武汉理工大学《弧焊电源》复习资料.docx

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武汉理工大学《弧焊电源》复习资料

第一章

名词解释

焊接电弧的基本物理现象：

气体的电离和电子发射

1.气体原子的电离：

使电子完全脱离原子核的束缚，形成离子和自由电子的过程。

2.热电离：

高温下，具有高动能的气体原子或分子互相碰撞而引起的电离。

3．热发射：

物质的固体或液体表面受热后，其中某些电子具有大于逸出功的能量而逸出到表面外的空间去的现象。

4.电子发射：

在阴极表面的原子或分子，接受外界的能量而释放出自由电子的现象。

5.焊接电弧静特性：

一定长度的电弧在稳定状态下，电弧电压Uf与电弧电流If之间的关系，成为焊接电弧静特性。

6.焊接电弧动特性：

在一定的弧长下，当电弧电流很快变化的时候，电弧电压与电流瞬时值之间的关系uf=f（if）

7.弧焊电源外特性：

在电源参数一定的条件下，改变负载时，电源输出的电压稳定值Uy与输出的电流稳定值Iy之间的关系Uy=f（Iy），称为电源外特性。

8.强电场作用下的自发射：

物质的固体或液体表面，虽然温度不高，但当存在强电场并在表面附近形成较大的电位差时，使阴极有较多的电子发射出来，这就称为强电场作用下的自发射。

9.接触引弧：

在弧焊电源接通后，电极与工件直接短路接触，随后拉开，从而把电弧引燃起来。

10.非接触引弧：

指在电极和工件之间存在一定间隙，施以高电压来击穿间隙，使电弧引燃。

11．负载持续率：

Fs=负载持续运行时间t／（负载持续运行时间t+休止时间）*100%

12.弧焊电源调节性：

弧焊电源满足不同的工作电压、电源的需求的可调节性。

第一章

1.焊接电弧物理现象：

气体的电离和电子发射。

2.气体原子电离的三种形式：

撞击电离、热电离、光电离。

3.电子发射的四种形式：

热发射、光电发射、重粒子撞击发射、强电场作用下的自发射。

逸出功：

电子发射所需的能量，约为电离能的1|2~1|4.

4.电弧的三个组成部分及电位分布。

电弧有三个部分构成：

阴极区、阳极区、弧柱区。

阳极区存在阳极压降：

基本上与电流无关，近似为一常数。

阴极区存在阴极压降：

电流较小时，阴极压降保持不变；电流较大时，阴极压降随电流的增加而增加。

而弧柱区的弧柱压降与弧柱长度成正比：

分下降段、水平段、上升段三部分。

5. 交流电弧连续燃烧的条件是使熄弧时间为零。

6.影响交流电弧稳定燃烧的因素：

空载电压Uo：

Uo愈高，在同等大小的引弧电压下，熄弧时间愈短，电弧就越稳定；引燃电压Uyh：

Uyh愈高，引燃电弧愈难，电弧愈不稳定。

电路参数：

当ωL/R这一比值不大时，增大L或减小R，即使ωL/R比值增大，均可使电弧趋向稳定连续燃烧。

电弧电流：

电弧电流愈大，电弧的稳定性会提高。

电源频率f：

f提高，会提高电弧的稳定性；电极的物理性能和尺寸。

7.提高交流电弧稳定性的措施：

提高焊接电源频率、提高电源的空载电压、改善电弧电流波形、叠加高压电

8.电弧的功率因数λf：

功率因数是指交流电弧的有功功率与电弧电压和电弧电流有效值乘积的比值。

9脉冲弧焊电源可调节规范参数：

脉冲电流峰值Im，脉冲基本电流Ij，脉冲时间t1，休止时间t2，周期T，频率f，宽度比K（=t／T），脉冲平均电流Ip，脉冲电流上升率di／dt，脉冲电流下降率-di／dt.

