文/李宇翔（安徽工業(yè)大學(xué)工商學(xué)院）

焊接作為一種制造技術(shù)應(yīng)用極廣?；『鸽娫词且环N可以達(dá)到弧焊工藝所需特性并且能夠輸出相應(yīng)電壓、電流的設(shè)備，是電焊接技術(shù)中最為重要的部分，它為焊機(jī)提供能量，是焊機(jī)的核心部件?；『鸽娫锤鶕?jù)其特性分為交流弧焊電源、直流弧焊電源、脈沖弧焊電源和逆變式弧焊電源，見圖1。在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了各種焊接技術(shù)，其中最新的是CMT 技術(shù)，這是現(xiàn)代弧焊電源數(shù)字化的最好體現(xiàn)。

一、交流弧焊電源

矩形波交流弧焊電源和弧焊變壓器是比較常見的交流弧焊電源，其中弧焊變壓器應(yīng)用最為廣泛。

1.矩形波交流弧焊電源

矩形波交流弧焊電源是通過內(nèi)置的半導(dǎo)體調(diào)控獲得矩形波交流電流，它的優(yōu)點(diǎn)在于具有良好的穩(wěn)定性，功率因數(shù)相對(duì)較高，擁有大量的可調(diào)參數(shù)，常用于交流鎢極氬弧焊（TIG）和埋弧焊中，在某些特定的時(shí)候可以取代直流弧焊電源，在堿性焊條電弧焊中使用[1]。

2.弧焊變壓器

弧焊變壓器通常由主變壓器、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和指示裝置三部分構(gòu)成，主要作用是將網(wǎng)壓降壓轉(zhuǎn)換為可施用于焊機(jī)的低壓交流電。它結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，成本低廉，效率高。但由于電流波形是正弦波，輸出的外特性呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，電弧不夠穩(wěn)定，功率因數(shù)較低。但一般不發(fā)生磁偏吹現(xiàn)象，非滿載時(shí)的損耗相較其他電源較小，在焊條電弧焊、埋弧焊等焊接方法中應(yīng)用廣泛。

弧焊變壓器分為串聯(lián)電抗器式弧焊變壓器和增強(qiáng)磁漏式弧焊變壓器。

串聯(lián)電抗器式弧焊變壓器的核心部分是變壓器和電抗器，使用磁漏正常的普通降壓變壓器充當(dāng)變壓器，可將網(wǎng)壓降為可以使用的空載電壓，利用串聯(lián)的電抗器可以得到下降的外特性?？梢约?xì)分為分體式弧焊變壓器和同體式弧焊變壓器，單站或多站交流電源一般采用分體式，大、中型容量的電源一般采用同體式。

圖1 弧焊電源的分類

增強(qiáng)磁漏式弧焊變壓器因?yàn)槿藶樵鰪?qiáng)了漏抗，無需串聯(lián)電抗器。根據(jù)磁漏的增大方法細(xì)分為動(dòng)鐵心式和動(dòng)線圈式。動(dòng)鐵心式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，一般做成中、小容量的產(chǎn)品；動(dòng)線圈式由于鐵心最大高度的限制，電流調(diào)節(jié)受到了一定的局限，只能制成中等容量的產(chǎn)品，在操作上不如動(dòng)鐵心式的方便。

二、直流弧焊電源

直流弧焊電源分為直流弧焊發(fā)電機(jī)和弧焊整流器。

1.直流弧焊發(fā)電機(jī)

通常由特殊直流發(fā)電機(jī)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩大部分構(gòu)成。直流弧焊發(fā)電機(jī)有很明顯的磁偏吹現(xiàn)象，空載時(shí)損耗大，效率低，造價(jià)高。但是由于其有很強(qiáng)的過載能力，輸出脈動(dòng)小，適用于各種焊接方法，特別是在野外沒有供電的場(chǎng)所，可以用柴油機(jī)或者汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)，所以現(xiàn)在仍有應(yīng)用。

