焊接电弧及弧焊电源
(2011-03-13 20:34:48)
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二、焊接电弧及弧焊电源
1
电弧是一种空气导电的现象,在两电极之间产生强烈而持久的放电现象,称为电弧。
由焊接电源供给的,具有一定电压的两电极间或电极与焊件间、在气体介质中产生的强烈而持久的放电现象称为焊接电弧。其主要性质为:
1)
2)
3)
2
利用等离子焊炬,将阴极(如钨极)和阳极之间的自由电弧压缩成高温、高电离度及高能量密度的电弧,称为等离子弧。
等离子弧的主要特点是:
⑴能量高度集中
⑵温度高
⑶焰流速度大,可达300m/s以上。
因此,等离子弧被广泛应用于焊接、喷涂、堆焊以及金属和非金属的切割。
3
焊接电弧在其轴线方向由阴极区、阳极区和弧柱三部分所组成,见图1。
⑴阴极区
⑵阳极区
⑶弧柱
式中
由于阴极区和阳极区的长度都是极短的,而弧柱的长度占了弧长的极大部分,故弧柱长度就可以认为是弧长。
4
焊接电弧中三个区段的温度分布极不均匀:阳极斑点的温度高于阴极斑点的温度,但都低于该种材料的沸点。但铝阴极斑点和阳极斑点的温度均高于铝的沸点,这是由于铝的表面有氧化铝存在,对测量温度产生影响所致。不同电极材料阴极斑点和阳极斑点的温度,见表1。
表1
温度(K) |
C |
W |
Fe |
Ni |
Cu |
A1 |
阴极斑点 阳极斑点 熔 沸 |
3500 4200 |
3000 4200 3683 6203 |
2400 2600 1812 3013 |
2400 2400 1728 3003 |
2200 2400 1356 2868 |
3400 3400 933 2333 |
弧柱的温度受电极材料、气体介质、电流大小和弧柱压缩程度等影响,在常压下当焊接电流由1~1000A变化时,弧柱温度可在5000~30000K之间变化。
5
焊接电弧中的电压降可分成阴极压降、阳极压降和弧柱压降三部分。
⑴阴极压降
⑵阳极压降
⑶弧柱压降
由于U阴、U阳在一定电极材料和气体介质的场合下,基本上是固定的数值,U柱在一定的气体介质条件下和弧柱长度(实际上就是弧长)成正比。所以电弧电压可表示为
式中
当电极材料、电源种类和极性以及气体介质一定时,a和b均是确定的数值,此时电弧电压仅决定于电弧的长度,即当电弧拉长时,电弧电压升高;弧长缩短时,电弧电压降低。
6
引弧时,首先接通焊接电源,再将焊条或焊丝与焊件接触短路,这时在接触点上由于通过较大的短路电流而产生高温,电极金属和接触焊件的表面立刻熔化,形成液态金属间层,充满在电极和焊件之间。当将焊条或焊丝提起时,液态金属间层的横截面减小,电流密度增加,温度升高,当液态金属间层被拉断瞬时,间层的温度达到沸点,产生大量金属蒸气,在电场的作用下,气体被电离,因而产生焊接电弧。整个引弧过程见图2。
手弧焊、埋弧焊、CO2焊广泛采用接触短路法引弧,其优点是可以采用较低的电压(<100V)即能引燃电弧,避免高电压给焊工带来的危险。
7
钨极氩弧焊时,一般不采取接触短路引弧法引燃焊接电弧,因为接触短路引弧一方面由于较大的短路电流使钨极烧损严重;另一方面钨会进入焊缝中引起夹钨,这是一种类似于夹渣的缺陷。高频高压引弧法是将钨极接近焊件,但不直接接触,留有2~5mm的间隙,扳动焊枪上的引弧开关后,立即在钨极与焊件之间加上2000~3000V的空载电压,利用这种高电压直接将空气击穿电离,引发电弧。但由于高压电对操作者的人身安全会带来危险,因此,需同时将电流的频率提高到150~200kHz,即利用高频电强烈的集肤效应,可以避免高压电对人体造成的危害。
如果使用的钨极氩弧焊机无高压、高频装置时,则亦可采用接触短路法引弧,但为避免焊缝中产生夹钨,此时可在接缝附近放上一块铜板,作为引弧板先在铜板上用接触短路法引燃电弧,然后再将电弧移至焊接部位,进行施焊。
8
在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下,电弧稳定燃烧时,焊接电流和电弧电压变化的关系称为电弧的静特性。电弧的静特性可以用一条曲线来表示,这条曲线就称为焊接电弧的静特性曲线,见图3。整个静特性曲线可分为三部分:下降特性段ab,当焊接电流较小时,随着焊接电流的增加,电弧电压迅速地减小;水平特性段bc,当焊接电流增加到一定程度时,随着焊接电流的增加,电弧电压值基本上保持不变;上升特性段cd,当焊接电流增加得很大时,随着焊接电流的增加,电弧电压值也随之增加。
由于电弧电压决定于弧长,所以当弧长增加时,电弧静特性曲线上移;弧长缩短时,电弧静特性曲线下移。
9
