西北工大課件 材料成型設(shè)備-焊接

材料成形設(shè)備（焊接成形設(shè)備部分）

講授人:白鋼

第一章概述

1.1焊接方法的分類(lèi)和用途焊接的傳統(tǒng)含義指的是金屬的焊接。即通過(guò)加熱或加壓，或者兩者并用（用或不用填充材料）使工件達(dá)到結(jié)合的一種方法。其實(shí)質(zhì)是通過(guò)適當(dāng)?shù)奈锢怼瘜W(xué)過(guò)程使兩個(gè)分離表面的金屬原子接近到晶格距離（0.3～0.5nm），形成金屬鍵，從而使金屬連為一體。

1.1.1焊接方法的分類(lèi)

焊接的傳統(tǒng)基本分類(lèi)（族系法）可將焊接方法分為三大類(lèi)。

圖1-1基本焊接方法分類(lèi)（族系法）

如果按照焊接過(guò)程焊接能量產(chǎn)生的基本特征，又可將焊接方法分為五大類(lèi)：電弧焊接、電阻焊接、特種焊接、氣焊、釬焊。

圖1-2焊接方法按焊接能量劃分1.1.2焊接設(shè)備的基本類(lèi)別及特點(diǎn)用途

焊接設(shè)備通常稱(chēng)為焊機(jī)，是將電能轉(zhuǎn)化為焊接能量，使金屬或非金屬工件的焊接部分熔化或塑性擠壓，達(dá)到原子間結(jié)合的一種熱加工設(shè)備?？煞譃殡娀『笝C(jī)、電阻焊機(jī)和特種焊機(jī)。電弧焊機(jī)

電弧焊機(jī)通常由機(jī)體、焊接電源和控制器三部分組成。主要有以下幾種類(lèi)型：

焊條電弧焊機(jī)特點(diǎn)：由弧焊變壓器、直流弧焊發(fā)電機(jī)或弧焊整流器三種弧焊電源配以焊鉗組成。主要用途

：用于手工交流電弧焊接碳鋼，或手工直流電弧焊接碳鋼、合金鋼、不銹鋼、耐熱鋼等材料。

埋弧焊機(jī)特點(diǎn)：電弧在焊劑層下燃燒，利用顆粒狀焊劑作為金屬熔池的覆蓋層。焊劑靠近熔池處熔融并形成氣泡將空氣隔絕不侵入熔池。通常為自動(dòng)焊。用途：中厚度鋼板直縫或環(huán)縫拼接。鎢極氬弧焊機(jī)特點(diǎn)：利用鎢棒作電極，氬氣作為保護(hù)氣體。用途：輕金屬及不銹鋼、耐熱鋼等材料的焊接。熔化極氣體保護(hù)焊機(jī)特點(diǎn)：利用惰性氣體、二氧化碳?xì)怏w或混合氣體作為金屬熔池的保護(hù)層，焊絲既作為電極，又是熔化后的填充材料。用途：不銹鋼、輕金屬、普通碳素鋼及低合金鋼材的焊接。等離子弧焊機(jī)特點(diǎn)：惰性氣體（Ar、He）作保護(hù)，壓縮電弧產(chǎn)生高溫等離子弧作為熱源進(jìn)行焊接，與鎢極氬弧焊相比，電弧能量集中，溫度高，穿透能力強(qiáng)。電阻焊機(jī)

電阻焊機(jī)一般由變壓器、加壓機(jī)構(gòu)、氣液壓系統(tǒng)和電極的機(jī)體及控制器等組成。

點(diǎn)焊機(jī)特點(diǎn)：利用強(qiáng)大電流經(jīng)過(guò)被焊金屬，將接合點(diǎn)加熱至塑性狀態(tài)，并施加壓力形成焊點(diǎn)。用途：金屬薄板點(diǎn)焊。

凸焊機(jī)

特點(diǎn)：電極是平板狀。被焊工件在焊接處預(yù)先沖成突出點(diǎn)，在壓緊通電狀態(tài)下一次可以形成幾個(gè)焊點(diǎn)。用途：用于薄板不等厚度焊件或有電鍍層的金屬板焊接。

縫焊機(jī)特點(diǎn)：電極是一對(duì)滾輪，被焊金屬經(jīng)過(guò)滾輪電極的通電與擠壓，形成一連串焊點(diǎn)。用途：薄板縫焊（多用于有密封要求時(shí)）。對(duì)焊機(jī)

特點(diǎn)：利用強(qiáng)大電流經(jīng)過(guò)兩根被焊工件的接觸點(diǎn)，將金屬接觸端面加熱成塑性狀態(tài)并施加頂鍛壓力，形成接頭。用途：用于棒料、鋼管、線(xiàn)材、板材等對(duì)接。特種焊接設(shè)備

電子束焊機(jī)特點(diǎn)：利用高速運(yùn)動(dòng)的電子轟擊被焊接金屬時(shí)產(chǎn)生的熱量將金屬加熱熔化達(dá)到焊接。用途：用于難熔及活性金屬，例如鎢、鉬、鋯、鉭、鈮等材料的焊接。激光焊機(jī)特點(diǎn)：利用激光源，經(jīng)聚焦系統(tǒng)后所得高能量的光束將金屬熔化焊接。用途：適用于金屬與非金屬材料焊接。如集成電路金屬封蓋與陶瓷底盤(pán)焊接。

超聲波焊機(jī)特點(diǎn)：利用超聲波機(jī)械振動(dòng)的能量，在壓力狀態(tài)下，使被焊金屬結(jié)合而焊接。用途：適用于金屬薄膜、細(xì)絲及工件導(dǎo)電性能差等材料焊接，或要求焊縫熱影響區(qū)小的工件焊接。摩擦焊機(jī)特點(diǎn)：利用摩擦產(chǎn)生的熱量將金屬加熱，在壓力作用下完成焊接。

用途：連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊應(yīng)用最廣。線(xiàn)性及攪拌摩擦焊一般適用于板件工件。冷壓焊機(jī)特點(diǎn)：利用擠壓機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的壓力，將兩被焊工件擠壓達(dá)到分子與分子相互結(jié)合實(shí)現(xiàn)焊接。用途：適用鋁——鋁、銅——銅、銅——鋁的對(duì)接。電渣焊機(jī)

特點(diǎn)：利用電流通過(guò)液態(tài)焊劑（渣池）產(chǎn)生電阻熱使金屬熔化焊接。用途：適用于重型機(jī)械制造大厚度鋼材的拼接。真空擴(kuò)散焊機(jī)特點(diǎn)：在真空室內(nèi)，使兩個(gè)焊件接觸并在一定的溫度和壓力條件下，產(chǎn)生微觀(guān)塑性變形，原子相互擴(kuò)散，形成焊接接頭。用途：適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、厚度差別大的金屬或金屬與陶瓷的焊接。

第二章弧焊電源

2.1對(duì)弧焊電源的基本要求引弧容易電弧穩(wěn)定焊接規(guī)范穩(wěn)定有足夠?qū)挼暮附右?guī)范調(diào)節(jié)范圍

對(duì)弧焊電源的電氣特性提出具體的要求，主要有三個(gè)方面：弧焊電源的外特性調(diào)節(jié)特性動(dòng)特性2.1.1對(duì)弧焊電源外特性的要求弧焊電源的外特性定義：電源的內(nèi)部參數(shù)一定，改變負(fù)載時(shí)，電源輸出的電壓穩(wěn)定值與輸出的電流穩(wěn)定值之間的關(guān)系。即“電源——電弧”系統(tǒng)的穩(wěn)定性

有兩方面的含義：靜態(tài)平衡和動(dòng)態(tài)平衡圖2-1“電源——電弧”系統(tǒng)電路示意圖圖2-2“電源——電弧”系統(tǒng)工作狀態(tài)圖

圖2-1所示系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程方程為：

（2-1）以Δif來(lái)表示其偏差的瞬時(shí)值，對(duì)應(yīng)的回路電壓方程可以寫(xiě)為：

（2-2）

點(diǎn)的電壓為：

點(diǎn)的電壓為：帶入（2-2）式后可得：（2-3）

令稱(chēng)為系統(tǒng)的穩(wěn)定系數(shù)

