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摘要：设计了一种新型弧焊装备系统完成了手工焊、手工氩弧焊、熔化极气体保护焊、自动埋弧焊，阐述了其系统组成并重点介绍了弧焊二次变流器和弧压传感送丝机的技术原理、应用方式及试验情况。通过T/P91、T/P92、Super304H等系列焊接材料试验表明，新型弧焊装备具有焊接参数稳定、操控性良好、焊接成型良好、焊接接头质量优秀。实现了一套绿色、可靠、性能优秀的弧焊装备系统。
关键词：焊接；弧焊装备；电力建设
1.概述
电力工业的发展对焊接设备提出了更新的要求。我国用电量持续增长，电力规模继续增大，目前已是全球除美国以外的第二大电力生产和消费国，发电结构有所改善，质量和技术水平进一步提高，节能减排成效显著，截止2011年底，全年全国发电量4.69万亿千瓦时，发电装机容量达到10.56亿千瓦，已投运超超临界（SUC）机组达到70台以上，这标志着我国电力工业上了一个新的台阶。随着超超临界（SUC）火电机组的快速发展，T23、T/P91、T/P92、Super304H、HR3C等新型耐热钢得到广泛使用，电站设备在制造、安装、运行维修等诸多方面对焊接工艺、焊接材料、焊接设备均提出了新的要求。尤其是对焊接设备输出电流、电压品质提出了更为严格的要求，以保证采用低线能量焊接工艺时的焊缝成形和接头质量。然而，目前广泛采用的传统弧焊设备对电网电压波动的适应能力较差、二次输出线的延长会影响弧焊过程的稳定性，严重时会影响焊接接头质量，特别是在采用低线能量焊接工艺对上述新型耐热钢进行焊接时，从而对焊工操作技能提出了更高的要求。为此，本项目提出了采用超大功率电力电子器件MOSFET和IGBT的抗网压波动能力强、在二次输出电缆延长时仍能保证输出电流品质优秀、可靠性高、绿色节能的新型弧焊二次变流器（ArcNova）和弧压传感送丝机（ArcFeeder）。并在上述工作基础上设计出弧压传感自动焊接小车，用于自动气体保护焊和自动埋弧焊。
2.新型弧焊装备系统的构成
本项目阐述的新型弧焊装备系统包括：ArcSystem、ArcNova、ArcFeeder、ArcTractor以及ArcSense，其中ArcSystem是一个集中多行业典型焊接材料、焊接工艺的焊接专家库，用于本系统集中授权各操作单元，实现所有操作单元焊接工艺，从焊接参数角度出发保证焊接接头的质量；ArcNova是弧焊二次变流器完成将一台大功率直流电源或直流弧焊发电机变成多台独立工作的焊接操作单元；ArcFeeder利用电弧电压作为工作电压实现将任何特性直流弧焊机转换成熔化极气体保护焊，并且实现了等弧长等熔深焊接过程；ArcTractor采用电弧电压作为工作电压实现了任何特性直流弧焊机转换为自动熔化极气体保护焊或者自动埋弧焊，实现了焊接自动化；ArcSense是基于电弧跟踪和弧压反馈控制的机器人焊接控制软件，实现以ArcNova、ArcFeeder为核心的机器人工作站。
3.技术原理
3.1弧焊二次变流器技术原理
传统焊机往往根据不同的焊接规范或工艺，采用专门的焊机对焊材进行焊接，即被动地适应电弧变化，焊机既要充当电源，又要满足工艺过程需要，不同的工艺方法或材料选择不同的焊机，因此传统焊机具有品种繁多，互换性差，固定资产投入大等缺点。同时传统焊机为了加强耐冲击力，而使得焊机设备复杂，降额使用。二次变流器是一种新型的焊接电源，其思想是通过超宽范围直流变换器，实现了宽范围输入电源输出稳定焊接参数。满足许多工艺要求。弧焊二次变流器简化了原焊接电源功能，规范了焊接电流或电压输出品质，让原焊接电源只承担一个稳定负载。弧焊二次变流器的原理如图3-1所示。
图3-1
弧焊二次变流器主回路工作模式：当驱动脉冲为高时，IGBT导通，电流流经回路为输入+→可控硅SCR→IGBT→电抗器L→电弧负载→输入-；当驱动脉冲为低，IGBT截止，电流流经回路为电抗器L→电弧负载→二极管D→电抗器L。
