淺析弧焊電源的現狀與發展

弧焊技術是現代焊接技術的重要組成部分,其應用范圍幾乎涵蓋了所有的焊接生產領域。電弧焊作為一種基本的金屬處理方法,被廣泛的運用于國民經濟的各部門,為電弧焊提供能量的弧焊電源從誕生起已取得了很大的發展。


1　弧焊電源發展歷程 　　


作為一種氣體導電的物理現象,電弧是在19世紀初被發現的,直到1885年俄國人別那爾道斯發明碳極電弧可以看作是電弧作為熱源應用的創始,而電弧真正運用于工業是在1892年發現金屬極電弧后。上世紀40年代研究成功埋弧焊,而隨著航天與原子能的發展出現了氬弧焊。上世紀50年代出現了CO2與各種氣體保護焊并研究出等離子弧焊,到70 - 80年代,弧焊電源的發展更是出現飛躍:多種型式的弧焊整流器相繼出現和完善,研制成功多種型式的脈沖弧焊電源,為進一步提高焊接質量和適應全位置焊接自動化提供了性能優良的弧焊電源。此外,還先后研制成功高效節能,性能好,晶閘管式、晶體管式、場效應管式和IGBT弧焊逆變器。隨著新型弧焊技術的發展,弧焊電源也有了長足的進步。


2　弧焊電源的分類、特點及運用


2. 1 弧焊電源的分類


　弧焊電源的分類無論是國內還是國外都有不同的分類方法,因此其結果也不盡相同,本文采用陳祝年的分類方法。


2. 2　各種弧焊電源的特點及運用


弧焊變壓器,它把網路電壓的交流電變成適宜于弧焊的低壓交流電,由主變壓器及所需的調節部分和指示裝置等組成.


它具有結構簡單、易造易修、成本低、效率高等優點,但其電流波形為正弦波,輸出為交流下降外特性,電弧穩定性較差,功率因數低,但磁偏吹現象很少產生,空載損耗小,一般應用于手弧焊埋、弧焊和鎢極氬弧焊等方法。


　 矩形波交流弧焊電源,它采用半導體控制技術來獲得矩形波交流電流,其電弧穩定性好,可調參數多,功率因數高。它除了用于交流鎢極氬弧焊(TIG)外,還可用于埋弧焊,甚至可代替直流弧焊電源用于堿性焊條手弧焊.


直流弧焊發電機,一般由特種直流發電機和獲得所需外特性的調節裝置等組成.它的缺點是空載損耗較大、磁偏吹現象較明顯、效率低、噪聲大、造價高、維修難;優點是過載能力強、輸出脈動小,可用于各種弧焊方法的電源,也可用柴油機驅動用于沒有電源的野外施工。弧焊整流器,它是把交流電經降壓整流后獲得直流電的,外特性可以是平的或下降的,它由主變壓器、半導體整流元件以及獲得所需外特性的調節裝置等組成. 與直流弧焊發電機比較,它具有制造方便、價格低、空載損耗小、噪聲小等優點,而且大多數可以遠距離調節,能自動補償電網電壓波動對輸出電壓、電流的影響,但有磁偏吹現象.它可作為各種弧焊方法的電源。


弧焊逆變器,它把單相(或三相)交流電經整流后,由逆變器轉變為幾百至幾萬赫茲的中頻交流電,經降壓后輸出交流或直流電. 整個過程由電子電路控制,使電源具有符合需要的外特性和動特性. 它具有高效節電、質量輕、體積小、功率因數高、控制性能好、動態響應快易于實現焊接過程的實時控制、焊接性能好等獨特的優點,可用于各種弧焊方法,是一種最有發展前途的普及型弧焊電源。脈沖弧焊電源,焊接電流以低頻調制脈沖方式饋送,一般是由普通的弧焊電源與脈沖發生電路組成,也有其他結構形式. 它具有效率高,輸入線能量較小,可在較寬范圍內控制線能量等優點。這種弧焊電源用于對熱輸入量比較敏感的高合金材料薄板和全位置焊接,具有獨特的優點。

