《焊工工艺第3版》课件-模块二焊接电弧与弧焊电源

AiPPT20XX.X模块二焊接电弧与弧焊电源01焊接电弧基础焊接电弧是在两电极之间的气体介质中产生强烈而持久的气体放电现象，是电弧焊的关键能源。在电弧焊里，焊接电弧由焊接电源供给，作为焊接回路中的负载。正常情况下，气体呈中性，无法导电，电弧也不能自发产生。要形成焊接电弧，需在一定电场力作用下，将电弧所在空间的气体电离，使中性气体分子或原子变为带正电荷的正离子和带负电荷的负离子（电子），同时阴极要发射电子，这两者是电弧产生和维持的必要条件。电弧焊主要利用电弧热能熔化焊接材料和母材，实现金属连接。焊接电弧的概念弧焊电源接通后，将电极（焊条或焊丝）与焊件直接短路接触，然后迅速将焊条或焊丝提起（2-4mm）从而引燃电弧，此为接触引弧，主要应用于焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊等。接触引弧又分为划擦法引弧和直击法引弧两种。引弧时，电极与焊件接触，回路电流增大到最大值，因电极表面不平整，接触部分电流密度极大，使接触部分金属熔化甚至汽化。迅速提起焊条或焊丝时，强大电流从熔化金属细颈通过，细颈部分液体金属温度迅速升高直至气化爆断，两极液体金属分开。此时间隙中气体温度增高，气体强烈电离，促使阴极发射电子，从而引燃电弧。在拉开电极瞬间，弧焊电源电压由短路时的零值增高到引弧电压值所需的时间称为电压恢复时间，该时间对焊接电弧的引燃及焊接过程中电弧的稳定性意义重大，电弧焊时，电压恢复时间越短越好，一般不超过0.05s。01接触引弧引弧时电极与焊件之间保持一定间隙，然后在电极和焊件之间施以高电压击穿间隙，使电弧引燃，这种引弧方式就是非接触引弧。该方法一般借助高频或高压脉冲装置，在阴极表面产生强场发射，发射出来的电子流与气体介质撞击，使其电离导电。非接触引弧主要应用于钨极氩弧焊和等离子弧焊。02非接触引弧焊接电弧的引燃02焊接电弧的组成及特性电弧电压阳极区在靠近阳极的地方，与焊接电源正（+）极相连，比阴极区宽一些。阳极区有一个发亮的斑点，叫做“阳极斑点”，是电弧放电时，正电极表面上接收电子的微小区域。当两极材料为钢铁时，“阳极斑点”的温度为2600℃左右，产生的热量占电弧总热量的43%。阳极区弧柱区在电弧的中部，长度较长，电弧长度一般指弧柱区的长度。弧柱区的温度可达5730-7730℃，但热量只约占电弧总热量的21%，其温度与气体介质的种类有关，通常中心部分弧柱的热量大部分被辐射，所以焊接时应尽量压低电弧，以充分利用热量。弧柱区阴极区位于靠近阴极的地方，与焊接电源负（-）极相连，区域很窄。阴极上有一个非常亮的斑点，称作“阴极斑点”，是集中发射电子的地方。当两极材料均为钢铁时，“阴极斑点”的温度约为2400℃，产生的热量约占电弧总热量的36%。阴极区电弧两端（两电极）之间的电压就是电弧电压。当弧长一定时，电弧电压由阴极压降、阳极压降和弧柱压降组成。用交流电焊机时，电源极性周期性改变，电极交替为阴极或阳极，两个电极区的温度趋于一致，近似于它们的平均值。焊接电弧的组成及温度分布电弧静特性曲线在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧时，焊接电流与电弧电压变化的关系被称为电弧静特性，也叫电弧的伏-安特性。普通电阻的电阻值是常数，遵循欧姆定律，其静特性曲线表现为一条直线，而焊接电弧相当于一个电阻性负载，但其电阻值不是常数，电弧两端的电压与通过的焊接电流不成正比关系，呈U形曲线关系。电弧静特性曲线分为三个区域，当电流较小时（曲线中的ab区），电弧静特性属下降特性区，即随着电流增大，电压减小；当电流稍大时（曲线中的bc区），电弧静特性属平特性区，电流变化时，电压几乎不变；当电流较大时（曲线中cd区），电弧静特性属上升特性区，电压随电流的增大而增大。一般来说，电弧电压与电弧长度密切相关，电弧长度增加时，电弧电压升高，其静特性曲线的位置也随之上升。电弧静特性曲线的应用不同的电弧焊方法，在一定条件下，其静特性只是曲线的某一区域。静特性的下降特性区由于电弧燃烧不稳定很少被采用。焊条电弧焊的静特性一般工作在平特性区，电弧电压只随弧长变化，与焊接电流关系很小；钨极氩弧焊在小电流区间焊接时，静特性一般工作在下降特性区，大电流区间焊接时，工作在平特性区；细丝熔化极气体保护电弧焊由于电流密度很大，静特性基本上工作在上升特性区；埋弧焊在正常电流密度下焊接时，静特性为平特性区，采用大电流密度焊接时，静特性为上升特性区。电弧的静特性03焊接电弧的稳定性焊条药皮或焊剂的影响焊接处清洁程度的影响弧焊电源的影响气流的影响磁偏吹的影响及控制在正常焊接时，电弧中心轴线沿焊条（丝）电极的轴线方向，即便焊条（丝）与焊件有一定倾角，电弧也会跟着电极轴线方向改变。但实际焊接中，会出现电弧中心偏离电极轴线方向的现象，即电弧偏吹。