高效埋弧焊工藝及設(shè)備的研究進(jìn)展

王振民 李栩延 唐嘉健 林三寶 田濟(jì)語

摘要：埋弧焊具有自動(dòng)化程度高、焊接質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高、無弧光、煙塵少等優(yōu)點(diǎn)，在制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。在埋弧焊過程，電弧在焊劑覆蓋的區(qū)域里燃燒，難以直接觀察到焊接工藝過程，影響了埋弧焊工藝研究的深入。首先分析了國內(nèi)外在埋弧焊熔滴過渡方面的研究進(jìn)展，確認(rèn)渣壁過渡是埋弧焊熔滴的主導(dǎo)過渡形態(tài);在此基礎(chǔ)上，分析了影響埋弧焊焊縫成形的主要因素，進(jìn)一步總結(jié)分析國內(nèi)外關(guān)于埋弧焊電流波形控制方面的研究成果，并探討焊接電流波形對(duì)焊縫成形及質(zhì)量的影響規(guī)律;最后，從控制技術(shù)與功率變換技術(shù)兩大方面深入探討了埋弧焊焊接電源的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r。數(shù)字化控制技術(shù)的普及和基于第三代寬禁帶半導(dǎo)體器件SiC MOSFET的功率變換技術(shù)的進(jìn)步將進(jìn)一步推動(dòng)埋弧焊工藝及設(shè)備向高頻化、綠色化和高效化方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：埋弧焊;熔滴過渡;電流波形;焊接電源

中圖分類號(hào)：TG445文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-9492（2021）11-0001-08

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Development of High Efficiency Submerged Arc Welding Process and System

Wang Zhenmin1，Li Xuyan1，Tang Jiajian1，Lin Sanbao2，Tian Jiyu1

（1. School of Mechanical and Automotive Engineering， South China University of Technology， Guangzhou 510641， China;

2. State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining， Harbin Institute of Technology， Harbin 150006， China）

Abstract： The submerged arc welding process has the advantages of advanced automation， stable welding quality， high welding efficiency， no arc， less smoke and dust， which is widely used in manufacturing. In the submerged arc welding process， the arc burns in the area covered by the flux， it is difficult to observe the welding process directly， which affects the in-depth research on submerged arc welding process. First， the research progress in metal transfer of submerged arc welding at home and abroad was analyzed， confirming that the flux-wall guided transfer was the dominant transfer form in submerged arc welding. On this basis， the main factors affecting the weld formation of submerged arc welding were analyzed， the research results on submerged arc welding current waveform control at home and abroad were further summarized and analyzed， and the influence of welding current waveform on weld formation and quality was discussed. Finally， the development of submerged arc welding power source at home and abroad was discussed in depth from two aspects of control technology and power conversion technology. Thepopularizationofdigitalcontroltechnologyandtheadvancementofpowerconversiontechnologybasedonthethird-generation wide-bandgap semiconductor device SiC MOSFET will further promote the development of submerged arc welding process and equipment in the direction of high frequency， green and high efficiency.

Key words： submerged arc welding; metal transfer; current waveform; welding power source

0 引言

全世界鋼鐵產(chǎn)品的60%左右需要經(jīng)過焊接才能轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K產(chǎn)品[1]。在海工能源、壓力容器、核電等領(lǐng)域有大量的厚大鋼構(gòu)件，迫切需要綠色高效的焊接工藝支撐[2]。其中，埋弧焊是廣泛采用的一種高熔敷率自動(dòng)化焊接方法。埋弧焊（SAW）全稱埋弧自動(dòng)焊，是一種將電弧隱藏在焊劑之下進(jìn)行燃燒，利用燃燒帶來的熱量熔化焊絲和工件并使之緊密連接在一起的焊接方法。埋弧焊系統(tǒng)如圖1所示。埋弧焊焊接電流大，焊接效率高、污染少，因而廣泛應(yīng)用于船舶、管道、鍋爐、工程機(jī)械、核電設(shè)備等大型構(gòu)件的焊接制造與修復(fù)[3]。近年來，一些重要結(jié)構(gòu)的焊接與修復(fù)對(duì)埋弧焊的工藝質(zhì)量提出了嚴(yán)苛的要求。然而，埋弧焊最基本的特征就是電弧被隱藏在焊劑之下燃燒，從外部難以直接觀察到電弧形態(tài)和熔滴過渡方式，這在一定程度上限制了學(xué)者對(duì)埋弧焊工藝的深入探索，制約了埋弧焊工藝質(zhì)量及設(shè)備性能的進(jìn)一步提升[4]。

