电弧悍的发展和现状

电弧悍的发展和研究现状

1前言

弧焊技术是现代焊接技术的重要组成部分,其应用范围几乎涵盖了所有的焊接生产领域。电弧焊作为一种基本的金属处理方法,被广泛的运用于国民经济的各部门,为电弧焊提供能量的弧焊电源从诞生起已取得了很大的发展,在近二三十年,科学技术以空前速度向前发展。 随着各种物理技术和化学技术的不断发展,使得电弧焊接技术在应用的过程中结合离子物理、电子束、 红外线、 真空、 超声、 声学乃至计算机技术、 微电严技术、 自动控制技术、 材料科学与工程断裂力学、 检测技术等许多观代科学技术的新成就。 都在电弧焊接上获得应用。 奠定了电弧焊接技术发展的基础。增强了电弧焊接技术本身的能力。 扩大了电弧焊接技术的内涵和外延。 因而电弧焊接作为一门科学技术,无论在理论上、 应用上都在日新月异地发展。

现代科学技术的新成就已日益渗透到电弧焊接科学枝术领域,促进了现代电弧焊接技术发展的—个重要特点。电弧焊接技术是当前工业生产中的重要基础工艺,更是当前社会发展过程中各种技术要求和工业发展要求的新型综合工业加工技术和方法。 被广泛应用于造船、压力容器制造,石油化工等钢结构制造领域。随着当前社会发展中,各种工业生产要求的不断提高和加快,在工业生产的过程中是利用各种相应的技术手段进行分析和管理的过程,更是采用相应的技术措施进行分析与管理的主要加工模式。 整个电弧焊接工艺过程应包括母材预热处理、 切割下材料、 成型、 电弧焊接、 焊后检查和焊后处理等工艺环节。

二、电弧焊及其发展

作为一种气体导电的物理现象,电弧是在19世纪初被发现的,直到1885年人别那尔道斯发明碳极电弧可以看作是电弧作为热源应用的创始,而电弧真正运用于工业是在12年发现金

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属极电弧后。上世纪40年代研究成功埋弧焊,而随着航天与原子能的发展出现了氩弧焊。上世纪50年代出现了CO2与各种气体保护焊并研究出等离子弧焊,到70 - 80年代,弧焊电源的发展更是出现飞跃:多种型式的弧焊整流器相继出现和完善,研制成功多种型式的脉冲弧焊电源,为进一步提高焊接质量和适应全位置焊接自动化提供了性能优良的弧焊电源。此外,还先后研制成功高效节能,性能好,晶闸管式、晶体管式、场效应管式和IGBT弧焊逆变器。随着新型弧焊技术的发展,弧焊电源也有了长足的进步。近年来随着市场竞争的日趋激烈,提高焊接生产的生产率、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。而人工智能技术、计算机视觉技术、数字化信息处理技术、机器人技术等现代高新技术的溶入,也促使弧焊技术正向着焊接工艺高效化、焊接电源控制数字化、焊接质量控制智能化、焊接生产过程机器人化的方向发展,弧焊设备也向着智能化发展、机器人化发展。

• 弧焊机器人在自动化生产、困难及有危害性生产环境中扮演着更加重要的角色；在弧焊设

备的研制过程中，环保意识逐渐加强，软开关技术、焊接设备的电磁兼容性、无铅化生产、高频防护、防触电装置受到许多研究者、厂商、使用者的重视；绝大部分焊接生产厂家通过了ISO9000质量体系及3C强制性产品认证，加强内部管理、提高产品质量、树立品牌意识、提高市场竞争力已成为广大焊接设备生产厂家的自觉行动。

由于我国电焊机生产企业多，尤其是弧焊机生产厂家更是大大小小，遍布各地，焊机技术和质量水平不整齐，一些技术水平低、适应性较差、质量不稳定、参数波动范围较宽的弧焊机仍有一定市场，这就需要生产厂家、用户、质量检测与监督部门共同努力，提高我国弧焊机生产的整体水平。同时，应加强高质量、轻型灵巧的自动化双丝焊接设备研制，特别是双丝气保护焊机推广应用，这种设备虽已有企业在生产，但数量仍很缺乏，很有推广价值，特别是应用在堆焊方面会有更好发展前景。

b.大力发展气体保护焊（送丝焊）、大力推进运用逆变电源是今后5年的工作方向。国产数

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字化焊机技术将达到国外20世纪90年代水平。可控硅CO2焊机、逆变CO2焊机的技术将更加成熟，熔滴过度形式多为一脉一滴。