电弧偏吹会使电弧轴线难以对准焊缝中心，影响焊缝成形和焊接质量。造成电弧偏吹的原因除气流干扰、焊条偏心影响外，主要是磁场作用。直流电弧焊时，因受到焊接回路所产生的电磁力的作用而产生的电弧偏吹称为磁偏吹，它是由于直流电所产生的磁场在电弧周围分布不均匀引起的。造成电弧产生磁偏吹的因素包括导线接线位置、铁磁物质、电弧运动至焊件的端部等。例如导线接在焊件一侧，会造成电弧两侧磁力线分布不均匀，使电弧向一侧偏吹；铁磁物质存在时，会使电弧向铁磁物质一侧偏吹；电弧运动至焊件端部时，会因导磁面积变化产生磁偏吹。防止或减小焊接电弧磁偏吹的措施有调整焊条角度，使焊条偏吹方向转向熔池；采用短弧焊接；在焊缝两端加引弧板及引出板；改变焊件上导线接线部位或在焊件两侧同时接地线；采用小电流焊接。0102030405在露天、特别是野外大风中操作时，空气流速快，会明显影响电弧稳定性，造成严重的电弧偏吹而无法进行焊接；在进行圆管焊接时，空气在圆管中流动速度较大，形成“穿堂风”，使电弧发生偏吹；在开坡口的对接接头第一层焊缝的焊接时，如果接头间隙较大，在热对流的影响下也会使电弧发生偏吹。焊接电流种类和极性会影响电弧的稳定性。采用直流电源比交流电源焊接时电弧燃烧更稳定；电源反接比电源正接的电弧燃烧稳定；具有较高空载电压的焊接电源不仅引弧容易，而且电弧燃烧也稳定。不管采用直流电源还是交流电源，为保证电弧稳定燃烧，都要求电焊机具有良好的工作特性。焊条药皮或焊剂中含有一定量电离电压低的元素（如K、Na、Ca等）或它们的化合物时，电弧的稳定性较好，这类物质被称为稳弧剂。如果焊条药皮或焊剂中含有不易电离的氟化物、氯化物时，会降低电弧气氛的电离程度，使电弧的稳定性下降。厚药皮的优质焊条比薄药皮焊条电弧稳定性好，当焊条药皮局部剥落或用潮湿、变质的焊条焊接时，电弧很难稳定燃烧，且会导致严重的焊接缺陷。焊接处若有铁锈、水分及油污等脏物存在时，它们吸热分解，减少了电弧的热能，会严重影响电弧的稳定燃烧，并影响焊缝质量，所以焊前应将焊接处清理干净。焊接电弧稳定性的影响因素04弧焊电源的要求与类型弧焊电源稳态短路电流是弧焊电源所能稳定提供的最大电流，即输出端短路（电弧电压Uh=0）时的电流。在引弧和金属熔滴过渡时，经常发生短路。稳态短路电流太大，焊条过热，易引起药皮脱落，增加熔滴过渡时的飞溅；稳态短路电流太小，会因电磁收缩力不足使引弧和焊条熔滴过渡产生困难。对于下降外特性的弧焊电源，一般要求稳态短路电流Iwd=(1.25-2.0)Ih（Iwd为稳态短路电流，Ih为焊接电流）。对弧焊电源稳态短路电流的要求当弧焊电源通电而焊接回路为开路时，弧焊电源输出端电压称为空载电压。空载电压的确定需遵循电弧稳定性、经济性和安全性原则。为保证引弧容易，电弧稳定燃烧，需具有较高的空载电压；但电源的额定容量和空载电压成正比，空载电压越高，电源容量越大，制造成本越高；过高的空载电压还会危及焊工安全。因此，在确保引弧容易、电弧稳定燃烧的前提下，应尽量降低空载电压，一般空载电压不大于100V。对弧焊电源空载电压的要求弧焊电源的外特性是指弧焊时，在稳定状态下，弧焊电源输出电压与输出电流之间的关系，也称为弧焊电源的伏-安特性，可由曲线表示，即弧焊电源的外特性曲线。弧焊电源的外特性基本有三种类型：下降外特性，随着输出电流的增大，输出电压减小；平外特性，输出电流变化时，输出电压基本不变；上升外特性，随着输出电流增大，输出电压随之增大。焊条电弧焊时，为保证焊接电弧稳定燃烧和焊接参数稳定，电源外特性曲线与电弧静特性曲线必须相交，由于焊条电弧焊电弧静特性曲线的工作段在平特性区，所以具有下降外特性曲线的电源能满足焊条电弧的稳定燃烧，且陡降外特性电源在电弧长度变化时更有利于焊接参数稳定，使电弧更稳定。钨极氩弧焊、等离子弧焊的静特性与焊条电弧焊相似，一般焊条电弧焊电源均可作为它们的电源使用。熔化极气体保护焊可采用平外特性、下降外特性电源，埋弧焊可采用下降外特性电源。弧焊电源外特性的要求对弧焊电源的基本要求在焊接中，由于焊接材料的性质、厚度，焊接接头的形式、位置，及焊条、焊丝直径等不同，焊接电流必须可调。焊机中电流的调节通过改变弧焊电源外特性曲线位置来实现。弧焊电源外特性曲线与电弧静特性曲线的交点是电弧稳定燃烧点，为获得一定范围所需的焊接电流，要求弧焊电源具有可以均匀改变的外特性曲线族，以便与电弧静特性曲线相交，得到一系列稳定工作点，从而获得对应的焊接电流，这就是弧焊电源的调节特性。对弧焊电源调节特性的要求焊接过程中，电弧不断变化，弧焊电源的动特性是指弧焊电源对焊接电弧的动态负载所输出的电流、电压对时间的关系，它表示弧焊电源对动态负载瞬间变化的反应能力。动特性合适时，引弧容易、电弧稳定、飞溅小、焊缝成形良好，是衡量弧焊电源质量的一个重要指标。对弧焊电源动特性的要求对弧焊电源的基本要求交流弧焊电源一般指弧焊变压器，即交流电焊机。