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模块三
弧焊电源
【应知应会目标】
1．了解弧焊电源的基本要求，弧焊电源的分类、特点及应用；
2．掌握焊机型号的编制和主要技术指标；
3．掌握弧焊变压器的分类、特性和工作原理。
【知识链接】
弧焊电源是电弧焊机中的核心部分，是用来对焊接电弧提供电能的一种专用设备。它的基本原理与普通原理基本相同，但是在特性和结构上却有着显著的区别。这是焊接工艺要点所决定的，为使焊接电弧能够在要求的焊接电流下稳定燃烧，对弧焊电源有一定的性能要求。
项目1 对弧焊电源的基本要求
电弧稳定燃烧是保证获得优质焊接接头的主要因素之一，而决定电弧稳定燃烧的首要因素是弧焊电源。因此，对弧焊电源有以下基本要求。
一、对弧焊电源外特性的要求
1．弧焊电源外特性的概念
在电源内部参数一定的条件下，改变负载时，电源输出电压稳定值与输出电流稳定值的关系，称为弧焊电源的外特性。用来表示这一关系的曲线称弧焊电源特性曲线，如图3—1所示。弧焊电源的外特性基本上有三种类型：下降外特性、平外特性、双阶梯形外特性，见表3—1。
表3—1 弧焊电源外特性形状的分类及其应用
外特性 下降特性 平特性 双阶梯形特性
图形
适用范围 钨极氩弧焊、非熔化极等离子弧焊 一般焊条手弧焊，特别适合立焊、仰焊及粗丝CO2焊、埋弧焊 等速送丝的粗、细丝气体保护焊和细丝（直径＜3mm）埋弧焊 等速送丝的细丝气体保护焊（包括水下焊） 熔化极脉冲弧焊
图3—1 弧焊电源的外特性曲线
2．弧焊电源外特性曲线形状的选择
（1）焊条电弧焊
在焊接回路中，弧焊电源与电弧构成供电用电系统。为了保证焊接电弧稳定燃烧和焊接参数稳定，电源外特性曲线与电弧静特性曲线必须相交。因为在交点，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，电弧能够燃烧。如图3—2所示，电源外特性曲线与电弧静特性曲线相交于A点和B点，说明在这两点上电弧可以形成。但是否能在这两点上长时间稳定燃烧呢？下面就这个问题进行分析。
设电弧在A点燃烧，当电路受外界因素的干扰，使焊接电流突然减小到I1，这时电源输出的电压U输1就要小于电弧所要求的电压U1，电路就失去平衡，电流会进一步减小，甚至电弧熄灭；如果焊接电流突然增大到I2，对应的电源输出的电压U输2就要大于电弧所要求的电压U2，电流会进一步增大，直至B点。由此可见，在A点电弧不能稳定燃烧。
再看B点，当电路受外界因素的干扰，使焊接电流突然减小到I3，这时电源输出的电压U输3就要大于电弧H所要求的电压U3，电路就失去平衡，电流会进一步增大，直至恢复B点；如果焊接电流突然增大到I4，对应的电源输出的电压U输4就要小于电弧所要求的电压U4，电流会进一步减小，有恢复B点。由此可见，B点是电弧稳定燃烧点。
图3—2 下降外特性弧焊电源与焊接电弧的稳定燃烧
综上所述，具有下降外特性的弧焊电源能够保证焊接电弧的稳定燃烧。
下降外特性有缓降的，也有陡降的，哪一种更有利于电弧的稳定燃烧呢？图3—3所示为具有不同下降度的弧焊电源外特性曲线对焊接电流的影响情况。从图中可以看出，当弧长变化相同时，陡降外特性曲线1引起的电流偏差△I1明显小于缓降外特性曲线2引起的电流偏差△I2。同时当电弧长度变化时，陡降外特性电源引起的电流偏差小，电弧较稳定；缓降外特性电源引起的电流偏差大，不利于焊接参数稳定。因此，焊条电弧焊应采用陡降外特性电源。
图3—3 不同下降外特性曲线对焊接电流的影响
（2）钨极氩弧焊、等离子弧焊
钨极氩弧焊、等离子弧焊电弧静特性曲线工作在平特性区，与焊条电弧焊相似，他们应采用具有下降的外特性电源。由于影响它们稳定燃烧的主要参数是焊接电流，虽然弧长的变化不如焊条电弧焊那么大，但为了尽量减少由外界因素干扰引起的电流偏差，故应采用具有陡降的外特性电源，所以一般焊条电弧焊电源均可作为钨极氩弧焊、等离子弧焊电源使用。
（3）CO2气体保护焊、熔化极活性气体保护焊、熔化极氩气保护焊
这些焊接方法由于电流密度较大，电弧静特性曲线工作在上升特性区，按照与焊条电弧焊同样的分析方法分析可知，采用平外特性、下降外特性电源均能保证电弧稳定燃烧。由于这些焊接方法采用等速送丝式控制系统，当弧长发生变化时，采用平特性电源引起的电流偏差较大，电弧自身调节作用强，自动恢复速度快。所以CO2气体保护焊、熔化极活性气体保护焊、熔化极氩气保护焊一般采用平特性电源。