调整产品结构、提高产品档次、顺应市场要求。逆变式多功能气体保护焊机，逆变式埋弧焊机，以良好的性能和可靠耐用的特点赢得客户的好评。逆变焊机将向数字化、轻巧化、节能化、高可靠性化方向发展。

数字化逆变电源、高效率气体保护焊是未来15年的发展方向。焊机将实现数字化技术，智能化技术越来越成熟且水平更高。逆变CO2焊实现真正的一脉一滴。闭环控制全规范范围内的熔滴过渡，一脉一滴控制也采用闭环控制。

c.内燃动力电焊机用于野外无电区施焊。国内如重庆运达机电设备制造有限公司、重庆凯达电焊设备厂、成都皮克电源有限公司、成都熊谷电器工业有限公司等研发的此类焊机，已形成野外焊接工作站、自驱动弧焊机、自驱动多功能弧焊机及稀土永磁发电机组等系列产品，主要用于砼电线杆接头、铁轨、辙岔、、气管的焊接，并外销售、转销到到美国和欧洲各国。

焊机能满足下向焊工艺要求，采用IGBT变频技术，实现平、降两种外特性。功能的选择输出，能在全电压或全电流的调节区内得到满意的动特性，实现药芯焊丝半自动焊和纤维素焊条下向焊。

四轮驱动已在焊机上得到应用，既可车载，也能在短距离工位移动时，通过遥控，焊机近距离平稳自动行走，适合公路、山道、旱田、沙地等路面条件。

5年后将出现车载式（地胶轮）发电电焊机，专门用于野外抢险施焊，目前已准备装在坦克抢险车上，作军用电焊机。

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未来15年内，发电电焊全自动送丝，电脑程控药芯焊丝，多功能输出。

三、焊条电弧焊的研究现状

由于焊条电弧焊具有灵活性、设备简单、操作方便、适应性广等优点，焊条电弧焊在许多领域仍然是被优先考虑的焊接方法，尤其是在一些维修、野外、高空、和水下等特殊场合的施工中。但是焊条电弧焊由于其断续工作的特点，生产效率低，浪费大，人工费用高，随着高效率的自动焊的出现，焊条电弧焊的应用比重成下降趋势。目前，在发达国家焊条应用占焊接材料重量比稳定，而我国药皮焊条的应用比重占焊接材料总量大，可以看出药皮焊条用量还是占有相当高的比重，所以提高焊条电弧焊的效率是非常有意义的。

焊条的最早出现在十九世纪末人斯拉文诺发明的裸焊条，随后奥赛·皮尔赛史特劳梅育提出了涂料金属极焊条，即药皮焊条。而后在焊条多年的发展历史中，先后发明了矿物性厚药皮、碱性低氢性焊条、低合金钢焊条、堆焊焊条、不锈钢焊条和有色金属焊条等。在过去的几十年中，科技工作者为提高焊条的焊接效率，先后出现了普通铁粉焊条、重力焊用铁粉焊条、立向下焊条和高效不锈钢焊条等高效焊条。在世纪四十年代，出现了嵌套的不锈钢焊条。所谓嵌套的焊条就是指一根焊条中含有两根或多根焊芯，这些焊芯除了两头外，彼此之间互相绝缘。焊芯头部使用特定的焊钳夹持，使几根焊芯连在一起，即多根焊芯并联。嵌套焊条焊接时，焊条与工件分别接电源的两极。从理论上讲电流可以同时平行的流过多根焊芯，但是不同焊芯的电阻是不同的，所以电流总是走电阻最小的焊芯，电弧只能从一根焊芯和工件之间产生，焊芯的电阻随温度的升高而增大，而且焊芯逐渐变短，这时电弧从这根燃烧的焊芯转移到离工件最近的焊芯上。电弧总是在离工件最近的一根焊芯与工件之间产生，因而电弧较短。电弧燃烧时，电弧周围的气体发生电离，因此电弧从一根焊芯移到另一根焊芯时，根部不用和工件直接接触，每根焊芯都有燃弧时间和熄弧冷却时间，所以可以用大焊接电流焊接，焊缝的形状有焊芯的嵌套形式决定。

