（机械工程专业论文）新型晶闸管式COlt2gt气体保护电弧焊机的研制.pdf

天津文学壤土论文 幸文摘要 摘要 c o 。气体保护电弧焊接方法自5 0 年代初问世以米，得到了迅速发展，目前已 褥至广泛蟪袋鼹。霹耩= | ，c 0 2 气体保护奄弧烽援也经爨了磁憾霸整滚辫极、抽央 式懿流焊机、晶闸瞥式整流爆机、逆变式焊机等发展道程。爆管逆交焊机是焊机 鲍发鼹方囊，但是，飘翦在实际工程镢壤需求量最大黪仍然憝鑫阐罄整淡式c 踺 挥机。 其存傀毵特性螅c 趣焊捉才能儇涯赢袋爨的e 镳烬缝。睫藩工程实际对c 趣 挥按艨量要袋的不瑟提高，翮角现代窀子搜术，研制商倥髓的c 虢簿祝已成为目 前烬枫审4 造领域蟹 究的热点之一。因此，研镲4 新型鼎闸管式c o ；焊桃不仅具裔一 定豹理论意义，两且疆买有十分重要鹃实弱价谴。 本文介缨了薪型n b c 5 0 0 k r 焊机的具体设计。包撼主电路设计，变压器计舞， 晶阉辫控耩憩路，嚣寸序控翻电褡，送缝窀飘诵速电蹿，傈护电路设计，无遥控电 缆设计，一元化调节替。在媒枕的设计上突破7 传统婀产焊枕的设计思路，将掰 熬奄予控制技术庭耀予鑫阐管移糖皴发、同步电路，遴丝调遵奄路，无遥控恕缆 电路，一元化潺节等电路系统中。 与转统滓辊稳魄，奉交蕊鹾翻豹n b c 5 0 0 k r 孬瓿采孀了新型窀予器髀，蒋纯 了晶闸管移捆触发及同步电路：采用p 哪控制技术馊送丝机性能稳慰、可靠；增 燕了无遥控魂缆袭幸 及元豫谲苇秘链提高 簿氯静灞节功麓、爨动犍及健瘸可 靠性。 试验搿究轰餮，n b c s o o k r 薪螯0 国浮裁矬能渍跫了设嚣螫求，达秘了謦豁嚣 类焊机的先避水平。 关键谢；c q 挥机晶闸管p w m 调速电路秃遥控电缆 一元化淫繁 a b s t r a c t t h ec 0 2g 弱a r ew e l d i n gt e c h n i q u eh a sb e e na d v a n c e da n da p p l i e dw i d e l y s i n c ei tc a m eo u ti nt h ef i r s t19 5 0 s m e a n w h i l e ，t h ec 0 2g a sa r ew e l d i n gm a c h i n e s h a v ee x p e r i e n c e dal o n gp r o g r e s si n c l u d i n gs e v e r a lg e n e r a t i o n s ，w h i c ha r cs a t u r a t e d m a g n e t i cc o m m u t a t i n gw e l dm a c h i n e ，t a pc o m m u t a t i n gw e l dm a c h i n e ，s i l i c o n c o n t r o l l e dr e c t i f i e rc o m m u t a t i n gw e l dm a c h i n e ，a n dc o u n t e r c u r r e n tw e l dm a c h i n e a l t h o u 吐t h ec o u n t e r c u r r e n tw e l dm a c h i n er e p r e s e n t st h ed e v e l o p i n gt r e n do fw e l d m a c h i n e ，t h ec 0 2s i l i c o nc o n t r o l l e dr e c t i f i e rc o m m u t a t i n gw e l dm a c h i n ei ss t i l l d e m a n d e d g r e a t l yi nt h es c o p eo f p r a c t i c a la p p l i c a t i o n n 忙e x c e l l e n tq u a l i f i e dc 0 2w e l dm a c h i n ec a na s s u r eg o o dq u a i l t yo ft h ec 0 2 w e l d a st h ed e m a n df o rg o o dq u a l i t yo ft h ec 0 2w e l dh a si n c r e a s e dr e c e n t l y , t h e e x c e l l e n tq u a l i f i e dc 0 2w e l dm a c h i n ew h i c hi s d e v e l o p e db ym o d e me l e c t r o n i c t e c h n o l o g yh a sb e e no n eo ft h em o s tp o p u l a rs t u d yi nt 1 1 e a r e ao fw e l dm a c h i n e m a n u f a c t