焊接与切割设备的使用和维修（一）——电焊机分类及焊接电源的特性

如图1—2所示，ab实线为对应于某一弧长时的电弧静特性曲线。若电流由I_a以很快的速度连续增大到Ib时，则随着电流增大，电弧空阃的温度也提高。但由于热惯性的关系，温度升高总比电流增加要慢一些，所以电弧空间的温度此时尚未能达到稳定状态下相应I_b的温度。由于电弧空间温度低，弧柱导电性低，因而维持电弧燃烧的电压将提高到b点。同理，对应Ic的电弧电压将提高到c点。

所以，在电弧电流迅速连续增加的过程中，对应每一瞬时电弧电流的电弧电压，不ab实线上，而是在abcd虚线上。也就是说，在电流增加的过程中，动特性曲线上的电孤电压比静特性曲线上的电弧电压值高。
同理，当电弧电流由Id迅速下降到Ia时，由于热惯性的关系，电弧空间温度来不及下降，此时，对应每一瞬时电弧电流的电弧电压将低于静特性的电弧电压，如图1—2中的dc'b'a虚线所示。
图1—2中的abcd与dc'b'a即为电弧的动特性曲线。当电流按不同规律变化时，将得到不同形状的动特性曲线。
以上只提到热惯性的影响，实际上焊丝或电极的直径、保护气体种类、焊接回路参数、脉冲电流波形等都对电弧的动挣性有明显的影响。
利用动特性曲线，可以判断在同样的平均电流下，焊接电流及电压的变化范围，以及电弧中物理状态变化的滞后情况。这对于设计焊机和确定工艺参数都有参考价值。
1．2．2 电弧对焊接电源的要求
为了保证焊接质量和提高生产效率，要求焊接过程中焊接电弧稳定燃烧。电弧燃烧的稳定性与一系列国素有关，最主要的是焊接材料成份(是否含有一定比例的低电离势的元素等)和弧焊电源特性。因此，对电源有一系列要求。
a．对电源静特性的要求
弧焊电源的静特性(也称外特性)，是指在规定运行范围内，其稳态输出电流和输出电压之间的关系，一般可分为下降特性和平特性2类，如图1—3所示。

下降特性又可分为3种：一种是陡降特性(或称恒流挣性)，即当电弧电压变化(弧长变化)时，焊接电流几乎不变(如图1—3中曲线1)。这种外特性的电源适用于钨极氩弧焊和等离子弧焊。另一种是缓降特性，即当电弧电压变化时，焊接电流有所变化，但较小，其特性曲线图形接近于1／4椭圆(如图1—3中曲线2)。这种外特性的电源适用于一般手工电弧焊和埋弧焊。还有一种缓降特性，其图形接近为一斜线(如图1—3中曲线3)，这种外特性的电源适用于粗丝CO2焊、埋弧焊和一般手工电弧焊，尤其适用于立焊和仰焊。

在手工电弧焊和钨极氩弧焊中，由于操作者手持焊把或焊炬，难以保持弧长恒定，弧长变化会引起焊接电流变化，造成电弧不稳、熔化速度及熔深不均匀。使用下降特性的电源即使弧长(电孤压降)变化，电流变化亦较小，焊接仍能保持稳定。
在埋弧焊和粗丝熔化极气体保护焊中，应用变速送丝控制系统，要求配用下降特性的电源，为的是利用弧长变化时电压变化较显著这一特点，通过电弧电压自动调节系统，将电压变化量作为反馈信号，使送丝速度迅速作出相应变化，以恢复弧长。
平特性也分为2种：一种是在运行范围内，随电流增大电压接近于恒定不变(又称恒压特性)或稍有下降(如图1—3中曲线4)。这种外特性的电源，适用于等速送丝的粗丝或细丝气体保护焊。另一种是在运行范围内，随电流增大电压稍有增高，称为上升特性(如图1—3中曲线5)。这种外特性的电源，适用于等速送丝的细丝气体保护焊。
若采用平特性电源，当弧长变化时，电压变化极微，而电流却变化显著，这一特点对等速送丝的自动弧焊机能加强电弧的自调节作用，使焊接规范保持稳定。
为保证焊接电孤燃烧稳定，电源必须具备相应的外特性，而且要与电弧静特性适当地配合(见图1—4)；不仅必须有两特性曲线相交的稳定工作点，而且要求电弧静特性在工作点上的斜率应大于电源外特性在工作点上的斜率。

