第章对弧焊电源的基本要求.ppt
第2章 对弧焊电源的基本要求,2.1 对弧焊电源外特性的要求2.2 对弧焊电源调节性能的要求2.3 对弧焊电源动特性的要求,本章阐述了对弧焊电源的基本要求，着重讨论弧焊工艺对弧焊电源的空载电压、外特性、调节性能和动特性的要求。,内容提要,弧焊工艺对电源的要求 弧焊电源需具备对弧焊工艺的适应性，即满足弧焊工艺对弧焊电源的下述要求：1）保证引弧容易。2）保证电弧稳定。3）保证焊接参数稳定。4）具有足够宽的焊接参数调节范围。,弧焊电源的电气性能 为满足上述工艺要求，弧焊电源的电气性能应考虑以下四个方面：1）对弧焊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。,2.1 对弧焊电源外特性的要求,2.1.1 电源的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 与输出的电流稳定值 之间的关系，称为电源的外特性。对于直流电源，和 为平均值，对于交流电源则为有效值。一般直流电源的外特性方程式为：,一般直流电源的外特性,图2-1 一般直流电源的外特性,2.1.2“电源一电弧”系统的稳定性,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“电源一电弧”系统。所谓“电源一电弧”系统的稳定性应包含两方面的含义：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 和If 为电弧电压和电弧电流的稳定值。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。但当干扰消失之后，系统能够自动地恢复稳定平衡，使得焊接参数重新恢复。“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 对弧焊电源外特性工作区 段形状的要求,焊条电弧焊 在焊条电弧焊中，一般是工作于电弧静特性的水平段上。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。熔化极弧焊 熔化极弧焊包括埋弧焊、混合气体保护焊(MAG)等。这些弧焊方法，不仅要根据其电弧静特性的形状，而且还要考虑送丝的方式来选择合适的弧焊电源外特性工作部分的形状。,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)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 电弧静特性为上升形状时电源外特性对电流偏差的影响,图2-6 等速送丝a）控制系统示意图 b）弧焊电源外特性与电弧静特性,非熔化极弧焊 这种弧焊方法包括钨极氩 弧焊(TIG)、非熔化极等离子弧焊以及非熔 化极脉冲弧焊等。它们的电弧静特性工作部分呈 平的或略上升的形状。熔化极脉冲弧焊 一般采用等速送丝，利用“电源一电弧”系统的自身调节作用来稳定焊接参数，维弧阶段和脉冲阶段分别工作于两条电源外特性上。根据不同的焊接工艺要求，脉冲电弧和维弧电弧的工作点也可以分别在恒压和恒流特性段，或者任意组合，即所谓可控外特性。,图2-7 变速送丝a）控制装置示意图 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,弧焊电源空载电压的确定应遵循以下几项原则：（1）保证引弧容易（2）保证电弧的稳定燃烧（3）保证电弧功率稳定（4）要有良好的经济性（5）保证人身安全,对于通用的交流和直流弧焊电源的空载电压规定如下：交流弧焊电源：为了保证引弧容易和电弧的连续燃烧，通常采用(18225)焊条电弧焊电源：埋弧焊电源：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，一般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.在不同工作条件下的额定空载电压不允许超过其如下规定的安全标准,触电危险性较大的环境：直流113V峰值、交流68V峰值和48V有效值。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。对操作人员加强保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。等离子切割：直流500V峰值。,2.综合考虑引弧、稳弧工艺需要，空载电压通常具体要求如下,弧焊变压器：80 V 弧焊整流器、弧焊逆变器：85 V 弧焊发电机：100 V 一般规定空载电压不得超过100 V，在特殊用途中，若超过100 V时必须备有自动防触电装置。,2.1.3.3 对弧焊电源稳态短路电流的要求,当电弧引燃和金属熔滴过渡到熔池时，经常发生短路。如果稳态短路电流过大，会使焊条过热，药皮易脱落，使熔滴过渡中有大的积蓄能量而增加金属飞溅。但是，如果短路电流不够大，会因电磁压缩推动力不足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，一般要求稳态短路电流对焊接电流的比值范围为：,2.1.4 弧焊电源外特性形状的分类,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形状的弧焊电源。,2.1.4.1 下降特性,这种外特性的特点是，当输出电流在运行范围内增加时，其输出电压随着输出电流的增加而急剧下降。其工作部分每增加100A电流，其电压下降一般应大于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。,垂直下降（恒流）特性 垂直下降特性也叫恒流特性。其特点是，在工作部分当输出电压变化时输出电流几乎不变。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性的大。恒流带外拖特性 其特点是在其工作部分的恒流段，输出电流基本上不随输出电压变化。,2.1.4.2 平特性,平特性有两种：一种是在运行范围内，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；另一种是在运行范围内随着电流增大，电压稍有增加（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,这种特性的弧焊电源用于脉冲电弧焊。维弧阶段工作于L形特性上，而脉冲阶段工作于形特性上。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 弧焊电源外特性形状的分类及其应用范围,2.2 对弧焊电源调节性能的要求,焊接时需根据被焊工件的材质、厚度与坡口形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工作电压和工作电流。为满足所需的电弧工作电压和工作电流，弧焊电源必须具备可以调节的性能。