弧 焊 电 源 弧 焊 电 源 主讲人 参考教材 材料科学与工程学院 王娟 杨 敏 jwang@sdu.edu.cn 13075306915 王娟 杨 敏 jwang@sdu.edu.cn 13075306915 miny@sdu.edu.cn 13176699037 参考教材 弧 焊 电 源 第三版 北京航空航天大学 郑宜庭 华 南 理 工 大 学 黄石生 机械工业出版社

第二章 对弧焊电源的基本要求 第一节 对弧焊电源外特性的基本要求 一、电源的外特性（V-A 特性) 第二章 对弧焊电源的基本要求 第一节 对弧焊电源外特性的基本要求 一、电源的外特性（V-A 特性) 电源的外特性是指在电源的内部参数一定的条件下，改变负载时，电源输出的电压稳定值Uy与输出的电流的稳定值Iy之间的关系曲线：Uy=f(Iy) r0=0 r1>0 r2>0 r2> r1 Uy Iy 一般直流电源的外特性方程为： 式中，E为直流电源的电动势；r为电源内部电阻。

1)系统在无外界因素干扰时，能在给定的电弧电压和电流下，维持长时间的连续放电，保持静态平衡。 二、“电源——电弧”系统的稳定性 1)系统在无外界因素干扰时，能在给定的电弧电压和电流下，维持长时间的连续放电，保持静态平衡。 A1 A0 U I 1 2 If Uf Iwd 此时： Uf＝Uy ；Iy＝If 电源的外特性：Uy=f(Iy)与电弧的静特性：Uf=f(If)必须相交。 电源的外特性 Uy Uf 电弧的静特性

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，当干扰消失后，系统能够自动的达到新的稳定平衡，使焊接规范重新恢复。 A1 A0 U I 1 2 If Uf Iwd B1`

数学推导 系统的动平衡方程： 外界干扰电流发生变化： A1 A0 U I 1 2 If Uf Iwd B1 B1` B2 B2`

A0B1和A0B2可近似地认为是直线，将对应于B1` 、B2` 的电压以及初始条件代入求得电流增量变化的瞬时值为： U I 1 2 If Uf Iwd B1 B1` B2 B2` Uf

t Δif 分析：在满足上式的条件下，系统所产生的电流偏差值能够逐渐消失，如上图所示。符合Kw>0条件的工作点为稳定工作点。也就是说，相交点的电弧（负载）静特性曲线斜率应当大于电源外特性曲线的斜率。因此A0点为稳定工作点

直至恢复到原来的平衡点A0点。当电流增加时，呈现为供小于求，也能恢复到A0 点。 当某种因素使工作点A0点的电弧电流减小了ΔIf，此时电源工作点移至B1点，电弧工作点移至B2点，此时，Uy> Uf，供大于求，这就使得电弧电流增加，电弧电流偏移量Δif 减小， 直至恢复到原来的平衡点A0点。当电流增加时，呈现为供小于求，也能恢复到A0 点。 A1 A0 U I 1 2 If Uf Iwd B1 B1` B2 B2` Uf

结论:从直流焊接电弧与电源系统的情况得出的。但其系统的稳定条件(Kw>o)也同样适合于交流弧焊电源。 A1点：当电弧电流增加时，同样会出现Uy> Uf，使得电流继续增加，直至工作点移至A0点达到平衡，当电弧电流减小时，则出现相反的情况，电流将继续减小直至电弧熄灭，因此， A1点不是稳定工作点。 A1 A0 U I 1 2 If Uf Iwd 结论:从直流焊接电弧与电源系统的情况得出的。但其系统的稳定条件(Kw>o)也同样适合于交流弧焊电源。 B1 B1` B2 B2` Uf

三、弧焊电源外特性形状的种类 a)垂直陡降特性 b)陡降特性 c)缓降特性 d)平特性(恒压特性) e)平特性(稍上升)

(一)下降特性 当输出电流在运行范围内增加时其输出电压随着急剧下降。 1、垂直下降(恒流)特性 垂直下降特性也叫恒流特性。 2、缓降特性。 3．恒流带外拖特性 工作部分的恒流段，输出电流基本上不随输出电压变化，但在输出电压下降至低于一定值(外拖拐点)之后，外特性转折为缓降的外拖段，而且外拖拐点和外拖斜率往往可以调节。

1.平特性或微降特性（后者电压下降率应小于7V／100A)。 2.微升特性（电压上升率应小于7V／100A）。 (二)平特性 1.平特性或微降特性（后者电压下降率应小于7V／100A)。 2.微升特性（电压上升率应小于7V／100A）。 (三)双阶梯形特性 　　这种特性的电源用于脉冲电弧焊。维弧阶段工作于L形特性上，而脉冲阶段工作于反L形特性上。由这两种外特性切换而成双阶梯形特性，或称框形特性。 U I l2 l0 l1 A2 A1 B2 B1 A0 B0