如图1-4a所示，当电弧静特性处在下降段时（即在小电流焊接时），应使电源外特性比电弧静特性更陡。当电弧在通常规范下工作时，电弧静特性处于水平段，则电源外特性下降的程度可以较小（如图1-4b所示）。当电弧工作在静特性上升部分时，则电源可以是平特性，也可以是略为上升的外特性，但其外特性上升的斜率应小于电弧静特性的上升斜率（如图1-4c所示）。
从图1—4a中可以看出，当电弧在对应于A₂点的U_A2、I_A2参数下燃烧时，若因某种原因造成焊接回路电流减小，电弧电压则应相应增大，然而此处电弧电压已接近电源空载电压，不能再进一步提高。这样，就会因电源电压不足而导致电弧中断 若焊接回路电流增大，则电弧电压应相应降低，但由于在电流增加方向电源电压Up均高于电弧所需电压值U，即出现“U_p-U=△U，此剩余电压△U将进一步提高焊接回路的电流，直至达到I_A1值。因此，工作点A₂为非稳定工作点。就两特性的斜率而言，此点电弧静特性的斜率小于电源外特性的斜率，因此工作不稳定。
再看图1—4a中A₁点，若因某干扰电流从I_A1增到I'，这时电源电压低于电弧所需电压，亦即电弧上载荷质子流减少，导致电流碱小，直至回复到I_A1。若电流从I_A1减至I'，则又出现电源电压高于电弧电压，从而促使焊接电流增大，直至回到I_A1。在此点，电压和电流相对于U_A1和I_A1值的任何偏离部将自行修正，所以能保证维持绘定电压、电流值，使电弧稳定燃烧，A₁点即为稳定工作点。在这一点的电弧静特性的斜率大于电源外特性的斜率。
b．对电源动特性的要求
弧焊电源的动特性是指负载状态发生突然变化时，输出电流和输出电压对时间的关系，它表征弧焊电源对负载变化的反应能力。
动特性对非熔化极电弧焊，关系不十分密切。但在熔化极电弧焊时，整个系统在不断地变化。引弧过程是空载—— 短路——燃弧——电弧稳定燃烧；焊接过程则是电弧稳定燃烧——短路——电弧重燃。这样，系统不断地从一种状态过渡到另一种状态。这些状态之间的过渡不是突变的，而是逐渐演变的，这是由于每一种弧焊电源都具有电磁惯性所致 如果弧焊电源的电磁惯性大，形成过渡就缓慢，若焊接规范又不当，则焊接电弧就可能在状态变动中熄灭。因此，要求弧焊电源对电弧电流、电压的瞬时变化应有一定的适应性，亦即对它的动特性有一定的要求。
通常，对弧焊电源动特性的要求包括3个方面：
①对瞬时短路电流峰值的要求。为了加速焊条或焊丝的熔化与金属过渡，希望瞬时短路电流峰值适当大一些；但为了避免焊条过热，把工件烧穿，造成金属飞溅和弧焊电源过载，瞬时短路电流峰值又不能太大。通常要求它等于或小于稳态短路电流值的2．5倍。
②对短路电流上升速度的要求。短路电流上升速度对手弧焊的引弧和熔滴过渡有一定的影响，对细丝CO2焊(短路过渡)则有更太的影响。对应于不同直径的焊丝，要求有各自合适的短路电流上升速度，一般约在15～180kA／s范围内。
③对恢复电压最低值的要求。从短路到空载的过渡过程中，电源电压在出现一个极短时间的电压尖蜂之后紧跟着出现一个电压最低值Umin，然后再逐渐升高至空载电压。若此电压最低值Umin过小，就会出现电弧重燃困难，电弧燃烧不稳定以至断弧的现象 对于弧焊整流器，这个问题不突出，但对弧焊发电机，则要求Umin≥30V。
最后应该指出，上述对电源动特性的要求，都是对直流弧焊电源而言，对于交流弧焊电源，因其电磁惯性小，动特性总能符台要求，所以不必考虑。
c．对电源空载电压的要求
电源空载电压是电源的一个很重要的技术数据。在引弧时，焊条(焊丝)接触工件，往往因表面有锈污或其他杂质而接触不良，接触点电阻很大，若电源空载电压过低，就很难击穿接触面而形成通路。为了保证电弧容易引燃和维持电弧(特别是交流电弧)在焊接过程中稳定连续燃烧，电源必须具有较高的空载电压Uo。一般选Uo≥(1．5～2．4)U。
但从安全角度考虑，空载电压愈高则对焊工愈不安全。而从经济角度考虑，当电源额定电流一定时，其计算容量是和空载电压成正比的。也就是说，空载电压选得较高，电源计算容量愈大，焊机消耗材料也愈多，同时还会使焊机的功率因数降低。所以，电源空载电压应在满足工艺要求的前提下尽量取得低一些。
对用于手工电弧焊的弧焊电源规定(GB15579—1995)为：
弧焊变压器Uo≤80V；
弧焊整流器Uo≤85V。
直流弧焊发电机规定(JB685—92)为：
Uo≤113V(直流峰值)
对铸极氩弧焊机规定(GB15579—1995)为：
手工交流Uo≤80V(有效值)；
手工直流Uo≤l13V(直流峰值)；
自动交流Uo≤100V(有效值)；
自动直流Uo≤141V(直流峰值)。
对半自动CO2弧焊机规定(CB15579—1995)为：
Uo≤100V(有效值)。
d．对电源调节特性的要求
焊接时根据焊件材质、厚度、几何形状及焊接位置的不同，要选用不同直径的焊条或焊丝，同时要选用不同的焊接规范。这时，要求电源能够通过调节得出不同的电源外特性曲线，也就是要求电源具有良好的调节特性。

