中石大金属焊接教案第1章 焊接电弧与弧焊电源

焊接电弧与弧焊电源电弧焊是以电弧作为热源的形式将电能转变为热能来熔化金属、实现焊接的一种熔焊方法，是现代焊接方法中应用最为广泛，也是最为重要的一类焊接方法。1.1焊接电弧1.1.1电弧的产生及分类1.1.1.1电弧的产生电弧的产生与维持需要具备两个条件：气体电离和阴极电子发射。在焊接电弧燃烧过程中，呈现出电压低、电流大、温度高、发光强的特点。（1）气体电离气体电离就是使电子完全脱离原子核的束缚，形成离子和自由电子的过程。在焊接电弧中，根据引起电离的外加能量来源不同，有三种电离形式：撞击电离、热电离、光电离。（2）电子发射在阴极表面的原子或分子，接受外界的能量面释放出自由电子的现象称为电子发射。电子发射是引弧或维持电弧稳定燃烧一个很重要的因素。它又分为：热发射、光发射、场致发射和重粒子撞击发射。1.1.1.2电弧的引燃电弧的引燃方式有两种：接触引弧（最常用）和非接触引弧。1.1.1.3电弧的分类1.1.2焊接电弧的结构以直流电弧为例。直流电弧可近似看成为一个圆柱形的气体导体，沿它的长度方向可分为三个区域（图1-1）：阴极区、阳极区和弧柱区。阴、阳极区都很短，电弧长度可以认为近似等于弧柱长度。阴极区弧柱区阳极区阴极区弧柱区阳极区Uf电弧UyUzUi图1-1电弧结构及压降分布定义：长度一定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。焊接电弧是非线性电阻，当电弧电流从小到大在很大范围内变化时，焊接电弧的静特性近似呈U曲线，所以焊接电弧静特性也称U型特性（见图1-2）。U型特性曲线可看成由三段组成，在ab段，Uf随If的增加而下降，是下降特性段；在bc段，Uf不随If变化，是平特性段；在cd段，Uf随If的增加而上升，是上升特性段。图1-2电弧静特性曲线（1）阳极区在阳极区，Uy基本是常数，与电流无关。（2）阴极区电流密度,，在d、一定时：。电流密度：当If较小时，，Ui为一水平线。当If较大时，，Ui为上升线。（3）弧柱区，其中：。在ab段：在bc段：在cd段：三个区的曲线叠加，即可得出电弧电压随的增加是呈U型的结论。图1-3电弧各区的压降与电流的关系图1.1.4交流电弧交流电弧引燃和燃烧的物理本质和直流电弧相同，也是气体电离和阴极电子发射的过程。1.1.4.1交流电弧的特点（1）电弧周期性的熄灭和引燃；（2）电弧电压和电流波形发生畸变；（3）热惯性作用较为明显。1.1.4.2交流电弧连续燃烧的条件要让交流电弧能够连续稳定燃烧，希望熄弧时间减小为零。常用的交流弧焊电源——弧焊变压器是采用增大回路感抗或漏抗，形成电感性回路的方法来实现的，带电感的交流电弧供电原理图见1-4。图1-4电感性回路交流电弧的电流、电压波形经过推导，交流电弧连续稳定燃烧的条件可用下式表示：（1-1）其中：U0为电源空载电压，Uf为电弧电压有效值，Uyh为电弧重新引燃电压。为提高交流电弧的稳定性，除了使焊接回路中有足够大的电感外，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；改善电流的波形；叠加高压电。1.1.5电弧的偏吹进行正常手弧焊时，电弧的轴线总是沿着焊条的中心线，当二者不在同一中心线上就发生电弧偏吹。电弧偏吹会引起电弧燃烧不稳，弧长变长，导致焊缝成型恶化，焊缝质量下降。导致电弧偏吹的原因有三个：（1）气流的影响。电弧周围气流的剧烈运动引起：采用挡风措施（2）焊条偏心度的影响。药皮厚薄不均，电弧向薄的一侧偏吹：焊时调整焊条倾斜角度（3）磁场的影响。电弧周围磁场分布不均时，电弧会受到磁场的作用而偏向磁力线密度较小的一侧，称为电弧的磁偏吹。解决方法：（1）短弧焊；（2）以交代直；（3）工件消磁、避免周围铁磁物质；（4）选择好接线点；（5）选用厚皮焊条。1.2对弧焊电源的基本要求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，由于电弧是一种特殊负载，弧焊电源除了具有一些电力电源的要求外，还应满足电弧特性及焊接工艺的要求：（1）引弧容易，电弧稳定；（2）焊接规范稳定；（3）具有足够宽的焊接规范调节范围。为满足这些要求，弧焊电源的电气性能应考虑以下三个方面：（1）对弧焊电源外特性的要求。（2）对弧焊电源调节性能的要求（3）对弧焊电源动特性的要求1.2.1对弧焊电源外特性的要求1.2.1.1电源外特性在电源内部参数一定的条件下，改变负载时，电源输出电压稳定值Uy与输出电流稳定值Iy之间的关系称为电源的外特性。