不同的电弧焊方法,在一定条件下,其电弧静特性只是曲线的某一部分,并且各不相同,见图4。
⑴手弧焊
⑵钨极氩弧焊
⑶熔化极气体保护焊
电弧静特性曲线的工作段形状,决定了它对焊接电源的要求。
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弧焊机中,供给焊接电弧电能,并具有适宜于电弧焊电气特性的设备,称为弧焊电源。设备中变压器、整流器或发电机以及所有其它各种电器元件,均视为弧焊电源的组成部分。
弧焊电源的空载电压是指在无负载状态运行时,即焊接回路开路时,弧焊电源的输出端电压。以U0表示。
对弧焊电源的空载电压有如下要求:
当空载电压(UO)较高时,电弧容易引燃,对于交流弧焊电源,空载电压高则电弧燃烧稳定。但空载电压高则相应设备体积大、质量大、功率因数低,不经济,此外也不利于焊工的人身安全,增加了焊工触电的危险性。为此在确保容易引弧、电弧能稳定燃烧的条件下,空载电压应尽可能低些。我国有关标准中规定各种弧焊电源的最大电压U0max为:
弧焊变压器U0max≤80V
弧焊整流器U0max≤90V
弧焊发电机U0max≤100V(单头焊机)
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当电极和焊件短路时,电压为零(不计回路上的压降),此时焊机的输出电流称为短路电流,以Ix表示。弧焊过程中,在引弧和熔滴过渡时,经常发生短路。如果短路电流过大,弧焊电源将出现过载并烧坏的危险,同时还会使焊条过热,药皮脱落,并使飞溅增加,这一点在CO2气体保护焊时更为明显。但是如果短路电流过小,将使引弧和熔滴过渡发生困难。为此,短路电流值应满足以下要求
I
式中
由于普通电动机的短路电流太大,若发生短路现象将会造成严重后果,轻则熔丝爆断,重则电动机被烧坏,引起灾害。弧焊电源由于限制了短路电流值,所以即使频繁出现短路现象,对焊机本身也无妨害,当然长时间的短路最终也将会对焊机产生不利影响。
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在规定范围内,弧焊电源稳态输出电流与输出电压之间的关系,称为电源的外特性。外特性可用曲线来表示,这种曲线称为焊接电源的外特性曲线。外特性曲线与纵坐标的交点即为弧焊电源的空载电压;外特性曲线与横坐标的交点即为弧焊电源的短路电流。
各种常见弧焊电源的外特性见图5。由图可知,焊接电源的外特性分为平特性和下降特性两大类。
⑴平特性
⑵下降特性
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手弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊的电弧静特性曲线呈下降或水平型。当弧长发生同样长度的变化时,具有陡降外特性曲线1的焊接电流,变化量△I1比缓降外特性曲线2的焊接电流变化量△I2小,见图6,即陡降外特性曲线当弧长发生变化时,有得保持选定焊接电流的稳定,提高焊缝质量。所以,手弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊,应该选用具有陡降外特性的电源。
陡降和缓降是一个相对的概念,过去有的工厂为了获得更陡降的外性,常在焊机的输出端串联一镇定变阻器(可调电阻),但由于镇定变阻器会消耗大量的电能(使电阻发热),故目前这种方法已不再采用。
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若弧长增加时,电弧静特性曲线将上移,与电源外特性曲线的交点将从a点移至b点,此时电弧电压增加、焊接电流减小,见图7。同理,当弧长缩短时,电弧电压将减小,焊接电流要增加。这一情况在操作过程中很容易发现,弧焊时弧长的变化是不可避免的(手弧焊时焊工手的抖动,埋弧焊时焊件表面凹凸不平),因此接在焊机上的电流表和电压表的指针不断地按相反方向抖动,而绝不会同向抖动。
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弧焊时,电弧的引燃和燃烧是一个很复杂的过程。开始引弧时,电极与焊件相碰发生短路,焊接电源要迅速提供合适的短路电流;电极抬起时,焊接电源的输出电压要很快达到空载电压;施焊过程中,如果采用熔化电极(焊条、焊丝),会有熔滴从电极过渡到熔池的过程,此时弧长不断地发生变化而引起焊接电流和电弧电压的不断变化,并且使弧焊过程还会产生频繁的短路和再引弧过程。如果弧焊电源输出的电流和电压不能很快地适应弧焊过程中的这些变化,电弧就不能稳定地燃烧甚至熄灭。弧焊电源适应焊接电弧这样的动态负载所输出电流、电压相对时间变化的特性,称为弧焊电源的动特性。