則（2-3）式變?yōu)椋撼Ｏ禂?shù)一階微分方程的初始條件為：

t=0時(shí)，則方程的解為：

（2-4）“電源——電弧”系統(tǒng)的穩(wěn)定條件是：

（2-5）電源電壓和電弧電壓的差值愈大，愈大，回路電感L愈小，則恢復(fù)愈快，穩(wěn)定性愈好。對(duì)弧焊電源外特性曲線(xiàn)的要求對(duì)弧焊電源外特性工作區(qū)段形狀的要求手工電弧焊：應(yīng)選用緩降特性的電源，最好能采用恒流帶外拖特性。圖2-3

弧長(zhǎng)變化引起的電流偏差熔化極電弧焊包括埋弧自動(dòng)焊SAW（SubmergedArcWelding）熔化極氬弧焊即MIG焊（MetalInertGasArcWelding）

CO2氣體保護(hù)焊活性氣體保護(hù)焊即MAG焊（MetalActive-GasArcWelding）?？煞譃榈人偎徒z和變速送絲兩類(lèi)。等速送絲熔化極弧焊：

用于CO2/MAG/MIG焊或細(xì)絲（絲徑

）的直流埋弧焊。電弧的靜特性是上升的。

弧長(zhǎng)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起電流的變化，形成電弧自身的調(diào)節(jié)過(guò)程:

圖2-4電源外特性對(duì)電流偏差的影響采用平特性電源，有利于增強(qiáng)電弧的自身調(diào)節(jié)作用。

圖2-5等速送絲控制系統(tǒng)示意圖變速送絲控制系統(tǒng)熔化極弧焊：用于焊絲直徑的上述熔化極方法。電弧的靜特性為水平的。變速送絲是利用了電弧電壓反饋控制，去強(qiáng)制調(diào)節(jié)弧長(zhǎng)，為了能使電流偏差減小，應(yīng)采用較陡的下降外特性電源。圖2-6變速送絲控制系統(tǒng)示意圖不熔化極弧焊

鎢極氬弧焊即TIG焊（TungstenInertGasArcWelding），等離子弧焊PAW（PlasmaArcWelding）。電弧靜特性為水平或略上升。應(yīng)選用恒流特性電源。熔化極脈沖弧焊

等速送絲方式，匹配平——平外特性，最好采用雙階梯形外特性。圖2-7雙階梯形特性對(duì)弧焊電源空載電壓的要求保證引弧容易：空載電壓高有利。保證電弧穩(wěn)定燃燒：主要指交流電弧，要求空載電壓。保證電弧功率穩(wěn)定：

應(yīng)有良好的經(jīng)濟(jì)性：電源額定容量

太高增加耗材，降低效率，增加重量。

保證人身安全：太高危險(xiǎn)。對(duì)交流弧焊電源：手工電弧焊電源

埋弧自動(dòng)焊電源對(duì)直流弧焊電源，下限約降低10V。

弧焊變壓器

，弧焊整流器，弧焊發(fā)電機(jī)

。對(duì)用于容器內(nèi)焊接電源規(guī)定

。對(duì)弧焊電源穩(wěn)態(tài)短路電流的要求

穩(wěn)態(tài)短路電流值太大或太小都不利，一般要求：

弧焊電源外特性形狀的種類(lèi)下降特性：電流每增大100A，電壓下降大于7V。垂直下降（恒流）特性：電流幾乎不變緩降特性：按接近于1/4橢圓規(guī)律變化。恒流帶外拖平特性恒壓特性：每100A電流電壓下降率小于7V。上升特性：電流增加時(shí)，電壓略有上升，上升率小于10V/100A。雙階梯形特性2.1.2對(duì)弧焊電源調(diào)節(jié)特性的要求調(diào)節(jié)性能是指弧焊電源能滿(mǎn)足不同工作電壓、電流的需求的可調(diào)節(jié)性能。是通過(guò)改變電源外特性來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的。

（2-6）

（2-7）調(diào)節(jié)方式U0不變,改變Z

圖2-8改變阻抗Z時(shí)的外特性a)下降外特性b)平外特性回路阻抗Z不變，改變空載電壓U0圖2-9改變時(shí)的外特性a)下降外特性b)平外特性同時(shí)調(diào)節(jié)U0

、Z圖2-10改變U0、Z時(shí)的外特性常用焊接方法采用的調(diào)節(jié)方式手工電弧焊：通常采用只調(diào)節(jié)Z的方式，最好采用U0、Z同時(shí)調(diào)節(jié)的方式。埋弧焊：通常采用Z不變，調(diào)U0的方式，以保證合適的焊縫尺寸。等速送絲氣體保護(hù)焊：最好采用U0不變，改變Z

的調(diào)節(jié)方式?？烧{(diào)參數(shù)下降特性工作電流工作電壓負(fù)載特性：根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)規(guī)定了工作電壓與工作電流的關(guān)系為一緩升直線(xiàn)。手工電弧焊和埋弧焊的負(fù)載特性為:當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，

TIG焊的負(fù)載特性為當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，最大焊接電流

最小焊接電流電流調(diào)節(jié)范圍～，圖2-11

下降特性電源的可調(diào)參數(shù)平特性

工作電流

工作電壓規(guī)定的負(fù)載特性為：

當(dāng)時(shí)，當(dāng)

時(shí)，最大工作電壓

最小工作電壓

工作電壓調(diào)節(jié)范圍圖2-12平特性電源可調(diào)參數(shù)弧焊電源的負(fù)載持續(xù)率與額定值

T有兩種，10min和連續(xù)。FSe:35%,60%，80%，100%,其中以60%居多數(shù)。實(shí)際使用中焊機(jī)所產(chǎn)生的熱量為焊接電源的額定產(chǎn)熱為：實(shí)際使用的負(fù)載持續(xù)率條件下的最大允許使用電流：2.1.3對(duì)弧焊電源動(dòng)特性的要求弧焊電源的動(dòng)特性：電源負(fù)載狀態(tài)發(fā)生突然變化時(shí)，電源輸出的電壓，電流的響應(yīng)過(guò)程。，。對(duì)弧焊電源動(dòng)特性的要求對(duì)短路電流變化率的要求太小或太大都對(duì)焊接過(guò)程不利。對(duì)恢復(fù)電壓最低值的要求

2.2弧焊變壓器2.2.1弧焊變壓器的基本原理弧焊變壓器的特點(diǎn)有一定的空載電壓與電感?？梢远虝r(shí)間短路運(yùn)行（下降特性）。外特性可調(diào)。低電壓、大電流運(yùn)行。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易制造，易維修，節(jié)電（與發(fā)電機(jī)相比），價(jià)廉。自然通風(fēng)。弧焊變壓器的基本原理空載圖2-13變壓器空載運(yùn)行情況電磁關(guān)系

等效電路圖2-14變壓器空載運(yùn)行等效電路方程式

（2-8）

（2-9）（2-10）（電勢(shì)與匝數(shù)成正比）（2-11）

（式中包含了形成的）

（為0～1）

原邊電壓方程：

副邊電壓方程：矢量圖圖2-15弧焊變壓器空載矢量圖（略去鐵心損耗）負(fù)載時(shí)圖2-16變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)情況（a原理圖，b等效電路圖）

電磁關(guān)系等效電路圖2-17弧焊變壓器等效電路a)一般等效電路b)簡(jiǎn)化等效電路方程式

（2-12）（2-13）令，略去、、，且則可得到變壓器的外特性方程為：

（2-14）（2-15）

矢量圖

圖2-18

弧焊變壓器簡(jiǎn)化矢量圖2.2.2弧焊變壓器的分類(lèi)

串聯(lián)電抗器式：分體式、同體式增強(qiáng)漏磁式：動(dòng)鐵心式、動(dòng)線(xiàn)圈式、抽頭式動(dòng)鐵心式弧焊變壓器圖2-19

動(dòng)鐵心式弧焊變壓器結(jié)構(gòu)示意圖調(diào)節(jié)原理：改變動(dòng)鐵心位置調(diào)節(jié)XL大小，實(shí)現(xiàn)外特性調(diào)節(jié)。優(yōu)缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省材料，小電流時(shí)空載電壓高，引弧容易；缺點(diǎn)是易產(chǎn)生較大的振動(dòng)噪聲（交變磁力作用），振動(dòng)會(huì)使電流發(fā)生變化。產(chǎn)品：BX1-125,BX1-160,BX1-200,BX1-250,

