逆變式電弧焊機(jī)的發(fā)展與展望

王振民 江東航 吳健文 朱澤廣 黃石生

摘要：逆變式電弧焊機(jī)克服了傳統(tǒng)電弧焊機(jī)功率密度低、控制性能差、能效低的缺陷，是電焊機(jī)發(fā)展的重要里程碑。近年來(lái)，逆變式電弧焊機(jī)在功率平臺(tái)、控制系統(tǒng)和工藝實(shí)現(xiàn)三個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了較大的創(chuàng)新與突破，已成為電弧焊機(jī)主流產(chǎn)品。簡(jiǎn)要介紹了逆變式電弧焊機(jī)的主電路功率變換、電源控制兩大關(guān)鍵技術(shù)的基本情況;重點(diǎn)探討逆變式電弧焊機(jī)在逆變主電路超高頻化、控制系統(tǒng)全數(shù)字化、焊接工藝綠色化方面的發(fā)展情況。指出簡(jiǎn)小靈敏、精準(zhǔn)智能、綠色高效將成為逆變式電弧焊機(jī)未來(lái)的主流發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：逆變式電弧焊機(jī);超高頻;全數(shù)字;綠色工藝

中圖分類號(hào)：TG434? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2020）09-0186-08

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.09.19

0? ? 前言

電弧焊機(jī)為弧焊過(guò)程提供能量，是整個(gè)弧焊系統(tǒng)最重要的組成部分，它的性能直接影響焊接質(zhì)量[1]。電弧焊機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了弧焊發(fā)電機(jī)、二極管整流式電弧焊機(jī)、斬波式焊機(jī)和逆變式電弧焊機(jī)四個(gè)階段[2]。得益于功率半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，逆變式電弧焊機(jī)正在經(jīng)歷從晶閘管式、晶體管式，到MOSFET、IGBT逆變式電弧焊機(jī)，再到第三代寬禁帶SiC MOSFET逆變式電弧焊機(jī)的發(fā)展過(guò)程[3-4]。逆變式電弧焊機(jī)是電焊機(jī)發(fā)展的重要里程碑，它克服了傳統(tǒng)電弧焊機(jī)功率密度低、控制性能差、能效低的缺陷，主要具有以下優(yōu)勢(shì)[5]：①逆變頻率更高，顯著減小焊機(jī)整體體積和質(zhì)量，輕便且高效;②易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，控制更精細(xì)，響應(yīng)速度更快，更易于獲得優(yōu)異的焊接工藝效果;③能量轉(zhuǎn)換效率高，銅損和鐵損顯著減少，且容易實(shí)現(xiàn)焊接能量與焊接工藝過(guò)程的匹配，提升工藝的綠色化效果。當(dāng)前，焊機(jī)逆變化已成為發(fā)展主流。

1 逆變式電弧焊機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)的晶閘管式逆變電源技術(shù)最初主要應(yīng)用于TIG和焊條電弧焊，經(jīng)過(guò)改進(jìn)之后開始廣泛應(yīng)用于CO2和MAG等焊接過(guò)程，開啟了電弧焊機(jī)逆變化的新時(shí)代[6]。主電路功率變換技術(shù)和電源控制技術(shù)是逆變式電弧焊機(jī)的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。為充分發(fā)揮逆變式電弧焊機(jī)的優(yōu)勢(shì)，后續(xù)大量研究也均緊緊圍繞這兩項(xiàng)技術(shù)展開。

1.1 主電路功率變換技術(shù)