1.2.1.2“电源－电弧”系统的稳定性所谓“电源－电弧”系统的稳定性包含两方面的含义：①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，此时，Uf＝Uy，If=Iy。图1-5“电源－电弧”系统工作示意图稳定工作点的判断依据：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。②当系统一旦受到瞬时的外界干扰，破环了原来的平衡，但干扰消失后，系统能自动地达到新的稳定平衡，使得焊接规范能新恢复。1.2.1.3对弧焊电源外特性曲线的要求在各种弧焊方法中，电弧放电的物理条件和所用的焊接规范不同，使它们的电弧静特性具有不同的形状，所以应针对不同的弧焊方法讨论对电源外特性的要求。（1）对弧焊电源空载电压的要求电源空载电压的确定应遵循如下原则：①保证引弧容易；②保证电弧的稳定燃烧；③保证电弧功率稳定；④要有良好的经济性；⑤保证人身安全。（2）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。（3）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：（1-2）1.2.2对弧焊电源调节性能的要求焊接时需根据被焊工件的材质、厚度以坡口形式等选用不同的焊接规范参数，而与电源有关的焊接参数是电弧工作电压和工作电流。电弧电压和电流是由电弧静特性和电源外特性曲线相交的一个稳定工作点决定的。弧焊电源能满足不同的要求的可调性能为其调节性能，它是通过电源外特性的调节来体现的。1.2.3对弧焊电源动特性的要求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，即来表示，它说明弧焊电源对负载瞬变的适应能力。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。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为焊接方法、电源类型的不同而不同。1.3弧焊变压器弧焊变压器是一类交流电源，在各类电源中它占的比例最大，应用最广，结构最简单，使用可靠，便于维修，价格低廉。1.3.1基本原理主要是弄清空载电压的建立，获得下降外特性的原理和调节焊接规范的方法。1.3.1.1空载变压器空载运行的情况见图1-7。图1-7变压器空载运情况其中为空载主磁通，空载漏磁通。空载电压只是由主磁通建立的，所以有，其中。1.3.1.2负载变压器负载运行时的原理图见图1-8(a)。图1-8变压器负载运行时的原理图a)原理图b)等效电路图在初级绕组上施加电压，次级绕组和负载Rf接通，于是在初级和次级回路各有电流和相应的磁势，它们共同产生磁通，而且又各自产生经空气闭合的漏磁通。穿过两级绕组分别产生感应电势。漏磁通分别在初、次级绕组产生漏感电动势。假若次级回路负载为具有感抗的电抗器和电弧，则（1-3）令，较小可以忽略，且（负载电流或电弧电流），有（1-4）式（1-3）、（1-4）是弧焊变压器的外特性方程式。可以看出：①增大初、次级漏抗都能使变压器外特性下降得更陡；②在次级电路串联电抗器便有感抗，也可获得下降外特性；③弧焊变压器的外特性方程式也可以写成如下形式：，可以看出，改变可调节焊接电流If。1.3.2弧焊变压器的分类根据获得下降外特性的方法不同可分为串联感抗式和增强漏磁式，前者由正常漏磁（漏磁很少，可忽略）的变压器串联电抗器构成，按结构不同又分为分体式和同体式；后者通过人为增大自身漏抗，而无需再串联电抗器。按增强和调节漏抗的方法不同又可分为动铁心式，动线圈式和抽头式。1.3.3串联电抗器式弧焊变压器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（图1-9）。图1-9调节空气式电抗器a)单气隙式b)、c)双气隙式1—定铁心2—线圈3—动铁心电抗器实际上就是带铁心的线圈，它的感抗为（1-5）式中：为空气磁导率，为线圈匝数，为磁路截面积，为空气气隙长度。1.3.4增强漏磁式弧焊变压器人为增加变压器自身漏抗，等效于增加次级回路的电抗，这种增强漏磁式弧焊变压器就是靠增强它的本身漏磁面获得下降外特性。1.3.5两类变压器的比较（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。