脉冲弧焊电源的现状和发展

脉冲弧焊电源的现状与发展
欧前
(东北大学秦皇岛分校资源与材料学院，河北秦皇岛022004)
摘要：就目前国内外电源的发展历程、脉冲弧焊电源的原理及特点及分类、应用范围做简要介绍，同时，对脉冲弧焊现状及未来发展的趋势进行了论述。

关键词: 脉冲弧焊电源、现状、发展、焊接、电源
前言
弧焊技术是现代焊接技术的重要组成部分，其应用范围几乎涵盖了所有的焊接生产领域。

电弧焊作为一种基本的金属处理方法，被广泛地运用于国民经济的各部门，为电弧焊提供能量的弧焊电源从诞生起已取得了很大的进展。

没有先进的弧焊电源及其控制技术，要实现先进的焊接工艺和得到良好的焊接接头是不可能的。

脉冲弧焊电源是弧焊电源中很重要的一部分。

焊接生产中，对薄板、热敏感材料结构、小直径管等易变形结构进行焊接时，采用普通焊接方法及设备极易产生不可矫正的焊接变形。

如果在焊接的过程中采用脉冲电流进行焊接，由于焊接过存在基本和脉冲两种大小不同的电流，所以整个焊接过程平均电流值较低，产热总量少，不但能减小焊接热影响区，使焊接变形得到有效控制，而且能在较少的总产热量情况下增大峰值电流促进形成稳定的熔滴过渡同时缩小和冷却熔池，有利于易变形结构的焊接同时十分有利于全位置焊接。

电源的发展历程
电弧作为一种气体导电的物理现象是在19世纪初被发现的，但1885年俄国人别那尔道斯发明碳极电弧可看作是电弧作为热源应用的创始，而电弧真正用于工业则是在1892年发明金属极电弧后，特别是1930年前后出现了薄皮和厚皮焊条以后才开始的。

60年代，由于大容量硅整流元件、晶闸管的问世，为发展硅整流器、晶闸管式的弧焊整流器等提供了条件。

到70、80年代，弧焊电源的发展更是出现飞跃：多种形式的弧焊整流器相继出现和完善，研制成功多种形式的脉冲弧焊电源，为进一步提高焊接质量和适应全位置焊接自动化提供了性能优良的弧焊电源。

此外，还先后研制成功了高效节能，性能好的晶闸管式、晶体管式、场效应管式的IGBT弧焊逆变器。

随着新型弧焊技术的发展，弧焊电源也不断地得到发展。

脉冲弧焊电源的概述
焊接电流一低频脉冲方式馈送，一般由普通的弧焊电源与脉冲发生电路组成，它具有效率高、输入线能量较小、线能量调节范围宽等优点。

它主要用于气体保护电弧焊和等离子弧焊。

这种弧焊电源用于对热输入比较敏感的高合金材料薄板和全位置焊接，具有独特的优点。

脉冲弧焊电源的分类
1.按获得脉冲电流的主要器件分类：单向整流式脉冲弧焊电源、磁放大器式脉冲弧焊电源、
晶闸管式脉冲弧焊电源、晶体管式脉冲弧焊电源
2.按获得脉冲电流的方法分类：交流断续器脉冲弧焊电源、直流脉冲弧焊电源、阻抗变换
式脉冲弧焊电源
3.按脉冲电流电流电源与基本电流电源的组合分类:并联式脉冲弧焊电源、一体式脉冲弧焊
电源
4.按脉冲电流的频率分类：低频脉冲脉冲弧焊电源、高频脉冲弧焊电源
脉冲弧焊电源的基本原理
脉冲弧焊电源与一般弧焊电源的主要区别在于其提供的焊接电流是以脉冲的形式周期性变化的，焊接电流一般包括基本电流和脉冲电流两部分。

