焊接电弧与弧焊电源教材课件

焊接电弧与弧焊电源n电弧的产生及分类 n焊接电弧的结构 n电弧的静特性 n交流电弧n电弧的偏吹 n弧焊变压器 n直流弧焊发电机n硅弧焊整流器n晶闸管式弧焊整流器n晶体管式弧焊整流器n弧焊逆变器1、电弧的产生电弧的产生 焊接电弧是一种气体放电现象。在一定条件下电荷（带电粒子）通过两电极之间气体空间的导电过程。为维持电弧燃烧，必须不断输送电能给电弧。在焊接电弧燃烧过程中，呈现出电压低、电流大、温度高、发光强的特点。电弧的产生与维持需要具备的两个条件：气体电离气体电离 阴极电子发射阴极电子发射 气体电离气体电离使电子完全脱离原子核的束缚，使电子完全脱离原子核的束缚，形成离子和自由电子的过程形成离子和自由电子的过程 n过程过程 气体原子外加能量电子从低能级跳跃到高能级原子处于“激发”状态能量足够大电子脱离原子核的束缚自由电子 n电离形式电离形式v撞击电离撞击电离：在电场中，被加速的带电质点（电子、离子）与中性质点（原子）碰撞后所发生的电离。v热电离热电离：在高温下，具有高动能的气体原子（或分子）互相碰撞引起的电离。v光电离光电离：气体原子（或分子）吸收了光射线的光子能而发生的电离。注意注意 L两种过程：气体原子电离，中和现象电离速度和中和速度动平衡状态 电弧燃烧稳定L负离子的出现：原子（或分子）电子负离子 负离子负离子 电弧的导电能力电弧的导电能力 电弧的稳定性电子发射阴极表面的原子或分子，接受外界的能量面释放出自由电子的现象 J电子发射是引弧或维持电弧稳定燃烧一个很重要的因素。电子发射是引弧或维持电弧稳定燃烧一个很重要的因素。J电子发射所需的能量称逸出功：逸出功电子发射所需的能量称逸出功：逸出功电子发射电子发射 J电子发射的形式电子发射的形式 热发射热发射：表面受热 光发射光发射：物质的固体或液体表面接受光射线的能量 场致发射场致发射：存在强电场并在表面附近形成或较大的电位差 重粒子撞击发射重粒子撞击发射：能量大的重粒子（如正离子等）撞击 总结总结A 焊接电弧的形成和维持是在电场、热、光和质点动能作用下，气体原子不断被激发、电离以及电子发射的结果。A 存在负离子的产生，正离子和电子的复合。2、电弧的引燃、电弧的引燃接触引弧和非接触引弧接触引弧和非接触引弧 u接触引弧接触引弧电极与工件接触短路 短路电流热量产生电极末端、工件升温产生高温气体电极提起形成电场电子定向运动高温气体电离带电粒子运动、相互碰撞和复合产生大量热和弧光 电弧非接触引弧电极与工件间存在一定间隙，施电极与工件间存在一定间隙，施以高电压击穿间隙，使电弧引燃以高电压击穿间隙，使电弧引燃 高频高压引弧 150260kHz 2000-3000V高压脉冲引弧 50或100kHz 3000-5000V3、电弧的分类、电弧的分类 水下电弧高压电弧低压电弧常压电弧按电弧燃烧的环境拘束电弧（压缩电弧）自由电弧按电弧外周是否受拘束间接弧直接弧按对焊件的作用非熔化极电弧熔化极电弧按电极材料分脉冲电弧交流电弧直流电弧按电源性质分电弧4、焊接电弧的结构 阴极区弧柱区阳极区Uf 电弧UyUzUi 电弧结构及压降分布电弧结构及压降分布yzifUUUU总电弧电压总电弧电压：阴极区阴极区：发射电子的地方，热量约占电弧总热量的36，阴极表面的明亮点称为阴极阴极斑点斑点，它是集中产生电子发射的地方，也是阴极表面温度最高的地方。阴极压降阴极压降是产生电场，用来发射电子和加速带电粒子阳极区阳极区：接收电子的地方，其热量约卡电弧总热量的43。