伊达高科焊接（昆山）有限公司 陈龙
摘 要：”forceArc” 焊接技术通过电子控制的方式控制电感量来阻止能量（电流×电压×时间）的剧增，所以在焊接过程中电弧就可以很快地越过飞溅最容易产生的区域，从而达到避免飞溅的目的。
关键词：forceArc 短弧 电子控制 避免飞溅
引言
气保焊中的喷射过渡在实际焊接操作中广泛应用。喷射过渡是在较大的焊接电流和采用惰性气体或高含氩混合气体时出现。在20世纪80年代末，德国标准DIN 1910-4 对喷射过渡做了如下定义:“在喷射过渡中焊丝熔滴是以微细颗粒的方式过渡到焊缝中，熔滴过渡中不会出现短路。”喷射过渡时电弧的电压较高，也就是说电弧较长（见图1）。 较长的电弧稳定性降低，电弧受磁偏吹的影响易发生偏移，容易出现焊缝咬边和气孔的生成。另外对合金的烧损也比较严重，这对喷射过渡的实际应用产生了不利的影响。熔化极气保焊先驱之一Hans-Ulrich Pomaska [1]曾提出过“能量集中的短弧喷射过渡”方法。此种方法是将喷射过渡的电弧电压少许降低，结果是在焊接过程中不可能完全避免短路。如果短路持续时间很短，尽管会出现电压陡降，但电流却来不及大幅度上升。在这种状态下焊接也不会出现飞溅，只是有一些小小的喷溅。焊接中听到的声音是轻微的噼啪声, 而不是紊乱的嘈杂声。图2展示了这种焊接方式下电流和电压随时间的变化。这种电弧很快被应用到实际中。德国标准中相应的喷射过渡的定义也改为：“熔滴过渡是以微细颗粒方式进行，熔滴过渡中几乎不出现短路。”
如果进一步降低喷射过渡的电弧电压，会使得熔滴短路的时间延长，造成严重的飞溅。尽管在理论上希望电压降低，但在实际中却迄今都难以运用。随着逆变技术的发展以及现代化的数字化控制系统的发展，使得超短弧电压喷射过渡焊接应用成为可能。新型的焊机有足够快的调节速度，在短路断开后达到正常电弧电压前，控制住焊接电流的过高增长，同时也控制住单位时间内焊机的输出能量。这样可以大幅度减少短路过渡时产生的飞溅，使超短弧电压喷射过渡能够成功地应用于实际中。这一新型的焊接电弧形式，我们称之为“EWM forceArc--超威弧”。接下来将对其进行详细介绍。
图1. 超短弧电压喷射焊接
图2. 电流电压随时间变化曲线图
forceArc简介
“强制” 电弧与短喷射弧焊相比，“超威弧”焊接技术通过不断降低弧压来减少弧长。从高速摄像机所拍摄的一张静态图片中(图3)可看出，电弧在等离子压力下形成熔池，熔滴尺寸均匀，而且形成速度很快。对于此类型熔滴，它们不可避免的会偶尔粘结在一起形成熔滴链再接触到熔池，这就提供了一个短路条件，在整个过程中如果没有控制系统的干预，在重新起弧时将会形成较大的飞溅。这种相对较长的短路状态下电流和电压的变化情况，我们可以用短弧焊中短路过渡方式的一个周期来解释，这是一个非常典型的过程[2]。当熔滴和熔池接触时，电压首先降低(见图 4)，因为这时的电弧电阻和先前比起来相对较小，电流在电压降低之后才会上升到短路电流。“强制”喷射电弧焊中，程序通过控制来阻止能量(电流×电压×时间)剧增，所以在焊接过程中就可以很快越过飞溅最容易产生的区域，从而达到避免飞溅的的。如果使用的是传统的焊接电源，不可能让焊接电流在短时间下降，这是因为在一般的电源中，因为变压器和电抗器感抗的存在，不允许电流有这么快的变化速度。在我们的逆变技术中，我们是通过电子控制的方式控制电感量。例如在短路过渡，电抗器可以被完全关闭，这就意味着唯一的电抗存在于电缆引线之间，也就是在短路状态和重起弧过程中电流的上升和下降可被快速调节。这样就可以完全阻止飞溅的产生。要精确地控制电流上升和下降的时间，对电源的电压反馈回路要有更高的要求：硬件电路必须能够在短暂的时间内采集到电压的改变,并反馈给控制回路。图 5 是“EWM 超威弧”焊接过程中出现短暂短路时的电压和电流的变化曲线，从曲线中可看出，电压和电流并没有出现大的波动，这就阻止了飞溅的产生。具有这种快速反应的焊机的另一个优点是：在焊接时可以允许焊丝伸出焊枪较长。有些焊接部位焊枪不易达到，用“EWM 超威弧”焊接却能对这些部位进行焊接。
