弧焊电源及其特性

弧焊电源是为焊接电弧提供电能，并且具有适宜该种焊接电弧特性的供电系统。整个系统除变压器、整流器或逆变器以外，其他各种电器元件，皆视为弧焊电源的组成部分。它可以供手工电弧焊、埋弧焊和各种气体保护焊等配套使用。

一、电弧静特性

所谓焊接电弧是在加有一定电压的电极之间或在电极工件之间产生的一种较强烈的气体放电现象。一旦产生了焊接电弧，则在弧柱中就充满了高温电离气体。

焊接电弧具有把电能转变为热能的作用，在这一点上它与普通电阻有相似之处，但是，它与普通电阻相比又有明显的特点。当普通电阻上通过电流时，电阻两端的电压降与通过的电流值总是成正比，而且其比值是基本不变的（即遵循欧姆定律）。如果在坐标图上表示出通过电阻的电流和电阻两端电压降之间的关系，则是一条直线，这条直线叫做电阻的静特性。但是当电弧燃烧时，电弧两端的电压降与通过电弧的电流值就不是固定成正比的，而且其比值也是随着电流值的不同而变化的（不遵循欧姆定律）。电弧电压与电弧电流的关系在坐标图上用一条曲线来表示（见图2-3），这条曲线就叫做电弧的静特性曲线。

当弧长增大或减小时，电弧静特性曲线相应向上或向下移动，而曲线的形状大致不变。根据焊接方法的需要，电弧静特性大体可分为以下几类。

1）下降特性：此特性适用于手工电弧焊。其弧柱的电流密度较小，弧柱截面可以自由膨胀，随I_弧增大，U_弧下降，如图2-4所示。

图2-3 电阻与电弧静特性示意图

1—普通电阻静特性 2—焊接电弧静特性

图2-4 下降特性曲线

2）平直特性：此特性适用于手工电弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊。其弧柱的电流密度中等，弧柱截面可以自由膨胀，随I_弧增大，U_弧几乎不变，如图2-5所示。

3）上升特性：此特性适用于埋弧焊（细丝）、熔化极气体保护焊。其弧柱的电流密度较大或受气体压缩，弧柱不能自由膨胀，随I_弧增大，U_弧上升，如图2-6所示。

图2-5 平直特性曲线

图2-6 上升特性曲线

二、弧焊电源的外特性

弧焊电源外特性是指在规定的范围内，弧焊电源稳态输出电流与端电压的关系。

从前面谈到的电弧静特性已经知道，为达到焊接电弧由引弧到稳定的燃烧这一目的，要求电源按照一定的规律来供给它电压和电流。亦即要求电源在引弧时能供给电弧较高的电压和较小的电流，当电弧稳定燃烧时，电流增大，而电压急剧下降。能满足这一要求的电源，称为具有陡降外特性的电源。在坐标图上表示出这种电源外特性的曲线称为电源的陡降外特性曲线，如图2-7所示。

从图2-7可见，一般照明或动力用的电源都是平外特性，即不论输出的电流大小，输出的电压基本不变。具有陡降外特性的电源，不但能保证电弧稳定燃烧，而且能保证短路时不会产生过大电流而将电流设备烧毁。一般焊机的短路电流为焊接电源的120％～130％，最大不超过150％。此外，在等速送丝的气体保护焊、埋弧焊设备中，还采用了平特性，其特点是输出电流在运行范围内增加时，端电压基本不变（电压下降率小于7V／100A，以及电压上升时小于10V／100A），这种特性也标为恒压特性。

电焊机外特性的试验方法如下：取一个功率与电焊机相近的可变电阻作为负载，再取一个电压表（量程1～100V）和一个电流表（量程1～500A），按图2-8接线。改变电阻R的数值，将读出的电流与电压值，绘制成坐标图，得出的曲线即为电焊机的外特性曲线。

图2-7 电弧稳定燃烧对电源外特性的要求

I₁—焊接电流 I₂—短路电流

1—一般照明电源的平外特性 2—焊接电源的陡降外特性 3—电弧静特性 4—电弧稳定燃烧点

图2-8 电焊机外特性试验线路

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图2-9 熔滴过渡示意图

1—焊条金属熔滴向熔池伸长 2—熔滴与工件短路 3—熔滴金属落到熔池，焊条与工件分开

三、弧焊电源的动特性

在焊接过程中，焊机的负载总是在不断地变化的。例如，引弧时焊条与工件短路，随后由于短路突然将焊条拉开，焊接过程中焊条金属熔滴向熔池过渡时，焊条与工件短路，随后焊条又与母材分开等，都能引起电焊机的负载发生急剧变化，如图2-9所示。

由于在焊接回路中总有一定的感抗存在，所以电焊机的输出电流和电压不可能迅速地依照外特性曲线来变化，而要经过一个过渡过程，才能在外特性曲线的某一点上稳定下来。弧焊机的结构不同，这种过渡过程的性能也不同，这种过渡过程的性能，称为动特性。弧焊电源的动特性，即指当负载状态发生瞬间变化时，输出电流与端电压对时间的关系。它表征了弧焊电源对负载瞬变的反应能力。

四、弧焊电源的负载持续率

弧焊电源工作持续的时间与周期时间的比值称为负载持续率，用符号DY表示。全周期时间或称工作周期，包括负载持续时间与休息时间。在GB／T 8118—2010中规定的周期为5min、10min、20min与连续。负载持续率是设计焊机时，用以表示某种工作类型的重要参数，它用百分数表示。在GB 8118中规定为35％、60％、100％3种。

五、弧焊电源的额定电流

额定电流就是弧焊电源在负载持续率条件下，允许输出的最大电源。

实际工作时间与工作周期之比称为实际负载持续率。在不同负载持续率条件下，允许使用的输出电流可按式（2-1）计算：

式中 DY_y——额定负载持续率；

DY——实际负载持续率；

I_y——实际负载持续率时的允许使用电流（A）。

例如：当DY_y＝60％，I_y＝300A，DY＝100％时，则I

六、各种弧焊电源主要用途及技术数据

1）弧焊变压器主要技术数据及用途列于表2-3。

表2-3 常用的弧焊变压器主要技术数据及应用范围

2）各种弧焊整流器主要技术数据及用途列于表2-4～表2-7。

表2-4 抽头式硅弧焊整流器技术数据及应用范围

表2-5 磁放大器式硅弧焊整流器的主要技术数据及用途

表2-6 晶闸管式弧焊电源

表2-7 逆变弧焊电源