（毕业设计论文）《高频交流电焊机的原理与制造》

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1、1 1 绪论绪论 电焊机是将电能转化为焊接能量，使金属或非金属工件的焊接部分熔融或塑性挤 压，达到原子间的结合，从而实现焊接的一种热加工设备。由于焊接的对象主要是钢 铁，因而电焊机的发展，一般来说，也取决于钢产量的增长，全世界钢产量有一半以 上经过焊接加工，才能付诸于实际应用。 电焊机作为基本的加工设备，广泛应用于国民经济各个部门。例如，全世界一万 条万吨轮，要焊接长达 150KM 的焊缝；一架喷气式飞机，要焊（20-30）个焊点； 4 10 一台 12.5104KW 的锅炉，需焊 17KM 长的焊缝和 15个管子接点；一辆汽车要焊 4 10 10000 多个焊点和数十米长的焊缝。 随着工业和

2、科学技术的发展，各种高熔点、高强度及活泼金属的焊接、合金的焊 接、异种金属及精密复杂结构的焊接，对焊接工艺和设备提出了越来越高的要求。不 同的金属，不同结构的工件，需要相应的焊接工艺和设备来实施焊接。飞机制造业， 需要大容量的直流冲击波和二次侧整流电阻焊机焊接各种铝镁合金板材；造船工业需 要大量的垂直和横向自动弧焊机拼焊船体；汽车工业需要大量的悬挂分体式电焊机、 电阻焊机器人、电弧焊机器人、柔性多电焊机，并利用计算机进行集中控制；锅炉、 石油、化工设备需要大量的埋弧焊机及各种气体保护焊接来焊接高压容器、贮油罐及 不同的管道；电子、仪器仪表工业需要激光、超声波及微束等离子焊机来焊接特薄及 特细的

3、精密工件；大批量生产中，需采取专用焊机或成套焊接设备，以提高焊生产率 和焊接质量。随工业还科学技术的发展，对焊接技术和焊接设备提出了新的要求，并 促其发展，而焊接技术和焊接设备的发展，又推动了工业和科学技术的进一步发展1。 1.11.1电焊机的分类电焊机的分类 不同材料、不同结构的工件，需要采用不同的电弧焊工艺，而不同的电弧焊工艺 则需用不同的电弧焊机。例如：操作方便、应用最为广泛的焊条电弧焊，需要由对电 弧供电的电源装置、焊钳组成的手弧焊机；锅炉、化工、造船等工业广为使用的埋弧 焊，需要由电源装置、控制箱和焊车等组成的埋弧焊机；适用于焊接化学性活泼金属 的气体保护电弧焊，需要由电源装置、控制

4、箱、焊车(自动焊)或送丝机构(半自动焊)、 焊枪、气路和水路系统等组成的气体保护电弧焊：适用于焊接高熔点金属的等离子弧 焊，则需要由电源装置、控制系统、焊枪或焊车(自动焊)、气路和水路系统等组成的 等离子弧焊机。 基本类型按结构形 式分 按电极形 式分 按送丝方 式分 按电源类 别分 按压力传 送方式 按焊接方 式分 埋弧焊机自动焊车 悬挂式机 头 单丝 双丝 多丝 等速送丝 变速送丝 钨极氩弧 焊机 交流 直流 脉冲直流 熔化极气 体保护焊 机 半自动软 管 半自动无 软管 自动焊车 推丝 拉丝 推拉丝 等离子弧 焊机 手工焊炬 自动焊车 电焊机固定式 悬挂式 单点 双点 多点 工频，贮 能

5、直流冲 击波二次 侧整流 气压式 液压式 杠杆式 凸焊机 固定式工频，贮 能直流冲 击波二次 侧整流 气压式 缝焊机固定式 悬挂式 纵缝 横缝 工频，贮 能直流冲 气压式 液压式 击波二次 侧整流 杠杆式 对焊机固定式工频，贮 能直流冲 击波二次 侧整流 气压式 液压式 杠杆式 电渣焊机丝极板极 熔化嘴 单丝 双丝 多丝 等离子弧焊 熔化极气体保护焊机 钨极氩机 埋弧焊机 手工点焊机 电弧焊机 对焊机 缝焊机 凸焊机 点焊机 电阻焊机 摩擦焊机 超声波焊机 激光焊机 电子束焊机 真空扩散焊机 冷压焊机 特种焊机设备 1.21.2 常见电焊机的特点常见电焊机的特点 1.2.1 交流弧焊机 交流弧

