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绪论和第一章
弧焊电源
绪论
●一、焊接的重要性及弧焊电源在焊接中的应用
●1.焊接的重要性
焊接是一种金属连接的方法,它是通过加热或加压,或两者并用,并且用或不用填充金属,使焊件间达到原子间结合的一种加工方法。
也可以说,焊接是一种将材料永久连接,并形成具有给定功能结构的制造技术。
●国民经济的诸多行业都需要大量高档次的焊接结构。
几乎所有的产品,从几十万吨巨轮到不足1克的微电子元件,在生产中都不同程度地依赖焊接技术。
焊接已经渗透到制造业的各个领域,直接影响到产品的质量、可靠性、寿命以及生产的成本、效率和市场反应速度。
●我国现在钢材年生产总量已经达到3亿多吨,成为世界上最大的钢材生产国和消费国。
目前,钢材是我国最主要的结构材料。
在今后20年中钢材仍将占有重要的地位。
然而,钢材必须经过加工才能成为有给定功能的产品。
由于焊接结构具有重量轻、成本低、质量稳定、生产周期短、效率高、市场反应速度快等优点,焊接结构的应用日益增多,焊接加工的钢材总量比其它加工方法多。
●焊接电源是保证高质量焊缝的首要必备条件。
因此,发展我国制造业,尤其是装备制造业,必须高度重视焊接技术及其焊接电源的同步提高和发展。
●2.弧焊电源在焊接中的作用
●电弧焊是焊接方法中应用最为广泛的一种焊接方法。
据一些工业发达国家的统计,电弧焊在焊接生产总量中所占的比例一般都在60%以上。
根据其工艺特点不同,电弧焊可分为焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊和等离子弧焊等多种。
●不同材料、不同结构的工件,需要采用不同的电弧焊工艺方法,而不同的电弧焊工艺方法则需用不同的电弧焊机。
●例如,操作方便、应用最为广泛的焊条电弧焊,需要由对电弧供电的电源装置和焊钳组成的焊条电弧焊焊机;锅炉、化工、造船等工业广为使用的埋弧焊,需要由电源装置、控制箱和焊车等组成的埋弧焊机;适用于焊接化学性活泼金属的气体保护电弧焊,需要由电源装置、控制箱、焊车(自动焊)或送丝机构(半自动焊)、焊枪、气路和水路系统等组成的气体保护电弧焊机;适用于焊接高熔点金属的等离子弧焊,则需要由电源装置、控制系统、焊枪或焊车(自动焊)、气路和水路系统等组成的等离子弧焊机。
●各种电弧焊方法所需的供电装置,即弧焊电源是电弧焊机的重要组成部分,是对焊接电弧供给电能的装置,它应满足电弧焊所要求的电气特性,这正是本课程将要系统讲述的内容。
与弧焊电源配套的其它装置和设备部分,将在《焊接方法与设备》课程中讲述。
●显然,弧焊电源电气性能的优劣,在很大程度上决定了焊接过程的稳定性。
没有先进的弧焊电源,要实现先进的焊接工艺和焊接过程自动化是难以办到的。
因此,应该对弧焊电源的基本理论、结构、性能特点进行深人的分析,真正了解和正确使用弧焊电源,进而研制出新型的弧焊电源,使焊接质量和生产效率得到进一步提高。
二、弧焊电源的分类、特点及用途
●焊接电流有交流、直流和脉冲三种基本类型,相应的弧焊电源有交流弧焊电源、直流弧焊电源和脉冲弧焊电源三种类型。
●1.交流弧焊电源
●工频交流弧焊电源又称弧焊变压器,它把电网的交流电变成适合于电弧焊的低电压交流电,它由变压器、调节装置和指示装置等组成。
弧焊变压器具有结构简单、易造易修、成本低、磁偏吹小、空载损耗小、噪声小等优点。
但其输出电流波形为正弦波,因此,电弧稳定性较差,功率因数低,一般用于焊条电弧焊、埋弧焊和钨极惰性气体保护电弧焊等方法。
●矩形波交流弧焊电源它是利用半导体控制技术来获得矩形波交流电流的。
由于输出电流过零点时间短,电弧稳定性好,正负半波通电时间和电流比值可以自由调节,因此特别适合于铝及铝合金钨极氩弧焊。
●2.直流弧焊电源
●弧焊发电机一般由特种直流发电机、调节装置和指示装置等组成。
