材料成形設(shè)備及自動(dòng)化正文修訂

1、緒 論焊接是一種將材料永久連接，并成為具有給定功能結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)。在生產(chǎn)制造中，從幾十萬(wàn)噸的巨輪到不足1克的微電子元件，都不同程度地要應(yīng)用到焊接技術(shù)。尤其是鋼鐵材料必須通過(guò)各種熱加工,如焊接、鍛壓、鑄造、熱處理等工序,才能成為有使用價(jià)值的產(chǎn)品。世界工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的焊接結(jié)構(gòu)用鋼一般占年鋼產(chǎn)總量的60%以上，目前我國(guó)已經(jīng)成為世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)國(guó)和消耗國(guó)，而我國(guó)焊接結(jié)構(gòu)用鋼量也將提高到年鋼產(chǎn)總量的50%以上。由此可見(jiàn)，焊接在現(xiàn)代制造業(yè)中的重要地位，以及對(duì)人們的生產(chǎn)、生活、勞動(dòng)就業(yè)、財(cái)富創(chuàng)造起到的重大作用。今天焊接成型技術(shù)的應(yīng)用之所以如此廣泛,是因?yàn)楹附咏Y(jié)構(gòu)具有一系列的優(yōu)越性：1） 焊接結(jié)構(gòu)不受外形尺

2、寸限制,可以方便地拼成尺寸很大的工程結(jié)構(gòu)；2） 與鉚接或螺栓連接相比,焊接結(jié)構(gòu)的重量較輕,沒(méi)有鉚釘或螺釘?shù)母郊又亓浚?） 與鑄造結(jié)構(gòu)相比,可方便地制成空心結(jié)構(gòu)或封閉結(jié)構(gòu)；4） 焊接結(jié)構(gòu)的整體性好；5） 焊接結(jié)構(gòu)的密封性好,這對(duì)壓力容器或真空容器的制造是不可缺少的條件；6） 可根據(jù)結(jié)構(gòu)服役及設(shè)計(jì)的需要,在不同的部位采用不同材質(zhì)或不同級(jí)別的材料,也可采用不同厚度的材料,從而節(jié)省材料,發(fā)揮材料的最大效能。同時(shí)，結(jié)構(gòu)也更為輕巧,成本更低。電焊機(jī)是實(shí)現(xiàn)焊接成型的主要技術(shù)設(shè)備，素有“鋼鐵縫紉機(jī)”之稱(chēng)。目前，鋼材仍是最主要的結(jié)構(gòu)材料。2005年，我國(guó)已成為世界上最大的產(chǎn)鋼國(guó)和用鋼國(guó)。近年來(lái)，我國(guó)在大型焊接鋼

3、結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用方面取得了引人矚目的成就，有的已成為世界第一。例如，舉世矚目的的長(zhǎng)江三峽水電工程，三峽水電站總裝機(jī)容量18200MW,相當(dāng)18 座大型核電站,是世界最大的水電站。其水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑為10.7m，高5.4m，重達(dá)440t，為世界最大、最重的不銹鋼焊接轉(zhuǎn)輪。三峽水電站的電動(dòng)機(jī)定子座和蝸殼的結(jié)構(gòu)也是巨大的，其中電動(dòng)機(jī)定子座直徑為22m，高6m，重832t，是在我國(guó)焊接的最大鋼結(jié)構(gòu)機(jī)座；蝸殼進(jìn)水口直徑為12.4m，總重量750t，為世界最大、最重的焊接蝸殼。三峽永久船閘人字閘門(mén)，門(mén)體高38.5m, 寬20.2m,厚3.0m。每閘人字門(mén)由左右兩扇門(mén)葉組成。單扇門(mén)重達(dá)800t，號(hào)稱(chēng)“天下第一

4、門(mén)”。大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)焊接工程的代表如北京國(guó)家體育場(chǎng)（“鳥(niǎo)巢”）、國(guó)家游泳中心（“水立方”）、北京國(guó)家大劇院等。高層建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接工程如中央電視臺(tái)新臺(tái)址大樓、上海環(huán)球金融中心等。隨著我國(guó)鐵路與公路建設(shè)的發(fā)展,鋼橋建設(shè)得到了飛速的發(fā)展。特別是多座跨越長(zhǎng)江的大橋,設(shè)計(jì)與制造技術(shù)已接近世界先進(jìn)水平。世界全部斜拉橋排名前10 位的焊接鋼橋中,我國(guó)就有6 座。鋼橋的制造已從栓焊向全焊接過(guò)渡。我國(guó)已建成的大跨度代表性全焊接鋼橋有“世界第一拱橋”上海盧浦大橋、南京長(zhǎng)江三橋等等。西氣東輸工程的天然氣管線(xiàn)，全長(zhǎng)約4300km，是橫貫我國(guó)東西的能源大動(dòng)脈,為能源緊缺的中國(guó)東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)輸送豐富的天然氣資源。輸氣

5、管線(xiàn)管徑為1016mm ,壁厚14.1626.12mm ,X70 級(jí)鋼,鋼管用量170萬(wàn)t。其中涉及到大量的螺旋管焊接和直縫管焊接。這是我國(guó)鋪設(shè)的第一條高強(qiáng)度鋼的長(zhǎng)距離管線(xiàn)，在鋪設(shè)中大量使用了自動(dòng)化焊接設(shè)備。我國(guó)的造船業(yè)在過(guò)去的20年里有了很大的發(fā)展。2006年我國(guó)造船完工總量突破1400萬(wàn)載重噸，為世界第三造船大國(guó)。我國(guó)已能夠自主設(shè)計(jì)建造30萬(wàn)t 級(jí)超大型原油船和8000箱級(jí)超大型集裝箱船,并已成功進(jìn)入液化天然氣船建造市場(chǎng),預(yù)計(jì)15 年后中國(guó)將成為世界第一造船大國(guó)。焊接技術(shù)在船舶制造中占有舉足輕重的位置,是最主要的工藝技術(shù)。上述的一些大型結(jié)構(gòu)例子都是我國(guó)近年來(lái)焊接的最大、最新的具有代表性的重

6、要產(chǎn)品。其他方面包括從核能發(fā)電到微電子技術(shù)發(fā)展,從探索宇宙空間到深海資源開(kāi)發(fā),從汽車(chē)到家電產(chǎn)品制造,均離不開(kāi)焊接技術(shù)。如“神舟”載人飛船和長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭的燃料箱，都是全焊接的鋁合金結(jié)構(gòu)。一輛Passat車(chē)身上有電阻焊點(diǎn)5892個(gè)、螺柱焊206個(gè)、GMAW 焊縫總長(zhǎng)2397 mm。因此，焊接技術(shù)及設(shè)備在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮著無(wú)可替代的重要作用。焊接成型技術(shù)的發(fā)展有賴(lài)于焊接設(shè)備的發(fā)展，而電焊機(jī)是最主要的焊接設(shè)備。從技術(shù)基礎(chǔ)來(lái)看，電焊機(jī)不僅綜合了電氣、機(jī)械、焊接技術(shù)，還廣泛地應(yīng)用了電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、超聲波技術(shù)、真空技術(shù)、等離子物理、光學(xué)、聲學(xué)等各方面的最新成就。因而，電焊機(jī)的

7、功能和質(zhì)量都隨之日新月異地發(fā)展。電焊機(jī)已經(jīng)歷了機(jī)械控制電磁控制電子控制的時(shí)代，并已進(jìn)入電子時(shí)代。從現(xiàn)在的情況看，任何一種新型的、先進(jìn)的焊接設(shè)備都離不開(kāi)電子控制技術(shù)。正是由于各種控制技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，又賦予了各種焊機(jī)以新的生命力，從而大大地改變了其原來(lái)面貌。逆變技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于焊條電弧焊、TIG焊、MAG焊等弧焊電源中，在電阻焊機(jī)中也開(kāi)始獲得應(yīng)用。一些具有焊接參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)、操作和調(diào)整以及焊后檢測(cè)等功能的先進(jìn)焊接設(shè)備將逐步進(jìn)入工業(yè)實(shí)用階段，多功能的機(jī)電一體化焊機(jī)也相繼問(wèn)世。目前，大量的微型計(jì)算機(jī)在焊接設(shè)備中得到應(yīng)用。特別是廉價(jià)的單片機(jī)在電弧焊、電阻焊和特種焊接設(shè)備中大量采用，以擴(kuò)展其功能，