為此，本文首先分析了國內(nèi)外在埋弧焊熔滴過渡方面的研究進(jìn)展，并對(duì)埋弧焊熔滴過渡理論成果進(jìn)行了較為系統(tǒng)的歸納總結(jié)。在此基礎(chǔ)上，由于焊接電流波形直接影響到焊縫成形質(zhì)量，是埋弧焊工藝中最為重要的參數(shù)，所以進(jìn)一步系統(tǒng)分析了國內(nèi)外關(guān)于埋弧焊電流波形控制方面的研究成果，并探討電流波形對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律。最后，由于焊接電源是埋弧焊的能量來源，直接影響焊接過程的穩(wěn)定性和焊縫質(zhì)量的好壞，本文從控制技術(shù)與功率變換技術(shù)兩大方面深入探討了埋弧焊焊接電源的發(fā)展?fàn)顩r。

1 埋弧焊熔滴過渡形態(tài)研究進(jìn)展

1.1 埋弧焊電弧空腔形成

在埋弧焊過程中，連續(xù)送進(jìn)的焊絲在焊劑下形成電弧。電弧燃燒產(chǎn)生的熱量使焊絲、焊劑和母材迅速熔化，熔化產(chǎn)生的蒸氣在電弧周圍形成一個(gè)空腔，如圖2所示[4-5]?？涨粌?nèi)壁由半熔化狀態(tài)的熔渣壁組成，空腔中充滿了金屬蒸氣和焊劑分解物，電弧在此空腔中持續(xù)燃燒?？涨浑S著焊絲沿焊接方向移動(dòng)，對(duì)熔化金屬起到保護(hù)作用;當(dāng)熔池金屬冷凝后便形成焊縫，而熔池上方的熔融焊劑冷卻形成渣殼覆蓋于焊縫之上[6]。

在埋弧焊過程形成的空腔區(qū)域，熔滴受到重力、表面張力、電磁力和極點(diǎn)壓力等多種力的綜合作用[7]，熔滴過渡過程十分復(fù)雜，而且埋弧焊的電弧是隱藏在焊劑之下進(jìn)行燃燒的，從外部難以直接觀察到電弧和熔滴過渡的形態(tài)，這限制了學(xué)者對(duì)埋弧焊熔滴過渡形態(tài)的探索。因此，很有必要深入研究埋弧焊的熔滴過渡方式，揭示其傳熱傳質(zhì)行為，為埋弧焊工藝和設(shè)備技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供理論支撐。

1.2 埋弧焊熔滴過渡方式研究進(jìn)展

氣體保護(hù)焊的經(jīng)驗(yàn)表明，熔滴過渡的方式、熔滴尺寸和過渡頻率直接影響焊縫組織的質(zhì)量[8]?；跉怏w保護(hù)焊的研究成果，國內(nèi)外的學(xué)者為了研究埋弧焊的熔滴過渡形態(tài)做了一系列的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。在早期，學(xué)者們主要利用 X 光線成像技術(shù)和光學(xué)成像技術(shù)來研究埋弧焊的電弧及熔滴過渡形態(tài)[9]。雖然 X 光線成像技術(shù)不會(huì)對(duì)焊接過程造成影響，但當(dāng)時(shí)的 X 光成像系統(tǒng)的對(duì)比度和分辨率低、幀速較慢，難以清晰地捕捉到熔滴過渡的過程;而光學(xué)成像技術(shù)雖然可以清晰地捕捉到電弧和熔滴的形態(tài)，但破壞了焊劑的覆蓋，使其觀測(cè)結(jié)果的有效性備受質(zhì)疑[9]。1965年，F(xiàn)ranz[10]將一根與焊劑成分相近的陶瓷管沿著焊接方向穿過焊劑，利用3000 fps的高速攝影儀在陶瓷管內(nèi)部捕捉到了較清晰的熔滴過渡過程。Franz 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論：埋弧焊的熔滴過渡形式為自由過渡和渣壁過渡兩種;電磁力和電弧力的相互作用對(duì)熔滴脫落起主導(dǎo)作用。1966年，Adrichem[11]搭建了與 Franz 相似實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了直流反接（DCEP）和交流（AC）實(shí)驗(yàn)，電流范圍為300～600 A ，得到了與 Franz 相似的結(jié)論。安藤弘平等[12]認(rèn)為，在埋弧焊過程中，電磁收縮力的作用很大，可認(rèn)為熔滴是以顆粒狀過渡的;當(dāng)埋弧焊弧長(zhǎng)過短時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生短路過渡，但短路時(shí)間非常短。唐伯剛等[13]認(rèn)為，埋弧焊電弧是在熔渣形成的空腔內(nèi)燃燒的，焊絲熔化形成的熔滴沿著渣壁流入熔池，形成渣壁過渡，如圖3所示，但也有少數(shù)熔滴是滴狀過渡。