BX1-315,BX1-400,BX1-500,BX1-630

FSe：20%35%60%

空載電壓

：55～80V

電流下限為40A動(dòng)圈式弧焊變壓器圖2-20

動(dòng)圈式弧焊變壓器結(jié)構(gòu)示意圖調(diào)節(jié)原理：移動(dòng)上方的原邊繞組，調(diào)節(jié)漏感抗大小，改變繞組接法。優(yōu)缺點(diǎn)：振動(dòng)小，電流穩(wěn)定；缺點(diǎn)是電流調(diào)節(jié)下限受鐵心高度限制。產(chǎn)品：BX3-160，-250，-300，-315，

-400，

-500，-630，-800。

FSe：20%，35%，60%，100%

電流下限為32A，空載電壓75～80V。抽頭式弧焊變壓器圖2-21抽頭式弧焊變壓器調(diào)節(jié)原理：改變副邊繞組鐵心柱上原邊繞組的匝數(shù)多少；改變N2；原、副邊繞組之間還可放置一個(gè)固定的磁分路增大漏磁，獲得下降外特性。

優(yōu)缺點(diǎn)：電弧穩(wěn)定，無(wú)噪聲，成本低；缺點(diǎn)是調(diào)節(jié)范圍小。產(chǎn)品：BX6-125，-160，-200，-250，-315，

-400，-500。

FSe：20%，35%，60%

空載電壓：50～76V，電流下限為40A。2.3弧焊整流器圖2-22

弧焊整流器結(jié)構(gòu)示意圖2.3.1抽頭式弧焊整流器主要型號(hào)：NB（C）-160，NB（C）-200，

-250，-315，-350，-400，-500，-630

FSe：35%，40%，60%圖2-23

抽頭式弧焊整流器2.3.2磁放大器式弧焊整流器無(wú)反饋磁放大器（飽和電抗器）單鐵心式磁放大器圖2-24

單鐵心磁放大器交流電路

（2-16）

（2-17）式中：是交變磁通變化的幅度，

為常數(shù)。

當(dāng)為定值時(shí)，

。從單鐵心式磁放大器的工作過(guò)程可知：磁放大器鐵心由交流磁勢(shì)與直流磁勢(shì)共同磁化。決定磁化曲線(xiàn)上的靜態(tài)工作點(diǎn)，迭加了交流磁勢(shì)后決定了工作區(qū)段。值不同，靜態(tài)工作點(diǎn)P0不同，則同樣大小的引起的不同，使得不同，這就是直流繞組的控制電流對(duì)電壓的控制作用。圖2-25

無(wú)反饋磁放大器對(duì)電壓的控制要獲得同樣大小的，必須產(chǎn)生相同的，但若靜態(tài)磁化工作點(diǎn)P0不同，要產(chǎn)生同樣大小的

，所需迭加的交流磁勢(shì)不同。這就是磁放大器對(duì)電流的控制作用。圖2-26無(wú)反饋磁放大器對(duì)電流的控制，若使得，則可以通過(guò)較小的變化引起較大的變化，這就是磁放大器的放大作用。其根本原因是鐵心磁化曲線(xiàn)的非線(xiàn)性。單鐵心磁放大器不實(shí)用的兩個(gè)主要原因：

交流磁通

會(huì)在直流繞組WC中感應(yīng)出交流電勢(shì)。交流電流會(huì)發(fā)生畸變，不利于焊接。雙鐵心式磁放大器

圖2-27WC共繞的雙鐵心磁放大器接線(xiàn)原則：兩個(gè)交流繞組WA可以串聯(lián)也可以并聯(lián)，但應(yīng)使交流磁通在直流繞組WC上的交流感應(yīng)電勢(shì)相互抵消，并減小交流電流的波形畸變。兩個(gè)鐵心中磁通特點(diǎn)：在某半波時(shí)：鐵心I為不飽和狀態(tài)。鐵心II為飽和狀態(tài)。在另一半波時(shí)：鐵心I為飽和狀態(tài)。鐵心II為不飽和狀態(tài)。無(wú)反饋磁放大器式弧焊整流器工作原理圖2-28

無(wú)反饋磁放大器式弧焊整流器基本電路工作原理

空載時(shí)圖2-29

空載電壓波形（a.相電壓波形，b.空載電壓波形）

輸出電壓的平均值為：

(2-18)負(fù)載時(shí)

圖2-30

負(fù)載時(shí)整流電路電壓、電流波形圖以，

自然換相點(diǎn)為例進(jìn)行分析：點(diǎn)之前：點(diǎn)之后：、之間：

故有：

外特性方程：外特性曲線(xiàn)

圖2-31無(wú)反饋磁放大器式硅整流器外特性參數(shù)調(diào)節(jié)（調(diào)節(jié)特性）

（2-19）圖2-32無(wú)反饋磁放大器的調(diào)節(jié)特性

特點(diǎn)：對(duì)WA的接線(xiàn)有要求采用冷軋硅鋼片可以獲得近似垂降的外特性，可以在一定的下減小，但仍有幾個(gè)安培，控制功率大，通過(guò)增大會(huì)使體積增大，動(dòng)特性變差。產(chǎn)品

ZXG7-300，ZXG7-500，用于手弧焊

ZXG7-300-1，用于TIG焊有反饋磁放大器式弧焊整流器全部?jī)?nèi)反饋磁放大器式硅整流器圖2-33全反饋磁放大器式硅整流器原理電路接線(xiàn)的原則：與方向一致，對(duì)起加強(qiáng)作用

圖2-34全反饋磁放大器的結(jié)構(gòu)反饋系數(shù)

（全反饋）外特性曲線(xiàn)圖2-35全反饋磁放大器式硅整流器外特性與無(wú)反饋式相比較：

全反饋式：工作點(diǎn)位于非飽和區(qū)中的電流為半波整流，并對(duì)起加磁作用磁化工作區(qū)段只有右端點(diǎn)，左端為外特性工作區(qū)段為平外特性無(wú)反饋式：位于飽和區(qū)中的電流為正弦全波，一個(gè)半周加磁，另一個(gè)半周起去磁作用磁化工作區(qū)段有左、右兩個(gè)端點(diǎn)，以為中心外特性為陡降調(diào)節(jié)特性平特性電源通過(guò)來(lái)調(diào)節(jié)。圖2-36全反饋磁放大器式硅整流器的調(diào)節(jié)特性產(chǎn)品ZPG1-500，ZPG1-1500，ZPG2-500，GD-500等用于等速送絲熔化極氣體保護(hù)焊部分內(nèi)反饋磁放器式硅整流器基本電路

圖2-37部分內(nèi)反饋式磁放大器接線(xiàn)示意圖外特性：外特性曲線(xiàn)介于無(wú)反饋的陡降與全反饋的平外特性之間，為下降外特性。改變大小，可以改變外特性下降的陡度。產(chǎn)品及特點(diǎn)

ZXG-300，ZXG-400，ZXG-500應(yīng)用較廣泛?？刂齐娏鬏^大（0～3A），電磁慣性較大，調(diào)節(jié)速度慢，不靈活，體積大，耗材多。2.3.3晶閘管式弧焊整流器組成及主要特點(diǎn)組成圖2-38

晶閘管式弧焊整流器的組成主要特點(diǎn)

動(dòng)特性好（電磁慣性?。刂菩阅芎茫刂乒β市?，可獲得多種外特性）電流、電壓控制范圍大體積小，重量輕，省料（與磁放大器式比）輸出整流波形脈動(dòng)大電路復(fù)雜，維修技術(shù)要求高主電路三相橋式全控整流圖2-39三相橋式全控整流主電路分析電路時(shí)，應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：共陰極組與共陽(yáng)極組在任何時(shí)候必須各有一個(gè)管子導(dǎo)通，才能形成閉合通路，形成電流。共陰極組或共陽(yáng)極組各晶閘管的觸發(fā)脈沖依次相距120ο。每隔60ο有一個(gè)晶閘管要換流，即相鄰兩個(gè)觸發(fā)脈沖相距60ο。共陰極組的晶閘管在相電壓正半周時(shí)被觸發(fā)，共陽(yáng)極組在負(fù)半周被觸發(fā)。同一相上的兩個(gè)管子（如a相上的VT1、4、）的觸發(fā)脈沖相差180ο。整流輸出的電壓為變壓器副邊線(xiàn)電壓。 為了保證剛合閘刀后，共陰極組與共陽(yáng)極組能各有一個(gè)晶閘管導(dǎo)通(電流斷續(xù)后，再次導(dǎo)通也有此要求），必須對(duì)兩組中應(yīng)導(dǎo)通的晶閘管同時(shí)觸發(fā)。采用的觸發(fā)脈沖可以有兩種形式：雙窄脈沖觸發(fā)單寬脈沖觸發(fā)每個(gè)周期內(nèi)，每個(gè)晶閘管被連續(xù)觸發(fā)兩次，間隔60ο