第二章

1.“电源-电弧”系统的稳定条件：

电弧静特性曲线在工作点上的斜率必须大于弧焊电源外特性曲线在该工作点上的斜率。

2.焊条电弧焊、埋弧焊多半工作在静特性的水平段；CO2焊工作在上升段；钨极氩弧焊、等离子弧焊在电流不大时工作在水平段，在电流较大时工作在上升段。

焊条电弧焊采用下降外特性或恒流加外拖特性电源；细丝熔化极弧焊采用等速送丝系统配以缓降或平特性电源；粗丝熔化极弧焊采用下降外特性；TIG焊采用恒流特性的垂直陡降外特性。

CO2气体保护焊采用平外特性电源，钨极氩弧焊一般选用陡降外特性或恒流外特性电源。

焊条电弧焊——工作在静特性的水平段——采用下降外特性或恒流加外拖特性电源

埋弧焊——工作在静特性的水平段——采用下降外特性电源

CO2气体保护焊——工作在上升段——采用平外特性电源

钨极氩弧焊——在电流不大时工作在水平段，在电流较大时工作在上升段——般选用陡降外特性或恒流外特性电源。

等离子弧焊——在电流不大时工作在水平段，在电流较大时工作在上升段——般选用陡降外特性或恒流外特性电源。

3.弧焊电源调节特性：

通过电源外特性的调节来体现。

4.负载特性曲线：

规定工作电压与工作电流为一缓升直线关系的曲线。

5.弧焊电源动特性及其对焊接过程的影响。

答：

弧焊电源动特性：

电弧负载状态发生突然变化时，弧焊电源输出电压与电流的响应过程。

动特性对焊接的影响主要体现如下：

由于焊接电弧是动态负载，所以其焊接电源－电弧系统的状态是时刻变化的，引弧过程中，系统在空载→短路→燃弧→电弧稳定燃烧等几个状态之间交替变化；焊接过程中，则是在电弧稳定燃烧→短路→电弧重燃等几个状态之间交替变化。

可见，系统不断从一种状态过渡到另一种状态。

由于各种弧焊电源都具有一定的电磁惯性，因此，系统各种状态之间的过渡不是突变的，而是逐渐变化的。

如果弧焊电

源的电磁惯性过大，系统各状态之间的过渡就缓慢，若焊接参数选择又不当，则焊接电弧就可能在状态变动中熄灭。

因此，就要求弧焊电源在焊接中，当电弧长度、电弧电压和电流变化时，必须具有满足动态电弧负载要求的特性。

举例说明，

对于焊条电弧焊，

空载到短路的瞬时短路电流峰值Isd主要影响引弧过程；

由负载到短路的瞬时短路电流峰值Ifd主要影响熔滴过渡的情况；

对于短路细丝CO2焊接，

短路电流上升率di/dt也是影响熔滴过渡是否平稳、飞溅大小、焊接过程是否稳定的主要因素

第三章

1.弧焊变压器的特点：

应用广泛、结构简单、制造维修方便、成本低廉、节约电能。

2.动铁心式弧焊变压器、动线圈式弧焊变压器、同体式弧焊变压器外特性获得原理，焊接规范调节原理

答：

动铁心式：

它是一种增强漏磁式弧焊变压器，靠增强本身漏磁获得下降外特性。

变压器一次绕组和二次绕组耦合的不紧密，之间设有铁心磁分路减小漏磁磁阻而使漏磁显著增强。

焊接规范的调节是通过移动动铁芯来调节电抗实现的。

Xfl∝ωμ0N22Sδ/δ,铁心向外移动时，Sδ↓δ↑→Xfl↓→Xzl↓→If↑。

动线圈式：

变压器高而窄，初次级之间的间距可调，初次级绕组耦合不紧密而产生很强的漏磁，由此产生的漏抗使电源获得下降外特性。

焊接规范的调节方式有两种方式:

1改变δ12以进行均匀调节。

增大δ12时，Xzl↑-KmU0↓-If↓ 2改变W2的匝数N2以进行有级调节，小规范时初次级各两绕组串联，使N2增加；同时去掉部分初级绕组以提高U0；大规范初次级各两绕组并联，使N2减少。