逆變式電弧焊機(jī)的主電路已較為成熟，主要的拓?fù)溆衃7]：雙管正激式、推挽式、半橋式、全橋式，如圖1所示。

圖1a為雙管正激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在該電路中，當(dāng)兩個(gè)功率開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓直接加載在變壓器一次側(cè);同時(shí)關(guān)閉時(shí)，兩個(gè)續(xù)流二極管導(dǎo)通，變壓器一次電壓反向。在該拓?fù)渲校柘拗乞?qū)動(dòng)占空比不超過(guò)50%，且需搭配較大的輸出濾波電感[8-9]。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、工作頻率高、效率高，與半橋或全橋電路相比不存在橋臂直通的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1b為推挽式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該電路由兩個(gè)功率開關(guān)管交替導(dǎo)通以形成相反方向的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，輸出響應(yīng)快，電路設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單，但功率管關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生很高的電壓尖峰，需要用高耐壓值的功率管和緩沖電路，一般不應(yīng)用于高壓大電流場(chǎng)合，另外也需注意避免變壓器磁通不平衡而產(chǎn)生飽和現(xiàn)象[10-11]。

圖1c為半橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該拓?fù)溆蓛蓚€(gè)功率管形成橋式電路，其對(duì)稱交替導(dǎo)通有利于變壓器完全復(fù)位，磁心利用率高，輸出響應(yīng)快，且半橋分壓電容器的存在能夠較好抗磁偏[12]。但在相同功率下，半橋式功率管能承受比推挽式更大的電流。該拓?fù)鋸V泛應(yīng)用于中小功率電弧逆變焊機(jī)[7]。

圖1d為全橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該拓?fù)溆伤膫€(gè)功率管形成橋式電路，主要應(yīng)用于大電流、大功率場(chǎng)合[13]，變壓器磁心利用率高，成本也相應(yīng)較高[14]。

根據(jù)公開發(fā)明專利檢索，目前較為成熟的商用逆變式電弧焊機(jī)，如松下、佳士科技、瑞凌、滬工、北京時(shí)代等國(guó)內(nèi)主流電焊機(jī)品牌，主要采用能夠適用于大功率場(chǎng)合的全橋逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[15]。

1.2 電源控制技術(shù)

早期的逆變式電弧焊機(jī)普遍采用模擬控制技術(shù)，雖然成本低，但元器件多，系統(tǒng)穩(wěn)定性易受溫度和濕度的影響;系統(tǒng)不具有存儲(chǔ)器和運(yùn)算器，無(wú)法進(jìn)行高級(jí)控制和計(jì)算;調(diào)試?yán)щy，靈活性差。

近年來(lái)，電弧焊機(jī)的控制由純粹的模擬控制向數(shù)模結(jié)合、以及全數(shù)字化方向發(fā)展。采用數(shù)字電路和軟件程序命令替代模擬電路控制，用數(shù)字信號(hào)替代模擬信號(hào)，數(shù)字化電弧焊機(jī)可實(shí)現(xiàn)柔性控制和多功能集成，控制精度更高，穩(wěn)定性更強(qiáng)，產(chǎn)品一致性更好，通用性強(qiáng)且功能升級(jí)更為方便[16-17]。功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)是數(shù)字化電弧焊機(jī)最重要的特征之一。在數(shù)字化逆變式電弧焊機(jī)中，主控芯片輸出的數(shù)字驅(qū)動(dòng)信號(hào)直接決定著開關(guān)管的導(dǎo)通狀態(tài)。數(shù)字驅(qū)動(dòng)信號(hào)主要有三種模式：脈沖寬度調(diào)制（PWM）、脈沖頻率調(diào)制（PFM）、脈沖寬度和頻率混合調(diào)制（PWM-PFM），其中，數(shù)字化PWM技術(shù)應(yīng)用最為廣泛[2]。