弧焊变压器是具有陡降外特性的特殊降压变压器，通过在焊接回路中串联一个可调电感来获得下降外特性，此电感可以是独立的电抗器，也可利用弧焊变压器本身的漏磁代替。这类电焊机结构简单、便于制造、使用可靠、易于维修、节约电能、价格低廉、电流范围大，但电弧稳定性差、功率因数低。弧焊变压器分为串联电抗式弧焊变压器（同体式、分体式）、增强漏磁式弧焊变压器（动铁式、动圈式、抽头式），不同结构型式的弧焊变压器在应用和特点上有所不同，如动铁式结构简单、体积小、易制造、较经济、引弧容易，宜做成中小容量焊机；动圈式振动小、电弧燃烧稳定、消耗电工材料多，经济性较差，适合制成中等容量的弧焊电源。直流弧焊电源经历了旋转直流弧焊机、弧焊整流器和逆变弧焊机等发展阶段，旋转直流弧焊机已被淘汰。弧焊整流器有硅弧焊整流器、晶闸管弧焊整流器、晶体管弧焊整流器，其中晶闸管弧焊整流器性能优异，应用普遍。晶闸管弧焊整流器利用晶闸管整流，可获得所需的外特性及调节电压和电流，完全用电子电路实现控制功能。其动特性好，反应快；电流、电压可在较宽范围内精确、快速调节，能获得多种外特性并进行无级调节；结构简单，电源输入功率小，节能、省料；能较好地补偿电网电压波动和周围温度的影响，对于较低的焊接速度可采用微机控制。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。交流弧焊电源直流弧焊电源常用弧焊电源逆变式弧焊电源也称弧焊逆变器，是利用逆变技术研制的新型、高效、节能的弧焊电源，具有较高综合指标，可分为晶闸管（SCR）式、晶体管（GTR）式、场效应晶体管（MOSFET）式、绝缘门栅极晶体管（IGBT）式四代产品。弧焊逆变器主要由输入整流器、逆变器、中频变压器、输出整流器、电抗器及电子控制电路等部件组成，采用单相或三相50Hz工频交流电，经整流、滤波变为直流电，再由逆变电路变为高压中频（几千到几十万赫兹）交流电，降压后变为低压交流电或直流电，常把弧焊逆变器称为逆变弧焊整流器，其基本原理为交流—直流—交流—直流。弧焊逆变器高效节能，功率因数高，空载损耗极小，效率可达80%-90%；质量小、体积小，中频变压器质量只为传统弧焊电源降压变压器的几十分之一，整机质量仅为传统式弧焊电源的1/10-1/5；具有良好的动特性和弧焊工艺性能；调速快，所有焊接参数均可无级调节；具有多种外特性，能适应各种弧焊方法的需要；可用微机或单旋钮控制调节；设备费用较低，但对制造技术要求较高。可用于焊条电弧焊、各种气体保护焊、等离子弧焊、埋弧焊、管状焊丝电弧焊等多种方法，还可适用于机器人弧焊电源，是目前应用最广泛的焊接设备。脉冲弧焊电源输出的焊接电流是周期变化的脉冲电流，专为焊接薄板和热敏感性强的金属及全位置焊接设计。它最大特点是能提供周期性脉冲焊接电流，包括基本电流（维弧电流）和脉冲电流；可调参数多，能有效控制热输入和熔滴过渡；应用范围广泛，已用于熔化极和非熔化极电弧焊、等离子弧焊等焊接方法。逆变式弧焊电源脉冲弧焊电源常用弧焊电源电焊机型号的编制方法我国电弧焊机型号采用汉语拼音字母和阿拉伯数字表示，如BX1-300为具有陡降外特性的动铁心漏磁式交流弧焊变压器，额定焊接电流为300A；ZX5-250为具有陡降外特性的晶闸管式弧焊整流器，额定焊接电流为250A；ZX7-400IGBT为具有陡降外特性的逆变弧焊整流器，额定焊接电流为400A。电焊机的主要技术特性每台弧焊电源都有铭牌说明其技术特性，包括一次电压、相数、额定输入容量、输出空载电压和工作电压、额定焊接电流和焊接电流调节范围、负载持续率等。一次电压、容量、相数说明弧焊电源接入电网时的要求；输出空载电压表示弧焊电压输出端的空载电压；负载持续率是指焊机负载时间占选定工作周期时间（焊机负载时间+空载时间）的百分率，我国标准规定，对于焊接电流在500A以下的弧焊电源，以5min（其他电弧焊和机械化操作电弧焊机为10min）为一个工作周期时间计算负载持续率，焊工必须按规定的负载持续率使用，否则弧焊电源容易发热甚至烧损；许用焊接电流是弧焊电源在规定的负载持续率下允许使用的焊接电流，使用时不能超过该值，否则会因温升过高烧毁电焊机。使用弧焊电源时的注意事项弧焊电源接入网路时，网路电压必须与其一次电压相符；外壳必须接地或接零；改变极性和调节焊接电流必须在空载或切断电源的情况下进行；应放在通风良好而又干燥的地方，不要靠近高热地区，并保持平稳；严格按额定焊接电流和负载持续率使用，不要使其在过载状态下运行；露天使用时，要防止灰尘和雨水浸入电焊机内部；定期清扫灰尘；当电焊机发生故障或有异常现象时，应立即切断电源，然后及时进行检查修理；新安装或闲置已久的焊接电源，在起动前要做绝缘程度检查；焊接作业完成或临时离开工作现场时，必须及时切断焊机的电源。电焊机的基本知识05常用弧焊电源弧焊变压器是具有陡降外特性的特殊的降压变压器

