2.1　直流电源与交流电源

2.1.1　直流焊接电源与交流焊接电源有何区别？

根据焊接电源输出电信号的不同，焊接电源可分为交流焊接电源和直流焊接电源。直流弧焊电源是指焊接回路中获得的输出电流为直流电的焊接电源。主要有直流弧焊发电机和弧焊整流器。

（1）直流弧焊电源

直流弧焊发电机的动特性好，电弧稳定性好，但由于耗电多、费材料以及噪声大，随着半导体技术的发展已居次要地位，主要用于油田施工中的野外作业。弧焊整流器是以硅整流器、晶闸管或晶体管作为整流元件，将交流电经变压整流转换成为直流电的一种应用较广泛的直流弧焊电源。

（2）交流弧焊电源

交流弧焊电源一般是指弧焊变压器，它是一类特殊结构的降压变压器。其基本原理是把弧焊变压器接入交流电网后，将工频交流电变换成低电压、大电流的交流电，以适宜于焊接。弧焊变压器在弧焊电源中占有很大的比例，应用最广，结构简单，因而具有便于制造、使用可靠、易于维修、节约电能和价格低廉的优点。

交流弧焊电源是由变压器和电抗器两部分组成，一般接单相电源。交流弧焊变压器有串联电抗器式和增强漏磁式两种结构。图2.1所示是三种串联电抗器式交流弧焊变压器的原理图。其特点是主变压器获得所需的空载电压，其输出特性平滑（输出电流增加，输出电压缓慢下降）；电抗铁芯调节电流输出，满足电流的变化需求。

分体动铁芯结构串联电抗器是由平特性主变压器及一个可调气隙动铁芯电抗器组成［如图2.1（a）所示］，前者获得所需的空载电压，后者用以调节电流。其特点是电抗器铁芯有振动，小电流时会引起电流波动及电弧不稳；一个主变压器可附两个以上电抗器，可作为多头式焊条电弧焊机。

同体动铁芯结构串联电抗器主变压器和电抗器有公共磁路，因此与分体式比，结构紧凑、节省材料、提高效率、降低电能消耗，且占地面积小。该种焊机一般容量较大，可作为400A以上埋弧焊电源。缺点是质量集中、搬运困难。

饱和电抗器是以具有平特性的主变压器和饱和电抗器串联组成，以后者来调节电流。其特点是电弧稳定性好、电流调节方便，但结构较复杂，重量、体积也大。一般用作钨极氩弧焊电源，也可作为焊条电弧焊电源。

增强漏磁式交流变压器有动铁芯式、动圈式和抽头式三种。动铁芯式增强漏磁交流变压器［如图2.2（a）所示］是用移动可动铁芯改变变压器一次、二次绕组的漏抗以调节电流；用改变变压比来实现电流粗调。其特点是小电流时空载电压高，引弧容易；结构简单、体积小、设备成本低。但由于附加损耗大，电弧稳定性较差，只宜制成中小容量的焊条电弧焊电源。

动圈式增强漏磁交流变压器是通过改变变压器一次、二次绕组间的距离，以改变漏抗，从而实现电流调节；通过改变变压比可作为电流的粗调［如图2.2（b）所示］。其特点是磁路无间隙，电弧较稳定，噪声较小。由于线圈间距不易做得太大，故只适宜制成中等容量焊条电弧焊电源。

抽头式增强漏磁交流变压器如图2.2（c）所示，抽头式增强漏磁交流变压器的一次、二次绕组的主要部分分别绕在两个铁芯柱上，用变换抽头的方法改变空载电压及漏磁，以调节电流。特点是体积小、耗料少，电流有级调节。一般制成小容量低负载持续率的焊条电弧焊电源，适宜修配站使用。

2.1.2　何为焊接电源的极性（DCSP、DCRP）？如何选择焊接电源的极性？

交流弧焊电源两端极性不断变化，不存在焊接电源极性接法的问题。而直流弧焊电源的正负极固定不变，就有两种极性接法，即直流正极性（DCSP）和直流反极性（DCRP）。工件接电源正极、焊钳接电源负极，称为直流正极性［如图2.3（a）所示］。在这种焊接回路中，电子由工件流向焊条。工件接电源负极、焊钳接电源正极，称为直流反极性，如图2.3（b）所示。

焊接电源及极性的选择主要根据焊接材料的性质及所需的热量来进行。焊条电弧焊使用酸性焊条焊接时，采用直流正接法焊接厚板，可以获得较大的熔深，保证焊透；而采用直流反接法焊接薄板，可以防止烧穿；采用交流电源焊接时，其熔深要介于直流正接和反接之间。在使用碱性低氢型焊条焊接时，通常必须采用直流反接法。这是因为碱性焊条药皮中含有较多的萤石（CaF2），在电弧气氛中分解出较多电离电位比较高的氟，致使电弧不稳，故不能采用交流电源。如果采用直流正接法，熔滴过渡会受到阴极斑点压力（正离子流的撞击力）的阻碍，造成电弧不稳，并产生飞溅。所以，应采用直流反接法。直流反接还可以减少氢气孔的产生。在没有直流电源的情况下，可以采用含有稳弧剂的碱性焊条来焊接重要的焊接结构。埋弧焊若使用直流电源施焊时，一般也采用反接。

钨极氩弧焊焊接钢、黄铜时，大多采用直流正接。因为阴极的发热量远小于阳极，所以用直流正接电源时，钨极接负极，发热量小，不易过热，钨极寿命长，同样直径的钨极可以采用较大的焊接电流。同时正接时，焊件为阳极发热量大，因此熔深大，生产率高。

