第八章手工电弧焊焊接电源(焊工工艺学电子教案)

第八章手工电弧焊焊接电源电源是在电路中用来向负载供给电能的装置，而手工电弧焊的焊接电源，即是在焊接电路中为焊接电弧提供电能的设备。为区别于其它的电源，这类电源称为弧焊电源。常用的手工电弧焊电源有弧焊发电机、弧焊变压器和弧焊整流器，俗称直流弧焊机、交流弧焊机和整流弧焊机。这些弧焊电源，除用于手工电弧焊外，还可用于埋弧自动焊等，用以焊接电弧为热源的焊接工艺方法上。第一节：手工电弧焊对电源的要求弧焊电源是为电弧提供电能的装置，因此它的特性和结构与一般电力电源比较，有着显著的区别，这是弧焊工艺的特点所决定的。对弧焊电源有如下几点具体要求：引弧容易；保证电弧稳定燃烧；保证焊接工艺参数稳定（主要指焊接电流和电压）；可调节焊接工艺参数。为了达到上述的具体要求，就必须要求弧焊电源具有一定的电气性能。一、对弧焊电源外特性的要求电弧的稳定燃烧，一般是指在电弧电压和电流给定时，电弧放电处在长时间内连续进行的状态。电弧焊时，弧焊电源和焊接电弧组成了一个供电和用电系统，在稳定状态下，也即电源在其它参数不变的情况下，弧焊电源的输出电压与输出电流之间的关系，称为弧焊电源的外特性。它可用如下关系式表示：Ｕ输＝ｆI输弧焊电源的外特性亦称弧焊电源的伏安特性或静特性。在以电压为纵轴，电流为横轴的直角坐标系中，弧焊电源的外特性可表示为一条曲线，这条曲线称为弧焊电源的外特性曲线。弧焊电源的外特性曲线。随着弧焊电源输出电流的增大，电源的输出电压下降，这种类型的外特性，称为下降外特性，它的曲线叫做下降外特性曲线。弧焊电源的外特性，基本上有下降外特性、平特性和上升外特性等三种类型。对手工电弧焊来说，为了能保证焊接电弧在选定数值的焊接电流下稳定燃烧而不熄灭，就必须要有下降的外特性。在焊接回路中，由于弧焊电源的输出电流就是焊接电流，所以可将焊接电弧的静特性曲线与弧焊电源的外特性曲线，按同一比例绘制在一个直角坐标系上。下降外特性曲线与电弧静特性曲线在一个坐标系中，电源的下降特性曲线与焊接电弧的静特性曲线有两个交点Ａ与Ｂ。在这两个交点上，由于它们各自对应的输出电压、电弧电压及输出电流、焊接电流都相等，即电源供给的电压和电流与电弧燃烧所需要的电压和电流相等，说明在这两个交点上，电弧能燃烧。但是，是否能在这两点上长时间地保持稳定状态？下面就这个问题对这两个燃烧点进行分析。首先，电弧在Ａ点是否能正常、稳定地燃烧。如果在焊接电路中，由于受到外界因素的干扰，使焊接工作电流突然降低，这时电源输出的端电压就要小于所要求的电弧电压Ｕ；这样，电路就失去平衡，电流又进一步减小，直至电弧熄灭；如果焊接电流由于外界因素的干扰，突然增大，这样，对应的电源输出电压大于电弧所要求的电压，这就使焊接电流进一步增大，并且越来越大，直至Ｂ点。由此可见，在Ａ点电弧不能稳定燃烧。再来分析，电弧在Ｂ点是否能正常、稳定地燃烧。如果在焊接电路中，由于受到外界因素的干扰，使焊接电流突然降低至人，此时电源供给的输出电压。大于该电弧所需要的电压，这就会促使焊接电流增加，直至恢复到Ｂ点，使输出电压与电弧电压又处干相等的状态，输出电流等于焊接电流，电弧恢复到正常燃烧的位置。如果焊接电流受外界因素干扰突然增加到人，这时电源供给的输出电压就要下降，且小于电弧在该点燃烧所需要的电压，这就使焊接电流必然要减小，直至又恢复到Ｂ点。由此可见，电源的下降外特性曲线与电弧静特性曲线的交点凡不仅是一个电弧燃烧点，而且是电弧正常、稳定的燃烧点。综上所述，具有下降外特性的孤焊电源能够保证焊接电弧稳烧。具有上升外特性或平特性的弧焊电源，能否保证手工电弧焊的焊接电弧稳定燃烧？上升特性和平特性曲线与电弧静特性曲线只有一个交点Ａ，在该点电弧燃烧情况，相当于Ａ点电弧燃烧情况。当焊接电流突然降低时，会导致电弧熄灭；当焊接电流突然增大时，电源供给的端电压大于电弧燃烧所需的龟压，因此必然引起焊接电流进一步增大，使电源的端电压与电弧所需要的电压的差值更大，电弧因此而不能稳定燃烧。