圖2-40三相全控橋整流電路觸發(fā)方式純電阻性負(fù)載，α=0ο，60ο，90ο時(shí)的波形：圖2-41α=0ο時(shí)的三相全控橋電路波形a)相電壓；b)負(fù)載電壓波形；c)觸發(fā)脈沖；d)晶閘管導(dǎo)通順序圖2-42電阻性負(fù)載三相全控橋電路不同α角時(shí)負(fù)載電壓波形圖α=60ο,b)α=90ο從波形分析可知：時(shí)，（全導(dǎo)通）Ud=2.34U2=1.35U2L,

時(shí)，輸出電壓波形連續(xù)，為連續(xù)的臨界點(diǎn)。

時(shí)，輸出波形不連續(xù)（比如），一

周內(nèi)每個(gè)晶閘管分二次導(dǎo)通。

電阻電感性負(fù)載：

，波形連續(xù)電流更平穩(wěn)。輸出平均值：觸發(fā)脈沖移相范圍為0～90ο

帶平衡電抗器的雙反星形整流電路六相半波整流圖2-43六相半波整流主電路圖圖2-44六相電壓矢量圖、、時(shí)，輸出整流波形：圖2-45時(shí)的六相半波整流波形圖2-46

時(shí)的六相半波整流波形圖2-47時(shí)的六相半波整流波形六相半波整流有如下特點(diǎn)：任何時(shí)刻，只有一個(gè)陽(yáng)極電壓最高的晶閘管導(dǎo)通。換相點(diǎn)為正極性與反極性電壓的交點(diǎn)。每個(gè)晶閘管最多導(dǎo)電。電阻性負(fù)載，為波形連續(xù)臨界點(diǎn)電感性負(fù)載，輸出電壓波形出現(xiàn)負(fù)值，時(shí)，Ud=0存在問(wèn)題：晶閘管、變壓器利用率太低；變壓器有直流磁化問(wèn)題。帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路圖2-48有無(wú)平衡電抗器的比較極性與相反，VT1陽(yáng)極電位降低了

極性與相同，VT6陽(yáng)極電位提高了圖2-49

帶平衡電抗器的雙反星形電路電路的特點(diǎn)：變壓器磁路平衡，不存在直流磁化問(wèn)題；

輸出電壓波形比六相半波?。?；與六相半波比，變壓器、晶閘管的利用率提高了1倍；每個(gè)晶閘管對(duì)輸出電流的貢獻(xiàn)為；平衡電抗器LB保證了兩組三相半波電路各自正常工作，互不干擾；當(dāng)時(shí)（空載），LB上無(wú)感應(yīng)電勢(shì)，相當(dāng)于直導(dǎo)線(xiàn)，電路此時(shí)工作在六相半波整流狀態(tài)。。的平均值與三相半波整流相同：

角的移相范圍為0～90ο，對(duì)應(yīng)從空載 短路。要求LB鐵心不能飽和，為防止鐵心被直流磁化，LB中心抽頭必須準(zhǔn)確，兩組電路參數(shù)應(yīng)完全對(duì)稱(chēng)。

圖2-50時(shí)的雙反星形整流波形a)正極性組整流電壓波形b)反極性組整流電壓波形c)負(fù)載電壓波形

d)平衡電抗器兩端電壓波形e)管子導(dǎo)通次序觸發(fā)電路對(duì)觸發(fā)電路的要求觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的功率：電壓4～10V，電流0.3～0.4A觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度：應(yīng)≥100us，常取1ms

對(duì)三相全控橋式：80ο～100ο，或采用雙窄脈沖對(duì)雙反星形電路：＞30ο觸發(fā)脈沖必須與所觸發(fā)的晶閘管電源同步應(yīng)滿(mǎn)足電路移相范圍的要求一般為0ο≤α≤90ο觸發(fā)電路的套數(shù)采用六套觸發(fā)電路（全控橋常用）用三套觸發(fā)電路用兩套觸發(fā)電路圖2-51

各相晶閘管控制角的移相范圍脈沖分配器工作原理圖2-52脈沖的分配a)電路圖b)相電壓波形

c）觸發(fā)脈沖波形觸發(fā)脈沖電路的分類(lèi)傳統(tǒng)的分類(lèi)（按元件類(lèi)型）晶體管式移相觸發(fā)電路單結(jié)晶體管式移相觸發(fā)電路集成電路式移相觸發(fā)電路數(shù)字式移相觸發(fā)電路按工作原理分切割式（鋸齒波同步和正弦波同步）積分式（數(shù)字式和模擬式）

外特性控制電路閉環(huán)控制的基本原理圖2-53晶閘管弧焊整流器閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖（2-20）（2-21）只采用電壓負(fù)反饋（2-22）

可以得到恒壓外特性

只采用電流負(fù)反饋（2-23）可以得到恒流外特性采用電流截止負(fù)反饋在電流負(fù)反饋電路中加一比較電壓，當(dāng)超過(guò)一定限度后，電流負(fù)反饋才起作用，外特性則會(huì)由自然下降段轉(zhuǎn)為陡降段。

復(fù)合負(fù)反饋電壓、電流負(fù)反饋始終同時(shí)采用由得(常數(shù))

可獲得斜率為的下降外特性且斜率可調(diào)按電壓大小采用負(fù)反饋當(dāng)大于某值時(shí)，只用電流負(fù)反饋，小于該值時(shí)，電壓、電流負(fù)反饋同時(shí)采用。獲得陡降帶外拖的外特性，且外拖拐點(diǎn)、斜率均可調(diào)。

圖2-54閉環(huán)控制所獲得的外特性2.4逆變式弧焊電源2.4.1概述逆變的概念逆變式電源的基本組成與工作原理

組成由主電路和控制電路兩大部分組成。主電路包括：輸入整流、濾波逆變器（核心）輸出整流濾波（DC輸出體制）

控制電路：工作程序控制電路規(guī)范調(diào)節(jié)及外特性控制：PWM（定頻率調(diào)脈寬）或PFM（定脈寬調(diào)頻率），信號(hào)檢測(cè)（、），給定比較觸發(fā)電路或驅(qū)動(dòng)電路保護(hù)電路（過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱、過(guò)功率保護(hù)）工作原理圖2-55

逆變電源原理框圖

變流體制一般有三種：即ACDCACACDCACDC（弧焊逆變器，常用。f：800～16000Hz）

ACDCACDCAC（二次逆變式矩形波電源）一般在輸入整流電路中應(yīng)有軟啟動(dòng)措施，以防濾波電容將整流電路瞬間短路，造成100～200A的沖擊電流而損壞輸入整流器件。外特性控制及參數(shù)調(diào)節(jié)

實(shí)現(xiàn)外特性控制的方法

電壓、電流負(fù)反饋控制

。具體是通過(guò)改變功率開(kāi)關(guān)管的接通時(shí)間（脈沖寬度）和工作周期比例，即改變脈沖占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)的，稱(chēng)為“時(shí)間比例控制”（縮寫(xiě)TRC）。

TRC控制的方式定頻率調(diào)脈寬方式（PWM）

(適用于功率晶體管GTR，場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET，絕緣柵雙極晶體管IGBT)定脈寬調(diào)頻率方式（PFM）（半控型功率開(kāi)關(guān)器件晶閘管）混合調(diào)制方式

ton及T相對(duì)發(fā)生變化，比例很大，適用于調(diào)節(jié)范圍大的逆變電源。雙零開(kāi)關(guān)諧振電路也稱(chēng)為零電壓、零電流（ZVS，ZCS）諧振電路。逆變電源的主要優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：控制性能好，負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)，具有良好的動(dòng)特性及焊接性能。體積小，重量輕。重量?jī)H為傳統(tǒng)焊機(jī)的1/3～1/10。