u r i n g a c c o r d i n g l y , s t u d y i n g a n d m a n u f a c t u r i n g n e w t y p es i l i c o nc o n t r o l l e d r e c t i f i e rc 0 ，w b l dm a c h i n ei sn o to n l ym e a n i n g f u l i nt h e o r y , b u ta l s ov a l u a b l ei n a p p l i c a t i o n i nt h i sa r t i c l ew ei n t r o d u c e dt h ec o n c r e t e d e s i g n o ft h en e wt y p eo f n b e 5 0 0 k rw e l dm a c h i n e i n c l u d i n gt h e d e s i g no fm a i nc i r c u i t ，t r a n s f o r n l e r c a l c u l a t i o n ，s i l i c o nc o n t r o l l e dr e c t i f i e rc i r c u i t ，t i m ea n do r d e rs t e e r i n gc i r c u i t ， w i r ef e e d e rt r a n s p o r te l e c t m m o t o r t i m i n gc i r c u i t ，t h ed e s i g n o fp r o t e c t i o nc i r c u i t ， t h ed e s i g no fn ot e l e c o n t r o lc a b l e u n i f y i n ga d j u s t m e n ta n ds oo n o u rd e s i g no f w e l dm a c h i n c se x c e e d e dt h et r a d i t i o n a ld e s i g nt h e o r yo nh o m e m a d ew e l dm a c h i n e ， a n da p p l i e dn e we l e c t r o n i c c o n t r o l l i n gt e c h n o l o g yt o s i l i c o nc o n t r o l l e dr e c t i f i e r t r a n s p h a s o rt r i g g e rc i r c u i t ，s y n c h r o d y n ec i r c u i t ，w i r e f e e d e r t r a n s p o r t e l e c t r o m o t o r t i m i n g c i r c u i t ，n o n t e l e c o n t r o lc a b l e c i r c u i t ，a n d u n i f y i n g a d i u s t m e n tc i r c u i ts y s t e m s a n ds of o r t h c o m p a r e d w i t ht r a d i t i o n a lw e l dm a c h i a e s ，o u rn e wn b c 5 0 0 k rw e l dm a c h i n e a d o p t e dn e w e l e c t r o n i ce l e m e n t s s i m p l i f i e ds i l i c o nc o n t r o l l e dr e c t i f i e rt r a n s p h a s o r t f i g g e rc i r c u i ta n ds y n c h r o d y n ec i r c u i t ，a d o p t e dp w m c o n t r o lt e c h n i q u et om a k e t h ef u n c t i o no ft h ew i r ef e e d e rt r a n s p o r te l e c t r o m o t o rs t e a d ya n dd e p e n d a b l e ，a d d e d n o nt e l e c o n t r o lc a b l e ，i m p r o v e dt h ef u n c t i o no fu n i f y i n ga d j u s t m e n ts o a st o e n h a n c et h ef u n c t i o no f w e l dm a c h i n ei na d j u s t m e n t ，f l e x i b i