由此看来，只有下降外特性的电源，才能保证手工电弧焊焊接电弧的稳定燃烧。下降的外特性，虽然能保证手工电弧焊时电弧的稳定燃烧，但下降的外特性曲线有缓降的，也有陡降的，哪一种更有利于电弧的稳定燃烧？手弧焊时电弧长度是由手控制的，因为手的抖动或焊件表面的不平整，均使弧长发生变化弧长波动时，陡降外特性电源的电流波动小而缓降外特性电源的电流波动大。因此当电弧长度变化时，陡降外特性电源所引起的电流变化幅度小，电弧较稳定，而缓降外特性的电源所引起的电流变化幅度大，电弧不稳。所以手弧焊对电源的基本要求就是要具有陡降的外特性。二、对弧焊电和空来电压的要求所谓空载电压，就是在焊接引弧之前，弧焊电源输出端所具有的端电压。在生产实践中，由于焊条端面和焊件表面往往存有铁锈和其它杂质，使接触不良，接触电阻很大，电弧不易引燃。因此，只有较高的空载电压，才能将高电阻的接触面击穿，形成通路；同时，空载电压高有利于电子发射，容易引弧；另外，在焊接过程中，由于熔滴过渡造成的短路，会导致焊接电弧的熄灭，而具有较高的空载电压便能在焊接过程一旦脱离短路时，使焊接电弧尽快的复燃，保证了整个焊接过程的稳定。但是，空载电压不宜过高，因为过高的空载电压不利于焊工的安全操作。因此，空载电压应在满足焊接工艺要求的前提下，尽可能低一些。目前，我国生产的弧焊发电机和弧焊整流器，空载电压一般在９０Ｖ以下；弧焊变压器的空载电压一般在８０Ｖ以下。三、对弧焊电源特性的要求在焊接中，根据焊接材料的性质、厚度、焊接接头的形式、位置及焊条直径等不同，需要选择不同的焊接电流。这就要求弧焊电源能在一定范围内，对焊接电流作均匀、灵活的调节，以便有利于保证焊接接头的质量。对手工电弧焊来说，弧焊电源的下降外特性曲线与电弧静特性曲线的交点中，只有一个电弧稳定燃烧点。因此，为了获得一定范围所需的焊接电流，就必须要求弧焊电源具有很多条可以均匀改变的外传性曲线簇，以便与电弧静特性曲线相交，得到一系列的稳定工作点，这就是弧焊电源的调节特性。最理想的弧焊电源调节特性是可改变其空载电压。手工电弧焊的焊接电流变化范围一般在100～400Ａ之间。四、对弧焊电源动特性的要求焊接电弧在焊接电路中作为一个负载，但不同于一般电路中的负载。如在照明电路中，电源所负担的是在相对一段时间中固定不变的负载，即电灯的电阻。而在焊接电路中，焊接电弧对弧焊电源来说，是一个一直在变化着的动态负载。这是因为在焊接过程中，由于熔滴的过渡可能造成短路，使电弧长度、电弧电压和焊接电流产生瞬间变化。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。手工电弧焊要求其焊接电源有较合适的动特性，这样才能获得预期有规则的熔滴过渡、稳定电弧、较小的飞溅和良好的焊缝成形。对动特性的具体要求，主要有如下几点：１．合适的瞬时短路电流峰值手工电弧焊时，由于引弧和熔滴过渡等均会造成焊接电路的短路现象。为了有利于引弧，加速金属的熔化和过渡，同时，为了缩短电源处于短路状态的时间，因此。应当适当增大瞬时短路电流。但是过高的短路电流，会导致焊条与焊件的过热，甚至使焊件烧穿，还会引起飞溅的增加以及电源过载。所以，必须要有合适的瞬时短路电流峰值，即限制短路电流的特性，通常规定短路电流不大于工作电流的1.5倍，具有陡降外特性的电源是能满足这一要求的。２．合适的短路电流上升速度短路电流的上升速度是否合适，对手工电弧焊或其它熔化极电弧焊的引弧和熔滴过渡均有一定的影响。一般要求有较快的短路电流上升速度，它也是标志弧焊电源动特性的一个主要指标。３．达到恢复电压最低值的时间应适当为了保持焊接电弧的稳定燃烧，对弧焊电源来说，从短路到复燃时，要求能在较短的时间内，达到恢复电压的最低值（＞３０ｖ）这样才能使电弧在极短的时间内重复引燃．以保持电弧的持续、稳定。五、对弧焊电源结构的要求对弧焊电源的结构，要求简单轻巧，制造容易，消耗材料少，成本低。同时，又要求它牢固，使用方便、可靠、安全和维护容易。