极氩弧焊 2 直流弧焊电源 直流弧焊发电机 耐用性 弧稳定性好 效率低 噪声大 成本高 质量大 维修难 弧焊整流器 制造方便 价格低 空耗小 噪声小 可远距离控制 使用广 3 弧焊逆变器 焊接电源的发展方向 特点 高效 节能 质量轻 体积小 功率因数高 焊接性能好 体积为传统的1 3 质量为传统的1 5 1 10 应用 可用做各种焊接电源 4 脉冲弧焊电源 特点 效率高 热输入量小 适合于对热输入敏感高的合金 薄板 全位置焊 应用 最宜做薄板焊 单面焊双面成形 管道焊电源 三 焊机的型号 注意其中1 2 3 6 8用字母表示 4 5 7用数字表示 1 编制规定 2 举例 交流焊机 BX1 500 BX3 300 BX6 160 BX7 300 弧焊发电机 AX1 320 AXQ 320 焊弧整流器 ZXG 500 ZXK 500 ZX7 400 3 焊机的基本参数 额定焊接电流 指焊机在最经济可靠的情况下使用的规定值 单位是安培 A 空载电压 电源通电 但电弧没有燃烧时焊机输出端的电压 单位是伏特 V 负载持续率 在选定的工作时间周期内 弧焊电源的负载时间与整个工作时间周期的百分比 应用举例 某焊机在五分钟的工作时间周期内 其中电弧实际燃烧时间为三分钟 则其焊机的负载持续率是多少 解 负载持续率 焊机的实际负载时间 总个工作周期为 3 5 60 答 这台焊机的负载持续率为为60 5 2弧焊变压器 一 弧焊变压器工作原理 弧焊变压器是一种特殊的变压器 它把网压 一般为220V或380V 降至安全而又能满足引弧所需的空载电压 60 70V 并具有焊接工艺所要求的下降外特性和调节焊接工艺参数的性能 降压原理和一般电力变压器相同 如图3 1 5所示 变压器线圈匝数与输入和输出电压及电流之间的关系是 N1 N2 E1 E2 I2 I1 式中 N1 变压器一次侧线圈的匝数 N2 变压器二次侧线圈的匝数 E1 输入电压 E2 输出电压 I1 输入电流 I2 输出电流 减少二次侧线圈匝数 输出电压可降低 从而可以控制焊接所需的空载电压和获得较大的焊接电流 二 弧焊变压器外特性的控制与调节获得下降外特性的方法是在焊接回路中增加电抗 有下列两种方式 一 串联阻抗式在变压器主回路上串联阻抗 见图3 1 6 阻抗两端的电压降Ex随着负载电流升高而增大 于是引起负载电压Ef大幅度下降 从而获得下降外特性 串联的阻抗可以是电阻器或电抗器 用电阻器 需消耗能量而很少采用 电抗器在使用中仅有铁损和铜损 能量消耗少 故被广泛采用 况且电抗器的另一优点是在交流电中所产生的相位差 改善了在给定空载电压下交流电弧的稳定性 这对于焊条电弧焊和TIG焊很有利 二 增强漏磁式在变压器中人为地增大自身的漏抗 来控制输出外特性 作法是通过一个线圈相对于另一个线圈的移动 动圈式 或采用可动的磁分路 动铁式 来实现 这种线圈之间磁耦合不紧密而有很强漏磁 由此产生的漏抗就足以得到下降外特性 改变线圈之间的距离或改变磁分路就可以调节焊接参数 无论是串联阻抗式或增强漏磁式弧焊变压器 都是通过某种调节机构去改变阻抗或漏磁 从而实现焊接参数的调节与控制 故弧焊变压器属于机械控制型的弧焊电源 三 常见弧焊变压器的种类 特点与用途 增强漏磁式 增强漏磁式 增强漏磁式 三 新型矩形波交流弧焊电源 矩形波交流弧焊电源属于电子控制类型的弧焊电源 输出交流电的波形是矩形 其特点是电流过零点时的上升速度非常快 即使不用稳弧装置 焊接时电弧也非常稳定 用于铝 镁及其合金的TIG焊和碱性焊条电弧焊非常有利 故近年发展很快 按获得矩形波交流电流的原理和使用主要器件不同 有晶闸管电抗器式 逆变器式 数字开关式和饱和电抗器式等 5 3弧焊整流器 弧焊整流器是将交流电经过变压和整流后获得直流电输出的弧焊电源 它是随着大容量高性能的整流元件和控制元件的发展而发展 因具有易于制造 便于维修 