对焊接电源的基本要求

第四章　焊接电源基本知识

一、焊接电源的分类

焊接过程中，需要大量的能量来熔化金属和填充材料，这些能量最直接的来源就是电能。因此，在焊接过程中，将电能或其他能量转化成熔化金属或填充材料的热量的设备称为焊接电源或弧焊电源。在我国，电源的种类有多种，但根据电流来划分，可分为直流、交流或脉冲三种。

(一)型号

我国焊机型号按标准编制，型号采用汉语拼音字母及阿拉伯数字组成，其编排次序及各部分含义如下:

型号中1、2、3、6各项用汉语拼音表示，4、5、7各项用阿拉伯数字表示。字母及阿拉伯数字含义见表4－1。

表4－1　焊机电源型号代表字母及其含义

续表

下面举例说明几种焊机型号含义:

(1)

(2)

(二)焊条电弧焊焊接电源的识别

每台焊机在其显眼的位置，都有一块金属牌(常用铝)，这就是焊机的铭牌。在铭牌上，标出了焊机的主要参数，如额定电压、电流、功率、相数、空载电压和工作电流、电流调节范围、负载持续率等。下面特别说明负载持续率。负载持续率是指电焊机在断续工作方式及断续周期工作方式中，负载工作时间与整个周期之比值的百分率，用公式表示为:

负载持续率=焊机负载工作时间/整个周期×100%。

国标规定弧焊电源的工作周期有5min、10min、20min和持续。

额定负载持续率国标规定有35%、60%、100%三种。额定焊接电流就是在额定负载持续率下允许使用的最大电流。

二、对焊接电源的基本要求

弧焊电源(电焊机)不是一般的电源，它必须要求满足电弧焊的一系列要求:

1．对弧焊电源空载电压的要求

当焊机接通电网而输出端开路时，此时输出端的电压称为空载电压。空载电压高，则引弧容易，且电弧燃烧稳定，但缺乏经济性、安全性;而空载电压低，经济性、安全性好，但会发生引弧困难及电弧燃烧不稳定的现象。综合以上因素，国家对几种焊机的空载电压作了限制。

表4－2　弧焊电源空载电压的规定值

2．对弧焊电源短路电流的要求

当电极和焊件短路时，焊机的输出端电流称为短路电流。一般情况下，短路电流满足以下要求:

式中:I———焊接电流，A;

Is———短路电流，A。

短路电流过大，电源易过载;而短路电流过小，不利于引弧和熔滴过渡。

3．对弧焊电源外特性的要求

在稳定状态下，弧焊电源的输出电压与输出电流的关系称为弧焊电源的外特性。弧焊电源的外特性有上升特性、平特性、下降特性三种，其中下降特性又可分为缓降特性、陡降特性、垂降特性，如图4－1所示。

图4－1　弧焊电源的不同外特性

焊条电弧焊一般选用陡降外特性电源，原因如下:其一，采用陡降外特性时，弧焊电源和电弧构成的统一用电系统能保持良好的平衡关系;其二，焊条电弧焊过程中，弧长的变化是不可避免的采用陡降外特性电源可减小电流的波动;其三，采用陡降外特性可满足短路电流的要求。

4．对电源动特性的要求

电源的动特性是指电源适应负载变化的能力。焊条电弧焊过程中，焊接参数变化频繁。例如:短路时，电源要提供合适的短路电流;转为正常焊接时，电压要从0变为工作电压，电流要从短路电流变为工作电流。如果电源输出的电压和电流不能很快地适应焊接过程中的变化，电弧就不能稳定燃烧甚至熄灭。通常对电源动特性的要求有:

(1)恢复电压时间;

(2)恢复电压最低值;

(3)短路电流增长速度。

5．电源的调节特性的要求

焊条电弧焊时，根据母材的特性、厚度、几何形状、焊接位置的不同，要选用不同的焊接电流、电弧电压。因此要求弧焊电源能在较大范围内，均匀灵活地提供合适的焊接电流值。

三、常用焊接电源

常用焊条电弧焊电源可分为交流电源和直流电源。交流弧焊电源以弧焊变压器为主，直流弧焊电源经历了弧焊发电机、硅弧焊整流器到弧焊逆变器的过程。下面，我们分别介绍这几种电源。

(一)弧焊变压器

弧焊变压器是一种具有下降外特性的降压变压器，其分类型号为“B”。正常变压器具有平直的外特性。为获得满足焊条电弧焊需要的陡降外特性，弧焊变压器采用了增大回路电感量的方法。具体方法有两种，一种采用串联交流电抗器的方法，还有一种是增强变压器本身的漏磁，形成漏磁感抗，具体分类见表4－3。弧焊变压器原理图见图4－2，其左侧是一台普通降压变压器，次级回路中串有一可调电感器(可以是等效电感)。可调电感器不仅可用来获得下降外特性，同时还可用来稳定焊接电弧和调节焊接电流。