在结构上，还要求在特殊环境下具备相应的适应性（如在高原、水下、野外焊接等）。六、焊机型号的编制焊机型号的编制，是用汉字拼音大写字母及阿拉伯数字，按一定的编排次序所组成。按原机械工业部标准ＪＢ１４７５—７４规定的编排次序如下；上述编排次序中，１、２、３、７各项均以汉字拼音大写字母表示；４、5、6各项均由阿拉伯数字表示。另外，型号中３、４、６项如不用时，其它各项排紧。１．大类名称中，弧焊发电机用“A”表示；弧焊变压器用“B”表示；弧焊整流器用“Z”表示。２．小类名称中，焊接电源外特性为下降特性的，用“X”表示；平特性用“Ｐ”表示；多特性用“Ｄ”表示。３．附加特征中，可控硅整流器用“K”表示；硅整流器用“Ｇ”表示；铝绕组用“L”表示。如ＡＸ－３２０即为具有下降性的弧焊发电机，其额定焊接电流为３２０Ａ；ＡＸＩ－５００即为产品系列品种序号为１，具有下降外特性的弧焊发电机，其额定焊接电流为500Ａ。又如ＢＸ3—５００即为系列品种序号为３、具有下降外特性的弧焊变压器，其额定焊接电流为500A。焊机除了有规定的型号外，在其外壳均标有铭牌，学要记载着额定工作情况下的一些技术数据，以供操作者正确应用而不致损坏设备。下面对额定值和负载持续率作一简述。’（１）额定值额定值即是对焊接电源规定的使用限额，如额定电压、额定电流和额定功率等。按额定值使用弧焊电源，应是最经济合理、安全可靠的，既充分利用了焊机，又保证了设备的正常使用寿命。超过额定值工作称为过载，严重过载将会使设备损坏。因此，对各类手工电弧焊电源，必须定出额定值，以供焊接时选用。当然，在选用时也不宜选用额定值过高，因为选用较高额定值的焊机，虽然能使焊机在使用时设备更趋安全，但由于设备未获充分利用，在客观上造成了浪费：（２）负载持续率负载持续率是指焊机负载的时间占选定工作时间的百分率。可用如下公式表示：负载持续率＝在选定的工作时间周期内焊机的负载时间／选定工作时间周期×100%我国对手工电弧焊机，所选定的工作时间周期为5ｍｉｎ，如果在5ｍｉｎ内负载的时间为３ｍｉｎ，那么负载持续率即为６０％。对于一台焊机来说，随着实际焊接（负载）时间的增多，间歇时间减少，那么负载持续率便会不断增高，焊机就会更容易发热、升温，甚至烧毁。因此，焊工必须按规定的额定负载持续率使用。第二节：弧焊发电机及弧焊变压器一、弧焊发电机弧焊发电机也称直流弧焊机，由直流发电机和原动机两部分组成，所以也称弧焊发电机组。原动机可分为电动机、柴油机或汽油机。常用的弧焊发电机组是以三相异步电动机作为原动机，带动一台直流弧焊发电机组成，电动机与发电机同轴同壳，组成一体式结构。图８—６所示为ＡＸ－３２０型弧焊发电机的构造。常用的是指具有陡降外特性的弧焊发电机，根据发电机获得陡降外特性的方法不同，弧焊发电机可分为裂极式、差复激（差复励）式和换向极式等几种。本节主要介绍裂极式弧焊发电机。１．弧焊发电机的一般原理弧焊发电机是一种特殊的直流发电机。它的发电原理与普通直流发电机不同，由于它使用在弧焊这样一种特殊场合，因此，要对它提出陡降的外特性，具有一定范围、均匀的调节特性和良好的动特性等特殊要求。（１）直流发电机的电动势直流发电机电动势的产生，当电枢绕组的线圈在磁极之间匀速转动时，线圈的边将切割磁力线，而产生感应电势。由于运动方向与磁曲线之间的夹角成正弦规律变化，所以切割磁力线的速度也成正弦规律变化、因此导线中的感应电势也成正弦规律变化。对于线圈的一条边，每转一周经过Ｎ及Ｓ极备转换一次，产生的感应电动势就改变一次方向。因此，电枢绕组中的感应电势是一种正弦交变电势。为得到直流电势，必须对它进行整流，这就需要通过换向器来实现。图中所示的换向器是由两片换向片组成，经换向（整流）之后，电刷人Ｂ两端输出的电动势（电压）和电流是一种脉动很大的波形状直流电。由于电枢绕组的线圈边数很多，换向器的片数也很多，而且电枢的转速又较高，所以最终能得到较为平直的直流电动势和直流电波形。（２）电枢反应直流发电机在空载时，发电机中的工作磁通（主磁通冲是主磁极通过