摘要： 阐述了交直流弧焊电源实现原理及特点．并从交直流弧焊电源的逆变技术、数字化控制技术、智能控制技术三方面的研究现状
进行了详细的介绍．指出了交直流弧焊电源沿高性能数字化与智能化方向发展的趋势。
关键词：交直流；弧焊电源；数字化； 智能化
中图分类号：tg434 文献标识码：a
铝及其合金通常采用工频交流正弦波钨极氩弧焊进行焊
接。但这种焊接电源的电弧稳定性差，正负半波通电时间不可
调，还要利用消除直流分量的装置，而且不能用于碱性焊条电
弧焊。特别是。它对于一些要求较高的焊接工作，如铝薄件小
电流焊接、单面焊双面成形、高强度要求的焊接等，都很难获
得满意的焊缝质量。随着大功率半导体元件和电力技术的发
展．近年在国内成功应用了交直流弧焊工艺，并研制和生产出
了相应的弧焊电源.。
交直流弧焊是一种薄板铝合金较理想的电弧焊方法．其既
可以控制焊缝的熔深．又可以提高焊接效率。其中交直流氩弧
焊功能最适合于铝及铝合金、镁及镁合金的焊接。其具有雾化
调节功能，能有效地破除工件表面的氧化膜；焊缝成形好、表
面光亮美观¨2．3]。
近年来。铝合金等非铁金属以其低温特性、质量轻、比强
度高等优点，已被广泛地应用在航空航天、汽车和民用工业
中，成为一种重要的加工材料 】。随着科学技术的发展，薄板
铝合金在工业中的应用越来越广，其焊接量也在不断地扩大。
提高焊接生产率、保证产品质量、实现焊接生产的自动化、智
能化越来越得到焊接生产企业的重视，特别是对焊接质量和精
度要求比较高的机器人焊接场合更是如此。加上现代人工智能
技术、数字化信息处理技术、计算机视觉技术等高新技术的融
入，也促使交直流焊技术正朝着焊接高速高效化、焊接控制数
字化、控制系统智能化方向发展。
1 交直流弧焊原理及特点
交直流弧焊的主要特点是电流过零点的时间极短，通过电
收稿日期：2007一ol一29；修回日期：2007～07—20
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50575074)；广东省科
技攻关项目(2001a105010)
子控制技术使正负半波通电时间比和电流的比值可以自由调
节。因此把它用于铝及其合金焊接时，在焊接工艺上有以下特
点：电源稳定， 电流过零点时重新引弧容易，不必加稳弧高压
脉冲或高频电，受干扰的影响小，并可以通过调节正负半波通
电时间比例来获得最佳的熔深和阴极雾化作用，提高钨极的寿
命：调节工件上的热输入，更有效地利用电弧热和电弧力作用
来满足某些弧焊工艺的特殊需要，不必采用消除直流分量的装
置等等。
逆变式交直流弧焊电源，主要由普通直流弧焊电源和逆变
器组成主电路．通过逆变器把直流转变成交流，频率可调，正
负半波通电时间比、正负半波电流比值也可以在一定范围内自
由调节．原理如图l所示。
+
图1 交直流弧焊原理示意图
从图l可知， 当．s ，．s，触发导通，．s2，s4关断时，直流电源
通电回路为：+一．s，一电弧一．s，，从而在电弧获得正半波的电
流，直流且焊丝为正极性时， 电弧稳定，焊缝熔深大，通过对
电流进行有效控制，容易实现焊丝熔化及熔滴过渡。当．s ，s4
导通，．s ，．s，关断时，通电回路为一一．s『_+电弧一s4，从而在电
弧获得负半波的电流，直流且焊丝为负极性时，电弧沿焊丝上
爬，电弧不稳定，熔滴不易过渡，焊接熔池浅，具有电弧沿焊
丝上爬促进焊丝熔化以及减小电弧对熔池的加热作用，形成浅
熔深的特性。由此可见，只要控制2组电子元件轮流导通，切
换电弧电流的方向．并通过控制2组电力电子元件导通时间的
长短和通电时间的相对比例．就可得到频率和正负半波通电时
weldin~technolo~ vol-36 no．5 oct．2007 ·专题综述· 5