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当弧长一定时,每一条电源外特性曲线和电弧静特性曲线的交点中,只有一个稳定工作点,即只有一个对应的电流值和电压值。所以,选用不同的焊接工艺参数时,要求弧焊电源能够通过调节,得出不同的外特性曲线,即为电源的调节特性。电源外特性曲线的调节方式有如下三种类型:
1)
2)
3)
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焊接电源工作时会发热,温升过高会使绝缘损坏而烧毁。温升一方面与焊接电源提供的焊接电流大小有关,同时也与焊接电源使用的状态有关:同样焊接电流下,长时间连续焊接时温升高,焊一会、停一会温升就低。所以,为保证焊机使用时温升不超过允许值,连续焊接时焊接电流要选用得小一些,断续焊接时,焊接电流可适当选用得大一些,即焊接电流的选用应根据焊接电源的工作状态确定。负载持续率指在选定的工作时间周期内焊机负载时间占选定工作时间周期的百分率。其计算式如下:
在选定的工作时间周期内焊机负载时间
负载持续率=───────────────────×100%
有关标准规定,工作时间周期为5、10、20min与连续焊接时,对于容量500A以下的弧焊电源,以5min为一个工作时间周期。
计算举例
某手弧焊工在5min工作时内有2min用于换焊条和清渣,那么负载时间为3min,则
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设计焊接电源时,根据其最经常工作条件选定的负载持续率,称为额定负载持续率。额定负载持续率下允许使用的焊接电流称为额定焊接电流。如BX3-300焊机的额定负载持续率是60%,这时允许使用的焊接电流为300A,即为焊机的额定焊接电流。
负载持续率增加,允许使用的焊接电流就减小;反之,负载持续率减小,允许使用的焊接电流就增加。如BX3-300焊机的负载持续率为100%时,其允许使用的焊接电流为232A;而当负载持续率为35%时,其允许使用的焊接电流为400A,此电流即为最大焊接电流。因此,焊机的额定焊接电流不是指焊机允许使用的最大焊接电流。使用焊接时,焊工应根据铭牌上标定的不同负载持续率下,允许使用的焊接电流值来选取电流,超过时会造成焊机超载而温升过高,以致最终烧毁焊机。
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弧焊电源分交流电源和直流电源两大类。交流电源即弧焊变压器,直流电源包括弧焊发电机和弧焊整流器两类。所以弧焊电源有三个品种,即弧焊变压器、弧焊发电机和弧焊整流器。各类弧焊电源的特点,见表2。
表2
主要指标(项目) |
直 |
交 |
|
弧焊发电机 |
弧焊整流器 |
弧焊变压器 |
|
效 率 (%) |
低(30~60) |
较高(60~75) |
高(65~90) |
功率因数 |
高(0.86~0.90) |
较高(0.65~0.70) |
低(0.3~0.6) |
每千克熔敷金属耗电 (kW.h) |
6~8 |
3.4~4.2 |
3~4 |
空载功率损耗 (kW) |
2~3 |
0.1~0.35 |
0.2 |
制造材料消耗 (%) |
100 |
60~65 |
20~30 |
生产弧焊电源工时 (%) |
100 |
50~70 |
20~30 |
弧焊电源价格 (%) |
100 |
103~115 |
30~40 |
每台占用面积 (m2) |
1.5~2 |
1~1.5 |
1~1.2 |
电弧稳定性 |
高 |
较高 |
低 |
极性可换性 |
有 |
有 |
无 |
构造与维修 |
较繁 |
较简单 |
简单 |
噪 |
大 |
很小 |
较小 |
供 |
三相 |
一般三相 |
一般三相 |
触电危险 |
较小 |
较小 |
较大 |
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我国焊机型号按GB10249—88《电弧焊机型号编制方法》标准规定编制,采用汉语拼音字母和阿拉伯数
|
21
弧焊电源的选用原则如下:
⑴电源种类
⑵电源容量
⑶电源特性
22
弧焊变压器是具有下降特性的交流弧焊电源,它是通过增大主回路电感量来获得下降特性的。其构造有两种形式:一种是在变压器的电路内做成独立的铁心线圈电感,与正常漏磁式主变压器串联称为串联电抗器动铁式弧焊变压器;另一种是增强变压器本身的漏磁,形成漏磁感抗称为增强漏磁类动圈式弧焊变压器。弧焊变压器中可调感抗的作用,不仅是用来获得下降特性,同时还用来稳定焊接电弧和调节焊接电流。
