《材料成形设备及自动化》正文(修订4)2010

绪论

焊接是一种将材料永久连接，并成为具有给定功能结构的制造技术。在生产制造中，从几十万吨的巨轮到不足1克的微电子元件，都不同程度地要应用到焊接技术。尤其是钢铁材料必须通过各种热加工,如焊接、锻压、铸造、热处理等工序,才能成为有使用价值的产品。世界工业发达国家的焊接结构用钢一般占年钢产总量的60%以上，目前我国已经成为世界上最大的钢铁生产国和消耗国，而我国焊接结构用钢量也将提高到年钢产总量的50%以上。由此可见，焊接在现代制造业中的重要地位，以及对人们的生产、生活、劳动就业、财富创造起到的重大作用。

今天焊接成型技术的应用之所以如此广泛,是因为焊接结构具有一系列的优越性：

1）焊接结构不受外形尺寸限制,可以方便地拼成尺寸很大的工程结构；

2）与铆接或螺栓连接相比,焊接结构的重量较轻,没有铆钉或螺钉的附加重量；

3）与铸造结构相比,可方便地制成空心结构或封闭结构；

4）焊接结构的整体性好；

5）焊接结构的密封性好,这对压力容器或真空容器的制造是不可缺少的条件；

6）可根据结构服役及设计的需要,在不同的部位采用不同材质或不同级别的材料,也可采用不同厚

度的材料,从而节省材料,发挥材料的最大效能。同时，结构也更为轻巧,成本更低。

电焊机是实现焊接成型的主要技术设备，素有“钢铁缝纫机”之称。目前，钢材仍是最主要的结构材料。2005年，我国已成为世界上最大的产钢国和用钢国。近年来，我国在大型焊接钢结构的开发与应用方面取得了引人瞩目的成就，有的已成为世界第一。例如，举世瞩目的的长江三峡水电工程，三峡水电站总装机容量18200MW,相当18 座大型核电站,是世界最大的水电站。其水轮机转轮直径为10.7m，高5.4m，重达440t，为世界最大、最重的不锈钢焊接转轮。三峡水电站的电动机定子座和蜗壳的结构也是巨大的，其中电动机定子座直径为22m，高6m，重832t，是在我国焊接的最大钢结构机座；蜗壳进水口直径为12.4m，总重量750t，为世界最大、最重的焊接蜗壳。三峡永久船闸人字闸门，门体高38.5m, 宽20.2m,厚3.0m。每闸人字门由左右两扇门叶组成。单扇门重达800t，号称“天下第一门”。

大跨度空间钢结构焊接工程的代表如北京国家体育场（“鸟巢”）、国家游泳中心（“水立方”）、北京国家大剧院等。高层建筑钢结构焊接工程如中央电视台新台址大楼、上海环球金融中心等。

随着我国铁路与公路建设的发展,钢桥建设得到了飞速的发展。特别是多座跨越长江的大桥,设计与制造技术已接近世界先进水平。世界全部斜拉桥排名前10 位的焊接钢桥中,我国就有6 座。钢桥的制造已从栓焊向全焊接过渡。我国已建成的大跨度代表性全焊接钢桥有“世界第一拱桥”上海卢浦大桥、南京长江三桥等等。

西气东输工程的天然气管线，全长约4300km，是横贯我国东西的能源大动脉,为能源紧缺的中国东部经济发达地区输送丰富的天然气资源。输气管线管径为1016mm ,壁厚14.16～26.12mm ,X70 级钢,钢管用量170万t。其中涉及到大量的螺旋管焊接和直缝管焊接。这是我国铺设的第一条高强度钢的长距离管线，在铺设中大量使用了自动化焊接设备。

我国的造船业在过去的20年里有了很大的发展。2006年我国造船完工总量突破1400万载重吨，为世界第三造船大国。我国已能够自主设计建造30万t 级超大型原油船和8000箱级超大型集装箱船,并已成功进入液化天然气船建造市场,预计15 年后中国将成为世界第一造船大国。焊接技术在船舶制造中占有举足轻重的位置,是最主要的工艺技术。

上述的一些大型结构例子都是我国近年来焊接的最大、最新的具有代表性的重要产品。其他方面包括从核能发电到微电子技术发展,从探索宇宙空间到深海资源开发,从汽车到家电产品制造,均离不开焊接技术。如“神舟”载人飞船和长征系列运载火箭的燃料箱，都是全焊接的铝合金结构。一辆Passat车身上有电阻焊点5892个、螺柱焊206个、GMAW 焊缝总长2397 mm。

因此，焊接技术及设备在国民经济建设和社会发展中发挥着无可替代的重要作用。焊接成型技术的发展有赖于焊接设备的发展，而电焊机是最主要的焊接设备。

从技术基础来看，电焊机不仅综合了电气、机械、焊接技术，还广泛地应用了电子技术、计算机技术、控制技术、超声波技术、真空技术、等离子物理、光学、声学等各方面的最新成就。因而，电焊机的功能和质量都随之日新月异地发展。电焊机已经历了机械控制→电磁控制→电子控制的时代，并已进入电子时代。从现在的情况看，任何一种新型的、先进的焊接设备都离不开电子控制技术。正是由于各种控制技术和电子技术的发展，又赋予了各种焊机以新的生命力，从而大大地改变了其原来面貌。逆变技术已经广泛

地应用于焊条电弧焊、TIG焊、MAG焊等弧焊电源中，在电阻焊机中也开始获得应用。一些具有焊接参数自动检测、操作和调整以及焊后检测等功能的先进焊接设备将逐步进入工业实用阶段，多功能的机电一体化焊机也相继问世。

目前，大量的微型计算机在焊接设备中得到应用。特别是廉价的单片机在电弧焊、电阻焊和特种焊接设备中大量采用，以扩展其功能，提高其自动化程度。数字信号处理器（DSP）在弧焊电源控制系统中的应用，极大地推动了数字化弧焊电源的发展。

