高效埋弧焊工艺及设备的研究进展

王振民 李栩延 唐嘉健 林三宝 田济语

摘要：埋弧焊具有自动化程度高、焊接质量稳定、生产效率高、无弧光、烟尘少等优点，在制造业中得到广泛应用。在埋弧焊过程，电弧在焊剂覆盖的区域里燃烧，难以直接观察到焊接工艺过程，影响了埋弧焊工艺研究的深入。首先分析了国内外在埋弧焊熔滴过渡方面的研究进展，确认渣壁过渡是埋弧焊熔滴的主导过渡形态;在此基础上，分析了影响埋弧焊焊缝成形的主要因素，进一步总结分析国内外关于埋弧焊电流波形控制方面的研究成果，并探讨焊接电流波形对焊缝成形及质量的影响规律;最后，从控制技术与功率变换技术两大方面深入探讨了埋弧焊焊接电源的国内外发展状况。数字化控制技术的普及和基于第三代宽禁带半导体器件SiC MOSFET的功率变换技术的进步将进一步推动埋弧焊工艺及设备向高频化、绿色化和高效化方向发展。

关键词：埋弧焊;熔滴过渡;电流波形;焊接电源

中图分类号：TG445文献标志码：A

文章编号：1009-9492（2021）11-0001-08

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Development of High Efficiency Submerged Arc Welding Process and System

Wang Zhenmin1，Li Xuyan1，Tang Jiajian1，Lin Sanbao2，Tian Jiyu1

（1. School of Mechanical and Automotive Engineering， South China University of Technology， Guangzhou 510641， China;

2. State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining， Harbin Institute of Technology， Harbin 150006， China）

Abstract： The submerged arc welding process has the advantages of advanced automation， stable welding quality， high welding efficiency， no arc， less smoke and dust， which is widely used in manufacturing. In the submerged arc welding process， the arc burns in the area covered by the flux， it is difficult to observe the welding process directly， which affects the in-depth research on submerged arc welding process. First， the research progress in metal transfer of submerged arc welding at home and abroad was analyzed， confirming that the flux-wall guided transfer was the dominant transfer form in submerged arc welding. On this basis， the main factors affecting the weld formation of submerged arc welding were analyzed， the research results on submerged arc welding current waveform control at home and abroad were further summarized and analyzed， and the influence of welding current waveform on weld formation and quality was discussed. Finally， the development of submerged arc welding power source at home and abroad was discussed in depth from two aspects of control technology and power conversion technology. Thepopularizationofdigitalcontroltechnologyandtheadvancementofpowerconversiontechnologybasedonthethird-generation wide-bandgap semiconductor device SiC MOSFET will further promote the development of submerged arc welding process and equipment in the direction of high frequency， green and high efficiency.

Key words： submerged arc welding; metal transfer; current waveform; welding power source

0 引言

全世界钢铁产品的60%左右需要经过焊接才能转变为最终产品[1]。在海工能源、压力容器、核电等领域有大量的厚大钢构件，迫切需要绿色高效的焊接工艺支撑[2]。其中，埋弧焊是广泛采用的一种高熔敷率自动化焊接方法。埋弧焊（SAW）全称埋弧自动焊，是一种将电弧隐藏在焊剂之下进行燃烧，利用燃烧带来的热量熔化焊丝和工件并使之紧密连接在一起的焊接方法。埋弧焊系统如图1所示。埋弧焊焊接电流大，焊接效率高、污染少，因而广泛应用于船舶、管道、锅炉、工程机械、核电设备等大型构件的焊接制造与修复[3]。近年来，一些重要结构的焊接與修复对埋弧焊的工艺质量提出了严苛的要求。然而，埋弧焊最基本的特征就是电弧被隐藏在焊剂之下燃烧，从外部难以直接观察到电弧形态和熔滴过渡方式，这在一定程度上限制了学者对埋弧焊工艺的深入探索，制约了埋弧焊工艺质量及设备性能的进一步提升[4]。