2.弧焊整流器

其作用在于將輸入的交流電降壓整流后輸出所需的直流電。主要由主變壓器、半導(dǎo)體整流元件、外特性調(diào)節(jié)裝置構(gòu)成，所獲得的外特性一般是平的或者下降的。與直流弧焊發(fā)電機(jī)相比，其生產(chǎn)較容易、空載時(shí)的損耗較小，價(jià)格和噪音都很低?；『刚髌饔凶晕已a(bǔ)償功能，可以將網(wǎng)壓不穩(wěn)定產(chǎn)生的影響降至最小，不足之處是會(huì)發(fā)生磁偏吹現(xiàn)象。可用于目前各種弧焊方法的電源，一般分為無電抗器式和有電抗器式兩類。

三、脈沖弧焊電源

脈沖弧焊電源輸出的電流是以脈沖的方式呈現(xiàn)周期性變化的，焊接電流由脈沖電流和基本電流兩種電流構(gòu)成。在脈沖電流休止期間內(nèi)，基本電流能夠保持電弧穩(wěn)定燃燒，還能發(fā)揮一定的預(yù)熱作用，可以為熔滴過渡與熔池形成作準(zhǔn)備。熔滴過渡和熔池形狀主要是由脈沖電流來決定的。脈沖電流和基本電流可以通過兩個(gè)各不相同的電源提供，也可以用一個(gè)電源提供幅值大小呈交替變化的電流。

脈沖弧焊電源輸出的電流與普通焊接電流相比有如下優(yōu)點(diǎn)：由于脈沖電弧不停地在峰值與基值間變化，在基本電流時(shí)的電弧挺度較差，但在脈沖電流時(shí)這種不穩(wěn)定的狀況會(huì)立刻改變，尤其在脈沖頻率增大時(shí)特別顯著，所以可以獲得良好的電弧穩(wěn)定性；脈沖電流呈周期性變化，基本電流比較小，對(duì)母材的熱輸入量減少，與其他焊接電弧相比，全部焊接過程中熱輸入量大大減小；焊接時(shí)，電流在基本電流和脈沖電流間的變換導(dǎo)致電弧壓力的變化，在焊接熔池中起到了攪拌作用。

四、逆變式弧焊電源

逆變式弧焊電源與弧焊整流器恰好相反，它是將輸入的直流電轉(zhuǎn)換為所需的交流電輸出，擁有十分良好的電氣特性，并且節(jié)能高效，體積相較其他比較小巧，能夠一機(jī)多用。通常來說按不同的大功率開關(guān)器件可分為晶閘管（SCR）式、晶體管（GTR）式、場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）式、IGBT式。

逆變式弧焊電源特點(diǎn)：一是體積小，重量輕。普通弧焊電源變壓器和電抗器占據(jù)大量空間，重量占到總重量的近八成，而逆變式弧焊電源并不需要大橫截面的鐵心和多匝線圈，所以重量和體積都大大減小了。二是節(jié)能高效。因?yàn)闆]有過于龐大的變壓器和電抗器，鐵心磁損耗和導(dǎo)線耗能都有所減小，且由于通電周期短，逆變頻率增高，變壓器的勵(lì)磁電流也隨之減小，所以其具有節(jié)能高效的特點(diǎn)。三是控制靈活，動(dòng)特性好。逆變式弧焊電源是通過電子電路來調(diào)控外特性和動(dòng)特性的，使得其調(diào)節(jié)十分靈活，能夠輕易在一臺(tái)電源上輸出多種特性的電流，即使焊接過程當(dāng)中也能根據(jù)需求隨時(shí)切換。四是電路相對(duì)復(fù)雜，元器件特性要求較高。因?yàn)槟孀兤鹘蛔冸娏黝l率高，集膚效應(yīng)強(qiáng)烈，所以對(duì)變壓器的磁性材料及形狀、導(dǎo)線材料、繞組繞制方法都有相應(yīng)的要求。

五、CMT技術(shù)

