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1、第第2章章 对弧焊电源的根本要求对弧焊电源的根本要求 2.1 对弧焊电源外特性的要求对弧焊电源外特性的要求2.2 对弧焊电源调理性能的要求对弧焊电源调理性能的要求2.3 对弧焊电源动特性的要求对弧焊电源动特性的要求 本章论述了对弧焊电源的根本要求，着重讨论弧焊工艺对弧焊电源的空载电压、外特性、调理性能和动特性的要求。内容提要内容提要 l 弧焊工艺对电源的要求弧焊工艺对电源的要求l 弧焊电源需具备对弧焊工艺的顺应性，即弧焊电源需具备对弧焊工艺的顺应性，即满足弧焊工艺对弧焊电源的下述要求：满足弧焊工艺对弧焊电源的下述要求： l 1保证引弧容易。保证引弧容易。l 2保证电弧稳定。保证电弧稳定。l 3
2、保证焊接参数稳定。保证焊接参数稳定。l 4具有足够宽的焊接参数调理范围。具有足够宽的焊接参数调理范围。l 弧焊电源的电气性能弧焊电源的电气性能l 为满足上述工艺要求，弧焊电源的电气性能应思索以下为满足上述工艺要求，弧焊电源的电气性能应思索以下四个方面四个方面 ：l 1对弧焊电源空载电压的要求。对弧焊电源空载电压的要求。l 2对弧焊电源外特性的要求。对弧焊电源外特性的要求。l 3对弧焊电源调理性能的要求。对弧焊电源调理性能的要求。l 4对弧焊电源动特性的要求。对弧焊电源动特性的要求。2.1 对弧焊电源外特性的要求对弧焊电源外特性的要求2.1.1 电源的外特性电源的外特性在电源参数一定的条件下，改
3、动负载时，在电源参数一定的条件下，改动负载时，电源输出的电压稳定值电源输出的电压稳定值 与输出的电与输出的电流稳定值流稳定值 之间的关系之间的关系 ，称，称为电源的外特性。对于直流电源，为电源的外特性。对于直流电源， 和和 为平均值，对于交流电源那么为有效值。为平均值，对于交流电源那么为有效值。 普通直流电源的外特性方程式为：普通直流电源的外特性方程式为：普通直流电源的外特性普通直流电源的外特性 图2-1 普通直流电源的外特性 2.1.2 “电源一源一电弧系弧系统的的稳定定性性l在电弧焊接过程中，电源起供电作用，电弧作为供电对象而用电，从而构成l “电源一电弧系统。l所谓“电源一电弧系统的稳定
4、性应包含两方面的含义： l 1系统在无外界要素干扰时，能在给定电弧 电压和电流下，维持长时间的延续电弧放 l 电，坚持静态平衡。l Uf 和If 为电弧电压和电弧电流的稳定值。 l 2当系一致旦遭到瞬时的外界干扰，破坏了原来的静态平衡，呵斥了焊接参数的变化。但当干扰消逝之后，系统可以自动地恢复稳定平衡，使得焊接参数重新恢复。 l “电源电弧系统的稳定条件是 ：图2-2 “电源电源系统电路的电路图2.1.3.1 对弧焊电源外特性任务区对弧焊电源外特性任务区 段外形的要求段外形的要求l焊条电弧焊焊条电弧焊 在焊条电弧焊中，普通是任务于电弧静特在焊条电弧焊中，普通是任务于电弧静特性的程度段上。采用下
5、降外特性的弧焊电源，便可以满足性的程度段上。采用下降外特性的弧焊电源，便可以满足系统稳定性的要求。系统稳定性的要求。 l熔化极弧焊熔化极弧焊 熔化极弧焊包括埋弧焊、混合气体维护焊熔化极弧焊包括埋弧焊、混合气体维护焊(MAG)等。这些弧焊方法，不仅要根据其电弧静特性的外等。这些弧焊方法，不仅要根据其电弧静特性的外形，而且还要思索送丝的方式来选择适宜的弧焊电源外特形，而且还要思索送丝的方式来选择适宜的弧焊电源外特性任务部分的外形。性任务部分的外形。 熔化极弧焊可分为两种熔化极弧焊可分为两种 根据送丝方式不同，熔化极弧焊可分为两种：1等速送丝控制系统的熔化极弧焊 CO2MAG、MIG焊或细丝(直径)
