焊接电源的特性课件

焊接电源的特性弧焊电源是电弧焊的核心部分弧焊电源是电弧焊的核心部分 类型繁多，我们主要介绍弧焊变压器、弧焊整流器、弧焊逆变器 分类分类基本电气特性包括以下三方面：基本电气特性包括以下三方面：1 1弧焊电源的外特性弧焊电源的外特性 (输出特性输出特性)2 2弧焊电源的调节特性弧焊电源的调节特性 3 3弧焊电源的动态特性（响应能力）弧焊电源的动态特性（响应能力）弧焊工艺对电源的基本要求：弧焊工艺对电源的基本要求：1 1保证引弧容易保证引弧容易 2 2保证电弧稳定保证电弧稳定 3 3保证焊接工艺参数稳定保证焊接工艺参数稳定 4 4具有足够宽的焊接参数调节范围具有足够宽的焊接参数调节范围特殊应用场特殊应用场合的要求合的要求3.1 3.1 弧焊电源的基础知识弧焊电源的基础知识工业电网与焊接电源的要求工业电网与焊接电源的要求三相四线制三相四线制 380V/220V/50Hz380V/220V/50Hz空载电压：空载电压：202080V80V输出电流：输出电流：30301500A1500A焊接特点：低电压、大电流焊接特点：低电压、大电流通过降压变压是弧焊电源必须的。通过降压变压是弧焊电源必须的。降压变压器是基本部件，也是最简单的弧焊电源降压变压器是基本部件，也是最简单的弧焊电源 弧焊电源中的变压器有两种基本形式弧焊电源中的变压器有两种基本形式 ：工频变压器工频变压器：普通电源：普通电源 中频变压器中频变压器：逆变电源：逆变电源 交流，直流，逆变电子控制技术第三章第三章第三章第三章 （2 2）3.2 3.2 3.2 3.2 弧焊电源的外特性弧焊电源的外特性弧焊电源的外特性弧焊电源的外特性弧焊电源的外特性是指在规定范围内，弧焊电源稳态输出电压弧焊电源的外特性是指在规定范围内，弧焊电源稳态输出电压U U y y 与输出电流与输出电流I Iy y的关系，即在电源内部参数一定的条件下，改变负载，的关系，即在电源内部参数一定的条件下，改变负载，电源输出的电压稳定值电源输出的电压稳定值U Uy y与输出的电流稳定值与输出的电流稳定值I Iy y之间的关系。一般之间的关系。一般采用采用U Uy yf f（I Iy y）来表示。又称为电源的静特性。）来表示。又称为电源的静特性。外特性一般表达式：外特性一般表达式：r r0 000时，下降特性时，下降特性 r r0 00 0时，平特性时，平特性两者的外特性曲线如下图所示：外特性曲线如下图所示：3.2.1 3.2.1 3.2.1 3.2.1 电源外特性的基本概念电源外特性的基本概念电源外特性的基本概念电源外特性的基本概念第三章第三章第三章第三章 （3 3）Er0IyUyEr0IyUy电源负载UyIyr0=0r000工作过程中可调参数只有两个：E 和 r0调节E和r0使Uy和Iy发生变化，适应电弧负载变化的要求。因此，从本质上讲，弧焊电源甚至分为两类：v调节 r0的-如弧焊变压器，多数机械调节式弧焊电源v调节E的-如弧焊逆变器，部分弧焊整流器，电子控制式弧焊电源v 调节 r0的方法q调节电阻性内阻q调节电感性内阻q电阻性内阻+电感性内阻的调节直线型椭圆型介于上两者之间UyIyr0=0r000v 调节 E的方法q改变变压器的变比q调节输出占空比q两者皆有方波正弦波控制输出的外特性不受弧焊电源结构的影响，理论上可以是任意形状图3-3 常用的弧焊电源的外特性曲线 3.2.2 3.2.2“电源电源 电弧电弧”系统的稳定系统的稳定性性“电源 电弧”系统的稳定有两个方面的含义：1无干扰时，能在给定电弧电压和电流下，保证电弧的 稳定燃烧，系统保持静态平衡状态。