浅谈传统弧焊电源的分类应用与CMT技术

文/李宇翔（安徽工业大学工商学院）

焊接作为一种制造技术应用极广。弧焊电源是一种可以达到弧焊工艺所需特性并且能够输出相应电压、电流的设备，是电焊接技术中最为重要的部分，它为焊机提供能量，是焊机的核心部件。弧焊电源根据其特性分为交流弧焊电源、直流弧焊电源、脉冲弧焊电源和逆变式弧焊电源，见图1。在此基础上发展出了各种焊接技术，其中最新的是CMT 技术，这是现代弧焊电源数字化的最好体现。

一、交流弧焊电源

矩形波交流弧焊电源和弧焊变压器是比较常见的交流弧焊电源，其中弧焊变压器应用最为广泛。

1.矩形波交流弧焊电源

矩形波交流弧焊电源是通过内置的半导体调控获得矩形波交流电流，它的优点在于具有良好的稳定性，功率因数相对较高，拥有大量的可调参数，常用于交流钨极氩弧焊（TIG）和埋弧焊中，在某些特定的时候可以取代直流弧焊电源，在碱性焊条电弧焊中使用[1]。

2.弧焊变压器

弧焊变压器通常由主变压器、调节机构和指示装置三部分构成，主要作用是将网压降压转换为可施用于焊机的低压交流电。它结构较简单，成本低廉，效率高。但由于电流波形是正弦波，输出的外特性呈现下降趋势，电弧不够稳定，功率因数较低。但一般不发生磁偏吹现象，非满载时的损耗相较其他电源较小，在焊条电弧焊、埋弧焊等焊接方法中应用广泛。

弧焊变压器分为串联电抗器式弧焊变压器和增强磁漏式弧焊变压器。

串联电抗器式弧焊变压器的核心部分是变压器和电抗器，使用磁漏正常的普通降压变压器充当变压器，可将网压降为可以使用的空载电压，利用串联的电抗器可以得到下降的外特性。可以细分为分体式弧焊变压器和同体式弧焊变压器，单站或多站交流电源一般采用分体式，大、中型容量的电源一般采用同体式。

图1 弧焊电源的分类

增强磁漏式弧焊变压器因为人为增强了漏抗，无需串联电抗器。根据磁漏的增大方法细分为动铁心式和动线圈式。动铁心式结构简单、使用方便，一般做成中、小容量的产品；动线圈式由于铁心最大高度的限制，电流调节受到了一定的局限，只能制成中等容量的产品，在操作上不如动铁心式的方便。

二、直流弧焊电源

直流弧焊电源分为直流弧焊发电机和弧焊整流器。

1.直流弧焊发电机

通常由特殊直流发电机和调节机构两大部分构成。直流弧焊发电机有很明显的磁偏吹现象，空载时损耗大，效率低，造价高。但是由于其有很强的过载能力，输出脉动小，适用于各种焊接方法，特别是在野外没有供电的场所，可以用柴油机或者汽油机驱动，所以现在仍有应用。

2.弧焊整流器

其作用在于将输入的交流电降压整流后输出所需的直流电。主要由主变压器、半导体整流元件、外特性调节装置构成，所获得的外特性一般是平的或者下降的。与直流弧焊发电机相比，其生产较容易、空载时的损耗较小，价格和噪音都很低。弧焊整流器有自我补偿功能，可以将网压不稳定产生的影响降至最小，不足之处是会发生磁偏吹现象。可用于目前各种弧焊方法的电源，一般分为无电抗器式和有电抗器式两类。

三、脉冲弧焊电源

脉冲弧焊电源输出的电流是以脉冲的方式呈现周期性变化的，焊接电流由脉冲电流和基本电流两种电流构成。在脉冲电流休止期间内，基本电流能够保持电弧稳定燃烧，还能发挥一定的预热作用，可以为熔滴过渡与熔池形成作准备。熔滴过渡和熔池形状主要是由脉冲电流来决定的。脉冲电流和基本电流可以通过两个各不相同的电源提供，也可以用一个电源提供幅值大小呈交替变化的电流。

脉冲弧焊电源输出的电流与普通焊接电流相比有如下优点：由于脉冲电弧不停地在峰值与基值间变化，在基本电流时的电弧挺度较差，但在脉冲电流时这种不稳定的状况会立刻改变，尤其在脉冲频率增大时特别显著，所以可以获得良好的电弧稳定性；脉冲电流呈周期性变化，基本电流比较小，对母材的热输入量减少，与其他焊接电弧相比，全部焊接过程中热输入量大大减小；焊接时，电流在基本电流和脉冲电流间的变换导致电弧压力的变化，在焊接熔池中起到了搅拌作用。