CMT 全稱cold metal transfer，即冷金屬過渡技術(shù)，是由奧地利伏能士（fronius）公司開發(fā)的一種新型低熱量輸入的焊接工藝方法，最早源于對(duì)鋼和鋁異種材料的焊接，后來又開發(fā)出無飛濺引弧技術(shù)，最終形成了現(xiàn)在的可適用于各種材料的焊接的CMT 技術(shù)。由于其具有低熱量輸入的特點(diǎn)，在各領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。

1.CMT技術(shù)的原理

CMT 技術(shù)其本質(zhì)是一種熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊接技術(shù)，CMT 技術(shù)將焊接過程中的熔滴過渡與送絲運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了數(shù)字化的處理，使其有機(jī)地聯(lián)系起來，從而達(dá)到了低熱量輸入的目的，這就是其被稱為冷金屬過渡技術(shù)的原因。

在焊接過程中，焊絲向熔池運(yùn)動(dòng)，當(dāng)焊絲接觸到熔池時(shí)，監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)就會(huì)收到短路信號(hào)，這一信號(hào)就會(huì)被反饋給送絲機(jī)構(gòu)，送絲機(jī)構(gòu)隨即回抽焊絲，頻率可高達(dá)70 次/s。在這樣的情況下熔滴會(huì)與焊絲分離進(jìn)入熔池，實(shí)現(xiàn)在無電流的狀態(tài)下的熔滴過渡，見圖2。而傳統(tǒng)焊接方法的熔滴過渡，熔滴與熔池接觸時(shí)短路，然后短路橋爆破，同時(shí)伴有大的電流、產(chǎn)生極高的熱量輸入，造成飛濺與焊接的變形。CMT 技術(shù)就利用人為的控制的“熱—冷—熱”交替循環(huán)實(shí)現(xiàn)了無飛濺和低熱量輸入等優(yōu)點(diǎn)[2]。

2.CMT技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用

CMT 技術(shù)因?yàn)槠鋬?yōu)越性應(yīng)用廣泛，幾乎可以適用于所有的已知材料，在電子元器件、汽車制造、航空航天、橋梁等領(lǐng)域都發(fā)揮了重要的作用。伏能士（fronius）公司的CMT 外部根焊管焊工藝因其優(yōu)秀的特性被選為西氣東輸?shù)膫溥x工藝。

熱量輸入低，可實(shí)現(xiàn)薄板焊接。在傳統(tǒng)焊接工藝中，薄板焊接一直是難點(diǎn)所在，因?yàn)榇鬅崃枯斎霕O易導(dǎo)致熔穿和焊接的變形，而CMT 的低熱量輸出很好地解決了這一問題。

無飛濺，有利于釬焊的進(jìn)行。因?yàn)槠淙鄣芜^渡的方式有別于傳統(tǒng)的焊接工藝，使之適用于各種位置的焊接。比傳統(tǒng)釬焊效率更高、應(yīng)用更廣泛。

圖2 CMT 熔滴過渡示意圖

適用于異種金屬焊接。特別在汽車行業(yè)中，由于對(duì)輕量化的要求，越來越多使用鋼與鋁這樣異種金屬的結(jié)合，但是鋼與鋁的熔點(diǎn)差異大，焊接時(shí)會(huì)生成脆性的金屬間化合物，嚴(yán)重影響了焊接接頭的性能。此時(shí)采用CMT 技術(shù)可以保證焊接接頭擁有良好的力學(xué)性能[3]。

六、結(jié)語

隨著時(shí)代的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，對(duì)加工制造技術(shù)提出更高的要求，而焊接恰恰是其中的重要一環(huán)，未來焊接技術(shù)必將有新的發(fā)展。而作為核心的弧焊電源，更是其中的重中之重，將來焊接的發(fā)展必然離不開弧焊電源的發(fā)展與更新。CMT 技術(shù)就是基于弧焊電源的數(shù)字化所實(shí)現(xiàn)的，目前已在異種材料焊接上大放異彩，未來前景一定會(huì)更好。