《焊接电源》课程讲义第3章弧焊电源的基本特性

第3章弧焊电源的基本特性,弧焊电源是向焊接电弧提供电能的装置，是电弧焊的核心部分。,类型繁多，我们主要介绍弧焊变压器、弧焊整流器、弧焊逆变器,分类,基本电气特性包括以下三方面：1弧焊电源的外特性(输出特性)2弧焊电源的调节特性3弧焊电源的动态特性（响应能力）,弧焊工艺对电源的基本要求：1保证引弧容易2保证电弧稳定3保证焊接工艺参数稳定4具有足够宽的焊接参数调节范围,特殊应用场合的要求,1,3.1弧焊电源的基础知识,工业电网与焊接电源的要求,三相四线制380V/220V/50Hz,空载电压：2080V电弧电压：1444V电弧电流：301500A,焊接电弧的特点：低电压、大电流,通过降压变压是弧焊电源必须的。,降压变压器是基本部件，也是最简单的弧焊电源,弧焊电源中的变压器有两种基本形式：工频变压器：普通电源，传统弧焊电源的主要组成部分中频变压器：逆变电源，现代弧焊电源发展的主流,交流，直流,逆变技术，电子控制技术,2,弧焊电源（能量传输与变换）,3.2弧焊电源的外特性,弧焊电源的外特性是指在规定范围内，弧焊电源稳态输出电压Uy与输出电流Iy的关系，即在电源内部参数一定的条件下，改变负载，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。一般采用Uyf（Iy）来表示。又称为电源的静特性。,电源外特性的一般表达式：,r00时，下降特性r00时，平特性,两者的外特性曲线如下图所示：,3.2.1电源外特性的基本概念,3,E直流电源的电动势(V)；R0电源内部等效电阻，简称内阻()。,电源,负载,4,图3-2一般直流电源的外特性曲线,电源工作过程中可调参数只有两个：E和r0,调节E和r0使Uy和Iy发生变化，适应电弧负载变化的要求。因此，从本质上讲，弧焊电源分为两类：,调节r0的-如弧焊变压器，多数机械调节式弧焊电源,调节E的-如弧焊逆变器，部分弧焊整流器，电子控制式弧焊电源,5,调节r0的方法,调节电阻性内阻调节电感性内阻电阻性内阻+电感性内阻的调节,直线型,椭圆型,介于上两者之间,6,调节E的方法,改变变压器的变比调节输出占空比两者皆有,方波,正弦波,控制输出的外特性不受弧焊电源结构的影响，理论上可以是任意形状,7,图3-3常用的弧焊电源的外特性曲线,8,常用弧焊电源的外特性曲线,平（缓）特性,斜特性,缓降特性,恒流特性,恒流带外拖特性,3.2.2“电源电弧”系统的稳定性,“电源电弧”系统的稳定有两个方面的含义：1无干扰时，能在给定电弧电压和电流下，保证电弧的稳定燃烧，系统保持静态平衡状态。2当系统受到瞬时干扰，破坏了系统原有的静态平衡，电弧电压和电流发生变化；但当干扰消失后，系统能够自动恢复到原来的平衡状态或者达到新的平衡状态。,图3-4“电源电弧”系统稳定原理图a）稳定系统b）不稳定系统,系统稳定的物理本质是：电源能根据电弧的需要调整能量输出，类似于有电流负反馈作用,9,综上所述，系统稳定的条件是：特性Uyf（Iy）与特性Uff（If）有交点，并且在交点的左边保证UyUf，而在交点的右边Uy0，Kw越大系统稳定性越高。,图3-5“电源电弧”系统稳定条件,IfUyUfIfIfUyUfIf,如果弧长发生变化呢？,10,当电弧的静特性曲线形状一定时，系统的稳定性取决于电源的外特性曲线形状。要保证“电源电弧”系统的稳定，必须根据电弧的静特性曲线形状确定合适的弧焊电源的外特性曲线形状。,3.2.3电源外特性曲线的确定,电源的外特性曲线形状除了影响“电源一电弧”系统的稳定性之外，还关联着焊接工艺参数的稳定。