弧焊电源的使用方法与注意事项

1.弧焊发电机

弧焊发电机也称直流弧焊机，由直流发电机和原动机两部分组成，所以也称弧焊发电机组。

原动机可分为电动机、柴油机或汽油机。常用的弧焊发电机组是以三相异步电动机作为原动机，带动一台直流弧焊发电机组成的，电动机与发电机同轴同壳，组成一体式结构。AX-320型弧焊发电机的构造如图5-5所示。常用的发电机是指具有陡降外特性的弧焊发电机，根据发电机获得陡降外特性的方法不同，弧焊发电机可分为裂极式、差复励式和换向极式等几种。

（1）弧焊发电机的一般原理 弧焊发电机是一种特殊的直流发电机。它的发电原理与普通直流发电机不同，由于它使用在弧焊这样一种特殊场合，因此，要对它提出陡降的外特性，具有一定范围、均匀的调节特性和良好的动特性等特殊要求。

1）直流发电机的电动势。直流发电机电动势的产生如图5-6所示，当电枢绕组的线圈abcd在磁极之间匀速转动时，线圈的ab、cd边将切割磁力线，从而产生感应电势。由于ab、cd运动方向与磁力线之间的夹角成正弦规律变化，所以ab、cd切割磁力线的速度也成正弦规律变化，因此ab、cd导线中的感应电势也成正弦规律变化。对于线圈的一条边ab或cd，每转一周经过N极及S极各转换一次，产生的感应电动势就改变一次方向。因此，电枢绕组中的感应电势是一种正弦交变电势。为得到直流电势，必须对它进行整流，这就需要通过换向器来实现。图5-6中所示的换向器是由两片换向片组成的，经换向（整流）之后，电刷A、B两端输出的电动势（电压）和电流是一种脉动很大的波形状直流电。由于电枢绕组的线圈边数很多，换向器的片数也很多，而且电枢的转速又较高，所以最终能得到较为平直的直流电动势和直流电波形。

图5-5 AX-320型弧焊发电机的构造

2）电枢反应。直流发电机在空载时，发电机中的工作磁通（主磁通ϕ是主磁极通过励磁绕组的励磁电流产生的。当发电机处于负载运行时，电枢绕组中便有负载电流通过，产生了由电枢电流形成的磁通，即电枢反应磁通。电枢反应磁通的大小与电枢电流成正比。

图5-6 直流发电机的工作原理

由于电枢反应磁通的存在，对发电机的工作磁通带来较大的影响。当主磁通ϕ与电枢反应磁通ϕ_枢合成以后形成工作磁通，一是使工作磁通发生歪扭，即此时由合成磁通形成的物理中性面与发电机的几何中性面之间产生偏角；二是使工作磁通相对减弱为ϕ′，即ϕ′＜ϕ，这种现象称为电枢反应。由此可知，随着电枢电流的增加，电枢反应使工作磁通相对减弱加剧，这就是弧焊发电机能获得下降外特性的一个基本依据。

（2）裂极式弧焊发电机 裂极式弧焊发电机采用并励绕组励磁，依靠电枢反应获得陡降外特性。现以AX-320型焊机为例说明。AX-320型弧焊发电机是较常用的直流弧焊机，其空载电压为50～80V，工作电压为30V，电流调节范围为45～320A。

1）焊机构造。AX-320型弧焊发电机的构造如图5-5所示，由一台14kW的三相感应电动机和一台裂极式直流弧焊发电机组成。电动机的转子与发电机的电枢在同一根轴上，并置于同一机壳内。机身下有四个滚轮便于移动。

发电机内有四个磁极，水平方向的磁极为主极，垂直方向的磁极称为交极（图5-7a）。主极带有切口，这样磁极的截面减小了，使得磁通在达到一定值后就无法再增加，即在焊机工作的时候，主极的磁通能迅速达到饱和状态（磁饱和状态）。磁极的排列不同于普通直流发电机，其南（S）北（N）极不是互相交替排列，而是主极的北极N_主与交极的北极N_交，以及两个南极S_主、S_交均为相邻配置的。如此排列的两对磁极，好像是由一对大磁极N、S分裂而成的，所以，这类弧焊发电机称为裂极式弧焊发电机。

图5-7 AX-320型弧焊发电机的工作原理

裂极式弧焊发电机有三组电刷，其中两组主电刷a与b供电弧用电，中间为一组辅助电刷c。主极和交极上励磁绕组的电流（励磁电流）由电刷a与c两端的电压供给。通过安装在焊机顶部的变阻器，可以改变交极上一部分励磁绕组的励磁电流，以达到对焊机进行焊接电流细调节的目的。焊机的一端还装有电流调节手柄，通过它带动电刷装置来改变电刷的位置，从而可进行焊接电流的粗调节。