节省能源和材料 重量轻 成本低和效率高等优点 所以有电供应的条件下 已逐渐取代了电动式直流弧焊发电机 以电动机带发电机供电的焊接电源如AXC系列 AXQ系列 AXT系列 一 弧焊整流器的分类1 按供电分有 单相和三相两类 以三相供电者居多 2 按主回路所用的整流与控制元件不同分有 硅弧焊整流器 晶闸管弧焊整流器 晶体管弧焊整流器 逆变式弧焊整流器 3 按弧焊整流器的外特性特征分有 下降外特性弧焊整流器 属ZX系列 按下降程度不同又缓降 斜降和垂直下降 恒流 等种类 主要用于焊条电弧焊 埋弧焊 TIG焊和等离子弧焊等 平 恒压 外特性弧焊整流器 属ZP系列 主要用于熔化极气体保护焊 如细丝焊CO2 MIG焊和MAG焊等 多特性弧焊整流器 属ZD系列 其外特性可根据焊接工艺需要改变成缓降 恒流或恒压的形状 故适用范围广 几乎所有焊接方法均可使用 很适合修理或实验室等部门使用 二 硅弧焊整流器1 硅弧焊整流器基本原理硅弧焊整流器是以大功率硅二极管作为整流元件 将交流电整流成直流电的弧焊电源 其基本原理框图见图3 1 7 利用降压变压器T把50 60Hz的单相或三相交流网路电压降为焊接所需的空载电压 经硅整流器Z整流和输出电抗器Ldc滤波 从而获得供焊接用的直流电 为了获得焊接所要求的外特性和进行焊接电压和电流的调节 硅弧焊整流器中设有外特性调节机构 有机械和电磁两种控制与调节方式 前者是利用机械方法改变降压变压器一 二次线圈之间的距离 如动圈式 或改变线圈匝数 如抽头式 进行控制与调节 后者是利用接在降压变压器和硅整流器之间的磁饱和电抗器 又叫磁放大器 进行电磁控制与调节 2 其外特性的获得及电流与电压控制 3 硅弧焊整流器的种类 特点和应用 硅弧焊整流器是按其外特性调节机构的作用原理分类 见表3 1 13 各类硅弧焊整流器的特点与应用见表3 1 14 表3 1 14 由三相降压主变压器 三相磁放大器 三相桥式全波整流器 和输出电抗器 组成 磁放大器可单独位于变压器和整流器之间或与降压变压器做成一体 多为三心柱式 在铁心上绕有交流绕组 工作绕组 Wj和控制绕组 直流线组 Wk 引入不同反馈控制系统以获得所需各种外特性 m n两点间连接情况反映反馈方式 结构特征 利用无反馈式的磁放大器可获得恒流外特性 利用全反馈式的可得恒压外特性 用部分内反馈的可得下降外特性 调节控制绕组Wk的直流电流大小 通过改变Rk 可实现焊接电流的调节 控制与调节 可制成各种形状外特性以适应各种焊接方法需要 能遥控且控制方便 但结构复杂 重量大 用料多 且磁惯性大 调节速度慢 已渐被淘汰 下降或恒流外特性的硅弧焊整流器用于焊条电弧焊 埋弧焊和TIG焊等 恒压外特性的用于MIG MAG焊 优缺点与应用 由增强漏磁的三相动圈式弧焊变压器T和三相桥式整流器UR组成 变压器铁心为三个心柱和上下轭构成三棱柱形 每相二次线圈安置在心柱下方 固定不动 一次线圈安置在心柱上方并通过手动的螺栓传动机构使其沿螺杆上下移动 结构特征 控制与调节 一 二次线圈耦合不紧密 漏抗很大 故可获得下降外特性 调节一 二次线圈的距离即可改变漏抗大小 从而调节电流 当距离增加 漏抗也增加 导致电流减少 优缺点与应用 结构及线路简单 省材 重量轻 动特性好 飞溅少 一般不用输出电抗器 其输出电流和电压受电网电压和温升的影响较小 但是线圈可动 使用时有轻微振动和噪声 不易实现遥控 不能补偿电网电压的波动 适于不需远距离调节焊接参数场合下的焊条电弧焊 TIG焊和等离子弧焊 结构特征 由抽头式弧焊变压器T 整流器UR和输出电抗器L组成 变压器为正常漏磁三相降压变压器 一次绕组上设有许多抽头 有些在二次绕组也有抽头 用以改变绕组的匝数达到参数的调节 输出电抗器利用抽头或变动铁心气隙以调节电感量 控制与调节 优缺点与应用 外特性为平的或稍为下降的 通过改变一 二次绕组匝数来调节空载电压和电流 