上海电力学院工业用电设备第4章 电焊机

2020/2/9上海电力学院电力系12005年我国粗钢产量首次超过3亿吨，达34936.15万吨，2006年我国粗钢产量超过4亿吨，达42255万吨，占全球产量的1/3，连续11年保持钢产量世界第一。2010年我国粗钢产量超过6亿吨，达到62665．4万吨，比上年增长5308．7万吨，增长9．26％。占全球产量的1/2尽管2010年钢铁企业盈利增加，但行业总体盈利水平仍然偏低。电焊机：直接利用电能，使两个分离的金属物体（同种金属或异种金属）产生原子（分子）间结合而连接成一体的加工设备。电焊加工是一项重要的金属加工工艺，在各国的钢产量中，约有60％左右经过焊接工艺加工。第4章电焊机2020/2/9上海电力学院电力系2电焊的优点：它连接的部件和材料可以达到和连接母材等强度、等刚度、等塑性、等韧性。电焊的应用：电焊不仅可以解决各种钢材的连接，而且还可以解决铝、铜等有色金属及钛、锆等特种金属材料的连接，因而广泛地应用于机械制造、造船、海洋开发、汽车制造、机车车辆、石油化工、航空航天、原子能、电力、电子技术、建筑、家电等行业。电焊同时又是安全要求非常高的一种先进工艺，是现代制造技术的重要内容。第4章电焊机2020/2/9上海电力学院电力系3图4.0.1焊接中的世界最大三峡水轮机转轮（15叶片）图4.0.2三峡水电站焊接中的蜗壳第4章电焊机2020/2/9上海电力学院电力系4电焊机的用电量不大，但电焊机数量庞大，应用领域广泛。2020/2/9上海电力学院电力系5电焊机的种类：电弧焊机、电阻焊机、高能束焊机、钎焊机、…各种不同程度专业化的电焊机。不同的金属、不同的产品特点、不同的生产条件，需要不同的电焊方法，每种电焊方法都需要配用一定的电焊机。本章重点：电弧焊机、电阻焊机——用得最多简单介绍：电子束焊、激光焊、钎焊、焊接机器人和焊接专机，并讨论电焊机的节电技术。电焊机的组成：焊接电源、机械系统、控制系统及其他一些辅助设备。本课程只介绍电焊机中的焊接电源部分第4章电焊机2020/2/9上海电力学院电力系64.1电弧焊机图4.1.1焊条电弧焊焊接部分工作示意图1-焊钳，2-焊条，3-药皮；4-焊条芯（焊料），5-电弧，6-焊件，7-熔滴，8-培渣，9-焊缝电弧焊机组成：焊机本体、弧焊电源、控制系统。——目前应用最广泛的焊接方法。4.1.1电弧焊焊接方法简介绝大部分电弧焊以电极与工件之间燃烧的电弧作为热源焊接过程：电弧将待焊接部分加热至熔融状态后，滴入焊料，焊料与金属材料的原子（分子）结合，冷却后，完成焊接。在大气压力条件下，大电流电弧的弧柱中心处具有5000~50000K的极高温度。所以极大多数金属的焊接都可采用电弧作为热源。第4章电焊机2020/2/9上海电力学院电力系71．焊条电弧焊2．埋弧焊3．钨极气体保护电弧焊4．等离子弧焊5．熔化极气体保护电弧焊6．药芯焊丝电弧焊电弧焊的种类：第4章电焊机4.1电弧焊机2020/2/9上海电力学院电力系81．电弧的静特性负阻特性，燃烧不稳定，不使用适用于细丝焊、大电流气电焊、埋弧焊、等离子弧焊和水下焊等适用于手工电弧焊、埋弧自动焊4.1.2焊接电弧的电气特性——电弧燃烧时，电弧电压Uh（电弧两端的电压）与电弧电流Ih（通过电弧的电流）之间的关系。——即焊接电弧的电气特性。第4章电焊机4.1电弧焊机2020/2/9上海电力学院电力系92.电弧的动特性——一定的弧长下，当电弧电流很快变化的时候，电弧电压和电流瞬时值的关系。图4.1.3电弧的动特性曲线第4章电焊机4.1电弧焊机4.1.2焊接电弧的电气特性2020/2/9上海电力学院电力系103．交流电弧的电特性焊接电弧按电流种类可分为：交流电弧、直流电弧、脉冲电弧（包括高频脉冲电弧）。采用工频交流电时的问题：交流电弧的电流值每秒钟100次经过零点，电弧要熄灭。过零点后重新点燃，——再引弧。再引弧所需电压——再引弧电压（Ur）。