焊接机器人是焊接过程自动化的重要标志。目前，焊接机器人已进入工业实用阶段，工业发达国家已大量使用焊接机器人来进行自动化焊接生产。焊接机器人可摆脱对高级熟练焊工的依赖，进一步提高焊接质量和劳动生产率，解决某劳动条件十分恶劣或工人根本无法进入的场合（例如高温、放射性、真空等）的焊接问题。洁净、环保焊接技术是21世纪焊接行业发展的必由之路，只有通过发展焊接生产自动化装备及其自动控制系统，才能得以实现。

现代焊接机器人大多用于柔性自动化工作站或焊接生产线，它是由焊接机器人、焊接电源、焊接工艺装备、上下料机械手等的组合，以及离线CAD仿真编程构成的，用微机对系统进行综合控制。柔性机器人工作站易于变更不同的焊接产品，可适用各种批量的生产线，是非常受欢迎的一种焊接自动化途径。焊接生产柔性化的发展方向是要发展能识别环境并随时精确跟踪焊缝轨迹及调整焊接参数的焊接机器人。柔性焊接机器人工作站代表了成套焊接设备微机自动控制技术的发展方向。

焊接过程控制系统的智能化是焊接生产自动化的核心问题之一。把人工智能技术引入焊接设备的控制，以形成焊接设备的智能控制系统。具有代表性的是焊接过程的模糊控制系统、神经网络控制系统和焊接专家系统。

焊接自动化系统是机、电、焊等各项技术的集成，涉及技术领域广泛，要求水平较高。焊接自动化技术的发展过程也就是电子技术、计算机控制技术、自动控制技术、信息传感器技术和软件技术与焊接工艺的融合、渗透过程。

U f

I f 图 1-2 电弧静特性

U Y

I Y

图 1-1 弧焊电源外特性

第一章 弧焊电源

第一节 对弧焊电源的要求

一．对弧焊电源的基本要求

常用的焊接电弧电压约为20～40V ，电流在几十至上千安，而我国的工业电网采用三相四线制交流供电，频率为50Hz ，相电压为220V ，线电压为380V 。因此在工业电网与焊接电弧负载之间必须有一种能量传输与变换装置，这就是弧焊电源。弧焊电源是电弧焊机中的核心部分，是用来对焊接电弧提供电能的一种专用设备。对它的要求除有与一般电力电源相同之处外，在电气特性和结构方面，还需具有与各种焊接工艺方法相适应的特性。这主要是由于弧焊电源的负载是电弧，它的电气性能就要适应电弧负载的特性。因此，弧焊电源需具备工艺适应性，即应满足弧焊工艺对电源的下述要求： 1) 保证引弧容易； 2) 保证电弧稳定； 3) 保证焊接规范稳定；

4) 具有足够宽的焊接规范调节范围。

为满足上述工艺要求，弧焊电源的电气性能应考虑以下三个方面： 1) 对弧焊电源外特性的要求； 2) 对弧焊电源调节性能的要求； 3) 对弧焊电源动特性的要求。

二．对弧焊电源外特性的要求

1．弧焊电源的外特性

电源的外特性是指在规定的范围内，电源稳态输出电流I y 与输出电压U y 之间的关系曲线，即U y = f （I y ）称为电源的外特性。图1-1所示就是一条弧焊电源外特性曲线。

对于直流电源，I y 和U y 为输出电流和电压的平均值，对于交流电源则为输出电流和电压的有效值。

不同的弧焊方法对弧焊电源外特性会提出不同的要求。因此，弧焊电源有下降（缓降、陡降、垂降）、水平等外特性。

2．焊接电弧的静特性

一定长度的电弧稳定燃烧时，电弧电压U f 与电弧电流I f 之间的关系曲线，即U f = f （I f ）称为电弧的静特性。

焊接电弧是一种非线性负载，经实测电弧的静特性曲线近似呈U 形曲线，如图1-2所示。随着电流密度逐渐增大，可以分为A 、B 、C 三个区段，即下降段、水平段、上升段。对于不同的焊接方法，其电弧的静特性曲线有所不同，且工作于不同的区段，如手工弧

焊、埋弧焊多工作于水平段；非熔化极气体保护焊、

等离子弧焊也多工作于水平段，但当电流较大时则工作于上升段；熔化极气体保护焊（氩弧焊、CO 2焊）基本工作于上升段。

3． “电源一电弧”系统稳定工作条件

弧焊电源与电弧构成供电、用电系统，若要“电

源-电弧”系统能够工作则要求电源外特性曲线与电弧

静特性曲线形成交点，即有系统工作点。而为了保证焊接电弧稳定燃烧和焊接参数稳定，还要求系统必须有一个稳定的工作点。稳定的工作点是指系统能够克服外界干扰因素的影响，保持原有工作点及参数（电流和电压）不变。

U

图1-3 系统稳定工作条件图

如图1-3所示，电源外特性曲线（曲线1）与电弧静特性曲线（曲线2）的交点A 0、A 1都是系统的工作点，但只有A 0点才是稳定的工作点。原因为：当由于操作的不稳定、工件表面的不平、网压的波动等瞬间干扰使弧长由l 增加到l 1时，工作点将由A 0、A 1移到A 0’、A 1’，一旦干扰过后弧长又恢复到原来的长度l 。在A 0’点，则此时电源电压高于电弧电压，供大于求，因此焊接电流将增加，而电源电压将下降，一直恢复到A 0点为止。而在A 1’点，电源电压也高于电弧电压，焊接电流将增加，工作点不能再回到A 1点而是移到A 0点。同理，当弧长受某种瞬间干扰缩短时，也只有A 0点能够恢复。因此说A 0点才是稳定工作点，而A 1点是不稳定工作点。

在A 0点，电弧静特性的斜率为tg αa ，电源外特性斜率为tg αp ，由图可知： tg αa －tg αp ＞0 (1-1)

因此称式（1-1）即为“电源一电弧”系统稳定工作条件。也就是在电源外特性与电弧静特性交点处，电弧静特性斜率大于电源外特性斜率就是系统稳定工作的条件。符合上述稳定条件的工作点称为稳定工作点。