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嵌套电弧焊可以通过选择不同的焊条嵌套形式控制焊缝的熔宽，可以得到窄的焊缝，同时提高生产率。手工焊接厚大板时，可以大大降低焊接成本。嵌套焊条的电弧短而有力，焊接时可以很好的保护熔池，得到良好的焊缝成形。但是嵌套焊条也存在很多问题。一是电弧在焊条之间快速移动，电弧不稳定且加热不集中。二是由于嵌套焊条是由两根及两根以上焊芯组成的，几根焊芯不能同时燃烧，电流不能不均分配，每根焊芯所承受的最大电流值将远远超过焊芯所能承受的电流值，易发生焊条爆断现象。1951年，提出了手工多条电弧焊接法，即束状焊条焊接法，嵌套焊条焊接法是该方法的前身，该方法在实际中得到了一定的应用。所谓束状焊条焊接法，就是简单的把二根、三根、五根以上的焊条束在一起，焊条的夹持端用点焊固定进行焊接。这种方法主要是提高焊接效率和解决厚板焊接时焊条直径不够粗的问题。此外，文献对三相手弧焊进行了研究。三相电弧焊的电弧是由三相电源产生的，焊接时由三个电弧同时燃烧。随着各种方法的不同，电弧间的位置也不同，最常见的就是并联焊条式，就是将三相电源分别接于焊件、焊条和焊条上焊条和焊条相互绝缘。除了焊条和焊件件发生电弧外，两根焊条之间也有电弧发生。三相手弧焊热量集中，电弧对焊件的熔透深度增加，可以加大钝边厚度或扩大不开坡口对接焊的厚度。三个电弧同时燃烧，同时使用两根焊条，热能有效利用，大大提高了劳动生产率，降低了生产成本。但是由于是三相供电，电压达到，对人身不安全。而且对工件的熔深增加，对母材的热输入增大，会导致焊接热影响区过热区晶粒的粗大，使焊接接头性能下降。

综上所述，由于多条焊的电弧在焊条之间快速的移动，电弧不稳定而且加热不集中三相手弧焊的焊接电弧之间相互影响严重，所以对提高焊条效率的多条焊、三相手弧焊等焊接方法应用和研究很少。近年来，国内外还着重于研究和推广铁粉焊条、重力焊条、立向下焊条及高效的不锈钢焊条等高效焊条”一。目前我国手工电弧焊理论方面的研究主要集中在电弧形态和熔滴过渡方面。如焊条熔滴过渡形态分析，影响焊条熔滴过渡力学因素的研究，不锈钢焊条熔滴过渡形态及工艺稳定性的研究，电弧的等离子流力、电弧压力及磁场对电弧行为的影响。

而弧焊电源技术方面上传统的弧焊电源,如占焊机总产量90%的手弧焊机生产中,是以技术

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落后的矩形动铁式和大量耗材的动圈式交流弧焊机为主。在我国直流弧焊电源中,在国家三令五申下,虽已逐步减少了电力拖动的旋转式直流弧焊发电机的生产,但未能完全禁绝。对整流式弧焊电源的推广,也是较为困难,由于老式的硅整流弧焊电源的性能难以与旋转式直流弧焊电源相匹敌,而国家重点推广的晶闸管整流电源ZX5 -250、ZX5 - 400初期性能并不稳定,使用户无所适从,这一局面直到90年代中期才得到改变。

数字化弧焊技术是一种新兴的技术,数字化弧焊电源是指焊机主要的控制电路由数字控制技术替代传统的模拟控制技术,且在控制电路中的控制信号也由模拟信号过渡到0 /1编码的数字信号。数字系统与模拟系统相比有着明显的优势,数字系统具有系统灵活性好、控制精度高、稳定性与产品一致性好、接口兼容性好以及系统功能升级方便等特点。1994年,国外Fronius公司的Lahnsteiner.Robert指出,现代GMAW焊接电源应满足多方面的不同需求,如:适合于短路过渡焊接、脉冲焊接、射流过渡焊接和高熔敷率焊接等焊接工艺,合理的焊接电源外特性可以通过原边工作于开关状态的逆变电源实现;大量的焊接规范参数的设计必须实现Synergic控制(一元化控制)以使焊接电源便于操作;为满足新的质量控制要求,焊接电源必须实时记录焊接规范参数、识别偏差量 。基于上述思想,伴随着新型的功能强大的数字信息处理器DSP的出现,Fronius公司推出了全数字化焊接电源,随后Panosonic等公司也推出了各自的数字化焊接电源产品,并相继进入中国市场。数字化焊接电源实现了柔性化控制和多功能集成,具有控制精度高、系统稳定性好、产品一致性好、功能升级方便等优点 。如Fronius公司的Transplus synergic 2700 /4000 /5000系列产品在一台焊机上实现了MIG/MAG、TIG和手工电弧焊等多种焊接方法,可存储近80个焊接程序,实时显示焊接规范参数,通过单旋钮给定焊接规范参数和电流波形参数,可以实现熔滴过渡和弧长变化的精确控制,同时,此类焊接电源还可以通过网络进行工艺管理和控制软件升级。

四、参考文献：

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《焊接手册》

《焊接原理》

《焊接设备》

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