弧焊发电机虽然曾经在焊接历史上发挥过重要作用,但由于制造复杂、噪声及空载损耗大、耗电量大、效率低、价格高等存在许多缺点,因此这种弧焊电源已经淘汰,本书不作介绍。
●弧焊整流器由主变压器、整流器及为获得所需外特性的调节装置、指示装置等组成。
它将电网交流电降压整流后获得直流电。
与弧焊发电机相比,具有制造方便、价格低、空载损耗小、噪声小等优点,而且大多数弧焊整流器可以远距离调节焊接工艺参数,能自动补偿电网电压波动对输出电压和电流的影响。
它可作为各种弧焊方法的电源。
●逆变式弧焊电源它将单相(或三相)交流电经整流后,由逆变器转变为几百至几万赫兹的中高频交流电,经降压后输出交流或直流电。
整个过程由电子电路控制,使电源获得符合要求的外特性和动特性。
这类弧焊电源具有高效节能、重量轻、体积小、功率因数高等优点,可应用于各种弧焊方法,是一种很有发展前途的普及型弧焊电源。
●3.脉冲弧焊电源
●焊接电流以低频调制脉冲方式馈送,一般由普通的弧焊电源与脉冲发生电路组成。
它具有效率高、输入线能量较小、线能量调节范围宽等优点。
它主要用于气体保护电弧焊和等离子弧焊,对于焊接热敏感性大的高合金材料、薄板和全位置焊接具有独特的优点。
三、弧焊电源的历史、现状及发展趋势
1.弧焊电源的发展历史
●1802年俄国学者发现了电弧放电现象
●20世纪20年代,除弧焊发电机外,已开始应用弧焊变压器
●20世纪30年代后期,研制成功了埋弧焊
●20世纪40年代初,出现了氩弧焊
●20世纪50年代又相继出现了二氧化碳焊等各种气体保护电弧焊,以及随后出现的焊接高熔点金属材料的等离子弧焊。
●各种焊接方法的问世,促进了弧焊电源的飞速发展,20世纪40年代开始出现了用硒片制成的弧焊整流器。
到了20世纪50年代末,由于大容量的硅整流器件、晶闸管的问世,为发展新的弧焊整流器开辟了道路。
20世纪70年代以来,又相继成功研制了脉冲弧焊电源、逆变式弧焊电源、矩形波交流弧焊电源。
●弧焊电源的飞速发展,不仅表现为种类的大量增加,还表现在广泛应用电子技术、控制技术(PID控制、模糊控制、人工神经网络技术和智能控制)、计算技术等方面的理论知识和最新成就,来不断提高弧焊电源的质量,改善其性能。
2.弧焊电源的现状及发展趋势
●目前,我国弧焊电源制造与研究的状况,与正在蓬勃发展的国民经济的需要不相适应,产品的品种、数量、质量、性能和自动化程度还远远不能满足使用部门的要求,与世界工业发达国家比较,尚存在较大差距。
为了适应我国社会主义四个现代化的需要,必需努力从事弧焊电源的研制,充分利用电子技术、计算机技术和大功率电子器件,不断提高产品质量;大力发展高效、节能、性能良好的新型弧焊电源,积极研制微机控制的弧焊电源,从而把弧焊电源的发展推向一个新阶段。
●电子技术、计算机微电子信息和自动化技术的发展,推动了焊接自动化技术的发展,这是不言而喻的。
特别是数控技术、柔性制造技术和信息处理技术等单元技术的引入,促进了焊接自动化技术革命性的发展。
(2)弧焊电源的发展趋势
●逆变式弧焊电源所占比重将越来越大
●自动、半自动焊接设备,尤其是高效节能的CO2焊机将得到快速的发展
●自动化焊接技术及其设备将以前所未有的速度得到发展
●成套、专用焊接设备的应用将会越来越广阔
四、本课程的性质、任务、要求和分工
●本课程是理论性和实践性较强的专业课。
●本课程的任务应使学生掌握各种常用弧焊电源的种类、结构、工作原理、性能、特点及使用、维护等方面的知识。
●本课程以“电工学”、“工业电子学”等课程为基础,是焊接专业理论性和实践性较强的一门专业课。
●学生在学完本课程后,应能达到以下要求:
●了解焊接电弧的产生机理及电特性,掌握交流电弧的特点及稳定燃烧条件。
●深入了解弧焊电源的性能和常用弧焊方法对弧焊电源的要求。
●掌握常用弧焊电源基本结构和工作原理,熟悉其性能和特点,并且有正确选择、安装和使用的能力。
●能测试常用弧焊电源的主要性能指标,并对常见故障具有分析和排除的能力。