l i t ya n dd e n p e n d a b i l i t y i ti si n d i c a t e dt h r o u g ht e s t sa n dr e s e a r c h e st h a tn e wt y p eo fn b c s 0 0 k r w e l d m a c h i n eh a ss a t i s f i e dt h e d e s i g nd e m a n da n dc a t c hu pw i t ht h e m o s ta d v a n c e d t e c h n i q u eo f t h es i m i l a rw e l d m a c h i n ei nt h ew o r l d k e yw o r d ： c 0 2w e l dm a c h i n e s i l i c o nc o n t r o l l e dr e c t i f i e rp w m t i m i n g c i r c u i tn o nt e l e c o n t r o lc a b l e u n i f y i n ga d j u s t m e n t c a b l e 独创性声明 本人声明所呈变的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：矿t 埔岩 签字日期： 7 0 口7 年罗月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘生盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：，f 垢岩， 导师签名 黝焱捌 签字日期：2 ，z 年f 月日签字日期：z 口o z 年罗月日 天津人学工程硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 c o 。气体保护电弧焊接方法从2 0 世纪5 0 年代初问世以来，以其高效、节 能和低成本等特点受到人们极大的关注。在8 0 年代初，先进工业国家的c 0 2 焊接就已占焊接总量的3 0 以上，到了8 0 年代末上升到5 0 ，其中日本达到 7 l ，成为一种主要的焊接方法。我国自5 0 年代就开始应用c 仉焊接方法，但 由于受当时科学技术、生产水平的限制，该焊接方法未能得到广泛地应用。直 到8 0 年代，国外焊接设备和材料的大量进口，推动了我国c 0 ：焊接技术的发展。 目前，c 0 ：气体保护电弧焊是我国大力推广应用的高效节能焊接工艺，其应用 领域越来越广泛。到2 0 0 0 年的统计显示，c 0 2 焊接总量已占我国焊接总量的1 5 。这个比例比与我国以前的情况相比有较大的提高，但与发达国家还有很大 差距，因此，c 0 2 气体保护电弧焊接在我国还存在巨大的发展空间，可以预计， 2 1 世纪c o ：焊接将会在我国有一个大的发展。 1 1 c 0 2 焊接技术的概述 c o ：气体保护电弧焊接是一种高效、节能的焊接工艺方法。它具有以下特 点： ( 1 ) 焊接成本低。c o 。气体一般是酿造厂和化工厂的副产品，来源广，价 格低。因而c o 。焊的成本只有埋弧焊和手工电弧焊的4 0 5 0 左右。 ( 2 ) 生产率高。c o ：电弧的穿透力强，熔深大而且焊丝的熔化率高，熔敷 速度快，生产率高。与手工电弧焊相比，c o 。焊接的生产率可提高1 4 倍。 ( 3 ) 能耗低。c o ：电弧焊和药皮焊条手工焊相比，3 m m 厚低碳钢对接焊缝， 每米焊缝消耗的电能。前者为后者的7 0 左右。2 5 m m 厚碳钢板对接焊缝，每 米焊缝的电能，前者仅为后者4 0 。所以c o 。电弧焊是较好的节能焊接方法。 ( 4 ) 适用范围广。可以进行全位置焊接。薄板可焊到1 毫米左右，最厚 几乎不受限制( 采用多层焊) ，而且焊接薄板时，比起气焊来速度快，变形小。 ( 5 ) 抗锈能力强，焊缝含氢量低，抗裂性好。 ( 6 ) 焊后不需清渣，又因为是明弧，便于监视和控制。由于可以进行全 位置焊接，因此有利于实现焊接过程的机械化和自动化。 c o 。气体比重较大，并且受电弧加热后体积膨胀也较大，所以在隔离空气， 保护焊接熔池和电弧方面，效果良好。但是它的物理化学性质，又给焊接冶金 带来一些问题。如电弧气氛具有较强的氧化性，容易引起合金元素的烧损，会 引起气孔以及焊接过程中产生金属飞溅等。因此，在c o 。电弧焊接时，必须采 用含有脱氧剂的焊丝及专用的焊接电源。 目前，c 幔电弧焊主要用于焊接低碳钢及低合金钢等黑色金属。对于不锈 钢等高合金钢，由于焊缝金属有增碳现象，影响抗晶腐蚀性能，所以只能用于 对焊缝性能要求不高的情况下。 按操作方式，c o 。电弧焊可分为自动焊及半自动焊两种。对于较长的直线 焊缝和规则的曲线焊缝如环焊缝，可采用自动焊。而对于不规则的或较短的焊 缝，则采用半自动焊，也是现在生产用得最多的形式。 天津大学工程硕士论文 第一章绪论 1 2 c o ：焊接电源简介 ( 一) 抽头式硅整流电源 抽头式硅整流电源主要由主变压器，整流器和直流输出电抗器等三大部 分组成，如图卜】所示。 