2当系统受到瞬时干扰，破坏了系统原有的静态平衡，电弧电压和电流发生变化；但当干扰消失后，系统能够自动恢复到原来的平衡状态或者达到新的平衡状态。图3-4“电源电弧”系统稳定原理图a）稳定系统 b）不稳定系统 系统稳定的物理本质是：电源能根据电弧的需要调整能量输出，类似于有电流负反馈作用综上所述，系统稳定的条件是：特性Uy yf（Iy y）与特性Uf ff（If f）有交点，并且在交点的左边保证Uy y Uf f，而在交点的右边Uy y 00，K Kww越大系统稳定性越高。越大系统稳定性越高。图3-5“电源电弧”系统稳定条件 If f Uy y Uf f If f If f Uy y Uf f If f 当电弧的静特性曲线形状一定时，系统的稳定性取决于当电弧的静特性曲线形状一定时，系统的稳定性取决于电源的外电源的外特性曲线形状。特性曲线形状。要保证要保证“电源电源 电弧电弧”系统的稳定，必须根系统的稳定，必须根据电弧的静特性曲线形状确定合适的弧焊电源的外特性曲线形状。据电弧的静特性曲线形状确定合适的弧焊电源的外特性曲线形状。3.2.3 3.2.3 电源外特性曲线的确定电源外特性曲线的确定电源的外特性曲线形状除了影响“电源一电弧”系统的稳定性之外，还关联着焊接工艺参数的稳定。所谓焊接工艺参数稳定是指在焊接过程中，在外界干扰情况下，焊所谓焊接工艺参数稳定是指在焊接过程中，在外界干扰情况下，焊接工艺参数变化量越小，说明焊接工艺参数越稳定。接工艺参数变化量越小，说明焊接工艺参数越稳定。焊接工艺参数：焊接工艺参数：焊接电流、电弧电压、焊接速度、线能量等焊接电流、电弧电压、焊接速度、线能量等 选择电源的外特性不仅要考虑系统的稳定性，而且要结合具体弧焊选择电源的外特性不仅要考虑系统的稳定性，而且要结合具体弧焊工艺特点，考虑焊接工艺参数的稳定性以及引弧性能、熔滴过渡过工艺特点，考虑焊接工艺参数的稳定性以及引弧性能、熔滴过渡过程和使用安全性等。程和使用安全性等。外特性曲线的三部分：外特性曲线的三部分：工作区段：反映了外特性曲线的具体形状工作区段：反映了外特性曲线的具体形状空载点：空载点：决定了电源的空载电压决定了电源的空载电压 短路区段：短路区段：反映了曲线形状和短路电流值反映了曲线形状和短路电流值 1 1 1 1弧焊电源外特性工作区段形状的选择弧焊电源外特性工作区段形状的选择弧焊电源外特性工作区段形状的选择弧焊电源外特性工作区段形状的选择（1 1）焊条电弧焊）焊条电弧焊 工艺特点：工艺特点：弧长容易波动（焊工手抖动）弧长容易波动（焊工手抖动）电弧处在水平段电弧处在水平段要求：弧要求：弧源系统稳定；电弧有弹性；容易引弧；源系统稳定；电弧有弹性；容易引弧；反映在电源外特性上分别是：反映在电源外特性上分别是：弧弧源系统稳定源系统稳定下降外特性下降外特性电弧有弹性电弧有弹性下降的陡度要大，最好是垂降（恒流）特性下降的陡度要大，最好是垂降（恒流）特性容易引弧容易引弧要有较高的短路电流和较大的空载电压要有较高的短路电流和较大的空载电压图3-6 弧长变化引起的电流偏差以恒流为主，加上短路外拖理想特性（2 2 2 2）熔化极电弧焊）熔化极电弧焊）熔化极电弧焊）熔化极电弧焊工艺特点：使用连续送进的焊丝，有自动送丝机构工艺特点：使用连续送进的焊丝，有自动送丝机构（无人为因素影响）。（无人为因素影响）。考虑因素：电源外特曲线性形状；送丝方式；二者的考虑因素：电源外特曲线性形状；送丝方式；二者的配合问题。配合问题。