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分体动铁式弧焊变压器的变压器和电抗器是各自独立的,这类弧焊变压器目前有两种形式:一种是用于钨极氩弧焊的 BX10-100 和BX10-500型焊机,其工作原理,见图9a。所用的电抗器为磁饱和式电抗器,在电抗器铁心的中间铁心柱上有直流控制绕组,调节控制绕组中的控制电流便可细调焊接电流。
另一种分体动铁式弧焊变压器为多站式,其型号为 BP-3×500见图9b ,主变压器是一台正常漏磁三相变压器,附12台电抗器,每相接4台,可同时供12台手弧焊工使用,每台电抗器的焊接电流调节范围为25~210A。电抗器的结构见图10。结构中间为活动铁心,活动铁心下部与磁轭之音质间隙可调节,间隙δ增大,焊接电流增大;反之,焊接电流减小。
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同体动铁式弧焊变压器的工作原理与分体动铁式相同,只是电抗器和主变压器公用一个磁轭。电抗器有一活动铁心,见图11,调节活动铁心的间隙δ便可调焊接电流。同体式弧焊变压器多用作大功率的埋弧焊电源,其型号有BX1-1600,BX2-1000,BX2-2000等。图11中又设置了 79、80、81、82各端点,用以调节电网电压对空载电压的影响。
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动圈式弧焊变压器的构造,见图12a,属增强漏磁式。一次绕组 L1固定不动,二次绕组 L2可用丝杠上、下均匀移动,两个绕组之间形成漏磁磁路,其间隙δ12越大,则漏磁感抗越大,焊接电流越小。动圈式弧焊变压器的接线图,见图12b,转换开关Ⅰ时为小电流挡,此时空载电压高,有利于稳弧;转换开关Ⅱ时为大电流档,其外特性曲线见图12c。动圈式弧焊变压器的振动小,但调焊接电流时L2的移动距离长,因此铁心尺寸高,消耗电机金属材料多。主要型号有BX3-120、BX3-300、BX3-500,用作手弧焊电源;
BX3-1-400、BX3-1-500,空载电压略高,用作钨极氩弧焊电源。
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动铁心式弧焊变压器构造,见图13a。属增强漏磁式。一次、二次绕组L1、L2都是固定绕组,在其中间放上一个活动铁心Ⅱ作为L1、L2间的漏磁分路,它可以在垂直纸面方向移动,见图13b,用以调节焊接电流。
动铁心式弧焊变压器结构紧凑,节省电机金属材料,振动小,焊接电流调节均匀,常用作手弧焊电源,产品型号有BX1-300、BX1-400、BX1-500等。
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抽头式弧焊变压器的构造见图14。其铁心有二心柱式和三心柱式两种,一次绕组L1分为L11与 L12两部分,二次绕组L2也分为L21、L22两部分,两绕组分开以增强漏磁,其基本工作原理与动圈式弧焊变压器相似,属增强漏磁式。
抽头式弧焊变压器结构紧凑,无活动部分故而无振动,焊接电流通过绕组抽头进行有级调节,不能细调,常做成小参数的作为手弧焊电源,主要产品型号有BX6-120、BX6-160、BX6-300等。
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弧焊变压器若使用不当,会产生各种故障,影响焊工进行正常作业。弧焊变压器的常见故障及排除方法见表3。
表3
故 |
产 |
排 |
焊机线圈过热 |
1、焊机过载 2、变压器的绕组短路 |
1、按规定负载持续率下允许的焊接电流值使用 2、重绕绕组或更换绝缘材料 |
焊机铁心过热 |
1、电源电压超过额定值 2、铁心硅钢片短路 3、夹紧铁心的螺杆绝缘损坏 |
1、检查电源电压并对照焊机铭牌上的规定数值 2、清洗硅钢片,重刷绝缘漆 3、更换绝缘材料 |
熔丝经常烧断 |
1、电源线短路或接地 2、一次、二次绕组短路 |
1、检查电源线,消除短路 2、检查绕组情况,更换绝缘材料或重绕绕组 |
焊机外壳带电 |
1、电源线或焊接电缆碰到外壳 2、绕组碰外壳 3、焊机外壳未接地或接触不良 |
1、检查电源引线和电缆与接线板连接情况 2、用兆欧表检查绕组的绝缘电阻 3、接妥焊机机壳的地线 |
焊机的振动和噪声过大 |
1、传动铁心和传动绕组的机构有故障 2、动铁心上的螺杆和拉紧弹簧松动或脱落 3、绕组短路 |