8、提高其自動(dòng)化程度。數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）在弧焊電源控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，極大地推動(dòng)了數(shù)字化弧焊電源的發(fā)展。焊接機(jī)器人是焊接過(guò)程自動(dòng)化的重要標(biāo)志。目前，焊接機(jī)器人已進(jìn)入工業(yè)實(shí)用階段，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已大量使用焊接機(jī)器人來(lái)進(jìn)行自動(dòng)化焊接生產(chǎn)。焊接機(jī)器人可擺脫對(duì)高級(jí)熟練焊工的依賴(lài)，進(jìn)一步提高焊接質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率，解決某勞動(dòng)條件十分惡劣或工人根本無(wú)法進(jìn)入的場(chǎng)合（例如高溫、放射性、真空等）的焊接問(wèn)題。潔凈、環(huán)保焊接技術(shù)是21世紀(jì)焊接行業(yè)發(fā)展的必由之路，只有通過(guò)發(fā)展焊接生產(chǎn)自動(dòng)化裝備及其自動(dòng)控制系統(tǒng)，才能得以實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)代焊接機(jī)器人大多用于柔性自動(dòng)化工作站或焊接生產(chǎn)線(xiàn)，它是由焊接機(jī)器人、焊接電源、焊接工藝裝備、上下

9、料機(jī)械手等的組合，以及離線(xiàn)CAD仿真編程構(gòu)成的，用微機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行綜合控制。柔性機(jī)器人工作站易于變更不同的焊接產(chǎn)品，可適用各種批量的生產(chǎn)線(xiàn)，是非常受歡迎的一種焊接自動(dòng)化途徑。焊接生產(chǎn)柔性化的發(fā)展方向是要發(fā)展能識(shí)別環(huán)境并隨時(shí)精確跟蹤焊縫軌跡及調(diào)整焊接參數(shù)的焊接機(jī)器人。柔性焊接機(jī)器人工作站代表了成套焊接設(shè)備微機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展方向。焊接過(guò)程控制系統(tǒng)的智能化是焊接生產(chǎn)自動(dòng)化的核心問(wèn)題之一。把人工智能技術(shù)引入焊接設(shè)備的控制，以形成焊接設(shè)備的智能控制系統(tǒng)。具有代表性的是焊接過(guò)程的模糊控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和焊接專(zhuān)家系統(tǒng)。焊接自動(dòng)化系統(tǒng)是機(jī)、電、焊等各項(xiàng)技術(shù)的集成，涉及技術(shù)領(lǐng)域廣泛，要求水平較高。焊接

10、自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展過(guò)程也就是電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、信息傳感器技術(shù)和軟件技術(shù)與焊接工藝的融合、滲透過(guò)程。第一章 弧焊電源第一節(jié) 對(duì)弧焊電源的要求一對(duì)弧焊電源的基本要求常用的焊接電弧電壓約為2040V，電流在幾十至上千安，而我國(guó)的工業(yè)電網(wǎng)采用三相四線(xiàn)制交流供電，頻率為50Hz，相電壓為220V，線(xiàn)電壓為380V。因此在工業(yè)電網(wǎng)與焊接電弧負(fù)載之間必須有一種能量傳輸與變換裝置，這就是弧焊電源?；『鸽娫词请娀『笝C(jī)中的核心部分，是用來(lái)對(duì)焊接電弧提供電能的一種專(zhuān)用設(shè)備。對(duì)它的要求除有與一般電力電源相同之處外，在電氣特性和結(jié)構(gòu)方面，還需具有與各種焊接工藝方法相適應(yīng)的特性。這主要是由于弧焊電源的

11、負(fù)載是電弧，它的電氣性能就要適應(yīng)電弧負(fù)載的特性。因此，弧焊電源需具備工藝適應(yīng)性，即應(yīng)滿(mǎn)足弧焊工藝對(duì)電源的下述要求： 1) 保證引弧容易； 2) 保證電弧穩(wěn)定； 3) 保證焊接規(guī)范穩(wěn)定； 4) 具有足夠?qū)挼暮附右?guī)范調(diào)節(jié)范圍。為滿(mǎn)足上述工藝要求，弧焊電源的電氣性能應(yīng)考慮以下三個(gè)方面：1) 對(duì)弧焊電源外特性的要求；2) 對(duì)弧焊電源調(diào)節(jié)性能的要求；3) 對(duì)弧焊電源動(dòng)特性的要求。0UY UY = f（IY）IY 圖 1-1 弧焊電源外特性二對(duì)弧焊電源外特性的要求1弧焊電源的外特性電源的外特性是指在規(guī)定的范圍內(nèi)，電源穩(wěn)態(tài)輸出電流Iy與輸出電壓Uy之間的關(guān)系曲線(xiàn)，即Uy=f（Iy）稱(chēng)為電源的外特性。圖1-1

12、所示就是一條弧焊電源外特性曲線(xiàn)。對(duì)于直流電源，Iy和Uy為輸出電流和電壓的平均值，對(duì)于交流電源則為輸出電流和電壓的有效值。不同的弧焊方法對(duì)弧焊電源外特性會(huì)提出不同的要求。因此，弧焊電源有下降（緩降、陡降、垂降）、水平等外特性。2焊接電弧的靜特性0AUf BCIf 圖 1-2 電弧靜特性一定長(zhǎng)度的電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)，電弧電壓Uf與電弧電流If之間的關(guān)系曲線(xiàn)，即Uf=f（If）稱(chēng)為電弧的靜特性。焊接電弧是一種非線(xiàn)性負(fù)載，經(jīng)實(shí)測(cè)電弧的靜特性曲線(xiàn)近似呈U形曲線(xiàn)，如圖1-2所示。隨著電流密度逐漸增大，可以分為A、B、C三個(gè)區(qū)段，即下降段、水平段、上升段。對(duì)于不同的焊接方法，其電弧的靜特性曲線(xiàn)有所不同，且工作

13、于不同的區(qū)段，如手工弧焊、埋弧焊多工作于水平段；非熔化極氣體保護(hù)焊、等離子弧焊也多工作于水平段，但當(dāng)電流較大時(shí)則工作于上升段；熔化極氣體保護(hù)焊（氬弧焊、CO2焊）基本工作于上升段。3“電源一電弧”系統(tǒng)穩(wěn)定工作條件弧焊電源與電弧構(gòu)成供電、用電系統(tǒng)，若要“電源-電弧”系統(tǒng)能夠工作則要求電源外特性曲線(xiàn)與電弧靜特性曲線(xiàn)形成交點(diǎn)，即有系統(tǒng)工作點(diǎn)。而為了保證焊接電弧穩(wěn)定燃燒和焊接參數(shù)穩(wěn)定，還要求系統(tǒng)必須有一個(gè)穩(wěn)定的工作點(diǎn)。穩(wěn)定的工作點(diǎn)是指系統(tǒng)能夠克服外界干擾因素的影響，保持原有工作點(diǎn)及參數(shù)（電流和電壓）不變。12A1A1A0A0ll10IUpa圖1-3 系統(tǒng)穩(wěn)定工作條件圖如圖1-3所示，電源外特性曲線(xiàn)（曲

14、線(xiàn)1）與電弧靜特性曲線(xiàn)（曲線(xiàn)2）的交點(diǎn)A0、A1都是系統(tǒng)的工作點(diǎn)，但只有A0點(diǎn)才是穩(wěn)定的工作點(diǎn)。原因?yàn)椋寒?dāng)由于操作的不穩(wěn)定、工件表面的不平、網(wǎng)壓的波動(dòng)等瞬間干擾使弧長(zhǎng)由l增加到l1時(shí)，工作點(diǎn)將由A0、A1移到A0、A1，一旦干擾過(guò)后弧長(zhǎng)又恢復(fù)到原來(lái)的長(zhǎng)度l。在A0點(diǎn)，則此時(shí)電源電壓高于電弧電壓，供大于求，因此焊接電流將增加，而電源電壓將下降，一直恢復(fù)到A0點(diǎn)為止。而在A1點(diǎn)，電源電壓也高于電弧電壓，焊接電流將增加，工作點(diǎn)不能再回到A1點(diǎn)而是移到A0點(diǎn)。同理，當(dāng)弧長(zhǎng)受某種瞬間干擾縮短時(shí)，也只有A0點(diǎn)能夠恢復(fù)。因此說(shuō)A0點(diǎn)才是穩(wěn)定工作點(diǎn)，而A1點(diǎn)是不穩(wěn)定工作點(diǎn)。 在A0點(diǎn)，電弧靜特性的斜率為tga