1.4直流弧焊发电机1.4.1基本原理直流弧焊机和一般发电机一样，都是靠电枢上的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E:(1-6)式中:为每个主磁极磁通量；K为常数，由电枢转速及结构确定。发电机电枢电压为（1-7）式中Is、Rs为电枢电流和电阻。通常Rs很小可以忽略，一般发电机与Is无关，所以外特性是平的。由式(1-6)、(1-7)可知，为获得下降外特性的主要方法有：（1）在电枢电路中串联镇定电阻如图1-10，Rz为镇定电阻器，发电机本身外特性近于平的，即。负载电压与负载电流的关系是：（1-8）由式（1-8）可知，，从而得到下降外特性。调节Rz可调节If，所以通过改变Rz调节外特性。这种方法缺点是能量损耗大。图1-10串联镇定电阻的电路（2）改变磁极磁通由式（1-6）可知，电枢电动势与成正比，因而只要设法让磁通随焊接电流If的增大而减小，就可获得下降外特性。1.4.2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）。1.4.3差复激式弧焊发电机这种发电机是利用激磁绕组激磁，用串联绕组去磁（原理图见图1-11）。图1-11差复激发电机原理图激磁磁通和去磁磁通方向相反，它的工作磁通是两者之差，即，而焊接电压为可以看出，随If增加，Uf下降，所以输出为下降外特性。具体调节电流的方法有：（1）改变调节激磁回路中的Rt，即可改变It、Uo和If。（2）改变串联绕组匝数Nc，即可改变Rc。注：它激－激磁与去磁绕组只有磁的联系，无电的联系。并激－激磁与去磁绕组既有磁的联系，又有电的联系。1.4.4裂极式的弧焊发电机这种发电机原理电路图见图1-12。它有两个激磁绕组Wj和Wz，它们从主电刷a和辅助电刷c上获得磁电压。它的结构见图1-13。垂直方向的Nj和Sj称为交极，其上绕有Wj绕组，产生磁通。水平方向的Nz和Sz称为主极，其上绕有W2绕组，产生磁通。从表面上看好象是有两对磁极，但四个磁极的排列顺序却是N-N-S-S，而不同于一般N-S-N-S的顺序。所以实质上看相当于只有一对磁极，如图1-13中虚线所示。也就是交极为前极尖，主极为后极尖，只是前后极尖之间分裂开了而已，故称为裂极式。图1-12裂极式弧焊机原理图图1-13裂极式弧焊机结构示意图焊接电压，由图1-12可以看出，调节外特性可以通过改变激磁回路中的电阻Rb从而调节激磁电流实现，也可以通过移动电刷位置从而改变Nsj匝数实现。1.5硅弧焊整流器和直流弧焊发电机一样，硅弧焊整流器是一种直流弧焊电源，它是利用交流电经变压器、整流器以及外特性调节装置等获得直流焊接电流，和发电机相比有很多优点：①易造好修、节省材料、降低成本、提高效率；②易获得不同形状的外特性，以满足不同焊接工艺的要求；③动特性及输出电流波形易于控制，适应性强；④噪音小。1.5.1硅弧焊整流器的组成为获得脉动小，较平稳的直流电，以及使电网三相负荷平衡，通常都采用三相整流电路，其组成见图1-14。（1）主变压器：作用是降压，将电网电压（三相380V）降至所要求的空载电压；（2）电抗器：控制外特性形状并调节规范参数，它可以是交流电抗器或磁放大器（磁饱和电抗器）（3）整流器：作用是把三相交流电整流成直流。（4）输出电抗器：是接在直流焊接电路中的直流电感（由带空气隙的铁心和线圈构成），作用主要是改善和控制动特性，其次是滤波。图1-14硅弧焊整流器的组成1.5.2分类有电抗器的硅弧焊整流用的电抗器都是磁放大器式的；无电抗器的：主变压器为正常漏磁电源的外特性是平特性，主变压器为增强漏磁式的，不需要外加电抗器就获得下降外特性并调节焊接规范1.5.3磁放大器式弧焊整流器1.5.3.1磁放大器磁放大器实际就是饱和电抗器，它的铁心中没有空气隙和活动铁心，电抗，在电抗器结构一定的情况下，公式中只有铁心材料的磁导率可以调节，而磁导率是随铁心材料的磁饱和程度变化的。所以，在铁心上，除两侧心柱套上电感线圈之外，中心心柱上还设有直流控制绕组。改变后者流过的直流电流的大小，就可改变铁心饱和程度，从而调节磁导率值，进而调节感抗X值。1.5.3.2基本电路基本电路见图1-15。其中CF为无反馈式磁放大器，Nj为交流绕组，Nk为控制绕组，DK为直流电抗器，BZ2为整流二极管，Rf为电弧负载。图1-15无反馈磁放大器式弧焊整流器的基本电路1.5.3.3规范调节Ik与If的关系——，也就是这类电源的调节特性，通过调节控制电流Ik，可以获得焊接所需要的工作电流和电压。