为此，本文首先分析了国内外在埋弧焊熔滴过渡方面的研究进展，并对埋弧焊熔滴过渡理论成果进行了较为系统的归纳总结。在此基础上，由于焊接电流波形直接影响到焊缝成形质量，是埋弧焊工艺中最为重要的参数，所以进一步系统分析了国内外关于埋弧焊电流波形控制方面的研究成果，并探讨电流波形对焊缝成形的影响规律。最后，由于焊接电源是埋弧焊的能量来源，直接影响焊接过程的稳定性和焊缝质量的好坏，本文从控制技术与功率变换技术两大方面深入探讨了埋弧焊焊接电源的发展状况。

1 埋弧焊熔滴过渡形态研究进展

1.1 埋弧焊电弧空腔形成

在埋弧焊过程中，连续送进的焊丝在焊剂下形成电弧。电弧燃烧产生的热量使焊丝、焊剂和母材迅速熔化，熔化产生的蒸气在电弧周围形成一个空腔，如图2所示[4-5]。空腔内壁由半熔化状态的熔渣壁组成，空腔中充满了金属蒸气和焊剂分解物，电弧在此空腔中持续燃燒。空腔随着焊丝沿焊接方向移动，对熔化金属起到保护作用;当熔池金属冷凝后便形成焊缝，而熔池上方的熔融焊剂冷却形成渣壳覆盖于焊缝之上[6]。

在埋弧焊过程形成的空腔区域，熔滴受到重力、表面张力、电磁力和极点压力等多种力的综合作用[7]，熔滴过渡过程十分复杂，而且埋弧焊的电弧是隐藏在焊剂之下进行燃烧的，从外部难以直接观察到电弧和熔滴过渡的形态，这限制了学者对埋弧焊熔滴过渡形态的探索。因此，很有必要深入研究埋弧焊的熔滴过渡方式，揭示其传热传质行为，为埋弧焊工艺和设备技术的进一步发展提供理论支撑。

1.2 埋弧焊熔滴过渡方式研究进展

气体保护焊的经验表明，熔滴过渡的方式、熔滴尺寸和过渡频率直接影响焊缝组织的质量[8]。基于气体保护焊的研究成果，国内外的学者为了研究埋弧焊的熔滴过渡形态做了一系列的创新实验。在早期，学者们主要利用 X 光线成像技术和光学成像技术来研究埋弧焊的电弧及熔滴过渡形态[9]。虽然 X 光线成像技术不会对焊接过程造成影响，但当时的 X 光成像系统的对比度和分辨率低、帧速较慢，难以清晰地捕捉到熔滴过渡的过程;而光学成像技术虽然可以清晰地捕捉到电弧和熔滴的形态，但破坏了焊剂的覆盖，使其观测结果的有效性备受质疑[9]。1965年，Franz[10]将一根与焊剂成分相近的陶瓷管沿着焊接方向穿过焊剂，利用3000 fps的高速摄影仪在陶瓷管内部捕捉到了较清晰的熔滴过渡过程。Franz 根据实验结果得出结论：埋弧焊的熔滴过渡形式为自由过渡和渣壁过渡两种;电磁力和电弧力的相互作用对熔滴脱落起主导作用。1966年，Adrichem[11]搭建了与 Franz 相似实验平台，进行了直流反接（DCEP）和交流（AC）实验，电流范围为300～600 A ，得到了与 Franz 相似的结论。安藤弘平等[12]认为，在埋弧焊过程中，电磁收缩力的作用很大，可认为熔滴是以颗粒状过渡的;当埋弧焊弧长过短时，也会产生短路过渡，但短路时间非常短。唐伯刚等[13]认为，埋弧焊电弧是在熔渣形成的空腔内燃烧的，焊丝熔化形成的熔滴沿着渣壁流入熔池，形成渣壁过渡，如图3所示，但也有少数熔滴是滴状过渡。

