交流鎢極氬弧焊的逆變控制

1、交流（AC）鎢極氬弧焊（GTAW）的逆變技術(shù)歷來被認(rèn)為是昂貴、復(fù)雜、甚至是有問題的。而隨著近來開關(guān)裝置、芯片以及鎢技術(shù)的最新發(fā)展已經(jīng)1改變了這一狀況，它們使交流氬弧焊中逆變技術(shù)的應(yīng)用更加便宜和方便，并使交流鎢極氬弧焊工藝能為從一般焊工到各種大小的制造車間等各個領(lǐng)域用2戶提供高科技的焊接解決方案。圖1逆變電源使焊接頻率上升至200Hz，能對交流波形進(jìn)行更好的控制。隨著頻率的增加，電弧弧柱變得更加集中3，使焊工能夠焊接更細(xì)小的焊縫。更集中的電弧也使電弧半波清理更加集中，氧化物腐蝕區(qū)更窄。交流技術(shù)的早期發(fā)展為了更好地認(rèn)識逆變器及其優(yōu)點(diǎn)4，有必要了解一下交流鎢極氬弧焊最初的發(fā)展。40年代初，人們發(fā)現(xiàn)交

2、流極性反接能夠去除掉鋁及鋁合金表面致密難熔的氧化層，更容易進(jìn)行焊接。5交流氬弧焊采用單相變壓技術(shù)，電源輸出60Hz正弦波，產(chǎn)生適合于工藝的電唬它由一個笨重的變壓器提供電源和一個同樣笨重的磁放大器進(jìn)行輸出6控制。但使用交流正弦波電源的缺點(diǎn)是電流改變極性時長時間處于低電流。因此需要額外的高頻（HF）在電流極性改變時重新點(diǎn)燃電唬如果沒有重新7點(diǎn)燃電弧，通常在電極的正半周期上會發(fā)生整流現(xiàn)象，失去電弧的清理作用。交流氬弧焊焊接過程中，也必須時刻保持極性平衡，確保電極對鋁及鋁合8金表面充分清理。但平衡的電極又會在鎢電極端部形成熔融小球，導(dǎo)致電弧變寬。有時整流也會導(dǎo)致鎢爆出一小塊熔融金屬到熔池中，造成二次損

3、害。9另外，磁性元件本身的電氣特性也會造成正弦波的進(jìn)一步變形失真（劣化），破壞焊接工藝的完美。很明顯，正弦波方式并不是解決方案，當(dāng)電流反向10時使用快速開關(guān)或許是一個更好的解決方法。方波時代（產(chǎn)生于20世紀(jì)70年代以后）引入了快速開關(guān)，有助于減輕許多平衡和電弧問題，但焊機(jī)仍11然十分笨重和費(fèi)電。更好的頻率和平衡方波技術(shù)比正弦波技術(shù)的極性平衡控制更好，但該技術(shù)局限于75直流負(fù)極（DCEN）和25的直流正極12（DCEP），DCEP半波時間過少,減少了鎢電極的整體加熱。因此人們需要快速開關(guān)和更有效更輕巧的技術(shù)支持，這迎來了逆變技術(shù)的時代。逆13變電源使焊接頻率上升至200Hz，如圖1所示。頻率的增

4、加不僅使交流波形得到更好的控制，而且使電弧弧柱變得更加集中，使焊工能夠焊接更細(xì)14小的焊縫。更集中的電弧也使電弧半波清理更加集中，氧化物腐蝕區(qū)更窄。除了電源的電弧更加集中外，其脈沖產(chǎn)生的能力也大大增強(qiáng)。逆變電源的設(shè)15計引入了先進(jìn)的電子設(shè)備，這些電子設(shè)備能夠提高平衡控制，平衡調(diào)節(jié)最高可達(dá)90DCEN和10DCEP。平衡控制能力的增加對電弧控制更16強(qiáng)。高于75的DCEN減小了電極過熱風(fēng)險。這使焊工能夠使用和保持較尖的電極。尖電極具有更集中的電弧，能不改變電極類型就方便地從交流17切換到直流。逆變技術(shù)中所使用的先進(jìn)電子設(shè)備還能提供更穩(wěn)定的電弧而不需要連續(xù)的高頻。在這些系統(tǒng)中，高頻只是用于引燃電弧