15、，電源外特性斜率為tgp，由圖可知： tgatgp0 (1-1) 因此稱(chēng)式（1-1）即為“電源一電弧”系統(tǒng)穩(wěn)定工作條件。也就是在電源外特性與電弧靜特性交點(diǎn)處，電弧靜特性斜率大于電源外特性斜率就是系統(tǒng)穩(wěn)定工作的條件。符合上述穩(wěn)定條件的工作點(diǎn)稱(chēng)為穩(wěn)定工作點(diǎn)。 如果電弧靜特性工作部分斜率0，根據(jù)上述穩(wěn)定工作條件，弧焊電源外特性必須是下降特性（緩降或陡降特性）。如果電弧靜特性工作部分斜率0，則電源外特性可以是上升的，也可以是平特性。4不同焊接方法對(duì)弧焊電源外特性的要求 弧焊電源的外特性形狀除了影響“電源一電弧”系統(tǒng)的穩(wěn)定性工作，還關(guān)系到焊接工藝參數(shù)的穩(wěn)定。在外界干擾使弧長(zhǎng)變化的情況下，將引起系統(tǒng)穩(wěn)定工

16、作點(diǎn)移動(dòng)和焊接工藝參數(shù)出現(xiàn)靜態(tài)偏差。為獲得良好的焊縫成形，要求這種工藝參數(shù)的靜態(tài)偏差愈小愈好，亦即要求焊接工藝參數(shù)穩(wěn)定。有時(shí)某種形狀的弧焊電源外特性可滿(mǎn)足“電源一電弧”系統(tǒng)的穩(wěn)定條件，但卻不能保證焊接工藝參數(shù)穩(wěn)定。因此，一定形狀的電弧靜特性需選擇適當(dāng)形狀的弧焊電源外特性與之相配合，才能滿(mǎn)足系統(tǒng)的穩(wěn)定條件又能保證焊接工藝參數(shù)穩(wěn)定。此外，弧焊電源外特性形狀還關(guān)系到弧焊電源的引弧性能、熔滴過(guò)渡過(guò)程和使用安全性等。表1-1列出了常用弧焊電源外特性形狀的種類(lèi)及應(yīng)用范圍。5關(guān)于空載電壓和短路電流的要求弧焊電源外特性曲線(xiàn)除穩(wěn)定工作點(diǎn)外，還有兩個(gè)特殊點(diǎn)：即當(dāng)電流為零時(shí)的空載電壓和當(dāng)電極與工件短路時(shí)的穩(wěn)態(tài)短路電

17、流。兩者對(duì)焊接電弧穩(wěn)定燃燒具有很大影響，因此，也必須對(duì)它們提出要求：（1）弧焊電源的空載電壓UO 弧焊電源空載電壓高則容易引弧，對(duì)于交流弧焊電源，空載電壓高則電弧穩(wěn)定燃燒。但空載電壓高則設(shè)備體積大、重量大、功率因數(shù)低、不經(jīng)濟(jì)?？蛰d電壓高也不利于焊工人身安全。為此在確保容易引弧、電弧穩(wěn)定的條件下窄載電壓應(yīng)盡可能低些?？蛰d電壓按焊接電源安全要求應(yīng)符合GBT155791995的規(guī)定。對(duì)危險(xiǎn)工作環(huán)境，直流弧焊電源小于113V：交流弧焊電源小于68V(峰值)、48V(有效值)。 對(duì)一般工作環(huán)境，直流弧焊電源小于113V：交流弧焊電源小于113V(峰值)、80V(有效值)。（2）弧焊電源穩(wěn)態(tài)短路電流Iss

18、 當(dāng)焊條(或焊絲)與工件直接接觸時(shí)的穩(wěn)態(tài)電流稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)短路電流。穩(wěn)態(tài)短路電流Iss應(yīng)稍大于焊接電流I，這將有利于引弧。但I(xiàn)ss太大會(huì)增大焊接飛濺。一般情況下： (1-2)表1-1 常用弧焊電源外特性形狀的種類(lèi)及應(yīng)用范圍外特性下 降 特 性平 特 性雙 階 梯 特 性圖 形0UIU0IU0IU0IU0IU0IU特 征在運(yùn)行范圍內(nèi)If常數(shù)，又稱(chēng)垂直下降特性或恒流特性U=f( I) 圖形接近1/4橢圓，又稱(chēng)緩降特性，其焊接電流變化較恒流特性大在運(yùn)行范圍內(nèi)U = f ( I )圖形接近一斜線(xiàn)，又稱(chēng)緩降特性在運(yùn)行范圍內(nèi)恒流帶外拖，外拖的斜率和拐點(diǎn)可調(diào)節(jié)在運(yùn)行范圍內(nèi)Uf常數(shù)，又稱(chēng)恒壓特性，有時(shí)電壓稍有下降在

19、運(yùn)行范圍內(nèi)隨電流增加電壓稍有增高，有時(shí)稱(chēng)上升特性由L形和形外特性切換而成雙階梯外特性一般適用范圍鎢極氬弧焊，非熔化極等離子弧焊一般焊條手弧焊，變速送絲埋弧焊一般焊條手弧焊，特別適合立焊、仰焊粗絲CO2焊，埋弧焊一般焊條手弧焊等速送絲的粗細(xì)絲氣體保護(hù)焊和細(xì)絲(直徑3mm)埋弧焊等速送絲的細(xì)絲氣體保護(hù)焊(包括水下焊)熔化極脈沖弧焊，微機(jī)控制的脈沖自動(dòng)弧焊三對(duì)弧焊電源調(diào)節(jié)特性的要求弧焊電源能輸出不同工作電壓、電流的可調(diào)性能稱(chēng)為電源的調(diào)節(jié)特性。焊接時(shí)需根據(jù)被焊工件的材質(zhì)、厚度與坡口形式等選用不同的焊接電弧電壓Uf及電流If 。對(duì)應(yīng)于一定的弧長(zhǎng)，弧焊電源的外特性與電弧靜特性曲線(xiàn)只有一個(gè)穩(wěn)定工作點(diǎn)。因此，

20、為了在一定范圍獲得所需的If和Uf，弧焊電源的外特性必須可以均勻調(diào)節(jié)，通過(guò)改變外特性斜率或移動(dòng)曲線(xiàn)位置，以便與電弧靜特性曲線(xiàn)在許多點(diǎn)相交，得到一系列的穩(wěn)定工作點(diǎn)，即If和Uf在一定范圍內(nèi)可調(diào)。四對(duì)弧焊電源動(dòng)特性的要求上面所述是針對(duì)焊接電弧處于穩(wěn)定的、靜態(tài)的工作狀態(tài)，即電弧長(zhǎng)度、電弧電壓和電流在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不改變自己的數(shù)值。然而，實(shí)際上用熔化極進(jìn)行電弧焊時(shí)，焊條或焊絲在被加熱形成金屬熔滴進(jìn)入熔池的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)短路。這樣，就會(huì)使電弧長(zhǎng)度、電弧電壓和電流不斷地發(fā)生瞬時(shí)變化。因而，焊接電弧對(duì)供電的弧焊電源來(lái)說(shuō)，是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的負(fù)載。這就需要對(duì)弧焊電源動(dòng)特性提出相應(yīng)的要求。ttUI00圖1-4 短路