同体式：

变压器和电抗器做成一体，公用中间磁轭。

正常漏磁式降压变压器和调节空气隙式电抗器一起获得下降外特性。

焊接规范通过调节电抗器空气隙实现。

δ↑-Xk↓-If↑

3.同体式弧焊变压器二次绕组W2与电抗器绕组WK连接方式及对焊接参数的影响。

答：

W2与WK串联使用，但有两种连接方式：

是令E20与EK0相加，即为顺联（将两者的非同名端联在一起），这是U0=E20+EK0；

是令E20与EK0想减，即为反联，这是U0=E20-EK0。

由于EK0值不超过3V，粗略的说，可以认为U0=E20，故顺反联队空载电压影响不大。

第四章

1.磁放大器式硅弧焊整流器采用双铁心式磁放大器的原因。

（×）

答：

只用一个磁放大器基本单元时，会产生以下问题：

1）交变电流会在匝数较多的控制绕组中感应出较高的电势，影响磁放大器的正常工作。

2）交流磁通在正负半波分别与直流控制磁通相加或相减，使交流电流波形发生畸变，会产生直流分量，增加变压器的励磁电流。

采用双铁心式磁放大器可以解决上述问题。

2.磁放大器式硅弧焊整流器3种主电路及外特性。

（×）

答：

无反馈硅磁放大器式弧焊整流器、有反馈磁放大器式弧焊整流器、部分内反馈磁放大器式弧焊整流器。

3.抽头式硅弧焊整流器的工作原理及规范调节方式

答：

工作原理：

主要由主变压器T、三相桥式硅整流器UR和输出电抗器L组成。

主变压器是正常漏磁的一般三相降压变压器，漏磁很小，可以获得近于水平的外特性。

为调节输出电压，在一次绕组设有若干抽头，以便改变一次绕组匝数。

调节规范：

改变一次、二次绕组匝数N1、N2，可调节输出电压。

在主变压器一次绕组线包外层铣出一个平面，让导线金属外露，用电刷与其接触滑动，以便均匀改变一次绕组匝数，即滑动变压器式。

第五章

1.晶闸管式弧焊整流器主电路形式，工作原理，主要器件功能。

答：

晶闸管式弧焊整流器主电路形式有四种，即三相桥式半控整流电路、三相桥式全控整流电路、六相半波整流电路、带平衡电抗器双反星形可控整流电路。

三相桥式半控整流电路：

2.晶闸管整流弧焊电源对触发电路的要求、套数、控制角。

答：

对触发电路的要求：

1）触发脉冲有足够的功率

2）触发脉冲与加于晶闸管的电源电压必须同步、保证同频率、同相位

3）触发脉冲应能够移相并达到要求的移相范围

4）元件不触发时，触发电路输出的电压应小于相应晶闸管的控制极触发电压，以免误导通

5）触发电路工作要稳定可靠，不受温度影响。

套数：

1）.用六套触发电路：

触发移相范围大180°、电路复杂

2）.用三套触发电路：

用于六相整流电路，三套触发路每个触发电路先后触发两个晶闸管。

三套触发电路相位互差120°。

理论上触发移相范围180°。

3）.用两套触发电路：

用于共阳极接法的带平衡电抗器双反星形可控整流电路。

理论上触发移相范围120°，满足要求。

3.三相全桥触发电路要求

①采用双窄脉冲触发：

触发电压宽度小于60°，触发电路一次输出两个脉冲：

基本脉冲和添补脉冲。

触发脉冲相邻60°

②采用单宽脉冲触发：

触发电压宽度大于60°，每个周期一只晶闸管只触发一次，触发脉冲相邻60°

4.晶闸管式弧焊整流器外特性控制原理。

答：

晶闸管式弧焊整流器外特性是通过控制晶闸管的触发控制角实现。

在晶闸管弧焊整流器中，采用闭环控制方式。

由于晶闸管或控制角的大小是由触发电路的输入电压Uk值确定的，故选用电流反馈、电压反馈或电流、电压联合反馈对输入电压Uk进行控制，从而实现各种外特性。

只用电弧电压负反馈时可得到恒压外特性；当采用电流负反馈时，可获得恒流外特性；当放大倍数太大，容易产生振荡，故只能获得较为陡降的外特性。

当采用电流电压联合负反馈时，可以得到一定斜率的上升或下降外特性。

5.矩形波交流特点

（1）电弧稳定，电流过零时间只需几十至100微秒；

（2）正负半波通电时间可调，正负半波电流幅值可调；

（3）可以用在钨极氩弧焊、埋弧自动焊、碱性焊条的焊条电弧焊；

（4）缺陷：

电源成本高，电弧交流噪音大，电源对电网有干扰。

6.晶闸管─电抗器式矩形波交流弧焊电源工作原理.