2015年，Mendez P F， G?tt等[14]改進(jìn)了 Franz 采用的拍攝方法，搭建了如圖4所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[12]，由薄鋼板構(gòu)成的隧道垂直于焊接方向穿過焊劑，隧道的一端通入二氧化碳?xì)怏w或者氖氣以吹走阻擋攝影儀視野的懸浮焊劑顆粒，另一端放置10000 fps的高速攝影儀。Mendez P F 利用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)成功拍攝到直流反接500 A 、直流反接1000 A和交流500 A下埋弧焊的熔滴過渡行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，埋弧焊在任何情況下都不存在短路過渡，也沒有噴射過渡的證據(jù)，但在500 A直流反接和500 A交流時(shí)，均觀察到了非軸向粗滴狀過渡;而在1000 A直流反接時(shí)，觀察到電極端呈錐形，通過電磁扭結(jié)不穩(wěn)定性的機(jī)制噴射出熔融尾巴。此外，在電流幅值相同的情況下，交流焊接比直流焊接的熔滴脫落頻率更高，主要原因在于，當(dāng)電流的極性發(fā)生改變時(shí)，電磁力引入了機(jī)械擾動(dòng)。同年，Kiran D V 等[15]在研究串聯(lián)雙絲埋弧焊的熔滴過渡時(shí)，也證實(shí)了小電流的情況下不存在噴射過渡，以非軸向滴狀過渡為主，而大電流時(shí)以渣壁過渡為主。

2017年，Sengupta V等[9， 16]采用了與 Mendez P F相似的平臺(tái)對(duì)埋弧焊的熔滴過渡行為進(jìn)行觀察。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，焊接電流大小和極性對(duì)熔滴過渡的行為的影響很大。500 A直流反接時(shí)，可以觀察到一個(gè)形狀不規(guī)則的大熔滴，熔滴表面會(huì)發(fā)生爆炸并且爆炸頻率比熔滴脫落的頻率更高。隨著電流的增加，熔滴尺寸逐漸減小，熔滴脫落的頻率逐漸增加，在影像中可觀測(cè)到很明顯的非軸向過渡，如圖5所示[9]。而在600 A 及以上的大電流時(shí)，極性對(duì)熔滴的過渡形態(tài)會(huì)產(chǎn)生明顯影響：電極為負(fù)的周期內(nèi)，熔滴過渡的主要方式為爆炸過渡;而在電極為正的周期內(nèi)，可以觀察到新的熔滴過渡形態(tài)，即“鞭尾”狀熔滴過渡，如圖6所示[16]。Sengupta V 認(rèn)為“鞭尾”產(chǎn)生的主要原因是：大電流時(shí)，電磁扭結(jié)的不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致不對(duì)稱的磁場(chǎng)分布，這使得焊接電弧一邊的磁場(chǎng)力比另外一邊的磁場(chǎng)力要大，最終促使熔滴成鞭尾狀過渡，它在本質(zhì)上仍屬于渣壁過渡。

國內(nèi)學(xué)者李科、吳志生等[5， 17， 18， 19]利用不銹鋼管、高速攝影儀和漢諾威焊接分析儀搭建了如圖7所示的反埋弧焊熔滴過渡攝影系統(tǒng)[5]，并得到如圖8所示的3組不同焊接電流下的埋弧焊熔滴過渡圖像和焊接電信號(hào)概率密度分布曲線圖。李科結(jié)合電信號(hào)概率密度分布曲線圖分析了埋弧焊的熔滴過渡圖像，得出以下結(jié)論：隨著焊接電流的增大，埋弧焊過程中依次出現(xiàn)無短路渣壁過渡、小電流短路渣壁過渡和大電流短路渣壁過渡;在大電流焊接時(shí)還存在弧橋并存現(xiàn)象，即熔滴附著在渣壁上連續(xù)流向熔池形成短路橋。