四、逆变式弧焊电源

逆变式弧焊电源与弧焊整流器恰好相反，它是将输入的直流电转换为所需的交流电输出，拥有十分良好的电气特性，并且节能高效，体积相较其他比较小巧，能够一机多用。通常来说按不同的大功率开关器件可分为晶闸管（SCR）式、晶体管（GTR）式、场效应管（MOSFET）式、IGBT式。

逆变式弧焊电源特点：一是体积小，重量轻。普通弧焊电源变压器和电抗器占据大量空间，重量占到总重量的近八成，而逆变式弧焊电源并不需要大横截面的铁心和多匝线圈，所以重量和体积都大大减小了。二是节能高效。因为没有过于庞大的变压器和电抗器，铁心磁损耗和导线耗能都有所减小，且由于通电周期短，逆变频率增高，变压器的励磁电流也随之减小，所以其具有节能高效的特点。三是控制灵活，动特性好。逆变式弧焊电源是通过电子电路来调控外特性和动特性的，使得其调节十分灵活，能够轻易在一台电源上输出多种特性的电流，即使焊接过程当中也能根据需求随时切换。四是电路相对复杂，元器件特性要求较高。因为逆变器交变电流频率高，集肤效应强烈，所以对变压器的磁性材料及形状、导线材料、绕组绕制方法都有相应的要求。

五、CMT技术

CMT 全称cold metal transfer，即冷金属过渡技术，是由奥地利伏能士（fronius）公司开发的一种新型低热量输入的焊接工艺方法，最早源于对钢和铝异种材料的焊接，后来又开发出无飞溅引弧技术，最终形成了现在的可适用于各种材料的焊接的CMT 技术。由于其具有低热量输入的特点，在各领域都有广泛应用。

1.CMT技术的原理

CMT 技术其本质是一种熔化极惰性气体保护电弧焊接技术，CMT 技术将焊接过程中的熔滴过渡与送丝运动进行了数字化的处理，使其有机地联系起来，从而达到了低热量输入的目的，这就是其被称为冷金属过渡技术的原因。

在焊接过程中，焊丝向熔池运动，当焊丝接触到熔池时，监测机构就会收到短路信号，这一信号就会被反馈给送丝机构，送丝机构随即回抽焊丝，频率可高达70 次/s。在这样的情况下熔滴会与焊丝分离进入熔池，实现在无电流的状态下的熔滴过渡，见图2。而传统焊接方法的熔滴过渡，熔滴与熔池接触时短路，然后短路桥爆破，同时伴有大的电流、产生极高的热量输入，造成飞溅与焊接的变形。CMT 技术就利用人为的控制的“热—冷—热”交替循环实现了无飞溅和低热量输入等优点[2]。

2.CMT技术特点及应用

CMT 技术因为其优越性应用广泛，几乎可以适用于所有的已知材料，在电子元器件、汽车制造、航空航天、桥梁等领域都发挥了重要的作用。伏能士（fronius）公司的CMT 外部根焊管焊工艺因其优秀的特性被选为西气东输的备选工艺。

热量输入低，可实现薄板焊接。在传统焊接工艺中，薄板焊接一直是难点所在，因为大热量输入极易导致熔穿和焊接的变形，而CMT 的低热量输出很好地解决了这一问题。

无飞溅，有利于钎焊的进行。因为其熔滴过渡的方式有别于传统的焊接工艺，使之适用于各种位置的焊接。比传统钎焊效率更高、应用更广泛。

图2 CMT 熔滴过渡示意图

适用于异种金属焊接。特别在汽车行业中，由于对轻量化的要求，越来越多使用钢与铝这样异种金属的结合，但是钢与铝的熔点差异大，焊接时会生成脆性的金属间化合物，严重影响了焊接接头的性能。此时采用CMT 技术可以保证焊接接头拥有良好的力学性能[3]。

六、结语

随着时代的发展和社会的进步，对加工制造技术提出更高的要求，而焊接恰恰是其中的重要一环，未来焊接技术必将有新的发展。而作为核心的弧焊电源，更是其中的重中之重，将来焊接的发展必然离不开弧焊电源的发展与更新。CMT 技术就是基于弧焊电源的数字化所实现的，目前已在异种材料焊接上大放异彩，未来前景一定会更好。