弧焊二次变流器的整个控制电路由电压外环调节器、电流内环调节器、PWM波形发生器组成，外环是电压环保证焊接电压稳定，包括电子电抗器等动态调整电路结合内环电流环，用于恒压工作模式；内环是电流环，由多段外特性控制器和电流环来保证焊接电源的动特性，用于恒流工作模式。主回路中，功率可控硅控制主电流通断，同时避免输入接错对IGBT器件和变流器损坏现象。IGBT器件在PWM波驱动控制下实现对主电流的变频，电抗器主要用于保证焊接电流的连续，通过物理方式调整电源的动态响应速度和稳定性。此外，控制电路中还设计了电子引弧器、燃弧电子电抗器、输出****电流限定、过载、过流、欠压、VRD安全防护装置等保护电路。电子引弧器保证MMA和MIG/MAG焊接条件下可靠柔性起弧，各种保护电路保证了在异常条件下电源可靠运行或保护，确保设备安全可靠运行。
3.2弧压传感送丝机技术原理
弧压感应送丝机具有设置简单、送丝稳定、电弧长度可控、焊接效果好的特点。弧压传感送丝机控制系统如图3-2所示：
图3-2 弧压传感送丝机控制框图
弧压感应送丝机控制方案包括送丝机构、控制系统两大部分组成，送丝机构采用现有成熟的送丝机机架和成熟应用多年的印刷绕组电机；控制系统包括电压控制模块、电机调速及焊接时序控制模块和二次电流通断控制模块。
电压控制模块采用脉宽调制芯片和电压闭环反馈运算电路来控制IGBT或MOSFET（绝缘栅双极型晶体管或场效应管）的关断和导通，进而控制开关管的占空比来实现将宽范围（15VDC至105VDC）直流电源转变成稳定的低电压直流电源并输出为送丝机构和保护气体通断控制模块供电。
电机调速及焊接时序控制模块采用逻辑电路进行控制脉宽调制芯片的脉宽输出占空比，将供给送丝机构中印刷绕组电机的电枢电压的改变，进而改变送丝速度或焊丝熔化速度而调整电弧弧长在正常工作范围内。
该二次电流通断控制模块通过一单极直流接触器控制送丝机构进行通电工作或断电。保护气体装置和保护气体通断控制模块，其中该保护气体通断控制模块通过12VDC直流电磁阀实现保护气体装置的供气，当该电磁阀内的线圈得电，气阀畅通，保护气体流出；当该电磁阀内的线圈失电，气阀阻断，保护气体停止流出。
控制系统还包括焊接时序控制、用户调节控制模块，该用户调节控制模块包括送丝速度调节开关、恒流/恒压模式选择开关、检气开关、点动送丝开关、2/4步选择开关（焊枪开关锁定）等。
3.3应用方式
3.3.1 弧焊二次变流器应用方式
适合于多台多工位直流反接(DCEP/DCRP)焊接场景,母电源的输出-和二次变流的输出-同时连接至工件，此种二次变流器适合于MMA、MIG/MAG/CO2、SAW、CAG等采用直流反接焊接极性的焊接方法或焊接材料。但此种拓扑也适合于单台二次变流器用于直流正接
（DCEN/DCSP），其主回路拓扑图如图3-3：
图3-3 适合多台直流反接焊接极性的二次变流器拓扑图
适合于多台多工位直流正接(DCEN/DCSP)焊接场景,二次变流的输出+连接至工件，此种二次变流器适合于TIG、PLASMA、INNERSHIELD等采用直流正接焊接极性的焊接方法或焊接材料。但此种拓扑也适合于单台二次变流器用于直流反接（DCEP/DCRP），其主会路拓扑图如图3-4：
图3-4 适合多台直流正接焊接极性的二次变流器拓扑图
弧焊二次变流器由直流电源供电，直流电源可以是弧焊发电机、大功率直流电源（变压整流器）、可控硅整流电源等大部分直流电源（工作输出电压DC50V～DC115V）。而且可以实现由一台大功率直流电源给多台弧焊二次变流器供电，组成分布式工作系统。图3-5所示为一个由三单元多功能直流供电系统和多个新型弧焊二次变流器组成的分布式焊接系统，如果在弧焊二次变流器后接上自动送丝机则可组成半自动焊接系统，如果再加上焊接自动小车则可以组成自动焊接系统。