2015年，Mendez P F， G?tt等[14]改进了 Franz 采用的拍摄方法，搭建了如图4所示的实验平台[12]，由薄钢板构成的隧道垂直于焊接方向穿过焊剂，隧道的一端通入二氧化碳气体或者氖气以吹走阻挡摄影仪视野的悬浮焊剂颗粒，另一端放置10000 fps的高速摄影仪。Mendez P F 利用该实验平台成功拍摄到直流反接500 A 、直流反接1000 A和交流500 A下埋弧焊的熔滴过渡行为。实验结果表明，埋弧焊在任何情况下都不存在短路过渡，也没有喷射过渡的证据，但在500 A直流反接和500 A交流时，均观察到了非轴向粗滴状过渡;而在1000 A直流反接时，观察到电极端呈锥形，通过电磁扭结不稳定性的机制喷射出熔融尾巴。此外，在电流幅值相同的情况下，交流焊接比直流焊接的熔滴脱落频率更高，主要原因在于，当电流的极性发生改变时，电磁力引入了机械扰动。同年，Kiran D V 等[15]在研究串联双丝埋弧焊的熔滴过渡时，也证实了小电流的情况下不存在喷射过渡，以非轴向滴状过渡为主，而大电流时以渣壁过渡为主。

2017年，Sengupta V等[9， 16]采用了与 Mendez P F相似的平台对埋弧焊的熔滴过渡行为进行观察。实验结果表明，焊接电流大小和极性对熔滴过渡的行为的影响很大。500 A直流反接时，可以观察到一个形状不规则的大熔滴，熔滴表面会发生爆炸并且爆炸频率比熔滴脱落的频率更高。随着电流的增加，熔滴尺寸逐渐减小，熔滴脱落的频率逐渐增加，在影像中可观测到很明显的非轴向过渡，如图5所示[9]。而在600 A 及以上的大电流时，极性对熔滴的过渡形态会产生明显影响：电极为负的周期内，熔滴过渡的主要方式为爆炸过渡;而在电极为正的周期内，可以观察到新的熔滴过渡形态，即“鞭尾”状熔滴过渡，如图6所示[16]。Sengupta V 认为“鞭尾”产生的主要原因是：大电流时，电磁扭结的不稳定性会导致不对称的磁场分布，这使得焊接电弧一边的磁场力比另外一边的磁场力要大，最终促使熔滴成鞭尾状过渡，它在本质上仍属于渣壁过渡。

国内学者李科、吴志生等[5， 17， 18， 19]利用不锈钢管、高速摄影仪和汉诺威焊接分析仪搭建了如图7所示的反埋弧焊熔滴过渡摄影系统[5]，并得到如图8所示的3组不同焊接电流下的埋弧焊熔滴过渡图像和焊接电信号概率密度分布曲线图。李科结合电信号概率密度分布曲线图分析了埋弧焊的熔滴过渡图像，得出以下结论：随着焊接电流的增大，埋弧焊过程中依次出现无短路渣壁过渡、小电流短路渣壁过渡和大电流短路渣壁过渡;在大电流焊接时还存在弧桥并存现象，即熔滴附着在渣壁上连续流向熔池形成短路桥。

综上所述，埋弧焊的熔滴过渡方式以渣壁过渡为主，并且在大电流时会出现“鞭尾”现象。目前，大多数针对埋弧焊熔滴过渡的研究主要集中在电流参数（大小、极性和频率）对熔滴过渡的影响上，而关于其他焊接参数如焊接电压、焊丝直径、送丝速度等对熔滴过渡影响的文献较为少见，仍没有形成较为系统的理论体系。因此，探讨电流以外的参数对埋弧焊熔滴过渡的影响仍是未来的一个重要研究方向。

2 埋弧焊工艺研究进展

2.1 埋弧焊焊缝成形机理及影响因素

埋弧焊时，焊丝与母材之间形成电弧，电弧燃烧产生的高温熔化焊丝、母材和焊剂，形成熔池;随着电弧的远离，熔池逐渐冷却凝固成为焊缝。焊缝形状可以用3个参数来描述，分别是熔深（母材熔化的深度）、熔宽（两个焊趾之间的距离）和余高（母材表面和焊缝最高点之间的距离），如图9所示。

研究表明[21]，焊接电弧主要由阳极区、弧柱区和阴极区3个区组成;每个区对应不同的压降，如图10所示。其中， U1为阳极区压降， U2为弧柱区压降， U3为阴极区压降，因此，单位时间内焊接电源向电弧提供的能量由这3个区分担。3个区的能量分别为：