當(dāng)，則變壓器體積下降高效節(jié)能。效率達(dá)80～90%，缺點(diǎn)：

電磁干擾大制造技術(shù)要求高（現(xiàn)已成熟）維修難度大（多以換插接板的方式維修）對(duì)大功率開(kāi)關(guān)器件要求嚴(yán)格分類(lèi)按開(kāi)關(guān)器件的不同劃分為：晶閘管式（SCR）、晶體管式（GTR）、場(chǎng)效應(yīng)管式（MOSFET）、絕緣柵極雙極晶體管式（IGBT）。2.4.2逆變電路的基本形式單端正激式逆變電路工作原理圖2-56單端正激電路的典型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不存在功率開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通造成直通現(xiàn)象，用于焊接電流較小的場(chǎng)合。

半橋式逆變電路工作原理圖2-57半橋式逆變電路的典型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：與全橋式相比，驅(qū)動(dòng)電路少，功率開(kāi)關(guān)管承受電壓為E，對(duì)開(kāi)關(guān)管有利。N1中只獲得E/2的電壓，即輸出功率比全橋式少一半，要獲得相同功率，開(kāi)關(guān)管必須流2倍的電流?？共黄胶饽芰?qiáng)是其最大的優(yōu)點(diǎn)。半橋式電路在中等容量焊機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用。全橋式逆變電路

工作原理

圖2-58全橋式逆變電路的典型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用4個(gè)開(kāi)關(guān)器件，驅(qū)動(dòng)電路較復(fù)雜，成本高。每個(gè)功率開(kāi)關(guān)管上承受的最大電壓為E（當(dāng)電壓尖峰超過(guò)E時(shí)，與VT并聯(lián)有反向二極管VD1～4，導(dǎo)通后則將電壓箝制在E，圖2-58中未畫(huà)出）。使管子選擇方便。易于獲得大功率輸出，廣泛用于大功率焊接電源。2.4.3逆變電源的控制電路包括幾個(gè)部分：閉環(huán)反饋控制保護(hù)電路驅(qū)動(dòng)電路閉環(huán)反饋控制電路時(shí)間比例調(diào)節(jié)控制圖2-59時(shí)間比例調(diào)節(jié)示意圖當(dāng)開(kāi)關(guān)S合上時(shí)，濾波電感L和負(fù)載R上的電壓為Ui,L中的電流增大，其變化規(guī)律為：（2-24）當(dāng)開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí)，L中的感應(yīng)電勢(shì)經(jīng)VD1續(xù)流，使電流保持連續(xù)，電感通過(guò)R釋放出磁場(chǎng)能，電流變化規(guī)律為：

（2-25）

而，故有：

（2-26）

PWM專(zhuān)用控制芯片

圖2-60專(zhuān)用脈寬調(diào)制芯片SG3525結(jié)構(gòu)示意圖

電路主要由基準(zhǔn)電壓源、振蕩器、誤差放大器、PWM比較器、分相器等組成?；鶞?zhǔn)電源基準(zhǔn)電源是一個(gè)典型的三端穩(wěn)壓電源，精度可以達(dá)到5.1（1±1%）V，采用溫度補(bǔ)償，可輸出40mA電流，向內(nèi)部電路供電。振蕩器由一個(gè)雙門(mén)限比較器及一個(gè)恒流源電容充放電電路組成，在充放電電容CT上產(chǎn)生峰值為3.3V，基準(zhǔn)為0.9V的鋸齒波，頻率用下式表示：

誤差放大器為兩級(jí)差動(dòng)放大器，根據(jù)具體需要可以加入適當(dāng)?shù)姆答伨W(wǎng)絡(luò)。比較器和鎖存器比較器在對(duì)誤差放大器輸出信號(hào)及鋸齒波信號(hào)進(jìn)行比較之后，輸出一個(gè)負(fù)的PWM脈沖信號(hào)，經(jīng)鎖存器后保證一個(gè)鋸齒波周期內(nèi)只輸出1個(gè)PWM信號(hào)，且該信號(hào)的寬度隨誤差放大器的輸出值增大而增大。芯片還有軟啟動(dòng)功能：在8腳接入一個(gè)電容器即可。過(guò)電壓，過(guò)電流及其它故障信號(hào)加至10腳端?？梢愿鶕?jù)需要關(guān)掉PWM脈沖信號(hào)。閉環(huán)反饋控制電路圖2-61閉環(huán)反饋控制電路

誤差放大器接成PI調(diào)節(jié)器。當(dāng)反饋信號(hào)小于給定信號(hào)時(shí)，誤差放大器輸入端電壓升高，調(diào)節(jié)SG3525的11、14端輸入脈沖寬度，使之增大。反之脈沖寬度減小。實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)信號(hào)的閉環(huán)控制。電阻R4、R5及C2控制了SG3525的振蕩頻率和輸出脈寬的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間一般大于5μS。電容C3為軟啟動(dòng)電容，上電時(shí)，控制輸出脈沖緩慢加寬，可以避免高頻主變壓器的偏磁。相關(guān)外圍電路圖2-62相關(guān)外圍電路最小脈寬控制電路保證逆變器在一定脈沖寬度下工作，以免造成驅(qū)動(dòng)電路失控。電路是依靠R6、R7、VD1組成的鉗位電路來(lái)鉗制SG3525內(nèi)部誤差放大器的輸出電位的。當(dāng)反饋信號(hào)增加，誤差放大器輸出降低到一定程度，VD1導(dǎo)通，使誤差放大器輸出被鉗位在R6、R7的分壓值上。最小脈寬一般為1μS。空載脈沖控制電路空載脈寬限制電路是通過(guò)R8、R9、VD2組成的鉗位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。是為了保證在空載時(shí)，使輸入的驅(qū)動(dòng)脈沖保持一定的寬度，既能維持空載電壓，又能減小焊接的空載損耗。

空載時(shí)，誤差放大器輸出最大，此時(shí)雙向模擬開(kāi)關(guān)U2B的3、4腳接通，VD2導(dǎo)通，輸出電位被鉗制在R8、R9的分壓值上。焊接時(shí)，有焊接電流，鉗位電路在電子開(kāi)關(guān)U2B的作用下，斷開(kāi)對(duì)誤差放大器輸出的鉗位，使脈寬調(diào)制電路回到正常調(diào)節(jié)狀態(tài)。關(guān)斷偶數(shù)脈沖電路為了防止主變壓器偏磁，設(shè)置了關(guān)斷偶數(shù)脈沖電路。同步信號(hào)由T觸發(fā)器U3A兩分頻后，作為D觸發(fā)器U3B的時(shí)鐘信號(hào)，外來(lái)關(guān)斷信號(hào)可以被鎖存偶數(shù)個(gè)周波。保護(hù)電路

欠電壓保護(hù)電路欠電壓保護(hù)電路的功能是在電網(wǎng)電壓過(guò)低時(shí)，關(guān)閉脈沖寬度調(diào)制電路，并在焊機(jī)面板上顯示欠電壓故障報(bào)警。

圖2-63欠電壓保護(hù)電路原理圖

網(wǎng)壓信號(hào)是由整流后未加濾波和穩(wěn)壓的直流電源提供。當(dāng)網(wǎng)壓降低時(shí)，電容1C24上的電壓也相應(yīng)降低，當(dāng)1R86和1R88的分壓值低于1U6B的5腳電位時(shí)，1U6B輸出為正，鎖存D觸發(fā)器4043（1U14A)輸出低電平并鎖定，產(chǎn)生兩種結(jié)果：一方面使1Q4導(dǎo)通，面板上的發(fā)光二極管Q1亮，提供欠電壓故障顯示報(bào)警；另一方面，該低電平作為故障信號(hào)輸入到SG3525的10腳，使輸出脈沖封閉，逆變器便停止工作。當(dāng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常后，由于1U14A具有鎖存作用，因此，必須斷開(kāi)電源后再重新開(kāi)機(jī)，才能消除保護(hù)信號(hào)。