2 逆變式電弧焊機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

逆變式電弧焊機(jī)正逐漸向逆變主電路超高頻化、控制系統(tǒng)全數(shù)字化、焊接工藝綠色化方向發(fā)展。

2.1 逆變主電路的超高頻化

20世紀(jì)80年代初，黃石生[18]成功研制出國(guó)際上首臺(tái)逆變頻率高達(dá)50 kHz的MOSFET弧焊式逆變電源，開啟了逆變式電弧焊機(jī)高頻逆變化之路;之后又帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成功研制了系列大功率IGBT弧焊逆變電源，輸出電流可達(dá)直流2 000 A/矩形波交流1 800 A[19]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)在工業(yè)電弧焊機(jī)領(lǐng)域已普遍采用大功率IGBT高頻逆變技術(shù)，將逆變頻率提高到20～30 kHz，實(shí)現(xiàn)了高頻化、高效率化，比傳統(tǒng)的整流焊機(jī)省材80%～90%，節(jié)電20%～35%，在頻繁短路等復(fù)雜工況下的可靠性問(wèn)題也已基本得到解決。

然而，從功率開關(guān)管的材料上來(lái)看，目前的MOSFET、IGBT等開關(guān)管均為硅基功率器件，其開關(guān)性能已接近由材料特性以及制造工藝所決定的理論極限，依靠硅基功率器件繼續(xù)完善和提高逆變式電弧焊機(jī)的性能已十分有限[20]。自2012年以來(lái)，華南理工大學(xué)焊接電源課題組對(duì)基于寬禁帶（WBG， wide band gap）功率器件的高頻逆變技術(shù)進(jìn)行了研究，成功開發(fā)出基于SiC MOSFET的系列新一代全數(shù)字化超高頻逆變式電弧焊機(jī)[21-22]，原型機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與帶載工作波形如圖2所示，在硬開關(guān)換流時(shí)的逆變頻率可提高到200 kHz，而在軟開關(guān)諧振換流條件下的逆變頻率更可提升至400 kHz，能效可超過(guò)90%，進(jìn)一步提高了功率密度，降低了體積和能耗[22]。這一成果已成功應(yīng)用于水下機(jī)器人焊接，并被科技日?qǐng)?bào)作為35項(xiàng)卡脖子技術(shù)之一作了重點(diǎn)報(bào)道[23]。

目前，采用SiC MOSFET的超高頻逆變式電弧焊機(jī)的研究與應(yīng)用尚處于初期，但通過(guò)高頻化來(lái)提高逆變式電弧焊機(jī)的控制精度和功率密度、減少體積、降低成本，最終提升焊機(jī)的綜合性能，將成為逆變式電弧焊機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)之一。推動(dòng)以碳化硅功率器件為逆變焊接電源主控器件，從而實(shí)現(xiàn)逆變式焊接電源技術(shù)和產(chǎn)品的升級(jí)，已被列入《中國(guó)電焊機(jī)行業(yè)十四五規(guī)劃》[24]。

2.2 控制系統(tǒng)的全數(shù)字化

廣義而言，電弧焊機(jī)的數(shù)字化應(yīng)包括三方面含義：一是功率主回路的數(shù)字化，二是控制與反饋回路的數(shù)字化，三是人機(jī)交互的數(shù)字化[25]。一般來(lái)說(shuō)，只要采用具有一定頻率的脈沖控制信號(hào)對(duì)主電路進(jìn)行控制，那么主電路即為數(shù)字化主電路。按照此定義，逆變式電弧焊機(jī)的主電路已實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化。主電路的數(shù)字化使得整個(gè)電源的工作頻率得到極大的提高，主回路時(shí)間常數(shù)更小，響應(yīng)速度更快。人機(jī)交互系統(tǒng)的數(shù)字化是實(shí)現(xiàn)參數(shù)精確給定的保證。而控制反饋回路的數(shù)字化使得先進(jìn)控制方法和智能算法的運(yùn)用成為可能，電弧焊機(jī)的智能化程度更高，性能更加完美[26]。