1、检修传动机构 2、加固动铁心及拉紧弹簧 3、更换绝缘,重绕绕组 |
焊接电流过小 |
1、焊接电缆太长,电压降太大 2、焊接电缆卷成盘状,电抗大 |
1、减短电缆长度或加大电缆直径 2、散开电缆,不使它卷成盘状 |
焊接电流忽大忽小 |
1、焊接回路连接处接触不良 2、可动铁心随焊机的振动而移动 |
1、检查焊接回路的接触处,使之接触良好 2、加固可动铁心,使之不发生移动 |
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直流弧焊发电机是一台具有下降特性的直流发电机,由异步电动机或内燃机驱动,带动发电机的电枢旋转,电枢绕组切割励磁线圈的磁场,产生感应电流,经换向器和电刷后整流成直流,输出供焊电弧燃烧使用。由异步电动机驱动的直流弧焊发电机,见图15。
直流弧焊发电机由于它坚固耐用,不易出故障,工作电流稳定而深受用户欢迎,但由于它效率低、电能消耗多、磁极材料消耗多、噪声大,故由异步电动机驱动的弧焊发电机已属逐渐淘汰产品之中,这种电焊机已逐步停止生产。可是内燃机驱动的弧焊发电机是野外无电网处施工所必需的焊机,故需要量仍然很大。
30
差复励式弧焊发电机由两组励磁绕组:即由单独直流电源供电的他励绕组 N他和串联去磁绕组
N串组成 ,见图16。串励绕组串接在电枢回路中,其磁通
ф串与负载电流(焊接电流)成正比,但方向与他励磁通ф他相反,起去磁作用,再加上电枢反应的去磁磁通ф枢,如果忽略焊机内部的电阻压降,则焊机的输出电压为
焊接电流通过改变串联绕组匝数N串进行粗调;改变他励励磁电流I他(改变可变电阻RP)进行细调。这类焊机的产品型号有AX7-500、AX9-500、AX-250、AX-300等。
二、焊接电弧及弧焊电源
31
焊机有四个磁极,在空间不是交替排列,而是两个北极N主、N交和两个南极S主、S交相邻配置,可以看成是一对磁极分裂而成(图中点线所示),见图17a。在磁极中心装有主电刷a和b,中间再装一个辅助电刷c,两组并励励磁绕组接在主电刷a和辅助电刷c之间,其中一组分布在四个极上,另一组则只绕在交极上,并在它的回路中串有一可变电阻RP,见图17b。
焊机起动时,由于磁极中有剩磁,将在并励回路中产生感应电流,此感应电流在并励绕组中产生并励励磁磁通,其方向和剩磁方向一致,使总磁通增加,依次反复,直到建立起稳定的空载电压。因此,焊机起动时不能反转,否则使剩磁消失,空载电压无法建立(焊机没有电)。
焊接时,由于电枢反应产生的磁通ф电枢方向位于电枢的几何中性面ab上,当电枢逆时针方向旋转时,ф枢从b指向a和ф1相同起加磁作用,但由于主极颈部开有缺口,铁心截面减小,在工作状态时磁路已趋饱和,无法起到加磁作用。但在ф枢交极方向的分量垂直向上和ф2方向相反,起去磁作用,使焊机获得下降外特性。
焊接电流通过移动电刷位置实行粗调,改变励磁回路中的可变电阻RP进行细调。其产品型号有AX-320、AXD-320,后者可用作内燃机驱动。
32
这种换向极去磁式焊机的磁路结构,见图18。其特点是换向极极靴形状不对称,迎着电枢旋转方向为前极尖,其前极尖宽且长,后极窄而短,换向极前极尖与异名主磁极相接近;后极尖与异名主磁极间间隙较大,且换向极与电枢表面间间隙不均等,从前极尖到后极尖间隙逐渐由小变大,其目的是使换向极下面磁通分布在换向极中心线前半部磁通量大于后半部磁通量。因换向极磁通与前极尖接近的主磁极磁通方向相反,起去磁作用。此外,因换向极前极尖靠近异名主磁极,这样由原来主极N经电枢进入主极S的主磁通,负载时一部分主磁通将不再进入电枢而直接进入换向极N换的前极尖,这就减少了为N极下面电枢表面所切割的磁能,也起到了去磁作用。弧焊发电机就是依靠这两部分去磁作用而获得下降外特性的。
焊接电流依靠改变电刷位置进行粗调,依靠改变并励绕组的可变电阻进行细调。这类焊机的产品型号有AX3-300、AX3-3-00-1、AX4-400等。
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弧焊发电机由于内部有旋转部分,所以在使用过程中出现故障的可能性要多一些。弧焊发电机的常见故障及排除方法见表4。
表4
故 |
|
排 |
焊机起动后电动机反转 |
三相异步电动机与网络接线位置有错误 |
将三相电源线中任意两相换接 |
起动后电动机转速慢,有嗡嗡声 |
1、三相熔丝中有一相被烧断 2、电动机的定子线圈断线 |
1、更换熔丝 2、消除断线 |
电刷和换向器间有火花 |
1、电刷与换向器接触不良 2、电刷被卡信或松动 3、换向片间的云母突出 4、个别换向片凹下或突出 |
