淺談傳統弧焊電源的分類應用與CMT技術

文/李宇翔（安徽工業大學工商學院）

焊接作為一種制造技術應用極廣。弧焊電源是一種可以達到弧焊工藝所需特性并且能夠輸出相應電壓、電流的設備，是電焊接技術中最為重要的部分，它為焊機提供能量，是焊機的核心部件。弧焊電源根據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。在此基礎上發展出了各種焊接技術，其中最新的是CMT 技術，這是現代弧焊電源數字化的最好體現。

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置的半導體調控獲得矩形波交流電流，它的優點在于具有良好的穩定性，功率因數相對較高，擁有大量的可調參數，常用于交流鎢極氬弧焊（TIG）和埋弧焊中，在某些特定的時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、調節機構和指示裝置三部分構成，主要作用是將網壓降壓轉換為可施用于焊機的低壓交流電。它結構較簡單，成本低廉，效率高。但由于電流波形是正弦波，輸出的外特性呈現下降趨勢，電弧不夠穩定，功率因數較低。但一般不發生磁偏吹現象，非滿載時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用廣泛。

弧焊變壓器分為串聯電抗器式弧焊變壓器和增強磁漏式弧焊變壓器。

串聯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變壓器，可將網壓降為可以使用的空載電壓，利用串聯的電抗器可以得到下降的外特性。可以細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

增強磁漏式弧焊變壓器因為人為增強了漏抗，無需串聯電抗器。根據磁漏的增大方法細分為動鐵心式和動線圈式。動鐵心式結構簡單、使用方便，一般做成中、小容量的產品；動線圈式由于鐵心最大高度的限制，電流調節受到了一定的局限，只能制成中等容量的產品，在操作上不如動鐵心式的方便。

二、直流弧焊電源

直流弧焊電源分為直流弧焊發電機和弧焊整流器。

1.直流弧焊發電機

通常由特殊直流發電機和調節機構兩大部分構成。直流弧焊發電機有很明顯的磁偏吹現象，空載時損耗大，效率低，造價高。但是由于其有很強的過載能力，輸出脈動小，適用于各種焊接方法，特別是在野外沒有供電的場所，可以用柴油機或者汽油機驅動，所以現在仍有應用。

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、半導體整流元件、外特性調節裝置構成，所獲得的外特性一般是平的或者下降的。與直流弧焊發電機相比，其生產較容易、空載時的損耗較小，價格和噪音都很低。弧焊整流器有自我補償功能，可以將網壓不穩定產生的影響降至最小，不足之處是會發生磁偏吹現象。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成。在脈沖電流休止期間內，基本電流能夠保持電弧穩定燃燒，還能發揮一定的預熱作用，可以為熔滴過渡與熔池形成作準備。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各不相同的電源提供，也可以用一個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點：由于脈沖電弧不停地在峰值與基值間變化，在基本電流時的電弧挺度較差，但在脈沖電流時這種不穩定的狀況會立刻改變，尤其在脈沖頻率增大時特別顯著，所以可以獲得良好的電弧穩定性；脈沖電流呈周期性變化，基本電流比較小，對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，電流在基本電流和脈沖電流間的變換導致電弧壓力的變化，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換為所需的交流電輸出，擁有十分良好的電氣特性，并且節能高效，體積相較其他比較小巧，能夠一機多用。通常來說按不同的大功率開關器件可分為晶閘管（SCR）式、晶體管（GTR）式、場效應管（MOSFET）式、IGBT式。

逆變式弧焊電源特點：一是體積小，重量輕。普通弧焊電源變壓器和電抗器占據大量空間，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。二是節能高效。因為沒有過于龐大的變壓器和電抗器，鐵心磁損耗和導線耗能都有所減小，且由于通電周期短，逆變頻率增高，變壓器的勵磁電流也隨之減小，所以其具有節能高效的特點。三是控制靈活，動特性好。逆變式弧焊電源是通過電子電路來調控外特性和動特性的，使得其調節十分靈活，能夠輕易在一臺電源上輸出多種特性的電流，即使焊接過程當中也能根據需求隨時切換。四是電路相對復雜，元器件特性要求較高。因為逆變器交變電流頻率高，集膚效應強烈，所以對變壓器的磁性材料及形狀、導線材料、繞組繞制方法都有相應的要求。

五、CMT技術

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

1.CMT技術的原理

CMT 技術其本質是一種熔化極惰性氣體保護電弧焊接技術，CMT 技術將焊接過程中的熔滴過渡與送絲運動進行了數字化的處理，使其有機地聯系起來，從而達到了低熱量輸入的目的，這就是其被稱為冷金屬過渡技術的原因。

在焊接過程中，焊絲向熔池運動，當焊絲接觸到熔池時，監測機構就會收到短路信號，這一信號就會被反饋給送絲機構，送絲機構隨即回抽焊絲，頻率可高達70 次/s。在這樣的情況下熔滴會與焊絲分離進入熔池，實現在無電流的狀態下的熔滴過渡，見圖2。而傳統焊接方法的熔滴過渡，熔滴與熔池接觸時短路，然后短路橋爆破，同時伴有大的電流、產生極高的熱量輸入，造成飛濺與焊接的變形。CMT 技術就利用人為的控制的“熱—冷—熱”交替循環實現了無飛濺和低熱量輸入等優點[2]。

2.CMT技術特點及應用

CMT 技術因為其優越性應用廣泛，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、橋梁等領域都發揮了重要的作用。伏能士（fronius）公司的CMT 外部根焊管焊工藝因其優秀的特性被選為西氣東輸的備選工藝。

熱量輸入低，可實現薄板焊接。在傳統焊接工藝中，薄板焊接一直是難點所在，因為大熱量輸入極易導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，有利于釬焊的進行。因為其熔滴過渡的方式有別于傳統的焊接工藝，使之適用于各種位置的焊接。比傳統釬焊效率更高、應用更廣泛。

圖2 CMT 熔滴過渡示意圖

適用于異種金屬焊接。特別在汽車行業中，由于對輕量化的要求，越來越多使用鋼與鋁這樣異種金屬的結合，但是鋼與鋁的熔點差異大，焊接時會生成脆性的金屬間化合物，嚴重影響了焊接接頭的性能。此時采用CMT 技術可以保證焊接接頭擁有良好的力學性能[3]。

六、結語

隨著時代的發展和社會的進步，對加工制造技術提出更高的要求，而焊接恰恰是其中的重要一環，未來焊接技術必將有新的發展。而作為核心的弧焊電源，更是其中的重中之重，將來焊接的發展必然離不開弧焊電源的發展與更新。CMT 技術就是基于弧焊電源的數字化所實現的，目前已在異種材料焊接上大放異彩，未來前景一定會更好。