焊接工艺问答之焊接电弧及弧焊电源二.docx

焊 接 工 艺 问 答

二、焊接电弧及弧焊电源

31      试述裂极式弧焊发电机的构造及工作原理。
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      试述换向极去磁式弧焊发电机的构造及工作原理。
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。
33      试述弧焊发电机使用过程中的常见故障及排除方法。
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 弧焊发电机常见故障及排除方法
故 障 特 征
产 生 原 因
排 除 方 法
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

34      试述弧焊整流器的种类及其优缺点。
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。
35      试述硅弧焊整流器的工作原理及特性。
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 有单相和三相两种。可利用抽头调节空载电压和焊接电流，也可增大漏抗以获得下降外特性。
⑵硅整流器 用硅二极管组成单相或三相整流器。
⑶输出电抗器 这是指接在直流回路中的一个带铁心并有间隙的电抗绕组，起滤波和改善动特性的作用。
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。
36      试述各种硅弧焊整流器的构造及工作原理。
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 在三相动铁心式、动绕组式弧焊变压器的输出端，接入硅整流器就成为动铁心式、动绕组式硅弧焊整流器。焊机均可无级调节。但功率因数较低，只有0.5～0.65，不能遥控，没有网络电压补偿，外特性为缓降特性，主要用于手弧焊及钨极氩弧焊。产品型号有ZXG1-160、ZXG1-250、ZXG1-400、ZXG6-300、ZXG3-500等（动绕组式）。
⑵抽头式硅弧焊整流器 由抽头式弧焊变压器和硅整流器组成。焊机通过弧焊变压器的抽头换挡进行有级调节焊接工艺参数，还不能遥控，没有网络电压补偿，但具有功率因数大、效率高的优点。缓降特性用于手弧焊和钨极氩弧焊，平特性用于各种一般要求的熔化极气体保护焊。其产品型号有ZPG-200和ZPG-250等。
⑶磁放大器式硅弧焊整流器 在降压变压器和硅整流器之间接入磁放大器。焊机可以无级调节焊接工艺参数，有网络电压补偿（但效果不理想），可遥控，但控制电流较大，调节速度慢，不灵活，耗料多，有逐步被淘汰的趋势。其产品型号有ZXG-400、ZPG1-500、ZXG7-300-1、ZPG7-1000、ZPG6-1000（多站式）等。
37      试述晶闸管式弧焊整流器的工作原理及特性。
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）   结构简单。
2）   易获得多种外特性并对其进行无级调节。
3）   动特性好，反应速度快。
4）   电源输入功率小，焊接电流、电压调节范围大。
5）   能较好地补偿网路电压波动和周围温度的影响。
6）   对于较慢的焊接过程可采用微机控制。
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      试述晶体管式弧焊整流器的工作原理及特性。
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）   晶体管通断迅速，控制十分灵活，精确度高。
2）   可以对外特性曲线形状进行任意的控制。
3）   可调工艺参数多，调节范围宽，特别是脉冲电源，能精密地控制电弧能量，以适应各种位置、各种材料、不同厚度和形状的焊件焊工艺需要。
4）   动特性好，可实现小飞溅或无飞溅的焊接。
5）   可对网络电压波动、温度变化和其它干扰因素变化进行有效补偿，保证输出电流、电压的稳定性。
6）   脉冲频率高，可以任意调节。
7）   对微机控制具有很强的适应能力。
8）   效率较低，功率损耗较大。
9）   设备质量大，成本高，维修较困难。
晶体管式弧焊整流器的产品型号有PULSE350、NZC6-315T等。
39      试述弧焊逆变器的工作原理及特性。
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
交流—直流—交流—直流
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）   调节速度快，所有焊接工艺参数均可无级调节。
5）   具有多种外特性，能适应各种弧焊方法的需要。
6）   可用微机或单旋钮控制调节。
7）   设备费用较低，但制造技术要求较高。
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      试比较各种直流弧焊电源的主要技术指标。
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 各种直流弧焊电源的主要技术指标比较
弧焊电源
类 型
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)
200
3×
380
67
400
35
80
0.9
48

41      试述弧焊整流器使用过程中的常见故障及排除方法
弧焊整流器的常见故障及排除方法见表6。

表6 弧焊整流器的常见故障及排除方法
故 障 特 征
产 生 原 因
排 除 方 法
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      什么是脉冲弧焊电源？并试述其工作原理。
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 网络电压经T降压后借助硅二极管进行半波或全波整流，从而获得50Hz或100Hz正弦半波的脉冲电流，见图2-24a。

⑵利用电子开关作用 在直流弧焊电源的交流侧（图24c）或直流侧（图24e接上晶闸管组，组成交流断续器或直流断续器，借助其开关作用获得脉冲电流。
⑶利用阻抗变换作用
1）变换交流侧电抗值 利用三相磁放大器MA的每相阻抗不平衡或使其励磁电流为脉冲形式，均可获得脉冲电流，见图24b。
2）变换直流侧电阻值 网络电压经T降压变压器降压和V整流后，借助晶体管组VU的变换电值作用，便于获得任意的脉冲电流波形，见图24f。
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 在晶体管式、晶闸管式弧焊电源的控制电路中，把脉冲信号指令送到给定值电路，从而在主电路获得脉冲电流，见图24a、f、g（其中g为逆变弧焊器）。
2）电流截止反馈式 借助周期性变化的电流截止反馈信号，使晶体管弧焊电源获得脉冲输出，见图24f。脉冲弧焊电源的产品型号有ZPG3-200（脉冲直流钨极氩弧焊）、NSA5-25电源（脉冲钨极氩弧焊）。
43      试述弧焊变压器并联运行的目的及方法。
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      试问一台大容量的焊机能否供两名焊工同时使用？
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      手弧焊时，转动焊机的调节手柄，是否可改变电压的大小。
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      试述焊机安装时应遵循的原则。
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     如何正确地选用焊接电缆？
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 焊接电缆的选用
长度（m）

截面(mm2)
焊接电流(A)
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      试述焊机使用时应遵循的原则。
1)       应选用合适的焊接电缆截面和长度，焊接电缆不应卷成盘状。
2)       焊钳和焊件接触时，不得起动焊机。
3)       禁止在焊机上放置任何物件和工具。
4)       焊机二次回路上禁止连接建筑、金属构架和设备等作为焊接电源回路。
5)       焊机的外壳和焊件不能同时接地。
6)       焊工工作完毕或临时离开施焊场地时，不得将焊钳放在焊件上，并应及时切断电源。
7)       焊接过程中不得调节焊接电流。
8)       没有装设电流表及电压表的焊机应及时装设，以便精确地确定焊接工艺参数，保证焊缝质量。
49      试述弧焊变压器的维护保养方法。
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     试述弧焊整流器的维护保养方法。
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。