,所谓焊接工艺参数稳定是指在焊接过程中，在外界干扰情况下，焊接工艺参数变化量越小，说明焊接工艺参数越稳定。,焊接工艺参数：焊接电流、电弧电压、焊接速度、线能量等,选择电源的外特性不仅要考虑系统的稳定性，而且要结合具体弧焊工艺特点，考虑焊接工艺参数的稳定性以及引弧性能、熔滴过渡过程和使用安全性等。,11,外特性曲线的三部分：工作区段：反映了外特性曲线的具体形状空载点：决定了电源的空载电压短路区段：反映了曲线形状和短路电流值,1弧焊电源外特性工作区段形状的选择,（1）焊条电弧焊工艺特点：弧长容易波动（焊工手抖动）电弧处在水平段,要求：“弧源”系统稳定；电弧有弹性；容易引弧,反映在电源外特性上分别是：“弧源”系统稳定下降外特性电弧有弹性下降的陡度要大，最好是垂降（恒流）特性容易引弧要有较高的短路电流和较大的空载电压,图3-6弧长变化引起的电流偏差示意图1-恒流外特性电源2、3-缓降外特性电源l1l2,以恒流为主，加上短路外拖,理想特性,12,（2）丝极熔化极电弧焊工艺特点：使用连续送进的焊丝，有自动送丝机构（无人为因素影响）。考虑因素：根据电弧静特性曲线的形状，考虑送丝方式来电源外特曲线性形状；二者的配合问题。1）等速送丝方式主要方法：熔化极氩弧焊、CO2气体保护焊与含有活性气体的混合气体保护焊或细丝（焊丝直径3mm）的直流埋弧自动焊。电弧工作在上升段（电弧静特性）。“电源一电弧”系统稳定要求下降、平、微升（上升到陡度小于电弧静特性上升的陡度）外特性均可电弧自调节要求平或微升外特性；短路电流大，易于引弧，防止焊丝回烧和粘丝参数稳定要求平或缓降外特性；不用微升特性（飞溅）,电弧的自身调节作用：当焊接弧长发生变化时，引起焊接电流和焊丝熔化速度的变化，从而可以使弧长自动恢复的作用,图3-7等速送丝熔化极气体保护焊系统示意图,等速送丝方式熔化极电弧焊较好的电源外特性,平或缓降外特性,13,2）变速送丝控制系统的熔化极电弧焊,主要方法：埋弧焊（焊丝直径3mm）和一部分熔化极氩弧焊（粗丝）特点：电弧静特性工作段为平特性段。焊丝直径大，电流密度小，电弧自调节作用弱。弧压反馈变速送丝控制弧长：利用电弧电压作为反馈量来调节送丝速度，调节作用的强弱与电弧电压的变化量和反馈控制有关对电源的要求：“弧源”稳定下降外特性反馈灵敏陡降外特性参数稳定陡降或恒流外特性（电流偏差小）,图3-8变速送丝熔化极气体保护焊接系统示意图,变速送丝方式熔化极电弧焊较好的电源外特性,陡降外特性,14,（3）非熔化极电弧焊,特点：电弧静特性工作部分呈平的或略上升的形状；弧长稳定（电极不熔化）方法：钨极氩弧焊（GTAW），等离子弧焊（PAW）以及不熔化极脉冲弧焊要求：电流稳定“弧源”稳定下降外特性参数稳定恒流特性（电流稳定）,不熔化极电弧焊较好的电源外特性,以恒流为主，加上短路内拐（减小短路电流，防止钨极误操作烧损）,15,特点：熔化极脉冲氩弧焊或混合气体保护焊一般采用等速送丝；利用电弧自身调节作用来稳定工艺参数。