材料成形装备及自动化_樊自田_第四章2

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第四章
（1）钨极氩弧焊的引弧、稳弧及交流电源整流现象和 隔直方式 为了保持钨极端部的形状，以及防止钨极熔化 造成焊缝夹钨，钨极氩弧焊不采用短路引弧方式，而是 采用非接触式引弧，所以不论哪种形式的电源，都设置 有引弧器，交流电源中还设置有稳弧器。 ① 引弧器 主要有高频高压引弧器和高压脉冲引弧器。 电路原理如图4-28所示，也称
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a)
b)
图4-33 交流方波电源主回路及电源的原理框图 a)电源主回路 b)电源的原理框图 T1－弧焊变压器 L－直流电抗器 VT1~4－晶闸管整 流桥
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第四章
金属连接成形设备及自动化
3）脉冲电源 为了适应于一些热敏感的金属材料和薄板，超薄板 构件以及薄壁管子的全位置焊接的需要，控制焊接过程 的热输入，可采用脉冲钨极氩弧焊，即在焊接过程中电 流幅值按一定的规律周期性地变化，亦叫脉冲电流，如 图4-34所示脉冲频率可分为0.1~10Hz低频，10~1KHz中 频和1~30KHz高频，它是由脉冲电源产生。
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Q Uh
V 、Vf U I
t1
t2
t3
t4
t5
t
图4-36 钨极氩弧焊程序控制顺序示意图 Uh－高频或高压引弧电压 Q－保护气流 V－焊接速度 Vf －送丝速度 t1－提前送气时间 t2－电流上升时间 t3－正常焊接时间t4－电流衰减时间 t5－延迟断气时间
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优点： 优点： (1)焊接成本低。CO2气体是酿造厂和化工厂的副产品，价格低、来源广 ，其焊接成本约为手弧焊和埋弧焊的40％～50％。 (2)焊接生产率高。由于焊丝自动送进，焊接时焊接电流密度大，焊丝的 熔化效率高，所以熔敷速度高。焊接生产率比手弧焊高2～3倍。 (3)应用范围广。可以焊接薄板、厚板以及全位置的焊接等。 (4)抗锈能力强。CO2焊对焊件上的铁锈、油污及水分等，不像其他焊接 方法那样敏感，具有较好的抗气孔能力。 (5)操作性好，具有手弧焊那样的灵活性。 缺点： 缺点： 一.焊接时飞溅较大.焊缝表面成型较差.焊接设备较复杂。 二.防风能力差.不能在有风（风大于每秒两米）环境下使用。
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应用： 应用 等离子弧既可以用于焊接，又可以用于切割，在 工业生产中得到了广泛应用，可以焊接钨极氩弧焊所 能焊接的金属材料。由于能量更集中，温度更高，一 次可焊厚度更大，速度更快；由于电弧挺直度好，小 电流时电弧稳定，特别适合于焊接薄板，微型零件， 而变形小。
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第四章
4.2.3 CO2气体保护电弧焊设备
保护气体：CO2气体 特点：成本低，高效率、焊接质量好 应用：船舶、车辆、石油化工机械等钢结构的制造。 分类： 操作方式：自动焊和半自动焊 送丝方式：等速送丝式和变速送丝 通常采用半自动焊、细焊丝（直径≤1.6mm）、等速送丝系统配以平特 性弧焊电源。 半自动CO2焊机的组成：焊接电源、送丝机、焊枪、供气系统和控制系统等部 分组成，下图所示。
图4-23带有电子电抗器控制的逆变式CO2焊机原理
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2）控制系统
CO2焊机控制系统： 电源控制电路：包括动特性控制环节
送丝控制电路：控制送丝速度
程序控制电路：引弧和收弧过程等
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引弧：为了提高引弧成功率，可采取提高初期短路电流上升速 引弧 度 和慢速送丝的措施，即增大瞬间短路电流值和接触电阻，让焊 丝快速熔断引弧，引燃后，立即恢复合适的和正常送丝速度进行焊 接。 收弧：为了克服收弧时的缺陷，焊接过程结束时采取减缓送丝 收弧 速度（即降低焊接电流），同时相应降低电弧电压，首先填弧坑， 待弧坑填满后，切断送丝电机两端电压，让电机惯性运行，自动衰 减送丝速度，直至停运，则焊接电流也随即衰减到零。此间电弧电 压也同时再降低维持电弧燃烧以达到去除焊丝端头的熔化金属小球 和避免了焊丝与熔池相粘，最后关断电源停止焊接。整个程序如图 4-24所示。
设备组成：焊接电源、焊枪、焊丝送给装置及小车行走机构（自动填 设备组成 丝焊）、供气供水系统和控制系统等。如图4-27所示。
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图4-27