2）工作原理。AX-320型弧焊发电机工作原理如图5-7所示。焊机的下降外特性，借电枢反应的去磁作用而获得。

①空载。空载时，弧焊发电机内的工作磁通有主极磁通ϕ₁和交极磁通ϕ₂。焊机的空载电压U_ab，由电刷a～c及电刷c～b之间的电压组成，即U_ab=U_ac+U_cb。其中电压U_ac由主极磁通ϕ₁决定，电压U_cb则由交极磁通ϕ₂决定。由于空载时电枢中没有焊接电流通过，所以没有电枢反应，也就不产生去磁作用，从而使焊机能保持较高的空载电压，以便引弧和保证焊接电弧的稳定。

②焊接。焊接时，由于电枢中有焊接电流通过，便产生了电枢反应，如图5-7b所示。用右手定则可以确定电枢绕组在磁场中各不同位置和感应电流的流向，然后以右手螺旋定则，便可确定由电枢反应产生的电枢反应磁通的方向。

由图5-7可见，电枢反应磁通ϕ_枢与主极磁通ϕ₁的方向相同，而与交极磁通ϕ₂的方向相反。由于主极铁心开有切口，早已达到磁饱和状态，因此电枢反应磁通ϕ_枢尽管与主极反应磁通ϕ₁方向相同，也无法使主极磁通ϕ₁增加，而只能使交极磁通ϕ₂减少，削弱了发电机内部的总磁通，这种现象是电枢反应的去磁作用造成的。电枢反应的去磁作用，随着焊接电流的增加而增大，随着焊接电流的减小而减小。当焊接电流增加时，电枢反应的去磁作用促使总磁通减小，使发电机的输出电压降低；电枢反应的去磁作用越大，输出电压就越低，这样就使弧焊发电机获得了下降外特性。

③短路。焊接短路时，由于短路电流突然增大，由此而产生的电枢反应磁通ϕ_枢剧烈地增加，它不但完全抵消了交极磁通ϕ₂，而且还形成与交极磁通ϕ₁方向相反的磁通，就使电刷c～b间产生了与原来方向相反的感应电动势（电压）-U_cb，而且在数值上接近于由主极磁通ϕ₁决定的U_ac，即|-U_cb|≈U_ac。这样，焊机的输出电压U_ab。接近于零，这就限制了短路电流，以免损坏焊机。

3）焊接电流的调节。AX-320型弧焊发电机有两种电流调节方法，即粗调节和细调节。

①粗调节。焊接电流的粗调节是用改变电刷位置来实现的。当电刷位置顺电枢旋转方向移动时，焊机的输出电压降低，焊接电流便随之减小；相反，逆电枢旋转方向移动时，焊接电流增大。粗调节共有三档，电刷在第一档位置时电流最小，在第三档位置时电流最大。电刷位置的移动由调节手柄来实现。

②细调节。焊接电流的细调节，用变阻器来改变流经交极的部分励磁绕组中的励磁电流，使交极磁通ϕ₂发生变化，从而使发电机的总磁通增大或减小，这样就改变了发电机的感应电动势，达到电流细调节的目的。

2.弧焊变压器

弧焊变压器一般也称交流弧焊电源，它在所有弧焊电源中应用最广。其主要特点是在焊接回路中增加阻抗，阻抗上的压降随焊接电流的增加而增加，以此获得陡降外特性。按获得陡降外特性的方法不同，弧焊变压器可分为串联电抗器式弧焊变压器和增强漏磁式弧焊变压器两大类。弧焊变压器的分类及常用型号见表5-4。常用的弧焊变压器技术数据见表5-5。

表5-4 弧焊变压器的分类及常用型号

表5-5 常用的弧焊变压器技术数据

（1）动铁心式弧焊变压器 动铁心式弧焊变压器由一个口字形固定铁心和一个活动铁心组成，活动铁心构成了一个磁分路，以增强漏磁，使焊机获得陡降外特性。

国产动铁心式弧焊变压器目前有BX1系列，常用的BX1-300型弧焊变压器是梯形动铁心式的弧焊变压器，它的一次侧绕组和二次侧绕组各自分成两半分别绕在变压器固定铁心上，一次侧绕组两部分串联连接电源，二次侧绕组两部分并联连接焊接回路。BX1-300型焊机的焊接电流调节方便，仅需移动铁心就可满足电流调节要求，其调节范围为75～400A，调节范围广。当活动铁心由里向外移动而离开固定铁心时，漏磁减少，则焊接电流增大；反之，焊接电流减小。