(一)对弧焊电源外特性工作区段形状的要求 四、对弧焊电源外特性曲线的要求 (一)对弧焊电源外特性工作区段形状的要求 1．焊条电弧焊 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。 U 3 2 1 ΔI2 ΔI1 I A0 A2 A1

最好采用恒流带外拖特性的弧焊电源。焊接工艺参数稳定，提高了引燃性能和电弧熔透能力。可以根据焊条类型、板厚和工件位置的不同来调节外拖拐点和外拖部分斜率。

熔化极弧焊CO2／MAG、MIG焊或者细丝(直径≤3mm)的直流埋弧自动焊-电弧静特性是上升的. 2．熔化极弧焊 (1)等速送丝控制系统 熔化极弧焊CO2／MAG、MIG焊或者细丝(直径≤3mm)的直流埋弧自动焊-电弧静特性是上升的. 上述弧焊方法应当采用平外特性的电源，与上升的电弧静特性相配 合，自身调节作用强烈，焊接工艺参数稳定。此外还具有短路（L变小）电流大，电弧易于引燃，并且有利于防止焊丝回烧（L变大）和粘丝（L变小）等好处。 2 1 3(l) 4 ΔI1 ΔI2 A0 A2 A1 U I 下降特性 平特性 上升特性

(2)变速送丝控制系统 通常的埋弧焊(焊丝直径大于3mm)和一部分MIG焊，它们的电弧静特性是平的。采用下降外特性或者平外特性的电源都能满足Kw>o的条件，但是这类焊接方法焊丝中电流密度较小，自身调节作用比较弱，不及时调节弧长，维持焊接工艺参数稳定，所以不能采用等速送丝控制系统，只能采用下降外特性的电源以及变速送丝控制系统。弧长变化时，下降外特性的电源能够产生大的弧压变化量，于是利用电弧电压作为反馈量能够及时调节送丝速度，保持弧长的稳定。

3，不熔化极弧焊 包括钨极氩弧焊(TIG)、不熔化极等离子弧焊以及不熔化极脉冲弧焊等。 它们的电弧静特性工作部分呈平的或略上升的形状。对于这几种焊接方法稳定焊接工艺参数主要是指稳定焊接电流，故最好采用恒流特性的电源。 4．熔化极脉冲孤焊 一般采用等速送丝，利用“电源一电弧”系统的自身调节作用来稳定焊接工艺参数，维弧阶段和脉冲阶段分别工作于两条电源外特性上。

为增强“电源一电弧”系统的自身调节作用，维弧阶段和脉冲阶段都采用平的外特性(即“平一平”特性)比较好，采用“平一降”特性或“降一平”特性也还可以，最好是用双阶梯形特性。 在脉冲阶段电源具有恒流特性，熔滴过渡均匀；在维弧阶段电源具有恒压特性，使“电源一电弧”系统自身调节作用强而能防止短路。 U I l2 l0 l1 A2 A1 B2 B1 A0 B0

（二）对弧焊电源空载电压的要求 (1)保证引燃容易 空载电压愈高愈好 (2)保证电弧的稳定燃烧 U0≥(1.8～2.25)Uf (3)保证电弧功率稳定 2.5> U0 /Uf >1.57 (4)要有良好的经济性 额定容量Se=U0Ie， U0愈高，则Se 愈大 (5)保证人身安全 1)交流弧焊电源 通常采用U0 ≥(1.8～2.25)× Uf 。 手弧焊电源 U0＝55-70V 埋弧自动焊电源 U0 =70-90v 2)直流弧焊电源 取接近于交流弧焊电源的空载电压 弧焊变压器 U0 ≤80V 弧焊整流器 U0≤85V 弧焊发电机 U0≤100V

短路电流过大会使焊条过热，增加金属飞溅 ；短路电流不足，则电弧引燃困难，而且电磁压缩力和推力不足，使得熔滴过渡困难。 （三）对弧焊电源稳态短路电流的要求 Uf=o时对应的电流为稳态短路电流Iwd 短路电流过大会使焊条过热，增加金属飞溅 ；短路电流不足，则电弧引燃困难，而且电磁压缩力和推力不足，使得熔滴过渡困难。 对于下降特性的弧焊电源，一般要求（短路电流／工作电流）之比为1.25～2 。显然，这个比值取决于弧焊电源外特性工作部分至稳态短路点之间的曲线形状(或斜率)。 对于手工弧电焊，希望工作段为恒流特性，但是为了使电弧容易引燃和加大熔滴过渡时的推力，希望稳态短路电流大些，这就要求电弧电压在降到一定电值(10V～15V左右)之后转入外拖段（工厂中称为推力），形成恒流(或陡降)带外拖的外特 性。 经常为了容易引弧，还施加有瞬间的热引弧电流