。获得下降外特性的方法

是在焊接回路中串联一个可调电感

。此电感可以是一个独立的电抗器,也可以利

用弧焊变压器本身的漏磁来代替

。这类电焊机具有结构简单

、便于制造

、使用可

靠

、易于维修

、节约电能

、价格低廉

、

电流范围大等优点,但弧焊变压器电弧稳

定性差

、功率因数低

。交流弧焊电源1.晶闸管弧焊整流器的原理晶闸管弧焊整流器是利用晶闸管来整流,可获得所需的外特性及调节电压和

电流,而且完全用电子电路来实现控制功能

。2.晶闸管弧焊整流器的特点动特性好,反应快;电流

、

电压可在较宽的范围内精确

、快速地调节,能获

得多种外特性并

对

其

进

行

无

级

调

节;结

构

简

单,电

源

输

入

功

率

小,节

能

、省

料;能较好地补偿电网电压波动和周围温度的影响,对于较低的焊接速度可采用微机

控制

。直流弧焊电源常用的弧焊电源按结构原理可以分为四大类逆变式弧

焊

电

源

也

称

为

弧

焊

逆

变

器,是

一

种

新

型

、高

效

、节

能

的

弧

焊

电

源,它是利用逆变(即将直流电变换成交流电)技术研制的一种具有发展前景的弧焊电源,具有较高的综合指标

。逆变式弧

焊

电

源

可

分

为

四

代

产

品:晶

闸

管(SCR)式

、

晶

体

管(GTR)式

、

场效应晶体