基本电流主要作用是在脉冲电流休止期间，维持电弧稳定燃烧。

同时有预热作用，为熔池的形成和熔滴的过渡作准备。

脉冲电流是决定熔池形状及熔滴过渡的主要参数。

脉冲孤焊电流的基值电流和脉冲电流可分别由两个电源提供，也可由一个电源提供幅值大小交替变化的电流。

脉冲电流一般可采用电子开关的作用、阻抗变换、给定信号变换、电流截止反馈作用以及硅二极管整流作用几种方法获得。

脉冲弧焊电源的特点
相对于普通焊接电流，脉冲电源的焊接电流有以下几个特点：
1）电弧稳定性好
普通电弧焊在低电流时电弧挺度差、不稳定，而脉冲电流是在峰值、基值之间周期性地变化，虽然基本电流时电弧挺度较差，但其不稳定现象可在脉冲电流时得到恢复。

尤其是脉冲频率增大，脉冲电流出现的次数随之增多，待出现热惯性滞后于电流的变化时脉冲弧焊电源焊接电弧的挺度和稳定性将保持在较高的水平。

因此，脉冲焊接电弧的稳定性要好于同一平均电流下的普通电弧。

2）电弧热输入低
焊接过程中，由于基本电流值较小，电弧在基本电流过程中给予母材的热输入较少，因此在整个焊接过程中母材获得的热输入小于平均电流相同的普通焊接电弧给予母材的热输入。

[2]
3）电弧工艺参数可调节性好
由于焊接过程中的电流分为基本电流和脉冲电流两部分，且电流波形频率、两部分之间的比率均可调节，因此，脉冲弧焊电源可调节的工艺参数较多。

通过参数的合理调节，可以获得更易控制的、可调范围更广的焊接电弧。

从而实现更高质量的焊接。

4）对熔池有较强的搅拌作用，有利于焊接质量。

在焊接过程中，由于脉冲电弧焊存在较小的基本电流和较大的脉冲电流之间的变化，电流的变化造成电弧压力的变化，增强了电弧对熔池的搅拌作用，使焊缝金属细密并有利于缺陷的消除。

5）裂纹倾向小
脉冲焊接电弧总体热输入少，基本电流时熔池冷却快，因此焊接过程高温停留时间短，可减小材料产生热裂纹的倾向。

脉冲弧焊电源的应用
脉冲弧焊电源应用广泛，由于其独特的优势，从不同的角度均可得到较广泛的应用空间。

1.与焊接方法结合使用
脉冲弧焊电源适用于手工电弧焊、钨极惰性气体保护焊、熔化极惰性气体保护焊、等离子弧焊和微束等离子弧焊等主要的电弧焊方法，其中，脉冲钨极惰性气体保护焊、脉冲熔化极惰性气体保护焊在工业生产中较为常见。

2.所焊金属材料范围较广
由于脉冲弧焊电源可与几种主要的电弧焊方法结合使用，因此其可应用于大多数金属的焊接，尤其是对热输入较为敏感的高合金钢、铝合金及稀有金属的焊接。

3.可焊结构范围广
通过脉冲弧焊电源与窄间隙气体保护焊方法相结合，可对150mm以上的厚板进行焊接。

通过脉冲弧焊电源与微束等离子弧焊方法相结合可实现对厚度小于0.1mm的超薄金属板进行焊接。

4.适合全位置焊接
脉冲弧焊电源可调参数多，调节范围广，利于热输入、熔滴过渡、熔池形状及熔池冷却速度的控制，因此在各个位置的焊接中脉冲弧焊电源十分容易使焊缝质量保持均一稳定，十分有利于全位置焊接。

综上，脉冲弧焊电源具有参数可调范围广、应用范围广、焊接质量高、焊缝成形美观、结构变形小、合金元素烧损少、节省电能等优点；但受其控制线路复杂、维修保养成本高、焊接效率一般等缺点的限制现主要应用于较易变形结构的气体保护焊焊接工艺以及精密件的微束等离子弧焊工艺中。