（2）动圈式弧焊变压器 动圈式弧焊变压器是一种常用的增强漏磁式弧焊变压器，国产产品属BX3系列。动圈式弧焊变压器属于BX3系列，产品有BX3-120、BX3-120-1、BX3-300、BX3-300-2、BX3-500型等。现以BX3-300型弧焊变压器为例说明，该焊机的空载电压为60～75V，工作电压为30V，电流调节范围为40～400A。

1）动圈式弧焊变压器的构造。BX3-300型弧焊变压器是一台动圈式单相焊接变压器，变压器的一次侧绕组分成两部分，固定在口形铁心两芯柱的底部，铁心的宽度较小，而叠厚较大。二次侧绕组也分成两部分，装在两铁心柱的上部并固定于可动的支架上，通过丝杠连接，经手柄转动可使二次侧绕组上下移动，以改变一、二次绕组间的距离，调节焊接电流的大小。一、二次侧绕组可分别接成串联（接法Ⅰ）和并联（接法Ⅱ），使之得到较大的电流调节范围。

2）动圈式弧焊变压器的工作原理。动圈式弧焊变压器属于增强漏磁式类，它是利用有一次漏磁通和二次侧漏磁通的存在而获得下降外特性，当变压器在工作时，铁心内除存在着由一次电流所励磁的磁通外，还有一小部分经过空气闭合，且仅与一次或二次侧绕组发生关系的磁通，它们被称为漏磁通。漏磁通分别在一次侧绕组和二次侧绕组内感应出一个电动势，这个电动势对电路的作用，相当于在该电路串联了一个电抗线圈。由此可见，如增大一、二次侧绕组的漏磁，即相当于该电路上串联电抗线圈所产生的电压降增大，这样，便可获得陡降外特性。

①空载。在空载时，由于一次侧绕组无焊接电流流过，因此不存在一次漏磁通，则无降压现象，故能保持原始较高的空载电压，有利于引弧。(www.xing528.com)

②焊接。焊接时，由于焊接电流的存在，使漏磁通随着焊接电流的增大而增大（一次漏磁通也可折合成二次漏磁通），使焊机获得下降的外特性。其外特性曲线如图5-8所示，图中曲线1为接法Ⅰ，动圈在最高位置，曲线2也为接法Ⅰ，动圈在最低位置。曲线3为接法Ⅱ，动圈在最高位置，曲线4为接法Ⅱ，动圈在最低位置。

图5-8 BX3-300型弧焊变压器的外特性曲线

③短路。焊接短路时，由于短路电流很大，由此而产生的漏磁造成更大的电压降，从而限制了短路电流的增长。

3）动圈式弧焊变压器焊接电流的调节。动圈式弧焊变压器通过改变一、二次侧绕组的匝数进行粗调节，改变一、二次侧绕组的距离来进行细调节。

①粗调节。电流的粗调节是先将电源切断，按图5-9所示进行转换，然后再将电源转换开关转至相应的接法（Ⅰ或Ⅱ）。由图可知：当一、二次侧绕组接成接法Ⅰ时，一、二次侧绕组均为串联，使焊机总的漏磁通增大，焊机的外特性便处于图5-8中曲线1和曲线2的范围内，接成接法Ⅱ时，一、二次侧绕组均为并联，使焊机的漏磁减小，外特性便处于曲线3和曲线4的范围内。

图5-9 BX3-300型弧焊变压器的电流粗调节

Ⅰ位置时，空载电压为75V，焊接电流调节范围为40～125A；Ⅱ位置时，空载电压为60V，焊接电流调节范围为115～400A。

②细调节。在上述两种接法中，都可用改变一、二次侧绕组之间的距离进行电流细调节。这是因为改变了两绕组间的距离，而使得一、二次侧绕组间空气漏磁通发生变化的缘故。当距离增大，漏磁增大，焊接电流就减小；反之，焊接电流增大。

接法Ⅰ时，减小两绕组间的距离，外特性曲线由1移到2；接法Ⅱ时，减小两线组间的距离，外特性曲线由3移到4。故一般称接法Ⅰ为小档，接法Ⅱ为大档。

3.弧焊整流器

弧焊整流器是一种直流弧焊电源，用交流电经过变压、整流后而获得直流电。根据整流元件的不同，弧焊整流器有硅弧焊整流器、晶闸管式弧焊整流器及逆变式弧焊整流器三种。硅弧焊整流器常用的有ZXG型，即下降特性硅弧焊整流器。随着国内、外焊接事业的发展，逆变式弧焊整流器的优点逐渐被显现，其优点是消耗材料少、体积小、重量轻、功率因数高、省电、动特性良好，且调节性能好，电网电压波动和工作电压波动可以补偿，而输出电压稳定，便于一机多用和实现自动化焊接等。