如果电弧静特性工作部分斜率＜0，根据上述稳定工作条件，弧焊电源外特性必须是下降特性（缓降或陡降特性）。如果电弧静特性工作部分斜率＞0，则电源外特性可以是上升的，也可以是平特性。 4．不同焊接方法对弧焊电源外特性的要求

弧焊电源的外特性形状除了影响“电源一电弧”系统的稳定性工作，还关系到焊接工艺参数的稳定。在外界干扰使弧长变化的情况下，将引起系统稳定工作点移动和焊接工艺参数出现静态偏差。为获得良好的焊缝成形，要求这种工艺参数的静态偏差愈小愈好，亦即要求焊接工艺参数稳定。有时某种形状的弧焊电源外特性可满足“电源一电弧”系统的稳定条件，但却不能保证焊接工艺参数稳定。因此，一定形状的电弧静特性需选择适当形状的弧焊电源外特性与之相配合，才能满足系统的稳定条件又能保证焊接工艺参数稳定。此外，弧焊电源外特性形状还关系到弧焊电源的引弧性能、熔滴过渡过程和使用安全性等。

表1-1列出了常用弧焊电源外特性形状的种类及应用范围。 5．关于空载电压和短路电流的要求

弧焊电源外特性曲线除稳定工作点外，还有两个特殊点：即当电流为零时的空载电压和当电极与工件短路时的稳态短路电流。两者对焊接电弧稳定燃烧具有很大影响，因此，也必须对它们提出要求：

（1）弧焊电源的空载电压U O 弧焊电源空载电压高则容易引弧，对于交流弧焊电源，空载电压高则电弧稳定燃烧。但空载电压高则设备体积大、重量大、功率因数低、不经济。空载电压高也不利于焊工人身安全。为此在确保容易引弧、电弧稳定的条件下窄载电压应尽可能低些。空载电压按焊接电源安全要求应符合GB ／T15579—1995的规定。

对危险工作环境，直流弧焊电源小于113V ：交流弧焊电源小于68V(峰值)、48V(有效值)。 对一般工作环境，直流弧焊电源小于113V ：交流弧焊电源小于113V(峰值)、80V(有效值)。

（2）弧焊电源稳态短路电流I ss 当焊条(或焊丝)与工件直接接触时的稳态电流称为稳态短路电流。稳

态短路电流I ss 应稍大于焊接电流I ，这将有利于引弧。但I ss 太大会增大焊接飞溅。一般情况下：

225.1<

I

ss (1-2)

表1-1 常用弧焊电源外特性形状的种类及应用范围

5

6

三．对弧焊电源调节特性的要求

弧焊电源能输出不同工作电压、电流的可调性能称为电源的调节特性。

焊接时需根据被焊工件的材质、厚度与坡口形式等选用不同的焊接电弧电压U f 及电流I f 。对应于一定的弧长，弧焊电源的外特性与电弧静特性曲线只有一个稳定工作点。因此，为了在一定范围获得所需的I f 和U f ，弧焊电源的外特性必须可以均匀调节，通过改变外特性斜率或移动曲线位置，以便与电弧静特性曲线在许多点相交，得到一系列的稳定工作点，即I f 和U f 在一定范围内可调。

四．对弧焊电源动特性的要求

上面所述是针对焊接电弧处于稳定的、静态的工作状态，即电弧长度、电弧电压和电流在较长时间内不改变自己的数值。然而，实际上用熔化极进行电弧焊时，焊条或焊丝在被加热形成金属熔滴进入熔池的过程中，经常会出现短路。这样，就会使电弧长度、电弧电压和电流不断地发生瞬时变化。因而，焊接电弧对供电的弧焊电源来说，是一个动态变化的负载。这就需要对弧焊电源动特性提出相应的要求。

所谓弧焊电源的动特性，是指电弧负载状态发生突然变化时，弧焊电源输出电压与电流的响应过程，可以用弧焊电源的输出电流和电压对时间的关系，即u f = f ( t )、i f = f ( t ) 来表示，它说明弧焊电源对负载瞬变的适应能力。只有当弧焊电源的动特性合适，才能获得良好的引弧、燃弧和熔滴过渡状态，从而得到满意的焊缝质量。这对采用短路过渡的熔化极电弧焊来说，是特别重要的。而对于采用非接触式引弧的非熔化极电弧焊，因焊接时电弧长度、电弧电压和电流基本不变，因而对弧焊电源可以不考虑动特性的要求。

以短路过渡CO 2焊过程为例，其典型的短路过渡过程的电压电流波形如图1-4所示。电弧引燃后焊丝端部形成熔滴并逐渐增大，致使电弧间隙短路。此时电弧熄灭，

电压急剧下降，

t

U

I

图1-4 短路过渡CO 2焊过程的电压电流波

7

短路电流突然增大。熔滴在电磁收缩力下形成缩颈，并向熔池过渡。熔滴脱落后电弧间隙的电压急剧增大到超过额定的电弧电压，并重新引燃电弧。以后重复整个循环。

在短路过渡CO 2焊接过程中，短路电流上升率d i/d t 是影响熔滴过渡是否平稳、飞溅大小、焊接过程是否稳定的主要因素。d i/d t 过小，短路熔滴难以过渡，将导致短路时间的延长和焊丝成段爆断。d i/d t 过大，将产生严重的飞溅。因此，d i/d t 值应该合适。除d i/d t 之外，短路电流峰值也是一个重要参数，应能够加以调节。熔滴过渡之后，希望立即引燃电弧，以免焊接过程中断，这就要求电源有足够的空载电压恢复速度。