6、的直流埋弧焊，电弧静特性均是上升的。弧焊电源外特性为下降、平、微升(但上升的陡度需小于电弧静特性上升的陡度)都可以满足“电源一电弧系统稳定条件。 2变速送丝控制系统的熔化极弧焊 通常的埋弧焊(焊丝直径大于3mm)和一部分MIG焊，它们的电弧静特性是平的。 图2-5 电弧静特性为上升外形时电源外特性对电流偏向的影响 图2-6 等速送丝a控制系统表示图 b弧焊电源外特性与电弧静特性l非熔化极弧非熔化极弧焊 这种弧种弧焊方法包括方法包括钨极极氩l 弧弧焊(TIG)、非熔化极等离子弧、非熔化极等离子弧焊以及非熔以及非熔l 化极脉冲弧化极脉冲弧焊等。它等。它们的的电弧静特性任弧静特性任务部分呈部分呈l
7、平的或略上升的外形。平的或略上升的外形。l熔化极脉冲弧熔化极脉冲弧焊 普通采用等速送普通采用等速送丝，利用，利用“电源一源一电弧弧系系统的本身的本身调理作用来理作用来稳定定焊接参数，接参数，维弧弧阶段和脉冲段和脉冲阶段分段分别任任务于两条于两条电源外特性上。根据不同的源外特性上。根据不同的焊接工接工艺要求，脉冲要求，脉冲电弧和弧和维弧弧电弧的任弧的任务点也可以分点也可以分别在恒在恒压和和恒流特性段，或者恣意恒流特性段，或者恣意组合，即所合，即所谓可控外特性。可控外特性。 图2-7 变速送丝a控制安装表示图 b弧焊电源与电弧静特性2.1.3.2 对弧焊电源空载电压的要求对弧焊电源空载电压的要求
8、l弧焊电源空载电压确实定应遵照以下几项原那么： l 1保证引弧容易l 2保证电弧的稳定熄灭l 3保证电弧功率稳定l 4要有良好的经济性l 5保证人身平安l 对于通用的交流和直流弧焊电源的空载电压规定如下： l 交流弧焊电源：为了保证引弧容易和电弧的延续熄灭，l通常采用l (18225)l 焊条电弧焊电源 ： l 埋弧焊电源：l 直流弧焊电源： 直流电弧比交流电弧易于稳定。但为了容易引弧，普通也取接近于交流弧焊电源的空载电压，只是下限减少10 V。 1. 在不同任务条件下的额定空载电压不允在不同任务条件下的额定空载电压不允许超越其如下规定的平安规范许超越其如下规定的平安规范l触电危险性较大的环境
9、：直流113V峰值、交流68V峰值和48V有效值。l触电危险性不大的环境：直流113V峰值、交流113V峰值和80 V有效值。l对操作人员加强维护的机械夹持焊炬情况下：直流141V峰值、交流141V峰值和100 V有效值。l等离子切割：直流500V峰值。2. 综合思索引弧、稳弧工艺需求，空载电压通综合思索引弧、稳弧工艺需求，空载电压通常详细要求如下常详细要求如下 l 弧焊变压器 ： 80 Vl 弧焊整流器、弧焊逆变器： 85 Vl 弧焊发电机 ： 100 Vl 普通规定空载电压不得超越100 V，在特殊用途中，假设超越100 V时必需备有自动防触电安装。 2.1.3.3 对弧焊电源稳态短路电流
10、的要求对弧焊电源稳态短路电流的要求l 当电弧引燃和金属熔滴过渡到熔池时，经常发生短路。假设稳态短路电流过大，会使焊条过热，药皮易零落，使熔滴过渡中有大的积存能量而添加金属飞溅。但是，假设短路电流不够大，会因电磁紧缩推进力缺乏而使引弧和焊条熔滴过渡产生困难。对于下降特性的弧焊电源，普通要求稳态短路电流对焊接电流的比值范围为： 2.1.4 弧焊电源外特性外形的分类弧焊电源外特性外形的分类l从电弧焊接工艺的要求出发，目前已研制出具有各种各样外特性外形的弧焊电源。2.1.4.1 下降特性下降特性l这种外特性的特点是，当输出电流在运转范围内添加时，其输出电压随着输出电流的添加而急剧下降。其任务部分每添加
11、100A电流，其电压下降普通应大于7V。根据斜率的不同又分为垂直下降恒流特性、缓降特性和恒流带外拖特性等。 l垂直下降恒流特性垂直下降恒流特性 垂直下降特性也叫恒流特性。其特点是，垂直下降特性也叫恒流特性。其特点是，在任务部分当输出电压变化时输出电流几乎不变在任务部分当输出电压变化时输出电流几乎不变 。l缓降特性缓降特性 其特点是当输出电压变化时，输出电流变化较恒流特其特点是当输出电压变化时，输出电流变化较恒流特性的大。性的大。 l恒流带外拖特性恒流带外拖特性 其特点是在其任务部分的恒流段，输出电流根其特点是在其任务部分的恒流段，输出电流根本上不随输出电压变化。本上不随输出电压变化。 2.1.
