逆變式電弧焊機的發展與展望

王振民 江東航 吳健文 朱澤廣 黃石生

摘要：逆變式電弧焊機克服了傳統電弧焊機功率密度低、控制性能差、能效低的缺陷，是電焊機發展的重要里程碑。近年來，逆變式電弧焊機在功率平臺、控制系統和工藝實現三個方面實現了較大的創新與突破，已成為電弧焊機主流產品。簡要介紹了逆變式電弧焊機的主電路功率變換、電源控制兩大關鍵技術的基本情況;重點探討逆變式電弧焊機在逆變主電路超高頻化、控制系統全數字化、焊接工藝綠色化方面的發展情況。指出簡小靈敏、精準智能、綠色高效將成為逆變式電弧焊機未來的主流發展方向。

關鍵詞：逆變式電弧焊機;超高頻;全數字;綠色工藝

中圖分類號：TG434? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2020）09-0186-08

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.09.19

0? ? 前言

電弧焊機為弧焊過程提供能量，是整個弧焊系統最重要的組成部分，它的性能直接影響焊接質量[1]。電弧焊機的發展經歷了弧焊發電機、二極管整流式電弧焊機、斬波式焊機和逆變式電弧焊機四個階段[2]。得益于功率半導體技術的進步，逆變式電弧焊機正在經歷從晶閘管式、晶體管式，到MOSFET、IGBT逆變式電弧焊機，再到第三代寬禁帶SiC MOSFET逆變式電弧焊機的發展過程[3-4]。逆變式電弧焊機是電焊機發展的重要里程碑，它克服了傳統電弧焊機功率密度低、控制性能差、能效低的缺陷，主要具有以下優勢[5]：①逆變頻率更高，顯著減小焊機整體體積和質量，輕便且高效;②易于實現數字化，控制更精細，響應速度更快，更易于獲得優異的焊接工藝效果;③能量轉換效率高，銅損和鐵損顯著減少，且容易實現焊接能量與焊接工藝過程的匹配，提升工藝的綠色化效果。當前，焊機逆變化已成為發展主流。

1 逆變式電弧焊機關鍵技術

20世紀70年代初出現的晶閘管式逆變電源技術最初主要應用于TIG和焊條電弧焊，經過改進之后開始廣泛應用于CO2和MAG等焊接過程，開啟了電弧焊機逆變化的新時代[6]。主電路功率變換技術和電源控制技術是逆變式電弧焊機的兩項關鍵技術。為充分發揮逆變式電弧焊機的優勢，后續大量研究也均緊緊圍繞這兩項技術展開。

1.1 主電路功率變換技術

逆變式電弧焊機的主電路已較為成熟，主要的拓撲有[7]：雙管正激式、推挽式、半橋式、全橋式，如圖1所示。

圖1a為雙管正激式拓撲結構。在該電路中，當兩個功率開關管同時導通時，輸入電壓直接加載在變壓器一次側;同時關閉時，兩個續流二極管導通，變壓器一次電壓反向。在該拓撲中，需限制驅動占空比不超過50%，且需搭配較大的輸出濾波電感[8-9]。該電路結構簡單、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險。

圖1b為推挽式拓撲結構。該電路由兩個功率開關管交替導通以形成相反方向的驅動信號，輸出響應快，電路設計較簡單，但功率管關斷時會產生很高的電壓尖峰，需要用高耐壓值的功率管和緩沖電路，一般不應用于高壓大電流場合，另外也需注意避免變壓器磁通不平衡而產生飽和現象[10-11]。

圖1c為半橋式拓撲結構。該拓撲由兩個功率管形成橋式電路，其對稱交替導通有利于變壓器完全復位，磁心利用率高，輸出響應快，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。該拓撲廣泛應用于中小功率電弧逆變焊機[7]。

圖1d為全橋式拓撲結構。該拓撲由四個功率管形成橋式電路，主要應用于大電流、大功率場合[13]，變壓器磁心利用率高，成本也相應較高[14]。

根據公開發明專利檢索，目前較為成熟的商用逆變式電弧焊機，如松下、佳士科技、瑞凌、滬工、北京時代等國內主流電焊機品牌，主要采用能夠適用于大功率場合的全橋逆變拓撲結構[15]。

1.2 電源控制技術

早期的逆變式電弧焊機普遍采用模擬控制技術，雖然成本低，但元器件多，系統穩定性易受溫度和濕度的影響;系統不具有存儲器和運算器，無法進行高級控制和計算;調試困難，靈活性差。

近年來，電弧焊機的控制由純粹的模擬控制向數模結合、以及全數字化方向發展。采用數字電路和軟件程序命令替代模擬電路控制，用數字信號替代模擬信號，數字化電弧焊機可實現柔性控制和多功能集成，控制精度更高，穩定性更強，產品一致性更好，通用性強且功能升級更為方便[16-17]。功率開關管驅動信號的數字化實現是數字化電弧焊機最重要的特征之一。在數字化逆變式電弧焊機中，主控芯片輸出的數字驅動信號直接決定著開關管的導通狀態。數字驅動信號主要有三種模式：脈沖寬度調制（PWM）、脈沖頻率調制（PFM）、脈沖寬度和頻率混合調制（PWM-PFM），其中，數字化PWM技術應用最為廣泛[2]。