由输出电抗器滤波和调节动特性 以控制电流上升速度 减少金属飞溅 结构简单 可靠和实用 成本低 噪声小 电弧稳定 但不能遥控及补偿电网电压波动 电流调节不方便 用于等速送丝的自动或半自动焊 如细丝CO2焊等 一 晶闸管式弧焊整流器的组成晶闸管式弧焊整流器的组成如图10 1所示 主电路由主变压器T 晶闸管整流器UR和输出电抗器L组成 C为晶闸管的触发电路 当要求得到下降外特性时 触发脉冲的相位由给定电压Ugi和电流反馈信号Ufl确定 当要求得到平外特性时 触发脉冲的相位则由给定电压Ugu和电压反馈信号Ufu确定 此外还有操纵和保护电路CB 三 晶闸管式弧焊整流器 二 晶闸管式弧焊整流器的主要特点 动特性好 它与硅弧焊整流器相比 内部电感小 故具有电磁惯性小 反应速度快的特点 在其用于平特性电源时 可以满足所需的短路电流增长速度 当用于下降外特性电源时 不致有过大的短路电流冲击 且在必要时可以对其动特性指标加以控制和调节 控制性能好 由于它可以用很小的触发功率来控制整流器的输出 并具有电磁惯性小的特点 因而易于控制 通过不同的反馈方式可以获得所需的各种外特性形状 电流 电压可在较宽的范围内均匀 精确 快速地调节 并且易于实现对电网电压的补偿 节能 它的空载电压较低 其效率 功率因数较高 输入功率较小 故节约电能 省料 与磁饱和电抗器式电源相比 它没有磁饱和电抗器 故可以节省材料 减轻重量 电路复杂 除主电路和控制电路外 还有触发电路 使用的电子元件较多 这对电源使用的可靠性有很大影响 同时对电源的调试和维修的技术要求也较高 存在整流波形脉动问题 晶闸管式弧焊整流器是通过改变晶闸管的导通角来调节电流和电压的 因而电流和电压波形的脉动比磁饱和电抗器式电源的大 三 应用范围 平特性晶闸管弧焊整流器 适用于熔化极气体保护焊 埋弧焊以及对控制性能要求较高的数控焊 还可作为弧焊机器人的电源 下降特性晶闸管弧焊整流器 适用于焊条电弧焊 钨极氩弧焊和等离子弧焊 图10 1晶闸管式弧焊整流器的组成 四 ZX5系列晶闸管式弧焊整流器 ZX5系列晶闸管弧焊整流器有ZX5 250和ZX5 400等型号 具有下降外特性 它的动态响应迅速 瞬间冲击电流小 飞溅小 空载电压高 引弧方便可靠 适用于焊条电弧焊和碳弧气刨 其原理方框图见图10 7 图10 7ZX5系列弧焊整流器原理方框图 1 主电路ZX5 400型弧焊整流器的主电路见图10 8 它的整流电路都采用带平衡电抗器的双反星形形式 在直流输出电路中的滤波电感L具有足够的电感量 可以减小焊接电流波形的脉动程度 而且使主电路具有电阻电感负载 因而当相电压变为负值时 晶闸管并不立即关断 从空载到短路所要求的触发脉冲移相范围为0 90 图10 8ZX5 400弧焊整流器的主电路 2 触发电路图ZX5 400型弧焊整流器采用单结晶体管触发电路 产生两套触发脉冲分别触发主电路中的正极性组和反极性组中的晶闸管 单结晶体管触发电路结构较简单 输出脉冲前沿较陡 该触发电路是用以触发脉冲分配器中的晶闸管 再通过后者去触发主电路中的晶闸管 3 控制电路 ZX5 400型弧焊整流器控制电路的简图如图10 9所示 它主要包括运算放大器N1和N2 其作用是控制外特性和进行电网电压补偿 对外特性控制将由主电路中的分流器RS采样得到的正的电流反馈信号 送入反相放大器N1进行放大后输出负信号 nIh 再将 nIh输入到反相比例加法器N2 与电位器RP10上取出的给定电压Ugi信号进行代数相加并放大 最后输出UK 即 图10 9ZX5 400型弧焊整流器控制电路简化图 当Ugi一定时 随着焊接电流Ih的增加 控制电压UK的绝对值减小 从而使主电路的晶闸管导通角减小 同时主电路输出的整流电压也减小 得到陡降外特性 图10 9ZX5 400型弧焊整流器控制电路简化图 用电流负反馈 通过电位器RP10改变Ugi可进行电流的调节 