综上所述，对弧焊电源动特性要求，实际上就是对电源的短路电流增长速度，空载电压恢复速度和短路电流峰值的要求。

第二节 弧焊电源的分类

弧焊电源的分类方法很多。按输出电流的种类分，可分为直流弧焊电源、交流弧焊电源和脉冲弧焊电源三大类；按弧焊电源的输出特性分，可分为平特性(恒压特性)电源、缓降特性电源、垂直陡降(恒流)特性电源以及多特性电源；按弧焊方法分，又可以分为焊条电弧焊电源、埋弧焊电源、等离子弧焊电源、氩弧焊电源、CO 2焊电源等。但目前应用最多的是按外特性控制机构不同分为机械调节型、电磁控制型、电子控制型三大类。在每一大类中又按

其工作原理、结构特征及关键器件的不同细分为若干种型式，如图1-5所示。

机械调节型弧焊电源是借助于机械装置实施电源外特性的调节，如移动弧焊变压器动铁心、动绕组或改变绕组匝数（抽头）等。电磁控制型弧焊电源是通过调节励磁电流来改变电抗器或直流发电机铁心的饱和程度，从而控制电源外特性。该类产品由于耗能大，除柴油或

图1-5 弧焊电源分类

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图1-6 弧焊变压器的结构及电路原理 a) 结构示意图b) 电路原理图 c) 输出向量图

汽油驱动式弧焊发电机，在一些特定场合还有应用以外，基本上属于淘汰产品。电子控制型弧焊电源是借助于电子线路来实现电源外特性、动特性的调节，以及波形控制，包括整流式、逆变式、数字式弧焊电源，是弧焊电源的发展方向。

第三节 常用弧焊电源

一．弧焊变压器

弧焊变压器是一种最简单和常用的弧焊电源，它提供正弦波交流输出，电弧稳定性较差、功率因素低，通常用于焊条电弧焊，因此弧焊变压器的伏安特性通常为陡降特性。一般的变压器是恒压特性，不适于直接用于焊条电弧焊。弧焊变压器是一种具有陡降输出特性的特殊变压器，在原理上可由一台普通的变压器和一个串联的可调电感构成，如图1-6所示。 图1-4 a 中的变压器是一个常规的变压器，它只起降压作用，陡降特性是由与其串联的电感获得的。电感是一种电磁感应器件，当交流电流通过电感时将在电感两端产生电压降，当电感值足够大时，则变压器与串联电感构成陡降特性。在弧焊变压器中，串联电感同时又起电流调节作用，由图1-4 b 的电路原理图及图1-4 c 向量图可以得出输出电流与串联电感的关系：

f L O U U U ?

??+= 其中： f L I L U ?

?

=ω

由矢量图： 2

22)

(f f O LI U U ω+= 即： f I ＝

L

U U f

ω220- (1-3)

式中：f I ——输出电流；

U 0——空载电压； U f ——负载电压；

ω——电源角频率； L ——电感值。

由式（1-3）可以得到弧焊变压器的外特性曲线图，如图1-7所示，由式（1-3）及图1-7可以看到，调节电感L 可以改变输出电流。在不同的输出电流位置上，电源的外特性特性是不同的。电流越小，外特性越陡，因为此时的电感值大，相当于电源内阻大，所以外特性变陡。电流越大，外特性越缓，因为此时的电感值小，相当于电源内阻小，所以外特性变缓。

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如图1-4 a 的结构示意图中所示，弧焊变压器中的串联电感由线圈及可调间隙铁心组成，设电感线圈匝数为N ，铁心与线圈磁路的磁阻为R m ，则电感值L 为：

L ＝ m

R N 2

(1-4)

由式（1-4）可见，调整电感的方法可以是改变线圈匝数N 或调节磁路的磁阻R m 。在弧焊变压器中，通常利用铁心的变化调节磁阻R m 从而改变电感值，改变图1-6 a ）中铁心的间隙δ可以方便地调节磁路的磁阻R m ，达到调节焊接电流的目的。δ减小电感值增加，焊接电流降低，δ增加电感值降低；焊接电流增加。

为了获得满足电弧焊所需的陡降特性，需要较大的串联电感，其电感的体积、重量与变压器相当。所以为了节约材料，减少体积和重量，实际上在弧焊变压器中，很少使用独立的串联电感。而是采用特殊的结构设计，使变压器的一次与二次绕组之间有较大的漏感，这个漏感可以起到与串联电感相同的作用，这也正是弧焊变压器与一般变压器在设计和结构上最大的不同。

弧焊变压器实现外特性调节的方式有三种：移动铁心、移动绕组和改变绕组匝数（抽头），分别称为动铁式、动圈式和抽头式弧焊变压器。

动铁式弧焊变压器结构示意图及工作原理如图1-8所示。动铁心可作垂直于纸面方向的移动，通过调节动铁心的位置可以改变漏磁磁路的磁阻状态，从而调节漏磁大小，获得所需的外特性。图示为动铁心处于两极限位置时的外特性。

动圈（绕组）式弧焊变压器结构示意图及工作原理如图1-9所示。由于变压器的一、二次绕组间存在一定的距离，有较大的漏磁。通过转动手柄可以调节一、二次绕组间的距离，改变一、二次绕组间的耦合程度，从而调节漏磁大小，获得所需的外特性。图示为动绕组处于两极限位置时的外特性。

抽头式弧焊变压器结构示意图及工作原理如图1-10所示。一次绕组分为N 11和N 12两部分。N 12部分与二次绕组N 2紧密耦合，N 11部分则与N 2有较大漏磁。S 1、S 2是双刀同轴开关，通过此开关可改变N 11和N 12抽头位置，即改变匝数，但要保持一次绕组匝数N 1= N 11 + N 12不变。从而调节漏磁大小，获得所需的外特性。开关在位置1时输出电流最小，在位置5时输出电流最大。

图1-7 弧焊变压器的外特性曲线

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由于上述弧焊变压器电源外特性的调节是依靠机械装置实施，故属于机械调节型弧焊电源。该类电源具有结构简单、成本低、便于制造和维修、效率高等优点，但也存在调节不灵活、不精细、电源笨重、耗材多、电弧稳定性差等缺点。