（1）硅弧焊整流器 硅弧焊整流器是弧焊整流器的基本形式之一，国产型号为ZXG-400。这种焊接电源一般由三相降压变压器、硅整流器、输出电抗器和外特性调节机构等部分组成。

硅整流弧焊电源以硅元件作为整流元件，通过增大降压变压器的漏磁或通过磁饱和放大器来获得下降的外特性及调节空载电压和焊接电流。输出电抗器是串联在直流回路中的一个带铁心并有气隙的电磁线圈，起改善焊机动特性的作用。这种焊机的优点是：电弧稳定、耗电少、噪声小、制造简单、维护方便、防潮、抗振、耐候力强。其缺点是：由于没有采用电子电路进行控制和调节，焊接过程中可调的焊接参数多，不够精确，受电网电压波动的影响较大。这种焊机用于要求一般质量的焊接产品的焊接。

（2）晶闸管弧焊整流器 晶闸管弧焊整流器以其优异的性能已逐步代替了弧焊发电机和硅弧焊整流器，成为目前一种主要的直流弧焊电源。晶闸管弧焊整流器是一种电子控制的弧焊电源，它是利用晶闸管来整流，以获得所需的外特性及调节电流、电压的。ZX5-400型晶闸管弧焊整流器采用全集成电路控制电路、三相全桥式整流电源。它主要由三相主变压器、晶闸管整流器、直流输出电抗器、控制电路、电源控制开关等部件组成。晶闸管弧焊整流器具有以下特点：

1）电源的动特性好，电弧稳定、熔池平静，飞溅小，焊缝成形好，有利于全位置焊接。

2）电源中带有电弧推力调节装置，使焊接过程中电弧吹力大，而且电弧吹力强度可以调节，通过调节和改变电弧推力来改变焊接电流穿透力，在施焊时可保证引弧容易，促进熔滴过渡，焊条不易粘住熔池，操作方便，可远距离调节电流。

3）电源中加有连弧操作和灭弧操作选择装置，以调节电弧长度。当选择连弧操作时，可以保证电弧拉长不熄弧；当选择灭弧操作时，配以适当的推力电流，可以保证焊条一接触焊件就引燃电弧，电弧拉到一定长度就熄弧，当焊条与焊件短路时，“防粘”功能可迅速将焊接电流减小而使焊条端部脱离焊件，进行再引弧。

4）电源控制板全部采用集成电路元件，出现故障时，只需更换备用板，焊机就能正常使用，维修很方便。

常用国产晶闸管弧焊整流器技术参数见表5-6。

表5-6 常用国产晶闸管弧焊整流器技术参数

（3）逆变式弧焊整流器 将直流电变换成交流电称为逆变，实现这种变换的装置叫作逆变器。为焊接电弧提供电能，并具有弧焊方法所要求性能的逆变器，即为弧焊逆变器或称为逆变式弧焊电源。目前，各类逆变式弧焊电源已应用于多种焊接方法，逐步成为焊机更新换代的重要产品。

弧焊逆变器通常采用三相交流电供电，经整流和滤波后变成直流电，然后借助大功率电子开关元件（晶闸管、晶体管、场效应管或绝缘栅双极晶体管IGBT），将其逆变成几千到几万赫兹的中频交流电，再经中频变压器降至适合焊接的几十伏电压。通常弧焊逆变器需获得的是直流电，故常把弧焊逆变器称为逆变弧焊整流器，弧焊逆变器采用了复杂的变流顺序，即：工频交流→整流滤波→直流→逆变→中频交流→降压→低压交流（直流）。

弧焊逆变器主要由输入整流器、电抗器、逆变器、中频变压器、输出整流器、电抗器及电子控制电路等部件组成。弧焊逆变器具有以下特点：

1）高效节能。弧焊逆变器的效率可达80%～90%，空载损耗极小，一般只有数十瓦至一百余瓦，节能效果显著。

2）质量和体积小。中频变压器的质量只为传统弧焊电源降压变压器的几十分之一，整机质量仅为传统弧焊电源的1/10～1/5。

3）具有良好的动特性和弧焊工艺性能，如引弧容易，电弧稳定，焊缝成形美观，飞溅少等。

4）调节速度快。所有焊接参数均可无级调整。

5）具有多种外特性，能适应各种弧焊方法，并适合于与机器人结合组成自动焊接生产线。

常用国产ZX7系列逆变式弧焊整流器的技术参数见表5-7。

表5-7 常用国产ZX7系列逆变式弧焊整流器的技术参数

（续）