摘要:闡述了交直流弧焊電源實(shí)現(xiàn)原理及特點(diǎn),并從交直流弧焊電源的逆變技術(shù)、數(shù)字化控制技術(shù)、智能控制技術(shù)三方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)的介紹,指出了交直流弧焊電源沿高性能數(shù)字化與智能化方向發(fā)展的趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞:交直流;弧焊電源;數(shù)字化;智能化
鋁及其合金通常采用工頻交流正弦波鎢極氬弧焊進(jìn)行焊接,但這種焊接電源的電弧穩(wěn)定性差,正負(fù)不能用于堿性焊條電弧焊。特別是,它對(duì)于一些要求較高的焊接工作,如鋁薄件小電流焊接、單面焊雙面成形、高強(qiáng)度要求的焊接等,都很難獲得滿意的焊縫質(zhì)量。隨著大功率半導(dǎo)體元件和電力技術(shù)的發(fā)展,近年在國(guó)內(nèi)成功應(yīng)用了交直流弧焊工藝,并研制和生產(chǎn)出了相應(yīng)的弧焊電源〔1〕。
交直流弧焊是一種薄板鋁合金較理想的電弧焊方法,其既可以控制焊縫的熔深,又可以提高焊接效率。其中交直流氬弧焊功能最適合于鋁及鋁合金、鎂及鎂合金的焊接,其具有霧化調(diào)節(jié)功能,能有效地破除工件表面的氧化膜;焊縫成形好、表面光亮美觀〔2、3〕 。
近年來(lái),鋁合金等非金屬以其低溫特性、質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛地應(yīng)用在航空航天、汽車(chē)和民用工業(yè)中,成為一種重要的加工材料〔4〕。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,薄板鋁合金在工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣,其焊接量也在不斷地?cái)U(kuò)大。提高焊接生產(chǎn)率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)的自動(dòng)化、智能化越來(lái)越得到焊接生產(chǎn)企業(yè)的重視,特別是對(duì)焊接質(zhì)量和精度要求比較高的機(jī)器人焊接場(chǎng)合更是如此。加上現(xiàn)代人工智能技術(shù)、數(shù)字化信息處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)等高新技術(shù)的融入,也促使交直流焊技術(shù)正朝著焊接高速高效化、焊接控制數(shù)字化、控制系統(tǒng)智能化方面發(fā)展。
1交直流弧焊原理及特點(diǎn)
交直流弧焊的主要特點(diǎn)是電流過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間極短,通過(guò)電子控制技術(shù)使正負(fù)半波通電時(shí)間比和電流的比值可以自由調(diào)節(jié)。因此把它用于鋁及其合金焊接是地,在焊接工藝上有以下特點(diǎn):電源穩(wěn)定,電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)重新引弧容易,不必加穩(wěn)弧高壓脈沖或高頻電,受干擾的影響小,并可以通過(guò)調(diào)節(jié)正負(fù)半波通電時(shí)間比例來(lái)獲得最佳的熔深和陰極霧化作用,提高鎢極的壽命;調(diào)節(jié)工件上的熱輸入,更有效地利用電弧熱和電弧力作用來(lái)滿足某些弧焊工藝的特殊需要,不必采用消除直流分量的裝置等等。