1、清洁并修整电刷和换向器的接触面 2、调整电刷在电刷架中的间隙 3、去除突出的云母,拉深云母槽,使云母低于换向器表面 4、研磨或上车床车削 |
焊接电流忽大忽小 |
1、焊接回路的接触处接触不良 2、电流调节器的可动部分随焊机的振动而移动 |
1、检查焊接回路接触处,并使之接触良好 2、检修电流调节器,使可动部分不易移动 |
焊机过热 |
1、焊机过载 2、发电机的电枢绕组短路 3、换向器表面污染或短路 |
1、减小焊接电流或降低负载持续率 2、消除短路处 3、清理换向器表面,消除短路 |
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弧焊整流器是目前取代弧焊发电机的直流弧焊电源。其种类可分成硅弧焊整流器、晶闸管式弧焊整流器、晶体管式弧焊整流器、弧焊逆变器等。与弧焊发电机相比较,弧焊整流器具有效率高、空载损耗小、节省电机材料、构造与维修简单和噪声小等一系列优点。只是目前的市场价格比弧焊发电机略高一些。
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硅弧焊整流器以硅二极管作为整流元件,将50Hz的单相或三相交流网路电压,利用降压变压器T降为几十伏特的电压,经硅整流器Z整流和电抗器L滤波获得直流电,从而对焊接电弧供电,其基本原理框图见图19。
⑴降压变压器
⑵硅整流器
⑶输出电抗器
焊机外特性的调节方式有两种:一种为机械调节,即采用抽头式、动铁心式、动绕组式的降压变压器,其降压变压器的工作原理与弧焊变压器相同。另一种为电磁调节,即在降压变压器和硅整流器之间接一磁饱和电抗器(磁放大器),借助改变其磁饱和程度来进行调节。
硅弧焊整流器的主要优点是结构简单、坚固耐用、工作可靠、噪声小、维修方便和效率高。其缺点是可调的焊接工艺参数少,调节不够灵活、不够精确并受网路电压波动的影响较大,因而只能用在质量要求不高的产品焊接。
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各种硅弧焊整流器的构造及工作原理简述如下:
⑴动铁心式、动绕组式硅弧焊整流器
⑵抽头式硅弧焊整流器
⑶磁放大器式硅弧焊整流器
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利用晶闸管桥来整流,利用电子电路来实现控制功能,因而是一种电子控制的弧焊电源。焊机的工作原理图见图20。三相50Hz网络电压由降压变压器T降为几十伏特的电压,借助晶闸管VT的整流和控制,经输出电抗器L滤波和调节动特性,从而输出所需的直流焊接电流。用电子触发电路控制并采用闭环反馈的方式来控制外特性,以获得平、下降等各种形状的特性,对焊接电压和焊接电流进行无级调节。M为电流、电压反馈检测电路,G为给定电压电路,K为运算放大电路,它把反馈电压信号和给定电压比较后的电压进行放大并送到脉冲移相电路,从而实现对外特性的控制和工艺参数的调节。
焊接的特性:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
晶闸管式弧焊整流器的产品型号有ZDK-250、ZDK-500、ZX5-250、ZX5-400等。
38
在硅整流器的直流回路中串入大功率晶体管组,以获得所需任意类型的外特性和对电流、电压进行无级调节称为晶体管式弧焊整流器。它是电子控制的弧焊电源,其基本原理框图见图21。晶体管在主电路中起“电子开关”或“线性放大调节器”的作用,以“开关式”或“模拟式”晶体管组和闭环反馈对外特性和输出电流波形进行控制。
与晶闸管式弧焊整流器比较,晶体管式弧焊整流器具有如下特性:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
晶体管式弧焊整流器的产品型号有PULSE350、NZC6-315T等。
39
弧焊逆变器是弧焊电源的最新发展,它是利用逆变技术研制成的一种具有发展前景的弧焊电源。弧焊逆变器的基本原理框图见图22。
单相或三相50Hz(频率f1)的交流网路电压经输入整流器V1整流和电抗器滤波,借助大功率电子开关(晶闸管、晶体管或场效应管)的交替开关作用,又将直流变换成几千或几万Hz的中频交流电(f2),再分别经中频变压器T、输出整流器V2和电抗器L的降压、整流与滤波就得到所需的焊接电压和电流,其逆变系统可表示为
弧焊逆变器常用的几种外特性曲线形状见图22。其中图23中a、b、d是用于手弧焊的外特性,图23c是用于变速送丝熔化极气体保护焊的外特性。
弧焊逆变器具有如下特性:
1)高效节能,其效率可达80%~90%,功率因数可达0.99,空载损耗极小,只有数十至一百余瓦特,因此节能效果显著。