Q1= I（U1+ UW + UT ） （1）

Q2= I（U2） （2）

Q3= I（U3- UW - UT ）（3）

式中： UW 为电子逸出电压; UT 为弧柱区温度等效电压;Q1、Q2和 Q3分别为单位时间内阳极区、弧柱区和阴极区获得的能量。

通常情况下，阴极压降较大，即 U3>U1，且大电流焊接时 UW 和 UT 可以忽略，所以有 Q3>Q1。也就是说，直流正接（焊丝接阴极，工件接阳极）的情况下，焊丝的热输入大于工件的热输入;直流反接（焊丝接阳极，工件接阴极）的情况下，焊丝的热输入小于工件的热输入。因此，电流的大小和极性通过影响热输入来影响熔池的形状，从而影响焊缝成形[20]。

焊接电流、电弧电压、极性、送丝速度和焊丝直径等焊接工艺参数均是影响埋弧焊焊缝成形的重要因素。其中，焊接电流增大时，工件的热输入增加，所以焊缝熔深会增加;但由于电弧潜入工件的深度比弧柱直径的宽度增加得更快[21]，相对而言，焊缝熔宽增加得并不明显。Choudhary A[22]指出，在众多焊接参数中，电弧电压对熔宽的影响最大，电弧电压增加时，焊缝熔宽显著增加。在极性影响方面，直流正接时，焊丝接负极，焊丝的热输入占总热输入的比例较大，所以焊丝熔化速率大，工件熔化速率小，熔敷率高，焊缝熔宽大、熔深小;而在直流反接时，工件接负极，工件的热输入占总热输入的比例较大，所以工件熔化速率更大，焊丝熔化速率小，熔敷率低，焊缝熔宽小、熔深大。送丝速度对焊缝成形也有显著影响，送丝速度增大时，能量不能有效地转移到工件深处，降低了工件的热输入，使得焊缝熔深减小，熔宽增大;反之，焊缝熔深增大，熔宽减小[23]。焊丝直径通过影响焊接电流密度来影响焊缝成形，焊丝直径减小时，焊丝电流密度增大，熔化速率也增大，焊缝熔深和余高增大，但焊缝熔宽变化不大[24]。因此，合理地设置焊接参数可以有效地控制焊缝成形。

2.2 埋弧焊焊接电流波形对焊缝成形的影响

埋弧焊时，焊接电流波形直接影响焊缝成形质量。目前常用的埋弧焊电流波形有直流、直流脉冲和交流方波3种。为提高埋弧焊生产效率，往往会采用较大的焊接电流进行焊接。然而，对于传统的直流埋弧焊，大电流会增加焊接热输入，过大的热输入会使焊缝区晶粒粗大，降低焊缝的力学性能，使焊缝质量变差[25]。直流脉冲波形和交流方波波形可以有效改善这种状况，如图11所示。王占英等[26]研究了直流脉冲频率对焊缝成形的影响，发现随着脉冲频率的增大，焊缝的熔深和熔宽均先增大后减小，焊缝余高略有减小，但变化不明显。此外，焊接电流在基值和峰值之间周期性切换，作用在熔池上的各种力也呈周期性变化，使熔池得到充分的震荡和搅拌，从而细化晶粒，提高焊缝的力学性能[25]。高莹等[27]对比了直流脉冲埋弧焊与直流埋弧焊对焊缝组织的影响，得到了如图12所示的埋弧焊缝显微组织，其中，试样1～4为电流值依次增加的直流埋弧焊焊缝显微组织，试样5～8为电流基值依次增加的直流脉冲埋弧焊焊缝显微组织;实验结果表明，直流脉冲埋弧焊比直流埋弧焊焊缝更加细小，并且大电流直流脉冲焊缝比小电流直流脉冲焊缝具有更细小的晶粒。

