第2章 对弧焊电源的基本要求

第2章对弧焊电源的基本要求本章阐述对弧焊电源的基本要求，重点学习弧焊工艺对弧焊电源的空载电压、外特性、调节特性和动特性的要求。2.1对弧焊电源外特性的要求1.电源的外特性

在电源参数一定的条件下，改变负载时，电源输出的电压稳定值与输出的电流稳定值之间的关系2.1.1电源的外特性对于直流电源，和为平均值，对于交流电源则为有效值。第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制2、一般直流电源的外特性

图2-1一般直流电源的外特性一般直流电源的外特性方程式为：第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制2.1.2“电源一电弧”系统的稳定性

2、当系统一旦受到瞬时的外界干扰，破坏了原来的静态平衡，造成了焊接规范的变化。但当干扰消失之后，系统能够自动地恢复稳定平衡，使得焊接规范重新恢复。一、“电源一电弧”系统的稳定性的含义1、系统在无外界因素干扰时，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。Uf

和If为电弧电压和电弧电流的稳定值。第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制图2-3“电源-电弧”系统工作状态电源外特性电弧静特性第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制◆静态平衡时:第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制假定在t=0时,由于某种因素的影响,引起电弧电流向减小的方向偏移了,当外界干扰消除后这个电流偏差也要变化.若用表示其偏差瞬时值,则在t>0时,电路中电流I为此时,式(1)就应写成◆动态平衡时(受到干扰且干扰消除后):动态平衡方程式是:第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制◆动态平衡时(受到干扰且干扰消除后):近似处理:

虽然弧焊电源和电弧静特性一般是非线性的,但对于离开平衡位置A0不远的范围内的线段可近似认为是直线,并与A0点上特性曲线的切线相重合.由(4)和(5)得:第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制◆动态平衡时(受到干扰且干扰消除后):第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制◆动态平衡时(受到干扰且干扰消除后):只有,电流偏差值在干扰消除后才会随时间的增长而趋近于0.因此,可以根据工作点的稳定系数是否大于0,来判断这个点是否是稳定点.电弧偏差衰减曲线第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制物理过程论证:对于A0点,当某种因素使工作点A0的电弧电流向减小方向偏移了△If时,电源工作点移至B1,此时弧焊电源电压为

Uy=Uf+△Uy

而电弧工作点移至B2,这时Uy>Uf,供大于求,就使电流增加,因而电弧电流偏移量△If减小,直至恢复到原来的平衡点A0.

同理,当某种因素使电弧电流向增加方向偏移时,也能使电弧电流自动恢复.

□

对于A1点，当某种因素使工作点A1的电弧电流增大时，同样会出现Uy>Uf，供大于求，使电流继续增加，直至工作点移至A0点才达到平衡，即不能回到原来的工作点A1。第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制“电源－电弧”系统的稳定条件

也就是说，电弧静特性曲线在工作点上的斜率必须大于弧焊电源外特性曲线在该工作点上的斜率。第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制2.1.3.1对弧焊电源外特性工作区段形状的要求手工电弧焊

在手工弧焊中，一般是工作于电弧静特性的水平段上。采用下降外特性的弧焊电源，便可以满足系统稳定性的要求。第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制熔化极弧焊

熔化极弧焊包括埋弧自动焊、混合气体保护焊(MAG)、惰性气体保护焊等。这些弧焊方法，不仅要根据其电弧静特性的形状，而且还要考虑送丝的方式来选择合适的弧焊电源外特性工作部分的形状。第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制根据送丝方式不同，熔化极弧焊可分为两种：等速送丝控制系统的熔化极弧焊

C02／MAG、MIG焊或细丝(直径Ø≤3mm)的直流埋弧自动焊，电弧静特性均是上升的。弧焊电源外特性为下降、平、微升(但上升的陡度需小于电弧静特性上升的陡度)都可以满足“电源一电弧”系统稳定条件。由于“电源-电弧“系统自身调节作用强烈，所以选择平外特性电源更有利。熔化极弧焊此外，用平外特性电源还具有短路电流大、易于引弧、有利于防止焊丝回烧和粘丝等好处。“电源-电弧“系统自身调节：当弧长发生变化时，引起电流和焊丝熔化速度变化，使弧长自动恢复的作用。第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制图2-5电弧静特性为上升形状时电源外特性对电流偏差的影响A0A1A2第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制图2-6等速送丝a）控制系统示意图b）弧焊电源外特性与电弧静特性第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制变速送丝控制系统的熔化极弧焊

通常的埋弧焊(焊丝直径Ø≥3mm)和一部分MIG焊，它们的电弧静特性是平的。为满足Kw

>0，只能采用下降外特性的电源。这种焊接方法焊丝中电流密度较小，自身调节作用不强，所以不宜采用等速送丝控制系统，而应采用变速控制系统。熔化极弧焊第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制图2-7变速送丝a）控制装置示意图b）弧焊电源与电弧静特性第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制非熔化极弧焊

包括钨极氩弧焊(TIG)，非熔化极等离子弧焊以及非熔化极脉冲弧焊等。它们的电弧静特性工作部分呈平的或略上升的形状。主要是稳定焊接电流，故最好采用恒流特性的电源。第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制2.1.3.2对弧焊电源空载电压的要求

弧焊电源空载电压的确定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；

（3）保证电弧功率稳定；

（4）要有良好的经济性；

（5）保证人身安全。第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制对于通用的交流和直流弧焊电源的空载电压规定如下：