主变压器为普通的三相降压变压器，它的接法为y 。这种接法不但节 省铜线，而且便于绕制。变压器的初级绕组有若干抽头或初级和次级绕组均有 抽头，用于调节输出电压。 akt m l b b b j亭1 j一3 j章5l 一 ，、 + 、6 l i 5 c jz 2 】_ z 4 】_ z 6 n 图l 一1 抽头式硅整流电源电气原理图 三相整流器接成三相全波桥式整流电路，其作用是将交流变成脉动直流。 整流管采用硅二极管，其z ，z ，和z 。管与正输出端m 相联，z 。，五和z 6 管与负 输出端n 相联。也就是整流后的直流电压由m ，n 点输出。 直流输出电抗器是在整流器输出端的一个含有铁芯的线圈。铁芯可以是留 有一定气隙的闭合的口字形铁芯，也可以为棒状铁芯。铁芯留有气隙或采用棒 状铁芯，主要是为了舫止大电流下铁芯饱和，而使电感值急剧降低。可以采用 改变电抗器线圈匝数的方法来调节电感的大小。 直流输出电抗器的主要作用是调节电源的动特性，用其限制短路电流增长 速度，同时也能限制短路峰值电流，以适应c o z 短路过渡焊接的要求。此外还 具有滤波作用。 抽头式整流焊机是利用其变压器结构来确定外特性形状的。外特性曲线基 本上是平缓特性，如图1 2 。焊机的空载电压u 。为： 式中，。一一主变压器次级线电压。 主变压器是正常漏磁式，其内阻抗很小，所以负载时次级电压与空载时基 本相等。另一方面，电抗器的内阻也很小，所以负载时输出的直流电压为： 揖“ ( 1 - - 2 ) 因此抽头式电源外特性曲线基本上是水平的。 通过式( 1 1 ) 和式( 1 2 ) 式可见，只要改变主变压器的次级线电压， 就能够调节外特性。为此抽头式焊机可以通过改变一次线圈的匝数来改变变压 器的变比，使次级线电压发生变化，从而调节外特性曲线，绳到所需要的输出 电压值。 根据工艺要求，短路过渡c 0 2 焊时，电弧电压发生l v 左右的变化，都将对 2 天津大学工程硕士论文第一章绪论 焊接过程有明显影响。所以，细丝c o ：短路过渡焊时，变压器抽头的级差一般 为0 5 1 y 。 图卜2 抽头式电源外特性 抽头式硅整流电源是传统c o ：焊机的主要型式之一，它具有以下优点：结构 简单，节省材料，容易制造与维修，价格低廉，使用可靠和电源的动特性较好。 其缺点是对网路电压波动没有补偿能力，因而焊接规范不稳定；焊机的外特性 即输出电压是有级调节，而且必须停机调节，不能遥控，其调节功能差；焊机 空载电压较低，近似等于焊接电压，所以在小电流时引弧性能稍差；焊机的可 控性差难以实现火口填充等工艺。 抽头式焊机属于普及型焊机。天津电焊机厂主导设计与制造了如下三种类 型的抽头式c o 。焊机：n b c 一1 6 0 ，n b c 一2 5 0 和n b c - - 4 0 0 等。 类似于抽头式硅整流电源的还有自耦变压器式，增强漏磁式及附加变压器 式硅整流电源。 ( 二) 自饱和电抗器式硅整流电源 自饱和电抗器式硅整流电源属于淘汰产品。它主要由主变压器，自饱和电 抗器( 全部内反馈磁放大器) ，三相整流器及直流输出电抗器四部分组成，如 图卜3 。 t 图1 3 自饱和电抗器式硅整流电源电气原理图 三相整流器与直流输出电抗器类似于抽头式硅整流电源。不同的是主变压 天津大学工程硕：b 论文 第一章绪论 器没有抽头而外特性调节由一个独立器件完成，该器件称为磁放大器。 磁放大器是这种电源的核心部件。下面简要介绍它的结构特点，基本工作 原理和电源外特性等。 电抗器的电感l 为： 工：掣( 1 - 3 ) f 式中：“一一铁芯导磁率( h c m ) 肛绕组匝数： 卜一铁芯截面( 哪2 ) ； 一一磁路平均长度( 嘲) 。 当电感的铁芯与线圈确定后之后，电感量主要决定于导磁率p 。对于用优 质冷轧硅钢片制造的电感，其简化的磁化曲线如图卜4 。在磁场强度( h ) 较小 时，也就是激磁电流较小时，铁芯不饱和( o i 段) ，可认为p t o o 。当h 增加到 某值后。磁通密度b = b s 时( b s 为饱和磁通密度) ，铁心饱和( m n 段) ，这时“一 0 。 b b h 图l 一4 铁芯的理想磁化曲线图l 一5 单相磁放大器原理图 可见，这种电抗器工作在电感为0 和一两种状态。 为了便于分析问题，先以单相磁放大器为例进行说明，如图卜5 。它由四 部分组成，即交流线圈n 。，直流线圈n 。，铁芯, n - 个二极管。铁芯为日字型， 交流线圈分绕在两个边柱上，又称为工作绕组，与交流电路相联。直流线圈绕 在中心柱上，又称为控制绕组，与直流控制电路相联。前者产生的磁通密度称 为交流磁通密度b j 。后者产生控制磁通密度。 在磁放大器中。由于二极管的作用，使得交流绕组产生的磁通方向与控制 磁通相同。因而工作绕组本身的电流可以增强，甚至自身也能使磁发大器铁芯 饱和，所以又称为自饱和电抗器。 必须指出，实际应用的自饱和电抗器式焊机均为三相磁放大器，其接线图 如图1 - 6 所示。其原理类似于单相磁放大器。 根据设计要求，当b k = 0 时，只靠交流磁密的作用。磁放大器在每个半波 中的o n 2 区间处于不饱和状态，而n 2 n 区间处于饱和状态。