以手工电弧焊来说，所用电流一般在100—400A之间，变化范围不大。电弧电压即使不变，只改变焊接电流，也能保证得到所要求的焊缝形状。由于电弧电压可以不变，电源空载电压也就不必作相应的改变。因此，手弧焊电源可用如图1—5a所示的调节特性。即空载电压保持不变，在电流调节范围内，能保证易于引弧及电弧燃烧稳定。
当使用小电流焊接时，因电流小，热发射能力弱，需要有强电场作用，才易于引弧，并保证电弧燃烧稳定。这时，要求电源具有较高的空载电压。当使用大电流时，所需空载电压可以降低。所以，手弧焊电源的理想调节特性应如图1—5b所示。
对于埋弧自动焊来说，为了保证焊缝质量，要求熔宽和熔深保持一定的比例关系。而一般焊接电流增加，熔深增大；电弧电压增加，则熔宽增加，所以要求在增加焊接电流时，电弧电压也要增加。由于电弧电压与电源空载电压通常也有一定的比例关系，所以，对于埋弧自动焊的电源，应具有如图1—5c所示的调节特性。即随着焊接电流的增加，同时提高电源的空载电压。然而，这种随焊接电流的减小其空载电压亦降低的调节特性，不适用于手工电弧焊。因为在小电流焊接时，由于短路电流小，发热量差，若加上空载电压低，将不利于引弧。
1．3 焊丝送给方式和对焊接电源特性的要求
在焊接过程中保持焊接参数(焊接电流I_b、电弧电压U_b、焊接速度v_b)不变，使电弧稳定燃烧，对于确保焊接质量是至关重要的。对半自动焊接而言，焊接速度完全由人工掌握，可尽量保持v_b不变。但要保持I_b、U_b不变却是不容易的。因为一方面焊丝要不断熔化到熔池中，同时还由于工件表面不平、坡口不规则、可能有错边、定位焊等原因而使弧长发生变化，从而使U_b、I_b发生变化。以往在手弧焊中，要保持电弧稳定，只能靠焊工的人工操作，而在自动、半自动焊中，则要靠电弧的自动调节系统。
电弧自动调节系统可分为2大类，即电弧电压自动调节系统和电弧自身调节系统。前者的特点是送丝速度在焊接过程中随电弧电压的升高(或降低)而加快(或减慢)，以自动恢复稳定，均匀调节式自动焊机就是采用这种调节系统。一般半自动气体保护焊机多采用电弧自身调节系统。其特点是在焊接过程中送丝速度恒定不变。而电弧本身有这样的特性，即焊丝熔化速度会跟随弧长的变化而变化，当弧长增大时，电流减小，焊丝熔化速度相应减慢，反之则加快，这样，就可自动保持弧长不变。
1．3．1 电弧自身调节过程