21、過(guò)渡CO2焊過(guò)程的電壓電流波所謂弧焊電源的動(dòng)特性，是指電弧負(fù)載狀態(tài)發(fā)生突然變化時(shí)，弧焊電源輸出電壓與電流的響應(yīng)過(guò)程，可以用弧焊電源的輸出電流和電壓對(duì)時(shí)間的關(guān)系，即uf = f ( t )、if = f (t) 來(lái)表示，它說(shuō)明弧焊電源對(duì)負(fù)載瞬變的適應(yīng)能力。只有當(dāng)弧焊電源的動(dòng)特性合適，才能獲得良好的引弧、燃弧和熔滴過(guò)渡狀態(tài)，從而得到滿(mǎn)意的焊縫質(zhì)量。這對(duì)采用短路過(guò)渡的熔化極電弧焊來(lái)說(shuō)，是特別重要的。而對(duì)于采用非接觸式引弧的非熔化極電弧焊，因焊接時(shí)電弧長(zhǎng)度、電弧電壓和電流基本不變，因而對(duì)弧焊電源可以不考慮動(dòng)特性的要求。以短路過(guò)渡CO2焊過(guò)程為例，其典型的短路過(guò)渡過(guò)程的電壓電流波形如圖1-4所示。電弧引

22、燃后焊絲端部形成熔滴并逐漸增大，致使電弧間隙短路。此時(shí)電弧熄滅，電壓急劇下降，短路電流突然增大。熔滴在電磁收縮力下形成縮頸，并向熔池過(guò)渡。熔滴脫落后電弧間隙的電壓急劇增大到超過(guò)額定的電弧電壓，并重新引燃電弧。以后重復(fù)整個(gè)循環(huán)。在短路過(guò)渡CO2焊接過(guò)程中，短路電流上升率di/dt是影響熔滴過(guò)渡是否平穩(wěn)、飛濺大小、焊接過(guò)程是否穩(wěn)定的主要因素。di/dt過(guò)小，短路熔滴難以過(guò)渡，將導(dǎo)致短路時(shí)間的延長(zhǎng)和焊絲成段爆斷。di/dt過(guò)大，將產(chǎn)生嚴(yán)重的飛濺。因此，di/dt值應(yīng)該合適。除di/dt之外，短路電流峰值也是一個(gè)重要參數(shù)，應(yīng)能夠加以調(diào)節(jié)。熔滴過(guò)渡之后，希望立即引燃電弧，以免焊接過(guò)程中斷，這就要求電源有

23、足夠的空載電壓恢復(fù)速度。綜上所述，對(duì)弧焊電源動(dòng)特性要求，實(shí)際上就是對(duì)電源的短路電流增長(zhǎng)速度，空載電壓恢復(fù)速度和短路電流峰值的要求。圖1-5 弧焊電源分類(lèi)第二節(jié) 弧焊電源的分類(lèi)弧焊電源的分類(lèi)方法很多。按輸出電流的種類(lèi)分，可分為直流弧焊電源、交流弧焊電源和脈沖弧焊電源三大類(lèi)；按弧焊電源的輸出特性分，可分為平特性(恒壓特性)電源、緩降特性電源、垂直陡降(恒流)特性電源以及多特性電源；按弧焊方法分，又可以分為焊條電弧焊電源、埋弧焊電源、等離子弧焊電源、氬弧焊電源、CO2焊電源等。但目前應(yīng)用最多的是按外特性控制機(jī)構(gòu)不同分為機(jī)械調(diào)節(jié)型、電磁控制型、電子控制型三大類(lèi)。在每一大類(lèi)中又按其工作原理、結(jié)構(gòu)特征及關(guān)

24、鍵器件的不同細(xì)分為若干種型式，如圖1-5所示。機(jī)械調(diào)節(jié)型弧焊電源是借助于機(jī)械裝置實(shí)施電源外特性的調(diào)節(jié)，如移動(dòng)弧焊變壓器動(dòng)鐵心、動(dòng)繞組或改變繞組匝數(shù)（抽頭）等。電磁控制型弧焊電源是通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來(lái)改變電抗器或直流發(fā)電機(jī)鐵心的飽和程度，從而控制電源外特性。該類(lèi)產(chǎn)品由于耗能大，除柴油或汽油驅(qū)動(dòng)式弧焊發(fā)電機(jī)，在一些特定場(chǎng)合還有應(yīng)用以外，基本上屬于淘汰產(chǎn)品。電子控制型弧焊電源是借助于電子線(xiàn)路來(lái)實(shí)現(xiàn)電源外特性、動(dòng)特性的調(diào)節(jié)，以及波形控制，包括整流式、逆變式、數(shù)字式弧焊電源，是弧焊電源的發(fā)展方向。第三節(jié) 常用弧焊電源一弧焊變壓器弧焊變壓器是一種最簡(jiǎn)單和常用的弧焊電源，它提供正弦波交流輸出，電弧穩(wěn)定性較差、

25、功率因素低，通常用于焊條電弧焊，因此弧焊變壓器的伏安特性通常為陡降特性。一般的變壓器是恒壓特性，不適于直接用于焊條電弧焊?；『缸儔浩魇且环N具有陡降輸出特性的特殊變壓器，在原理上可由一臺(tái)普通的變壓器和一個(gè)串聯(lián)的可調(diào)電感構(gòu)成，如圖1-6所示。 圖1-4 a中的變壓器是一個(gè)常規(guī)的變壓器，它只起降壓作用，陡降特性是由與其串聯(lián)的電感獲得的。電感是一種電磁感應(yīng)器件，當(dāng)交流電流通過(guò)電感時(shí)將在電感兩端產(chǎn)生電壓降，當(dāng)電感值足夠大時(shí)，則變壓器與串聯(lián)電感構(gòu)成陡降特性。在弧焊變壓器中，串聯(lián)電感同時(shí)又起電流調(diào)節(jié)作用，由圖1-4 b的電路原理圖及圖1-4 c向量圖可以得出輸出電流與串聯(lián)電感的關(guān)系：圖1-6 弧焊變壓器的結(jié)

26、構(gòu)及電路原理a) 結(jié)構(gòu)示意圖b) 電路原理圖 c) 輸出向量圖其中： 由矢量圖：即：(1-3)式中：輸出電流；U0空載電壓；Uf負(fù)載電壓；電源角頻率；L電感值。由式（1-3）可以得到弧焊變壓器的外特性曲線(xiàn)圖，如圖1-7所示，由式（1-3）及圖1-7可以看到，調(diào)節(jié)電感L可以改變輸出電流。在不同的輸出電流位置上，電源的外特性特性是不同的。電流越小，外特性越陡，因?yàn)榇藭r(shí)的電感值大，相當(dāng)于電源內(nèi)阻大，所以外特性變陡。電流越大，外特性越緩，因?yàn)榇藭r(shí)的電感值小，相當(dāng)于電源內(nèi)阻小，所以外特性變緩。圖1-7 弧焊變壓器的外特性曲線(xiàn)如圖1-4 a的結(jié)構(gòu)示意圖中所示，弧焊變壓器中的串聯(lián)電感由線(xiàn)圈及可調(diào)間隙鐵心組成

27、，設(shè)電感線(xiàn)圈匝數(shù)為N，鐵心與線(xiàn)圈磁路的磁阻為Rm，則電感值L為： L (1-4) 由式（1-4）可見(jiàn)，調(diào)整電感的方法可以是改變線(xiàn)圈匝數(shù)N或調(diào)節(jié)磁路的磁阻Rm。在弧焊變壓器中，通常利用鐵心的變化調(diào)節(jié)磁阻Rm從而改變電感值，改變圖1-6 a）中鐵心的間隙可以方便地調(diào)節(jié)磁路的磁阻Rm，達(dá)到調(diào)節(jié)焊接電流的目的。減小電感值增加，焊接電流降低，增加電感值降低；焊接電流增加。 為了獲得滿(mǎn)足電弧焊所需的陡降特性，需要較大的串聯(lián)電感，其電感的體積、重量與變壓器相當(dāng)。所以為了節(jié)約材料，減少體積和重量，實(shí)際上在弧焊變壓器中，很少使用獨(dú)立的串聯(lián)電感。而是采用特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使變壓器的一次與二次繞組之間有較大的漏感，這