阳极表面的明亮点称为阳阳极斑点极斑点，它是阳极表面上集中接收电子的地方，也是阳极表面温度最高的地方。阳极压降阳极压降主要用来加速带电粒子。弧柱区弧柱区：进行气体原子或分子的电离与复合过程，其热量约占电弧总热量的21，弧柱的长度基本等于电弧长度。弧柱区的外加电能绝大部分转化为热能，是整个焊接电弧温度最高的区域，其温度可达5000-50000K。电弧结构焊接电源的极性以焊件为准以焊件为准4、电弧的静特性 n定义：定义：长度一定的电弧在稳定燃烧状态下，电弧电压和电弧电流之间的关系称为焊接电弧的静态伏安特性，简称伏安特性或静特性。电弧静特性曲线 U型曲线形成机理 电弧各区的压降与电流的关系图电弧各区的压降与电流的关系图 n阳极区阳极区：Uy基本是常数n阴极区：阴极区：dUEi电流密度/idU UiUi，ifSIi If较小时：Si随If增大而增大 常数常数idUSIiiifIf较大时：Si为常数 idUiIISIiffif的函数，为上升上升 水平水平 n弧柱区zzzzliU/在ab段：在bc段：在cd段：zfzfzzfzUITIiSIi不变也为常数基本为一常数zfzzzfzUIiSIizfzzzfzUIiSIi也为常数（为常数）5、交流电弧 n特点特点（1）电弧周期性的熄灭和引燃；（2）电弧电压和电流波形发生畸变；（3）热惯性作用较为明显。纯电阻回路交流电弧的电流、电压波形纯电阻回路交流电弧的电流、电压波形 交流电弧连续燃烧的条件交流电弧连续燃烧的条件 增大回路感抗或漏抗 电感性回路交流电弧的电流、电压波形电感性回路交流电弧的电流、电压波形 yhmUtUu)sin(t=0时myhyhmUUUUu/sinsin 4212220fyhfUUUU交流电弧连续稳定燃烧的条件交流电弧连续稳定燃烧的条件 提高交流电弧的稳定性，还可以采用如下措施：提高交流电弧的稳定性，还可以采用如下措施：n提高弧焊电源频率；n提高电源的空载电压（由于开始弧时，两电极及其间的气隙尚未充分加热电离，为了加强气体的电离作用，电极之间应有较高的电压，这个电压称为空载电压空载电压）；n改善电流的波形（如采用矩形波交流电源）；n叠加高压电。6、电弧的偏吹 解决方法解决方法 短弧焊；以交代直；工件消磁、避免周围铁磁物质；选用厚皮焊条；在气流比较大时，要采用挡板遮挡；在焊接间隙较大的对接焊缝时，可在焊缝下面加垫板，防止热对流造成电弧偏吹；必要时采用引弧板和引出扳，使磁力线分布均匀，同时还可以减少热对流的影响；操作中合理调整焊条角度；适当改变接地线的位置，使磁力线分布均匀；采用小电流焊接，减少磁偏吹的影响。7、对弧焊电源的基本要求 u应满足电弧特性及焊接工艺的要求：n引弧容易，电弧稳定；n焊接规范稳定；n具有足够宽的焊接规范调节范围 u弧焊电源的电气性能应考虑以下三个方面：n对弧焊电源外特性外特性的要求。n对弧焊电源调节性能调节性能的要求n对弧焊电源动特性动特性的要求8、对弧焊电源外特性的要求 n定义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Uy与输出电流稳定值Iy之间的关系 n直流电源 0rIEUyy一般直流电源的外特性一般直流电源的外特性“电源电弧电源电弧”系统的稳定性系统的稳定性 n含义系统在无外界干扰时，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 