2.1.3　何为焊接电弧的磁偏吹？对焊接过程有哪些影响？

直流电弧焊时，由于焊接电流磁场的存在，有时会产生电弧不能保持在焊条轴线方向而偏向一边，这种现象称之为磁偏吹，如图2.4所示。

电弧偏吹会影响电弧的稳定性，焊工难以控制电弧对熔池的集中加热，并影响电弧对熔池金属的保护作用，侵入有害气体，结果使焊缝产生气孔、未焊透、焊偏和成形不良等缺陷，降低焊接质量。严重的电弧偏吹还会使电弧熄灭，无法进行焊接。因此，在焊接过程中，必须注意防止产生电弧偏吹。

当采用交流电焊接时，由于变化的磁场在导体内产生感应电流，而感应电流产生的磁场削弱了焊接电流引起的磁场，所以交流电弧的磁偏吹现象要比直流电弧弱得多，不致影响焊接操作。

2.1.4　磁偏吹产生的原因及其消除措施有哪些？

（1）磁偏吹产生的原因

引起电弧磁偏吹的根本原因是由于电弧周围磁场分布不均匀所致。造成磁场不均匀的原因主要是以下两个方面。

①导线接线位置引起的磁偏吹　焊接电缆接在焊件的一侧，如图2.5（a）所示，焊接直流电流只从焊件的一边流过。这样，流过焊件的电流所产生的磁场与流过电弧和焊条的电流产生的磁场相叠加，使电弧两侧磁场分布不均匀。靠近接线一侧磁力线密集，磁场增强。根据磁场对导体的作用，磁力线密的一侧对电弧的作用力大，电弧必然偏向磁力线稀疏的一侧，而且电流越大，磁偏吹就越严重。如果焊条向磁偏吹方向倾斜，如图2.5（b）所示，调整一下电弧左右两侧空间的大小，使两侧磁力线密度趋于平衡，则可以减小磁偏吹的程度。电弧长度减小，磁场对电弧的作用减弱，磁偏吹也会减弱。

②电弧附近的铁磁物质引起的磁偏吹　当电弧的一侧有较大铁磁物质存在时，也会引起电弧两侧磁场分布的不均匀，如图2.6所示。在有铁磁物质的一侧，磁力线大多由铁磁物质中经过，因而使该侧空间的磁力线变稀，电弧必然偏向铁磁物质一侧。在焊角焊缝及V形坡口对接焊缝时，焊条作横向摆动运条过程中，焊条摆向哪一侧，电弧就向哪一侧偏吹。

（2）磁偏吹的消除措施

根据磁偏吹产生的原因，在生产、安装过程中采用下列几种方法克服和消除磁偏吹对焊接电弧的影响。

①适当改变焊件上接地线位置，尽可能使电弧周围的磁力线均匀分布。

②在操作上适当调节焊条倾角，将焊条朝偏吹方向倾斜。

③采用分段退焊法以及短弧焊法，也能有效地克服磁偏吹。

④采用交流焊接代替直流焊接。当采用交流电焊接时，因变化的磁场在导体中产生感应电流，而感应电流所产生的磁场削弱了焊接电流所引起的磁场，从而控制了磁偏吹。

⑤安放产生对称磁场的铁磁材料，尽量使电弧周围的铁磁物质分布均匀。

⑥减少焊件上的剩磁。焊件上的剩磁主要是原子磁畴排列整齐有序而造成的。为紊乱焊件的磁畴排列达到减少或防止磁偏吹的目的，可对焊件上存在剩磁的部位，进行局部加热，加热温度为250～300℃，去磁效果良好。此外在焊件的剩磁部位，外加磁铁平衡磁场。

⑦用反消磁法。即让焊件产生相反磁场来抵消焊件上的剩磁，从而克服和消除磁偏吹对焊接电弧的影响。

2.1.5　方波交流电弧与正弦波电弧的区别是什么？

正弦波电弧是交流焊接电源输出电流呈现周期性的近似正弦波规律变化，电弧电流经过零点并改变极性，如图2.7所示。正弦波交流电弧的电流、电压过零时速度较慢，电源电压达到再引燃电压所需要的时间较长，存在较长的熄弧时间，电弧不稳定；特别是从正半波向负半波转变时，由于母材发射电子的能力弱，电弧的重新引燃特别困难，所以采用正弦波交流电弧焊接时必须采取稳弧措施。

方波交流电弧是交流焊接电源输出电流呈现周期性的矩形波规律变化，如图2.8所示。方波交流电弧的电压和电流过零时，电流和电压的变化在瞬间内完成，过零速度极快，因此在较低的焊接电压下（20～40V）就可使电弧再引燃，基本上无熄弧时间，电弧稳定性很好。所以，采用方波交流电弧焊接时一般不需采取任何稳弧措施。通过调整方波交流电流的频率或正、负半波的电流持续时间及幅值，可以更加显著地改变电弧的形态、电弧的作用力和对母材热输入量的大小，甚至还可以控制阴极清理区的宽窄、母材的熔深以及焊缝正、反面的成形。

根据方波形成方式的不同，方波交流弧焊电源分为晶闸管电抗器式、逆变式、数字开关式和饱和电抗器式四类。方波交流TIG焊机特别适于焊接铝合金、镁合金、铝基复合材料以及热敏感性强的材料。