過(guò)電流保護(hù)控制電路作用是當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管出現(xiàn)過(guò)流故障時(shí)，封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖，停止逆變器工作，并提供信號(hào)給故障斷電控制電路。

圖2-64過(guò)電流保護(hù)電路原理圖

過(guò)電流信號(hào)由驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行集電極電壓檢測(cè)后獲得。真正過(guò)電流時(shí)，1U12A的兩個(gè)輸入端均為高電平，1U12A輸出高電平，使鎖存D觸發(fā)器1U14C（4043）輸出低電平并鎖存，產(chǎn)生的兩種結(jié)果：一方面使三極管1Q5導(dǎo)通，使焊機(jī)面板上的過(guò)電流故障指示燈Q4亮報(bào)警；另一方面，該低電平被送到SG3525的10腳，使輸出脈沖封閉，逆變器停止工作。當(dāng)過(guò)電流信號(hào)消失后，必須斷電后重新開(kāi)機(jī)，才能將過(guò)電流保護(hù)信號(hào)清除。

過(guò)熱保護(hù)控制電路

當(dāng)管子散熱片上的溫度超過(guò)功率開(kāi)關(guān)管和整流二極管的安全工作溫度時(shí)，封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖，使逆變器停止工作，以防止焊機(jī)電路被燒壞。

圖2-65過(guò)熱保護(hù)電路原理圖

當(dāng)安裝在散熱片上的溫度繼電器KT吸合時(shí)，鎖存D觸發(fā)器1U14B輸出低電平并鎖存：使三極管1Q10導(dǎo)通，面板上過(guò)熱故障指示燈亮報(bào)警；同時(shí)，過(guò)熱故障信號(hào)（低電平）送到SG3525的10腳，輸出脈沖封閉，逆變器停止工作，但焊機(jī)的冷卻風(fēng)機(jī)仍在工作。溫度正常后，需重新開(kāi)機(jī)，才能消除過(guò)熱保護(hù)信號(hào)。上電復(fù)位控制電路作用是在上電初始，確定各控制電路的初始狀態(tài)，防止電路出現(xiàn)誤動(dòng)作。在過(guò)電流保護(hù)電路（圖2-64）中，電容1C29和1R100使得開(kāi)機(jī)瞬間4043的置位端呈現(xiàn)短暫的高電平使4043置“1”。2.4.4不同功率開(kāi)關(guān)器件的逆變電源簡(jiǎn)介晶閘管逆變式弧焊整流器晶閘管的性能及特點(diǎn)

在逆變電源中，主要采用快速晶閘管，屬于半控型元件。晶閘管的導(dǎo)通必須滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)：觸發(fā)信號(hào)應(yīng)該在晶閘管承受正向電壓時(shí)作用。觸發(fā)脈沖必須具有足夠的電流。觸發(fā)脈沖必須具有足夠的寬度，在觸發(fā)脈沖消失前陽(yáng)極電流應(yīng)大于維持電流，以保證晶閘管的可靠導(dǎo)通。在逆變電路中，晶閘管是靠直流供電的，在直流大電流條件下，進(jìn)行晶閘管的關(guān)斷與導(dǎo)通稱(chēng)之為換流。換流的方式一般有兩種：自然換流當(dāng)晶閘管電流小于維持電流時(shí)，晶閘管會(huì)自然關(guān)斷。這種換流方式晶閘管最安全。強(qiáng)迫換流在晶閘管導(dǎo)通期間，由換流電路提供反向電壓，使晶閘管電流強(qiáng)迫降到零而關(guān)斷。為了保證關(guān)斷可靠，所加的反向電壓時(shí)間應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間。

晶閘管弧焊逆變器的特點(diǎn)逆變頻率較低（1～5KHZ），不利，有噪音?？刂菩阅懿粔蚶硐耄ㄊ前肟仄骷?。驅(qū)動(dòng)功率比晶體管式低，控制電路較簡(jiǎn)單。規(guī)范參數(shù)的調(diào)節(jié)及外特性的控制采用定脈寬，調(diào)頻率（PFM）。開(kāi)關(guān)頻率高，則輸出電壓大。要求交替導(dǎo)通的兩只晶閘管不能同時(shí)導(dǎo)通，并應(yīng)防止過(guò)大的電流、電壓沖擊。效率低。單管容量大，不必進(jìn)行多管并聯(lián)使用。晶閘管弧焊逆變器典型產(chǎn)品。用于熔化極氣體保護(hù)焊的有NB-400，NB-500。用于手工直流弧焊的有ZX7系列。

晶體管逆變式弧焊整流器

晶體管的性能及特點(diǎn)大功率晶體管GTR(gianttransistor),是一種雙極型晶體管，具有自關(guān)斷能力，其飽和壓降低。安全工作區(qū)寬。屬電流型驅(qū)動(dòng)器件。開(kāi)關(guān)的頻率一般為15～20KHZ。

GTR有單管式（容量可達(dá)1000A/1200V以上）、達(dá)林頓式（復(fù)合管式）、模塊式（把數(shù)只GTR單管或達(dá)林頓管封裝在一個(gè)模塊里）。模塊式目前應(yīng)用非常廣泛。晶體管逆變式弧焊整流器的特點(diǎn)逆變器工作頻率高（20KHZ）?？刂菩阅芎?，但控制功率較大。響應(yīng)速度快，動(dòng)特性好。單管容量已滿(mǎn)足要求，可以不必多管并聯(lián)。一般采用脈寬調(diào)節(jié)方式（PWM）。存在二次擊穿。晶體管逆變弧焊電源的典型產(chǎn)品目前，國(guó)內(nèi)使用的GTR做逆變開(kāi)關(guān)元件的產(chǎn)品較少。日本的松下公司、大阪變壓器公司有這種產(chǎn)品。幾種產(chǎn)品型號(hào)有：

EUROTRANS-500（三相電，25KHz，50～500A，

15～

40V）

YM-350HF（三相電，6～

16KHz，50～

350A，

15～

36V）

US220AT（單相電，16KHz，50～

250A，

15～

30V）場(chǎng)效應(yīng)管逆變式弧焊整流器場(chǎng)效應(yīng)晶體管的特點(diǎn)

逆變器用的是功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管，即功率MOSFET（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor），是一種電壓控制的單極型器件。具有驅(qū)動(dòng)功率小，工作速度快，無(wú)二次擊穿問(wèn)題及安全工作區(qū)寬等優(yōu)點(diǎn)。在逆變電路中，一般采用N溝道的功率MOSFET（簡(jiǎn)稱(chēng)VMOSFET，有時(shí)也稱(chēng)為VMOS）作為開(kāi)關(guān)器件。圖2-66MOSEFT的基本驅(qū)動(dòng)電路直接驅(qū)動(dòng)電路：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制信號(hào)與主電路不必隔離。當(dāng)Vi為高電平時(shí)，VT1導(dǎo)通，VT2截至，MOSFET導(dǎo)通，電流由上方漏極D流向下方源極S。Vi為低電平時(shí)，VT1截至，VT2導(dǎo)通，柵極通過(guò)VT2放電使MOSFET關(guān)斷。變壓器隔離式驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)信號(hào)與主電路隔離，用于橋式逆變主電路。Vi為高電平時(shí)，VT1導(dǎo)通，集電極電流經(jīng)變壓器T耦合后加到柵極使之導(dǎo)通。Vi為低電平時(shí)，VT1截至，柵極電容通過(guò)R3和T放電后截止。光電隔離驅(qū)動(dòng)：驅(qū)動(dòng)信號(hào)Vi與VDD隔離。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)一致性好，但需要多用一路電源。

場(chǎng)效應(yīng)管逆變式弧焊整流器的特點(diǎn)開(kāi)關(guān)時(shí)間短，頻率極限高（500KHz），易制作，體積小，重量輕，輸出調(diào)整范圍大。場(chǎng)效應(yīng)管的功率損耗較大，一般很難制作大功率MOSFET（單管容量?。＞哂凶詣?dòng)均流特性（通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)），使得多管并聯(lián)簡(jiǎn)單易行。控制功率小（電壓控制器件，輸入電阻109Ω），控制性能好。主要用在中、小功率（200A以下）的逆變電源中。在逆變弧焊電源中占有重要地位。主電路多采用全橋電路或單端正激電路（在歐洲得到了廣泛的應(yīng)用）。MOSFET逆變弧焊電源的典型產(chǎn)品直流弧焊機(jī)