,2.2.1 弧焊电源的调节性能,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工作点决定的。同时，对应于一定的弧长，只有一个稳定工作点。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须可以均匀调节，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工作点。,在稳定工作的条件下，电弧电流、电压、空载电压和等效阻抗之间的关系，可用下式表示：或者,1.改变等效阻抗时的外特性,图2-10 改变等效阻抗时的外特性a）下降外特性 b）平外特性,2.改变空载电压时的外特性,图2-11改变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,这种焊接方法所用为电流，它的调节范围不大，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，电弧电压一般是保持不变的，只调节焊接电流，一般要求交流弧焊电源空载电压为：。,1.焊条电弧焊常用的弧焊电源调节外特性方式,图2-12 改变 和Z的外特性,2.2.1.2 埋弧焊,在自动焊中，一般当 增加时熔深随着增大，则要求增大 以使熔宽相应增加，从而保持合适的焊缝几何尺寸。当增大 时，则要求相应提高，以使电弧稳定。,2.2.1.3 等速送丝气体保护焊,电弧静特性为上升的熔化极气体保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,2.2.2.1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，如下图所示。,图2-13 下降特性弧焊电源的可调参数,工作电流 它是在进行弧焊时的电弧电流或这时弧焊电源输出的电流。工作电压 它是在焊接时，弧焊电源输出的负载电压。最大焊接电流Ifmax 是弧焊电源通过调节所能输出的与负载特性相应的上限电流。最小焊接电流Ifmin 是弧焊电源通过调节所能输出的与负载特性相应的最小电流。电流调节范围 是在规定负载特性条件下，通过调节所能获得的焊接电流范围。通常要求：（TIG焊要求Ifmin/Ie0.10），为额定焊接电流。,2.2.2.2 平外特性弧焊电源的可调参数,工作电流 它的定义与下降特性弧焊电源的 相同。在等速送丝MIG/MAG/CO2焊时，焊接电流主要由送丝速度决定，与电压无关。工作电压 它的定义亦同于下降特性弧焊电源的。亦要求它随着 增大而加大，等速送丝MIG/MAG/CO2焊和药芯焊丝自保护弧焊时规定的负载特性为 当If 600A时，（V）当If 600A时，(V)。最大工作电压 为弧焊电源通过调节所能输出的，与规定负载特性相对应的最大电压。最小工作电压 为弧焊电源通过调节所能输出的，与规定负载特性相对应的最小电压。工作电压调节范围 弧焊电源在规定负载条件下，经调节而获得的工作电压范围。,图2-14 平特性弧焊接电源的可调参数,2.2.3 弧焊电源的负载持续率与额定值,弧焊电源能输出多大功率，与它的温升有着密切的关系。弧焊电源的温升除取决于焊接电流的大小外，还决定于负荷的状态，即长时间连续通电还是间歇通电。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，按额定负载持续率规定的负载状态工作，即符合标准规定的温升限度下所允许的输出电流值。与额定焊接电流相对应的工作电压为额定工作电压。,2.3 对弧焊电源动特性的要求,2.3.1 动特性问题的提出 用熔化极进行电弧焊时，电极(焊条或焊丝)在被加热形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、电弧电压和电流产生瞬间的变化。因而，在熔化极弧焊时，焊接电弧对供电的弧焊电源来说，是一个动态负载。这就需要对弧焊电源动特性提出相应的要求。所谓弧焊电源的动特性，是指电弧负载状态发生突然变化时，弧焊电源输出电压与电流的响应过程，可以用弧焊电源的输出电流和电压对时间的关系即、来表示，它说明弧焊电源对负载瞬变的适应能力。,2.3.2 各种弧焊方法的负载特点及弧焊电源的动特性,电极(焊条或焊丝)被加热形成的金属熔滴进入熔池的过程，称为熔滴过渡。对熔化极弧焊来说，随所采用的工艺方法和焊接参数不同，熔滴过渡就有各种形式，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。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。我们需要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状态的客观要求出发，对弧焊电源动特性提出若干参考性的指标，用以指导弧焊电源的设计制造和评价它对弧焊工艺过程的适应能力。,图2-15 熔滴过渡形式和电弧电压、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的影响及对它的要求,所谓动特性好，一般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(按标准指标)。,2.3.3.1 焊条电弧焊电源,对瞬时短路电流峰值的要求瞬时短路电流值，是当焊接回路突然短路时，输出电流的值。一般需考虑由空载到短路和由负载到短路两种。对恢复电压最低值的要求 用直流弧焊发电机进行焊条电弧焊开始引弧时，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，弧焊 电源电压不能瞬间就恢复到空载电压，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，然后再逐渐升高到空载电压。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因素也特别多，很难用量化的指标来衡量和考核它的好与坏，因此在国家制定的新标准中，没有对其考核指标作出硬性规定。,图2-18 对恢复电压最低值的要求,2.3.3.2 短路过渡细丝CO2用弧焊电源,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，这个参数过大或过小都是不利的。空载电压恢复速度 当短路阶段结束后，希望立即引燃电弧，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。,2.3.4 动特性指标问题讨论,在评定MAG焊引弧性能方面，有人采用如下综合性指标（）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,图2-19 引弧过程电压波形,用于焊条电弧焊的弧焊电源，在熔滴短路时间：和电弧燃烧时间：时，由负载到短路的瞬时短路电流峰值希望能满足下列的要求：式中,为瞬时短路电流临界值(A)；为焊条直径(mm)；为表示与焊条直径的关系。,