图1-8 动铁式弧焊变压器铁心位置与外特性

图1-9 动圈式弧焊变压器动绕组位置与外特性

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二．逆变式弧焊电源

逆变式焊接电源是一种新型的、且已广泛应用的电子控制型焊接电源。它出现于20世纪70年代，是焊接电源发展史上更新换代的产品，被称为“20kHz 革命”。它打破了焊接电源体大量重的传统形象，开辟了焊接电源成为电子式产品的新概念。

逆变式焊接电源应用了电力电子技术中的逆变技术，在电力电子技术中将交流电变为直流电的变换称为整流，而将直流电变为交流电的变换即称为逆变。

1．逆变式弧焊电源基本原理及组成

逆变式弧焊电源基本原理及组成见图1-11所示：50Hz 工频交流网压先经整流成直流，再借助大功率电子开关器件，把直流电变换成几千至几万赫兹的中频交流电（实现逆变），然后经中频变压器降压和输出整流器整流为直流，最后经电抗器滤波即得所需的焊接电压和电流。

逆变式弧焊电源基本组成是由主电路和控制电路两大部分构成。主电路包括输入整流滤波、逆变器、输出整流滤波等三个组成部分；控制电路主要是用来控制大功率开关器件以获得弧焊工艺所需的外特性、调节特性、动特性和电压、电流波形等。

逆变式弧焊电源所需的大功率电子开关器件可采用、晶闸管THY 、电力晶体管GTR 、电力场效应晶体管MOSFET 、绝缘栅双极型晶体管IGBT 等。其中，IGBT 是近年得到快速发展的大功率电子开关，具有开关频率高（10～50KHz ）、开关损耗小、通态压降低、输入阻抗高（在驱动电路中作为负载时呈容性阻抗，为电压控制方式，驱动功率小）、电流、电压容量较大等特点。目前逆变式弧焊电源采用IGBT 已成为主流。IGBT 的电路图形符号如图1-12所示。

图1-10 抽头式弧焊变压器结构示意图

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．逆变电路

由功率电子开关及中频变压器组成的功率转换电路称为逆变器，是整个电源的核心。这种功率转换电路有推

挽式、全桥式、半桥式、单端反激式、单端正激式等。下面对在弧焊电源中采用较多的全桥式、半桥式、单端反激式功率转换电路进行介绍。为了方便，电路图中功率电子 C

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G

E 图1-13 全桥式逆变电路图

图1-11 逆变式弧焊电源组成框图

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用。同时，将漏感的储能回送给输入电源，有益于提高效率。同理，VT 2，VT 3截止瞬间VD 1 、VD 4导通，对晶体管VT 2、VT 3起保护作用。

由于电路使用了4个功率开关管，需要4组彼此绝缘的基极驱动电路，电路比较复杂。但由于输入电压直接施加在中频变压器上，易于获得大功率输出。因此生产大功率逆变焊接电源宜采用这种电路。

（2）半桥式逆变电路

半桥式逆变电路如图1-14所示。它和全桥式电路相似，只是其中功率开关管只有两个，另外两个由电容器C 01和C 02取代，其工作原理如下：

两只晶体管VT 1 、VT 2轮流通断，在前半周当VT 1导通时，电容C 01将通过VT 1和中频变压器T 1的一次绕组N 1放电，电流方向为由下至上，同时，电容C 02则通过输入电源、VT 1和T 1的一次绕组N 1充电；接着有一段两只晶体管都截止的时期。后半周当VT 2被激励导通时， C 02通过VT 2和T 1的一次绕组N 1放电，电流方向为由上至下，同时，电容C 01将通过输入电源、VT 2和T 1的一次绕组N 1充电，从而实现了逆变，将输入直流电变换成中频矩形波交流电。再经快速二极管整流、输出电抗器滤波，可得到比较稳定的直流输出。

显然，和全桥式逆变一样，一个晶体管导通时，截止晶体管上施加的电压大致和输入电源电压相等。晶体管由导通转为截止的关断过程中，一次漏感引起的尖峰电压亦将被二极管VD 1、VD 2箝位。因此，功率开关管上承受的最高电压亦不超过电源电压，而且，晶体管的数量只有全桥式的一半，驱动功率也较小。但是，半桥式逆变电路的中频变压器上施加的电压幅值只有输入电源电压的一半。即当电源电压相同时，半桥式逆变电路的输出功率将只是全桥式逆变电路输出功率的一半，故一般半桥式电路只适用于中等容量输出弧焊电源。

半桥式逆变电路一个极其重要的特点是自身具有抗不平衡能力，这是它获得广泛应用的一个重要原因。所谓的不平衡是指在逆变电路中，由于某种原因使一对开关管在正负两个半周期内，施加在中频变压器上的电压不等或导通宽度不等，即伏·秒积不等，则称电路工作于不平衡状态。此时中频变压器将发生单向偏磁，可能引起磁心饱和，电流急剧上升，从而导致开关管过流损坏。图1-9所示的半桥型电路中，当晶体管VT 1(或VT 2)导通时，加于变压器原边绕组上的电压是电容器C 01 (或C 02)两端的电压。在电路中，若由于晶体管VT 1和VT 2特性不一致，从而引起晶体管VT 1的导通时间比晶体管VT 2的长，则电容C 01的放电时间将比电容C 02的长，电容C 01两端的平均电压就会比电容C 02两端的低。故VT 1导通时，加于变压器原边绕组两端电压幅值就会比VT 2导通时的要低，从而就能够使加到变压器原边绕组两端正负矩形波的伏·秒积始终维持相等，则正负两个半周的磁通对称，高频变压器就不会发生单向偏磁现象。这就是半桥式逆变电路自身具有抗不平衡能力的原因。

图1-14 半桥式逆变电路图

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（3）单端反激逆变电路

图1-15所示为单端反激逆变电路。当功率开关管VT 1被脉冲激励而导通时，输入电压E 便施加到中频变压器T 1的一次绕组N 1上，由于图中T 1二次侧整流二极管VD 1反接，二次绕组N 2没有电流流过，此时流过N 1电流所产生的电能转化为磁能被变压器T 1储存起来；当VT 1关断时，绕组N 1上电压极性颠倒，VD 1被正偏而导通，此时储存在T 1中的能量便通过VD 1向负载释放。