图3. 高速摄像机拍摄的静态图片
图4. 短路时的电流电压曲线图
a) 短路
b) 和 c) 熔滴转移
c) 重新起弧
图5. “EWM forceArc”电弧的电流电压输出曲线
forceArc的优势
增强的熔化穿透特性显著提高了成型效果，使根部成型更紧密更狭窄。图6显示的是常规短弧焊(右)和强力超威弧焊(左)焊接“T”型接头的效果对比图。使用“EWM 超威弧”焊接，焊缝宽度较窄，熔深增加。
forceArc---超威弧的特点
新式电弧工作在喷射过渡区。其焊接电流范围在常规的喷射过渡电弧或长弧电弧的电流范围，与常规喷射弧相比新式电弧焊具有一下优点:
* 强大的等离子电弧推力造就了高熔深
* 手工作业时可轻松保持电弧的方向稳定短弧焊接避免产生焊缝咬边
* 高效的焊接速度使工作事半功倍
* 高品质的焊缝归功于窄而小的热影响区
* 焊接能量小使得工件变形减少
图6. 横截面比较图
“T”型接头
左图:强力超威弧焊 右图:常规短弧喷射过渡焊
应用
毫无疑问，一种新式的电弧必须联合一个现代化焊机才能相得益彰。只有得到逆变电源和数字化记录管理系统的支持，焊机才能对用户的操作指令具有很高的响应性。实现超威弧焊接对焊接电源有更高的要求，只有在逆变电源中采用先进灵敏的数字化控制系统才能保证超威弧的优越的焊接效果，图7为 EWM 公司的最新研究力作--“EWM forceArc” 焊机，该机器除能进行超威弧焊外，还可用于MIG/MAG 常规焊、MIG/MAG 脉冲焊、手弧焊、TIG 焊。
此项新式焊接技术尤其适用于机械工程、设备工程、钢结构、造船业、容器、高压容器、设备建造、以及海上作业。适用的焊接材料为碳钢、合金钢、铝及铝合金。焊材厚度一般在5mm以上。适用焊丝的直径为1.0mm和1.2mm（碳钢、不锈钢）以及1.2mm和1.6mm（铝和铝合金）。保护气根据被焊材料可用纯氩或高含氩的混合气体。
图7. PHOENIX 500 EXPET PULS forceArc 焊机
参考文献
[1] Pomaska, H.-U.: MAG-Schweißen – „Kein Buch mit sieben Siegeln“. Linde AG, Höllrie-gelskreuth 1989. Available from Verlag und Druckerei G. J. Manz AG, München.
[2]Killing,R.:Handbuch der Schweißverfahren Band 1: Lichtbogenschweißverfahren (Handbook of Welding Processes Volume 1: Arc welding processes). Fachbuchreihe Schweißtechnik Band 76/I. 3. (Textbook series on welding, volume 76/I. 3), revised and expanded edition. DVSVerlag, Düsseldorf 1999.
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