答：

晶闸管——电抗器式矩形波交流电源主电路的工作原理：

正半波，VT1、3导通，电流：

a→VT1→L（RD）→VT3→电弧→b；

负半波，VT2、4导通，电流：

b→电弧→VT2→L（RD）→VT4→a。

采用电流反馈调节晶闸管控制角可获得恒流外特性；若要获得恒压外特性，则采用电压负反馈。

调节输出总电流I是通过控制所有晶闸管的触发相位α实现；利用正、负半波晶闸管控制角不同，正、负半波电流输出不同来实现对焊接电流比β调节。

第六章

1.逆变弧焊电源特点及其原因。

答：

1）体积小、重量轻、节省材料。

变压器U=4.44fNSBmNS=U/4.44fBm

工频50Hz、逆变频率103~104Hz

2）高效节能变压器铜、铁量减少，使铜、铁的电能损耗随着材料的显著减少而大幅度降低，效率可达0.85，功率因数一般都超过0.95。

3）焊接工艺性能好：

（1）可以获得多种外特性曲线；

（2）动特性得到较大的改善；

（3）交流焊接时，电流过零时间大大减小，从而提高交流电弧的稳定性。

2.逆变弧焊电源4种类型

答：

晶闸管（SCR）式弧焊逆变器；晶体管（GTR）式弧焊逆变器；场效应管（MOSFET）式弧焊逆变器；IGBT式弧焊逆变器。

3.逆变弧焊电源外特性及焊接规范调节方式

答：

弧焊逆变器是利用电子控制系统和电流电压反馈对电子功率系统（逆变器）进行闭环控制，来获得不同外特性曲线形状的。

利用电流反馈、电压反馈、或电流电压联合反馈，采用定脉宽调频率或定频率调脉宽这两种控制方式之一，就可获得恒流、恒压及多种形状的电源外特性。

附加：

逆变弧焊电源由哪几种类型，请说明这几种电源功率开关管的控制方式。

分别采用什么样的外特性控制及规范调节方式？

答：

逆变弧焊电源分别有晶闸管式、晶体管式、场效应管式和IGBT式弧焊逆变电源。

晶闸管触发导通需要在其阳极和阴极之间施加正向压降，控制角（栅极）和阴极之间加一定值的正向电压，并有一定的触发电流。

晶闸管导通后，无需再施加控制信号；晶体管属于电流控制型，只有在基极和发射极之间通过一定的基极电流，才可以饱和导通；场效应管和IGBT管属于电压控制型，只要提供场效应管的栅极和源极之间、IGBT管栅极G和发射极E之间一定值的正向驱动电压，两种功率器件即导通，但导通过程中驱动电流很小。

晶闸管式逆变弧焊电源外特性控制和参数调节是通过定脉宽调频率的方式实现。

即脉冲宽度不变，通过改变逆变器的开关频率来调节参数大小。

通过电流和电压反馈控制逆变器工作频率实现外特性的控制。

晶体管式、场效应管式和IGBT式弧焊逆变电源采用定频率调脉宽的方式控制焊接规范的调节和实现电源外特性，即脉冲频率不变，通过改变逆变器脉冲的脉宽比来调节工艺参数。

通过电流和电压反馈控制脉宽比实现电源外特性控制。

4.逆变弧焊电源主电路形式。

答：

单端式弧焊逆变器、串联半桥式弧焊逆变器、串联全桥式弧焊逆变器、并联式弧焊逆变器

5.串联半桥式和全桥式弧焊逆变器工作原理

答：

半桥式：

负载（变压器T）与换流电容C3、4串联。

VT1触发，C3放电，反向充电，C4正向充电；VT2触发，C4放电，反向充电，C3正向充电。

全桥式：

负载（变压器T）与换流电容C并联

VT1、4触发，C充电左正右负，T通过电流从左到右；

VT2、3触发，C充电左负右正，T通过电流从右到左；

VT2、3触发，C放电使强迫VT1、4关断；

同理，VT1、4触发，C放电使强迫VT2、3关断

6.功率开关管的控制方式

答：

晶体管式、场效应管式和IGBT式弧焊逆变电源采用定频率调脉宽的方式控制；晶闸管式逆变弧焊电源通过定脉宽调频率的方式实现。

7.软开关逆变电源概念

答：

采用谐振变流技术，功率器件在零电压或零电流条件下自然开通或关断的开关。

第七章

1.弧焊电源的控制方法的分类

答：

按控制装置分：

机械式、电磁式、电子式、数字式

2.典型弧焊电源采用的控制方法类型

答：

机械式：

抽头式（弧焊变压器、弧焊整流器）、动铁式、动线圈式（弧焊变压器、弧焊整流器）

电磁式：

磁放大器式弧焊整流器、弧焊发电机

电子式：

晶闸管式弧焊电源、晶体管式弧焊电源、弧焊逆变器、方波交流弧焊电源

数字式：

单片微机MCU、DSP（数字信号处理器）、ARM嵌入式处理器

3.数字式控制的弧焊电源特点

答：

多功能集成；

接口的兼容性好；

具有更好的稳定性；

具有更高的控制精度；

便于功能升级。