由于这种变换器在功率开关管导通期间只存储能量，在截止期间才向负载传递，故称“反激”；

而中频变压器磁心只工作在磁滞回线的一侧（第一象限），因此被称为“单端” 逆变电路。相应地，全桥及半桥式逆变电路称为双端逆变电路。

单端反激逆变电路具有电路简单、没有双端逆变电路存在的功率开关管直通问题（即VT 1 、VT 2同时导通造成电源短路而损坏开关管）、工作可靠等优点。但由于变压器是单向工作，利用率低，变压器体积较大，电源输出功率较小。

3．控制电路

控制电路主要是用来控制大功率开关器件的通断，以获得弧焊工艺所需的外特性、调节特性、动特性和电压、电流波形等。对其基本要求是能提供前后沿陡峭、相位差180°、对称的矩形波脉冲序列。而为了实现弧焊逆变器的外特性、调节特性、动特性和波形的控制与调节，控制电路是通过改变功率开关管的接通时间（脉冲宽度）和工作周期比例，亦即改变脉冲占空比来实现的。一共有 “定频率调脉宽”（PWM ）、“定脉宽调频率”（PFM ）和前两者“混合调制” 三种控制方式。

PWM 方式因为频率恒定，使滤波电路的设计容易。因此，目前逆变电源的控制电路多采用PWM 控制。图1-16为PWM 控制方式示意图。控制脉冲的频率保持不变，而改变脉冲宽度即改变了逆变电源的输出电流或电压的平均值。输出脉冲经滤波后就可得到连续的、比较平滑的直流电。

图1-17描述了一个PWM 控制器的基本构成框图和相关部位的波形图。

这个电路的工作过程如下：取自逆变电源输出端的反馈信号U F 加在误差放大器的同相输入端，固定的基准电压U REF 加在误差放大器的反向输入端。固定频率锯齿波振荡器产生的线性增长锯齿波电压u S 加在比较器的同相输入端，当锯齿波电压高于误差信号电压u c 时，比较器输出为正，反之则为零。振荡器的输出电压u S 同时送到触发器的CP 输入端使触发器翻转。触发器的Q 端和比较器的输出分别加在A 通道“与门”的两个输入端，而Q

端和比

图1-15 单端反激逆变电路 图1-16 PWM 控制方式示意图

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较器的输出分别加在B 通道“与门”的两个输人端。由于触发器的Q 端和Q 端又是互为“非”的关系，因而比较器输出的方波脉冲中的单数脉冲由A 通道输出，双数脉冲由B 通道输出。A 、B 两通道输出的脉冲，通过驱动电路的功率放大和隔离，就可驱动全桥、半桥和推挽逆变电路中的功率晶体管。若是单端式逆变电路，可将A 、B 通道并联起来输出或只用一个输出通道的输出，通过驱动电路来驱动开关晶体管。

PWM 控制器保持输出稳定的调节原理是：当某种干扰使逆变电源的输出减小时→反馈信号减小→误差信号减小→A 、B 通道输出的矩形波宽度相应增宽→使电源的输出回升。 现有集成电路脉宽调制控制器已比较成熟，除具有图1-17a 所示的基本构成外，一般还具有可调死区时间限制、过压和欠压保护、软启动等电路。

4．逆变焊接电源的特点

逆变焊接电源一出现，就被称为“ 明天的电源”。它的历史不长，而发展速度却是惊人的。主要是因为它具有下列特点： （1）体积小、重量轻、省材

一般弧焊电源的体积和重量的80 %都取决于变压器和电抗器。这些变压器都工作在50Hz 。逆变焊接电源中虽也有一个变压器和电抗器，但其工作频率大大提高，一般工作频率为20～30KHz 。也就是说，逆变焊接电源比普通焊接电源工作频率提高了400～600倍。而变压器设计是根据下列公式

U ＝4.44 S B N f ×10-4 (1-5) 式中 U —— 输入电压（V ）；

图1-17 集成PWM 控制器基本构成和相关波形图

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S —— 变压器铁心截面积(cm 2)；

B —— 磁感应强度，与硬磁材料有关(T)； N —— 绕组匝数； F —— 工作频率(Hz)。

当U 一定，硬磁材料确定后，B 也一定。因此上式稍加整理后可表述为 S × N ＝

f

K

（K 为常数） (1-6) 由此可知，一旦变压器输入、输出电压以及硬磁材料确定后，铁心截面积与绕组匝数的乘积与工作频率成反比，也就是说逆变开关频率越大，则中频变压器的体积越小，重量越轻。当逆变工作频率提高400～600倍时，相应中频变压器和输出电抗器的体积、重量也大大减小。

（2）高效节能

逆变焊接电源由于工作频率提高使中频变压器和输出电抗器的体积、重量大大减小，相应它们的铜损、铁损随之减小。而且采用开关控制比模拟控制功率损耗小。 （3）调节速度快

在以往传统的焊接电源中，工作频率受电网的制约，均为50Hz 或倍频100Hz 。其控制周期为20 ms 或10ms ，而在20kHz 的逆变焊接电源中控制周期缩短为50us ，这就可以使整机有很高的调节速度和很快的动态响应。

（4）电源动特性及焊接工艺性好

在电弧焊接过程中，引弧、电极熔化、金属过渡等都是高速度的物理过程。而逆变弧焊电源具有快速的动态响应，通过对该种电源的动态特性（如瞬时电流上升速率及波形等）的预先设定，能有效地改善各种电弧焊物理现象。如有资料表明，用逆变弧焊电源的引弧一次成功率达90％以上，而一般电源时仅70％左右。在飞溅量控制方面，逆变弧焊电源为一般电源的一半左右（MAG 焊）。故逆变弧焊电源具有良好的焊接工艺性。

