焊接電弧與弧焊電源

1、 焊接電弧與弧焊電源n電弧的產(chǎn)生及分類 n焊接電弧的結(jié)構(gòu) n電弧的靜特性 n交流電弧n電弧的偏吹 n弧焊變壓器 n直流弧焊發(fā)電機(jī)n硅弧焊整流器n晶閘管式弧焊整流器n晶體管式弧焊整流器n弧焊逆變器1、電弧的產(chǎn)生電弧的產(chǎn)生 焊接電弧是一種氣體放電現(xiàn)象。在一定條件下電荷（帶電粒子）通過兩電極之間氣體空間的導(dǎo)電過程。為維持電弧燃燒，必須不斷輸送電能給電弧。在焊接電弧燃燒過程中，呈現(xiàn)出電壓低、電流大、溫度高、發(fā)光強(qiáng)的特點(diǎn)。電弧的產(chǎn)生與維持需要具備的兩個條件： 氣體電離氣體電離 陰極電子發(fā)射陰極電子發(fā)射 氣體電離氣體電離使電子完全脫離原子核的束縛，使電子完全脫離原子核的束縛，形成離子和自由電子的過程形成離

2、子和自由電子的過程 n過程過程 氣體原子外加能量電子從低能級跳躍到高能級原子處于“激發(fā)”狀態(tài)能量足夠大電子脫離原子核的束縛自由電子 n電離形式電離形式v撞擊電離撞擊電離：在電場中，被加速的帶電質(zhì)點(diǎn)（電子、離子）與中性質(zhì)點(diǎn)（原子）碰撞后所發(fā)生的電離。v熱電離熱電離：在高溫下，具有高動能的氣體原子（或分子）互相碰撞引起的電離。v光電離光電離：氣體原子（或分子）吸收了光射線的光子能而發(fā)生的電離。注意注意 L兩種過程：氣體原子電離，中和現(xiàn)象電離速度和中和速度動平衡狀態(tài) 電弧燃燒穩(wěn)定L負(fù)離子的出現(xiàn)：原子（或分子）電子負(fù)離子 負(fù)離子負(fù)離子 電弧的導(dǎo)電能力電弧的導(dǎo)電能力 電弧的穩(wěn)定性電子發(fā)射陰極表面的原子或

3、分子，接受外界的能量面釋放出自由電子的現(xiàn)象 J電子發(fā)射是引弧或維持電弧穩(wěn)定燃燒一個很重要的因素。電子發(fā)射是引弧或維持電弧穩(wěn)定燃燒一個很重要的因素。J電子發(fā)射所需的能量稱逸出功：逸出功電子發(fā)射所需的能量稱逸出功：逸出功電子發(fā)射電子發(fā)射 J電子發(fā)射的形式電子發(fā)射的形式 熱發(fā)射熱發(fā)射：表面受熱 光發(fā)射光發(fā)射：物質(zhì)的固體或液體表面接受光射線的能量 場致發(fā)射場致發(fā)射：存在強(qiáng)電場并在表面附近形成或較大的電位差 重粒子撞擊發(fā)射重粒子撞擊發(fā)射：能量大的重粒子（如正離子等）撞擊 總結(jié)總結(jié)A 焊接電弧的形成和維持是在電場、熱、光和質(zhì)點(diǎn)動能作用下，氣體原子不斷被激發(fā)、電離以及電子發(fā)射的結(jié)果。A 存在負(fù)離子的產(chǎn)生，正

4、離子和電子的復(fù)合。2、電弧的引燃、電弧的引燃接觸引弧和非接觸引弧接觸引弧和非接觸引弧 u接觸引弧接觸引弧電極與工件接觸短路 短路電流熱量產(chǎn)生電極末端、工件升溫產(chǎn)生高溫氣體電極提起形成電場電子定向運(yùn)動高溫氣體電離帶電粒子運(yùn)動、相互碰撞和復(fù)合產(chǎn)生大量熱和弧光 電弧非接觸引弧電極與工件間存在一定間隙，施電極與工件間存在一定間隙，施以高電壓擊穿間隙，使電弧引燃以高電壓擊穿間隙，使電弧引燃 高頻高壓引弧 150260kHz 2000-3000V高壓脈沖引弧 50或100kHz 3000-5000V3、電弧的分類、電弧的分類 水下電弧高壓電弧低壓電弧常壓電弧按電弧燃燒的環(huán)境拘束電?。▔嚎s電?。┳杂呻娀“措?/p>