1 1）等速送丝方式）等速送丝方式主要方法：主要方法：熔化极氩弧焊、熔化极氩弧焊、COCO2 2气体保护焊与含有活性气体保护焊与含有活性气体的混合气体保护焊或细丝（焊丝直径气体的混合气体保护焊或细丝（焊丝直径 3 mm3 mm）的直）的直流埋弧自动焊。流埋弧自动焊。电弧工作在上升段。电弧工作在上升段。电源一电弧电源一电弧”系统稳定要求系统稳定要求下降、平、微升特性均下降、平、微升特性均可可电弧自调节要求电弧自调节要求平或微升外特性平或微升外特性参数稳定要求参数稳定要求平或缓降外特性平或缓降外特性 电弧的自身调节作用：当焊接弧长发生电弧的自身调节作用：当焊接弧长发生变化时，引起焊接电流和焊丝熔化速度的变变化时，引起焊接电流和焊丝熔化速度的变化，从而可以使弧长自动恢复的作用化，从而可以使弧长自动恢复的作用 3-7 等速送丝熔化极气体保护焊接系统示意图 等速送丝方式熔化极电弧焊较好等速送丝方式熔化极电弧焊较好等速送丝方式熔化极电弧焊较好等速送丝方式熔化极电弧焊较好的电源外特性的电源外特性的电源外特性的电源外特性平或缓降外特性平或缓降外特性 2）变速送丝控制系统的熔化极电弧焊 主要方法：主要方法：埋弧焊（焊丝直径埋弧焊（焊丝直径 3 mm 3 mm）和）和一部分熔化极氩弧焊一部分熔化极氩弧焊特点：特点：电弧静特性工作段为平特性段。电弧静特性工作段为平特性段。焊丝直径大，电流密度小，电弧自调节作焊丝直径大，电流密度小，电弧自调节作用弱。用弱。弧压反馈变速送丝控制弧长对电源的要求：弧源稳定下降外特性下降外特性反馈灵敏反馈灵敏陡降外特性陡降外特性参数稳定参数稳定陡降或恒流外特性陡降或恒流外特性图3-8 变速送丝熔化极气体保护焊接系统示意图 变速送丝方式熔化极电弧焊较好变速送丝方式熔化极电弧焊较好变速送丝方式熔化极电弧焊较好变速送丝方式熔化极电弧焊较好的电源外特性的电源外特性的电源外特性的电源外特性陡降外特性陡降外特性（3 3）不熔化极电弧焊）不熔化极电弧焊 特点：电弧静特性工作部分呈平的或略上升的形状；弧长稳定方法：钨极氩弧焊（GTAW），等离子弧焊（PAW）以及不熔化极脉冲弧焊要求：电流稳定弧源稳定下降外特性下降外特性参数稳定恒流特性恒流特性不熔化极电弧焊不熔化极电弧焊较好的电源外特性较好的电源外特性较好的电源外特性较好的电源外特性以恒流为主，加上短路内拐特点：一般采用等速送丝；利用电弧自身调节作用来稳定工艺参数；脉冲段和维弧段采用不同的外特性段外特性组合：1）恒压特性与恒压特性配合等速送丝系统；特点：电弧自调节作用强；容易断弧；容易导致参数波动 2）恒流特性与恒压特性熔滴过渡均匀；小电流下容易断弧 3）恒流特性与恒流特性 熔滴过渡均匀；电弧弹性好；自调节作用差4）恒压特性与恒流特性脉冲阶段具有良好的电弧调节作用，但维弧容易短路 （4）熔化极脉冲电弧焊 1）恒压特性与恒压特性拉长易断弧；熔滴受参数波动影响大 2）恒流特性与恒压特性熔滴过渡均匀；小电流易断弧；弧长波动大3）恒流特性与恒流特性 熔滴过渡均匀；电弧弹性好；自调节作用差，易粘丝（短路），弧长波动大4）恒压特性与恒流特性脉冲阶段具有良好的电弧调节作用，但维弧易粘丝（短路）。图3-10 双阶梯外特性 好的外特性：双阶梯外特性 2弧焊电源的空载电压 弧 焊电源的空载电压是指电源输出为开路状态时，电源输出的电压值。空载电压对引弧、维持电弧的稳定燃烧有很大影响 空载电压的选择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。在交流弧焊电源中为确保交流电弧的稳定燃烧，一般：U0（1.82.25）Uf。（3）保证电弧功率稳定。