外特性要求：脉冲段和维弧段采用不同的外特性段外特性组合：1）恒压特性与恒压特性配合等速送丝系统；特点：电弧自调节作用强；但是，在平均电流较小时的维护段，当电弧拉长时，容易断弧；而脉冲阶段由于自调节作用过强，容易导致电流参数波动，影响熔滴过渡的均匀性2）恒流特性与恒压特性改善了脉冲段电弧的稳定性，电流参数稳定，熔滴过渡均匀；但是，维护段在小电流下容易断弧3）恒流特性与恒流特性脉冲段熔滴过渡均匀，电弧弹性好；但是，自调节作用差，维弧段容易短路4）恒压特性与恒流特性脉冲阶段具有良好的电弧调节作用，但维弧容易短路,（4）熔化极脉冲电弧焊,16,a）恒压特性与恒压特性维弧段小电流，弧长拉长时易断弧，A1；脉冲段电流参数波动影响大，B0，熔滴过渡不均匀,b）恒流特性与恒压特性脉冲段电流不变，熔滴过渡均匀；维弧段小电流时易断弧,c）恒流特性与恒流特性脉冲段电流参数不变，熔滴过渡均匀，电弧弹性好；自调节作用差，易粘丝（短路）,d）恒压特性与恒流特性脉冲阶段具有良好的电弧调节作用，但容易引起电流参数波动，熔滴过渡不均，且维弧易粘丝（短路）。,17,图3-9脉冲弧焊电源的组合外特性,图3-10双阶梯外特性,好的外特性：双阶梯外特性组合，又称为方框特性,18,上述各种方法都各有优缺点，例如，恒压特性使电弧具有足够的自调节作用，但对熔滴的均匀过渡不利，而恒流特性则相反，能使熔滴过渡均匀，焊缝成形好，但电弧自身调节能力较差。双阶梯外特性组合：脉冲电流由“”型特性供电；维弧电流由“”型特性供电，两者构成方框特性。这是熔化极脉冲气体保护焊中比较实用的外特性组合方法之一，如图3-10所示。,如果弧长增大为l2时，其维弧工作点将移至A2，脉冲电弧工作点向左移至B2。其维弧阶段电源外特性为恒流部分，可保证小电流时不断弧；而脉冲电弧进入恒压特性段，增加了电弧的自调节作用，可以自动恢复电弧的弧长。,如果弧长减小为l1时，其维弧工作点将移至A1，脉冲电弧工作点将移至B1。由于在脉冲阶段电源具有恒流特性，因此，电流参数稳定，熔滴过渡均匀；在维弧阶段电源具有恒压特性，使电弧自身调节作用增强而能防止短路。,综合了恒压特性使电弧具有足够的弧长自调节能力和恒流特性保持恒定的熔滴过渡到优点，从而克服了恒压特性和恒流特性各自存在的缺点，实现了对焊接电弧的控制，称为所谓的可控外特性（新型电子控制型弧焊电源）。,2弧焊电源的空载电压,弧焊电源的空载电压是指电源输出为开路状态时，电源输出的电压值。,空载电压对引弧、维持电弧的稳定燃烧有很大影响,空载电压的选择应遵循以下几项原则；（1）保证引弧容易。（2）保证电弧的稳定燃烧。在交流弧焊电源中为确保交流电弧的稳定燃烧，一般要求：U0（1.82.25）Uf。（3）保证电弧功率稳定。为了保证交流电弧功率稳定，一般要求：（3-3）（4）要有良好的安全性和经济性。,上述空载电压范围是对下降特性弧焊电源而言的。带有引弧（或稳弧）装置的不熔化极气体保护焊电源，可以降低空载电压，用于熔化极自动、半自动弧焊的平特性弧焊电源可以具有较低的空载电压,19,3弧焊电源的稳态短路电流,在弧焊电源外特性上，当Uy0（Uf0）时对应的电流为稳态短路电流Iwd。,主要是指下降特性中Uy0时对应的电流，一般要求：,图3-11恒流带外拖外特性曲线a）外拖斜特性b）外拖恒流特性,理想的短路区段形状：恒流带外拖，如图3-11所示。要借助现代的大功率电子器件和电子控制电路来实现外拖曲线特性的任意控制。,20,4常用的外特性曲线及其应用,表3-1常用弧焊电源的外特性曲线的特点及其应用,21,不同的弧焊工艺有不同的特点，因此需要采用不同外特性的弧焊电源。,3.3弧焊电源的调节特性,对于一定的弧长的电弧，只有一个稳定工作点。为了获得一定范围所需的焊接电流和电压，弧焊电源的外特性必须可以调节，这样才能与电弧静特性曲线有多个交点，如图3-12所示。,电弧静特性和电源外特性曲线相交的稳定工作点决定了焊接电压和电流,3.3.1调节特性的概念,22,不同材料、不同板厚、不同结构的焊接，需要选用不同的焊接电流、电弧电压，因此弧焊电源必须具备焊接电流或负载电压可调的性能，以适应各种焊接的需要。