3　弧焊電源技術的現狀與發展


3.1　弧焊電源技術的現狀


傳統的弧焊電源,如占焊機總產量90%的手弧焊機生產中,是以技術落后的矩形動鐵式和大量耗材的動圈式交流弧焊機為主。在我國直流弧焊電源中,在國家三令五申下,雖已逐步減少了電力拖動的旋轉式直流弧焊發電機的生產,但未能完全禁絕。對整流式弧焊電源的推廣,也是較為困難,由于老式的硅整流弧焊電源的性能難以與旋轉式直流弧焊電源相匹敵,而國家重點推廣的晶閘管整流電源ZX5 -250、ZX5 - 400初期性能并不穩定,使用戶無所適從,這一局面直到90年代中期才得到改變。


數字化弧焊技術是一種新興的技術,數字化弧焊電源是指焊機主要的控制電路由數字控制技術替代傳統的模擬控制技術,且在控制電路中的控制信號也由模擬信號過渡到0 /1編碼的數字信號。數字系統與模擬系統相比有著明顯的優勢,數字系統具有系統靈活性好、控制精度高、穩定性與產品一致性好、接口兼容性好以及系統功能升級方便等特點。1994年,國外Fronius公司的Lahnsteiner.Robert指出,現代GMAW焊接電源應滿足多方面的不同需求,如:適合于短路過渡焊接、脈沖焊接、射流過渡焊接和高熔敷率焊接等焊接工藝,合理的焊接電源外特性可以通過原邊工作于開關狀態的逆變電源實現;大量的焊接規范參數的設計必須實現Synergic控制(一元化控制)以使焊接電源便于操作;為滿足新的質量控制要求,焊接電源必須實時記錄焊接規范參數、識別偏差量 。基于上述思想,伴隨著新型的功能強大的數字信息處理器DSP的出現,Fronius公司推出了全數字化焊接電源,隨后Panosonic等公司也推出了各自的數字化焊接電源產品,并相繼進入中國市場。數字化焊接電源實現了柔性化控制和多功能集成,具有控制精度高、系統穩定性好、產品一致性好、功能升級方便等優點 。如Fronius公司的Transplus synergic 2700 /4000 /5000系列產品在一臺焊機上實現了MIG/MAG、TIG和手工電弧焊等多種焊接方法,可存儲近80個焊接程序,實時顯示焊接規范參數,通過單旋鈕給定焊接規范參數和電流波形參數,可以實現熔滴過渡和弧長變化的精確控制,同時,此類焊接電源還可以通過網絡進行工藝管理和控制軟件升級。


3. 2　弧焊電源技術發展


弧焊電源從誕生到目前已經歷了一百多年的歷史,它總是隨著科技的進步而發展。預計未來的弧焊電源將朝著這幾方面發展:


其一,數字化弧焊電源。從硬件電路角度看,數字化電源借助DSP技術實現了PID控制器和PWM信號發生電路的數字化。隨著實現了模擬電路和數字電路有機結合的混模電路的出現,預計不久的將來分立式的模擬電路將逐步為高度集成的數字化混模電路所取代。而焊接電源和功率模塊的設計制造也可根據需要以數字化的方式完成。焊接電源的能量控制由電流、電壓、時間的協同方式來完成,具體表現為輸出波形的數字化。


其二,綠色弧焊電源。早在2000年就有人提出綠色焊機的概念,綠色焊接是在全球資源與能源日漸緊缺,人民的環保意識逐漸增強的情況下提出的。節能環保的綠色焊機必是未來焊機弧焊電源的研制發展方向。

4　結語

近年來隨著市場競爭的日趨激烈,提高焊接生產的生產率、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。而人工智能技術、計算機視覺技術、數字化信息處理技術、機器人技術等現代高新技術的溶入,也促使弧焊技術正向著焊接工藝高效化、焊接電源控制數字化、焊接質量控制智能化、焊接生產過程機器人化的方向發展,弧焊設備也向著智能化發展、機器人化發展。本文綜述的內容只是其中很少一部分,希望能夠起到促進交流,共同提高的作用。