6、焊机的形成有弧焊变压器式、电动发电机式和交直流整流器式。但现在国 内外生产和使用的交流电焊机绝大多数是弧焊变压器式。弧焊变压器是一种具有陡降 外特性的特殊降压变压器。根据其获得陡降外特性的发法、电抗器与变压器的结合方 式和调剂电流的方法。交流弧焊机应具备下列基本优点： 1)磁偏吹影响小 2)构造与维修较简单 3)噪音低且造价低 4)重量较小 5)焊着等量的金属耗电量低 1.2.2 旋转直流焊机 旋转直流弧焊机的优点是电弧稳定，可用各种焊条焊接各种碳钢、合金钢和有色 金属；另外，因使用三相电源，网路电源平衡，焊接时对电源网路波动敏感性不大。 旋转直流电焊机除可以用三相感应电动机拖动外，还可以用柴

7、油机拖动，适用于野外 无网路电源的场所和野外战场维修。旋转直流焊机的缺点是制造麻烦、价格贵、体积 大、重、噪声大、有些磁吹现象。 1.2.3 整流弧焊机 弧焊整流器是一种直流弧焊电源。它是把交流电经变压器、整流器以及为获得所 需外特性的调节装置而获得的直流焊接电源。这种直流换焊电源与直流弧焊发电机相 比，制造工艺简单、重量轻、节省材料、效率高、空载损耗小噪声小，使用控制方便， 是一种很有发展前途的直流弧焊电源，它将逐步取代直流弧焊发电机。 弧焊整流器按主回路控制元件的种类，可分为硅弧焊整流器、晶闸管弧焊整流器、 晶体管弧焊整流器。 1.2.4 埋弧焊机 弧焊机的优点主要有生产率高，主要是自动送

8、丝。焊缝质量好，因埋弧焊使用焊 剂，保护性能好。由于是自动的，焊缝光滑均匀，很少有接头。同时，焊剂中还可以 掺入冶金反应的金属元素。节省材料，自动连续送丝，没有焊条头。较厚的金属，不 开坡口即可焊机，因而减少了填充金属。热能利用率高，变形小。埋弧焊能量密度高， 热量集中，填充金属少，可以消耗电能小，热利用率高。由于焊机速度快，焊件热影 响区小，变形也小。劳动条件好，埋弧焊消除了弧光的危害性，故用自动化焊接可大 大改善劳动条件。 埋弧焊机按送丝分类有埋弧自动调节式埋弧焊机，等速送丝式埋弧焊机。按用途 分通用埋弧焊机，专用埋弧焊机。 1.2.5 气体保护焊机 气体保护焊与其他焊接方法相比有很多的优

9、越性。与手工焊相比，它可以连续送 丝，无焊条头，可以节约填充金属；生产率高，可以节约工时。由于不熔化焊剂，热 的有效利用率高，焊同样的工件，电能消耗少；热量集中，热影响小，工件变形也小， 并易实现自动化。与埋弧焊机相比，弧光可见，便于观察操作；不熔化焊剂，可以节 约电能；焊接较薄的厚度的工件，比埋弧焊更合适；不须打渣就可以提高生产率，节 约工时。 1.2.6 电阻焊机 电阻焊的优点： 熔合形成时，始终被塑性环包围，熔化金属与空气隔绝，冶金过程简单。加热时 间短、热量集中，故热影响区小，变形与应力夜宵，通常在不必安排校正和热处理工 序。不需要焊丝、焊条等填充金属，焊接成本低。操作简单，易于实现机

10、械化和自动 化，改善劳动条件。生产率高，且无噪声及有害气体，在大批量生产中，可以和其他 制造工序一起编到组装线上，但是闪光对焊机有火花喷溅，需要隔离。 1.2.7 等离子弧焊机 等离子焊机具有温度高能量集中，有高的导电和导热性能，具有较大的冲击力， 比一般的电弧要稳定，各项有关参数的调节范围广。等离子弧焊的结构:非转移型等离 子弧 ，转移型等离子弧，联合型等离子弧。 1.2.8 电子束焊机 电子束具有功率密度高，精确、快速的可控性。基于电子束的特点和正空条件， 电子束焊机有以下特点： 电子束穿透能力强，焊缝深度比大。焊接速度快，热影响小，焊接变形小。真空 电子束焊接不仅可以防止熔化金属受到氧、