2 逆變式電弧焊機發展趨勢

逆變式電弧焊機正逐漸向逆變主電路超高頻化、控制系統全數字化、焊接工藝綠色化方向發展。

2.1 逆變主電路的超高頻化

20世紀80年代初，黃石生[18]成功研制出國際上首臺逆變頻率高達50 kHz的MOSFET弧焊式逆變電源，開啟了逆變式電弧焊機高頻逆變化之路;之后又帶領團隊成功研制了系列大功率IGBT弧焊逆變電源，輸出電流可達直流2 000 A/矩形波交流1 800 A[19]。近年來，國內在工業電弧焊機領域已普遍采用大功率IGBT高頻逆變技術，將逆變頻率提高到20～30 kHz，實現了高頻化、高效率化，比傳統的整流焊機省材80%～90%，節電20%～35%，在頻繁短路等復雜工況下的可靠性問題也已基本得到解決。

然而，從功率開關管的材料上來看，目前的MOSFET、IGBT等開關管均為硅基功率器件，其開關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完善和提高逆變式電弧焊機的性能已十分有限[20]。自2012年以來，華南理工大學焊接電源課題組對基于寬禁帶（WBG， wide band gap）功率器件的高頻逆變技術進行了研究，成功開發出基于SiC MOSFET的系列新一代全數字化超高頻逆變式電弧焊機[21-22]，原型機的內部結構與帶載工作波形如圖2所示，在硬開關換流時的逆變頻率可提高到200 kHz，而在軟開關諧振換流條件下的逆變頻率更可提升至400 kHz，能效可超過90%，進一步提高了功率密度，降低了體積和能耗[22]。這一成果已成功應用于水下機器人焊接，并被科技日報作為35項卡脖子技術之一作了重點報道[23]。

目前，采用SiC MOSFET的超高頻逆變式電弧焊機的研究與應用尚處于初期，但通過高頻化來提高逆變式電弧焊機的控制精度和功率密度、減少體積、降低成本，最終提升焊機的綜合性能，將成為逆變式電弧焊機的發展趨勢之一。推動以碳化硅功率器件為逆變焊接電源主控器件，從而實現逆變式焊接電源技術和產品的升級，已被列入《中國電焊機行業十四五規劃》[24]。

2.2 控制系統的全數字化

廣義而言，電弧焊機的數字化應包括三方面含義：一是功率主回路的數字化，二是控制與反饋回路的數字化，三是人機交互的數字化[25]。一般來說，只要采用具有一定頻率的脈沖控制信號對主電路進行控制，那么主電路即為數字化主電路。按照此定義，逆變式電弧焊機的主電路已實現了數字化。主電路的數字化使得整個電源的工作頻率得到極大的提高，主回路時間常數更小，響應速度更快。人機交互系統的數字化是實現參數精確給定的保證。而控制反饋回路的數字化使得先進控制方法和智能算法的運用成為可能，電弧焊機的智能化程度更高，性能更加完美[26]。

從成本、技術門檻等角度來看，在中小功率焊機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、工藝性能更強的工業級電弧焊機中，數字控制的應用至關重要，它能克服模擬控制具有的絕大部分局限性。目前，大功率電弧焊機的全數字化仍處于起步階段，主要原因在于以下幾點：數字反饋系統復雜;所需DSP控制芯片成本較高;外設能力有限[27]。

近年來，數字信號控制器DSC的出現和引入使得數字控制系統的復雜性大幅降低，也減輕了成本和外設功能等方面問題[28]?；贒SC的焊接系統示意如圖3所示。采用DSC的設計比DSP設計簡單得多，因為很多DSC產品都具有電源友好的片上外設，包括基于計數器的脈寬調制模塊、模擬比較器和ADC等，從而能夠進行基于模擬比較器的反饋和ADC采樣。這些功能再加上單時鐘周期的快速乘法，使得DSC能輕松處理焊機控制回路軟件所需的高執行速度[28-29]。實時內核的運用也是逆變式電弧焊機全數字化的重要基礎之一[29]。對每一個異步事件，電弧焊機的數字化控制系統都必須在規定的時間內給出響應，如對過流、過熱信號的響應等[28]。在這種系統中，響應時間短、速度快是關系到過程的正確性和處理質量的重要因素。因此，控制系統必須要確保強實時控制下的穩定性和安全性[27-29]。

不少焊機廠商在逆變式電弧焊機的數字化技術方面做了多元的創新，例如國內的麥格米特、深圳佳士、深圳瑞凌、成都熊谷加世等，國外的如Fronius等廠家，均陸續推出了數字化的電弧焊機產品。