为了保证交流电弧功率稳定，一般 要求：（3-3）U0-空载电压（4）要有良好的安全性和经济性。上述空载电压范围是对下降特性弧焊电源而言的。带有引弧（或稳弧）装置的不熔化极气体保护焊电源，可以降低空载电压 用于熔化极自动、半自动弧焊的平特性弧焊电源可以具有较低的空载电压 3 3弧焊电源的稳态短路电流弧焊电源的稳态短路电流 在弧焊电源外特性上，当 Uy0（Uf0）时对应的电流为稳态短路电流Iwd。主要是指下降特性中Uy0时对应的电流，一般要求：图3-11 恒流带外拖外特性曲线a）外拖斜特性 b）外拖恒流特性 理想的短路区段形状：理想的短路区段形状：恒流带外拖恒流带外拖第三章第三章第三章第三章 （2020）4 4常用的外特性曲线及其应用常用的外特性曲线及其应用 外特性下降特性平特性双阶梯形特性斜缓特性缓降特性恒流特性恒流带外拖恒压特性平缓特性特点曲线形状接近于一条斜线曲线形状接近 于 1/4椭圆工作区段内，焊接电流保持不变工作区段内，焊接电流不变，外拖斜率、拐点可调工作区段内，焊接电压保持不变工作区段内，焊接电压随电流增加略有下降由“”型和“”型特性组合构成适用范围焊条电弧焊，粗丝CO2 焊，埋弧焊焊条电弧焊，变速送丝埋弧焊钨极氩弧焊，等离子弧焊焊条电弧焊等速送丝熔化极气体保护焊、埋弧自动焊等速送丝熔化极气体保护焊、埋弧自动焊脉冲熔化极气体保护焊表表3-1常用弧焊电源的外特性曲线的特点及其应用常用弧焊电源的外特性曲线的特点及其应用3.3 3.3 弧焊电源的调节特性弧焊电源的调节特性对于一定的弧长的电弧，只有一个稳定工作点。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调节电弧静特性和电源外特性曲线相交的稳定工作点决定了焊接电压和电流 3.3.13.3.1调节特性的概念调节特性的概念调节特性的概念调节特性的概念3.3.2 调节参数及调节范围调节参数及调节范围 （1）工作电流I2 焊接时电源输出的电流或电弧的电流。（2）工作电压U2 焊接时弧焊电源输出的电压。常用弧焊方法的约定负载特性为：（1）焊条电弧焊电源 U2 200.0 4 I 2(V)I2 600A；U2 44(V)I2 600A;（2）TIG焊电源 U2 100.0 4 I 2(V)I2 600A；U2 34(V)I2 600A;（3）MIGMAG焊电源 U2 140.0 5 I2(V)I2 600A；U2 44(V)I2 600A。（4）埋弧焊 下降特性的弧焊电源与焊条电弧焊电源的约定负载特性相 同；平特性的弧焊电源与MIGMAG焊电源的约定负载特性相同。其中，U2 约定负载电压,V；I2 约定负载电流,A。约定负载与约定负载特性约定负载与约定负载特性约定负载曲线约定负载曲线第三章第三章第三章第三章 （2323）1 1下降特性弧焊电源的调节参数及范围下降特性弧焊电源的调节参数及范围图3-13下降特性弧焊电源的调节性能 （1）额定最大焊接电流I2max 在约定焊接状态下，弧焊电源在最大调节位置时所能获得的约定焊接电流的最大值。一般要求I2max 100%I2r，I2r为额定焊接电流。（2）额定最小焊接电流I2min 在约定焊接状态下，弧焊电源在最小调节位置时所能获得的约定焊接电流的最小值。对于手工电弧焊 I2min 20%I2r；对于TIG焊 I2min 10%I2r；对于埋弧焊 I2min 40%I2r。（3）电流调节范围 在约定负载特性条件下，通过调节所能获得的输出电流范围，即I2min I2max。平特性电源的可调参数示于图3-14。（1）额定最大工作电压U2max 在约定负载特性条件下，弧焊电源通过调节所能输出电压的最大值。