（5）对元器件性能要求高、电路复杂

逆变弧焊电源工作频率高，内部电流换向快，变化剧烈，工作条件严酷，要求元器件质量好、性能高，同时还需要许多的保护电路，使电路进一步复杂化。

三．CO 2焊表面张力过渡焊电源

CO 2焊是一种应用非常广泛的焊接方法，为了解决CO 2焊接短路过渡时存在的飞溅大、成形差的问题，美国林肯公司研制了CO 2焊表面张力过渡焊接电源（surface tension transfer ，简称STT ），采用一种较复杂的电流、电压波形控制，以克服CO 2焊存在的上述不足，取得极大的了成功。图1-18就是控制方法的CO 2焊短路过渡电流、电压波形图。

在引燃电弧的初期，电源输出较大的电流，以提高焊丝的熔化速度、增加熔深。当电弧在较大电流下燃烧一定时间后，逐渐将焊接电流减小，降低焊丝的熔化速度，避免由于焊丝端部的熔化金属太多而产生飞溅。随着焊丝的等速送进，当熔滴与熔池金属接触而短路时，迅速将焊接电流降到一个很小值，以保证使熔滴稳定地与熔池金属短路，避免大电流瞬间短

路造成飞溅。当熔滴稳定地短路后，电源再输出一个较大的电流，以提高短路前期的电磁收缩力，促使液柱尽快形成缩颈，减少短路时间。在产生缩颈并达到临界尺寸时，焊机再迅速将输出电流降低，此时主要依靠熔池的表面张力将液体小桥拉断, 以实现无飞溅过渡。电弧重新引燃后再提高输出电流，以使焊丝迅速回烧。大电流也扩展了弧柱和斑点, 加大了电弧的加热范围, 使熔敷金属能铺展开, 有利于改善焊缝成形。之后进人下一个熔滴过渡周期。其主要特点是完成一个熔滴过渡的力主要是表面张力,这也是STT这一技术名称的由来。STT 技术与以往的CO2 焊接技术的区别在于:它能根据短路小桥和缩颈小桥的状态改变电流,精

确供给电弧能量,而通常的CO2 焊接的电弧状态和能量供给没有很好地对应,电弧能量供给

并不精确,从而产生了大量飞溅。

图1-18 STT电流、电压波形图

由图可见, 表面张力过渡的每一周期中, 分别在熔滴与熔池接触短路之后和缩颈即将

断裂前夕输出谷值焊接电流、电压, 以大幅度减小该两次极小导电截面形成时液桥上的产热；还分别在短路液桥形成和缩颈完全断裂之后立刻输出电流、电压脉冲峰值。每一周期输出两个谷值、两个峰值电流和电压，是表面张力过渡波形的基本特征。

这种方法对判断短路、小桥断裂时间的难度较大，控制参数较多又要求实时快速控制。因此，STT电源主电路采用了逆变频率为20 kHz 的逆变电路, 利用其动态响应快的特点，并附加了一些快速检测电路及单片机控制系统, 使电源在整个焊接过程中实现了这种复杂

而精细的波形控制。可见新型高档焊机向微机控制及智能化方向发展是必然趋势。

四．数字化弧焊电源

随着计算机技术、数字化技术的快速发展，促进了数字化弧焊电源的问世。由于数字化弧焊电源具有众多显著的特点，因此得到了广大焊接工作者的高度重视，将成为今后弧焊电源的发展方向。

1．数字化弧焊电源的概念

数字化就是按照一定的规则，把连续变的模拟量，变化成离散的、用0/1编码的数字量。

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采用数字电路、数值计算对数字信号进行处理，对被控对象进行控制的技术为数字控制 技术，相应的系统称为数字控制系统。

在数字化弧焊电源中，用数字控制技术代替了模拟控制技术，用数字信号处理代替了模拟信号处理，用数字电路以及软件程序控制代替了模拟电路控制。

数字化弧焊电源的核心是数字控制系统。目前弧焊电源数字控制系统的核心大多是微控 制器(MCU)或数字信号处理器(Digital Signal Processor ，简称DSP)。在弧焊电源控制系统中应用的MCU 是单片机。单片机具有较强的事件处理和管理能力。单片机控制技术引领弧焊电源走入了数字化的最初阶段。DSP 是一种新型的、结构经过优化的数字信号处理器，数据处理能力较强。在高速实时应用的场合，DSP 更能满足大量、快速运算的需要。DSP 控制技术极大地推动了数字化弧焊电源的发展，是目前弧焊电源数字化中的核心技术。

由于单片机与DSP 具有不同的特点，因此许多数字化弧焊电源采用了单片机(MCU)和 DSP 双处理器系统。该系统充分利用了单片机和DSP 的特点，对弧焊电源进行数字化、智 能化控制。

2．数字化弧焊电源的基本结构

图1-19是一种数字化弧焊电源系统的结构框图。

该电源的主电路采用逆变电路，逆变电路的功率元件工作于开关状态，本身具备数字化特征。而数字化控制系统采用了单片机和DSP 双数字处理器。在弧焊电源数字控制中，

利用传感器进行电流、电压信号的采样，并将电流、电压反馈信号直接输入DSP ，通过DSP 内部的A ／D 转换器，将电流、电压反馈的模拟信号转变为数字信号；电流、电压的给定信号以数字量的形式，由控制面板输入到单片机，经过单片机处理传送给DSP ；DSP 根据电流、电压给定值与反馈值，基于一定的数字控制规则和算法进行运算，产生PWM 脉冲序列；DSP 输出的PWM 信号通过驱动电路，控制弧焊电源逆变电路功率开关器件的通断，得到电源的输出电压和电流。如果是熔化极弧焊电源，DSP 还将输出PWM 信号，通过驱动电路控制送丝机的送丝速度。

数字化弧焊电源系统中具有较强的通信能力，不仅可以完成单片机与DSP 之间的通信，而且通过。RS232接口可以实现外部微机与单片机、DSP 的通信，从而可以非常方便地实施网络化管理与软件控制程序的升级。