綜上所述，埋弧焊的熔滴過渡方式以渣壁過渡為主，并且在大電流時(shí)會(huì)出現(xiàn)“鞭尾”現(xiàn)象。目前，大多數(shù)針對(duì)埋弧焊熔滴過渡的研究主要集中在電流參數(shù)（大小、極性和頻率）對(duì)熔滴過渡的影響上，而關(guān)于其他焊接參數(shù)如焊接電壓、焊絲直徑、送絲速度等對(duì)熔滴過渡影響的文獻(xiàn)較為少見，仍沒有形成較為系統(tǒng)的理論體系。因此，探討電流以外的參數(shù)對(duì)埋弧焊熔滴過渡的影響仍是未來的一個(gè)重要研究方向。

2 埋弧焊工藝研究進(jìn)展

2.1 埋弧焊焊縫成形機(jī)理及影響因素

埋弧焊時(shí)，焊絲與母材之間形成電弧，電弧燃燒產(chǎn)生的高溫熔化焊絲、母材和焊劑，形成熔池;隨著電弧的遠(yuǎn)離，熔池逐漸冷卻凝固成為焊縫。焊縫形狀可以用3個(gè)參數(shù)來描述，分別是熔深（母材熔化的深度）、熔寬（兩個(gè)焊趾之間的距離）和余高（母材表面和焊縫最高點(diǎn)之間的距離），如圖9所示。

研究表明[21]，焊接電弧主要由陽極區(qū)、弧柱區(qū)和陰極區(qū)3個(gè)區(qū)組成;每個(gè)區(qū)對(duì)應(yīng)不同的壓降，如圖10所示。其中， U1為陽極區(qū)壓降， U2為弧柱區(qū)壓降， U3為陰極區(qū)壓降，因此，單位時(shí)間內(nèi)焊接電源向電弧提供的能量由這3個(gè)區(qū)分擔(dān)。3個(gè)區(qū)的能量分別為：

Q1= I（U1+ UW + UT ） （1）

Q2= I（U2） （2）

Q3= I（U3- UW - UT ）（3）

式中： UW 為電子逸出電壓; UT 為弧柱區(qū)溫度等效電壓;Q1、Q2和 Q3分別為單位時(shí)間內(nèi)陽極區(qū)、弧柱區(qū)和陰極區(qū)獲得的能量。

通常情況下，陰極壓降較大，即 U3>U1，且大電流焊接時(shí) UW 和 UT 可以忽略，所以有 Q3>Q1。也就是說，直流正接（焊絲接陰極，工件接陽極）的情況下，焊絲的熱輸入大于工件的熱輸入;直流反接（焊絲接陽極，工件接陰極）的情況下，焊絲的熱輸入小于工件的熱輸入。因此，電流的大小和極性通過影響熱輸入來影響熔池的形狀，從而影響焊縫成形[20]。

焊接電流、電弧電壓、極性、送絲速度和焊絲直徑等焊接工藝參數(shù)均是影響埋弧焊焊縫成形的重要因素。其中，焊接電流增大時(shí)，工件的熱輸入增加，所以焊縫熔深會(huì)增加;但由于電弧潛入工件的深度比弧柱直徑的寬度增加得更快[21]，相對(duì)而言，焊縫熔寬增加得并不明顯。Choudhary A[22]指出，在眾多焊接參數(shù)中，電弧電壓對(duì)熔寬的影響最大，電弧電壓增加時(shí)，焊縫熔寬顯著增加。在極性影響方面，直流正接時(shí)，焊絲接負(fù)極，焊絲的熱輸入占總熱輸入的比例較大，所以焊絲熔化速率大，工件熔化速率小，熔敷率高，焊縫熔寬大、熔深小;而在直流反接時(shí)，工件接負(fù)極，工件的熱輸入占總熱輸入的比例較大，所以工件熔化速率更大，焊絲熔化速率小，熔敷率低，焊縫熔寬小、熔深大。送絲速度對(duì)焊縫成形也有顯著影響，送絲速度增大時(shí)，能量不能有效地轉(zhuǎn)移到工件深處，降低了工件的熱輸入，使得焊縫熔深減小，熔寬增大;反之，焊縫熔深增大，熔寬減小[23]。焊絲直徑通過影響焊接電流密度來影響焊縫成形，焊絲直徑減小時(shí)，焊絲電流密度增大，熔化速率也增大，焊縫熔深和余高增大，但焊縫熔寬變化不大[24]。因此，合理地設(shè)置焊接參數(shù)可以有效地控制焊縫成形。