通过电位器RP3可调节分流比n 改变外特性陡度 也可调节焊接电流Ih 适当调节Ugi和n 焊接电流可从不同陡度的外特性上获得 以适应不同位置焊接的要求 ZX5 400型弧焊整流器的外特性曲线如图10 10所示 图10 10ZX5 400型弧焊整流器的外特性 电网电压补偿及过流保护电路 电网电压补偿 当电网电压上升时 通过合适的电路反馈作用使UK的绝对值和晶闸管的导通角减小 从而可抵消电网电压升高的影响 反之 当电网电压下降时 则使Ugi和UK的绝对值和晶闸管的导通角增大 抵消电网电压下降的影响 过流保护电路 当焊接电流超过一定限度后 弧焊整流器的控制电路停止工作 主电路晶闸管截止 即整流器自动停电 4 主要技术参数 ZX5 400 额定焊接电流 400A 额定负载持续率 60 功率因数 0 75 空载电压 63V 质量 200kg 外形尺寸 504mm 653mm l010mm 四 逆变式弧焊电源 直流 交流之间的变换称为逆变 实现这种变换的装置称为逆变器 为焊接电弧提供电能 并具有弧焊方法所要求性能的逆变器 即为逆变式弧焊电源 一 弧焊逆变器的组成及作用组成框图如图11 14所示 主要组成及其作用如下 图11 14弧焊逆变器的基本组成框 1 主电路主电路由供电系统 电子功率系统和焊接电弧等组成 1 供电系统 把50Hz三相或单相的工频交流电经整流器整流和滤波之后 获得逆变电路所需的稳定的直流电压Ud 2 电子功率系统 由逆变主电路 中频变压器起开关 变换电参数 电压 电流及波形 的作用 并以低电压大电流向焊接电弧提供所需的电气性能和工艺参数 2 电子控制系统对电子功率系统提供足够大的 按电弧所需变化规律的开关脉冲信号 驱动逆变主电路工作 电子控制系统包括驱动电路和电子控制电路两部分 3 给定反馈系统由检测电路P 给定电路G 比较放大电路N等组成 检测电路P主要用于提取电弧电压和电流的反馈信号 给定电路G用于提供给定信号 决定对电弧提供焊接工艺参数的大小 比较放大电路N用于把反馈信号与给定信号进行比较后进行放大 与电子控制系统一起 实现对弧焊逆变器的闭环控制 并使它获得所需的外特性和动特性 二 弧焊逆变器的基本工作原理 弧焊逆变器的基本工作原理 如图11 15所示 图11 15弧焊逆变器基本原理框图 弧焊逆变器主电路的基本工作原理 可以归纳为 工频交流 直流 高 中频交流 降压 交流并再次变成直流 必要时再把直流变成矩形波交流 三种逆变体制 AC DC ACAC DC AC DCAC DC AC DC AC 矩形波 三 弧焊逆变器的外特性及焊接工艺参数调节弧焊逆变器的焊接工艺参数的调节方法大致有三种 1 定脉宽调频率 脉冲电压宽度不变 通过改变逆变器的开关频率来调节参数大小 开关频率越高 输出电压就越大 通常晶闸管式弧焊逆变器就是采用这种调节焊接工艺参数方法的 2 定频率调脉宽 脉冲电流频率不变 通过改变逆变器开关脉冲的脉宽比来调节焊接工艺参数 脉宽比越大 则工作电流也越大 晶体管式 场效应管式弧焊逆变器都适于采用这种焊接工艺参数调节方法 3 混合调节 调频率和调脉宽相结合的调节方式 四 弧焊逆变器的特点 1 高效节能 效率可达80 95 功率因数可提高到0 99 空载损耗极小 比传统弧焊电源节电1 3以上 2 体积小 重量轻 中频变压器的重量仅为传统弧焊电源降压变压器的几十分之一 整机重量仅为传统弧焊电源的1 5 1 10 整机体积也只有传统弧焊电源的1 3左右 3 具有良好的动特性和弧焊工艺性能 它采用电子控制电路 可以根据不同的焊接工艺要求设计出合适的外特性 并保证具有良好的动特性 从而可进行各种位置的焊接 获得良好的焊接工艺性能 4 可用微机或单旋钮控制调节焊接工艺参数 5 设备费用较低 但对制造技术要求较高 五 弧焊逆变器的分类弧焊逆变器可从不同的角度进行分类 