也就是磁 放大器在前半波时电感为o o 。不导通，而在后半波电感为0 ，相当于磁放大器 短路导通。这时输出电压u 为空载电压的1 2 ，如( 1 4 ) 式。 u ：u 。一u ，：昙u 。 ( 1 4 ) 誊 天津大学工程硕士论文第一章绪论 式中，u o 一电源的空载电压 u t 一磁放大器的平均电压降 当改变控制磁通时，将改变磁放大器的饱和程度，也就是改变磁放大器每 个半波的导通角，如b k 一 o 时，导通角增加，u 1 2 u 。反之，若b 。 o 时，导 通角减小，u 1 2 u 。 当b 。一定时，每个半波的导通角相同，而与交流电流无关( 也就是与焊接 电流无关) 。所以这时可以输出恒定电压。而空载电压却较高，它由变压器二 次电压决定，而与磁放大器无关。因此电源外特性呈“l ”形，如图1 - 7 。 图卜6 三相自饱和电抗器式 硅整流电源接线图 加 i h 图卜7自饱和电抗器式 硅整流电源的外特性 总之，为调整电源的外特性，只需调节直流控制绕组的控制电流即可。为 了便于调节和改善性能，许多焊机还在控制绕组的铁芯上设置了偏移绕组和弧 压负反馈绕组。 自饱和电抗器式硅整流电源适用于熔化极气体保护焊。“l ”形电源外特性 有利于引弧和弧长自调节作用。输出电压可以远距离无级调节和具有较好的网 络电压补偿能力。 该电源的主要缺点是耗用材料较多、成本高。常用于容量较大的电源，如 z p g - 5 0 0 ，z p g 2 - 5 0 0 ，z p - 2 x 8 0 0 和z p g ，一】0 0 0 型等。 ( 三) 晶闸管式弧焊整流器 晶闸管式弧焊整流器是利用晶闸管作为整流和控制元件。常用的整流方式 为三相桥式整流电路及带平衡电抗器双反星型电路。带平衡电抗器的双反星形 可控整流器组成如图l 一8 ，由主变压器，晶闸管整流器组，平衡电抗器和输出 电抗器等四个主要部分组成。这里主变压器和直流输出电抗器与前述类似。不 同点为主变压器的次级为双反星形接法，并通过平衡电抗器把两者联接起来。 整流电路除了六个可控硅外，有的还并联接入了六个二极管以提高焊机空载电 压，保证小电流下波形连续。 天津大学工程硕士论文 第一章绪论 l 图l 一8 晶闸管式弧焊整流器主电路原理图 为了说明晶闸管弧焊整流电源的工作原理，首先将带平衡电抗器双反星形整 流电路的主要波形示于图1 - 9 。图1 - 9 ( a ) 、( b ) 为两组三相半波整流输出电压 波形。以( a ) 为例，a 相由0 到l 点，a 相波形为3 0 。，l 点是自然换相点， 这时a 相与c 相的电压相等。在1 5 点( 3 0 。一1 5 0 。) 之间a 相电压u a 最高， 所以晶闸管s c r 具备了导通条件。5 6 点( 1 5 0 。一1 8 06 ) 时，u a 低于u 。，5 点 也是自然换相点，5 点以后s c r 。关断，而s c r 。具备了导通条件。其它晶闸管也有 类似的规律。可见晶闸管s c r 的导通时刻可能为1 5 点( 即从3 0 。一1 5 0 9 ) 。 通常规定l 点时的控制角n = 0 。，而5 点时n = 1 2 0 。由于平衡电抗器的作用， 电路中始终是1 、2 两组( s c r 、。、。为l 组，s r c ：、。为2 组) 中各有一个晶 闸管同时导通。如图1 9 ( d ) 所示，当a = 0 。时，在3 0 。- - 9 0 。区间内，s c r ， 与s c r 。同时导通。在9 0 。一1 5 0 。区间内，s c r ，与s c 民同时导通。其它各管有类 似的关系。当控制角a 为不同值时，仍然是两管同时导通。这样，两组电路同时 供电，则每组电路只需提供直流输出 电流的一半。从而降低了每支晶闸管 的负荷。 下面讨论一下控制角a 与直流输 出电压u 。的关系。当a = o 。时，晶闸 管全导通，则 u d = 1 1 7 u 20 1 5 、 式中，u ：一一变压器次级相电压。 从图1 9 ( c ) 可见，u 。小于六相 半波整流电路的输出电压u d ( 即电压 波形的包络线) 。当a o 。，晶闸管 部分导通，则 配= ，7 玛c o s 口( 1 6 ) 可见，a = 0 4 时，输出电压最 高。而n = 9 0 。时，输出电压最低， u f 0 ( 感性负载时) 。 因此，当。从0 。9 0 。调节 时，便可以得到不同的直流输出电压。 6 0 倒 图1 - 9 带平衡电抗器双反星形 整流电路电压波形图 天津大学工程硕士论文第一章绪论 当a 角为一定值时，各晶闸管的控制角相等，则直流输出电压也为一定值，它与 控制角有关，而与焊接电流无关，所以电源外特性为一组水平特性。 另外，从图1 8 还可看到，与晶闸管并联的一组二极管( d i 隗) ，并 在其输出回路中，并且还串入一个限流电阻r ，这个电路也是带平衡电抗器的双 反星形整流电路，其电压波形如图l 一9 ( c ) 所示。它可提供不超过1 5 a 的电流， 以维持电弧连续燃烧。当空载或负载电流小于额定电流的2 5 以下时，平 衡电抗器将失去作用，接近六相半波整流情况，这时输出电压将达到： u t = l ，3 5 u 2l i - - 7 、 该电压也就是电源空载电压。