5、弧外周是否受拘束間接弧直接弧按對焊件的作用非熔化極電弧熔化極電弧按電極材料分脈沖電弧交流電弧直流電弧按電源性質(zhì)分電弧4、焊接電弧的結(jié)構(gòu) 陰極區(qū)弧柱區(qū)陽極區(qū)Uf 電弧UyUzUi 電弧結(jié)構(gòu)及壓降分布電弧結(jié)構(gòu)及壓降分布yzifUUUU總電弧電壓總電弧電壓： 陰極區(qū)陰極區(qū)： 發(fā)射電子的地方，熱量約占電弧總熱量的36，陰極表面的明亮點(diǎn)稱為陰極陰極斑點(diǎn)斑點(diǎn)，它是集中產(chǎn)生電子發(fā)射的地方，也是陰極表面溫度最高的地方。 陰極壓降陰極壓降是產(chǎn)生電場，用來發(fā)射電子和加速帶電粒子陽極區(qū)陽極區(qū)： 接收電子的地方，其熱量約卡電弧總熱量的43。陽極表面的明亮點(diǎn)稱為陽陽極斑點(diǎn)極斑點(diǎn)，它是陽極表面上集中接收電子的地方，也是陽

6、極表面溫度最高的地方。 陽極壓降陽極壓降主要用來加速帶電粒子?；≈鶇^(qū)弧柱區(qū)： 進(jìn)行氣體原子或分子的電離與復(fù)合過程，其熱量約占電弧總熱量的21，弧柱的長度基本等于電弧長度?；≈鶇^(qū)的外加電能絕大部分轉(zhuǎn)化為熱能，是整個焊接電弧溫度最高的區(qū)域，其溫度可達(dá)5000-50000K。 電弧結(jié)構(gòu)焊接電源的極性以焊件為準(zhǔn)以焊件為準(zhǔn)4、電弧的靜特性 n定義：定義： 長度一定的電弧在穩(wěn)定燃燒狀態(tài)下，電弧電壓和電弧電流之間的關(guān)系稱為焊接電弧的靜態(tài)伏安特性，簡稱伏安特性或靜特性。電弧靜特性曲線 U型曲線形成機(jī)理 電弧各區(qū)的壓降與電流的關(guān)系圖電弧各區(qū)的壓降與電流的關(guān)系圖 n陽極區(qū)陽極區(qū)：Uy基本是常數(shù)n陰極區(qū)：陰極區(qū)：

7、dUEi電流密度 /idU UiUi，ifSIi If較小時：Si隨If增大而增大 常數(shù)常數(shù)idUSIiiifIf較大時：Si為常數(shù) idUiIISIiffif的函數(shù)，為上升上升 水平水平 n弧柱區(qū)zzzzliU/在ab段： 在bc段： 在cd段： zfzfzzfzUITIiSIi不變也為常數(shù)基本為一常數(shù)zfzzzfzUIiSIizfzzzfzUIiSIi也為常數(shù)（為常數(shù)）5、交流電弧 n特點(diǎn)特點(diǎn)（1）電弧周期性的熄滅和引燃；（2）電弧電壓和電流波形發(fā)生畸變；（3）熱慣性作用較為明顯。純電阻回路交流電弧的電流、電壓波形純電阻回路交流電弧的電流、電壓波形 交流電弧連續(xù)燃燒的條件交流電弧連續(xù)燃燒的