通常是按大功率开关器件进行分类 分为晶闸管式弧焊逆变器 晶体管式弧焊逆变器 场效应晶体管式弧焊逆变器 IGBT式弧焊逆变器等 图11 17晶闸管式弧焊接逆变器主电路 图11 19晶体管式弧焊逆变器的基本原理方框图 图11 20MOSFET式和IGBT式弧焊逆变器原理方框图 5 4弧焊电源的选择与使用 不同类型的弧焊电源 主要区别见下表 一 选择 一 按焊接方法选择弧焊电源1 焊条电弧焊焊条电弧焊电弧工作在静特性曲线的水平段 应采用具有下降外特性的弧焊电源 2 埋弧焊埋弧焊电弧工作在静特性曲线的水平段或略上升段 等速送丝时 选用较平缓下降外特性的弧焊电源 变速送丝时 则选用陡降外特性的弧焊电源 3 氩弧焊钨极氩弧焊应选用陡降外特性或恒流外特性的交流弧焊电源或直流弧焊电源 除焊接铝 镁及其合金时 为清除表面致密的氧化膜并减轻钨极烧损 需采用交流弧焊电源 焊接其它有色金属 黑色金属 不锈钢时 一般采用直流弧焊电源 采用直流正接 工件接正极 对于熔化极氩弧焊 应选用平外特性 等速送丝 或下降外特性 变速送丝 的弧焊整流器 弧焊逆变器等 对于较高要求的氩弧焊 如1mm以下的薄板焊接 可选用脉冲弧焊电源 4 CO2气体保护焊CO2气体保护焊一般选用平外特性或缓降外特性的弧焊整流器 弧焊逆变器等 一般采用直流反接 5 等离子焊等离子焊一般采用非熔化极 应选用陡降外特性或垂直陡降外特性的直流弧焊电源 二 从经济 节能 环保考虑来选择弧焊电源1 经济方面由于交流弧焊电源具有结构简单 成本低 易维护 使用方便等优点 因此在满足使用性能及保证产品质量的前提下 应优先选用交流弧焊电源 2 节能 环保方面由于电弧焊是高能耗领域 所以在条件允许的情况下 尽可能选用高效节能 环保的弧焊电源 随着等电力电子器件的不断发展和成熟 弧焊逆变器被越来越广泛的应用 和普通弧焊电源相比 弧焊逆变器具有高效节能 体积小 重量轻和良好的动特性等优点 且对环境噪声污染小 三 弧焊电源功率的选择1 根据额定电流粗略估计焊接设备铭牌中焊接电源型号后面的数字表示额定电流 可根据该电流值确定弧焊电源是否满足要求 一般这种方法对于焊条电弧焊来说比较适用 只要实际焊接电流值小于额定电流值即可 2 根据负载持续率确定许用焊接电流弧焊电源的输出功率 电流值 主要由其发热值确定 因而 在弧焊电源的相关标准中对不同的绝缘等级规定了相应的允许温升 弧焊电源的负载持续率是用来表示焊接电源工作状态的参数 它表示在选定的工作时间周期内 允许焊接电源连续使用的时间 其公式为 二 安装使用 一 弧焊电源的安装1 附件的选择弧焊电源主回路中除包括主机外 还包括电缆线 熔断器 开关等附件 1 电缆的选择电缆包括从电网到弧焊电源的动力线和从弧焊电源到焊件 焊钳的焊接电缆 动力线的选择 选用耐压为交流500V的电缆 对单芯铜电线 以电流密度5 10A mm2选择导线截面 多芯电缆或长度较大 大于30mm 时 以电流密度为3 6A mm2选择导线截面 焊接电缆的选择 应选专用焊接电缆 当焊接电缆长度小于20m时 以电流密度4 10A mm2选择导线截面积 一般来说电缆压降不宜超过额定工作电压的10 2 熔断器的选择熔断器是防止过载或短路的最常用的保护电路 常用的有管式 插式和螺旋式等 熔断器内装有熔丝 是用低熔点合金材料制成的 当电路过载或短路时 熔丝熔断 切断电路 熔断器的选择主要是选择熔丝 熔断器的额定电流应不小于熔丝的额定电流 3 开关的选择开关是把弧焊电源接在电网电源上的低压联结电器 其主要用作电路隔离及不频繁地接通或分断电路之用 常用的开关有胶盖瓷底刀开关 铁壳开关和断路器 对于弧焊变压器 弧焊整流器和弧焊逆变器等焊接电源 开关的额定电流应不小于弧焊电源的一次额定电流 2 安装 1 弧焊整流器 弧焊逆变器及晶体管弧焊电源的安装1 安装前的检查 新的或长期放置未用的弧焊电源 在安装前必须检查绝缘情