1 前言焊接是一种材料分子或原子间相结合的连接方法。现代焊接技术已不仅是一种材料的连接技术 ,而是一种先进的现代制造工艺技术 ;在现代机械制造加工技术中占据着越来越重要的位置。以焊接代替机械连接 ,能更好地保证构件的质量及可靠性 ,并提高效率。以焊代铸 ,以焊代锻 ,可以大大降低制造成本及制造难度。大型构件、机座 (如桥梁 ,机组座环等 )的现场拼装 ,可以减少运输的难度及成本。随着焊接技术的发展 ,其应用领域越来越广泛 ,涉及机械制造、核工业、火电、水电、水利、石化、航空航天、造船、石油等 ,已从单一的加工工艺发展成为综合性的先进制造工艺技术。焊接的主要加工对象是钢铁 ,目前工业发达国家的焊接用钢超过其本国钢产量的 60 % ,我国在 4 0 %左右。电焊机是实现焊接的最主要设备 ,工业发达国家电焊机生产量与钢铁产量的比例大致是 2 0～ 2 5台焊机 1万吨钢材。国内电焊机生产、使用的比例构成上 ,90 %以上属于电弧焊机 ;因此 ,电弧焊机的发展对焊接技术的推动具有举足轻重的作用<1-2 > 。2 弧焊技术及弧焊机发展的回顾2 1 电弧及电弧焊接19世纪俄国工程师发明了电弧 ,它是在具有一定距离的两个导电电极之间 ,在一定条件下的气体导电现象。电弧具有很高的温度 ,利用电弧热将金属材料熔化 ,实现金属材料之间的连接———电弧焊接。自本世纪初电弧焊接技术发明以来 ,焊接技术得以迅速发展 ,成为在应用面上占绝对优势的焊接方法。2 2 弧焊机及弧焊机技术电弧本身是一个热源 ,其热量的产生是通过电极与工件间强大的电流产生的。为焊接电弧提供电源的装置称为弧焊机 (亦称电焊机 )。对弧焊机的基本要求有以下几点 :(1)是一个功率源 ,能够保证电弧对其足够的功率(电能 )输出要求 ;(2 )能够引燃 (激发 )电弧 ,有优良的引弧性能 ;(3)能保证电弧稳定可靠地燃烧 ,有稳定的静态工作点 ;(4 )输出参数 (电流、电压 )的可调节性。弧焊机本身亦是一种工业电源。与其他工业电源一样 (电解、电镀、通讯 ) ,随着电磁技术、电力电子技术、微电子技术、控制技术及电工电子器件、功率器件的发展 ,并结合上述四个基本性能要求的不断完善而日益进步。由于电弧是个动态负载 ,频繁地处于“重载-短路 -燃弧”状态 ;因此 ,其对弧焊机的动态性能要求及质量可靠性要求更加苛刻。弧焊机技术进步的推动力主要在如下几个方面 :(1)焊接质量的进一步提高 ;(2 )工艺适应性更优 ;(3)环境适应性更强 ;(4 )产品实物质量更加可靠 ;(5)提高焊接生产效率 ;(6)降低综合成本 :节能、节材 ;(7)改善工作环境。2 3 弧焊机的发展弧焊机从大类区分有交流弧焊机和直流弧焊机。2 3 1 交流弧焊机是一种量大面广的产品 ,国内市场占到 70 %左右。主要应用在对焊接质量要求不高的一般钢结构上 ,其最大的优点是电弧无磁偏吹。此外 ,交流钨极氩弧焊对于铝及其合金的焊接具有独特的优点 ,得到广泛应用。交流弧焊机已有几十年的发展历史 ,其品种、规格众多。传统的交流弧焊机相当于一个 50Ｈｚ(60Ｈｚ)的可调节降压变压器 ,因此亦称之为弧焊变压器。