交直流弧焊逆变电镀电源的研究现状

摘要：阐述了交直流弧焊电源实现原理及特点，并从交直流弧焊电源的逆变技术、数字化控制技术、智能控制技术三方面的研究现状进行了详细的介绍，指出了交直流弧焊电源沿高性能数字化与智能化方向发展的趋势。

关键词：交直流；弧焊电源；数字化；智能化

　　铝及其合金通常采用工频交流正弦波钨极氩弧焊进行焊接，但这种焊接电源的电弧稳定性差，正负不能用于碱性焊条电弧焊。特别是，它对于一些要求较高的焊接工作，如铝薄件小电流焊接、单面焊双面成形、高强度要求的焊接等，都很难获得满意的焊缝质量。随着大功率半导体元件和电力技术的发展，近年在国内成功应用了交直流弧焊工艺，并研制和生产出了相应的弧焊电源〔1〕。

　　交直流弧焊是一种薄板铝合金较理想的电弧焊方法，其既可以控制焊缝的熔深，又可以提高焊接效率。其中交直流氩弧焊功能最适合于铝及铝合金、镁及镁合金的焊接，其具有雾化调节功能，能有效地破除工件表面的氧化膜；焊缝成形好、表面光亮美观〔2、3〕　。

　　近年来，铝合金等非金属以其低温特性、质量轻、比强度高等优点，已被广泛地应用在航空航天、汽车和民用工业中，成为一种重要的加工材料〔4〕。随着科学技术的发展，薄板铝合金在工业中的应用越来越广，其焊接量也在不断地扩大。提高焊接生产率、保证产品质量、实现焊接生产的自动化、智能化越来越得到焊接生产企业的重视，特别是对焊接质量和精度要求比较高的机器人焊接场合更是如此。加上现代人工智能技术、数字化信息处理技术、计算机视觉技术等高新技术的融入，也促使交直流焊技术正朝着焊接高速高效化、焊接控制数字化、控制系统智能化方面发展。

1交直流弧焊原理及特点

　　交直流弧焊的主要特点是电流过零点的时间极短，通过电子控制技术使正负半波通电时间比和电流的比值可以自由调节。因此把它用于铝及其合金焊接是地，在焊接工艺上有以下特点：电源稳定，电流过零点时重新引弧容易，不必加稳弧高压脉冲或高频电，受干扰的影响小，并可以通过调节正负半波通电时间比例来获得最佳的熔深和阴极雾化作用，提高钨极的寿命；调节工件上的热输入，更有效地利用电弧热和电弧力作用来满足某些弧焊工艺的特殊需要，不必采用消除直流分量的装置等等。

　　逆变式交直流弧焊电源，主要由普通直流弧焊电源和逆变器组成主电路，通过逆变器把直流转变成交流，频率可调，正负半波通电时间比、正负半波电流比值也可以在一定范围内自由调节。当S1，S3触发导通，S2，S4关断时，直流电源通电回路为：+→S1→电弧→S3，从而在电弧获得正半波的电流，直流且焊丝为正极性是地，电弧稳定，灶缝熔深大，通过对电流进行有效控制，容易实现焊丝熔化及熔滴过渡。当S2，S4导通，S1，S3关断时，通电回路为-→S2→电弧S4，从而在电弧获得负半波的电流，直流且焊丝为负极性时，电弧沿焊丝上爬，电弧不稳定，熔滴不易过渡，焊接熔池浅，具有电弧沿焊丝上爬促进焊丝熔化以及减小电弧对熔池的加热作用，形成浅熔深的特性。由此可见，只要控制2组电子元件轮流导通，切换电弧电流的方向，并通过控制2组电力元件导通时间的长短和通电时间的相对比例，就可得到频率和正负半波通电时比例可调节的交直流电。在焊接过程中，根据焊件的尺寸要求，选择合适的焊接电流频率和正负半波通电时间比率，便可控制形成合适的焊缝质量，尤其是焊接薄板时形成浅熔深，保证不出现熔池形成失败现象，满足焊接质量的要求。

2直流弧焊逆变技术

　　功率电子器件性能的提高和发展为逆变技术的迅速发展提供了最基本的物质基础，一种新的性能更优越的电力电子器件的出现，必将引起逆变技术大发展，势必引起先进的逆变技术在交直流弧焊电源中的应用与发展。

　　我国自1962年试制成功晶闸管以来，以普通晶闸管和硅整流管为主体的变注技术、逆变技术有了很大的发展，器件质量有较大的提高，派生型晶闸管，职快速、双向、可关断和逆变导器件有较快的发展，产品产量大幅度上升。近10多年来，经过精心设计，加上工艺、测试、可靠性以及装备等方面的研究，器件容量定额大大提高，静、动态特性午到改善。我国已自行设计和研制出1000A，1200V，30μs的快速晶闸管；100A，600V以上的功率开关晶体管；40，60A，1000V以上的快速二极管。此外，50，100A的大功率场效应晶体管、IGBT在90年代初也开始试制生产。同时，在变频调速、稳压电源、不间尖、电镀电源、电阻焊、弧焊电源、电子束电源、中高频加热及热处理、电化学等方面已广泛应用逆变技术和产品，并拥有数十个系列和数百个规格的这类产品。其中包括单机容量为250，350kVA的晶闸管变频器；单机容量为1000kVA以上的不间断电源装置；250kVA的IGBT式电阻焊逆变器；33kVA的IGBT式弧焊逆变器；15，30kVA的场效应晶体管式的弧焊逆变器等〔5〕。

　　上世纪90年代，国内外电力半导体器件和逆变技术在不断向功率化、快速化、模块化、组合化、智能化、廉价和高可靠性方向发展，新型的大功率场效应管用作弧焊逆变器的快速开关，比普通的双极型大功率晶体管更为优越。