12、4.2 平特性平特性l平特性有两种：一种是在运转范围内，随着电流增大，电弧电压接近于恒定不变又称恒压特性或稍有下降，电压下降率小于7V/100A，见表2-1的图e；另一种是在运转范围内随着电流增大，电压稍有添加有时称上升特性，电压上升率应小于10V/100A。 2.1.4.3 双阶梯形特性双阶梯形特性l 这种特性的弧焊电源用于脉冲电弧焊。维弧阶段任务于L形特性上，而脉冲阶段任务于形特性上。由这两种外特性切换而成双阶梯形特性，或称框形特性 。图2-8 双阶梯形特性 表2-1 弧焊电源外特性外形的分类及其运用范围2.2 对弧焊电源调理性能的要求对弧焊电源调理性能的要求 l焊接时需根据被焊工件的材质
13、、厚度与坡口方式等选用不同的焊接参数。而与弧焊电源有关的焊接参数是电弧任务电压和任务电流。为满足所需的电弧任务电压和任务电流， 弧焊电源必需具备可以调理的性能。2.2.1 弧焊电源的调理性能弧焊电源的调理性能l电弧电压和电流是由电弧静特性和弧焊电源外特性曲线相交的一个稳定任务点决议的。同时，对应于一定的弧长，只需一个稳定任务点。因此，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需可以均匀调理，以便与电弧静特性曲线在许多点相交，从而得到一系列的稳定任务点 。l在稳定任务的条件下，电弧电流、电压、l空载电压和等效阻抗之间的关系，可用l下式表示：ll 或者1. 改动等效阻抗时的外特性改动
14、等效阻抗时的外特性 图2-10 改动等效阻抗时的外特性a下降外特性 b平外特性 2. 改动空载电压时的外特性改动空载电压时的外特性 图2-11改动空载电压时的外特特性 a) 下降外特性 b) 平外特性2.2.1.1 焊条电弧焊焊条电弧焊l 这种焊接方法所用为电流，它的调理范围不大，即使电弧电压不变，也能保证得到所要求的焊缝成形，所以在焊接不同厚度的工件时，电弧电压普通是坚持不变的，只调理焊接电流，普通要求交流弧焊电源空载电压为：l。 1. 焊条电弧焊常用的弧焊电源调理外特性方式焊条电弧焊常用的弧焊电源调理外特性方式 图2-12 改动 和Z的外特性 2.2.1.2 埋弧焊埋弧焊l在自动焊中，普通
15、当 添加时熔深随着增大，那么要求增大 以使熔宽相应添加，从而坚持适宜的焊缝几何尺寸。当增大 时，那么要求相应提高 ，以使电弧稳定。 2.2.1.3 等速送丝气体维护焊等速送丝气体维护焊l电弧静特性为上升的熔化极气体维护焊可选用平外特性的弧焊电源和等速送丝的焊机 。2.2.2 可调参数可调参数 2.2.2.1下降外特性弧焊电源的可调参数下降外特性弧焊电源的可调参数 下降特性电源的可调参数，如以下图所示。下降特性电源的可调参数，如以下图所示。图2-13 下降特性弧焊电源的可调参数 l任任务电流流 它是在它是在进展弧展弧焊时的的电弧弧电l流或流或这时弧弧焊电源源输出的出的电流。流。l任任务电压 它是
16、在它是在焊接接时，弧，弧焊电源源输出出l的的负载电压。 l最大最大焊接接电流流Ifmax 是弧是弧焊电源源经过调理所能理所能输出的与出的与负载特性相特性相应的上限的上限电流。流。l最小最小焊接接电流流Ifmin 是弧是弧焊电源源经过调理所能理所能输出的与出的与负载特性相特性相应的最小的最小电流。流。l电流流调理范理范围 是在是在规定定负载特性条件下，特性条件下，经过调理所能理所能获得的得的焊接接电流范流范围。通常要求：。通常要求：l l TIG焊要求要求Ifmin/Ie0.10，为额定定焊接接电流。流。 2.2.2.2 平外特性弧焊电源的可调参数平外特性弧焊电源的可调参数l任任务电流流 它的定