（1）交流弧焊电源：为了保证引弧容易和电弧的连续燃烧，通常采用≥(1．8～2．25)×

手工弧焊电源：

埋弧自动焊电源：

（2）直流弧焊电源：为了容易引弧，一般也取接近于交流弧焊电源的空载电压，只是下限减少10V。

第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制空载电压通常具体要求如下：

弧焊变压器：≤80V

弧焊整流器、弧焊逆变器：≤85V

弧焊发电机：≤100V

一般规定空载电压不得超过100V，在特殊用途中，若超过100V时必须备有自动防触电装置。第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制2.1.3.3对弧焊电源稳态短路电流的要求

当电弧引燃和金属熔滴过渡到熔池时，经常发生短路。稳态短路电流过大：会使焊条过热，药皮易脱落，使熔滴过渡中有大的积蓄能量而增加金属飞溅。短路电流不够大：会因电磁压缩推动力不足而使引弧和焊条熔滴过渡产生困难。对于下降特性的弧焊电源，一般要求稳态短路电流对焊接电流的比值范围为：

第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制2.1.4弧焊电源外特性形状的分类2.1.4.1下降特性特点：当输出电流在运行范围内增加时，其输出电压随着输出电流的增加而急剧下降。电压下降>7V/100A。根据斜率的不同又分为垂直下降（恒流）特性、缓降特性和恒流带外拖特性等。第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制垂直下降（恒流）特性

缓降特性

恒流带外拖特性

第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制2.1.4.2平特性平特性有两种：恒压特性：在运行范围内，随着电流增大，电弧电压接近于恒定不变或稍有下降，电压下降率小于7V/100A；上升特性：在运行范围内随着电流增大，电压稍有增加，电压上升率应小于10V/100A。

第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制表2-1弧焊电源外特性形状的分类及其应用范围第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制2.2对弧焊电源调节性能的要求焊接时需根据被焊工件的材质、厚度与坡口形式等选用不同的焊接规范参数。而与弧焊电源有关的焊接参数是电弧工作电压和工作电流。为满足所需的和弧焊电源必须具备可以调节的性能。2.2.1弧焊电源的调节性能电弧电压和电流是由电弧静特性和弧焊电源外特性曲线相交的一个稳定工作点决定的。同时，对应于一定的弧长，只有一个稳定工作点。因此，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均匀调节，以便与电弧静特性曲线在许多点相交，从而得到一系列的稳定工作点。电源调节性能:弧焊电源能满足不同工作电压,电流的需求的可调性.第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制在稳定工作的条件下，电弧电流、电压、空载电压和等效阻抗之间的关系，可用下式表示：

或者第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制1、改变等效阻抗时的外特性

图2-10改变等效阻抗时的外特性a）下降外特性b）平外特性第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制2、改变空载电压时的外特性

图2-11改变空载电压时的外特特性a)下降外特性b)平外特性第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制2.2.1.1手工电弧焊在焊接不同厚度的工件时，电弧电压一般保持不变，只调节焊接电流，一般要求交流弧焊电源空载电压为：1、手工焊常用的弧焊电源调节外特性方式图2-12改变和Z的外特性第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制2.2.1.2埋孤自动焊在自动焊中，一般当增加时熔深随着增大，则要求增大以使熔宽相应增加，从而保持合适的焊缝几何尺寸。当增大时，则要求相应提高，以使电弧稳定。2.2.1.3等速送丝气体保护焊电弧静特性为上升的熔化极气体保护焊可选用平外特性的弧焊电源和等速送丝的焊机。第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制2.2.2可调参数2.2.2.1下降外特性弧焊电源的可调参数

下降特性电源的可调参数，如下图所示。图2-13下降特性弧焊电源的可调参数第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制工作电流

弧焊时的电弧电流或弧焊电源输出的电流工作电压

焊接时弧焊电源输出的负载电压最大焊接电流

弧焊电源通过调节所能输出的与负载特性相应的上限电流最小焊接电流

弧焊电源通过调节所能输出的与负载特性相应的最小电流电流调节范围

在规定负载特性条件下，通过调节所能获得的焊接电流范围。通常要求：

（TIG焊要求），Ie为额定焊接电流。

第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制2.2.2.2平外特性弧焊电源的可调参数工作电流弧焊时的电弧电流或弧焊电源输出的电流。在等速送丝MIG/MAG/CO2焊时，焊接电流主要由送丝速度决定，与电压无关。工作电压焊接时弧焊电源输出的负载电压

等速送丝MIG/MAG/CO2焊和药芯焊丝自保护弧焊时规定的负载特性为：当If≤600A时，（V）当If>600A时，(V)。最大工作电压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。工作电压调节范围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。第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制2.2.3弧焊电源的负载持续率与额定值弧焊电源能输出多大功率，与它的温升有着密切的关系。弧焊电源的温升除取决于焊接电流的大小外，还决定于负荷的状态，即长时间连续通电还是间歇通电。弧焊电源额定电流，指在规定的环境条件下，按ＦＳe规定的负载状态工作，即符合标准规定的温升限度下所允许的输出电流值。与额定焊接电流相对应的工作电压为额定工作电压。第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制2.3对弧焊电源动特性的要求2.3.1动特性问题的提出

用熔化极进行电弧焊时，焊接电弧对供电的弧焊电源来说，是一个动态负载。弧焊电源的动特性，是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.

即它说明弧焊电源对负载瞬变的适应能力。第二章对弧焊电源的基本要求弧焊电源及其数字化控制2.3.2各种弧焊方法的负载特点及弧焊电源的动特性对熔化极弧焊来说，随工艺方法和焊接规范不同，熔滴过渡有各种形式，动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。对于短路过渡，由于它的电弧是较大变化的动载，使弧焊电源常在空载、负载、短路三态之间转换，故需对弧焊电源的动特性提出特殊