2.2 埋弧焊焊接電流波形對(duì)焊縫成形的影響

埋弧焊時(shí)，焊接電流波形直接影響焊縫成形質(zhì)量。目前常用的埋弧焊電流波形有直流、直流脈沖和交流方波3種。為提高埋弧焊生產(chǎn)效率，往往會(huì)采用較大的焊接電流進(jìn)行焊接。然而，對(duì)于傳統(tǒng)的直流埋弧焊，大電流會(huì)增加焊接熱輸入，過大的熱輸入會(huì)使焊縫區(qū)晶粒粗大，降低焊縫的力學(xué)性能，使焊縫質(zhì)量變差[25]。直流脈沖波形和交流方波波形可以有效改善這種狀況，如圖11所示。王占英等[26]研究了直流脈沖頻率對(duì)焊縫成形的影響，發(fā)現(xiàn)隨著脈沖頻率的增大，焊縫的熔深和熔寬均先增大后減小，焊縫余高略有減小，但變化不明顯。此外，焊接電流在基值和峰值之間周期性切換，作用在熔池上的各種力也呈周期性變化，使熔池得到充分的震蕩和攪拌，從而細(xì)化晶粒，提高焊縫的力學(xué)性能[25]。高瑩等[27]對(duì)比了直流脈沖埋弧焊與直流埋弧焊對(duì)焊縫組織的影響，得到了如圖12所示的埋弧焊縫顯微組織，其中，試樣1～4為電流值依次增加的直流埋弧焊焊縫顯微組織，試樣5～8為電流基值依次增加的直流脈沖埋弧焊焊縫顯微組織;實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，直流脈沖埋弧焊比直流埋弧焊焊縫更加細(xì)小，并且大電流直流脈沖焊縫比小電流直流脈沖焊縫具有更細(xì)小的晶粒。

交流方波是當(dāng)今埋弧焊中應(yīng)用最為廣泛的一種波形，其主要的波形參數(shù)有3個(gè)：占空比、偏置量和方波頻率。占空比是指電極正極性波形在一個(gè)波形周期中所占的比例，偏置量是指電極正極性電流峰值的大小，頻率是指每秒內(nèi)波形極性變換的次數(shù)。Pedrazzo、康凌風(fēng)等[28-30]研究了交流方波參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響，結(jié)果顯示，隨著占空比的增大，焊縫熔深增加，熔寬先增大后減小;偏置量增大導(dǎo)致焊縫熔深增加，熔寬減小;方波頻率的增大導(dǎo)致焊縫熔深減小，但熔寬的變化不明顯。張建優(yōu)[21，32]進(jìn)行了大量的對(duì)比試驗(yàn)后得到了如圖13所示的不同交流方波參數(shù)對(duì)焊縫成形影響曲線，并給出了如下的理論解釋：占空比增加意味著在一個(gè)波形周期內(nèi)，工件處于陰極的時(shí)間增加，相應(yīng)的工件熱輸入也增加，同時(shí)電流為正的時(shí)間增加導(dǎo)致正粒子對(duì)熔池的沖擊作用增大，兩者共同作用使焊縫熔深增加;反之，用于熔化焊絲的熱量增加，使熔深變淺，但可以提高熔敷率。偏置量增加意味著正極性的電流峰值增加，電流密度增加，焊接電弧力增大，正粒子對(duì)熔池的沖擊力增加，同時(shí)，正極性電流的增加會(huì)導(dǎo)致工件的熱輸入增大，兩者共同作用使焊縫熔深增加，熔寬減小;反之，負(fù)極性的電流峰值增大，用于熔化焊絲的熱量增加，使熔深變淺，但可以提高熔敷率。方波頻率增加，盡管工件的熱輸入無明顯變化，但方波周期變短會(huì)使一個(gè)周期內(nèi)正粒子的加速時(shí)間減少，這意味著正粒子對(duì)熔池的沖擊也會(huì)減小，最終導(dǎo)致焊縫熔深減小，熔寬增加。頻率對(duì)焊縫熔寬的影響較為復(fù)雜。頻率較低（50 Hz以下）時(shí)，隨著頻率的增加，電磁力對(duì)熔池表面的攪拌作用增強(qiáng)，向熔寬方向釋放的熱量增多，導(dǎo)致熔寬增大;頻率較高（50 Hz以上）時(shí)，由于正粒子流和熔池流動(dòng)的慣性作用，焊接電弧力和電磁攪拌作用將減弱，導(dǎo)致熔寬減小。孫威[4]研究了極性對(duì)焊縫成形和質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，直流正接時(shí)，電弧不穩(wěn)定，熔滴粗，飛濺大，氣孔率高，熔深小;直流反接時(shí)，電弧穩(wěn)定，熔滴較細(xì)，不易引起飛濺，氣孔率低，熔深大;交流焊接時(shí)，氣孔率理論上介于直流正接和反接之間，但因交流電弧可以抑制磁偏吹，所以氣孔率更低。