要求弧焊电源具备的能输出不同的负载电压、焊接电流的可调性能，称为弧焊电源的调节特性。,图3-12弧焊电源的调节特性,常用弧焊方法的约定负载特性为：（1）焊条电弧焊电源U2200.04I2(V)I2600A；U244(V)I2600A;（2）TIG焊电源U2100.04I2(V)I2600A；U234(V)I2600A;（3）MIG/MAG焊电源U2140.05I2(V)I2600A；U244(V)I2600A。（4）埋弧焊下降特性的弧焊电源与焊条电弧焊电源的约定负载特性相同；平特性的弧焊电源与MIG/MAG焊电源的约定负载特性相同。其中，U2约定负载电压,V；I2约定负载电流,A。,约定负载与约定负载特性,约定负载曲线,23,3.3.2调节参数及调节范围,（1）工作电流I2焊接时电源输出的电流或电弧的电流。（2）工作电压U2焊接时弧焊电源输出的电压。,电焊机的国家标准规定，在焊接过程中，弧焊电源输送的电流称为焊接电流，用I2表示；弧焊电源在输送焊接电流时，其输出端之间的电压称为负载电压，用U2表示。,1下降特性弧焊电源的调节参数及范围,图3-13下降特性弧焊电源的调节性能,（1）额定最大焊接电流I2max在约定焊接状态下，弧焊电源在最大调节位置时所能获得的约定焊接电流的最大值。一般要求I2max100%I2r，I2r为额定焊接电流。（2）额定最小焊接电流I2min在约定焊接状态下，弧焊电源在最小调节位置时所能获得的约定焊接电流的最小值。对于手工电弧焊I2min20%I2r；对于TIG焊I2min10%I2r；对于埋弧焊I2min40%I2r。（3）电流调节范围在约定负载特性条件下，通过调节所能获得的输出电流范围，即I2minI2max，如图3-13。,24,平特性电源的可调参数示于图3-14。（1）额定最大工作电压U2max在约定负载特性条件下，弧焊电源通过调节所能输出电压的最大值。（2）额定最小工作电压U2min在约定负载特性条件下，弧焊电源通过调节所能输出电压的最小值。（3）工作电压调节范围在约定负载特性条件下，通过调节所能获得的输出电压范围。即U2minU2max。,图3-14平特性弧焊电源的调节性能,2平外特性弧焊电源的调节参数及范围,25,3弧焊电源空载电压U0的调节,图3-15弧焊电源中U0的调节,一般地，弧焊电源的空载电压是确定的，在电流或电压调节时，空载电压不变。但是，在小电流焊接时，电子热发射能力弱，需要靠强电场作用才容易引燃电弧和保持电弧的稳定燃烧。因此，在小电流焊接时，往往需要较高的U0；在大电流焊接时，电子热发射能力强，可以降低U0，以提高功率因数，节省电能。因此，在有些弧焊电源中，根据弧焊工艺的要求，空载电压随焊接电流或电压的调节也进行调节（如图3-15），从而具有更好的调节特性。,26,3.3.3弧焊电源的负载持续率与额定值,27,弧焊电源的输出功率与它的温升有密切的关系。这主要与温度升高绝缘性被破坏有关，在弧焊电源标准中对于不同的绝缘级别，规定了相应的允许温升。,对于不同的负载状态，弧焊电源规定了不同的输出电流。GB/T8118-1995规定，工作周期T为10min。额定负载持续率FCr为20%、35%、60%、80%、100%。弧焊电源的额定电流I2r就是在额定负载持续率、约定负载特性下，允许输出的最大电流值。与额定焊接电流相对应当工作电压为U2r。GB/T8118-1995规定，额定电流I2r分档为（A）：10、16、25、40、63、100、125、160、200、250、315、400、500、630、800、1000、1250、1600、2000。