交直流弧焊逆变电源研究现状

1、交直流弧焊逆变电源研究现状        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； 智能化中图分类号：tg434 文献标识码：a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，正负半波通电时间不可调，还要利用消除直流分量的装置，而且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

2、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.。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¨23。近年来。铝合金等非铁金属以其低温特性、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 】。随着科学技术的发展，薄板铝合金在工业中的应用越来越

3、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、控制系统智能化方向发展。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，通过电收稿日期：2007一ol一29；修回日期：20070720基金项目：国家自然科学基金资助项目(50575074)；广东省科技攻关项目(2001a105010)子控制技术使正负半波通电时间比和电流的比

4、值可以自由调节。因此把它用于铝及其合金焊接时，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原理如图l所示。+图1 交直流弧焊原理示意图从图l可知， 当s ，s，触发导通，s2，s4关

5、断时，直流电源通电回路为：+一s，一电弧一s，从而在电弧获得正半波的电流，直流且焊丝为正极性时， 电弧稳定，焊缝熔深大，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s ，s4导通，s ，s，关断时，通电回路为一一s_+电弧一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组电力电子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weldintechnolo v

6、ol-36 no5 oct2007 ·专题综述· 5间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    

7、    的变流技术、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，如快速、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、动态特性得到改善。我国已自行设计和研制出1 000 a，1 200 v，30 s的快速晶闸管；100 a，600 v以上的功率开关晶体管；40，60 a，1 000 v以上的快速二极管。此外，50100 a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、不间断电源、电镀电源、电阻

8、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250，350 kva的晶闸管变频器：单机容量为1 000 kw 以上、工作频率为50 khz的中频加热电源装置：200 kva以上的不间断电源装置：250 kva的igbt式电阻焊逆变器；33 kva的igbt式弧焊逆变器；15，30 kva的场效应晶体管式的弧焊逆变器等53。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

9、大功率晶体管更为优越。为此，研制出了这种新型的弧焊逆变器。以igbt、场效应晶体管为主体的电力半导体器件及逆变技术，将主导电力电子装置、电源的蓬勃发展，使其产生革命性的变化，并以高效节能、省材、轻量化、高性能和可靠性而愈来愈显著地体现它的优越性。新型大功率电子元件的出现，推动了弧焊电源的发展。可控硅焊接逆变器的出现，就是一个例证。它具有体积小、质量轻、效率和功率因素以及工艺性能好等突出的优点。双极型大功率晶体管的问世，又促使逆变器的频率和性能进一步提高。从功率器件换流过程及其控制来看， 目前逆变技术正由传统脉宽调制硬开关技术和频率调制谐振技术转向脉宽调制软开关技术。上世纪50年代，随着脉宽调制

10、硬开关技术的出现，揭开了逆变技术发展的序幕。许多国家就争先致力于功率电子器件、磁性材料、控制集成芯片和电路拓扑等方面的研究。脉宽调制硬开关技术经过上世纪60年代的成长期、上世纪70年代的发展期和上世纪80年代的成熟期，迄今为止，已经获得了最广泛的应用。但是，它的开关频率不能太高，存在着换流慢、开关损耗相对较大、承受较高的dudt和didt等问题，其安全性、可靠性较差，并且会产生显著的电磁干扰6。针对硬开关换流过程存在的问题，上世纪70年代中期，频率调制谐振技术应运而生，其技术关键在于应用电感电容网络的谐振原理， 迫使功率开关器件的电流或电压按正弦规律变化，当电流或电压过零时，使器件开通和关断，

11、 因而解决了开关动态损耗、电流冲击、电压应力和电磁干扰等问题。它从根本上克服了传统脉宽调制硬开关变换器的缺点， 因而迅速成为功率电子学新的发展方向和研究热点。但是，频率调制谐振变换技术也带来以下新的问题：输出电压与频率有关，为保持输出电压在各种运行条件下基本不变，必须采用变频控制，对负载变化的适应性差，所以常用于负载基本不变或变化不大的场合；功率器件的容量需要更大； 开关频率大范围变化导致滤波器、变压器等磁性器件的设计难以优化 。上世纪80年代末期，脉宽调制软开关技术(spwm)的问世，推动大功率逆变技术的研究与应用水平又上了一个新的台阶。脉宽调制软开关技术综合了传统脉宽调制技术和谐振技术的优