除了直流、直流脈沖和交流方波波形，越來越多新的波形控制技術(shù)被提出。最新的研究表明，高頻（通常大于5 kHz）脈沖電流有利于焊接電弧的收縮，增加熔透深度，減少焊縫氣孔，細(xì)化焊接區(qū)的晶粒組織，有利于提高焊接接頭的力學(xué)性能[31]。為此，研究人員將高頻脈沖技術(shù)與直流脈沖和交流方波波形相融合，提出了高頻脈沖和變極性高頻脈沖兩種電流波形，分別如圖14和圖15所示。

傳統(tǒng)的直流埋弧焊焊接電流大，導(dǎo)致焊縫區(qū)晶粒粗大，降低了焊縫力學(xué)性能，使焊縫質(zhì)量變差。直流脈沖電流波形的引入有利于細(xì)化焊縫區(qū)晶粒，增強(qiáng)焊縫力學(xué)性能;而交流方波電流波形可抑制磁偏吹，減少氣孔率;兩者均可改善焊縫成形。高頻脈沖可增加熔透深度、細(xì)化焊縫區(qū)晶粒組織并減少氣孔率，將高頻脈沖技術(shù)與直流脈沖和交流方波波形相融合有助于推動(dòng)埋弧焊波形工藝的發(fā)展，提高埋弧焊的工藝質(zhì)量。

3 埋弧焊焊接電源研究進(jìn)展

3.1 埋弧焊焊接電源發(fā)展

焊接電源為埋弧焊提供所需的電流、電壓，是焊接過程中的能量來源，直接影響焊接的起弧燃燒、焊接過程的穩(wěn)定和焊縫質(zhì)量的好壞。電子信息技術(shù)、半導(dǎo)體材料、集成電路等各個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)突破推動(dòng)了埋弧焊焊接電源的發(fā)展。20世紀(jì)20年代，弧焊發(fā)電機(jī)和交流弧焊變壓器被依次發(fā)明并陸續(xù)推廣應(yīng)用于埋弧焊中。到了20世紀(jì)60年代，隨著硅整流器件和晶閘管的研制成功，開始出現(xiàn)了弧焊整流器[33]。1978年，弧焊逆變器研制成功，推動(dòng)埋弧焊焊接電源進(jìn)入可控逆變時(shí)代。20世紀(jì)80年代前后，大功率晶體管（GTR）、功率場(chǎng)效應(yīng)管（Power MOS- FET）、絕緣場(chǎng)效應(yīng)晶體管（IGBT）、SiC MOSFET等半導(dǎo)體功率器件相繼出現(xiàn)，促進(jìn)了埋弧焊焊接電源的進(jìn)一步發(fā)展[33]。如今，輕量化、高效率、模塊化和智能化已成為埋弧焊焊接電源的主流發(fā)展方向。

3.2 埋弧焊焊接電源控制技術(shù)研究進(jìn)展

早期的埋弧焊焊接電源均采用模擬控制系統(tǒng)。由于模擬控制系統(tǒng)的元器件數(shù)目過多，調(diào)試復(fù)雜，受溫度影響大且運(yùn)算能力受限，而數(shù)字化控制系統(tǒng)有具有控制精度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)[34-35]，因此，數(shù)字化已成為埋弧焊焊接電源控制技術(shù)的主流發(fā)展方向。

國外的數(shù)字化焊接電源發(fā)展較早。芬蘭的Kemppi公司于1993年發(fā)布了數(shù)字化逆變焊接電源控制系統(tǒng)。1994年，奧地利的 Fronius 公司推出了 TPS2700/4000/5000系列數(shù)字化電源控制系統(tǒng)，可以在一臺(tái)焊機(jī)上實(shí)現(xiàn)多種焊接方法，并且通過人機(jī)交互界面實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前焊接參數(shù)。林肯電氣推出的 POWER WAVE系列埋弧焊機(jī)采用了數(shù)字化波形控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)直流、交流和恒壓等多種輸出模式，能夠測(cè)量、計(jì)算并顯示即時(shí)焊縫能量以計(jì)算臨界熱輸入，而且還能進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。21世紀(jì)以后，國外的林肯、松下、歐地希等各大公司陸續(xù)推出了自己的數(shù)字化焊接電源品牌[36-37]。

