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1、焊接工艺与设备,南华大学 张元钟,弧焊电源概述,电弧焊是焊接方法中最重要的一个大类 焊条电弧焊设备：弧焊电源、焊钳 埋弧焊设备：弧焊电源、控制箱、小车、送丝机构 气体保护焊和等离子焊：弧焊电源、控制箱、送丝机构、焊枪、气路、水路等。不同的电弧焊需要相应的电弧焊机，而弧焊电源则是电弧焊机中的核心部分。是为焊接电弧提供电能的一种装置。必须具备电弧焊接所要求的电气性能。,弧焊电源的发展趋势,1、IGBT式弧焊逆变器（绝缘栅晶体管）2、数字式控制技术3、短路熔滴过渡电流波形的数字化控制4、多个弧焊电源的组合工作与协同数字化控制，双丝、三丝高速高效MIG/MAG脉冲焊/埋弧焊。,第一章 焊接电弧及基本要
2、求,一、焊接电弧的物理本质和引燃气体原子的激发与电离电子发射接触引弧非接触引弧,二、焊接电弧的伏安特性,1、焊接电弧的结构与压降分布阳极区宽度：10-510-6阴极区宽度：10-310-4弧柱区温度：500050000K阳极区和阴极区压降可视为常数，弧柱区压降与弧长成正比。,2、焊接电弧的电特性焊接电弧的静特性（伏安特性）一定长度的电弧在稳定状态下，电弧电压与电弧电流之间的关系。焊接电弧是非线性负载。Uf=f(If)U形特性曲线由三段组成：段：下降特性 段：平特性 段：上升特性焊条焊、埋弧焊，TIG焊、等离子焊的电弧一般工作在平特性段，MIG焊、水下焊工作在上升段。,焊接电弧的动特性 在一定弧
3、长下，当电弧电流很快变化时，电弧电压与电流瞬时值之间关系。uf=f(if)由于热惯性，电压的变化总是滞后于电流的变化。当电流变化速度越小，静、动特性就越接近。,三、交流电弧,交流电弧在本质上与直流电弧相同，但有如下特点：1、电弧周期性的熄灭与引燃2、电弧电压和电流波形发生畸变3、热惯性作用较为明显,四、焊接电弧的分类及其特点,按电流种类：交流电弧、直流电弧、脉冲电弧按电弧状态：自由电弧、压缩电弧按电极材料：熔化极电弧、非熔化极电弧,第二章 对弧焊电源的基本要求,除了一般对电力电源的要求外，从满足弧焊工艺角度看，应满足以下要求：1、保证引弧容易2、保证电弧稳定3、保证焊参数稳定4、具有足够宽的焊
4、接参数调节范围,为满足上述工艺要求，弧焊电源的电特性就考虑以下四个基本方面：1、对电弧电源空载电压的要求2、对弧焊电源外特性的要求3、对弧焊电源调节性能的要求4、对弧焊电源动特性的要求,一、对弧焊电源空载电压和外特性的要求,1、电源外特性 在电源参数一定的条件下，改变负载时，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。Uy=f(Iy)直流电源Uy 和Iy为平均值，交流电源为有效值。一般直流电源的外特性方程式为 Uy=E-Iyr0 E直流电源的电动势，r0电源的内阻,当内阻r00时，随着Iy增加Uy下降，此时外特性为下倾直线。r0越大外特性下倾程度越大。内阻r0=0时，Uy=E，这
5、时输出电压不随电流变化，电源外特性为平特性或恒压特性。一般负载（如电灯、电炉等），要求r0越小越好，这样当与电源并联的某一个负载变化时，不会影响其他负载的运行。,2、电弧电源系统的稳定性稳定性包含两个方面：1）系统在无外界因素干扰时，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：Uf=Uy，If=Iy为满足上式，电源外特性曲线Uy=f(Iy)与电弧静特性曲线Uf=f(If)必须能够相交。,2）当系统一旦受到瞬时的外界干扰，破坏了原来的静态平衡，造成了焊接参数的变化，但当干扰消失后，系统能够自动地恢复稳定平衡，使焊接规范重新恢复。对于A0点：当某种因素使工作点A0的电弧电流减小