图4－2　弧焊变压器工作原理

表4－3　弧焊变压器的型号

下面，我们分别来介绍这几种弧焊变压器。

1．分体式弧焊机

分体式弧焊机由一台降压变压器和一台独立的电抗器组成。结构原理见图4－3。工作时，变压器将电网电压降到空载电压，当电流流过交流电抗器时，电抗器上产生感抗压降，从而获得下降外特性。

图4－3　分体式弧焊机结构原理图

串联电抗器上有一活动铁芯，改变铁芯间隙大小，可调节焊接电流。

2．同体式弧焊机

由一台具平特性的降压变压器和一台电抗器组成，如图4－4，其特点是变压器和电抗器做成一体，变压器初级绕组分别绕在变压器侧柱上，次级绕组与电抗器线圈串联。电抗器上有一活动铁芯，调节其与固定铁芯之间的距离，可调节焊接电流。

图4－4　同体式弧焊机结构示意图

3．动铁心式弧焊变压器

见图4－5，动铁心式弧焊变压器的初、次级绕组固定在变压器的心柱上，中间放有一活动铁芯作为初、次级绕组间的漏磁分路。活动铁芯为一梯形。

图4－5　动铁芯式弧焊机结构示意图

调节焊接电流时，只需移动活动铁芯的位置，即改变了活动铁芯与静铁芯之间的距离及动铁芯在静铁芯中的截面积，从而改变了通过动铁芯的漏磁大小，即可实现。且电流变化与动铁芯移动距离呈线性关系，故电流调节均匀。

动铁心式弧焊变压器结构简单，使用和维护方便，故目前应用最为广泛。

4．动圈式弧焊变压器

见图4－6，该焊机型号上属于BX3系列，其结构特点是:初级绕组和次级绕组各分成匝数相等的两部分分别绕在口字形铁心的两侧立柱上。初级绕组固定在铁心底部，次级绕组可在丝杆的带动下上下移动，调节漏磁。当顺时针转动丝杆使初、次级绕组间的距离增大时，漏磁增加，漏抗压降变大，输出电流减小。反之，电流增大。

另外，此类焊机常配有大小电流转换开关。

5．抽头式弧焊变压器

该类焊机型号上属于BX6系列，其结构如图4－7。初级绕组分别绕在两个心柱上，而次级绕组仅绕在一个心柱上。初级绕组常做出较多的抽头，利用转换开关调节初级绕组在两个心柱上的匝数比，用以调节焊接电流。抽头式弧焊变压器结构紧凑，无活动部分，故无振动。但其电流调节是有级调节，不能达到某个任意的电流值。

图4－6　动圈式弧焊变压器结构图

图4－7　抽头式弧焊变压器结构图

(二)直流弧焊电源

1．直流弧焊发电机

直流弧焊发电机由原动机和一台弧焊发电机组成。其原动机可以是内燃机、电动机，其中，电动机驱动的弧焊发电机已经淘汰，内燃机驱动的弧焊发电机适用于野外无电环境的作业。直流弧焊发电机具有电弧燃烧稳定、可靠性好，经久耐用的优点。但其制造耗材、体积大、笨重、噪声大、效率低的缺点，决定了其终将被淘汰的命运。

电动机驱动的直流弧焊发电机由三相交流电动机、发电机电枢、发电机励磁绕组、换向片、电刷、控制盘等组成。

其常用型号有AX－320、AX1－500、AX4－300。

2．硅弧焊整流器

硅弧焊整流器是一种将交流电经变压、整流转化成直流电的焊接电源。一般由降压变压器、硅整流器、输出电抗器和外特性调节机构等部分组成。硅弧焊整流器常通过磁放大器(饱和电抗器式)或通过增大降压变压器的漏磁(动铁式、动圈式)来获得下降外特性及调节空载电压和电流。其基本原理方框图见图4－8所示。

图4－8　硅弧焊整流器电源基本原理图

当采用晶闸管或晶体管来代替二极管作整流元件时，焊机就为晶闸管式弧焊整流器和晶体管式弧焊整流器。它们可以采用电子控制电路来获得所需可调外特性，电流、电压控制范围很大。

(三)弧焊逆变器

逆变式弧焊电源是一种新型电源，也是现阶段应用最为广泛、最具发展前景的直流电源。

逆变的含义是指从直流电变为交流电(中频或高频)的变流过程。逆变式弧焊电源的基本原理方框图如图4－9所示。

图4－9　逆变电源的基本原理框图

逆变电源中起逆变作用的核心元件是大功率的开关元件，其已经经历了晶闸管(可控硅)→晶体管→场效应(MOS－FET)→绝缘栅极晶体管(1GBT)四代发展。逆变电源中还有一个重要元件是中频变压器，他较小的体积和重量大大减小了逆变电源的体积和重量。其完全的电子控制使得逆变电源电流调节十分方便、迅捷。它可获得多种外特性，以满足不同的需要。