我國焊接電源數(shù)字化控制技術(shù)的研究起步較晚。2000年以后，華南理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)等高校的研究團(tuán)隊(duì)開始著手焊接電源數(shù)字化研究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)唐剛等[38]利用單片機(jī)和 DSP設(shè)計(jì)了一款數(shù)字化焊機(jī)控制系統(tǒng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)多種焊接方法，還可設(shè)置并實(shí)時(shí)顯示電流、電壓、送絲速度等焊接參數(shù)。華南理工大學(xué)佘欣仁等[39]研制了一套基于 ARM3內(nèi)核的全數(shù)字埋弧焊機(jī)，利用高性能 ARM 微控制器實(shí)現(xiàn)多種焊接波形的精細(xì)化控制。北京工業(yè)大學(xué)林萬[34]基于 ARM-Cotex M4內(nèi)核設(shè)計(jì)的數(shù)字化弧焊逆變電源，具有顯示、調(diào)用、存儲(chǔ)和監(jiān)控功能，還可根據(jù)檢測(cè)狀況實(shí)時(shí)修正焊接參數(shù)。華南理工大學(xué)唐嘉健[43]研制了一臺(tái)輸出電流高達(dá)1250 A 的全數(shù)字逆變式交流方波脈沖埋弧焊焊接電源，總體框圖如圖16 （a） 所示，采用以 ARM-Cotex M4芯片為核心的高速控制電路來提高系統(tǒng)的運(yùn)算速度，采用分離式增量 PID 算法實(shí)現(xiàn)輸出電流波形的精細(xì)控制，并通過全數(shù)字化 PWM 調(diào)制實(shí)現(xiàn)了如圖16（b）所示的高精度交流脈沖電流波形輸出，可有效減少焊縫咬邊，減少氣孔并細(xì)化晶粒，獲得如圖16（c）所示的交流脈沖焊接焊縫成形。

埋弧焊焊接電源由傳統(tǒng)的模擬控制轉(zhuǎn)換成數(shù)字化控制之后，控制系統(tǒng)的運(yùn)算速度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)定性顯著提升，有利于實(shí)現(xiàn)焊接過程的智能化和精細(xì)化控制，提高埋弧焊的焊接效率和焊縫質(zhì)量[44]。國內(nèi)的焊接電源企業(yè)如北京時(shí)代、山大奧太等已陸續(xù)推出相應(yīng)的數(shù)字化埋弧焊焊接電源產(chǎn)品。

3.3 埋弧焊焊接電源功率變換技術(shù)發(fā)展

目前，埋弧焊焊接電源的功率變換技術(shù)主要有以下幾大發(fā)展趨勢(shì)。

（1） 高頻化。目前埋弧焊焊接電源普遍采用 Si基IG- BT 作為功率開關(guān)器件，由于拖尾電流的影響，IGBT 的關(guān)斷時(shí)間較長(zhǎng)，所以其開關(guān)頻率一般在20 kHz左右。目前，Si基功率器件的各方面性能已隨其制造工藝的完善而接近由其材料特性決定的物理極限[41]。SiC是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度是 Si材料的3倍左右，同時(shí)具有更高的擊穿電場(chǎng)、更好的散熱性能和更優(yōu)的高頻特性[40]。SiC MOSFET等寬禁帶功率器件的發(fā)展，可以推動(dòng)埋弧焊焊接電源的逆變頻率從目前的20 kHz向50 kHz、100 kHz 、200 kHz 和更高的逆變頻率方向發(fā)展[42]。謝芳祥等[40]采用SiC MOSFET 模塊研制了一臺(tái)逆變頻率高達(dá)100 kHz的全數(shù)字化脈沖焊接電源，其響應(yīng)速度快、電弧調(diào)節(jié)能力強(qiáng)、焊縫成形良好且缺陷少;饒杰等[45]利用SiC MOSFET 功率模塊研制了一臺(tái)逆變頻率高達(dá)50 kHz 的全數(shù)字化變極性脈沖焊接電源，通過數(shù)字 PID 算法實(shí)現(xiàn)對(duì)電流波形的精密控制，換流效率高，控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力好。