第4章电焊机4.1电弧焊机4.1.2焊接电弧的电气特性2020/2/9上海电力学院电力系11使交流电弧电流连续的方法：交流电路中接入足够大的电感。3．交流电弧的电特性第4章电焊机4.1电弧焊机4.1.2焊接电弧的电气特性2020/2/9上海电力学院电力系12（1）接触引燃：电极（焊条或焊丝）与焊件在直接接触（短路）的状态下突然拉开（断路）而使电极与焊件间产生电弧的一种引燃方式。手工电弧焊都采用这种引燃方式。4.焊接电弧的引燃（2）非接触引燃：在电极与焊极间没有接触的状态下，在电极与焊件间加上10kV/cm的高电压，使它们之间的空气击穿，产生气体游离，发展成电弧的引燃方式。多用于除手工电弧焊以外的各类弧焊机上。第4章电焊机4.1电弧焊机4.1.2焊接电弧的电气特性2020/2/9上海电力学院电力系13电弧负载在常用的电弧焊区段上，电压约为20~40V，电流在几十~上千A。4.1.3弧焊电源一．弧焊电源的作用及其基本组成——电弧焊设备的核心部分弧焊电源的首要作用：将电网电压降低到适合电弧工作的电压。①工频变压器——独立作为交流电源使用的采用单相变压器，为直流电源配套的则多为三相变压器。②中频变压器（在20kHz）——逆变弧焊电源。同等功率的20kHz中频变压器，体积和重量仅为工频变压器的十几分之一。弧焊电源的基本组成：降压变压器。第4章电焊机4.1电弧焊机2020/2/9上海电力学院电力系14二、对弧焊电源的基本要求1.对弧焊电源外特性的要求弧焊电源外特性：其输出电压与输出电流之间的关系要求：能与焊接电弧的静态伏安特性相配合，为电弧提供合适的工作点——引燃容易、保证电弧稳定燃烧，保证焊接规范稳定并可以调节。第4章电焊机4.1电弧焊机4.1.3弧焊电源2020/2/9上海电力学院电力系15二、对弧焊电源的基本要求1.对弧焊电源外特性的要求(a)、(b)、(c)、(d)下降特性(e)、(f)平特性第4章电焊机4.1电弧焊机4.1.3弧焊电源2020/2/9上海电力学院电力系16由于焊件的厚度和焊缝大小的不同、焊件材质的不同、对焊件的机械强度要求不同等种种原因，焊接时所需要的焊接电流大小也就不同。弧焊电源能输出不同工作电压、电流的可调性能称为电源的调节特性，它是通过电源外特性的调节来体现的。2.对调节特性的要求第4章电焊机4.1电弧焊机二、对弧焊电源的基本要求4.1.3弧焊电源2020/2/9上海电力学院电力系17对动态特性的要求：(1)瞬时短路电流不能太大或太小。(2)短路电流上升的速度不能太大或太小。(3)要有合适的恢复电压最低值。第4章电焊机4.1电弧焊机3.对动特性的要求焊机的负载总是在不断变化着，亦即电弧电压、电弧电流是瞬息变化的，作为弧焊电源，对这种变化必需具有足够的适应性。弧焊电源的动特性是指当负载状态发生瞬时变化时，电源的输出电流与输出电压的关系，用以表征电源对负载瞬变的反应能力。焊接过程：引弧电弧稳定燃烧短路断路（空载）引燃二、对弧焊电源的基本要求4.1.3弧焊电源2020/2/9上海电力学院电力系18中华人民共和国国家标准GB15579-1995,弧焊设备安全要求的第一部分焊接电源中，对额定空载电压规定如下：1.在触电危险性较大的环境中使用的额定空载电压：直流113V峰值交流68V峰值和48V有效值2.在触电危险性不大的环境中使用的额定空载电压：直流113V峰值交流113V峰值和80V有效值由此可知，各种弧焊电源的空载电压皆低于公用电网的供电电压220V/380V。必须采取一定的手段将电网电压降至具体弧焊电源所需的空载电压。4.对空载电压的要求第4章电焊机4.1电弧焊机4.1.3弧焊电源2020/2/9上海电力学院电力系19三．各类弧焊电源的基本原理弧焊工艺对弧焊电源提出的电特性要求为：合适的空载电压；合适的外特性形状；足够大的参数调节范围和良好的动特性。1．机械调节型弧焊电源——弧焊变压器图4.1.8弧焊变压器的结构及电路原理（a）结构示意图（b）电路原理图（c）输出向量图LUUI2f2of第4章电焊机4.1电弧焊机4.1.3弧焊电源2020/2/9上海电力学院电力系20串联电感可获得恒流特性。