17、它的定义与下降特性弧与下降特性弧焊电源的源的 一一样。在等速送。在等速送丝MIG/MAG/CO2焊时，焊接接电流主要由送流主要由送丝速度决速度决议，与，与电压无关。无关。l任任务电压 它的定它的定义亦同于下降特性弧亦同于下降特性弧焊电源的源的 。亦要求它随着。亦要求它随着 增大增大而加大，等速送而加大，等速送丝MIG/MAG/CO2焊和和药芯芯焊丝自自维护弧弧焊时规定的定的负载特性特性为 l 当当If 600A时， Vl 当当If 600A时， (V)。l最大任最大任务电压 为弧弧焊电源源经过调理所能理所能输出的，与出的，与规定定负载特性相特性相对应的最大的最大电压。l最小任最小任务电压 为弧
18、弧焊电源源经过调理所能理所能输出的，与出的，与规定定负载特性相特性相对应的的最小最小电压。l任任务电压调理范理范围 弧弧焊电源在源在规定定负载条件下，条件下，经调理而理而获得的任得的任务电压范范围。 图2-14 平特性弧焊接电源的可调参数 2.2.3 弧焊电源的负载继续率与额定值弧焊电源的负载继续率与额定值l弧焊电源能输出多大功率，与它的温升有着亲密的关系。 l弧焊电源的温升除取决于焊接电流的大小外，还决议于负荷的形状，即长时间延续通电还是间歇通电。 l弧焊电源铭牌上规定的额定电流，就是指在规定的环境条件下，按额定负载继续率规定的负载形状任务，即符合规范规定的温升限制下所允许的输出电流值。与额
19、定焊接电流相对应的任务电压为额定任务电压 。2.3 对弧焊电源动特性的要求对弧焊电源动特性的要求 2.3.1 动特性问题的提出动特性问题的提出 用熔化极进展电弧焊时，电极用熔化极进展电弧焊时，电极(焊条或焊丝焊条或焊丝)在被在被加热构成金属熔滴进入熔池时，经常会出现短加热构成金属熔滴进入熔池时，经常会出现短路。这样，就会使电弧长度、电弧电压和电流路。这样，就会使电弧长度、电弧电压和电流产生瞬间的变化。因此，在熔化极弧焊时，焊产生瞬间的变化。因此，在熔化极弧焊时，焊接电弧对供电的弧焊电源来说，是一个动态负接电弧对供电的弧焊电源来说，是一个动态负载。这就需求对弧焊电源动特性提出相应的要载。这就需求
20、对弧焊电源动特性提出相应的要求。求。 所谓弧焊电源的动特性，是指电弧负载形状发生所谓弧焊电源的动特性，是指电弧负载形状发生忽然变化时，弧焊电源输出电压与电流的呼应忽然变化时，弧焊电源输出电压与电流的呼应过程，可以用弧焊电源的输出电流和电压对时过程，可以用弧焊电源的输出电流和电压对时间的关系即间的关系即、 来表示，它阐明弧焊电源对负载瞬变来表示，它阐明弧焊电源对负载瞬变的顺应才干。的顺应才干。 2.3.2 各种弧焊方法的负载特点及各种弧焊方法的负载特点及弧焊电源的动特性弧焊电源的动特性l电极(焊条或焊丝)被加热构成的金属熔滴进入熔池的过程，称为熔滴过渡。l对熔化极弧焊来说，随所采用的工艺方法和焊