手工焊接时，焊工对此有敏感的感觉和好坏评价。 U I 1 2 自外拖始点(拐点)到稳态短路点这区段，我们称之为外拖区段。借助现代的大功率电子元件和电子控制电路，可以对这个短路区进行任意的控制。其主要参数是拐点的位置和外拖线段的斜率或形状。只要适当调节短路区段的外拖拐点和斜率或形状，便可有效地控制熔滴过渡和引燃过程，减少飞溅，从而得到优质的焊缝。 手工焊接时，焊工对此有敏感的感觉和好坏评价。

第二节 对弧焊电源调节性能的要求 一、电源的调节性能 稳定工作条件下： U0不变 改变Z 适合于手工焊，气刨等 适合于气体保护焊 第二节 对弧焊电源调节性能的要求 一、电源的调节性能 稳定工作条件下： 适合于手工焊，气刨等 （2）平外特性 U U0 I Uf I1 I2 I3 I4 I5 （1）下降外特性 U0不变 改变Z 适合于气体保护焊 由电子化电源产生，空载电压高于工作电压

Z不变， 改变 U0 同时调节Z、U0 适合于气体保护焊 适合于埋弧焊 由抽头电源产生，空载电压等于工作电压 适合于手工焊 (4)平外特性 (3)下降外特性 U I 适合于气体保护焊 适合于埋弧焊 由抽头电源产生，空载电压等于工作电压 U I U01 U02 I1 I2 I3 I4 I5 同时调节Z、U0 适合于手工焊 (5)

１. 手工电弧焊 电流的调节范围不大，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U0＝(1.8～2.25)Uf。因为Uf基本不变，U0不必作相应的改变。调节方式采用(1)。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，需要较高的U0 ;在大电流焊时电子热发射能力强，U0可以降低，以提高功率因数，节省电能。调节方式采用上述第(5)种。 2. 埋弧焊 If增加时熔深随着增大，要求增大Uf，以便熔宽相应增加，从而保持合适的焊缝几何尺寸．当Uf增大时，则要求U0相应提高，以使电弧稳定。调节方式采用上述第（3）种方式。 3. 等速送丝气体保护焊 电弧静特性为上升的，，调节方式可采用上述第（2）和（4）两种方式。

弧焊电源工作电压与工作电流的关系为一缓升直线，称为负载特性 二.电源的可调参数 （一）下降外特性弧焊电源的可调参数 1．工作电流If为可调参数 U I U0 Uwe Ifmin If (Ie) Ifmax 电流调节范围 规定负载特性 Uw 2．工作电压Uw自然形 成，不存在调节问题 3.负载特性 　弧焊电源工作电压与工作电流的关系为一缓升直线，称为负载特性

使用下降外特性电源的不同方法的负载特性： 焊条电弧焊、埋弧焊： If<600A时，Uw(V)=20+0.04If (V) If>600A时，Uw(V)=44(V)。 TIG焊： If<600A时，Uw(V)=10+0.04If (V) If>600A时，Uw(V)=34(V)。 U I U0 Uwe Ifmin If (Ie) Ifmax 电流调节范围 规定负载特性 Uw 3．最大焊接电流Ifmax 4．最小焊接电流Ifmin 5．电流调节范围 Ifmax ／Ie ≥1.0 Ifmin／Ie≤0.20　 (T1G焊要求Ifmin／Ie≤0.10)

在规定负载条件下，工作电压是可以通过弧焊电源进行调 节的。而工作电流If 则必须由送丝速度进行调节调节。 (二)平外特性弧焊电源的可调参数 1、工作电流If （由送丝速度调节） U I 规定负载特性 电压调节范围 U0 Uwmax Uwe Uwmin Ie 2、工作电压Uw （可调参数） If<600A时， Uw(V)＝14+0.05If If>600A时， Uw(V)＝44 3．最大工作电压Uwmax 4．最小工作电压Uwmin 5．工作电压调节范围： 在规定负载条件下，工作电压是可以通过弧焊电源进行调 节的。而工作电流If 则必须由送丝速度进行调节调节。 6. 焊接规范调节方法：调节（予置）电压为予定值，再调节送丝速度，使电流达到予定值。

三、弧焊电源的负载持续率及其额定值 负载持续率FS： T为电源工作周期，是负载运行持续时间t与休止时间之和。 焊条电弧焊的周期T为：10min 埋弧焊或手工埋弧焊电源的周期T为：20min、10min、5min 负载持续率额定级按国家标准规定有35％、60％、100%三种。焊条电弧焊电源：普通型60%，轻便型：35％ 、 20％ 自动或半自动焊电源：100％、80％ 、 60％