6、If时，电源工作点B1，此时弧焊电源电压为：Uy=Uf+Uy,电弧工作点 B2，此时UyUf，供大于求，使电流增加 If A0（平衡点）同理，当电弧电流增大时，也能使电弧电流自动恢复到平衡点A0。,对于A1点：当电弧电流增加时，同样会出现UyUf，使电流继续增加直至工作点A0达到平衡，不能回到原工作点A1。如果电弧电流减小，则出现相反的情况，电流继续直至电弧熄灭。所以A1不是稳定工作点。以上结论由直流电弧得出，其系统稳定条件同样适于交流弧焊电源。,弧焊电源外特性必须同时满足两个方面的要求：满足“电源电弧”的稳定性；保证焊接工艺参数的稳定。一定形状的电弧静特性需要选择适当形状的弧焊电源外特性与之
7、相配合，才能满足以上两个要求。弧焊电源外特性还关系到电源的引弧性能、熔滴过渡过程和使用安全性。,3、对弧焊电源外特性曲线的要求,不同的焊接方法对弧电源外特性有不同的要求。1）对弧焊电源外特性工作区段曲线的要求焊条电弧焊：要求弧焊电源具有缓降外特性熔化极弧焊：等速送丝：平外特性变速送丝：较陡的下降外特性,不熔化极弧焊：恒流外特性熔化级脉冲弧焊：双阶梯外特性（可控外特性）脉冲阶段：恒流外特性维弧阶段：恒压外特性 这种可控外特性的电源只有电子控制或数字化控制才能得到。,2）对弧焊电源空载电压的要求 确定空载电压的原则保证引弧容易保证电弧的稳定燃烧 U0(1.82.25)Uf保证电弧功率稳定 2.5U
8、0/Uf1.57良好的经济性保证人身安全 在满足弧焊工艺需要、确保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。,对于通用交流和直流弧焊电源的空载电压规定,交流弧焊电源 按照 U0(1.82.25)Uf 焊条电弧焊电源：U0=5570V 埋弧焊电源：U0=7090V直流弧焊电源 与交流电弧焊接近，但下限低10V。为保证人身安全，国家对弧焊电源的空载电压有规定。,3）对弧焊电源稳态短路电流的要求,当Uf=0时对应的电流为稳态短路电流IwdIwd过大时，焊条过热，药皮易脱落、增大金属飞溅。Iwd过小时，电磁压缩推动力不足而使引弧和熔滴过渡困难。对于下降特性的弧焊电源：1.25Iwd/If2
9、,4、弧焊电源外特性形状的分类,下降特性,平特性,二、对电弧电源调节性能的要求,弧焊电源必须具备的可调节性能：Uf和If 的可调1、弧焊电源的调节性能 一定的弧长只有一个稳定工作点，为了调节Uf和If，弧焊电源的外特性必须可以均匀调节，以便与电弧静特性曲线有多个交点，从而得到一系列的稳定工作点。弧焊电源能满足不同工作电压和电流的需求的可调性能电源调节性能,弧焊电源可调外特性曲线,稳定工作条件下，电弧电流If、电压Uf、空载电压U0和等效阻抗Z之间的关系：,不同的焊接方法采用不同的外特性调节方式焊条电弧焊 一般只需调节电流（通过改变阻抗Z），但小电流时也需改变U0，以便引弧。埋弧焊 通过改变空载
10、电压的方式(图2-11a)等送丝气体保护焊 调节阻抗（图2-10b),2、可调参数,下降外特性弧焊电源可调参数1）工作电流If2）工作电压Uf3）最大焊接电流Ifmax4）最小焊接电流Ifmin5）电流调节范围，通常 Ifmax/Ie 1.0 Ifmin/Ie 0.20 Ie 额定焊接电流,平外特性弧焊电源可调参数 1）工作电流If 2）工作电压Uf 3）最大工作电压Ufmax 4）最小工作电压Ufmin 5）工作电压调节范围,3、弧焊电源的负载持续率,何为负载持续率？弧焊电源的输出功率受其温升的限制。温升取决于焊接电流和负荷的状态（长时间连续通电还是间歇通电）T为弧焊电源的工作周期，一个全工作周期定为10min。国家标准规定三种负载持续率：35、60、100%焊条电弧焊一般为60%，轻便型可为15%、25%或35%。自动焊和半自动焊一般取100%或60%。,