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钨极氩弧焊机结构图
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1）焊接电源
钨极氩弧焊由于可采用交流电弧，脉冲电弧和直流电弧，所以焊 接电源也相应分交流电源、脉冲电源和直流电源。交流电源中按所用 的功率器件及电路结构可分：普通弧焊变压器式、硅二极管（或晶闸 管）－电抗器式、逆变式。后二种为方波交流式。脉冲和交流电源有 ：硅整流式、晶闸管整流式、晶体管整流式、逆变式。钨极氩弧焊电 源的外特性采用陡降特性，以保证在弧长波动时引起焊接电流的变化 最小。
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（1）等离子弧的类型 将钨极氩弧压缩成等离子弧，就是依靠等离子枪的 水冷铜喷嘴的拘束作用实现的。由于喷嘴的拘束，使氩 弧受到机械压缩、热压缩和电磁压缩三种压缩的作用， 导致弧柱量密度及温度越来越高，而产生了电离程度很 高的等离子体电弧。 根据电源的连接方式，等离子弧分为非转移型电弧， 转移型电弧及联合型电弧三种，如图4-37所示，它们的 枪体结构一样，钨极都接电源的负极，只是电弧正极接 法不同。
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4.2.5 钨极氩弧焊设备
钨极氩弧焊（tungsten inert gas are welding）简称TIG焊，以惰性气体 （氩气、氦气）作为保护气体，使用纯钨或活化钨（钍钨、铈钨等）作为不 熔化电极引燃电弧进行焊接的一种方法，如图4-26所示。
图4-26 钨极氩弧焊示意图 1－喷嘴 2－钨极 5－工件 6－熔池
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4.2.4 CO2气体保护电弧焊设备
电弧电压
填充弧坑 送丝速度(焊接电流) 防止粘丝
CO2气体 提前送气
(去小球) 延时断气
图4-24 CO2半自动焊接过程程序控制图
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（3）供气系统 供气系统如图4-25所示。
图4-25 CO2焊气路系统示意图 1-CO2钢瓶 2-预热器 3-干燥器 4-减压器 5-溶量计 6-电磁气阀
7－帽
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（3）供气和供水系统 统相同。 （4）控制系统
与熔化极氩弧焊供气、供水系
主要包括焊接电源的控制电路和焊接
程序控制电路。钨极氩弧焊为不熔化极电弧焊，根据非接触 引弧和氩弧焊工艺的需要，其程序有提前送气和滞后断气， 高频引弧和切断高频、焊接电流开始缓升和焊接结束时电流 缓降、填弧坑等过程。在自动加填丝焊中，还有行走机构和 送丝机构的起、停控制，图4-36为钨极氩弧焊程序控制顺序 图。
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图4-32 交流钨极氩弧焊时电流电压波形及直流分量的形成示意图 a）电压波形 b）电流波形 U0－电源空载电压 U－电弧电压 I－电弧电流 I直－直流分量
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2）交流方波电源
根据焊接工艺以及改善正弦交流电弧的引弧和稳弧性 能的要求，目前又研究出交流方波弧焊电源或交、直流两用 弧焊电源。这种电源通过控制电源主回路的功率器件晶闸管， 可使正弦交流变为方波交流，而且正、负半波宽度可调，如 图4-33所示。
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4.2.4 CO2气体保护电弧焊设备
半自动CO2焊机 焊机 半自动
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图4-22 两种短路形态示意图 （a）正常短路 （b）瞬时短路
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1）焊接电源 CO2焊机的焊接电源主要有抽头式整流弧焊电源、晶闸管整流弧焊电 源和逆变式弧焊电源。图4-23为一种带有电子电抗器控制电流波形的 逆变式CO2焊机电路原理图。
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图4-34 钨极脉冲氩弧焊脉冲电流波形示意图 a）交流脉冲 b）直流脉冲 c）调制脉冲电流
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（2）焊枪 钨极氩弧焊焊枪的作用是夹持钨极、传导焊接 电流和输送保护气，其结构如图4-35所示。
1－钨极 罩
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图4-35 钨极氩弧焊焊枪结构图 2－喷嘴 3－铜丝网 4－钨极夹头 5－冷却水套 6－焊枪体