12、点，仅在功率器件换流瞬间，应用谐振原理实现零电压或零电流转换，而在其余大部分时间采用恒频脉宽调制方法，完成对电源输出电压或电流的控制，因此开关器件承受的电流或电压应力少。近10 a来，脉宽调制软开关技术在功率逆变电路中逐渐占据主导地位8-10。目前，脉宽调制软开关技术仍然是功率电子学最重要的研究内容之一，应用前景十分广阔。3 交直流弧焊电源控制数字化数字化焊接是指用计算机技术来控制焊接设备的运行状态，使其满足和达到焊接工艺所提出的要求， 以得到完全合格的焊缝。弧焊逆变电源控制系统在实现方式上主要经历了模拟控制系统和数字控制系统2个阶段。传统的模拟控制系统进行复杂处理的能力有限，元器件数量多，并

13、且控制系统的参数由电阻、电容等分立元件的参数决定。控制系统调试复杂、灵活性差：同时电阻、电容的参数分布影响控制系统的一致性参数的稳定性差，如温度漂移影响控制系统的稳定性；此外因硬件实现上的局限性， 控制算法仅能采用pid调节等方法一些先进的控制算法因无法用模拟电路实现或实现起来非常困难而不被采用，因此在很大程度上限制了弧焊逆变电源的发展。近年来，随着大规模集成电路asic、数字信号处理器dsp、复杂可编程逻辑器件cpld、现场可编程门陈列fpga等6 ·专题综述· 焊接技术 第36卷第5期2007年10月新型半导体器件的应用与发展弧焊电源的控制电路已由原来的分立元件、简单集

14、成电路发展成以单片机，dsp，cpld，fpga为核心的数字化控制电路 主电路的数字化使焊接电源的功率损耗大大减少，效率可达到90i“。另外由于工作频率的提高，回路输出电流的纹波更小响应速度更快焊机可以获得更好的动态响应特性。目前弧焊电源数字控制系统主要包括：单片机控制系统、可编程逻辑器件pld控制系统、arm芯片控制系统、基于dsp的控制系统等。单片机以其较高的灵活性和性价比。广泛应用于弧焊电源的数字化控制中。单片机控制的弧焊电源主要以mcs一51系列或mcs一96系列单片机为中央处理器配合少量的接口电路和外围电路。由于单片机无法完成实时计算和高精度的控制任务。一般多用于简易控制系统中。另外

15、单片机控制系统中只是部分实现数字化。其反馈信号和pwm仍然采用的是模拟控制电路，因此，数字化的特点在单片机控制的弧焊逆变电源中并没有得到充分体现。基于dsp的控制系统与单片机相比其数据处理能力强，能实时完成复杂计算，单周期多功能指令，pwm分辨率高，性价比高， 可实现更为理想的数字化控制。fronius公司的transplus synergic270040005000系列产品在焊机上实现了多种电弧焊接方法，可存储几十个焊接程序，实时显示焊接参数，通过单旋钮给定焊接参数和电流波形参数，可实现熔滴过渡和弧长变化的精确控制。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。文献12在单片机控制的

16、交直流焊电源的基础上，设计了以单片机at89c51控制的多功能交直流方波电源。随着模拟电路和数字电路有机结合的模块电路的发展，它将逐步取代分立式模拟电路。文献13采用ti公司的tms320f240型dsp作为控制系统的核心芯片研制了基于数字信号处理器(dsp)进行了数字化igbt逆变交直流方波脉冲tig焊机的研制。数字化控制技术在弧焊电源中的运用，使得先进的控制算法在弧焊电源运用中得以实现，弧焊电源可以采用更先进的控制算法，使其输出电能质量好，可靠性高，便于实现智能控制。数字化是弧焊电源的发展方向。逆变技术的应用实现了电源主电路的数字化。基于单片机，dsp及cpldfpga等新型半导体器件的控制系统实现了控制电路的数字化。dsp，pldfpga由于其