交流方波是当今埋弧焊中应用最为广泛的一种波形，其主要的波形参数有3个：占空比、偏置量和方波频率。占空比是指电极正极性波形在一个波形周期中所占的比例，偏置量是指电极正极性电流峰值的大小，频率是指每秒内波形极性变换的次数。Pedrazzo、康凌风等[28-30]研究了交流方波参数对焊缝成形的影响，结果显示，随着占空比的增大，焊缝熔深增加，熔宽先增大后减小;偏置量增大导致焊缝熔深增加，熔宽减小;方波频率的增大导致焊缝熔深减小，但熔宽的变化不明显。张建优[21，32]进行了大量的对比试验后得到了如图13所示的不同交流方波参数对焊缝成形影响曲线，并给出了如下的理论解释：占空比增加意味着在一个波形周期内，工件处于阴极的时间增加，相应的工件热输入也增加，同时电流为正的时间增加导致正粒子对熔池的冲击作用增大，两者共同作用使焊缝熔深增加;反之，用于熔化焊丝的热量增加，使熔深变浅，但可以提高熔敷率。偏置量增加意味着正极性的电流峰值增加，电流密度增加，焊接电弧力增大，正粒子对熔池的冲击力增加，同时，正极性电流的增加会导致工件的热输入增大，两者共同作用使焊缝熔深增加，熔宽减小;反之，负极性的电流峰值增大，用于熔化焊丝的热量增加，使熔深变浅，但可以提高熔敷率。方波频率增加，尽管工件的熱输入无明显变化，但方波周期变短会使一个周期内正粒子的加速时间减少，这意味着正粒子对熔池的冲击也会减小，最终导致焊缝熔深减小，熔宽增加。频率对焊缝熔宽的影响较为复杂。频率较低（50 Hz以下）时，随着频率的增加，电磁力对熔池表面的搅拌作用增强，向熔宽方向释放的热量增多，导致熔宽增大;频率较高（50 Hz以上）时，由于正粒子流和熔池流动的惯性作用，焊接电弧力和电磁搅拌作用将减弱，导致熔宽减小。孙威[4]研究了极性对焊缝成形和质量的影响，结果表明，直流正接时，电弧不稳定，熔滴粗，飞溅大，气孔率高，熔深小;直流反接时，电弧稳定，熔滴较细，不易引起飞溅，气孔率低，熔深大;交流焊接时，气孔率理论上介于直流正接和反接之间，但因交流电弧可以抑制磁偏吹，所以气孔率更低。

除了直流、直流脉冲和交流方波波形，越来越多新的波形控制技术被提出。最新的研究表明，高频（通常大于5 kHz）脉冲电流有利于焊接电弧的收缩，增加熔透深度，减少焊缝气孔，细化焊接区的晶粒组织，有利于提高焊接接头的力学性能[31]。为此，研究人员将高频脉冲技术与直流脉冲和交流方波波形相融合，提出了高频脉冲和变极性高频脉冲两种电流波形，分别如图14和图15所示。

传统的直流埋弧焊焊接电流大，导致焊缝区晶粒粗大，降低了焊缝力学性能，使焊缝质量变差。直流脉冲电流波形的引入有利于细化焊缝区晶粒，增强焊缝力学性能;而交流方波电流波形可抑制磁偏吹，减少气孔率;两者均可改善焊缝成形。高频脉冲可增加熔透深度、细化焊缝区晶粒组织并减少气孔率，将高频脉冲技术与直流脉冲和交流方波波形相融合有助于推动埋弧焊波形工艺的发展，提高埋弧焊的工艺质量。

3 埋弧焊焊接电源研究进展

3.1 埋弧焊焊接电源发展

焊接电源为埋弧焊提供所需的电流、电压，是焊接过程中的能量来源，直接影响焊接的起弧燃烧、焊接过程的稳定和焊缝质量的好坏。电子信息技术、半导体材料、集成电路等各个领域的技术突破推动了埋弧焊焊接电源的发展。20世纪20年代，弧焊发电机和交流弧焊变压器被依次发明并陆续推广应用于埋弧焊中。到了20世纪60年代，随着硅整流器件和晶闸管的研制成功，开始出现了弧焊整流器[33]。1978年，弧焊逆变器研制成功，推动埋弧焊焊接电源进入可控逆变时代。20世纪80年代前后，大功率晶体管（GTR）、功率场效应管（Power MOS- FET）、绝缘场效应晶体管（IGBT）、SiC MOSFET等半导体功率器件相继出现，促进了埋弧焊焊接电源的进一步发展[33]。如今，轻量化、高效率、模块化和智能化已成为埋弧焊焊接电源的主流发展方向。