干扰消失后，系统能自动地达到新的稳定平衡“电源电弧电源电弧”系统工作示意图系统工作示意图 稳定工作点的判据：电弧静特性在此点的斜率要大于电源外特性曲线在此点的斜率稳定工作点的判据：电弧静特性在此点的斜率要大于电源外特性曲线在此点的斜率 对弧焊电源外特性曲线的要求对弧焊电源外特性曲线的要求空载点、工作区段和短路区段空载点、工作区段和短路区段 n对弧焊电源空载电压的要求对弧焊电源空载电压的要求 保证引弧容易；保证电弧的稳定燃烧；保证电弧功率稳定；要有良好的经济性；保证人身安全。n对电源外特性工作区段形状的要求对电源外特性工作区段形状的要求n对弧焊电源短路电流的要求对弧焊电源短路电流的要求 电源外特性的比较电源外特性的比较 225.1fwdII9、对弧焊电源调节性能的要求 10、对弧焊电源动特性的要求 n动特性定义动特性定义 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，它说明弧焊电源对负载瞬变的适应能力。n负载特点负载特点 只有采用短路过渡的熔化极电弧焊才对电源动特性提出要求，而对不熔化极电弧焊或非短路过渡的熔化极电弧焊，则对电源动特性不作要求。n 对动特性的要求对动特性的要求 所谓动特性好，一般是指引弧和重新引弧容易，电弧稳定和飞溅少。弧焊电源动特性的指标因为焊接方法、电源类型的不同而不同。11、弧焊变压器 n特点 具有下降外特性；外特性应可调；有一定的空载电压和较大的电感。n基本原理 空载电压的建立 获得下降外特性的原理 调节焊接规范的方法 空载电压的建立 变压器空载运情况变压器空载运情况 mKNNUU1210000LmK空载主磁通空载漏磁通负载负载 变压器负载运行时的原理图变压器负载运行时的原理图 a)原理图原理图 b)等效电路图等效电路图弧焊变压器的等值电路弧焊变压器的等值电路 a)一般等值电路一般等值电路 b)简化等值电路简化等值电路)()(2122120KKfRRRIXXXI jUU)(0KLffXXI jUU较小，可以忽略 变压器总漏抗LXXX21fII2弧焊变压器的分类 组匝数来调节漏抗绕组抽头改变绕分开来增加漏磁，通过抽头式：将初次级绕组间距离以资调节漏磁，改变绕组次级绕组间距离来增强动线圈式：通过增大初节漏磁路，以增强和调组间设置可移动的磁分动铁芯式：在初次级绕增强漏磁式还有磁的联系既有电的联系，铁芯组成一体，二者间同体式：变压器与电抗器是独立的个体分体式：变压器和电抗串联电阻器式弧焊变压器 串联电抗器式弧焊变压器通过调节串联通过调节串联电抗器的电感以获得不同的下降外特性及调节电流电抗器的电感以获得不同的下降外特性及调节电流 a)单气隙式单气隙式 b)、c)双气隙式双气隙式1定铁心定铁心 2线圈线圈 3动铁心动铁心 调节空气式电抗器调节空气式电抗器 FekKSNX20感抗：调电感方式：调空气隙调线圈匝数 调节铁心材料的磁导 KX增强漏磁式弧焊变压器靠增强它的本身漏靠增强它的本身漏磁面获得下降外特性磁面获得下降外特性 动铁心式动铁心式 动圈式动圈式 抽头式弧焊变压器抽头式弧焊变压器 12、直流弧焊发电机 n基本原理 靠导体切割磁极和电枢之间空气隙内的磁力线而感应出电动势 平特性无关与很小SSIsRsssKEURIEU获得下降外特性的主要方法 J在电枢电路中串联镇定电阻 J改变磁极磁通 串联镇定电阻的电路串联镇定电阻的电路)()(0zsfzsfzfsfRRIURRIERIUU让磁通随焊接电流If的增大而减小去磁 ffUUEI0ffU I电阻压降通过改变Rz调节外特性 差复激式弧焊发电机利用激磁绕组激磁，利用激磁绕组激磁，用串联绕组去磁用串联绕组去磁 cffRRKNURNKImccfmtttmccfmtttctfRIsfsffRIUURKNIRNKIRNIRNIKKURIKRIEUcmccmtttsf00)()(，令很小差复激发电机原理图差复激发电机原理图 调节电流的方法改变调节激磁回路中的Rt，即可改变It、Uo和If。