8、條件 增大回路感抗或漏抗 電感性回路交流電弧的電流、電壓波形電感性回路交流電弧的電流、電壓波形 yhmUtUu)sin(t=0時myhyhmUUUUu/sinsin 4212220fyhfUUUU交流電弧連續(xù)穩(wěn)定燃燒的條件交流電弧連續(xù)穩(wěn)定燃燒的條件 提高交流電弧的穩(wěn)定性，還可以采用如下措施：提高交流電弧的穩(wěn)定性，還可以采用如下措施： n提高弧焊電源頻率；n提高電源的空載電壓（由于開始弧時，兩電極及其間的氣隙尚未充分加熱電離，為了加強(qiáng)氣體的電離作用，電極之間應(yīng)有較高的電壓，這個電壓稱為空載電壓空載電壓）；n改善電流的波形（如采用矩形波交流電源）；n疊加高壓電。6、電弧的偏吹 解決方法解決方法 短

9、弧焊；以交代直；工件消磁、避免周圍鐵磁物質(zhì)；選用厚皮焊條；在氣流比較大時，要采用擋板遮擋；在焊接間隙較大的對接焊縫時，可在焊縫下面加墊板，防止熱對流造成電弧偏吹；必要時采用引弧板和引出扳，使磁力線分布均勻，同時還可以減少熱對流的影響；操作中合理調(diào)整焊條角度；適當(dāng)改變接地線的位置，使磁力線分布均勻；采用小電流焊接，減少磁偏吹的影響。 7、對弧焊電源的基本要求 u應(yīng)滿足電弧特性及焊接工藝的要求：n引弧容易，電弧穩(wěn)定；n焊接規(guī)范穩(wěn)定；n具有足夠?qū)挼暮附右?guī)范調(diào)節(jié)范圍 u弧焊電源的電氣性能應(yīng)考慮以下三個方面：n對弧焊電源外特性外特性的要求。n對弧焊電源調(diào)節(jié)性能調(diào)節(jié)性能的要求n對弧焊電源動特性動特性的要求

10、8、對弧焊電源外特性的要求 n定義在電源內(nèi)部參數(shù)一定的條件下，改變負(fù)載時，電源輸出電壓穩(wěn)定值Uy與輸出電流穩(wěn)定值Iy之間的關(guān)系 n直流電源 0rIEUyy一般直流電源的外特性一般直流電源的外特性 “電源電弧電源電弧”系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)的穩(wěn)定性 n含義系統(tǒng)在無外界干擾時，能在給定電弧電壓和電流下，維持長時間的連續(xù)電弧放電，保持靜態(tài)平衡 干擾消失后，系統(tǒng)能自動地達(dá)到新的穩(wěn)定平衡“電源電弧電源電弧”系統(tǒng)工作示意圖系統(tǒng)工作示意圖 穩(wěn)定工作點(diǎn)的判據(jù)：電弧靜特性在此點(diǎn)的斜率要大于電源外特性曲線在此點(diǎn)的斜率穩(wěn)定工作點(diǎn)的判據(jù)：電弧靜特性在此點(diǎn)的斜率要大于電源外特性曲線在此點(diǎn)的斜率 對弧焊電源外特性曲線的要求對弧

11、焊電源外特性曲線的要求空載點(diǎn)、工作區(qū)段和短路區(qū)段空載點(diǎn)、工作區(qū)段和短路區(qū)段 n對弧焊電源空載電壓的要求對弧焊電源空載電壓的要求 保證引弧容易； 保證電弧的穩(wěn)定燃燒； 保證電弧功率穩(wěn)定； 要有良好的經(jīng)濟(jì)性； 保證人身安全。n對電源外特性工作區(qū)段形狀的要求對電源外特性工作區(qū)段形狀的要求n對弧焊電源短路電流的要求對弧焊電源短路電流的要求 電源外特性的比較電源外特性的比較 225. 1fwdII9、對弧焊電源調(diào)節(jié)性能的要求 10、對弧焊電源動特性的要求 n動特性定義動特性定義 指電弧負(fù)載狀態(tài)發(fā)生突然變化時，弧焊電源輸出電壓與電流的響應(yīng)過程，可以用弧焊電源的輸出電流和電壓對時間的關(guān)系，它說明弧焊電源對負(fù)