28、個(gè)漏感可以起到與串聯(lián)電感相同的作用，這也正是弧焊變壓器與一般變壓器在設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)上最大的不同?；『缸儔浩鲗?shí)現(xiàn)外特性調(diào)節(jié)的方式有三種：移動(dòng)鐵心、移動(dòng)繞組和改變繞組匝數(shù)（抽頭），分別稱(chēng)為動(dòng)鐵式、動(dòng)圈式和抽頭式弧焊變壓器。動(dòng)鐵式弧焊變壓器結(jié)構(gòu)示意圖及工作原理如圖1-8所示。動(dòng)鐵心可作垂直于紙面方向的移動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)動(dòng)鐵心的位置可以改變漏磁磁路的磁阻狀態(tài)，從而調(diào)節(jié)漏磁大小，獲得所需的外特性。圖示為動(dòng)鐵心處于兩極限位置時(shí)的外特性。動(dòng)圈（繞組）式弧焊變壓器結(jié)構(gòu)示意圖及工作原理如圖1-9所示。由于變壓器的一、二次繞組間存在一定的距離，有較大的漏磁。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄可以調(diào)節(jié)一、二次繞組間的距離，改變一、二次繞組間的耦

29、合程度，從而調(diào)節(jié)漏磁大小，獲得所需的外特性。圖示為動(dòng)繞組處于兩極限位置時(shí)的外特性。抽頭式弧焊變壓器結(jié)構(gòu)示意圖及工作原理如圖1-10所示。一次繞組分為N11和N12兩部分。N12部分與二次繞組N2緊密耦合，N11部分則與N2有較大漏磁。S1、S2是雙刀同軸開(kāi)關(guān)，通過(guò)此開(kāi)關(guān)可改變N11和N12抽頭位置，即改變?cè)褦?shù)，但要保持一次繞組匝數(shù)N1= N11+ N12不變。從而調(diào)節(jié)漏磁大小，獲得所需的外特性。開(kāi)關(guān)在位置1時(shí)輸出電流最小，在位置5時(shí)輸出電流最大。圖1-8 動(dòng)鐵式弧焊變壓器鐵心位置與外特性圖1-9 動(dòng)圈式弧焊變壓器動(dòng)繞組位置與外特性由于上述弧焊變壓器電源外特性的調(diào)節(jié)是依靠機(jī)械裝置實(shí)施，故屬于機(jī)械

30、調(diào)節(jié)型弧焊電源。該類(lèi)電源具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、便于制造和維修、效率高等優(yōu)點(diǎn)，但也存在調(diào)節(jié)不靈活、不精細(xì)、電源笨重、耗材多、電弧穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。圖1-10 抽頭式弧焊變壓器結(jié)構(gòu)示意圖二逆變式弧焊電源逆變式焊接電源是一種新型的、且已廣泛應(yīng)用的電子控制型焊接電源。它出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，是焊接電源發(fā)展史上更新?lián)Q代的產(chǎn)品，被稱(chēng)為“20kHz革命”。它打破了焊接電源體大量重的傳統(tǒng)形象，開(kāi)辟了焊接電源成為電子式產(chǎn)品的新概念。逆變式焊接電源應(yīng)用了電力電子技術(shù)中的逆變技術(shù)，在電力電子技術(shù)中將交流電變?yōu)橹绷麟姷淖儞Q稱(chēng)為整流，而將直流電變?yōu)榻涣麟姷淖儞Q即稱(chēng)為逆變。1逆變式弧焊電源基本原理及組成逆變式弧焊電源基本

31、原理及組成見(jiàn)圖1-11所示：50Hz工頻交流網(wǎng)壓先經(jīng)整流成直流，再借助大功率電子開(kāi)關(guān)器件，把直流電變換成幾千至幾萬(wàn)赫茲的中頻交流電（實(shí)現(xiàn)逆變），然后經(jīng)中頻變壓器降壓和輸出整流器整流為直流，最后經(jīng)電抗器濾波即得所需的焊接電壓和電流。逆變式弧焊電源基本組成是由主電路和控制電路兩大部分構(gòu)成。主電路包括輸入整流濾波、逆變器、輸出整流濾波等三個(gè)組成部分；控制電路主要是用來(lái)控制大功率開(kāi)關(guān)器件以獲得弧焊工藝所需的外特性、調(diào)節(jié)特性、動(dòng)特性和電壓、電流波形等。逆變式弧焊電源所需的大功率電子開(kāi)關(guān)器件可采用、晶閘管THY、電力晶體管GTR、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET、絕緣柵雙極型晶體管IGBT等。其中，IGBT是

32、近年得到快速發(fā)展的大功率電子開(kāi)關(guān)，具有開(kāi)關(guān)頻率高（1050KHz）、開(kāi)關(guān)損耗小、通態(tài)壓降低、輸入阻抗高（在驅(qū)動(dòng)電路中作為負(fù)載時(shí)呈容性阻抗，為電壓控制方式，驅(qū)動(dòng)功率?。?、電流、電壓容量較大等特點(diǎn)。目前逆變式弧焊電源采用IGBT已成為主流。IGBT的電路圖形符號(hào)如圖1-12所示。圖1-11 逆變式弧焊電源組成框圖圖1-12 IGBT的電路圖形符號(hào)CGE2逆變電路由功率電子開(kāi)關(guān)及中頻變壓器組成的功率轉(zhuǎn)換電路稱(chēng)為逆變器，是整個(gè)電源的核心。這種功率轉(zhuǎn)換電路有推挽式、全橋式、半橋式、單端反激式、單端正激式等。下面對(duì)在弧焊電源中采用較多的全橋式、半橋式、單端反激式功率轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行介紹。為了方便，電路圖中功率

33、電子開(kāi)關(guān)都采用GTR表示，當(dāng)實(shí)際電路采用IGBT時(shí)，直接以IGBT替換GTR即可，其基本電路是一致的。（1）全橋式逆變電路全橋式逆變電路如圖1-13所示。功率開(kāi)關(guān)管VT1，VT2，VT3和VT4組成橋的四臂，中頻變壓器T1連接在它們中間。相對(duì)橋臂上的一對(duì)晶體管VT1，VT4和VT2，VT3構(gòu)成兩組晶體管，兩組晶體管被基極驅(qū)動(dòng)電路以脈沖方式激勵(lì)輪流通斷，使流過(guò)中頻變壓器T1的一次繞組N1電流方向交替改變，即可將輸入直流電壓變換成中頻矩形波交流。再經(jīng)快速二極管整流、輸出電抗器濾波，即可得到比較穩(wěn)定的直流輸出。圖1-13 全橋式逆變電路圖從圖1-13可知，當(dāng)一組功率開(kāi)關(guān)管（例如VT1，VT4）導(dǎo)通時(shí)

34、，截止晶體管(VT2，VT3)上施加的電壓為輸入電壓E，當(dāng)所有晶體管均截止時(shí)，每組兩個(gè)開(kāi)關(guān)管共同承受輸入電壓，即每管E2。反向并接在開(kāi)關(guān)管集射之間的高速箝位二極管VD1VD4為換相二極管，當(dāng)晶體管（例如VT1、VT4）剛截止瞬間，中頻變壓器一次漏感產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)將引起尖峰電壓，當(dāng)其值超過(guò)輸入電壓E時(shí)，換相二極管VD2、VD3便導(dǎo)通，使VT1，VT4集電極電壓被箝位在輸入電壓上，消除了尖峰電壓，避免VT1、VT4被高壓擊穿，對(duì)晶體管起保護(hù)作用。同時(shí)，將漏感的儲(chǔ)能回送給輸入電源，有益于提高效率。同理，VT2，VT3截止瞬間VD1、VD4導(dǎo)通，對(duì)晶體管VT2、VT3起保護(hù)作用。 由于電路使用了4個(gè)