此过程可由图1—6来说明。图中电源外特性曲线3与电弧静特性曲线Lo的交点Oo为稳定工作点。这时送丝速度vs等于焊丝的熔化速度vr。当弧长因干扰由L₀)增大至L₁时，电弧静特性曲线上移，工作点即相应移到O1。这时焊接电流从I₀减至I₁。我们知道，电流减小，则电弧产生的热能也减小，相应地焊丝熔化速度vr，亦减小。然而，送丝速度vs却保持不变，这样，在O₁点燃烧时，vs>vr，电弧就会逐渐缩短，直至缩到原来的L₀长度为止，电弧即重新在Oo点稳定燃烧。相反，如果外界干扰使弧长缩短，即工作点移至O₂点，则电流增大至I₂，vr将增大而vs不变，那么vr>vs，于是弧长逐渐拉长，直至回复至原来的0o点上稳定燃烧。

1．3．2 电弧自身调节对焊接电源的要求

影响上述电弧自身调节作用灵敏度的因素很多，其中最主要的有电源外特性和电弧静特性。

在同样的弧长变化下，电源外特性曲线越陡，所引起的焊接电流变化越小，电弧自身调节作用也越弱。如图1—6所示，当弧长由Lo增大至L1时，陡降外特性电源I所引起的电流变化要小于缓降外特

性电源2所引起的电流变化，更远小于平特性电源3的电流变化。若采用上升特性的弧焊电源，当其斜率小于电弧静特性曲线在交点处的斜率时，仍具有较好的自调节作用。但若电源的外特性上升斜率

大于电弧静特性曲线斜率(如图1—6中曲线4)，则不能确保电弧稳定燃烧。因为这时弧长增大，电流反而随之增加，于是vr亦增大，弧长将越来越长，直至拉断；相反，若弧长缩短，电流却变小，vr变小，弧长将进一步缩短，直至戳灭。因此，采用等速送丝，应用电弧自身调节作用时，最好配用平特性电源，绝不能用陡降的或上升太陡的外特性的电源。

电弧静特性曲线对电弧自身调节的灵敏度也有影响。如果使用细焊丝，电流密度较大，电弧静特性曲线呈上升趋势，配用平特性电源则电弧自身调节作用最强。如果焊丝较粗，所用焊接电流不太大，即电弧静特性曲线呈平状，此时应配用缓降外特性电源，使电弧自身调节作用加强，而且所用焊接电流越大，电弧自调节的灵敏度越高。

1．3．3 电弧自身调节系统的静特性

电电弧自身调节系统的静特性曲线，就是在一定的焊接条件下，用某一速度送丝时，各个焊接过程稳定工作点的连线。它可通过实验求得。在形式上是一条稍稍向右倾斜的直线，见图1—6中的V曲线。可以认为，电弧燃烧时任何一个稳定工作点都是电源外特性曲线、电弧静特性曲线和电弧自身调节系统静特性曲线的交点。电弧在V曲线上任何一点燃烧，都符合vs=vr的关系，即焊接过程是稳定的。电弧不在V曲线上燃烧，则vs≠vr，例如O₁点在V曲线的左侧，即vs>vr；而O₂点在V曲线的右侧，则vs

由于每一根V曲线都是在某vs一定的情况下得到的，当送丝速度 改变时，例如vs降低，V曲线将向左移动，即焊接电流降低；若vs增大，V曲线将向右移动，这意味着焊接电流增大。在等速送丝式焊机中，正是利用这种特性通过改变送丝速度来实现调节焊接电流的。