图3-5 应用系统示意图
3.3.2 弧压传感送丝机应用方式
为大多数普通手工焊电源升级为MIG/MAG/CO2焊接方法提供了解决方案，实现了等弧长、等熔深熔化极气体保护焊焊接过程。尤其在实芯碳钢焊丝、CO2气体保护焊、实芯不锈钢焊丝的适应性和薄板高速低飞溅焊接工艺性能方面优于国外产品，最高焊接速度达到2m/min。应用示意见图3-6
图3-6
4.试验与应用
4.1与品牌逆变焊机焊接电流输出品质对比
在相同条件下，分别对新型弧焊二次变流器和国外某品牌逆变焊机的电源输出电流波形和焊接效果进行了对比。
图4-1 ArcNova输出电流波形和焊接接头外观
图4-2 国外某品牌普通焊机输出电流波形和焊接接头外观
国外某品牌普通焊机焊接304材料时的外观成型(图4-2),可以看出焊接过程稳定性较差,焊接成形粗糙、不均匀、外观成形不美观，由于电流输出波动导致熔滴过渡不稳定、焊接工艺性能较差。新型弧焊二次变流器焊接304材料的外观成型(图4-1)，可以看出焊接过程非常稳定，焊接成形纹路细腻、外观成形非常美观。从而可以反映出二次变流器输出电流十分稳定。
4.2二次变流器和弧压传感送丝机在北京电建公司、天津电建公司、江苏省电建一公司等地试验状况
图4-3 天津电建T92小管（Ws/Ds）焊接成型
图4-4 天津电建T23小管（Ws）焊接
从图4-3和图4-4的焊缝成形可以看出，新型弧焊二次变流器很好的满足了手工氩弧焊和手工焊条焊输出特性，成功应用到T92和T23小管焊接。焊缝外观成形美观、焊接质量优秀，以上焊缝经无损检测焊缝质量合格。
图4-5 天津电建ArcFeeder送丝机药芯焊接表面、根部成型
图4-5 Arc Feeder弧压传感送丝机采用普通焊接电源连接后实现半自动气体保护焊，在焊接过程中焊接电流的特性与常规气体保护焊焊接特性有了本质的区别，由此将传统意义上的气体保护焊转变为一种类似手工电弧焊的方法，可在增加自动送丝的情况下，大大提高焊接生产率。
图4-6北京电建273×40mm SA-335 P92管（Ws/Ds）焊接
图4-6北京电建采用弧焊二次变流器完成了273×40mm SA-335 P92管（Ws/Ds）的焊接，焊接过程稳定，焊缝成型良好，经无损检测和金相检查焊缝质量合格。
图4-6江苏电建一公司焊接实验
图4-6弧焊二次变流器和弧压传感送丝机在江苏电建一公司的实验和测试取得了良好的效果。显示了新型弧焊装备系统的先进性和适用性。
4.3本设备目前已经批量出口销售到俄罗斯、哈萨克斯坦、乌克兰、澳大利亚、荷兰、新加坡、印度、台湾等国家或地区，用户反映良好。
5.结论
新型弧焊装备技术属于新一代弧焊设备技术，具有国内领先和国际先进水平；本系统中的弧焊二次变流器控制精确、品质优秀、安全节能；结合不同的工艺要求DCEP或DCEN提出了不同的解决方案，很好地适应了不同的工艺方法；经国内外客户应用验证此方案规范了原焊接电源的输出品质、改善了焊接性能；适用于手工焊、半自动焊和自动焊，适用于任何类型的焊接材料，能够将一款大容量CC电源转换为多工位和多用途焊机；本系统中的弧压传感送丝机采用弧压传感技术，舍弃了电源和送丝机之间的控制线，完全避免了送丝的控制失效，提高了设备的可靠性， 采用电弧电压作为工作电压，依据熔化速度优先自动调整送丝速度，实现了主动干预焊接电弧，提高了焊接过程稳定性和干伸长适应能力，降低了焊工操作难度，突破了常规电源焊接规范死区，在全范围电流实现了稳定CO2气保焊，降低了焊接飞溅、过程稳定，实现了等弧长和等熔深。
新型弧焊装备技术可以广泛应用于造船、电力建设、电厂维修、压力容器、钢结构厂房、管道焊接等行业，具有很好的应用前景。
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