利用电磁转换技术 ,采用不同的调节方式 ,具有不同的特点 ,有抽头式、动圈式、动铁式……。共同的优点是结构简单、制造维护容易、可靠性高、成本低、操作简单。缺点是体积大、重量大 (高耗材 )、效率低 (高耗能 )、移动不方便 ,电弧性能较差。中小功率的交流弧焊机主要用于手工焊条电弧焊 ,大功率交流弧焊机主要用于交流埋弧自动焊。80年代初由于可控硅及控制技术的成熟 ,出现了可控硅交流弧焊机 ,主要用于铝及其合金的焊接 ,能提高电弧的稳定性 ,并通过改变电流的正负半波的时间比 ,更好地发挥阴极雾化及阳极加热作用 ,增加电弧交流过零速度 ,改变电弧燃烧稳定性 ,提高焊接质量。90年代逆变技术应用于电弧焊机上 ,世界上研制并产品化了逆变式交流方波钨极氩弧焊机 ,使交流弧焊接铝及其合金的优点发挥游刃有余。大部分采用二次逆变技术 ,除方波的正负半波时间之比可调外 ,正、负半波的幅值及方波的频率亦可调节 ,焊接质量有了更可靠的技术保证。在尖端技术、航空航天领域的应用具有重要的意义。2 3 2 直流弧焊机直流弧焊机按其应用类型划分有直流手工弧焊机、直流钨极氩弧焊机、直流气保焊机 (ＭＩＧ ＭＡＧ ＣＯ2 )、直流脉冲氩弧焊机、直流脉冲气保焊机、直流埋弧焊机、自保护焊机等。在锅炉压力容器等重要结构件的焊接制造中得到了普遍应用。直流弧焊机的最大优点是由于电弧电流不过零 ,所以电弧燃烧稳定性好 ,不会出现周期性的再燃弧现象 ,焊接质量高、容易保证。最早的直流弧焊机就是人称“电老虎”的旋转直流弧焊机———电动机驱动弧焊发电机ＡＸ系列 ,主要用于直流手工焊 ,特点是耐用 ,但效率低、高耗能、体积大、移动不方便、高耗材。 92年国家八部委发文明令陶汰 ,目前国内不再销售。进一步的发展是由于半导体电力电子器件———大功率整流二极管的出现、成熟。在工业电源领域里得以应用的同时 ,发明了硅整流直流弧焊机ＺＸ(Ｐ)Ｇ系列 ,有动圈式、动铁式、磁放大器式及抽头式。磁放大器式具有一定的反馈及补偿调节能力 ,电流静特性易于调整 ,应用比率最高。除直流手工焊机外 ,直流氩弧焊、直流气保焊、直流脉冲氩弧焊、直流埋弧焊都得到广泛应用。是国内70 - 80年代的直流电焊机支柱产品。这些焊机目前虽不再制造 ,但在许多金属加工企业中仍有应用。80年代可控硅 (晶闸管 )整流式直流弧焊机ＺＸ(Ｐ) 5系列技术逐渐成熟并进入市场 ,在 80年代末 90年代初的国内市场 ,该系列焊机占据直流弧焊机的主要位置 ;国际上亦得到普遍应用 ,规格、品种最多 ,应用面最广。可控硅整流直流弧焊机已非纯粹的电工产品 ,而是由电工技术、电磁技术、电力电子技术、反馈控制技术等结合的现代电源技术结晶。可以很方便地实现电源外特性的调节及电源静外特性曲线形状 ,适应各种不同电弧焊接方法 (手工焊、ＴＩＧ…… )的要求 ,一机多能、一机多用。反馈控制技术可以容易地实现网络补偿及负载补偿 ,减少或实时消除外界对电弧的干扰 ,同时可进行远距离遥控 (有线或无线 )调节规范参数 ,极大地方便了使用者。该类焊机与前几类直流弧焊机相比的又一重要特点是其效率提高、重量减轻、体积减小 ,属于高效节能节材产品。