12、載瞬變的適應(yīng)能力。n負(fù)載特點(diǎn)負(fù)載特點(diǎn) 只有采用短路過渡的熔化極電弧焊才對電源動特性提出要求，而對不熔化極電弧焊或非短路過渡的熔化極電弧焊，則對電源動特性不作要求。n 對動特性的要求對動特性的要求 所謂動特性好，一般是指引弧和重新引弧容易，電弧穩(wěn)定和飛濺少?；『鸽娫磩犹匦缘闹笜?biāo)因?yàn)楹附臃椒ā㈦娫搭愋偷牟煌煌?1、弧焊變壓器 n特點(diǎn) 具有下降外特性； 外特性應(yīng)可調(diào)； 有一定的空載電壓和較大的電感。n基本原理 空載電壓的建立 獲得下降外特性的原理 調(diào)節(jié)焊接規(guī)范的方法 空載電壓的建立 變壓器空載運(yùn)情況變壓器空載運(yùn)情況 mKNNUU1210000LmK空載主磁通空載漏磁通負(fù)載負(fù)載 變壓器負(fù)載運(yùn)行時

13、的原理圖變壓器負(fù)載運(yùn)行時的原理圖 a)原理圖原理圖 b)等效電路圖等效電路圖弧焊變壓器的等值電路弧焊變壓器的等值電路 a)一般等值電路一般等值電路 b)簡化等值電路簡化等值電路)()(2122120KKfRRRIXXXI jUU)(0KLffXXI jUU較小，可以忽略 變壓器總漏抗LXXX21fII2弧焊變壓器的分類 組匝數(shù)來調(diào)節(jié)漏抗繞組抽頭改變繞分開來增加漏磁，通過抽頭式：將初次級繞組間距離以資調(diào)節(jié)漏磁，改變繞組次級繞組間距離來增強(qiáng)動線圈式：通過增大初節(jié)漏磁路，以增強(qiáng)和調(diào)組間設(shè)置可移動的磁分動鐵芯式：在初次級繞增強(qiáng)漏磁式還有磁的聯(lián)系既有電的聯(lián)系，鐵芯組成一體，二者間同體式：變壓器與電抗器是

14、獨(dú)立的個體分體式：變壓器和電抗串聯(lián)電阻器式弧焊變壓器 串聯(lián)電抗器式弧焊變壓器通過調(diào)節(jié)串聯(lián)通過調(diào)節(jié)串聯(lián)電抗器的電感以獲得不同的下降外特性及調(diào)節(jié)電流電抗器的電感以獲得不同的下降外特性及調(diào)節(jié)電流 a)單氣隙式單氣隙式 b)、c)雙氣隙式雙氣隙式1定鐵心定鐵心 2線圈線圈 3動鐵心動鐵心 調(diào)節(jié)空氣式電抗器調(diào)節(jié)空氣式電抗器 FekKSNX20感抗： 調(diào)電感方式 ：調(diào)空氣隙調(diào)線圈匝數(shù) 調(diào)節(jié)鐵心材料的磁導(dǎo) KX增強(qiáng)漏磁式弧焊變壓器靠增強(qiáng)它的本身漏靠增強(qiáng)它的本身漏磁面獲得下降外特性磁面獲得下降外特性 動鐵心式動鐵心式 動圈式動圈式 抽頭式弧焊變壓器抽頭式弧焊變壓器 12、直流弧焊發(fā)電機(jī) n基本原理 靠導(dǎo)體切割

15、磁極和電樞之間空氣隙內(nèi)的磁力線而感應(yīng)出電動勢 平特性無關(guān)與很小SSIsRsssKEURIEU獲得下降外特性的主要方法 J在電樞電路中串聯(lián)鎮(zhèn)定電阻 J改變磁極磁通 串聯(lián)鎮(zhèn)定電阻的電路串聯(lián)鎮(zhèn)定電阻的電路 )()(0zsfzsfzfsfRRIURRIERIUU讓磁通隨焊接電流If的增大而減小去磁 ffUUEI0ffU I電阻壓降通過改變Rz調(diào)節(jié)外特性 差復(fù)激式弧焊發(fā)電機(jī)利用激磁繞組激磁，利用激磁繞組激磁，用串聯(lián)繞組去磁用串聯(lián)繞組去磁 cffRRKNURNKImccfmtttmccfmtttctfRIsfsffRIUURKNIRNKIRNIRNIKKURIKRIEUcmccmtttsf00)()(，令