图1-19 数字化弧焊电源系统结构框图

由此可见，数字化弧焊电源不但采用了数字控制技术，而且应用了系统总线技术、网络技术。弧焊电源已不再是单纯的焊接能量提供源，而是具有数字操作系统平台、送丝驱动外设接口以及远程网络监控、生产质量管理等功能的弧焊电源系统。

3．数字化弧焊电源的特点

1)柔性化控制和多功能集成。模拟控制系统的控制功能是由硬件电路结构及其参数所决定的，电路一旦确定就很难改变。数字控制系统的控制功能是在基本硬件电路的基础上，通过软件编程来实现的。也就是同一套硬件电路，通过改变控制软件程序，可以实现不同的控制。对于不同的焊接工艺方法和不同的焊丝材料、直径，可以通过修改软件程序，选用不同的控制策略和控制参数，以适应不同焊接情况，满足各种焊接要求，确保焊接质量。可见，数字化弧焊电源实现了柔性控制和多功能集成。

数字化弧焊电源的柔性控制还表现在控制程序的升级与网络管理及远程监控的功能上。

2)具有更强的稳定性和一致性。在模拟控制系统中，信号的处理是通过电子电路进行的；信号处理参数是通过电阻、电容参数的选择来确定的。由于电阻、电容等电子元器件参数的偏差、漂移，必然导致控制系统参数的变化，因此模拟控制系统的稳定性差，产品的一致性难以保证。在数字控制系统中，因为信号的处理或控制算法的实施是通过软件程序完成的，所以其稳定性好，产品的一致性也容易得到保证。

3)控制精度高。模拟控制的精度一般由电子元器件参数值引起的误差和运算放大器非理想特性参数引起的误差所决定。此外，模拟控制往往采用多级处理，其误差积累和噪声的逐级放大，因此模拟控制系统的总体误差较大。由于数字控制的精度仅仅与模—数转换的量化误差，以及系统的有限字长有关，因此数字化控制可以获得较高的控制精度。

4)接口兼容性好，并可以实现网络监控。由于数字化弧焊电源采用了单片机和DSP等微处理器、微控制器，因此PC机与数字化焊机、数字化焊机与机器人以及数字化焊机内部的电源与送丝机、电源与水冷装置、电源与焊枪之间的通信接口就可以非常方便地交换信息。

网络监控可以把成套专用焊接设备运行状态的诸多参数实时输入到PC机中，通过网关和路由器把PC机接入Internet网。为该PC机申请一个IP地址，就可以通过Internet网，实现焊接设备运行状态的远程实时监控。

5)操作性好。数字化焊接电源往往具有人机交互系统。该系统是人机最直接的操作界面，是操作者向数字控制系统输人信息、发出指令及观察现场参数和信息的窗口，具有友好性、灵活性、功能性、明确性、一致性、可靠性等特点。数字化焊接电源利用单片机和DSP，在引入专家系统等智能控制技术的基础上，可以实现焊接参数的一元化调节，实现弧焊电源的“傻瓜式”操作，极大的方便了操作者。

6)通用性强，便于升级。弧焊电源的数字化控制系统包括硬件电路系统和软件程序系统。电源的硬件电路系统可以实现模块化和标准化；软件程序系统可以实现平台化、标准化、模块化。同一类型的焊机，功能的改进可以只通过软件设计来实现，对现今技术更新特别快的时代，可以大大提高焊机的使用寿命和应用范围。

虽然数字化弧焊电源与传统的模拟控制弧焊电源相比，具有无可争议的优势。但是，处理速度慢是当前数字化弧焊电源的主要缺点。因此，在弧焊电源数字化中，除合理地选择控制芯片和进行整体设计外，采用合理的控制策略和算法，编写合理的软件程序也是非常重要的。

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第二章焊缝自动跟踪

在焊接生产中由于工件的加工、安装误差、焊接过程的热变形等多种原因，有可能造成电弧偏离接缝中心，使焊缝出现未焊透等缺陷。另外有相当部分待焊工件接缝的轨迹即为二维或三维曲线。以上两种情况都需通过焊缝自动跟踪予以解决。因此，焊缝自动跟踪是提高焊接质量、实现焊接自动化的前提。随着焊接自动化技术的发展，焊缝自动跟踪显得越来越重要。从压力容器和管道的焊接生产到高科技代表弧焊机器人都对焊缝自动跟踪技术有很迫切的要求。目前，焊缝的实时自动跟踪已成为国内外焊接界非常重视的课题。

跟踪系统中传感器是关键，要求能准确检测出接缝中心线的位置，以便实时地对出现的偏差进行调整，实现实跟踪。随着科学技术特别是微电子学的迅速发展，现已研制出多种类型的跟踪传感器。其工作原理一般是利用光、声、电磁、热、机械等各种物理量的变化，产生所需要的、能反映偏差的电信号作为特征信号。

跟踪传感器可按多种方法进行分类，一种常见的分类方法如图2-1所示。

图2-1 跟踪传感分类

直接式，即直接利用电弧本身特征为信号的传感介质。间接式，即不利用电弧本身信号，而利用电弧以外的特征信号的传感器。按传感器安放的位置分为置于电弧的前方和置于电弧的侧面。机械接触式是指触杆与工件接触，触点即为检测点。非机械接触式是指传感器不与工件接触。

按信号的转换原理分为：机械式及机械—电子式传感器、电磁感应式传感器、电容式传感器、气动式传感器、光学(包括激光、红外线)式传感器、电弧式传感器。

一般情况下，焊缝自动跟踪传感器所检测到的标志点与要控制的电弧中心点之间有一定的距离。这一距离将带来附加的跟踪误差。只有电弧式传感器的检测点就是电弧中心点，因而没有附加的跟踪误差。

不同的传感器，其特点、工作原理、应用范围各不相同。跟踪系统中所采用不同的传感器也就决定了不同的跟踪方法。

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