從成本、技術(shù)門檻等角度來(lái)看，在中小功率焊機(jī)中使用模擬反饋電路仍有一定道理。但是，在功能要求更高、額定功率更大、工藝性能更強(qiáng)的工業(yè)級(jí)電弧焊機(jī)中，數(shù)字控制的應(yīng)用至關(guān)重要，它能克服模擬控制具有的絕大部分局限性。目前，大功率電弧焊機(jī)的全數(shù)字化仍處于起步階段，主要原因在于以下幾點(diǎn)：數(shù)字反饋系統(tǒng)復(fù)雜;所需DSP控制芯片成本較高;外設(shè)能力有限[27]。

近年來(lái)，數(shù)字信號(hào)控制器DSC的出現(xiàn)和引入使得數(shù)字控制系統(tǒng)的復(fù)雜性大幅降低，也減輕了成本和外設(shè)功能等方面問(wèn)題[28]?；贒SC的焊接系統(tǒng)示意如圖3所示。采用DSC的設(shè)計(jì)比DSP設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單得多，因?yàn)楹芏郉SC產(chǎn)品都具有電源友好的片上外設(shè)，包括基于計(jì)數(shù)器的脈寬調(diào)制模塊、模擬比較器和ADC等，從而能夠進(jìn)行基于模擬比較器的反饋和ADC采樣。這些功能再加上單時(shí)鐘周期的快速乘法，使得DSC能輕松處理焊機(jī)控制回路軟件所需的高執(zhí)行速度[28-29]。實(shí)時(shí)內(nèi)核的運(yùn)用也是逆變式電弧焊機(jī)全數(shù)字化的重要基礎(chǔ)之一[29]。對(duì)每一個(gè)異步事件，電弧焊機(jī)的數(shù)字化控制系統(tǒng)都必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)給出響應(yīng)，如對(duì)過(guò)流、過(guò)熱信號(hào)的響應(yīng)等[28]。在這種系統(tǒng)中，響應(yīng)時(shí)間短、速度快是關(guān)系到過(guò)程的正確性和處理質(zhì)量的重要因素。因此，控制系統(tǒng)必須要確保強(qiáng)實(shí)時(shí)控制下的穩(wěn)定性和安全性[27-29]。

不少焊機(jī)廠商在逆變式電弧焊機(jī)的數(shù)字化技術(shù)方面做了多元的創(chuàng)新，例如國(guó)內(nèi)的麥格米特、深圳佳士、深圳瑞凌、成都熊谷加世等，國(guó)外的如Fronius等廠家，均陸續(xù)推出了數(shù)字化的電弧焊機(jī)產(chǎn)品。

2.3 焊接工藝綠色化

基于數(shù)字波形調(diào)控策略的焊接工藝綠色化，是逆變式電弧焊機(jī)的一個(gè)重要發(fā)展方向。在焊接工藝實(shí)施過(guò)程中，通過(guò)多種電流脈沖波形參數(shù)的柔性組合[30]，可產(chǎn)生不同的焊接波形，實(shí)現(xiàn)電弧瞬態(tài)能量的精細(xì)化調(diào)控，能夠優(yōu)化在不同工藝階段、不同材料焊接過(guò)程的能量配置需求，大幅降低能耗并顯著提升焊接質(zhì)量[31]。

目前，業(yè)界焊機(jī)普遍采用脈沖電弧焊，其主要目的之一是通過(guò)控制焊機(jī)輸出電流波形來(lái)控制電弧對(duì)工件的熱輸入，改善焊縫成形質(zhì)量和接頭性能[32]。在此基礎(chǔ)上衍生出的變極性脈沖焊接工藝已成功應(yīng)用于TIG和PAW焊接中，可在實(shí)現(xiàn)陰極清理作用的基礎(chǔ)上盡可能地減少鎢極的燒損[33-34]，其電流波形如圖4所示。

近年來(lái)，焊接科研工作者亦成功地將變極性技術(shù)應(yīng)用于GMAW焊，通過(guò)控制焊機(jī)在很短的時(shí)間內(nèi)快速變換焊絲的極性，加快焊絲的熔化速度，減少對(duì)熔池的熱輸入，可有效解決傳統(tǒng)電流負(fù)極性（DCEP）GMAW焊熱輸入量過(guò)大、易造成工件劇烈變形的問(wèn)題，拓寬了GMAW焊的應(yīng)用范圍[35]。