2 4 逆变技术由于电力电子器件及磁性材料的发展 ,逆变技术进入实用化阶段 ,尤其象通讯电源 ,不间断电源等工业电源行业率先得到推广应用 ,带来了可观的经济效益和社会效益。逆变弧焊机也在 90年代初进入实用化阶段。 90年代的大型国际焊接展 ,所展出的弧焊机几乎全部是逆变焊机。目前在国内市场上 ,直流弧焊机 ,尤其是直流手工弧焊机已大部是逆变焊机的天下 ,钨极氩弧焊机、ＣＯ2 ＭＩＧ ＭＡＧ弧焊机也逐渐被逆变弧焊机取代。大容量的 12 50Ａ逆变频率达 2 0ｋＨｚ的逆变式埋弧焊电源目前已由时代集团公司研制成功。逆变技术仍在继续发展 ,专家预言 :“逆变焊机 +药芯焊丝”是2 1世纪的焊接技术<3> 。2 4 1 逆变技术的概念把交流电变成直流电的技术称为整流技术 ,而将直流电变为交流电的技术称为逆变技术。逆变技术的难度在于高频大电流高强度的干扰抑制。功率系统及控制系统安全、可靠地工作 ,是目前电力电子技术领域的新技术。2 4 2 逆变弧焊机逆变弧焊机是指将 50Ｈｚ的 380Ｖ或 2 2 0Ｖ交流电经过二极管整流变成直流电 ,然后用功率开关器件将其逆变成高频方波交流电 ;再经高频降压变压器降压后用快速整流二极管将其整流为直流电的 ,供电弧焊接使用的装置。逆变弧焊机的发展截止目前已进入第三代。第一代是快速可控硅逆变焊机 ,第二代是场效应管 (ＭＯＳ管 )逆变焊机 ,第三代是绝缘栅双极晶体管 (ＩＧＢＴ)逆变焊机。由于大功率整流开关元件向高频化、大容量方向的飞速发展 ,开关器件的耐电压、耐电流能力及开关速度的提高、通态及开关损耗的降低、驱动功耗的降低、开关性能的改善 ,推动了逆变弧焊机向进一步的高频化、小型轻便化、高精度、高稳定性、实时精确控制方向发展 ,并为行业带来可观的节能、节材及高效率的经济效益和社会效益。ＩＧＢＴ的独特优点是其具有ＭＯＳ管的优良高速开关特性 ,同时具备晶体管大容量优异性能。因此 ,其在弧焊机这样一个大功率电源装置中的应用是目前公认的理想选择。 90年代初ＩＧＢＴ功率器件的成熟 ,2 0ｋＨｚＩＧＢＴ逆变技术在弧焊机上的具体应用 ,带来了电焊机行业发展的一次革命。设计思想和焊机性能有质的飞跃 ,弧焊机不再是“傻、大、重、高耗能”的电老虎 ,而是内部全部由电子器件、线路板及新型磁性材料 (铁氧体、微晶非晶磁性材料 )等组成的属于 2 1世纪最有发展前景的朝阳行业———电力电子技术领域的工业设备。ＩＧＢＴ逆变焊机的基本技术已经成熟 ,产品性能及质量可靠性已得到行业用户的认可 ,目前正以迅猛的势头 ,冲击可控硅整流弧焊机及第一、二代过渡型逆变焊机的市场。2 4 3 ＩＧＢＴ逆变弧焊机的突出特点采用ＩＧＢＴ开关器件 ,逆变频率达 2 0ｋＨｚ配合新型磁性材料———非晶、微晶变压器及电抗器 ,采用脉宽调制方式 ,使得ＩＧＢＴ逆变焊机具有如下性能特点 :(1)重量轻、体积小、节材 ,4 0 0Ａ弧焊机只有 4 0ｋｇ ,50 0Ａ只有 60ｋｇ。移动、运输方便 ,降低费用 ;(2 )网压波动补偿能力强 ,可达± 2 0 % (380Ｖ) ;(3)手工焊机焊接电缆线长允许 2 0 0ｍ ,气保焊达50ｍ ;(4
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