16、很小差復(fù)激發(fā)電機(jī)原理圖差復(fù)激發(fā)電機(jī)原理圖 調(diào)節(jié)電流的方法改變調(diào)節(jié)激磁回路中的Rt，即可改變It、Uo和If。改變串聯(lián)繞組匝數(shù)Nc，即可改變Rc。裂極式的弧焊發(fā)電機(jī) 裂極式弧焊機(jī)原理圖裂極式弧焊機(jī)原理圖 裂極式弧焊機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖裂極式弧焊機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖調(diào)節(jié)外特性：改變激磁回路中的電阻Rb； 移動電刷位置改變Nsj匝數(shù)。13、硅弧焊整流器 n與發(fā)電機(jī)相比有很多優(yōu)點(diǎn)： 易造好修、節(jié)省材料、降低成本、提高效率； 易獲得不同形狀的外特性，以滿足不同焊接工藝的要求； 動特性及輸出電流波形易于控制，適應(yīng)性強(qiáng)； 噪音小。硅弧焊整流器的組成硅弧焊整流器的組成 分類 抽頭式動鐵心式動線圈式主變壓器為增強(qiáng)漏磁的輔助變壓

17、器式調(diào)解器式抽頭式主變壓器為正常漏磁的無電抗器硅弧焊整流器部分內(nèi)反饋磁放大器式焊整流器自飽和電抗器）式硅弧全部內(nèi)反饋磁放大器（焊整流器外反饋磁放大器式硅弧整流器飽和電抗器）式硅弧焊無反饋磁放大器（或磁有電抗器硅弧焊整流器按增強(qiáng)漏磁的方法調(diào)節(jié)空載電壓的方式按結(jié)構(gòu)磁放大器式弧焊整流器 n磁放大器磁放大器飽和電抗器飽和電抗器 lSNX2飽和電抗器飽和電抗器 n基本電路基本電路 無反饋磁放大器式弧焊整流器的基本電路無反饋磁放大器式弧焊整流器的基本電路 無反饋式磁放大器控制繞組交流繞組直流電抗器n規(guī)范調(diào)節(jié)規(guī)范調(diào)節(jié) kjkfINNI 無反饋磁放大器式無反饋磁放大器式弧焊整流器調(diào)節(jié)特性弧焊整流器調(diào)節(jié)特性動線

18、圈式硅弧焊整流器 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 主要由增強(qiáng)漏磁的三相動圈式弧焊變壓器和三相橋式整流器構(gòu)成。由于弧焊變壓器漏抗很大，所以可獲得下降外特性。調(diào)節(jié)初、次級繞組之間的距離，就可改變漏抗的大小，從而調(diào)節(jié)電流。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 動特性很好，飛濺較少 輸出的電流和電壓受電網(wǎng)電壓和溫升的影響較小 結(jié)構(gòu)與線路簡單，省材、重量輕缺點(diǎn)缺點(diǎn) 線圈可動，使用時有輕微振動和噪音，不易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離調(diào)節(jié)，不便于進(jìn)行電網(wǎng)電壓補(bǔ)償。14、晶閘管式弧焊整流器 n晶閘管晶閘管 晶閘管是晶體閘流管的簡稱，谷稱可控硅，它是一種大功率開關(guān)型半導(dǎo)體器件。普通晶閘管（SCR）是由PNPN四層半導(dǎo)體材料構(gòu)成的三端半導(dǎo)體器件，三個引出端分別為陽極A、陰極K和門極G。 基本特點(diǎn)基本特點(diǎn)：正向阻斷；可控導(dǎo)通只有一定條件下才能導(dǎo)通；持續(xù)導(dǎo)通一旦導(dǎo)通只有在一定的反向電壓作用下才能關(guān)閉；反向阻斷 導(dǎo)通的基本條件導(dǎo)通的基本條件： 陽陰，接正向電壓 控制極和陰極間接正向觸發(fā)電壓晶閘管弧焊整流器的組成晶閘管弧