改变串联绕组匝数Nc，即可改变Rc。裂极式的弧焊发电机 裂极式弧焊机原理图裂极式弧焊机原理图 裂极式弧焊机结构示意图裂极式弧焊机结构示意图调节外特性：改变激磁回路中的电阻Rb；移动电刷位置改变Nsj匝数。13、硅弧焊整流器 n与发电机相比有很多优点：易造好修、节省材料、降低成本、提高效率；易获得不同形状的外特性，以满足不同焊接工艺的要求；动特性及输出电流波形易于控制，适应性强；噪音小。硅弧焊整流器的组成硅弧焊整流器的组成 分类 抽头式动铁心式动线圈式主变压器为增强漏磁的辅助变压器式调解器式抽头式主变压器为正常漏磁的无电抗器硅弧焊整流器部分内反馈磁放大器式焊整流器自饱和电抗器）式硅弧全部内反馈磁放大器（焊整流器外反馈磁放大器式硅弧整流器饱和电抗器）式硅弧焊无反馈磁放大器（或磁有电抗器硅弧焊整流器按增强漏磁的方法调节空载电压的方式按结构磁放大器式弧焊整流器 n磁放大器磁放大器饱和电抗器饱和电抗器 lSNX2饱和电抗器饱和电抗器 n基本电路基本电路 无反馈磁放大器式弧焊整流器的基本电路无反馈磁放大器式弧焊整流器的基本电路 无反馈式磁放大器控制绕组交流绕组直流电抗器n规范调节规范调节 kjkfINNI 无反馈磁放大器式无反馈磁放大器式弧焊整流器调节特性弧焊整流器调节特性动线圈式硅弧焊整流器 结构结构 主要由增强漏磁的三相动圈式弧焊变压器和三相桥式整流器构成。由于弧焊变压器漏抗很大，所以可获得下降外特性。调节初、次级绕组之间的距离，就可改变漏抗的大小，从而调节电流。优点优点 动特性很好，飞溅较少 输出的电流和电压受电网电压和温升的影响较小 结构与线路简单，省材、重量轻缺点缺点 线圈可动，使用时有轻微振动和噪音，不易于实现远距离调节，不便于进行电网电压补偿。14、晶闸管式弧焊整流器 n晶闸管晶闸管 晶闸管是晶体闸流管的简称，谷称可控硅，它是一种大功率开关型半导体器件。普通晶闸管（SCR）是由PNPN四层半导体材料构成的三端半导体器件，三个引出端分别为阳极A、阴极K和门极G。基本特点基本特点：正向阻断；可控导通只有一定条件下才能导通；持续导通一旦导通只有在一定的反向电压作用下才能关闭；反向阻断 导通的基本条件导通的基本条件：阳阴，接正向电压 控制极和阴极间接正向触发电压晶闸管弧焊整流器的组成晶闸管弧焊整流器的组成 晶闸管硅弧焊整流器的组成晶闸管硅弧焊整流器的组成 晶闸管弧焊整流器的主要特晶闸管弧焊整流器的主要特点点 动特性好电磁惯性小、反应速度快；控制性能好；电流、电压调节范围大；能较好的补偿电网电压波动和周围温度的影响；电源输入功率小，体积小，重量轻；噪音小；电路较复杂15、晶体管式弧焊整流器 晶体管弧焊电源主电路原理图晶体管弧焊电源主电路原理图 16、弧焊逆变器 弧焊逆变器基本原理框图弧焊逆变器基本原理框图 直流或交流降压、整流、滤波中频交流直流工频交流中频变压器逆变电路输入整流器优点：优点：高效节能。重量轻，体积小。具有良好的动特性和弧焊工艺性能。