脉冲弧焊电源技术的现状
传统的弧焊电源如占焊机总产量90%的手弧焊机生产中是以技术落后的矩形动铁式和大量耗材的动圈式交流弧焊机为主。

在我国直流弧焊电源中在国家三令五申下虽已逐步减少了电力拖动的旋转式直流弧焊发电机的生产但未能完全禁绝。

对整流式弧焊电源的推广也是较为困难由于老式的硅整流弧焊电源的性能难以与旋转式直流弧焊电源相匹敌而国家重点推广的晶闸管整流电源ZX5 -250、ZX5 - 400 初期性能并不稳定使用户无所适从这一局面直到90 年代中期才得到改变。

数字化弧焊技术是一种新兴的技术数字化弧焊电源是指焊机主要的控制电路由数字控制技术替代传统的模拟控制技术且在控制电路中的控制信号也由模拟信号过渡到0 /1 编码的数字信号。

数字系统与模拟系统相比有着明显的优势数字系统具有系统灵活性好、控制
精度高、稳定性与产品一致性好、接口兼容性好以及系统功能升级方便等特点。

1994 年国外Fronius 公司的Lahnsteiner.Robert 指出现代GMAW 焊接电源应满足多方面不同需求如:适合于短路过渡焊接、脉冲焊接、射流过渡焊接和高熔敷率焊接等焊接工艺合理的焊接电源外特性可以通过原边工作于开关状态的逆变电源实现大量的焊接规范参数的设计必须实现Synergic 控制(一元化控制)以使焊接电源便于操作为满足新的质量控制要求焊接电源必须实时记录焊接规范参数、识别偏差量。

基于上述思想伴随着新型的功能强大的数字信息处理器DSP 的出现Fronius 公司推出了全数字化焊接电源随后Panosonic 等公司也推出了各自的数字化焊接电源产品并相继进入中国市场。

数字化焊接电源实现了柔性化控制和多功能集成具有控制精度高、系统稳定性好、产品一致性好、功能升级方便等优点。

如Fronius 公司的Transplus synergic 2700 /4000 /5000 系列产品在一台焊机上实现了MIG/MAG、TIG 和手工电弧焊等多种焊接方法可存储近80 个焊接程序实时显示焊接规范参数通过单旋钮给定焊接规范参数和电流波形参数可以实现熔滴过渡和弧长变化的精确控制同时此类焊接电源还可以通过网络进行工艺管理和控制软件升级。

脉冲弧焊电源未来的发展方向
脉冲弧焊电源的飞速发展不仅表现在弧焊电源种类的大量增加还表现在广泛应用电子技术、控制技术、电子计算机技术等方面的理论知识和最新成就来不断提高脉冲弧焊电源的质量改善其电气性能。

例如采用单旋钮调节即用一个旋钮就可以对电弧电压、焊接电流和短路电流上升速度等同时进行调节并获得最佳配合通过电子控制电路获得多种形状的外特性以适应各种弧焊工艺的需要提供多种电压、电流波形以满足某些弧焊工艺的特殊需要采用电压和温度补偿控制设置电流递增和电流衰减环节以防止引弧冲击和提高填满弧坑的质量采用计算机控制具有记忆、预置焊接参数和在焊接过程中自动变换焊接参数等功能使弧焊电源智能化。

而人工智能技术、计算机视觉技术、数字化信息处理技术、机器人技术等现代高新技术的溶入也促使脉冲弧焊技术正向着焊接工艺高效化、焊接电源控制数字化、焊接质量控制智能化、焊接生产过程机器人化的方向发展弧焊设备也向着智能化发展、机器人化发展。

参考文献：
【1】逯志亮脉冲弧焊电源的特点及应用
【2】于立国，王秀梅，杜金星，苏彦莽，宁长利弧焊电源的发展与现状
【3】黄石生脉冲弧焊电源的发展概况及其应用
【4】脉冲弧焊电源项目报告。