（2）额定最小工作电压 U2min 在约定负载特性条件下，弧焊电源通过调节所能输出电压的最小值。（3）工作电压调节范围 在约定负载特性条件下，通过调节所能获得的输出电压范围。即U2min U2max。图3-14平特性弧焊电源的调节性能 2 2平外特性弧焊电源的调节参数及范围平外特性弧焊电源的调节参数及范围第三章第三章第三章第三章 （2525）3 3弧焊电源空载电压弧焊电源空载电压U U0 0的调节的调节图3-15 弧焊电源中U0的调节一般地，弧焊电源的空载电压是确定的，在电流或电压调节时，空载电压不变。但是，在小电流焊接时，电子热发射能力弱，需要靠强电场作用才容易引燃电弧和保持电弧的稳定燃烧。因此，在小电流焊接时，往往需要较高的U0；在大电流焊接时，电子热发射能力强，可以降低U0，以提高功率因数，节省电能。因此，在有些弧焊电源中，根据弧焊工艺的要求，空载电压随焊接电流或电压的调节也进行调节（如图3-15），从而具有更好的调节特性。3.3.3 3.3.3 弧焊电源的负载持续率与额定值弧焊电源的负载持续率与额定值设备允许温升工作电流工作电流工作时间工作时间工作方式工作方式负载持续率负载持续率弧焊电源经常工作在非额定负载持续率的状态下，实际工作时间与工作周期之比称为实际负载持续率FC FCr 额定负载持续率；FC 实际负载持续率；I2r 弧焊电源额定电流；I2 实际负载持续率下，允许输出的最大电流。实际负载持续率条件下允许使用的最大输出电流可按下式计算：3.4 3.4 弧焊电源的动态特性弧焊电源的动态特性3.4.1 基本概念基本概念无论是电源的外特性还是电源的调节特性，主要是根据电弧的静特性来讨论的，即是弧焊电源必须满足电弧稳态燃烧的要求。但是，在实际焊接过程中，电弧处于稳态的时间是短暂的、相对的，尤其是在熔化极电弧焊中，电极（焊条或焊丝）被加热形成金属熔滴，熔滴从小到大，电弧长度也要随之变化，当熔滴过渡到熔池中时，经常会出现短路现象。所以，在焊接过程中，电弧长度、电弧电压和电流不断的变化，甚至会出现瞬间较大的变化，因而，电弧焊接中，尤其是熔化极电弧焊时，焊接电弧是电源的一个动态负载。弧焊电源必须具有满足动态电弧负载要求的特性，该特性就是弧焊电源的动特性弧焊电源的动特性：电弧负载状态发生瞬态变化时，弧焊电源输出电压与电流的响应特性。它表明了弧焊电源对电弧负载瞬变的适应能力。常用电流和电压的瞬时常用电流和电压的瞬时值来表示如下：值来表示如下：u uy y=f f（t t）、）、i iy y=f f（t t）3.4.2 3.4.2 电弧动态变化的特点及其对弧焊电源动特性的要求电弧动态变化的特点及其对弧焊电源动特性的要求图3-16 熔滴过渡形式和电弧电压、电流的波形a)射流过渡 b)滴状过渡 c)短路过渡 熔化极电弧焊中，所采用的工艺方法和焊接工艺参数不同，熔滴过渡形式不同，负载的变化情况各异，因此，对弧焊电源的动特性要求就有所不同。如图3-16a、b所示，在射流过渡或滴状过渡的熔化极电弧焊中，电弧电压和电流基本不变，此时电弧可以看作静态负载，因此对电源的动特性没有什么特殊要求。而对短路过渡的熔化极电弧焊来说，电弧不停地在负载、短路和空载三态之间转换，所以采用短路过渡的熔化极电弧焊对电源的动特性提出了较高的要求 第三章第三章第三章第三章 （2424）1 1焊条电弧焊焊条电弧焊“空载一短路一负载空载一短路一负载”“负载一短路一负载负载一短路一负载”图3-17 手工电弧焊时，弧焊电源输出电压和电压变化示意图（1）由空载到短路的瞬时短路电流峰值Isd，它主要影响引弧过程。