35、功率開(kāi)關(guān)管，需要4組彼此絕緣的基極驅(qū)動(dòng)電路，電路比較復(fù)雜。但由于輸入電壓直接施加在中頻變壓器上，易于獲得大功率輸出。因此生產(chǎn)大功率逆變焊接電源宜采用這種電路。（2）半橋式逆變電路 半橋式逆變電路如圖1-14所示。它和全橋式電路相似，只是其中功率開(kāi)關(guān)管只有兩個(gè)，另外兩個(gè)由電容器C01和C02取代，其工作原理如下：圖1-14 半橋式逆變電路圖兩只晶體管VT1、VT2輪流通斷，在前半周當(dāng)VT1導(dǎo)通時(shí)，電容C01將通過(guò)VT1和中頻變壓器T1的一次繞組N1放電，電流方向?yàn)橛上轮辽希瑫r(shí)，電容C02則通過(guò)輸入電源、VT1和T1的一次繞組N1充電；接著有一段兩只晶體管都截止的時(shí)期。后半周當(dāng)VT2被激勵(lì)導(dǎo)通時(shí)

36、， C02通過(guò)VT2和T1的一次繞組N1放電，電流方向?yàn)橛缮现料?，同時(shí)，電容C01將通過(guò)輸入電源、VT2和T1的一次繞組N1充電，從而實(shí)現(xiàn)了逆變，將輸入直流電變換成中頻矩形波交流電。再經(jīng)快速二極管整流、輸出電抗器濾波，可得到比較穩(wěn)定的直流輸出。 顯然，和全橋式逆變一樣，一個(gè)晶體管導(dǎo)通時(shí)，截止晶體管上施加的電壓大致和輸入電源電壓相等。晶體管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止的關(guān)斷過(guò)程中，一次漏感引起的尖峰電壓亦將被二極管VD1、VD2箝位。因此，功率開(kāi)關(guān)管上承受的最高電壓亦不超過(guò)電源電壓，而且，晶體管的數(shù)量只有全橋式的一半，驅(qū)動(dòng)功率也較小。但是，半橋式逆變電路的中頻變壓器上施加的電壓幅值只有輸入電源電壓的一半。即當(dāng)

37、電源電壓相同時(shí)，半橋式逆變電路的輸出功率將只是全橋式逆變電路輸出功率的一半，故一般半橋式電路只適用于中等容量輸出弧焊電源。半橋式逆變電路一個(gè)極其重要的特點(diǎn)是自身具有抗不平衡能力，這是它獲得廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要原因。所謂的不平衡是指在逆變電路中，由于某種原因使一對(duì)開(kāi)關(guān)管在正負(fù)兩個(gè)半周期內(nèi)，施加在中頻變壓器上的電壓不等或?qū)▽挾炔坏龋捶敕e不等，則稱(chēng)電路工作于不平衡狀態(tài)。此時(shí)中頻變壓器將發(fā)生單向偏磁，可能引起磁心飽和，電流急劇上升，從而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管過(guò)流損壞。圖1-9所示的半橋型電路中，當(dāng)晶體管VT1(或VT2)導(dǎo)通時(shí)，加于變壓器原邊繞組上的電壓是電容器C01(或C02)兩端的電壓。在電路中，若由于晶

38、體管VT1和VT2特性不一致，從而引起晶體管VT1的導(dǎo)通時(shí)間比晶體管VT2的長(zhǎng)，則電容C01的放電時(shí)間將比電容C02的長(zhǎng)，電容C01兩端的平均電壓就會(huì)比電容C02兩端的低。故VT1導(dǎo)通時(shí)，加于變壓器原邊繞組兩端電壓幅值就會(huì)比VT2導(dǎo)通時(shí)的要低，從而就能夠使加到變壓器原邊繞組兩端正負(fù)矩形波的伏秒積始終維持相等，則正負(fù)兩個(gè)半周的磁通對(duì)稱(chēng)，高頻變壓器就不會(huì)發(fā)生單向偏磁現(xiàn)象。這就是半橋式逆變電路自身具有抗不平衡能力的原因。（3）單端反激逆變電路圖1-15所示為單端反激逆變電路。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管VT1被脈沖激勵(lì)而導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓E便施加到中頻變壓器T1的一次繞組N1上，由于圖中T1二次側(cè)整流二極管VD1反接

39、，二次圖1-15 單端反激逆變電路繞組N2沒(méi)有電流流過(guò)，此時(shí)流過(guò)N1電流所產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化為磁能被變壓器T1儲(chǔ)存起來(lái)；當(dāng)VT1關(guān)斷時(shí)，繞組N1上電壓極性顛倒，VD1被正偏而導(dǎo)通，此時(shí)儲(chǔ)存在T1中的能量便通過(guò)VD1向負(fù)載釋放。 由于這種變換器在功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間只存儲(chǔ)能量，在截止期間才向負(fù)載傳遞，故稱(chēng)“反激”；而中頻變壓器磁心只工作在磁滯回線(xiàn)的一側(cè)（第一象限），因此被稱(chēng)為“單端”逆變電路。相應(yīng)地，全橋及半橋式逆變電路稱(chēng)為雙端逆變電路。單端反激逆變電路具有電路簡(jiǎn)單、沒(méi)有雙端逆變電路存在的功率開(kāi)關(guān)管直通問(wèn)題（即VT1、VT2同時(shí)導(dǎo)通造成電源短路而損壞開(kāi)關(guān)管）、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。但由于變壓器是單向工作，利

40、用率低，變壓器體積較大，電源輸出功率較小。3控制電路圖1-16 PWM控制方式示意圖控制電路主要是用來(lái)控制大功率開(kāi)關(guān)器件的通斷，以獲得弧焊工藝所需的外特性、調(diào)節(jié)特性、動(dòng)特性和電壓、電流波形等。對(duì)其基本要求是能提供前后沿陡峭、相位差180、對(duì)稱(chēng)的矩形波脈沖序列。而為了實(shí)現(xiàn)弧焊逆變器的外特性、調(diào)節(jié)特性、動(dòng)特性和波形的控制與調(diào)節(jié)，控制電路是通過(guò)改變功率開(kāi)關(guān)管的接通時(shí)間（脈沖寬度）和工作周期比例，亦即改變脈沖占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一共有 “定頻率調(diào)脈寬”（PWM）、“定脈寬調(diào)頻率”（PFM）和前兩者“混合調(diào)制”三種控制方式。PWM方式因?yàn)轭l率恒定，使濾波電路的設(shè)計(jì)容易。因此，目前逆變電源的控制電路多采用PW

41、M 控制。圖1-16為PWM 控制方式示意圖。控制脈沖的頻率保持不變，而改變脈沖寬度即改變了逆變電源的輸出電流或電壓的平均值。輸出脈沖經(jīng)濾波后就可得到連續(xù)的、比較平滑的直流電。圖1-17描述了一個(gè)PWM控制器的基本構(gòu)成框圖和相關(guān)部位的波形圖。這個(gè)電路的工作過(guò)程如下：取自逆變電源輸出端的反饋信號(hào)UF加在誤差放大器的同相輸入端，固定的基準(zhǔn)電壓UREF加在誤差放大器的反向輸入端。固定頻率鋸齒波振蕩器產(chǎn)生的線(xiàn)性增長(zhǎng)鋸齒波電壓uS加在比較器的同相輸入端，當(dāng)鋸齒波電壓高于誤差信號(hào)電壓uc時(shí)，比較器輸出為正，反之則為零。振蕩器的輸出電壓uS同時(shí)送到觸發(fā)器的CP輸入端使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)。觸發(fā)器的端和比較器的輸出分別

42、加在A通道“與門(mén)”的兩個(gè)輸入端，而端和比較器的輸出分別加在B通道“與門(mén)”的兩個(gè)輸人端。由于觸發(fā)器的端和端又是互為“非”的關(guān)系，因而比較器輸出的方波脈沖中的單數(shù)脈沖由A通道輸出，雙數(shù)脈沖由B通道輸出。A、B兩通道輸出的脈沖，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路的功率放大和隔離，就可驅(qū)動(dòng)全橋、半橋和推挽逆變電路中的功率晶體管。若是單端式逆變電路，可將A、B通道并聯(lián)起來(lái)輸出或只用一個(gè)輸出通道的輸出，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)晶體管。圖1-17 集成PWM控制器基本構(gòu)成和相關(guān)波形圖PWM控制器保持輸出穩(wěn)定的調(diào)節(jié)原理是：當(dāng)某種干擾使逆變電源的輸出減小時(shí)反饋信號(hào)減小誤差信號(hào)減小A、B通道輸出的矩形波寬度相應(yīng)增寬使電源的輸出回升。 現(xiàn)