（4）埋弧焊
由于埋弧焊电弧静特性曲线一般工作在平特性区，所以按照与焊条电弧焊同样方法分析可知，下降的外特性曲线电源能保证焊接电弧的稳定燃烧。对于等速送丝式埋弧焊，当电弧长度变化时，由于缓降的外特性曲线引起的电流偏差大，电弧自身调节作用强，所以要求采用缓降外特性电源；对于电弧电压自动调节的等速送丝式埋弧焊，当弧长变化时，陡降外特性电源引起的电流偏差较小，有利于焊接工艺参数稳定，所以应采用具有陡降的外特性电源。
二、对弧焊电源空载电压的要求
当弧焊电源接通电网而焊接回路为开路时，弧焊电源输出端电压称为空载电压。空载电压的确定应遵循以下几项原则：
（1）保证引弧容易 空载电压越高，引弧越容易。
（2）保证电弧的稳定燃烧 为保证交流电弧的稳定燃烧，要求U0≥（1.8～2.25）Uf。
（3）保证电弧功率稳定 为保证交流电弧的功率稳定，要求2.5＞U0/ Uf＞1.57。
（4）要有良好的经济性 当焊接电流的额定电流一定时，空载电压越大，额定容量越大，所需的铁铜材料越多，质量也越大，同时还会增加能量的消耗，降低焊接电源的效率。
（5）保证人身安全 为确保焊工的安全，空载电压低些为好。
因此，在确保引弧容易、电弧稳定的前提下，应尽量降低空载电压，一般不大于100V。
三、对弧焊电源短路电流的要求
弧焊电源稳态短路电流是弧焊电源所能稳定提供的最大电流，及输出端短路时，焊接电源输出的电流。在引弧和金属熔滴过渡时，经常发生短路。如稳态短路电流太大，焊条过热，易引起药皮脱落，并增加熔滴过渡时的飞溅，而且会引起电源过载，以致烧损的危险；如稳态短路电流太小，则会因电磁收缩力不足而使引弧和焊条熔滴过渡产生困难。因此，对于下降特性的弧焊电源，一般要求稳态短路电流：
Ied=（1.25～2.0）Ih
式中：Ied—稳态短路电流，A；
Ih—焊接电流，A。
四、对弧焊电源调节特性的要求
为了焊接不同厚度、不同材料的焊件，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，以便保证焊接接头的质量。
我们知道，弧焊电源外特性曲线与电弧静特性曲线的交点是电弧稳定燃烧点。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可以均匀改变的外特性曲线簇，以便与电弧静特性曲线相交，得到一系列的温度工作点，从而获得对应的焊接电流，这就是弧焊电源的调节特性，如图3—4所示。焊条电弧焊的焊接电流变化范围一般在100～400A之间。
图3—4 焊条电弧焊电源的调节特性
五、对弧焊电源动特性的要求
焊接过程中，电弧总是在不断地变化，电弧焊机的输出电压和输出电流要经过一个过程，才能稳定在外特性曲线的某一点。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、电压与时间的关系，它表示弧焊电源对动态负载瞬间变化的反应能力。动特性合适时，引弧容易、电弧稳定、飞溅小、焊缝成形良好。弧焊电源的动特性是衡量弧焊电源质量的一个重要指标。
对弧焊电源动特性的具体要求：有合适的瞬时短路电流峰值；有较快的短路电流上升速度；从短路到复燃，能在极短时间内完成。
项目2 弧焊电源的分类及型号
一、弧焊电源的分类、特点及应用
1．分类
弧焊电源按结构原理可以分为四大类型：交流弧焊电源、直流弧焊电源、脉冲弧焊电源和弧焊逆变器；按电流性质可以分为三大类型：交流弧焊电源、直流弧焊电源和脉冲弧焊电源。
2．特点及应用
（1）交流弧焊电源
一般指的是弧焊变压器，具有结构简单，成本低，磁偏吹小，空载损失小，噪声小等优点。但存在电弧稳定性差，功率系数较低等缺点。一般应用于焊条电弧焊，埋弧焊和钨极氩弧焊。
（2）直流弧焊电源
具有过载能力强，电网电压波动小等优点，但存在噪声大、空载损失较大、效率稍低等缺点。可用作各种弧焊方法的电源。
（3）脉冲弧焊电源
具有效率高，输入线能量小等优点，特别适合于对热输入较敏感的高合金材料、薄板和全位置焊接。
（4）弧焊逆变器
具有高效节能、质量轻、体积小、焊接性能好等优点。可用于各种弧焊方法，是一种最有发展前途的新型弧焊电源。
二、弧焊电源的型号
1．焊机型号的编制
弧焊电源的型号是根据GB10249—1988《电焊机型号编制办法》制定的。焊机型号采用汉语拼音字母和阿拉伯数字表示。型号的编排次序及含义如下：
