交直流弧焊逆變電鍍電源的研究現(xiàn)狀

　　摘要：闡述了交直流弧焊電源實現(xiàn)原理及特點，并從交直流弧焊電源的逆變技術(shù)、數(shù)字化控制技術(shù)、智能控制技術(shù)三方面的研究現(xiàn)狀進行了詳細的介紹，指出了交直流弧焊電源沿高性能數(shù)字化與智能化方向發(fā)展的趨勢。

　　關(guān)鍵詞：交直流；弧焊電源；數(shù)字化；智能化
    　　
　　鋁及其合金通常采用工頻交流正弦波鎢極氬弧焊進行焊接，但這種焊接電源的電弧穩(wěn)定性差，正負不能用于堿性焊條電弧焊。特別是，它對于一些要求較高的焊接工作，如鋁薄件小電流焊接、單面焊雙面成形、高強度要求的焊接等，都很難獲得滿意的焊縫質(zhì)量。隨著大功率半導(dǎo)體元件和電力技術(shù)的發(fā)展，近年在國內(nèi)成功應(yīng)用了交直流弧焊工藝，并研制和生產(chǎn)出了相應(yīng)的弧焊電源〔1〕。 
   
　　交直流弧焊是一種薄板鋁合金較理想的電弧焊方法，其既可以控制焊縫的熔深，又可以提高焊接效率。其中交直流氬弧焊功能最適合于鋁及鋁合金、鎂及鎂合金的焊接，其具有霧化調(diào)節(jié)功能，能有效地破除工件表面的氧化膜；焊縫成形好、表面光亮美觀〔2、3〕　。 
   
　　近年來，鋁合金等非金屬以其低溫特性、質(zhì)量輕、比強度高等優(yōu)點，已被廣泛地應(yīng)用在航空航天、汽車和民用工業(yè)中，成為一種重要的加工材料〔4〕。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，薄板鋁合金在工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣，其焊接量也在不斷地擴大。提高焊接生產(chǎn)率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)焊接生產(chǎn)的自動化、智能化越來越得到焊接生產(chǎn)企業(yè)的重視，特別是對焊接質(zhì)量和精度要求比較高的機器人焊接場合更是如此。加上現(xiàn)代人工智能技術(shù)、數(shù)字化信息處理技術(shù)、計算機視覺技術(shù)等高新技術(shù)的融入，也促使交直流焊技術(shù)正朝著焊接高速高效化、焊接控制數(shù)字化、控制系統(tǒng)智能化方面發(fā)展。 
   
　　1交直流弧焊原理及特點 
   
　　交直流弧焊的主要特點是電流過零點的時間極短，通過電子控制技術(shù)使正負半波通電時間比和電流的比值可以自由調(diào)節(jié)。因此把它用于鋁及其合金焊接是地，在焊接工藝上有以下特點：電源穩(wěn)定，電流過零點時重新引弧容易，不必加穩(wěn)弧高壓脈沖或高頻電，受干擾的影響小，并可以通過調(diào)節(jié)正負半波通電時間比例來獲得最佳的熔深和陰極霧化作用，提高鎢極的壽命；調(diào)節(jié)工件上的熱輸入，更有效地利用電弧熱和電弧力作用來滿足某些弧焊工藝的特殊需要，不必采用消除直流分量的裝置等等。 
   
　　逆變式交直流弧焊電源，主要由普通直流弧焊電源和逆變器組成主電路，通過逆變器把直流轉(zhuǎn)變成交流，頻率可調(diào)，正負半波通電時間比、正負半波電流比值也可以在一定范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)。當(dāng)S1，S3觸發(fā)導(dǎo)通，S2，S4關(guān)斷時，直流電源通電回路為：+→S1→電弧→S3，從而在電弧獲得正半波的電流，直流且焊絲為正極性是地，電弧穩(wěn)定，灶縫熔深大，通過對電流進行有效控制，容易實現(xiàn)焊絲熔化及熔滴過渡。當(dāng)S2，S4導(dǎo)通，S1，S3關(guān)斷時，通電回路為-→S2→電弧S4，從而在電弧獲得負半波的電流，直流且焊絲為負極性時，電弧沿焊絲上爬，電弧不穩(wěn)定，熔滴不易過渡，焊接熔池淺，具有電弧沿焊絲上爬促進焊絲熔化以及減小電弧對熔池的加熱作用，形成淺熔深的特性。由此可見，只要控制2組電子元件輪流導(dǎo)通，切換電弧電流的方向，并通過控制2組電力元件導(dǎo)通時間的長短和通電時間的相對比例，就可得到頻率和正負半波通電時比例可調(diào)節(jié)的交直流電。在焊接過程中，根據(jù)焊件的尺寸要求，選擇合適的焊接電流頻率和正負半波通電時間比率，便可控制形成合適的焊縫質(zhì)量，尤其是焊接薄板時形成淺熔深，保證不出現(xiàn)熔池形成失敗現(xiàn)象，滿足焊接質(zhì)量的要求。
    　　
　　2直流弧焊逆變技術(shù) 
   
　　功率電子器件性能的提高和發(fā)展為逆變技術(shù)的迅速發(fā)展提供了最基本的物質(zhì)基礎(chǔ)，一種新的性能更優(yōu)越的電力電子器件的出現(xiàn)，必將引起逆變技術(shù)大發(fā)展，勢必引起先進的逆變技術(shù)在交直流弧焊電源中的應(yīng)用與發(fā)展。 
   
　　我國自1962年試制成功晶閘管以來，以普通晶閘管和硅整流管為主體的變注技術(shù)、逆變技術(shù)有了很大的發(fā)展，器件質(zhì)量有較大的提高，派生型晶閘管，職快速、雙向、可關(guān)斷和逆變導(dǎo)器件有較快的發(fā)展，產(chǎn)品產(chǎn)量大幅度上升。近10多年來，經(jīng)過精心設(shè)計，加上工藝、測試、可靠性以及裝備等方面的研究，器件容量定額大大提高，靜、動態(tài)特性午到改善。我國已自行設(shè)計和研制出1000A，1200V，30μs的快速晶閘管；100A，600V以上的功率開關(guān)晶體管；40，60A，1000V以上的快速二極管。此外，50，100A的大功率場效應(yīng)晶體管、IGBT在90年代初也開始試制生產(chǎn)。同時，在變頻調(diào)速、穩(wěn)壓電源、不間尖、電鍍電源、電阻焊、弧焊電源、電子束電源、中高頻加熱及熱處理、電化學(xué)等方面已廣泛應(yīng)用逆變技術(shù)和產(chǎn)品，并擁有數(shù)十個系列和數(shù)百個規(guī)格的這類產(chǎn)品。其中包括單機容量為250，350kVA的晶閘管變頻器；單機容量為1000kVA以上的不間斷電源裝置；250kVA的IGBT式電阻焊逆變器；33kVA的IGBT式弧焊逆變器；15，30kVA的場效應(yīng)晶體管式的弧焊逆變器等〔5〕。

　　上世紀(jì)90年代，國內(nèi)外電力半導(dǎo)體器件和逆變技術(shù)在不斷向功率化、快速化、模塊化、組合化、智能化、廉價和高可靠性方向發(fā)展，新型的大功率場效應(yīng)管用作弧焊逆變器的快速開關(guān)，比普通的雙極型大功率晶體管更為優(yōu)越。