11、氮等有害气体的污染。电子束可以真空中 传到较远的位置上进行焊接，因而也可以焊接难以接近部位的焊机。通过电子束的偏 移，可以实现复杂接缝的自动焊接。可以通过电子束扫描熔池来消除缺陷，提高接头 质量。 缺点是： 设备比较复杂，费用比较高。焊接前对接头的加工、装配要求严格，要保证接头 位置准确、间隙小而且均匀，较为费时。真空电子束焊接时，被焊工件尺寸和形状常 常受到工作室的影响。电子束易受杂散电子场的影响，影响焊接质量。电子束焊接时 产生的 X 射线需要严加的防护，可以保证操作人员的健康和安全。 1.2.9 逆变弧焊机 高效节能的特点：弧焊逆变器由于体积小，铜耗和铁耗随耗用材料减少而大为降 低，无功

12、功率损耗减少。因此，这种弧焊电源的效率高，可以达到80一90，功率 因数可达0.99；空载损耗极小，比传统弧焊电源节电13以上。 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15110；整机体积也只有传统弧焊电源的13左 右。 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。 缺点是设备费用较低，但对制造技术要求较高。设备的体积的重量都小，零件使 用不多，材料消耗少，适合于大规模生产，相对于传统产品，运输成本得

13、到了降低。 但是在生产制造中要求对产品性能进行完全的测试以保证产品质量1。目前逆变弧焊 机已经成为重要的发展方向，有必要对其进行更为详细地讨论。 1.31.3 逆变式弧焊机的发展历史逆变式弧焊机的发展历史 现代焊接设备的发展与电力电子技术和器件的发展密切相关。 50年代末，功率半 导体二极管开始用于焊接电源，所构成的弧焊整流器明显优于弧焊发电机。70年代初， 由晶闸管（SCR）构成的可控整流式弧焊机的出现标志着现代电力电子技术开始进入焊 接电源设备领域。SCR弧焊机的电气特性和工艺特性优于二极管整流弧焊机，是当时广 泛应用的一种重要焊接电源设备。70年代性能优良（的自关断电力电子开关器件：功

14、率晶体管（GTR），功率场效应管（MOSFET），绝缘栅晶体管（IGBT），可关断晶闸管 （GTO）等相继出现。70年代末开始出现晶闸管式逆变弧焊机并主要应用于TIG和手工 电弧焊，后来又推广到CO2、 MAG等焊接方法和切割。1982年，华中到80年代中，南理 工大学访问学者在德国首先研制成功场效应管式弧焊逆变器，其应用领域从TIG到手工 电弧焊、气体保护焊以及切割，促进了焊接设备更新换代的发展.。80年代末又出现 IGBT式逆变焊机，主要应用于各种电弧焊和切割。以功率晶闸管、晶体管、 MOSFET、IGBT等为开关器件的新一代弧焊逆变器，采用高频PWM开关技术和微电子控制 技术，淘汰了笨重

15、的工频变压器和笨拙的电磁控制方式。它不仅具有高效节能、体积 小、重量轻、多功能、多用途等优点，而且具有良好的动、静态特性和工艺特性。因 而，新一代的弧焊逆变器自问世以来，受到广泛的重视，发展迅猛。1989年世界焊接 与切割博览会（埃森博览会）上有30多家厂商展出了弧焊逆变器。1993年的埃森会上， 绝大多数的厂商都展出了弧焊逆变器及设备。据IIW XIIC 1993年11月所作的调查，逆 变式焊机在日、美、欧等地使用的焊机中占17%，其中在气体保护焊和TIG焊中占30%以 上。到了1996年，日本日立公司的IGBT逆变焊机已占MIG/MAG焊机的70%，占TIG焊机的 95%以上，占切割机的1

16、00%，日本松下，大阪变压器公司的逆变式焊机都超过50%。以 IGBT，MOSFET等为开关器件的弧焊逆变器，有着广泛的应用前景，是当前国际焊接电 源设备发展的主流和方向。 在我国，逆变式焊机的研究工作始于 80年代初，紧跟国际研究开发的进程，水平 差距也不大，已形成三代产品。第一代是以SCR为主开关器件的弧焊逆变器，其逆变频 率2000-5000Hz。第二代是以GTR或MOSFET为主开关器件的弧焊逆变器，其逆变频率为 20kHz-50kHz。第三代为IGBT弧焊逆变器，逆变频率为20kHz-30kHz。到90年代初，多 个规格的一、二、三代的弧焊逆变器已在多所高校和研究所研究成功，并逐渐进入小 批量生产，但大批量生产和大面积推广应用逆变式焊机却比较缓慢。能进行批量生产 厂家为数不多，并开始于大约90年代中后期。 1.41.4 未来研究重点和热点未来研究重点和热点 弧焊逆变器的功率增大与可靠性。大功率小型化是弧焊逆变器的发展趋势之一。 大功