為了同時(shí)利用高頻和低頻脈沖的優(yōu)勢(shì)，提出了雙脈沖焊接工藝，其電流波形如圖5所示。2014年，劉博等人[34]研究了雙脈沖GMAW焊（DP-GMAW）的各個(gè)脈沖參數(shù)對(duì)電弧和熔池動(dòng)態(tài)行為的影響，發(fā)現(xiàn)隨著低頻脈沖頻率的提高，魚鱗紋特征逐漸減弱，焊縫晶粒尺寸和氣孔數(shù)量減少;高頻脈沖峰值電弧壓力對(duì)熔池沖擊起主導(dǎo)作用，而熔滴過(guò)渡同時(shí)受到高、低頻脈沖的影響，通過(guò)合適的調(diào)整可以實(shí)現(xiàn)一脈一滴的焊接模式，最大化利用能量[36]。

另一方面，脈沖頻率的超音頻化也是焊接工藝的一個(gè)主要研究方向。齊鉑金團(tuán)隊(duì)[37]發(fā)明了一種超音頻DP-VPTIG焊接工藝，其波形如圖6所示。通過(guò)系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，超音頻脈沖的引入有利于減少焊縫氣孔、增加熔深、細(xì)化晶粒、提高力學(xué)性能。

冷金屬過(guò)渡（CMT）工藝是在MIG/MAG焊的基礎(chǔ)上開發(fā)出的一種具有高沉積速率、低熱輸入量、零飛濺、變形小的新工藝[38-39]。為了同時(shí)利用雙脈沖和CMT的優(yōu)勢(shì)， Fronius公司發(fā)明了一種更為先進(jìn)的CMT-Pulse工藝，其焊接電流波形如圖7所示[40]，其熔滴過(guò)渡模式是脈沖周期內(nèi)的射滴過(guò)渡與CMT周期內(nèi)的短路過(guò)渡的結(jié)合。通過(guò)改變一個(gè)CMT-Pulse周期內(nèi)的脈沖數(shù)量或CMT過(guò)渡數(shù)量，可以更加靈活地調(diào)節(jié)熱輸入量和焊縫熔深，在保證零飛濺、低缺陷的基礎(chǔ)上擴(kuò)大應(yīng)用范圍。

受雙脈沖疊加思路的啟發(fā)，華南理工大學(xué)焊接電源團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種新型的快頻脈沖TIG焊接方法[41]，其波形包括主電流、副電流和基值電流，如圖8所示，其原理是在低頻脈沖電流中耦合入高頻脈沖電流?？祛l脈沖TIG焊的最大優(yōu)勢(shì)是能夠利用較小的電流獲得較大的電弧挺度和焊縫熔深，其核心理念在于對(duì)熱輸入量的管理。當(dāng)脈沖頻率達(dá)到10 kHz以上時(shí)，由于電磁收縮作用以及電弧形態(tài)產(chǎn)生的保護(hù)氣流使電弧壓縮，電弧壓力可以達(dá)到穩(wěn)態(tài)直流電弧壓力的4倍以上，不僅增加了焊縫熔深，并且對(duì)熔池金屬有強(qiáng)烈的電磁攪拌作用，有利于細(xì)化晶粒、減少焊縫缺陷以及獲得良好的焊縫接頭。

3 展望

總體而言，逆變式電弧焊機(jī)在功率平臺(tái)、控制系統(tǒng)、工藝實(shí)現(xiàn)三個(gè)主要方面均實(shí)現(xiàn)了較大的創(chuàng)新和突破。逆變主電路超高頻化、控制系統(tǒng)全數(shù)字化、焊接工藝綠色化將是逆變式電弧焊機(jī)的主要發(fā)展趨勢(shì)，未來(lái)的逆變式電弧焊機(jī)將更加簡(jiǎn)小靈敏、精準(zhǔn)智能、綠色高效。具體展望如下：