图4-29 新型高频振荡器电路原理图
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b).高压脉冲引弧 电路原理如图4-30所示
图4-30
晶闸管高压脉冲引弧和稳弧电路原理图
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②．稳弧器
在直流钨极氢弧焊时，由于电流不过零，
电弧一旦引燃后便能保证稳定燃烧，所以不需稳弧器。那 么交流，特别是工频正弦交流钨极氩弧焊时，电流每次由 正半波向负半波的过零时会出现断弧现象，因这时工件 （如铝及其合金）接负极，其发射电子能力弱，使电弧的 再引燃电压增高。为防止断弧，必须在这相位点及时加入 一个稳弧高压脉冲。
优点： 优点： 1.氩气Biblioteka Baidu有效地隔绝周围空气，本身又不溶于金属，不和金属反应，可成 功的焊接易氧化、氮化、化学活泼性强的有色金属、不锈钢和各种合金。 2. 钨极电弧稳定，即使在很小的焊接电流下仍可稳定的燃烧，特别适用于 薄板、超薄板材料的焊接。 3.热源和填充焊丝可分别控制，因而热输入容易调节，可进行各种位置的 焊接，也是实现单面焊双面成形的理想方法。 4.由于填充焊丝熔滴不通过电弧，故不会产生飞溅，焊缝成形美观。 缺点： 缺点： 1.焊缝熔深浅，熔覆速度小，生产率较低。 2.钨极承载电流的能力较差，过大的电流会引起钨极熔化和蒸发，其微粒 有可能进入熔池，造成污染。 3.惰性气体较贵，和其他电弧焊方法相比，成产成本较高。
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③．交流整流现象和隔直方式
在焊接铝、镁及其合
金的正弦交流钨极氩弧焊电源的输出回路中，还串联有隔 除直流分量的元件──大容量无极性电容，如图4-31所示。
图4-31
串联电容消除直流分量
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第四章
这是因为用正弦交流弧焊电源焊接时，两极的热物 理性质及几何尺寸差异悬殊，使得在正半波（工件为正 的半波）时钨极为阴极，发射电子能力强，阴极压降小， 电弧电压低，电流大。而在负半波（工件为负的半波） 时，工件为阴极发射电子的能力差，阴极压降大，电弧 电压高，电流小，由此形成了正、负半波电流波形的不 对称。从形式上看，相当于在交流电流上叠加了一个由 工件指向钨极的直流分量，如图4-32所示。
a).高频高压引弧器 高频振荡器。
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图4-28 高频振荡器电路原理图 T1-升压变压器 P-火花放电器 C1-振荡电容器 T2-高频耦合变压器 C2-旁路电容器
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图4-29为另一种新型结构的高频振荡器，它由整流 桥VD1～4、限流电阻R、中频振荡电容C、稳压管VS、晶 闸管VT、二极管VD5、中频升压变压器T1、火花气体放电 器P、高频振荡电容Ck、高频耦合输出变压器T2等组成。
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图4-37 等离子弧的类型 1－钨极 2－喷嘴 3－转移弧 4－非转移弧 5－工件 6－冷却水 7－弧焰 8－离子气
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1）非转移型电弧
正极接在焊枪的喷嘴上，电弧在钨极与
喷嘴之间燃烧，如图4-37a）所示。依靠高速喷出的等离子气 弧焰带出，喷烧在被焊工件上。这种电弧适用于焊接或切割较 薄的金属及非金属； 2）转移型电弧 正极接在工件上，电弧直接在钨极与工件
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3－电弧 7－填充焊丝
4－焊缝 8－氩气
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应用：用于飞机、原子能、化工、纺织等工业产品的制造中，可以焊 应用 接易氧化的有色金属及其合金、不锈钢等金属构件，特别是具有的阴极 雾化作用，可以轻松地焊接铝及其合金。
分类：按操作方式可分为手工焊和自动焊；按电弧电流形式可分为交 分类 流（含正弦波和方波）、脉冲（含低频、中频、高频）和直流氩弧焊； 按填丝是否预热可分为冷丝和热丝钨极氩弧焊。
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4.2.6 等离子弧焊接设备
等离子弧焊（Plasma Arc Welding）是在钨极氩弧焊的 基础上发展起来的一种焊接方法，也属于不熔化极电弧焊。 等离子弧是将自由钨极氩弧经压缩强化后而获得电离度更 高的电弧等离子体。与钨极氩弧在物理本质上没有区别， 仅是弧柱中电离程度上的不同，其能量密度可达105 ～106 W/cm2 ，温度可达24000～50000k，焰流速度可达300m/s以 上，是一种高能密束流。