TIG160S，TIG180S，TIG200S

電源電壓：AC220V

電流調(diào)整范圍：10～160A，10～180A，

10～200A

功率因數(shù)：0.93

FSe

：60%

效率：85%

主機(jī)重量：8～9Kg交流弧焊機(jī)

TIG200AC/DC，TIG250AC/DC，TIG315AC/DC

電源電壓：AC220V，AC380V

電流調(diào)整范圍：20～200A，20～250A，

20～315A

功率因數(shù)：0.93

FSe

：60%

效率：85%

主機(jī)重量：20Kg，29.5Kg，36.5Kg

IGBT逆變式弧焊整流器

IGBT的性能及特點(diǎn)絕緣柵雙極晶體管IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）是MOSFET與GTR的復(fù)合器件，具有二者的優(yōu)點(diǎn)，是較理想的開(kāi)關(guān)器件。圖2-67IGBT等效電路和圖形符號(hào)IGBT驅(qū)動(dòng)電路對(duì)驅(qū)動(dòng)參數(shù)的要求門(mén)極電壓：15～20V開(kāi)通，關(guān)斷時(shí)門(mén)極電壓為

-5～-15V

門(mén)極串聯(lián)電阻RG：選擇應(yīng)合適，可參考器件的使用手冊(cè)。驅(qū)動(dòng)功率的要求：驅(qū)動(dòng)電路的瞬時(shí)電流為數(shù)安培。柵極（門(mén)極）驅(qū)動(dòng)電路的基本形式

可分為直接驅(qū)動(dòng)、變壓器隔離式和光耦隔離式。使用較多的是集成驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路是對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行功率放大，保證脈沖的前后沿陡度，能使IGBT飽和導(dǎo)通，并對(duì)控制電路與主電路進(jìn)行電氣隔離及故障信號(hào)采集。常用的集成驅(qū)動(dòng)器有：富士公司的EXB840、841、850系列；IR公司的IR2100系列；Motorola公司的MC35153；Unitrode公司的VC3714、3715、HR065；三菱公司的M57957～M57963系列等。圖2-68專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片EXB841驅(qū)動(dòng)電路原理圖

EXB841的工作過(guò)程：經(jīng)光耦隔離的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)送入EXB841的15腳。有輸入脈沖時(shí)，EXB841的3腳輸出+15V信號(hào)，使IGBT飽和導(dǎo)通。無(wú)輸入脈沖時(shí)，EXB841內(nèi)部5V穩(wěn)壓管輸出-5V信號(hào)，使IGBT可靠關(guān)斷。1R19為柵極驅(qū)動(dòng)電阻，2C3為微分電容，改善驅(qū)動(dòng)脈沖前沿陡度。電容2C19、2C23、2C27為電源的低、高頻濾波電容。EXB841的內(nèi)部過(guò)流保護(hù)電路通過(guò)穩(wěn)壓管2ZD11、快恢復(fù)二極管2D3對(duì)開(kāi)通時(shí)的IGBT集電極電壓進(jìn)行采樣，超過(guò)保護(hù)電路閾值時(shí)，EXB841的5腳為低電平，光耦2U7導(dǎo)通，輸出低電平至控制極的電流保護(hù)電路。IGBT逆變弧焊整流器的特點(diǎn)

IGBT集中了GTR和MOSFET二者的優(yōu)點(diǎn)：開(kāi)通損耗小，飽和壓降低，驅(qū)動(dòng)功率小，單管或模塊容量大。使IGBT已成為逆變電源功率開(kāi)關(guān)器件的主流。典型產(chǎn)品

ZX7-125、160、200、250、315、400、500、630

電源電壓：三相380V

空載電壓：70～80V

電流范圍：12～630A

FSe：20%，35%，60%（居多）第三章熔化極電弧焊設(shè)備3.1埋弧焊設(shè)備3.1.1概述埋弧焊是一種電弧在焊劑層下進(jìn)行焊接的方法，采用鋪散焊劑保護(hù)，電弧在氣泡內(nèi)燃燒。特點(diǎn)：生產(chǎn)率極高，操作環(huán)境最好，鋼結(jié)構(gòu)焊接生產(chǎn)中最易獲得優(yōu)質(zhì)焊縫，用于大厚度結(jié)構(gòu)件的焊接。焊接靈活性差。圖3.1埋弧焊過(guò)程示意圖3.1.2埋弧焊機(jī)分類(lèi)與結(jié)構(gòu)分類(lèi)按用途分類(lèi)通用焊機(jī)：廣泛用于多種結(jié)構(gòu)的對(duì)接、角接、環(huán)縫、縱縫焊機(jī)。專(zhuān)用焊機(jī)：焊接某些特定的金屬結(jié)構(gòu)或焊縫。如：角焊機(jī)、T形梁焊機(jī)、堆焊機(jī)。按送絲方式分等速送絲：用于細(xì)絲（Φ≤3mm）或高電流密度。電弧電壓調(diào)節(jié)式：用于粗絲或低電流密度。按行走機(jī)構(gòu)形式分小車(chē)式：通用焊機(jī)大多采用小車(chē)式行走機(jī)構(gòu)。門(mén)架式：用于大型結(jié)構(gòu)的平板對(duì)接、角接焊縫。懸臂式：用于大型工字梁、化工容器、鍋爐氣包等圓筒、圓球結(jié)構(gòu)的縱縫與環(huán)縫自動(dòng)焊接。移動(dòng)范圍較小。按焊絲根數(shù)分單絲：應(yīng)用最多雙絲或多絲：雙絲或多絲是為了提高生產(chǎn)率，應(yīng)用不多。帶狀電極：用于大面積的堆焊。圖3.2小車(chē)式埋弧焊機(jī)埋弧焊機(jī)結(jié)構(gòu)普通埋弧焊機(jī)通常由弧焊電源、電氣控制系統(tǒng)及焊機(jī)機(jī)身機(jī)械部分組成。電源有交流和直流兩大類(lèi)。根據(jù)工件材質(zhì)及焊劑型號(hào)選定。一般碳素鋼或低合金結(jié)構(gòu)鋼配用高錳硅低氟焊劑“HJ430”或“HJ431”時(shí)，優(yōu)先考慮交流電源。低錳低硅高氟焊劑，應(yīng)選用直流電源，反極性接法，以保證電弧穩(wěn)定并使焊縫熔深較大。等速送絲調(diào)節(jié)方式宜采用緩降外特性電源。電弧電壓反饋調(diào)節(jié)式則選用陡降外特性電源。埋弧焊弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度高，要求電源的空載電壓較高，一般為70～90V。常用的交流電源為工頻正弦波弧焊變壓器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。常用的直流電源為弧焊整流器，如ZXG系列，

ZP5系列（晶閘管整流器）

埋弧焊機(jī)電氣控制系統(tǒng)由送絲與行走驅(qū)動(dòng)控制，引弧和熄弧程序控制，電源外特性控制等環(huán)節(jié)組成。送絲控制有等速送絲與變速送絲兩種。等速送絲：速度應(yīng)穩(wěn)定，有足夠的調(diào)速范圍。變速送絲：速度應(yīng)穩(wěn)定，有足夠的調(diào)速范圍還要求響應(yīng)速度快。調(diào)速方法：伺服電機(jī)配直流調(diào)速系統(tǒng)。

電機(jī)功率:40～100W。小車(chē)行走驅(qū)動(dòng)控制伺服電機(jī)配直流調(diào)速系統(tǒng)，要求速度穩(wěn)定，調(diào)速范圍能夠滿(mǎn)足焊接工藝的要求，響應(yīng)速度快，電機(jī)功率40～200W。引弧和熄弧控制等速送絲引弧由人工手控焊絲的短路、反抽過(guò)程，變速送絲可依靠弧壓反饋過(guò)程自動(dòng)進(jìn)行。熄弧靠停止送絲，焊絲回?zé)?，電流衰減。電源的外特性控制一般由電源自身功能實(shí)現(xiàn)。機(jī)械部分送絲機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)（送絲機(jī)頭，機(jī)頭調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，導(dǎo)電嘴及焊絲盤(pán)，焊劑漏斗，行走傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，行走輪，離合器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速器等）。典型焊機(jī)型號(hào)常規(guī)通用型有MZ-1-1000小車(chē)式，其電源為磁放大器式硅整流電源。MZ-1250小車(chē)式。