2.3 焊接工藝綠色化

基于數字波形調控策略的焊接工藝綠色化，是逆變式電弧焊機的一個重要發展方向。在焊接工藝實施過程中，通過多種電流脈沖波形參數的柔性組合[30]，可產生不同的焊接波形，實現電弧瞬態能量的精細化調控，能夠優化在不同工藝階段、不同材料焊接過程的能量配置需求，大幅降低能耗并顯著提升焊接質量[31]。

目前，業界焊機普遍采用脈沖電弧焊，其主要目的之一是通過控制焊機輸出電流波形來控制電弧對工件的熱輸入，改善焊縫成形質量和接頭性能[32]。在此基礎上衍生出的變極性脈沖焊接工藝已成功應用于TIG和PAW焊接中，可在實現陰極清理作用的基礎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，焊接科研工作者亦成功地將變極性技術應用于GMAW焊，通過控制焊機在很短的時間內快速變換焊絲的極性，加快焊絲的熔化速度，減少對熔池的熱輸入，可有效解決傳統電流負極性（DCEP）GMAW焊熱輸入量過大、易造成工件劇烈變形的問題，拓寬了GMAW焊的應用范圍[35]。

為了同時利用高頻和低頻脈沖的優勢，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）的各個脈沖參數對電弧和熔池動態行為的影響，發現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量減少;高頻脈沖峰值電弧壓力對熔池沖擊起主導作用，而熔滴過渡同時受到高、低頻脈沖的影響，通過合適的調整可以實現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主要研究方向。齊鉑金團隊[37]發明了一種超音頻DP-VPTIG焊接工藝，其波形如圖6所示。通過系列實驗驗證，超音頻脈沖的引入有利于減少焊縫氣孔、增加熔深、細化晶粒、提高力學性能。

冷金屬過渡（CMT）工藝是在MIG/MAG焊的基礎上開發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]。為了同時利用雙脈沖和CMT的優勢， Fronius公司發明了一種更為先進的CMT-Pulse工藝，其焊接電流波形如圖7所示[40]，其熔滴過渡模式是脈沖周期內的射滴過渡與CMT周期內的短路過渡的結合。通過改變一個CMT-Pulse周期內的脈沖數量或CMT過渡數量，可以更加靈活地調節熱輸入量和焊縫熔深，在保證零飛濺、低缺陷的基礎上擴大應用范圍。

受雙脈沖疊加思路的啟發，華南理工大學焊接電源團隊發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焊的最大優勢是能夠利用較小的電流獲得較大的電弧挺度和焊縫熔深，其核心理念在于對熱輸入量的管理。當脈沖頻率達到10 kHz以上時，由于電磁收縮作用以及電弧形態產生的保護氣流使電弧壓縮，電弧壓力可以達到穩態直流電弧壓力的4倍以上，不僅增加了焊縫熔深，并且對熔池金屬有強烈的電磁攪拌作用，有利于細化晶粒、減少焊縫缺陷以及獲得良好的焊縫接頭。

3 展望

總體而言，逆變式電弧焊機在功率平臺、控制系統、工藝實現三個主要方面均實現了較大的創新和突破。逆變主電路超高頻化、控制系統全數字化、焊接工藝綠色化將是逆變式電弧焊機的主要發展趨勢，未來的逆變式電弧焊機將更加簡小靈敏、精準智能、綠色高效。具體展望如下：

（1）逆變主電路超高頻化。電弧焊機逆變化是一個大趨勢，提高逆變頻率將減小整個焊機的質量、體積和噪聲，同時動態響應速度將加快、輸出電流波形的控制將更加準確。目前已經比較成熟的商用逆變式電弧焊機普遍采用20～30 kHz左右的逆變頻率;第三代寬禁帶半導體器件SiC MOSFET的性能較傳統Si基功率器件更加優異的性能，基于SiC MOSFET的電弧焊機在硬開關條件下的逆變頻率已可達到200 kHz，不過其研究和商用還處于初級階段。未來，隨著對第三代寬禁帶功率器件的研究發展以及器件價格的快速降低，必將推動更高逆變頻率的商業化逆變電弧焊機的更新換代進程。

（2）控制系統全數字化。作為焊機中樞神經的控制系統，已從模擬控制逐步過渡為數字控制，目前業界的逆變式電弧焊機普遍采用單片機等微控制器作為主控芯片進行采樣、邏輯運算、流程控制等操作，基本實現了數字化，但仍然無法完成對大量數據的快速處理、無法與深度學習等先進算法相結合、無法實現對焊機的強實時性精確控制。未來隨著人工智能算法的進一步發展和成熟應用以及更高性能DSC控制器的出現，逆變式電弧焊機將越來越智能化，最終實現全數字化和智能化。

（3）焊接工藝綠色化。當前商用逆變式電弧焊機仍然普遍采用低頻直流方波脈沖，未來隨著數字波形調控技術的產業化應用，工藝綠色化的進程也將進一步加快?；跀底植ㄐ握{控策略的綠色化焊接工藝技術已實現了較大突破。隨著功率開關管、變壓器等電路元器件的研究發展，逆變式電弧焊機的電能轉換過程以及工藝過程的總體能效也將得到進一步的提升，最終推動焊接制造工藝快步邁向綠色化進程。

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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