　　弧焊电源铭牌上规定的额定电流Ie，就是指在规定的环境条件下，按额定负载持续率FSe 的负载状态工作，符合标准规定的温升限度（一般由所使用材料的绝缘等级决定）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Uwe。　　 在电源的电流调节范围内，按不同的负载持续率FS工作时，允许使用的焊接电流If是不同的。 FS、If、Ie和FSe之间的关系：

第三节 对弧焊电源动特性的要求 一、动特性问题的提出 第三节 对弧焊电源动特性的要求 一、动特性问题的提出 所谓弧焊电源的动特性，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动态响应过程，可以用弧焊电源的输出电流和电压对时间的关系，即uƒ=ƒ(t)、If=f(t)来表示。它表明负载变化时，电源的电流电压响应满足工艺要求的能力。 　　只有当弧焊电源的动特性合适，才能获得良好的引弧、燃弧性能和熔滴过渡过程(即电弧稳定、飞溅少等)，从而能得到满意的焊缝质量。

二、各种弧焊方法的负载特点与弧焊电源的动特性 1. 不熔化极电弧焊　焊接过程中电极不熔化，而且常采用非接触方法引弧，电弧长度、电压、电流基本上没有变化，因此，可以不考虑对电源动特性的要求。 2.熔化极电弧焊　电极(焊条或焊丝) 熔化形成熔滴，熔滴从电极端部进入熔池的过程，称为熔滴过渡。 随所采用的熔化极弧焊方法和焊接工艺参数不同，熔滴过渡形式不同，负载的动态变化情况不同，对弧焊电源的动态性能要求也不同。 动特性的实质就是电流电压变化的速度，或者是电流电压变化的快慢。有些方法要求变化速度快到一定程度就行。有些方法速度太慢了不行，太快了也不行，要不快不慢，要合适才行。

各种熔滴过渡形式和相应的电弧电压、电流波形图 射流过渡 滴状过渡 短路过渡

　射流过渡 、滴状过渡　电弧电压和电流基本不变，这时可以把的电弧看成静态负载。对电源的动特性没有特殊要求。 短路过渡 电源不断在空载、负载、短路状态之间转换，所以对电源的动特性具有专门的要求 手工电弧焊 是滴状过渡加偶发的短路过渡，对电源动态性能也具有一定的要求，既要求电源时间常数要足够小，现在的电子类弧焊电源都能满足手工电弧焊的动特性要求。 细丝CO2气体保护焊 是典型的短路过渡过程 ，电流、电压变化曲线如图（c），对于影响电流变化速度的输出滤波电感值有严格要求，即对电源动特性有严格要求，现在许多电子类气体保护焊机电源中采用了电子电抗器，其时间常数可调，更加合理的满足了不同焊接规范对动特性的细致要求

图二 图一 该图是用弧焊发电机实验得来的，现在已经无实际价值，但是可以说明当时提出这一的意义 使用弧焊发电机电源短路引弧以及熔滴短路过渡的瞬态电流曲线 峰值电流 空载短路 峰值电流 负载短路 细丝二氧化碳气体保护焊短路过渡电流电压瞬态变化曲线 稳态短路电流 稳态燃弧电流

三、弧焊电源动特性对焊接过程的影响及对它的要求 (一)手工电弧焊电源 1．对瞬时短路电流峰值的要求 瞬时短路电流峰值，是当焊接回路突然短路时，输出电流的峰值。它分为由空载到短路和由负载到短路两种情况。 (1)由空载到短路 1)瞬时短路电流峰值Isd 以其与稳定短路电流之比——Isd／Iwd来衡量。 2)0.05s瞬时短路电流值I΄sd。短路过程开始后0.05s时的短路电流值I΄sd。

(2)偶发的熔滴短路过渡中由燃弧到短路的峰值电流Ifd Ifd的大小影响熔滴过渡过程。Ifd太大，则使熔滴飞溅严重，使焊缝成形变坏，甚至引起焊件烧穿、电弧不稳；Ifd过小，短路功率低，熔滴受到推力小，过渡困难。通常以其与稳定工作电流之比——Ifd／If来衡量。 2．对电压恢复最小值 Umin的要求 下图是弧焊发电机引弧短路电压变化过程曲线，这种过程存在一个电压恢复最小值，但是对于电子类弧焊电源，其工作原理与弧焊发电机不同，不存在这个电压最小值，而不必考虑恢复电压最低值Umin 。

(二)细丝CO2短路过渡对电源的要求 1. 短路电流增长速度 2．短路电流峰值 3. 燃弧电流下降速度 4. 燃弧电流最小值 上述四项可以由输出铁磁电抗器的电抗值大小进行控 制，或者通过电子电抗器进行控制，而且是电子电抗器设 计中为改善熔滴过渡过程，减小飞溅，必须慎重调整优化 的重要参数。 5．空载电压恢复速度 电子类电源都可以满足细丝CO2短路过渡对于空载电压 恢复速度项的要求。