21、接参数不同，熔滴过渡就有各种方式，动负载的变化情况也各异。因此，对弧焊电源的动特性要求就有所不同。 l对于短路过渡，由于它的电弧是较大变化的动载，使弧焊电源常在空载、负载、短路三态之间转换，故需对弧焊电源的动特性提出特殊要求。 l我们需求了解弧焊电源动特性对焊接过程的影响，进而从保证引弧、燃弧、熔滴过渡能处于良好形状的客观要求出发，对弧焊电源动特性提出假设干参考性的目的，用以指点弧焊电源的设计制造和评价它对弧焊工艺过程的顺应才干。 图2-15 熔滴过渡方式和电弧电压、电流波形图 a射流过渡 b滴状过渡 c短路过渡 2.3.3 弧焊电源动特性对焊接过程弧焊电源动特性对焊接过程的影响及对它的要求的
22、影响及对它的要求 l所谓动特性好，普通指引弧和重新引弧容易，电弧稳定和飞溅少。就客观评定而言，是用仪器测定参数后作出评定的(按规范目的)。 2.3.3.1 焊条电弧焊电源焊条电弧焊电源l对瞬时短路电流峰值的要求瞬时短路电流值，是当焊接回路忽然对瞬时短路电流峰值的要求瞬时短路电流值，是当焊接回路忽然短路时，输出电流的值短路时，输出电流的值 。普通需思索由空载到短路和由负载到短路两。普通需思索由空载到短路和由负载到短路两种种 。l对恢复电压最低值的要求对恢复电压最低值的要求 用直流弧焊发电机进展焊条电弧焊开场用直流弧焊发电机进展焊条电弧焊开场引弧时，在焊条与工件短路被拉开后，即由短路到空载的过程中
23、，由引弧时，在焊条与工件短路被拉开后，即由短路到空载的过程中，由于焊接回路内电感的影响，于焊接回路内电感的影响， 弧焊弧焊 电源电压不能瞬间就恢复到空载电电源电压不能瞬间就恢复到空载电压压 ，而是先出现一个尖峰值时间极短，紧接着下降到电压最，而是先出现一个尖峰值时间极短，紧接着下降到电压最低值低值 ，然后再逐渐升高到空载电压，然后再逐渐升高到空载电压 。l不同弧焊方法和各种新弧焊工艺的出现，加之动态参数的影响要素也不同弧焊方法和各种新弧焊工艺的出现，加之动态参数的影响要素也特别多，很难用量化的目的来衡量和考核它的好与坏，因此在国家制特别多，很难用量化的目的来衡量和考核它的好与坏，因此在国家制定
24、的新规范中，没有对其考核目的作出硬性规定。定的新规范中，没有对其考核目的作出硬性规定。 图2-18 对恢复电压最低值的要求 2.3.3.2 短路过渡细丝短路过渡细丝CO2用弧焊电源用弧焊电源l短路电流增长速度短路电流增长速度 从负载到短路的短路电流增长速度从负载到短路的短路电流增长速度 ，是影响熔滴过渡过程的一个主要参数，这个参数过大或，是影响熔滴过渡过程的一个主要参数，这个参数过大或过小都是不利的。过小都是不利的。 l空载电压恢复速度空载电压恢复速度 当短路阶段终了后，希望立刻引当短路阶段终了后，希望立刻引燃电弧，以免焊接过程出现中断的情况，这就要求弧焊电燃电弧，以免焊接过程出现中断的情况，这就要求弧焊电源要有足够快的空载电压恢复速度。源要有足够快的空载电压恢复速度。 2.3.4 动特性目的问题讨论动特性目的问题讨论l在评定MAG焊引弧性能方面，有人采用如下综合性目的 ll l式中, 为某次引弧过程中断次数， 为10次引弧过程的中断平均次数 l图2-19 引弧过程电压波形 l用于焊条电弧焊的弧焊电源，l在熔滴短路时间： 和电l弧熄灭时间： 时，由l负载到短路的瞬时短路电流峰值希望能满足下l列的要求： l式中, 为瞬时短路电流临界值(A)； 为焊l条直径(mm)； 为表示与焊条直径的关系。
