交直流弧焊逆變電鍍電源的研究現狀

    摘要：闡述了交直流弧焊電源實現原理及特點，並從交直流弧焊電源的逆變技術、數位化控制技術、智能控制技術三方面的研究現狀進行了詳細的介紹，指出了交直流弧焊電源沿高性能數位化與智能化方向發展的趨勢。關鍵詞：交直流；弧焊電源；數位化；智能化

　　鋁及其合金通常採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定性差，正負不能用於鹼性焊條電弧焊。特別是，它對於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量。隨著大功率半導體元件和電力技術的發展，近年在國內成功應用了交直流弧焊工藝，並研製和生產出了相應的弧焊電源〔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於鋁及鋁合金、鎂及鎂合金的焊接，其具有霧化調節功能，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、質量輕、比強度高等優點，已被廣泛地應用在航空航天、汽車和民用工業中，成為一種重要的加工材料〔4〕。隨著科學技術的發展，薄板鋁合金在工業中的應用越來越廣，其焊接量也在不斷地擴大。提高焊接生產率、保證產品質量、實現焊接生產的自動化、智能化越來越得到焊接生產企業的重視，特別是對焊接質量和精度要求比較高的機器人焊接場合更是如此。加上現代人工智慧技術、數位化信息處理技術、計算機視覺技術等高新技術的融入，也促使交直流焊技術正朝著焊接高速高效化、焊接控制數位化、控制系統智能化方面發展。

　　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，通過電子控制技術使正負半波通電時間比和電流的比值可以自由調節。因此把它用於鋁及其合金焊接是地，在焊接工藝上有以下特點：電源穩定，電流過零點時重新引弧容易，不必加穩弧高壓脈衝或高頻電，受干擾的影響小，並可以通過調節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；調節工件上的熱輸入，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，不必採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變成交流，頻率可調，正負半波通電時間比、正負半波電流比值也可以在一定範圍內自由調節。當S1，S3觸發導通，S2，S4關斷時，直流電源通電迴路為：+→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，電弧穩定，灶縫熔深大，通過對電流進行有效控制，容易實現焊絲熔化及熔滴過渡。當S2，S4導通，S1，S3關斷時，通電迴路為-→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組電子元件輪流導通，切換電弧電流的方向，並通過控制2組電力元件導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節的交直流電。在焊接過程中，根據焊件的尺寸要求，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量，尤其是焊接薄板時形成淺熔深，保證不出現熔池形成失敗現象，滿足焊接質量的要求。

　　2直流弧焊逆變技術

　　功率電子器件性能的提高和發展為逆變技術的迅速發展提供了最基本的物質基礎，一種新的性能更優越的電力電子器件的出現，必將引起逆變技術大發展，勢必引起先進的逆變技術在交直流弧焊電源中的應用與發展。

　　我國自1962年試製成功晶閘管以來，以普通晶閘管和矽整流管為主體的變注技術、逆變技術有了很大的發展，器件質量有較大的提高，派生型晶閘管，職快速、雙向、可關斷和逆變導器件有較快的發展，產品產量大幅度上升。近10多年來，經過精心設計，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、動態特性午到改善。我國已自行設計和研製出1000A，1200V，30μs的快速晶閘管；100A，600V以上的功率開關電晶體；40，60A，1000V以上的快速二極體。此外，50，100A的大功率場效應電晶體、IGBT在90年代初也開始試製生產。同時，在變頻調速、穩壓電源、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、電化學等方面已廣泛應用逆變技術和產品，並擁有數十個系列和數百個規格的這類產品。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的場效應電晶體式的弧焊逆變器等〔5〕。

　　上世紀90年代，國內外電力半導體器件和逆變技術在不斷向功率化、快速化、模塊化、組合化、智能化、廉價和高可靠性方向發展，新型的大功率場效應管用作弧焊逆變器的快速開關，比普通的雙極型大功率電晶體更為優越。

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