（2） 提升能效。埋弧焊焊接電源的輸出電流較大，功率高;隨著逆變頻率的提高，埋弧焊焊接電源的開關(guān)損耗也隨之增加，會(huì)導(dǎo)致能效嚴(yán)重下降[41]。軟開關(guān)技術(shù)可有效提高埋弧焊焊接電源的效率。常用的軟開關(guān)技術(shù)有準(zhǔn)諧振電路、零開關(guān) PWM 電路和零轉(zhuǎn)換電路等。準(zhǔn)諧振電路出現(xiàn)較早，諧振的引入可降低電路開關(guān)損耗，但電路中的諧振峰值電壓高、諧振電流有效值大，對(duì)器件的耐壓耐流值有較高要求。此外，諧振電路中存在大量無功功率的交換，增大了電路的損耗。零開關(guān) PWM 電路分為零電壓開關(guān) PWM 電路和零電流開關(guān) PWM 電路，可以采用開關(guān)頻率固定的 PWM 控制模式，對(duì)器件耐壓要求相對(duì)較低。零轉(zhuǎn)換 PWM 電路的諧振電路是與主開關(guān)并聯(lián)的，因此輸入電壓和負(fù)載電流對(duì)電路的諧振過程影響很小，并且電路中的無功功率也很小，這進(jìn)一步提升了電路效率[41]。華南理工大學(xué)的范文艷等[46]采用SiC MOSFET模塊研制了一套基于 LLC零電壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的諧振軟開關(guān)換流電源，額定輸出功率達(dá)到8 kW ，諧振換流頻率可高達(dá)400 kHz ，DC-DC部分的電能轉(zhuǎn)換效率高達(dá)98.2%，其系統(tǒng)框架如圖17所示。

（3） 綠色化。目前大部分逆變焊接電源均采用不可控整流二極管和大濾波電容作為整流濾波模塊，容易產(chǎn)生交變的嚴(yán)重非正弦化和窄脈沖電流，降低了逆變焊接電源的功率因數(shù)，增加了堆電網(wǎng)的干擾[33]。因此，需要深入研究大功率的三相功率校正（PFC）技術(shù)，利用 PFC技術(shù)來改善輸入電流波形和提高功率因數(shù)已成為發(fā)展趨勢(shì)。功率校正又分為無源功率校正技術(shù)和有源功率校正技術(shù)。無源功率校正技術(shù)通過在二極管中增加電感、電容等無源元件對(duì)電路中的電流尖峰進(jìn)行抑制，以降低電流諧波量，提高功率因數(shù)。有源功率因數(shù)校正技術(shù)采用全控型開關(guān)電路對(duì)輸入電流波形進(jìn)行控制，可減少電流諧波量，功率因數(shù)可高達(dá)99%以上[41]。通過功率因數(shù)校正技術(shù)有望解決埋弧焊焊接電源面臨的諧波污染和功率因數(shù)低的難題。

總的來說，高頻化技術(shù)、能效提升技術(shù)和綠色化技術(shù)的發(fā)展有助于實(shí)現(xiàn)埋弧焊模塊化、大功率化和高效化，有利于進(jìn)一步提高埋弧焊焊接電源的綜合性能，進(jìn)而提高埋弧焊工藝質(zhì)量和生產(chǎn)效率;而數(shù)字化進(jìn)程的加快，有利于提升埋弧焊焊接電流波形的精細(xì)化調(diào)控能力，有利于進(jìn)一步提升焊接工藝質(zhì)量。

4 結(jié)束語

（1） 埋弧焊的熔滴過渡方式與焊接電流、極性密切相關(guān)。小電流（500 A）直流焊接時(shí)，熔滴過渡方式主要為非軸向滴狀過渡;大電流（600 A及以上）直流焊接時(shí)，熔滴過渡方式主要是渣壁過渡;大電流交流焊接時(shí)，在電極為正的周期內(nèi)，熔滴過渡方式為“鞭尾”狀渣壁過渡，電極為負(fù)的周期內(nèi)，熔滴以爆炸方式過渡。

（2） 焊接電流波形是影響埋弧焊焊縫成形的重要因素。脈沖電流可細(xì)化熔池晶粒，提高焊縫的力學(xué)性能;利用交流方波波形可以抑制磁偏吹、減少氣孔率、改善焊縫成形;高頻脈沖有利于增加熔透深度，減少焊縫氣孔。

（3） 數(shù)字化控制技術(shù)以及基于第三代寬禁帶SiC MOSFET的高頻功率變換技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了大功率埋弧焊焊接電源向模塊化、大功率化、高效化和綠色化方向發(fā)展，有利于進(jìn)一步提升埋弧焊焊接效率和工藝質(zhì)量。

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第一作者簡(jiǎn)介：王振民（1974-），男，湖南東安人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究領(lǐng)域?yàn)閿?shù)字化焊接電源、焊接過程智能化、水下機(jī)器人制造技術(shù)，已發(fā)表論文90余篇。

（編輯：王智圣）