2)重量累、体积小。中频变压器的重量只有传统弧焊电源降压变压器的几十分之一,整机重量仅为常用弧焊整流器和弧焊发电机的1/5~1/10。
3)具有良好的动特性和弧焊工艺性能。
4)
5)
6)
7)
弧焊逆变器的产品型号有ZX7-250、ZX7-400(晶闸管式)、ZXC-63、ZX6-160(场效应管式)。
40
各种直流弧焊电源(弧焊发电机、弧焊整流器、弧焊逆变器)的主要技术指标见表5。
表5
弧焊电源 类 |
电源电压 (V) |
空载电压 (V) |
输出电流 (A) |
负载持续率(%) |
效率(%) |
功率因数 |
质量(㎏) |
外形尺寸 (mm) |
弧焊发电机 (AX-320) |
3×380 |
50~80 |
320 |
50 |
53 |
0.87 |
530 |
195×600×992 |
弧焊整流器 (ZXG7-300-1) |
3×380 |
72 |
300 |
60 |
68 |
0.65 |
200 |
410×600×790 |
晶闸管弧焊逆变器 (CAAYWELD350) |
3×380 |
50 |
300 |
60 |
83 |
0.95 |
37 |
570×265×410 |
晶体管弧焊逆变器 (US220AT) |
220 |
55 |
220 |
60 |
81 |
0.99 |
25 |
250×550×365 |
场效应管弧焊逆变器 (LUA400) |
3× |
67 |
400 |
35 |
80 |
0.9 |
48 |
|
41
弧焊整流器的常见故障及排除方法见表6。
表6
故 |
产 |
排 |
空载电压太低 |
1、电网电压过低 2、变压器一次绕组匝间短路 3、饱和电抗器绕组匝间短路 4、磁力启动器接触不良 5、整流元件击穿 |
1、调整电压至规定值 2、检修变压器绕组 3、检修饱和电抗器 4、使磁力启动器接触良好 5、更换整流元件 |
焊接电流调节失灵 |
1、控制绕组匝间短路 2、焊接电流控制器接触不良 3、控制整流回路元件损坏 |
1、消除短路 2、检修焊接电流控制器 3、更换元件 |
焊接过程中电压突然降低 |
1、主回路全部或部分短路 2、三相熔丝断了一相 3、整流元件被击穿或短路 4、控制电路断线 |
1、检修线路 2、更换熔丝 3、更换整流元件 4、检修控制电路 |
焊接电流不稳定 |
1、主回路接触器触点抖动 2、控制回路接触不良 3、稳压器补偿绕组匝数不合适 4、风压开关抖动 |
1、检修接触器 2、检查各连接点和活动触点 3、调整补偿绕组匝数 4、检查并消除抖动 |
风扇电动机不转 |
1、熔丝烧断 2、电动机绕组断线 3、按钮开关接触不良 |
1、更换熔丝 2、检查并修复电动机 3、检修按钮开关 |
42
输出焊接电流为周期变化脉冲式的电源,称为脉冲弧焊电源。
脉冲弧焊电源由基值电流和脉冲电流两种电流组成,可以分别由两个电源提供,也可以由一个电源提供幅值大小交替变化的电流。几种主要脉冲弧焊电源的基本原理框图及输出波形见图24。通常可利用如下几种方式来获得脉冲电源。
⑴利用硅二极管的整流作用
⑵利用电子开关作用
⑶利用阻抗变换作用
1)变换交流侧电抗值
2)变换直流侧电阻值
⑷利用给定信号变换或电流截止反馈作用
1)给定信号变换式
2)电流截止反馈式
43
当一台焊机的输出电流不够用时,可将两台焊机并联运行,此时总的焊接电流为两台焊机输出电流之和。并联的方法是将两台弧焊变压器的一次绕组接在网络的同一相,二次绕组也必须同相相连,见图25。连接后必须进行检查,否则将并联接成串联,空载电压相加,非常危险。检查方法是先将两台弧焊变压器的二次绕组任意两个接线端相连,然后用电压表接其它两接线端,若电压表指示为零,则接法正确。
注意事项:
1)空载电压相同的焊机,不论容量、型号是否相同,都可进行并联运行。
2)并联运行中的弧焊变压器要注意负载电流协调分配,最好两台焊机的输出电流相同。
44
不可以。因为两名焊工操作时引弧有先后,当第一名焊工引弧后进行正常操作时,第二名焊工接着引弧,由于引弧时焊条和焊件必须相碰发生短路,因此焊机的输出电压为零,这样会使第一名焊工正在燃烧的电弧立即熄灭,当然第二名焊工将焊条提起时电弧能引燃燃烧。如果第一名焊工再引弧,则第二名焊工电弧又将熄灭,如此反复,事实上只能有一各焊工进行正常操作(多站式焊机除外)。
理论上说,当两名焊工的焊条在同一瞬间同时引弧时,两电弧能同时燃烧,但实行起来几乎是不可能的。
45
基本上不改变。因为手弧焊时电弧静特性曲线的工作部分为近似于水平的直线,转动焊机的调节手柄只是改变焊接电流(电源外特性曲线与电弧静特性曲线的交点在电弧静特性曲线上移动),电压不变。电弧电压值只决定于电弧的长度。