CZ型操作機(jī)，為懸臂式機(jī)構(gòu)，機(jī)動(dòng)性能好，作業(yè)范圍大。由機(jī)頭，控制箱，弧焊電源三部分組成。所配電源有直流ZD5型弧焊整流器，交流配弧焊變壓器。圖3.3CZ操作機(jī)示意圖3.2熔化極氣體保護(hù)焊機(jī)3.2.1概述

焊絲作為電極和填充材料，通過(guò)向焊接區(qū)域輸送保護(hù)氣體來(lái)保護(hù)焊接區(qū)域。分類(lèi)實(shí)芯焊絲惰性氣體保護(hù)電弧焊（MIG）：

Ar、He及其混合氣體。氧化性混合氣體保護(hù)電弧焊（MAG）：Ar+O2，Ar+CO2、Ar+O2+CO2CO2

焊：CO2、CO2+O2藥芯焊絲：

CO2、CO2+Ar

用途

MIG焊機(jī)：銅、鋁、鈦等有色金屬焊接

MAG焊機(jī)：黑色金屬焊接

CO2焊機(jī)：黑色金屬焊接藥芯焊絲氣體保護(hù)焊機(jī)：CO2保護(hù)，改善焊接力學(xué)性能，焊接黑色金屬3.2.2半自動(dòng)熔化極氣體保護(hù)焊機(jī)送絲為自動(dòng)，電弧的移動(dòng)為手動(dòng)，稱(chēng)為半自動(dòng)焊機(jī)，如果電弧的移動(dòng)也為自動(dòng)，則稱(chēng)自動(dòng)熔化極氣體保護(hù)焊機(jī)。圖3.4熔化極氣體保護(hù)焊機(jī)組成示意圖焊接電源應(yīng)有功能：能輸出符合要求的電流電壓。實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程所需要的程序動(dòng)作的控制能按需要控制保護(hù)氣體。具有符合要求的外特性和良好的動(dòng)特性。有完成特定功能的相應(yīng)裝置，如遠(yuǎn)控器，冷卻水裝置等。電源選配常用各類(lèi)直流電源。焊絲Φ≤1.6mm，選平特性電源，配等速送絲機(jī)構(gòu)。Φ≥2.0mm，選陡降外特性，配電弧電壓反饋調(diào)節(jié)式送絲機(jī)構(gòu)。

焊槍作用：傳送焊絲，送保護(hù)氣，饋電，焊接操作。分類(lèi)：半自動(dòng)焊槍

鵝頸式一般為推式送絲機(jī)構(gòu)。送絲軟管長(zhǎng)度一般為3M，不超過(guò)5M。手槍式可以是推式或拉式送絲方式。同為推式送絲時(shí)，手槍式送絲阻力小，鵝頸式阻力稍大，但操作較靈活方便。拉式送絲的半自動(dòng)焊槍為手槍式，相當(dāng)于將推式送絲的焊槍與送絲機(jī)合為一體，適合細(xì)絲（Φ為0.4～0.8mm）,絲盤(pán)容量小。圖3.5典型自冷卻鵝頸式焊槍圖圖3.6手槍式半自動(dòng)焊槍結(jié)構(gòu)示意圖自動(dòng)焊槍自動(dòng)焊槍一般固定在焊接小車(chē)上，且離送絲機(jī)構(gòu)距離很近。焊槍的冷卻方式有氣冷（自然冷卻）和水冷兩種，一般當(dāng)電流大于200A時(shí)要采用水冷方式，其結(jié)構(gòu)多為手槍式或自動(dòng)焊槍形式。圖3.7雙層氣流保護(hù)的自動(dòng)焊槍結(jié)構(gòu)送絲機(jī)構(gòu)送絲機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性，直接影響焊接質(zhì)量。自動(dòng)焊焊絲從絲盤(pán)到焊槍導(dǎo)電嘴的距離很短，不需要送絲軟管（與埋弧焊類(lèi)似），不存在堵絲。圖3.8熔化極半自動(dòng)焊機(jī)送絲方式示意圖a)推式b)c)拉式d)推拉式推絲式應(yīng)用最廣，焊槍結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作輕便。送絲軟管使阻力增大，適合Φ≥1.0mm的鋼焊絲和Φ≥2.0mm的鋁焊絲。送絲距離一般為2～5M。拉式送絲用于更細(xì)的焊絲（Φ＜1.0mm的鋼絲）。兩種形式：焊絲盤(pán)與焊槍分開(kāi)，中間用軟管連接。焊絲盤(pán)與焊槍為一體。穩(wěn)定性好，用得多，絲盤(pán)容量小。送絲電機(jī)為小功率微型電機(jī)。

推拉式

送絲距離增大，最長(zhǎng)可達(dá)25M，可進(jìn)行遠(yuǎn)距離焊接。前拉后推，必須同步，保證焊絲在軟管中拉直。

送絲軟管和導(dǎo)電嘴是很關(guān)鍵的部件。軟管要有一定的剛度和撓度，摩擦力小，內(nèi)徑要合適。常用材料有：彈簧軟管，用于鋼焊絲；聚四氟乙烯或尼龍軟管，用于鋁等軟焊絲。常用焊絲所配軟管內(nèi)徑：

焊絲直徑/mm

軟管內(nèi)徑/mm0.8～1.01.51.0～1.42.51.4～2.03.22.0～3.54.7供氣供水系統(tǒng)供氣系統(tǒng)由Ar氣瓶，減壓閥，流量計(jì)，電磁閥組成。如采用混合氣體，還需相應(yīng)氣瓶、氣體配比器等。圖3.9供氣系統(tǒng)組成供水系統(tǒng)大電流焊接時(shí)，冷卻焊槍及槍體供電電纜。冷卻水應(yīng)自動(dòng)循環(huán)。3.2.3自動(dòng)熔化極氣體保護(hù)焊機(jī)電弧移動(dòng)是自動(dòng)的。只能用于規(guī)則的直縫和環(huán)焊縫。不規(guī)則的自動(dòng)焊通常應(yīng)有焊縫追蹤裝置來(lái)保證或由機(jī)器人承擔(dān)?？煞譃樾≤?chē)式自動(dòng)焊機(jī)和懸臂式小車(chē)式用于固定工件的焊接。懸臂式用于工件移動(dòng)（轉(zhuǎn)動(dòng)）時(shí)的焊接。

MIG、MAG、CO2焊的焊機(jī)是通用的，只要通入相應(yīng)的保護(hù)氣體即可。CO2焊時(shí)應(yīng)在氣瓶出口處加入一個(gè)預(yù)熱干燥器。圖3.10小車(chē)式自動(dòng)焊機(jī)圖3.11懸臂式自動(dòng)焊機(jī)第四章非熔化極氣體保護(hù)焊機(jī)4.1鎢極氬弧焊機(jī)

圖4.1鎢極氬弧焊機(jī)結(jié)構(gòu)圖鎢作電極，Ar作保護(hù)氣體?？杉雍附z，也可不加焊絲，加絲時(shí)應(yīng)從鎢極電弧的前方送入。可焊的材料廣泛。實(shí)際應(yīng)用非常廣泛。4.1.1分類(lèi)及特點(diǎn)

分類(lèi)按操作方式：手工與自動(dòng)兩種焊機(jī)。按使用電流：交流（正弦波或方波）、脈沖（低頻、中頻、高頻）、直流氬弧焊機(jī)。手工鎢極氬弧焊是手動(dòng)操作焊炬，靈活性好。電流的不同形式僅由焊機(jī)的弧焊電源來(lái)決定。

特點(diǎn)：

Ar作保護(hù)，不和任何金屬發(fā)生反應(yīng)，保護(hù)效果好，無(wú)副作用。

電弧在小電流下仍能穩(wěn)定，適合于焊薄型零件。具有陰極清理作用，可焊活潑性強(qiáng)的有色金屬和易氧化的金屬。飛濺小，焊縫成形好。可填或不填焊絲。

Ar氣價(jià)格高，焊接成本高。熔深淺，熔敷速度低，生產(chǎn)率低。鎢極承載電流能力差，不宜用于大電流焊接。4