电感L的大小可调，改变L的大小就可调节弧焊电源的外特性机械调节型弧焊电源特点：靠机械移动来改变外特性和实现焊接参数调节，既简单又可靠，调节不灵活，笨重而耗料多，只能用在要求不高的场合。第4章电焊机4.1电弧焊机4.1.3弧焊电源2020/2/9上海电力学院电力系21电磁控制型弧焊电源的特点：结构简单、坚固、工作可靠、耐用，调节参数少，不精确，不灵活，动态响应速度慢，只适合要求不高的焊接场合。2．电磁控制型弧焊电源图4.1.10串联饱和电抗器式弧焊变压器工作原理示意图（a）示意图（b）电路原理图电磁控制型弧焊电源依靠改变饱和电抗器的励磁电流Ik的大小，调节铁心饱和程度来实现对外特性曲线和参数的控制第4章电焊机4.1电弧焊机4.1.3弧焊电源2020/2/9上海电力学院电力系22根据控制信号的不同，分为移相式、模拟式和开关式三种。（1）移相式——通过移相来控制外特性，进一步分为：a.晶闸管式弧焊整流器；b.晶闸管电抗器式矩形波交流弧焊电源；c.晶闸管式脉冲弧焊电源。（2）模拟式——通过模拟信号控制外特性。进一步分为：a．模拟式晶体管弧焊整流器；b．模拟式晶体管脉冲弧焊电源。3．电子控制型弧焊电源——电子弧焊电源借助于电子线路（含反馈电路）对外特性、动特性进行控制。第4章电焊机4.1电弧焊机4.1.3弧焊电源三．各类弧焊电源的基本原理2020/2/9上海电力学院电力系23（3）开关式——通过改变开关频率或开关时间来控制外特性。根据开关电子器件及结构特点的不同，可分为如下几种：a．开关式晶体管弧焊电源；b．开关式晶体管脉冲弧焊电源；c．数字开关式晶闸管矩形波交流弧焊电源；d．逆变式晶闸管矩形波交流弧焊电源；e．晶闸管式弧焊逆变器；f．晶体管式弧焊逆变器；g．场效应管式弧焊逆变器；h．IGBT式弧焊逆变器。3．电子控制型弧焊电源——电子弧焊电源借助于电子线路（含反馈电路）对外特性、动特性进行控制。第4章电焊机4.1电弧焊机4.1.3弧焊电源三．各类弧焊电源的基本原理2020/2/9上海电力学院电力系24电子弧焊电源包括：电子功率系统（各种类型的电力电子功率变换电路，它决定了电子控制弧焊电源的基本性能）、电子控制系统。采用闭环反馈系统控制它的外特性、动特性。图4.1.11电子弧焊电源基本原理方框图第4章电焊机4.1电弧焊机4.1.3弧焊电源2020/2/9上海电力学院电力系25a.恒流特性；b.平特性（恒压特性）；c.下降特性或任意特性。图4.1.12电子弧焊电源的外特性曲线这样产生的外特性已经不是功率系统本身的特性了，而是电子控制系统所确定的特性。第4章电焊机4.1电弧焊机4.1.3弧焊电源3．电子控制型弧焊电源——电子弧焊电源三．各类弧焊电源的基本原理2020/2/9上海电力学院电力系26电子控制型弧焊电源，充分体现了电子技术和电力电子技术的优越性，其特点：第4章电焊机4.1电弧焊机4.1.3弧焊电源3．电子控制型弧焊电源——电子弧焊电源三．各类弧焊电源的基本原理1)可以对外特性进行任意的控制，满足各种弧焊方法的需要；2)具有良好的动特性，反应时间短；3)可调节参数多，特别是脉冲式电子控制的弧焊电源，可以对电弧功率进行精密的控制和遥控；4)输出电压、电流稳定性好，抗干扰能力强，不易受网路电压波动和温度变化的影响；5)弧焊逆变器还具有高效、体积小的特点；6)便于进行编程和采用微机控制，是全位置自动焊和弧焊机器人用的理想弧焊电源；7)电路比较复杂。2020/2/9上海电力学院电力系27电子控制型弧焊电源是控制精密、性能优良的弧焊电源，可以应用于各种弧焊工艺方法，也可以对高合金钢、热敏感性大的合金材料或要求较高的工件进行焊接，特别适合用作管道全位置自动焊和弧焊机器人的弧焊电源。第4章电焊机4.1电弧焊机4.1.3弧焊电源3．电子控制型弧焊电源——电子弧焊电源三．各类弧焊电源的基本原理2020/2/9上海电力学院电力系28Z