5、，然后在焊接持續(xù)18時間會被關(guān)閉。這減少了機(jī)器與功率源附近其他電子設(shè)備間的電磁干擾。先進(jìn)的電子設(shè)備、增強(qiáng)的平衡控制和頻率直接影響到整個焊縫性能，它們的組19合具有更大優(yōu)勢。并且更高的平衡控制和頻率在現(xiàn)代逆變系統(tǒng)中允許焊工將傳統(tǒng)的方波電弧調(diào)整成交流集中電弧，其電弧特性幾乎與直流電弧特性相媲20美，如圖2所示。它還有助于焊工保持穩(wěn)定、集中電弧，焊接一些老式設(shè)備不能焊接的極孝質(zhì)量極高的焊縫。卓越的解決方案現(xiàn)代逆變焊接系統(tǒng)還具有21以下幾個方面的優(yōu)點(diǎn)：鎢電極選擇：變頻技術(shù)還具有在交流焊接中使用削尖的鎢電極的好處，以及無需更換鎢電極就能在交流和直流來回切換的優(yōu)點(diǎn)。22應(yīng)該用什么鎢電極？傳統(tǒng)焊接中會建議焊

6、工選用純鎢（綠色）用于交流，選用釷鎢（紅色）用于直流。而變頻技術(shù)可以不必再使用兩種不同類型的鎢電23極。事實(shí)上，逆變電源也迎來了鎢的新時代，新型稀土元素如鑭鈰鎢合金的應(yīng)用，如圖3所示。其他特殊合金也被加入到鎢源列表。有了這些新型鎢電24極，焊工可以使用相同的鎢電極進(jìn)行交流或直流焊接。這使用戶只采用單一類型的鎢電極進(jìn)行焊接，降低操作成本，也避免了分不清哪種鎢電極用于交25流或哪種鎢電極用于直流的迷惑。節(jié)約能源：逆變器優(yōu)越的電弧控制功能雖然已經(jīng)是更換老式設(shè)備開關(guān)的充足理由，但逆變焊機(jī)本身還具備更多優(yōu)勢。26相較于老式焊機(jī),逆變器更加節(jié)能，通常它只消耗老式系統(tǒng)輸入電流的一半，這大大節(jié)省的電費(fèi)，直接降

7、低了操作成本，提高了用戶的投資回報率。較27低的功耗也使這些設(shè)備適合于一些沒有大電流服務(wù)設(shè)施的小作坊。輸入電流較小的商店或作坊可用電流通常為50A。而老式焊機(jī)平均電流輸入為10280A，不適合于這樣的工作環(huán)境。同樣額定輸入的新式逆變焊機(jī)牽引電流約40A,非常適合于這些場合。此外，對于野外作業(yè)，逆變焊機(jī)可以使用比29傳統(tǒng)焊接設(shè)備更小的發(fā)電機(jī)進(jìn)行工作。能夠運(yùn)行三相電源：在引進(jìn)變頻技術(shù)前，交流鎢極氬弧焊需要使用單相電源。在多數(shù)工業(yè)應(yīng)用中都使用三相電源30。大的單相負(fù)載容易導(dǎo)致三相供電線路的線電流不平衡，降低供電效率，干擾敏感的設(shè)備的操作。購置成本低：雖然許多工廠都認(rèn)為逆變焊接系統(tǒng)配置31了高端電子設(shè)

8、備和高速轉(zhuǎn)換開關(guān)，必定售價也更高，但實(shí)際情況正好相反。通常，變壓器是由銅和鐵組成的。變壓器越大，價格就越高。逆變器所采用32的變壓器通常只有傳統(tǒng)焊機(jī)重量的六分之一。變壓器顯著減小，這樣應(yīng)用在逆變焊接系統(tǒng)中，逆變焊機(jī)的制造成本大大降低了。這反過來又使逆變設(shè)備33比傳統(tǒng)制造的焊機(jī)更便宜，成本效益更高。便攜性提高：逆變系統(tǒng)上使用更小的變壓器降低了整機(jī)重量，減小了整機(jī)尺寸，從而提高了系統(tǒng)的便攜性。34機(jī)器占地面積減小，節(jié)約了地面空間，使焊接單元更易于運(yùn)輸?shù)揭巴庾鳂I(yè)。程序存儲增強(qiáng)：現(xiàn)代化的逆變焊機(jī)還具備增強(qiáng)的程序存貯功能，一些系統(tǒng)能35提供多達(dá)60個參數(shù)集。內(nèi)置程序存儲減少了操作員的外部輸入，確保快速、一致的參數(shù)設(shè)置和精確的工藝條件設(shè)定，不管焊工的技術(shù)水平如何，都能36達(dá)到可重復(fù)的焊接質(zhì)量，提高了焊接生產(chǎn)效率。更改規(guī)則現(xiàn)代逆變焊接系統(tǒng)正在改變傳統(tǒng)交流鎢極氬弧焊的工作規(guī)則，交流電弧控制能力更好，可編程37性更強(qiáng)，電極使用壽命更長，同時比舊的焊接系統(tǒng)操作更簡便。逆變技術(shù)突出了焊工控