这样一来，就可以得到l 形晶闸管电源的外 特性，如图i - i 0 所示。在空载和小电流时由二极管组成的六相半波整流电路供 电，获得高空载电压和下降特性。当电流增加到某值后，平衡电抗器开始起作用， 电路将自然转换到带平衡电抗器双反星形可控整流电路，变为平特性。这种电源 外特性有利于引弧和弧长自动调节作用。 电路中晶闸管的导通是依靠触发电路来控制的。目前常用的触发方式有单 结晶体管电路，晶体管电路和集成电路等。触发电路应与主电路同步，并有相 同的移相角和足够的触发功率。 晶闸管式整流电源具有如下特 u h 占十 1 ) 控制性能好。通过选择不“。“【 同的反馈方法( 电流负反馈或电压 i 负反馈) 及不同的反馈深度，就可 l i【 等蓄墨霪霾蓊髻蒹震篓蓑篓著蔷导l 二二二二二i a 增加 可以通过控制电流使焊机具有良好 i 一 一一一 j 的电网电压及环境温度的补偿能1 。 力。l l 一 z ) 动特性好。与磁放大器电 i ， 源相比电磁惯性小得多，所以反应 i h 孽翼警：；! ! ：! 恩五! _ 般焊接过程外， 图卜1 0 晶闸管电源外特性 还可用于脉冲焊等。 1 3 ) 电压或电流的调节范围大， 并可以实现遥控。 4 ) 电源输入功率小，节省能量和节省焊机的材料消耗。 总之，晶闸管焊机可做成平特性，陡特性及多种特性。可实现连续电流和脉 冲电流焊接。便于进一步完善焊机性能和可靠的控制，如可制成单旋钮控制焊机， 微机控制焊机等。 晶闸管电源目前是我国焊接市场上最主要的c 吼焊接电源，其中功能比较 全，质量比较可靠的是以天津电焊机总厂生产的k 系列c o 。气体保护电弧焊机， 其主要技术指标见表1 1 。 天津火学工程硕十论文 第章绪论 表1 一i国产k 系列晶闸管c 0 ：焊机主要技术指标 、型号 5 0 0 k 数据 输入电源三相3 8 0 v 5 0 h z 输入容量 3 2 k v a 输出电压 1 6 3 9 v 收弧电压1 6 3 9 v 输出电流l o o 5 0 0 a 收弧电流1 0 0 5 0 0 a 负载持续率 6 0 适用焊丝类型实芯药芯 适用焊丝直径1 o 1 2 1 6 m m 有无一元化功能无 有无遥控盒电缆有( 两颗6 芯电缆) 送丝控制方式可控硅 移相触发使用脉冲变压器 同步信号使用同步变压器 ( 四) 逆变电源 逆变电源是未来焊机发展的一个趋势逆变焊接电源主要有如下一些特点： 1 体积小，质量轻，节省材料。一般弧焊整流电源，其体积和质量的8 0 都 取决于主变压器和电抗器，它们的工作频率是5 0 h z 。逆变弧焊整流电源虽也有一 个变压器和输出电抗器，但其工作频率一般为2 0 0 0 h z 3 0 0 0 0 h z ，也就是说逆变 器的工作频率比普通电源提高4 0 6 0 0 倍。变压器设计是根据下列公式计算： = z4 4 s b n f x l 0 4( 1 8 ) 式中：u 一一输入电压( v ) s 一一变压器铁芯截面积( c m l ) n 一一线圈匝数 b - - 一磁感应强度，大小与铁磁材料有关( t ) f 一一工作频率( h z ) 当u 一定，铁磁材料确定后，b 也一定，因此上式稍加整理可表达为： s x n ：筌( k 为常数) ( 1 9 ) 由此可知，一旦变压器输入，输出电压以及铁磁材料确定后，铁芯截面积 与线圈匝数的乘积与工作频率成反比，也就是说，逆变开关频率越高，则中频 变压器的体积越小，重量也大大减小。 一般，一个i o o a 等级的弧焊逆变器的质量最多约3 0 k g ，体积0 0 6 m ，而 最津丈学1 ：程硕士论变 第一鬻绪论 一个撩蕊毫滚簿缀兹菇游管弧滓整滚嚣戆凄耋终 8 0 k g ，薅稷o 。$ 磊。这羧嫠 逆变弧焊电源邓仅节省铜，铁材料，而屐有利予在有限空间或霈经常移动的场 合应用。 2 。搿效节辘盛予遂交嚣z 露灏攀提毒，使逆变搽，毫抗器兹舔袄，质 量大大减小，从而使它们的铜损，铁损也随之减小：从电网直接蹩流得到高压， 在霹撵输出囊攀条髂下，其转换功耗也小，逆嶷嚣工髂器重，其中叛变篷器热慰 磁电流极小，豳既逆突弧焊电源的效率帮功率强数均较高，节能效粟摄著，一 般可节能1 0 2 0 。弧焊用电鼹大，在能源紧张的今天，这是个可贵的优点。 3 ，矮痊毽强孤海王穗祭磐较鬣象，特捌是；涎簿短翳过渡对，要磐 决焊撩飞溅和焊缝成型问题，骚求焊撩电源适成性高。普通晶闸管弧烨熬流器 豹控制髑期为3 3 m s ，薅逆变戏瓤焊电源调整逆变器开关频率斌脉宽可以达到 徽移缀控裁。疆就，邀变菇簿魄源是当今e 氇群搂最理想静电滚。 但逆变弧焊电源对功率开荧器件的质量要求高，控制电路也较复杂，易出 壤故辕，显嚣虢盛零逐馕离。闲琏，嚣餐喜上述许多可爨麴圣 己点，嚣莉在生产 现场廉用还不镣普遍。随着科学技术飞跃进步，功率集成控镣l 模头的灞现等， 这些都绘开发和发展逆变弧焊融源带来美好的前景。 1 3 论文选题的意义 e 疆簿接电源匏发餍憝势将与当今电子技术翡发展僳持同步。毫予技术酌 发展将促进电子控制焊接电源即晶闸镣式焊接电源和逆变式焊接电源的发展。 遂交式c 遵挥瓿跫令爱发袋豹方惫，毽露蘸实骣建趸较雾魏是晶阉管式e 逸焊 机。