46
焊机安装时应遵循以下原则:
1)焊机的工作环境应与焊机技术说明书上的规定相符。如在气温过高或过低、湿度过大、气压过低以及在具有腐蚀性或爆炸性等特殊环境中作业时,应使用适合特殊环境条件性能的焊机,或采取防护措施。
2)必须将焊机平稳地放在通风良好、干燥的地方,不准靠近高热以及易燃、易爆的危险环境。
3)焊机应防止碰撞或激烈振动(特别是弧焊整流器),室外使用的焊机,必须有防雨、雪的防护措施。
4)焊机必须有专用独立的电源开关,其容量应符合要求,当焊机超负荷时,应能自动地切断电源。禁止多台焊机共用一个电源开关。
5)电源控制装置应装在焊机附近人手便于操作的地方,周围留有安全通道。
6)焊机的一次电源线长度一般不宜超过2~3m。当有临时任务需要较长的电源线时,应沿墙或立柱用瓷瓶隔离布设,其高度必须距地面2.5m以上,不允许将电源线拖在地面上。
7)焊机外露的带电部分应设有完好的防护(隔离)装置,焊机裸露接线柱必须设有防护罩。使用插头插座连接的焊机,插销孔的接线端应用绝缘隔板隔离,并装在绝缘板的平面内。
8)焊机的外壳必须接地,接地装置必须经常保持连接良好,禁用氧气管道和乙炔管道等易燃、易爆气体管道作为接地装置的自然接地极,防止由于产生电阻热或引弧时冲击电流的作用,产生火花引爆。
9)焊机接入电网时,两者的电压必须一致。
10)弧焊发电机接入电网后,应先起动试车,观察换向器的旋转方向是否和焊机上规定的旋转方向相一致。如相反,则应更换三相电源线中任意两相的位置。
11)焊机的接线和安装应由专门的电工负责,焊工不得自行动手。
47
焊接电缆的作用是传导焊接电流,型号有YHH型电焊橡胶套电缆和YHHR型特软电缆两种,其截面和长度应根据使用焊接电流的大小进行选用,见表7。
表7
|
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
100 150 200 300 400 500 600 |
25 35 35 35 35 50 60 |
25 35 35 50 50 60 70 |
25 35 50 60 70 85 85 |
25 35 50 60 70 85 85 |
25 50 60 70 85 95 95 |
25 50 70 70 85 95 95 |
25 60 70 70 85 95 120 |
28 70 70 85 95 120 120 |
35 70 70 85 95 120 120 |
48
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
49
弧焊变压器的维护保养方法如下:
1)使用新焊机或起用长久未用的焊机之前,应事先检查焊机有无损坏之处,并按产品说明书和有关技术要求(JB807—80)进行检验。
2)焊机一次、二次的绝缘电阻值应分别在0.5MΩ和0.2MΩ以上。若低于此值,应作干燥处理,损坏处需要修复。
3)从焊机连接到焊件上的焊接电缆应采用橡胶绝缘多股软电缆。
4)焊机离焊件超过10m时,必须适当加粗两根焊接电缆截面,使焊接电缆通过焊接电流时的电压降不超过4V,否则引弧及电弧燃烧的稳定性会受到影响。
5)不允许用角钢、铁板搭接来接长焊接电缆,否则将因接触不良或电压降过大而使电弧燃烧不稳定,影响焊接质量。
6)在焊机与电缆的接头处必须拧紧,否则不良的接触不但会造成电能消耗,还会导致焊机过热,甚至将线板烧坏。目前可采用电缆连接器进行连接。
7)使用中应经常注意焊机的声音、温升是否正常,发现异常应及时进行修理。
8)经常清扫焊机内部,不要有灰尘、铁屑等积累。
50
弧焊整流器的维护保养在很多方面与弧焊变压器相同,但由于弧焊整流器增加了整流部分,控制部分比较复杂,又引入了很多电子线路,针对这些特点,所以还应着重注意以下几个方面的维护:
1)要特别注意硅整流元件和晶闸管整流元件的保护和冷却。冷却风扇工作一定要可靠,应定期维护、清理。如风扇出现故障,应立即停机排除。发现整流元件损坏,要先找出原因,排除故障后,方能更换新元件。
2)整流元件及电子线路要经常保持清洁、干燥。长期停机后使用,必须先清理,并进行干燥处理后才能启用。
3)焊机内应经常保持清洁,定期用压缩空气吹净灰尘。机壳上不要堆放金属或其它物品。
4)施焊过程中,整流器如突然发生异常情况(过大电流冲击、突然无输出或性能突然变劣),应立即停机检查。
5)电流调节盒或遥控盒需注意保护,不能猛拉、强扭,以免拉脱焊头,折断电缆线。
6)焊机不应放在高温(环境温度超过40℃)、高湿度(相对湿度超过90%)和有腐蚀性气体等场所。