43、有集成電路脈寬調(diào)制控制器已比較成熟，除具有圖1-17a所示的基本構(gòu)成外，一般還具有可調(diào)死區(qū)時(shí)間限制、過(guò)壓和欠壓保護(hù)、軟啟動(dòng)等電路。4逆變焊接電源的特點(diǎn)逆變焊接電源一出現(xiàn)，就被稱(chēng)為“明天的電源”。它的歷史不長(zhǎng)，而發(fā)展速度卻是驚人的。主要是因?yàn)樗哂邢铝刑攸c(diǎn)：（1）體積小、重量輕、省材 一般弧焊電源的體積和重量的80 %都取決于變壓器和電抗器。這些變壓器都工作在50Hz。逆變焊接電源中雖也有一個(gè)變壓器和電抗器，但其工作頻率大大提高，一般工作頻率為2030KHz。也就是說(shuō)，逆變焊接電源比普通焊接電源工作頻率提高了400600倍。而變壓器設(shè)計(jì)是根據(jù)下列公式U4.44SBNf10-4 (1-5)式中 U

44、輸入電壓（V）；S變壓器鐵心截面積(cm2)；B磁感應(yīng)強(qiáng)度，與硬磁材料有關(guān)(T)；N繞組匝數(shù)；F工作頻率(Hz)。 當(dāng)U一定，硬磁材料確定后，B也一定。因此上式稍加整理后可表述為SN （K為常數(shù)）(1-6) 由此可知，一旦變壓器輸入、輸出電壓以及硬磁材料確定后，鐵心截面積與繞組匝數(shù)的乘積與工作頻率成反比，也就是說(shuō)逆變開(kāi)關(guān)頻率越大，則中頻變壓器的體積越小，重量越輕。當(dāng)逆變工作頻率提高400600倍時(shí)，相應(yīng)中頻變壓器和輸出電抗器的體積、重量也大大減小。（2）高效節(jié)能 逆變焊接電源由于工作頻率提高使中頻變壓器和輸出電抗器的體積、重量大大減小，相應(yīng)它們的銅損、鐵損隨之減小。而且采用開(kāi)關(guān)控制比模擬控制功

45、率損耗小。（3）調(diào)節(jié)速度快在以往傳統(tǒng)的焊接電源中，工作頻率受電網(wǎng)的制約，均為50Hz或倍頻100Hz。其控制周期為20ms 或10ms，而在20kHz的逆變焊接電源中控制周期縮短為50us，這就可以使整機(jī)有很高的調(diào)節(jié)速度和很快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。（4）電源動(dòng)特性及焊接工藝性好在電弧焊接過(guò)程中，引弧、電極熔化、金屬過(guò)渡等都是高速度的物理過(guò)程。而逆變弧焊電源具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，通過(guò)對(duì)該種電源的動(dòng)態(tài)特性（如瞬時(shí)電流上升速率及波形等）的預(yù)先設(shè)定，能有效地改善各種電弧焊物理現(xiàn)象。如有資料表明，用逆變弧焊電源的引弧一次成功率達(dá)90以上，而一般電源時(shí)僅70左右。在飛濺量控制方面，逆變弧焊電源為一般電源的一半左右（M

46、AG焊）。故逆變弧焊電源具有良好的焊接工藝性。（5）對(duì)元器件性能要求高、電路復(fù)雜逆變弧焊電源工作頻率高，內(nèi)部電流換向快，變化劇烈，工作條件嚴(yán)酷，要求元器件質(zhì)量好、性能高，同時(shí)還需要許多的保護(hù)電路，使電路進(jìn)一步復(fù)雜化。三CO2焊表面張力過(guò)渡焊電源CO2焊是一種應(yīng)用非常廣泛的焊接方法，為了解決CO2焊接短路過(guò)渡時(shí)存在的飛濺大、成形差的問(wèn)題，美國(guó)林肯公司研制了CO2焊表面張力過(guò)渡焊接電源（surface tension transfer ，簡(jiǎn)稱(chēng)STT），采用一種較復(fù)雜的電流、電壓波形控制，以克服CO2焊存在的上述不足，取得極大的了成功。圖1-18就是控制方法的CO2焊短路過(guò)渡電流、電壓波形圖。在引燃

47、電弧的初期，電源輸出較大的電流，以提高焊絲的熔化速度、增加熔深。當(dāng)電弧在較大電流下燃燒一定時(shí)間后，逐漸將焊接電流減小，降低焊絲的熔化速度，避免由于焊絲端部的熔化金屬太多而產(chǎn)生飛濺。隨著焊絲的等速送進(jìn)，當(dāng)熔滴與熔池金屬接觸而短路時(shí)，迅速將焊接電流降到一個(gè)很小值，以保證使熔滴穩(wěn)定地與熔池金屬短路，避免大電流瞬間短路造成飛濺。當(dāng)熔滴穩(wěn)定地短路后，電源再輸出一個(gè)較大的電流，以提高短路前期的電磁收縮力，促使液柱盡快形成縮頸，減少短路時(shí)間。在產(chǎn)生縮頸并達(dá)到臨界尺寸時(shí)，焊機(jī)再迅速將輸出電流降低，此時(shí)主要依靠熔池的表面張力將液體小橋拉斷, 以實(shí)現(xiàn)無(wú)飛濺過(guò)渡。電弧重新引燃后再提高輸出電流，以使焊絲迅速回?zé)４箅?/p>

48、流也擴(kuò)展了弧柱和斑點(diǎn), 加大了電弧的加熱范圍, 使熔敷金屬能鋪展開(kāi), 有利于改善焊縫成形。之后進(jìn)人下一個(gè)熔滴過(guò)渡周期。其主要特點(diǎn)是完成一個(gè)熔滴過(guò)渡的力主要是表面張力,這也是STT這一技術(shù)名稱(chēng)的由來(lái)。STT 技術(shù)與以往的CO2 焊接技術(shù)的區(qū)別在于:它能根據(jù)短路小橋和縮頸小橋的狀態(tài)改變電流,精確供給電弧能量,而通常的CO2 焊接的電弧狀態(tài)和能量供給沒(méi)有很好地對(duì)應(yīng),電弧能量供給并不精確,從而產(chǎn)生了大量飛濺。圖1-18 STT電流、電壓波形圖由圖可見(jiàn), 表面張力過(guò)渡的每一周期中, 分別在熔滴與熔池接觸短路之后和縮頸即將斷裂前夕輸出谷值焊接電流、電壓, 以大幅度減小該兩次極小導(dǎo)電截面形成時(shí)液橋上的產(chǎn)熱；

49、還分別在短路液橋形成和縮頸完全斷裂之后立刻輸出電流、電壓脈沖峰值。每一周期輸出兩個(gè)谷值、兩個(gè)峰值電流和電壓，是表面張力過(guò)渡波形的基本特征。這種方法對(duì)判斷短路、小橋斷裂時(shí)間的難度較大，控制參數(shù)較多又要求實(shí)時(shí)快速控制。因此，STT電源主電路采用了逆變頻率為20 kHz的逆變電路, 利用其動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的特點(diǎn)，并附加了一些快速檢測(cè)電路及單片機(jī)控制系統(tǒng), 使電源在整個(gè)焊接過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了這種復(fù)雜而精細(xì)的波形控制?？梢?jiàn)新型高檔焊機(jī)向微機(jī)控制及智能化方向發(fā)展是必然趨勢(shì)。四數(shù)字化弧焊電源隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展，促進(jìn)了數(shù)字化弧焊電源的問(wèn)世。由于數(shù)字化弧焊電源具有眾多顯著的特點(diǎn)，因此得到了廣大焊接工作者的