,负荷状态,T弧焊电源的工作周期，等于负载持续时间t与休止时间之和。,弧焊电源经常工作在非额定负载持续率的状态下，实际工作时间与工作周期之比称为实际负载持续率FC。,FCr额定负载持续率；FC实际负载持续率；I2r弧焊电源额定电流；I2实际负载持续率下，允许输出的最大电流。,实际负载持续率条件下允许使用的最大输出电流可按下式计算：,28,3.4弧焊电源的动态特性,3.4.1基本概念,无论是电源的外特性还是电源的调节特性，主要是根据电弧的静特性来讨论的，即是弧焊电源必须满足电弧稳态燃烧的要求。但是，在实际焊接过程中，电弧处于稳态的时间是短暂的、相对的，尤其是在熔化极电弧焊中，电极（焊条或焊丝）被加热形成金属熔滴，熔滴从小到大，电弧长度也要随之变化，当熔滴过渡到熔池中时，经常会出现短路现象。所以，在焊接过程中，电弧长度、电弧电压和电流不断的变化，甚至会出现瞬间较大的变化，因而，电弧焊接中，尤其是熔化极电弧焊时，焊接电弧是电源的一个动态负载。弧焊电源必须具有满足动态电弧负载要求的特性，该特性就是弧焊电源的动特性,弧焊电源的动特性：电弧负载状态发生瞬态变化时，弧焊电源输出电压与电流的响应特性。它表明了弧焊电源对电弧负载瞬变的适应能力。,常用电流和电压的瞬时值来表示如下：uy=f（t）、iy=f（t）,29,3.4.2电弧动态变化的特点及其对弧焊电源动特性的要求,图3-16熔滴过渡形式和电弧电压、电流的波形a)射流过渡b)滴状过渡c)短路过渡,熔化极电弧焊中，所采用的工艺方法和焊接工艺参数不同，熔滴过渡形式不同，负载的变化情况各异，因此，对弧焊电源的动特性要求就有所不同。如图3-16a、b所示，在射流过渡或滴状过渡的熔化极电弧焊中，电弧电压和电流基本不变，此时电弧可以看作静态负载，因此对电源的动特性没有什么特殊要求。而对短路过渡的熔化极电弧焊来说，电弧不停地在负载、短路和空载三态之间转换，所以采用短路过渡的熔化极电弧焊对电源的动特性提出了较高的要求。,30,1焊条电弧焊,“空载一短路一负载”“负载一短路一负载”,图3-17手工电弧焊时，弧焊电源输出电压和电压变化示意图,（1）由空载到短路的瞬时短路电流峰值Isd，它主要影响引弧过程。太小不利于引弧阶段的热发射和热电离，使引弧困难；太大则容易造成飞溅大，甚至引起工件烧穿。因此，对Isd往往提出要求，一般是以其与焊接电流I2之比来要求，例如：Isd/I23.0。（2）由负载到短路的瞬时短路电流峰值Ifd，它主要影响熔滴过渡的情况。太大熔滴飞溅严重，使焊缝成形变坏，甚至引起焊件烧穿、电弧不稳。太小则熔滴过渡困难。因此，对Ifd也要提出要求，一般是以其与焊接电流I2之比来要求，例如：Ifd/I22.5。,31,2短路过渡细丝CO2焊接,弧焊电源也工作在空载短路负载之间周期性地变换状态之中，而且频率要求更高。,要求：1、瞬时短路电流峰值Isd、Ifd2、短路电流上升率di/dt,图3-18熔滴短路过渡过程与电压电流波形示意图t1燃弧时间t2短路时间t3拉断熔滴后的电压恢复时间T短路周期T=t1+t2+t3Imax最大电流(短路峰值电流)Imin最小电流Ia平均焊接电流Ua平均电弧电压,di/dt过小，熔滴难以短路过渡，导致短路时间的延长和焊丝成段爆断；di/dt过大，导致短路电流增长过快，瞬间达到短路电流的峰值，产生严重的小颗粒飞溅，使熔滴过渡困难。因此，di/dt必须有一合适值，表3-2给出了其推荐值，仅