3.2 埋弧焊焊接电源控制技术研究进展

早期的埋弧焊焊接电源均采用模拟控制系统。由于模拟控制系统的元器件数目过多，调试复杂，受温度影响大且运算能力受限，而数字化控制系统有具有控制精度高、稳定性好、响应速度快等优点[34-35]，因此，数字化已成为埋弧焊焊接电源控制技术的主流发展方向。

国外的数字化焊接电源发展较早。芬兰的Kemppi公司于1993年发布了数字化逆变焊接电源控制系统。1994年，奥地利的 Fronius 公司推出了 TPS2700/4000/5000系列数字化电源控制系统，可以在一台焊机上实现多种焊接方法，并且通过人机交互界面实时显示当前焊接参数。林肯电气推出的 POWER WAVE系列埋弧焊机采用了数字化波形控制技术，可实现直流、交流和恒压等多种输出模式，能够测量、计算并显示即时焊缝能量以计算临界热输入，而且还能进行远程监控和控制。21世纪以后，国外的林肯、松下、欧地希等各大公司陆续推出了自己的数字化焊接电源品牌[36-37]。

我国焊接电源数字化控制技术的研究起步较晚。2000年以后，华南理工大学、哈尔滨工业大学、北京工业大学等高校的研究团队开始着手焊接电源数字化研究。哈尔滨工业大学唐刚等[38]利用单片机和 DSP设计了一款数字化焊机控制系统，不仅可以实现多种焊接方法，还可设置并实时显示电流、电压、送丝速度等焊接参数。华南理工大学佘欣仁等[39]研制了一套基于 ARM3内核的全数字埋弧焊机，利用高性能 ARM 微控制器实现多种焊接波形的精细化控制。北京工业大学林万[34]基于 ARM-Cotex M4内核设计的数字化弧焊逆变电源，具有显示、调用、存储和监控功能，还可根据检测状况实时修正焊接参数。华南理工大学唐嘉健[43]研制了一台输出电流高达1250 A 的全数字逆变式交流方波脉冲埋弧焊焊接电源，总体框图如图16 （a） 所示，采用以 ARM-Cotex M4芯片为核心的高速控制电路来提高系统的运算速度，采用分离式增量 PID 算法实现输出电流波形的精细控制，并通过全数字化 PWM 调制实现了如图16（b）所示的高精度交流脉冲电流波形输出，可有效减少焊缝咬边，减少气孔并细化晶粒，获得如图16（c）所示的交流脉冲焊接焊缝成形。

埋弧焊焊接电源由传统的模拟控制转换成数字化控制之后，控制系统的运算速度、动态响应速度和稳定性显著提升，有利于实现焊接过程的智能化和精细化控制，提高埋弧焊的焊接效率和焊缝质量[44]。国内的焊接电源企业如北京时代、山大奥太等已陆续推出相应的数字化埋弧焊焊接电源产品。

3.3 埋弧焊焊接电源功率变换技术发展

目前，埋弧焊焊接电源的功率变换技术主要有以下几大发展趋势。

（1） 高频化。目前埋弧焊焊接电源普遍采用 Si基IG- BT 作为功率开关器件，由于拖尾电流的影响，IGBT 的关断时间较长，所以其开关频率一般在20 kHz左右。目前，Si基功率器件的各方面性能已隨其制造工艺的完善而接近由其材料特性决定的物理极限[41]。SiC是一种宽禁带半导体材料，其禁带宽度是 Si材料的3倍左右，同时具有更高的击穿电场、更好的散热性能和更优的高频特性[40]。SiC MOSFET等宽禁带功率器件的发展，可以推动埋弧焊焊接电源的逆变频率从目前的20 kHz向50 kHz、100 kHz 、200 kHz 和更高的逆变频率方向发展[42]。谢芳祥等[40]采用SiC MOSFET 模块研制了一台逆变频率高达100 kHz的全数字化脉冲焊接电源，其响应速度快、电弧调节能力强、焊缝成形良好且缺陷少;饶杰等[45]利用SiC MOSFET 功率模块研制了一台逆变频率高达50 kHz 的全数字化变极性脉冲焊接电源，通过数字 PID 算法实现对电流波形的精密控制，换流效率高，控制精度和动态响应能力好。