国内日前的晶闸游式c 0 2 弹机电路比较落脑，大多采用分离电子元件，浑 机性能、控制功能都不能满足商质量c o 。的要求。传统的送丝机调速电路大多 采震燕麓蓉赣渡方式，低速时逮菠不稳定。霹姥，舔瓤瓣鍪熬器蘑管式e 逸焊 接电源和送丝机控制系统是完众必要的。 为 逄，本论文豹越粒裁楚娶设计、磺到一羊孛耨型驰糖阕管式e o 。焊枫，篡 主要磷究内容鼹： 1 研制新型的鼎闸管式c o ：焊机，焊机型号为：n b c 5 0 0 k r 。 2 ， 曩弱全薪奄予菠术设诗晶藏譬蓼援皴发邀薅获窝多咆路，搜电爨麓 化，并且有网压补偿功能。 3 在邀丝机调遮系统研制中，采用p 删脉宽调制控制技术，并日l 入电 枢龟蕊受反镶，莛衰送丝襁工像静乎稳往。 4 采用变结构设计，使焊机具有一元化调节功能。 s +采耀薏遥控魄缆设 ，提毫挥提款雄靠性、钒动性。 天津大学工程硕士论文 第二章c 0 2 焊接技术对焊接设各的要求 第二章c o z 焊接技术对焊接设备的要求 2 1 对电源外特性的要求 电源外特性也称为电源稳态输出特性，它是一种伏一安特性曲线，其特征 参数包括电弧燃烧工作段和空载电压。 工作段的曲线形状和大小主要根据电弧燃烧稳定和电弧自身调节能力来决 定。根据焊丝直径不同，c 0 。焊接电弧静特性通常为平的或上升的特性。所以， 根据电源一电弧系统稳定性原理，c 0 2 焊接电源可以采用缓升，平硬或者陡降外 特性。 通常细丝c o 。焊接采用等速送丝方式配合平特性电源，这时将有较强的电弧 自身调节作用。虽然上升外特性电源能获得更强的调节作用，但因为制造复杂， 所以基本不采用。实际上，为简化设计与制造，电源外特性大都为平缓外特性， 其下降斜率不大于5 v i o o a 。 此外，上述控制方式还有以下特点，首先焊接参数调节方便，可以对电弧 电压和焊接电流单独地加以调节，通过改变送丝速度来调节电流，改变电源外特 性来调节电压。其次，焊丝干伸长变化时，产生的静态电压误差小，也就是说焊 接电压基本上不受焊丝干伸长变化的影响。再有，平特性的电源对防止焊丝回烧 和粘丝有利。因为电弧回烧时，随着电弧拉长，电弧电流随之减小，使得电弧在 未回烧到导电嘴前已熄灭。焊丝粘丝时，平特性电源有足够大的短路电流使粘接 处爆开，从而避免粘丝。 电源空载电压在细丝c o 。焊时，主要根据电弧连续稳定燃烧来决定。显然， 空载电压过低，电弧因能量不足而熄灭，而空载电压过高也不合适，由图2 1 ( a ) 为l 型外特性，空载电压u o 不变( 晶闸管整流焊机属此种) ，而图2 1 ( b ) 为平缓外特性，空载电压u o 是变化时，空载电压比负载电压略高一些( 抽头焊 机属此种) 。 ( a ) l 型外特性( b ) 平缓外特性 图2 1c o ：焊接电源的外特性 晶闸管整流焊机的空载电压除决定于电弧连续燃烧条件外，还决定于焊接 规范的调节特性。晶闸管整流焊机的空载电压大小与焊机额定电流的经验关系如 图2 - 2 所示。 l o 天津大学工程硕士论文第二章c 0 2 焊接技术对焊接设备的要求 2 2 对电源动特性的要求 c 0 。焊时，随着焊接参数的不同，熔 i t 滴过渡形式可分为短路过渡和潜弧下的 而 射滴过渡与射流过渡。显然，在小电流， 6 5 低电压条件下的短路过渡，负载始终处 拍 于强烈的变化中，空载一燃弧一短路过 猢 程交替发生，所以要求电源具有良好的 动特性与之相适应。 ： 在大电流时，出现的潜弧条件下的 一 熔滴过渡基本上是非短路过渡，对电源 甜 动特性没有特殊要求。 川 从小电流的短路过渡到大电流的潜 弧焊之间存在一个中等电流区间，该区 间的瞬时短路为主，飞溅较大。为了更 好的在中电流区间进行焊接，对电源动 性提出了更高的要求。 对短路过渡的电源动特性主要指标如下： d ； ( 1 ) 短路电流增加速度； 甜 ( 2 ) 短路电流峰值i ( 3 ) 短路初期的电流值 1 0 0 2 3 0 0 4 5 0 0 6 0 0 图2 2 晶闸管焊机的空特 电压经验值 ( 4 ) 燃弧与短路期间的能量比娑 妙 j ： 一般情况下，短路峰值电流i 。的大小可以通过；进行调整。因此对电 讲 i 源的；要求较高。 d t 当。a l 较小时，短路电流增长速度较慢，短路峰值电流小，所以焊接飞溅 讲 也小。但是当竺过小时，焊丝上的熔滴与熔池接触短路后，短路电流仍很小， 所以电磁收缩力不足以使短路小桥立刻破断，以至于使焊丝插入熔池形成固态短 路。由于较长时间加热焊丝，容易将使焊丝成段爆断，造成电弧熄灭。 相反，当竺过大时，熔滴刚与熔池接触就形成缩颈，在强烈的电磁收缩力 作用下，使熔滴弹回到焊丝端头，还可能在回弹中，伴随着缩颈处液体金属的电 爆炸，而产生很大的细颗粒飞溅。 只有当等合适时，发生短路后，在焊丝与熔滴之间发生缩颈，随后柔顺地 断开，并伴随着较小的飞溅。这时飞溅的大小主要决定于短路峰值电流i 。i ， 越小，则飞溅也越小。 天津大学工程硕士论文第二章c 0 2 焊接技术对焊接设备的要求 合适的_ u t 将获得最佳的熔滴短路过渡频率。而合适的睾值主要是由于焊丝 讲d r 的熔化特性所决定的。通常与焊丝直径及焊接电流有关。细丝熔化快，熔滴过渡 周期短，要求短路电流增长速度快。