上述编排次序中，1、2、3、6各项用汉语拼音字母表示；4、5、7各项用阿拉伯数字表示；2、3、4、6、7项如不用时，其他各项排紧。
例如：
BX3—300：产品系列序号为3，具有下降外特性的弧焊变压器，额定焊接电流为30A。
ZX7—500：硅弧焊整流器，具有下降外特性，额定焊接电流为500A。
2．焊机的主要技术指标
（1）额定值
额定值即对电源规定的使用限额。如额定电压、额定电流、额定功率等。按额定值使用设备是最经济合理、安全可靠的，既充分利用了设备，又保证了设备的正常使用寿命。超过额定值工作时，称为过载，严重过载会使设备损坏。反之，在低于额定值下工作时，虽然安全，但设备没有得到充分的利用。因此，工作中应根据实际情况，合理地选用不同额定值的焊机。
（2）负载持续率
焊机负载的时间占选定工作时间的百分率称为负载持续率。对于一台弧焊电源来说，随着焊接时间的增多、间歇时间的减少，负载持续率会不断升高，弧焊电源就会更容易发热、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。
（3）许用焊接电流
弧焊电源使用时，不能超过铭牌上规定的负载持续率下允许使用的焊接电流，否则会因温升过高将焊机烧毁。为保证焊机温升不超过允许值，应根据弧焊电源的工作状态确定焊接电流的大小。例如，BX3—300型焊机当负载持续率是60%时，许用的最大焊接电流值为300A；若负载持续率为100%时，许用焊接电流值为232A；而负载持续率是35%时，许用焊接电流值可达400A。也就是说，虽然BX3—300型焊机的额定电流只有300A。但最大电流可超过300A。
项目3 常用的弧焊电源
目前，我国焊条电弧焊用的弧焊电源有弧焊变压器（属交流弧焊电源）、弧焊整流器和弧焊发电机（均属直流弧焊电源）三种类型。常用的有BX1系列和BX3系列弧焊变压器、ZX5系列和ZX7系列弧焊整流器，而弧焊发电机已逐渐被弧焊整流器所取代。下面仅介绍常用的BX1系列和BX3系列弧焊变压器和ZX7系列弧焊整流器。
一、弧焊电源的结构、
1．动铁心式弧焊变压器
BX1—315型动铁心式弧焊变压器外形如图3—5（a）所示。
BX1—315型属增强漏磁类弧焊变压器，其结构如图3—5（b）所示，Ⅰ为固定铁心，Ⅱ为动铁心，W1为一次侧绕组，W2为二次侧绕组。绕组分别放置在动铁芯两侧，一次侧和二次侧绕组分成上下两部分，固定在主铁心柱上，中间铁心柱为可移动的，移动可动铁心即可改变一次侧绕组和二次侧绕组的漏抗，实现焊接电流的调节，以适应施焊要求。动铁心位置，由电流指标表示。
可动铁心由螺纹丝杆控制，转动焊接电流调节手柄，则丝杆转动带动动铁心移动，如图3—5（c）所示。动铁心向外移动，焊接电流增大；动铁心向内移动，焊接电流减小。
（a）动铁心式弧焊变压器外形 （b）电路接线及结构 （c）焊接电流调节
图3—5 动铁心式弧焊变压器
2．动圈式弧焊变压器
BX3—300—2型动圈式弧焊变压器外形如图3—6（a）所示。
动圈式弧焊变压器结构如图3—6（b）所示。Ⅰ是一次侧绕组（固定），Ⅱ是二次侧绕组（可动），铁心呈口字形。一次侧绕组分两部分绕在两个铁心柱的底部。二次侧绕组也分两部分，装在铁心柱非导磁性材料做成的活动支架上，凭借手柄转动螺杆使之沿铁心上下移动，改变一、二次侧绕组间的距离，以此来改变它们间的漏抗，调节焊接电流。一、二次侧绕组间距离越大，漏抗越大，焊接电流越小。
（a）动圈式弧焊变压器外形 （b）电路接线、结构和焊接电流调节
图3—6 动圈式弧焊变压器
1—手柄，2—调节杆，3—铁心
3．逆变式弧焊整流器
逆变式弧焊整流器（如图3—7（a））的中频主变压器硅钢片较小，使焊机的体积明显减小，质量变轻，而且电能损耗大幅度降低，具有高效与节能的优点，加之电子控制电路和反馈电路的配合，可以获得优良的焊接工艺性能，因此得以迅速推广和使用，被誉为“明天的弧焊电源”。
ZX7—400型逆变式弧焊整流器主要由三相全波整流器、逆变器、中频变压器、电抗器及电子控制电路等部件组成（如图3—7（b））。
（a）逆变式弧焊整流器外形 （b）逆变式弧焊整流器的构成
图3—7 逆变式弧焊整流器
1．弧焊电源的分类和特点有哪些？
2．弧焊电源的技术指标有哪些？
3．弧焊变压器的工作原理是什么？

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