（2） 提升能效。埋弧焊焊接电源的输出电流较大，功率高;随着逆变频率的提高，埋弧焊焊接电源的开关损耗也随之增加，会导致能效严重下降[41]。软开关技术可有效提高埋弧焊焊接电源的效率。常用的软开关技术有准谐振电路、零开关 PWM 电路和零转换电路等。准谐振电路出现较早，谐振的引入可降低电路开关损耗，但电路中的谐振峰值电压高、谐振电流有效值大，对器件的耐压耐流值有较高要求。此外，谐振电路中存在大量无功功率的交换，增大了电路的损耗。零开关 PWM 电路分为零电压开关 PWM 电路和零电流开关 PWM 电路，可以采用开关频率固定的 PWM 控制模式，对器件耐压要求相对较低。零转换 PWM 电路的谐振电路是与主开关并联的，因此输入电压和负载电流对电路的谐振过程影响很小，并且电路中的无功功率也很小，这进一步提升了电路效率[41]。华南理工大学的范文艳等[46]采用SiC MOSFET模块研制了一套基于 LLC零电压拓扑结构的谐振软开关换流电源，额定输出功率达到8 kW ，谐振换流频率可高达400 kHz ，DC-DC部分的电能转换效率高达98.2%，其系统框架如图17所示。

（3） 绿色化。目前大部分逆变焊接电源均采用不可控整流二极管和大滤波电容作为整流滤波模块，容易产生交变的严重非正弦化和窄脉冲电流，降低了逆变焊接电源的功率因数，增加了堆电网的干扰[33]。因此，需要深入研究大功率的三相功率校正（PFC）技术，利用 PFC技术来改善输入电流波形和提高功率因数已成为发展趋势。功率校正又分為无源功率校正技术和有源功率校正技术。无源功率校正技术通过在二极管中增加电感、电容等无源元件对电路中的电流尖峰进行抑制，以降低电流谐波量，提高功率因数。有源功率因数校正技术采用全控型开关电路对输入电流波形进行控制，可减少电流谐波量，功率因数可高达99%以上[41]。通过功率因数校正技术有望解决埋弧焊焊接电源面临的谐波污染和功率因数低的难题。

总的来说，高频化技术、能效提升技术和绿色化技术的发展有助于实现埋弧焊模块化、大功率化和高效化，有利于进一步提高埋弧焊焊接电源的综合性能，进而提高埋弧焊工艺质量和生产效率;而数字化进程的加快，有利于提升埋弧焊焊接电流波形的精细化调控能力，有利于进一步提升焊接工艺质量。

4 结束语

（1） 埋弧焊的熔滴过渡方式与焊接电流、极性密切相关。小电流（500 A）直流焊接时，熔滴过渡方式主要为非轴向滴状过渡;大电流（600 A及以上）直流焊接时，熔滴过渡方式主要是渣壁过渡;大电流交流焊接时，在电极为正的周期内，熔滴过渡方式为“鞭尾”状渣壁过渡，电极为负的周期内，熔滴以爆炸方式过渡。

（2） 焊接电流波形是影响埋弧焊焊缝成形的重要因素。脉冲电流可细化熔池晶粒，提高焊缝的力学性能;利用交流方波波形可以抑制磁偏吹、减少气孔率、改善焊缝成形;高频脉冲有利于增加熔透深度，减少焊缝气孔。

（3） 数字化控制技术以及基于第三代宽禁带SiC MOSFET的高频功率变换技术的进步，推动了大功率埋弧焊焊接电源向模块化、大功率化、高效化和绿色化方向发展，有利于进一步提升埋弧焊焊接效率和工艺质量。

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第一作者简介：王振民（1974-），男，湖南东安人，博士，教授，博士生导师，研究领域为数字化焊接电源、焊接过程智能化、水下机器人制造技术，已发表论文90余篇。

（编辑：王智圣）