逆變式交直流弧焊電源,主要由普通直流弧焊電源和逆變器組成主電路,通過(guò)逆變器把直流轉(zhuǎn)變成交流,頻率可調(diào),正負(fù)半波通電時(shí)間比、正負(fù)半波電流比值也可以在一定范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)。當(dāng)S1,S3觸發(fā)導(dǎo)通,S2,S4關(guān)斷時(shí),直流電源通電回路為:+→S1→電弧→S3,從而在電弧獲得正半波的電流,直流且焊絲為正極性是地,電弧穩(wěn)定,灶縫熔深大,通過(guò)對(duì)電流進(jìn)行有效控制,容易實(shí)現(xiàn)焊絲熔化及熔滴過(guò)渡。當(dāng)S2,S4導(dǎo)通,S1,S3關(guān)斷時(shí),通電回路為-→S2→電弧S4,從而在電弧獲得負(fù)半波的電流,直流且焊絲為負(fù)極性時(shí),電弧沿焊絲上爬,電弧不穩(wěn)定,熔滴不易過(guò)渡,焊接熔池淺,具有電弧沿焊絲上爬促進(jìn)焊絲熔化以及減小電弧對(duì)熔池的加熱作用,形成淺熔深的特性。由此可見(jiàn),只要控制2組電子元件輪流導(dǎo)通,切換電弧電流的方向,并通過(guò)控制2組電力元件導(dǎo)通時(shí)間的長(zhǎng)短和通電時(shí)間的相對(duì)比例,就可得到頻率和正負(fù)半波通電時(shí)比例可調(diào)節(jié)的交直流電。在焊接過(guò)程中,根據(jù)焊件的尺寸要求,選擇合適的焊接電流頻率和正負(fù)半波通電時(shí)間比率,便可控制形成合適的焊縫質(zhì)量,尤其是焊接薄板時(shí)形成淺熔深,保證不出現(xiàn)熔池形成失敗現(xiàn)象,滿足焊接質(zhì)量的要求。
2直流弧焊逆變技術(shù)
功率電子器件性能的提高和發(fā)展為逆變技術(shù)的迅速發(fā)展提供了最基本的物質(zhì)基礎(chǔ),一種新的性能更優(yōu)越的電力電子器件的出現(xiàn),必將引起逆變技術(shù)大發(fā)展,勢(shì)必引起先進(jìn)的逆變技術(shù)在交直流弧焊電源中的應(yīng)用與發(fā)展。
我國(guó)自1962年試制成功晶閘管以來(lái),以普通晶閘管和硅整流管為主體的變注技術(shù)、逆變技術(shù)有了很大的發(fā)展,器件質(zhì)量有較大的提高,派生型晶閘管,職快速、雙向、可關(guān)斷和逆變導(dǎo)器件有較快的發(fā)展,產(chǎn)品產(chǎn)量大幅度上升。近10多年來(lái),經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì),加上工藝、測(cè)試、可靠性以及裝備等方面的研究,器件容量定額大大提高,靜、動(dòng)態(tài)特性午到改善。我國(guó)已自行設(shè)計(jì)和研制出1000A,1200V,30μs的快速晶閘管;100A,600V以上的功率開(kāi)關(guān)晶體管;40,60A,1000V以上的快速二極管。此外,50,100A的大功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管、IGBT在90年代初也開(kāi)始試制生產(chǎn)。同時(shí),在變頻調(diào)速、穩(wěn)壓電源、不間尖、電鍍電源、電阻焊、弧焊電源、電子束電源、中高頻加熱及熱處理、電化學(xué)等方面已廣泛應(yīng)用逆變技術(shù)和產(chǎn)品,并擁有數(shù)十個(gè)系列和數(shù)百個(gè)規(guī)格的這類(lèi)產(chǎn)品。其中包括單機(jī)容量為250,350kVA的晶閘管變頻器;單機(jī)容量為1000kVA以上的不間斷電源裝置;250kVA的IGBT式電阻焊逆變器;33kVA的IGBT式弧焊逆變器;15,30kVA的場(chǎng)效應(yīng)晶體管式的弧焊逆變器等〔5〕。
上世紀(jì)90年代,國(guó)內(nèi)外電力半導(dǎo)體器件和逆變技術(shù)在不斷向功率化、快速化、模塊化、組合化、智能化、廉價(jià)和高可靠性方向發(fā)展,新型的大功率場(chǎng)效應(yīng)管用作弧焊逆變器的快速開(kāi)關(guān),比普通的雙極型大功率晶體管更為優(yōu)越。