●本课程的先修课为《电工学》和《工业电子学》,其中的磁路、变压器、电抗器、硅整流电路、晶体管、晶闸管、场效应管、IGBT、快速整流管、磁性材料等为与本门课程有关的基础理论知识。
本课程应安排在认识实习和实训之后,以便在授课前学生能对各种弧焊方法和所用设备有一定的感性认识。
本课程为专业课的先行课,本课程在电弧方面只讲授电弧的电特性,电弧的其他知识在其他课程中讲授。
第一单元焊接电弧及对弧焊电源的要求
⏹学习目标:
通过学习
(1)明确焊接电弧的物理本质、分类和焊接电弧的引燃条件;
(2)熟悉焊接电弧的结构、压降分布和伏安特性;(3)了解交流电弧的有关问题及焊接电弧的种类和特点;(4)重点掌握焊接电弧的电特性和电源-电弧系统的稳定条件,弧焊电源外特性的形状及选择,对弧焊电源调节特性的要求;(5)学会焊接电弧静特性的测试方法和弧焊电源外特性的测定方法
综合知识模块一焊接电弧的物理本质和引燃
⏹焊接电弧不是一般的燃烧现象,它是在一定条件下电荷通过两极间气体空间的一种导电过程
能力知识点1焊接电弧的物理本质
⏹一般情况下,气体不含有带电粒子(电子、正离子、负离子),是由中性的分子或原子组成的。
要使气体产生电弧导电,必须使气体分子或原子电离成带电粒子-气体电离;同时,为了使电弧维持“燃烧”,还必须不断的输送电能给电弧,以补充气体电离时所消耗的电能,即电弧的阴极要不断的发射电子。
综上所述,气体电离和阴极发射电子是电弧产生的必要条件。
1.气体电离
⏹在外加能量作用下,中性气体分子或原子分离成正离子和电子的现象称为气体电离。
⏹气体电离有如下三种形式,即碰撞电离、热电离和光电离
⏹在高温焊接电弧中,主要是以热电离为主,而且进行的很激烈
2.阴极电子发射
⏹阴极表面在外加能量作用下连续向外发射电子的现象称为阴极电子发射。
⏹阴极电子发射可分为热电子发射、场致电子发射、光电子发射和撞击电子发射等四种形式。
⏹阴极所用的材料不同,其电子发射形式也不同,有的以热电子发射为主,有的以场致电子发射为主,而光电子发射和撞击电子发射在焊接电弧中占次要地位。
能力知识点2焊接电弧的引燃
⏹把造成两电极间气体发生电离和阴极电子发射而引起电弧燃烧的过程,称为焊接电弧的引燃。
焊接电弧的引燃一般有两种方式:
接触引弧和非接触引弧。
1.接触引弧
⏹弧焊电源接通后,电极(焊条或焊丝)与工件直接短路接触,随后迅速拉起电极(约2~4mm)而引燃电弧
⏹在接触引弧中,电极与工件短路接触的方式有两种:
撞击法和划擦法
2.非接触引弧
⏹电极与工件之间保持一定的间隙,然后在电极与工件之间施以高电压击穿间隙使电弧引燃
⏹非接触引弧主要应用于钨极氩弧焊和等离子弧焊
【综合训练】
⏹一、填空题答案
⏹1.气体放电;2.在外加能量作用下,中性气体分子或原子分离成正离子和电子的现象;3.热电离,强;4.碰撞电离、热电离、光电离;5.光电离;6.阴极电子发射;7.气体电离和阴极发射电子;8.热电子发射、场致电子发射、光电子发射和撞击电子发射
⏹二、判断题答案
1.×;2.√;3.×;4.×;5.√。
⏹三、选择题答案
⏹1.a;2.b;3.c。
⏹四、简答题答案(略)
⏹五、实践部分组织学生在焊接实训场地进行引弧训练,学会撞击法和划擦法两种引弧方法,并使学生明白在什么情况下采用撞击法,在什么情况下采用划擦法
综合知识模块二焊接电弧的结构、压降分布和伏安特性
能力知识点1焊接电弧的结构及压降分布
⏹焊接电弧分为三个区域,即阴极区、阳极区、弧柱区。
阳极区和阴极区的长度很短,因此,电弧长度可近似认为等于弧柱长度
⏹三个区的电压降分别称为阴极压降Ui、阳极压降Uy和弧柱压降Uz。
它们组成了总的电弧电压Uh
⏹经验公式:
⏹
⏹由于上式中a为阴极压降与阳极压降之和,基本可认为常数,所以可以
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