1.5.4动线圈式（增强漏磁式）硅弧焊整流器磁放大器式弧焊整流器的最大优点是控制方便，但它的结构比较复杂，而且重量大，用料多，所以生产中也常用其它形式的弧焊整流器，比如动圈式的。结构它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。三相动圈弧焊变压器结构虽与前面介绍过的动圈式弧焊变压器不同，但原理相同，调节线圈位置，初、次级线圈间距离越大，漏磁越多，相当于回路感抗增加，反之则减小。特点它的电磁惯性与弧焊变压器相近，动特性很好，飞溅较少，所以一般可以不用输出电抗器；输出的电流和电压受电网电压和温升的影响也较小；与磁放大器式相比，结构与线路简单，省材、重量轻。缺点是由于线圈可动，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。1.6其它类型弧焊电源随着电子技术，大功率电子元件和集成电路的不断发展，在国内外出现了多种多样的新型电源。它们的主要特点是采用电子电路控制，能够获得弧焊工艺所需的外特性、调节性能、动特性和电压电流波形，从而使弧焊电源个有更加优良的电气性能，同时也更便于实现自动控制，这一节我们就介绍三种主要的新型电源。1.6.1晶闸管式弧焊整流器这是继直流弧焊发电机、硅弧焊整流器之后出现的第三代直流弧焊电源，它是采用晶闸管元件代替硅二极管起整流作用。由于晶闸管本身具有良好的可控性，所以对外特性形状的控制、焊接规范的调节都可通过改变晶闸管的导通角来实现，而不再用磁放大器，它的性能更优于磁放大器式硅弧焊整流器。1.6.1.1晶闸管（SCR）晶闸管具有四个基本特点：⑴正向阻断；⑵可控导通——只有一定条件下才能导通；⑶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；⑷反向阻断。晶闸管导通的基本条件：①阳－阴，接正向电压②控制极和阴极间接正向触发电压1.6.1.2晶闸管弧焊整流器的组成组成如图1-16所示。主电路由主变压器B、晶闸管整流器SCR和输出电感DK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和电流反馈讯号UfI确定；当要求得到平特性时，触发脉冲相位则由给定电压Ugu和电压反馈讯号UfU确定。此外，还有操纵保护电路CB。图1-16晶闸管硅弧焊整流器的组成1.6.1.3晶闸管弧焊整流器的主要特点（1）动特性好——电磁惯性小、反应速度快；（2）控制性能好；（3）电流、电压调节范围大，并能较好的补偿电网电压波动和周围温度的影响；（4）电源输入功率小，体积小，重量轻；（5）噪音小；（6）电路较复杂1.6.2晶体管式弧焊整流器这是继晶闸管弧焊整流器之后的第四代直流弧焊电源。这种电源是在硅整流器的直流回路中串入大功率晶体管组，通过电子控制电路、电弧反馈电路获得所需的外特性，并对它进行精密的控制，形成任意形状的外特性曲线，以适应不同焊接工艺方法的要求。晶体管弧焊电源的主电路如图1-17所示，由三相变压器T、整流器U、电容器组C、大功率晶体管组Trs、分流器Sn等组成。图1-17晶体管弧焊电源主电路原理图三相网络电压经主变压器降压，整流器整流，电容器滤波后，得到所需要的焊接空载电压。大功率晶体管组在焊接主回路中起线性放大调节器的作用，借以控制外特性形状、调节焊接规范和控制电流波形。因为起放大器的作用，所以用很小的电流就可以对电源输出特性进行控制。和晶闸管弧焊电源相比，晶体管弧焊电源有以下优点：①晶体管通断迅速，控制十分灵活，精确度高，既能获得无脉动的直流输出，又能获得任意电流波形。②可以对外特性曲线形状进行任意的控制，以适应各种弧焊方法的需要。③可调工艺参数多，调节范围宽，特别是脉冲电源，能精密地控制电弧能量，以适应各种位置、各种材料和不同厚度和形状捍件的弧焊工艺需要。④弧焊回路时间常数小，动态反应速度极快。借助电子电抗器和脉冲波形的控制，可实现少飞摊或无飞溅的焊接。⑤抗干扰能力强。可对网路电压波动、温度变化和其它因素变化进行有效补偿，保证输出电压、电流的稳定性。⑥脉冲频率高，可以任意调节。⑦对微机控制具有很强的适应能力。它是一种焊接性能十分优良的弧焊电源，可以适应多种弧焊工艺方法的需要，但由于它的电子控制电路复杂，维修技术要求高，成本高，所以它的应用受到限制。1.6.3弧焊逆变器直流→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电气性能的逆变器称为弧焊逆变器。1.6.3.1基本原理和逆变体制弧焊逆变器的变