50、高度重視，將成為今后弧焊電源的發(fā)展方向。1數(shù)字化弧焊電源的概念數(shù)字化就是按照一定的規(guī)則，把連續(xù)變的模擬量，變化成離散的、用0/1編碼的數(shù)字量。 采用數(shù)字電路、數(shù)值計(jì)算對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的技術(shù)為數(shù)字控制技術(shù)，相應(yīng)的系統(tǒng)稱(chēng)為數(shù)字控制系統(tǒng)。在數(shù)字化弧焊電源中，用數(shù)字控制技術(shù)代替了模擬控制技術(shù)，用數(shù)字信號(hào)處理代替了模擬信號(hào)處理，用數(shù)字電路以及軟件程序控制代替了模擬電路控制。數(shù)字化弧焊電源的核心是數(shù)字控制系統(tǒng)。目前弧焊電源數(shù)字控制系統(tǒng)的核心大多是微控制器(MCU)或數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor，簡(jiǎn)稱(chēng)DSP)。在弧焊電源控制系統(tǒng)中應(yīng)用的MCU是單片機(jī)

51、。單片機(jī)具有較強(qiáng)的事件處理和管理能力。單片機(jī)控制技術(shù)引領(lǐng)弧焊電源走入了數(shù)字化的最初階段。DSP是一種新型的、結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)優(yōu)化的數(shù)字信號(hào)處理器，數(shù)據(jù)處理能力較強(qiáng)。在高速實(shí)時(shí)應(yīng)用的場(chǎng)合，DSP更能滿(mǎn)足大量、快速運(yùn)算的需要。DSP控制技術(shù)極大地推動(dòng)了數(shù)字化弧焊電源的發(fā)展，是目前弧焊電源數(shù)字化中的核心技術(shù)。 由于單片機(jī)與DSP具有不同的特點(diǎn)，因此許多數(shù)字化弧焊電源采用了單片機(jī)(MCU)和DSP雙處理器系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用了單片機(jī)和DSP的特點(diǎn)，對(duì)弧焊電源進(jìn)行數(shù)字化、智能化控制。2數(shù)字化弧焊電源的基本結(jié)構(gòu)圖1-19是一種數(shù)字化弧焊電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖1-19 數(shù)字化弧焊電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖該電源的主電路采用逆

52、變電路，逆變電路的功率元件工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，本身具備數(shù)字化特征。而數(shù)字化控制系統(tǒng)采用了單片機(jī)和DSP雙數(shù)字處理器。在弧焊電源數(shù)字控制中，利用傳感器進(jìn)行電流、電壓信號(hào)的采樣，并將電流、電壓反饋信號(hào)直接輸入DSP，通過(guò)DSP內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器，將電流、電壓反饋的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)；電流、電壓的給定信號(hào)以數(shù)字量的形式，由控制面板輸入到單片機(jī)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理傳送給DSP；DSP根據(jù)電流、電壓給定值與反饋值，基于一定的數(shù)字控制規(guī)則和算法進(jìn)行運(yùn)算，產(chǎn)生PWM脈沖序列；DSP輸出的PWM信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，控制弧焊電源逆變電路功率開(kāi)關(guān)器件的通斷，得到電源的輸出電壓和電流。如果是熔化極弧焊電源，DSP還將輸出P

53、WM信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制送絲機(jī)的送絲速度。 數(shù)字化弧焊電源系統(tǒng)中具有較強(qiáng)的通信能力，不僅可以完成單片機(jī)與DSP之間的通信，而且通過(guò)。RS232接口可以實(shí)現(xiàn)外部微機(jī)與單片機(jī)、DSP的通信，從而可以非常方便地實(shí)施網(wǎng)絡(luò)化管理與軟件控制程序的升級(jí)。 由此可見(jiàn)，數(shù)字化弧焊電源不但采用了數(shù)字控制技術(shù)，而且應(yīng)用了系統(tǒng)總線(xiàn)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)?；『鸽娫匆巡辉偈菃渭兊暮附幽芰刻峁┰?，而是具有數(shù)字操作系統(tǒng)平臺(tái)、送絲驅(qū)動(dòng)外設(shè)接口以及遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、生產(chǎn)質(zhì)量管理等功能的弧焊電源系統(tǒng)。3數(shù)字化弧焊電源的特點(diǎn) 1)柔性化控制和多功能集成。模擬控制系統(tǒng)的控制功能是由硬件電路結(jié)構(gòu)及其參數(shù)所決定的，電路一旦確定就很難改變。數(shù)字控制系

54、統(tǒng)的控制功能是在基本硬件電路的基礎(chǔ)上，通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。也就是同一套硬件電路，通過(guò)改變控制軟件程序，可以實(shí)現(xiàn)不同的控制。對(duì)于不同的焊接工藝方法和不同的焊絲材料、直徑，可以通過(guò)修改軟件程序，選用不同的控制策略和控制參數(shù)，以適應(yīng)不同焊接情況，滿(mǎn)足各種焊接要求，確保焊接質(zhì)量。可見(jiàn)，數(shù)字化弧焊電源實(shí)現(xiàn)了柔性控制和多功能集成。 數(shù)字化弧焊電源的柔性控制還表現(xiàn)在控制程序的升級(jí)與網(wǎng)絡(luò)管理及遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能上。 2)具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性和一致性。在模擬控制系統(tǒng)中，信號(hào)的處理是通過(guò)電子電路進(jìn)行的；信號(hào)處理參數(shù)是通過(guò)電阻、電容參數(shù)的選擇來(lái)確定的。由于電阻、電容等電子元器件參數(shù)的偏差、漂移，必然導(dǎo)致控制系統(tǒng)參數(shù)的變化

55、，因此模擬控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性差，產(chǎn)品的一致性難以保證。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，因?yàn)樾盘?hào)的處理或控制算法的實(shí)施是通過(guò)軟件程序完成的，所以其穩(wěn)定性好，產(chǎn)品的一致性也容易得到保證。 3)控制精度高。模擬控制的精度一般由電子元器件參數(shù)值引起的誤差和運(yùn)算放大器非理想特性參數(shù)引起的誤差所決定。此外，模擬控制往往采用多級(jí)處理，其誤差積累和噪聲的逐級(jí)放大，因此模擬控制系統(tǒng)的總體誤差較大。由于數(shù)字控制的精度僅僅與模數(shù)轉(zhuǎn)換的量化誤差，以及系統(tǒng)的有限字長(zhǎng)有關(guān)，因此數(shù)字化控制可以獲得較高的控制精度。 4)接口兼容性好，并可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。由于數(shù)字化弧焊電源采用了單片機(jī)和DSP等微處理器、微控制器，因此PC機(jī)與數(shù)字化焊機(jī)、數(shù)字

56、化焊機(jī)與機(jī)器人以及數(shù)字化焊機(jī)內(nèi)部的電源與送絲機(jī)、電源與水冷裝置、電源與焊槍之間的通信接口就可以非常方便地交換信息。 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控可以把成套專(zhuān)用焊接設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的諸多參數(shù)實(shí)時(shí)輸入到PC機(jī)中，通過(guò)網(wǎng)關(guān)和路由器把PC機(jī)接入Internet網(wǎng)。為該P(yáng)C機(jī)申請(qǐng)一個(gè)IP地址，就可以通過(guò)Internet網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)焊接設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。 5)操作性好。數(shù)字化焊接電源往往具有人機(jī)交互系統(tǒng)。該系統(tǒng)是人機(jī)最直接的操作界面，是操作者向數(shù)字控制系統(tǒng)輸人信息、發(fā)出指令及觀(guān)察現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)和信息的窗口，具有友好性、靈活性、功能性、明確性、一致性、可靠性等特點(diǎn)。數(shù)字化焊接電源利用單片機(jī)和DSP，在引入專(zhuān)家系統(tǒng)等智能控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的一元化調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)弧焊電源的“傻瓜式”操作，極大的方便了操作者。 6)通用性強(qiáng)，便于升級(jí)?；『鸽娫吹臄?shù)字化控制系統(tǒng)包括硬件電路系統(tǒng)和軟件程序系統(tǒng)。電源的硬件電路系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化；軟件程序系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化。同一類(lèi)型的焊機(jī)，功能的改進(jìn)可以只通過(guò)軟件設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)現(xiàn)今技術(shù)更新特別快的時(shí)代，可以大大提高焊機(jī)的使用壽命和應(yīng)用范圍。 雖然數(shù)字化弧焊電源與傳統(tǒng)的模擬控制弧