太小不利于引弧阶段的热发射和热电离，使引弧困难；太大则容易造成飞溅大，甚至引起工件烧穿。因此，对Isd往往提出要求，一般是以其与焊接电流I2之比来要求，例如：Isd/I23.0。（2）由负载到短路的瞬时短路电流峰值Ifd，它主要影响熔滴过渡的情况。太大熔滴飞溅严重，使焊缝成形变坏，甚至引起焊件烧穿、电弧不稳。太小则熔滴过渡困难。因此，对Ifd也要提出要求，一般是以其与焊接电流I2之比来要求，例如：Ifd/I22.5。2短路过渡细丝CO2 2焊接弧焊电源也工作在弧焊电源也工作在空载空载短路短路负载之负载之间周期性地变换状态间周期性地变换状态之中，而且频率要求之中，而且频率要求更高。更高。要求：1、瞬时短路电流峰值瞬时短路电流峰值I Isdsd、I Ifdfd2 2、短路电流上升率di/dt熔滴短路过渡过程与电压电流波形示意图t1 燃弧时间 t2 短路时间 t3 拉断熔滴后的电压恢复时间 T 短路周期 T=t1+t2+t3 Imax 最大电流(短路峰值电流)Imin 最小电流 Ia 平均焊接电流 Ua 平均电弧电压 di/dt过小，熔滴难以短路过渡，导致短路时间的延长和焊丝成段爆断；didt过大，导致短路电流增长过快，瞬间达到短路电流的峰值，产生严重的小颗粒飞溅，使熔滴过渡困难。因此，didt必须有一合适值，表3-2给出了其推荐值仅供参考。表表3-2 CO2焊接短路电流增长速率推荐值焊接短路电流增长速率推荐值焊丝直径/mm0.81.21.6短路电流增长速率/kAs-1501504013020753.4.3 弧焊电源动特性标准和评价方法弧焊电源动特性标准和评价方法主观评定主观评定，是由操作者经试焊后作出的。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。客观评定，是用仪器测定一些参数后作出评定的（按有关国家标准规定的技术指标来评价）由于引起焊接电弧、焊接过程瞬态变化的影响因素很多，因此，通过一些具体的参数指标来衡量弧焊电源动态特性的优异是很困难的，所以，目前国内外对弧焊电源动态特性的客观评价标准还处于研究中。第三章第三章第三章第三章 （2727）大多数的弧焊电源虽然还没有具体的动态特性评价指标，但是都要求保证引弧容易、可靠，焊接飞溅小等。因此，引弧与飞溅情况往往是人们考核电源动态性能的重要内容 第三章第三章第三章第三章 （2828）在检测弧焊电源引弧情况时，一般可以采用记忆示波器、光线示波器等仪器记录焊接引弧过程的焊接电流和负载电压波形，以三次引弧时间平均值的大小来确定引弧的难易。在评定熔化极气体保护焊引弧性能方面，有人采用如下综合性指标 为某次引弧过程中断次数，见图3-19。为10次引弧过程的中断平均次数。对于机械化熔化极气体保护焊对引弧性能的要求为：该值小于等于3。用于微机控制或机器人焊接的熔化极气体保护焊，对引弧性能的要求为：该值小于等于0.5。图3-19 引弧过程电压波形（图中所示为三次中断之后引燃电弧）第三章第三章第三章第三章 （3535）在检测弧焊电源飞溅情况时，往往采用称重法，即试件清洗称重，焊丝焊前、焊后称重，试件堆焊不小于250mm长的焊缝 。飞溅量=焊前试件重+（焊前焊丝重-焊后焊丝重）焊后试件重。随着自动控制技术在弧焊电源的广泛应用，也有人提出了采用自动控制系统中评价系统动态响应的方法来评价弧焊电源的动态特性，它包括系统响应的超调量、调节时间、系统响应曲线的振荡次数等。该方法详见有关书籍，本课程不做详细介绍。但是采用该方法也存在一个评价指标问题。第三章第三章第三章第三章 （3030）