间比例可调节的交直流电。在焊接过程中，根据焊件的尺寸要
求．选择合适的焊接电流频率和正负半波通电时间比率，便可
控制形成合适的焊缝质量，尤其是焊接薄板时形成浅熔深，保
证不出现熔池形成失败现象，满足焊接质量的要求。
2 直流弧焊逆变技术
功率电子器件性能的提高和发展为逆变技术的迅速发展提
供了最基本的物质基础，一种新的性能更优越的电力电子器件
的出现．必将引起逆变技术大发展，势必引起先进的逆变技术
在交直流弧焊电源中的应用与发展。
我国自1962年试制成功晶闸管以来，以普通晶闸管和硅整
流管为主体的变流技术、逆变技术有了很大的发展，器件质量
有较大的提高，派生型晶闸管，如快速、双向、可关断和逆变
导器件有较快的发展．产品产量大幅度上升。近10多年来，经
过精心设计，加上工艺、测试、可靠性以及装备等方面的研
究，器件容量定额大大提高，静、动态特性得到改善。我国已
自行设计和研制出1 000 a，1 200 v，30 s的快速晶闸管；
100 a，600 v以上的功率开关晶体管；40，60 a，1 000 v以
上的快速二极管。此外，50．100 a的大功率场效应晶体管、
igbt在90年代初也开始试制生产。同时，在变频调速、稳压
电源、不间断电源、电镀电源、电阻焊、弧焊电源、电子束电
源、中高频加热及热处理、电化学等方面已广泛应用逆变技术
和产品，并拥有数十个系列和数百个规格的这类产品。其
中包括单机容量为250，350 kva的晶闸管变频器：单机容量
为1 000 kw 以上、工作频率为50 khz的中频加热电源装置：
200 kva以上的不间断电源装置：250 kva的igbt式电阻焊逆
变器；33 kva的igbt式弧焊逆变器；15，30 kva的场效应晶
体管式的弧焊逆变器等[53。
上世纪90年代，国内外电力半导体器件和逆变技术在不断
向功率化、快速化、模块化、组合化、智能化、廉价和高可靠
性方向发展，新型的大功率场效应管用作弧焊逆变器的快速开
关，比普通的双极型大功率晶体管更为优越。为此，研制出了
这种新型的弧焊逆变器。以igbt、场效应晶体管为主体的电
力半导体器件及逆变技术，将主导电力电子装置、电源的蓬勃
发展，使其产生革命性的变化，并以高效节能、省材、轻量
化、高性能和可靠性而愈来愈显著地体现它的优越性。
新型大功率电子元件的出现，推动了弧焊电源的发展。可
控硅焊接逆变器的出现，就是一个例证。它具有体积小、质量
轻、效率和功率因素以及工艺性能好等突出的优点。双极型大
功率晶体管的问世，又促使逆变器的频率和性能进一步提高。
从功率器件换流过程及其控制来看， 目前逆变技术正由传
统脉宽调制硬开关技术和频率调制谐振技术转向脉宽调制软开
关技术。上世纪50年代，随着脉宽调制硬开关技术的出现，揭
开了逆变技术发展的序幕。许多国家就争先致力于功率电子器
件、磁性材料、控制集成芯片和电路拓扑等方面的研究。脉宽
调制硬开关技术经过上世纪60年代的成长期、上世纪70年代的
发展期和上世纪80年代的成熟期，迄今为止，已经获得了最广
泛的应用。但是，它的开关频率不能太高，存在着换流慢、开
关损耗相对较大、承受较高的du／dt和di／dt等问题，其安全性、
可靠性较差，并且会产生显著的电磁干扰[6]。
针对硬开关换流过程存在的问题，上世纪70年代中期，频
率调制谐振技术应运而生，其技术关键在于应用电感电容网络
的谐振原理， 迫使功率开关器件的电流或电压按正弦规律变
化，当电流或电压过零时，使器件开通和关断， 因而解决了开
关动态损耗、电流冲击、电压应力和电磁干扰等问题。它从根
本上克服了传统脉宽调制硬开关变换器的缺点， 因而