而粗丝熔化速度慢，熔滴过渡周期长，则要 求短路电流增长速度慢些。 同样，在焊丝直径相同时，随着焊接电流的增加，则电弧电压也相应地增 加，短路过渡频率降低，所以要求短路电流增长速度慢些。 调节电源动特性的措施往往受到电源特点的限制。对于抽头式硅整流焊机， 磁放大器式整流焊机和晶闸管式整流焊机等电源动特性主要依靠调节焊接回路 中的直流电感l 。当电感l 增加时，半减小。所以使用粗焊丝时用较大的电感， 讲 而细焊丝时用较小的电感。同样，在使用较小的电流时用小电感，而较大电流时 用大电感。 2 3 对电源调节特性的要求 c o , 焊机应满足工作的不同厚度，材质，坡口形式和焊接位置等的需要，能 够输出合适的焊接参数。与焊接电源有关的焊接参数是电弧工作电压和电弧电 流。为满足所需要的工作电压与电流，电源必须具备可以调节参数的特性。 c o 。焊的负载特性为： 当i f 6 0 0 a 时，阱= 1 4 1 l 口0 5 i f ( v ) 当i ，6 0 0 a 时，所= 4 4 v 图2 3 焊接参数调节范围 ( 2 一1 ) ( 2 2 ) i 图2 4 平特性电源可调参数 平特性电源的可调参数为：最大工作电压u 。为弧焊电源通过调节所能输 出的与规定负载特性相对应的最大电压。最小工作电压u 一为弧焊电源通过调节 所能输出的与规定负载特性相对应的最小电压。所以，工作电压调节范围是弧焊 电源在规定负载条件下，经调节而获得的工作电压范围，如图2 4 。工作电压 的调节范围应满足焊接工艺的需要。同时焊接电流的调节主要通过改变送丝速度 来实现。电流调节与送丝速度的关系如图2 3 。 1 2 天津大学工程顼e 论文 第二章c 0 2 焊接技术对焊接设各的要求 2 4 对送丝机的要求： 送丝机是提供给焊丝具有沿其作轴向运动能力的机构。在气体保护焊时， 它应保证所需的送丝速度范围及规定的送丝力，以保证送丝均匀，可靠和无打滑 现象。 根据m i g m a g 弧焊机行业标准及经验，焊机的额定电流从1 6 0 6 3 0 a 范围 内，送丝速度为3 1 2 册m j n 。 送丝速度的稳定对气体保护电弧焊是十分重要的。送丝速度不稳将破坏熔 滴过渡，焊缝成型及焊接过程稳定性。输出焊丝直径范围对额定牵引力大小的要 求见表2 1 。 表2 1 输出焊丝直径范围及相应的额定牵引力 l 焊丝直径r a m 0 8 1 21 o 2 o1 6 3 03 o 6 0 牵引力n 5 01 0 01 5 02 0 0 2 5 对焊机程序控制系统的要求 程序控制系统的作用是对c o , 焊接的供气、送丝和供电等过程实现时序控 制。对供气程序的控制大致是三个过程：引弧时要求提前供气约l - - 2 s ，以排除 引弧区的空气；焊接时气流要均匀可靠；结束时，因熔池金属尚未完全冷却凝固， 应滞后停气2 3 s ，以给予继续保护。对送丝系统的控制，是指对送丝电机的控 制，应保证能够完成焊丝的正常送进与停止动作，焊前可调节焊丝干伸长，均匀 调节送丝速度。供电过程是指接通电源、引弧开始与停止焊接、切断电源。 2 6c 0 2 焊接设备的组成 图2 7c o ：焊接设备组成 c 0 2 焊接设备根据其自动化程度，机种和外观的不同而具有较大差异。但其 基本组成是相似的，由图2 - 7 可见，主要由焊接电源、送丝机( 带遥控盒) 、焊 枪、以及c o 。气体调节器等几部分组成。 天津大学工程硕士论文 第二章c o ：焊接技术对焊接设备的要求 2 7 本章小结： 为了满足c 0 。焊接工艺要求，c 0 ：焊机应具有如下功能： 1 ) 能给定焊接工艺参数，并能在要求的范围内连续调节。 2 ) 能保证主要焊接工艺参数稳定。也就是当系统受到外界干扰时，能在不 影响焊接质量的条件下，迅速恢复到给定的工艺参数。 3 ) 能保证焊接过程按照规定程序动作a 4 ) 能提供所需的稳定的c o ：气体流量。 5 ) 如果需要时，应能提供冷却水和遥控装置。 6 ) 对于短路过渡焊接还要求具有良好的动特性。 1 4 天津大学工程硕士论文 第三章n b c 5 0 0 k r 二氧化碳保护焊机主电路设计 3 2 。 第三章n b c 5 0 0 k r 焊机主电路设计 n b c 5 0 0 k r 二氧化碳气体保护电焊机方框图见图3 - 1 ，焊机电路原理图见图 图3 1 焊机方框图 3 1 电源主电路系统设计 n b c 5 0 0 k r 焊机的主电路为带平衡电抗器的双反星形晶闸管整流方式，如图 3 - 3 。变压器初级为三角形接法，次级每相有两个相同匝数的绕组，分别接成两 组三相半波整流电路，即a ，b ，c 一组和a ，b ，c7 组。a 与a 绕在同 一个铁芯上，其极性相反，或者说电压的相位差1 8 0 。同样b 与b 7 同绕在一个 铁芯栓上，c 与c 。7 同绕在一个铁芯上，a 、b 、c 和a 7 、b 、c7 分别接成y 型 然后并联，故得名双反星形电路。 可见，双反星形的整流电路是由两组三相半波整流电路并联而成，每组只供 给总负载一半的电流。与由两组三相半波电路串联而成的三相桥式电路相比，双 反星形整流电路的输出电流可增大一倍。 在这种并联电路中，两组共阳极的晶闸管的阳极之