（1）逆變主電路超高頻化。電弧焊機(jī)逆變化是一個(gè)大趨勢(shì)，提高逆變頻率將減小整個(gè)焊機(jī)的質(zhì)量、體積和噪聲，同時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度將加快、輸出電流波形的控制將更加準(zhǔn)確。目前已經(jīng)比較成熟的商用逆變式電弧焊機(jī)普遍采用20～30 kHz左右的逆變頻率;第三代寬禁帶半導(dǎo)體器件SiC MOSFET的性能較傳統(tǒng)Si基功率器件更加優(yōu)異的性能，基于SiC MOSFET的電弧焊機(jī)在硬開關(guān)條件下的逆變頻率已可達(dá)到200 kHz，不過(guò)其研究和商用還處于初級(jí)階段。未來(lái)，隨著對(duì)第三代寬禁帶功率器件的研究發(fā)展以及器件價(jià)格的快速降低，必將推動(dòng)更高逆變頻率的商業(yè)化逆變電弧焊機(jī)的更新?lián)Q代進(jìn)程。

（2）控制系統(tǒng)全數(shù)字化。作為焊機(jī)中樞神經(jīng)的控制系統(tǒng)，已從模擬控制逐步過(guò)渡為數(shù)字控制，目前業(yè)界的逆變式電弧焊機(jī)普遍采用單片機(jī)等微控制器作為主控芯片進(jìn)行采樣、邏輯運(yùn)算、流程控制等操作，基本實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，但仍然無(wú)法完成對(duì)大量數(shù)據(jù)的快速處理、無(wú)法與深度學(xué)習(xí)等先進(jìn)算法相結(jié)合、無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)焊機(jī)的強(qiáng)實(shí)時(shí)性精確控制。未來(lái)隨著人工智能算法的進(jìn)一步發(fā)展和成熟應(yīng)用以及更高性能DSC控制器的出現(xiàn)，逆變式電弧焊機(jī)將越來(lái)越智能化，最終實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化和智能化。

（3）焊接工藝綠色化。當(dāng)前商用逆變式電弧焊機(jī)仍然普遍采用低頻直流方波脈沖，未來(lái)隨著數(shù)字波形調(diào)控技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，工藝綠色化的進(jìn)程也將進(jìn)一步加快。基于數(shù)字波形調(diào)控策略的綠色化焊接工藝技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了較大突破。隨著功率開關(guān)管、變壓器等電路元器件的研究發(fā)展，逆變式電弧焊機(jī)的電能轉(zhuǎn)換過(guò)程以及工藝過(guò)程的總體能效也將得到進(jìn)一步的提升，最終推動(dòng)焊接制造工藝快步邁向綠色化進(jìn)程。

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Development and prospect of inverter arc welding machine

WANG Zhenmin， JIANG Donghang， WU Jianwen， ZHU Zeguang， HUANG Shisheng

（School of Mechanical and Automotive Engineering， South China University of Technology， Guangzhou 510641， China）

Abstract： Inverter welding machine overcomes the defects of low power density， poor control performance and low energy efficiency of traditional welding machine， which is an important milestone in the development of electric welding machine. In recent years， inverter welding machine has achieved great breakthrough in power platform， control system and process realization， and has become the mainstream product. This paper first briefly describes the basic situation of two critical technologies of inverter welding machine： the main circuit power conversion technology and power control technology; then discusses the development of inverter welding machine in the aspects of ultra-high inverter frequency， full digital control system and green welding process. Simple， sensitive， accurate， intelligent， green and efficient will become the future mainstream development direction of inverter welding machine.

Key words： inverter welding machine; ultra-high inverter frequency; full digital; green process