伊达高科焊接（昆山）有限公司 张洪博士
摘 要：coldArc冷弧焊是一种新型的熔化极气体保护电弧焊方法。该方法通过对焊接过程中电弧电压和电流进行精确的控制和调节，使电弧稳定，同时又能显著地降低电弧能量，满足超薄的镀锌板以及轻型铝合金材料的焊接。
关键词：短弧焊 coldArc冷弧焊 薄板
1 前言
在现代工业中超薄板以及轻型金属结构件的用途已经越来越广泛，尤其是在汽车工业中，超薄的镀锌板以及轻型铝合金材料的应用已非常普遍。这类工件在焊接时对电弧的热量非常敏感。要求焊接电弧的能量尽可能的小，以避免焊接件因过热而受到不良影响。常规的气体保护电弧焊已不能满足这类工件对焊接的要求。德国EWM公司的coldArc--冷电弧熔化极气体保护焊，简称”冷弧焊”，是一种新型的熔化极气体保护电弧焊方法。该方法通过对焊接过程中电弧电压和电流进行精确的控制和调节，使电弧稳定，同时又能显著地降低电弧能量。
2 传统的小电流气体保护电弧焊接--短弧焊
在传统的气体保护电弧焊中，短弧焊是一种低能量的焊接方法，在薄板焊接中常被采用。短弧焊的焊接电流和电压都较小，其熔滴过渡为短路过渡，如图1所示。从图中可见，电弧燃烧后路,电弧被熄灭。熔池的表面张力将熔滴拉向熔池，使熔滴产生颈缩，随后熔滴与焊丝分离，在焊丝和熔池之间又重新燃烧电弧。图1同时显示出短弧焊中一个熔滴短路过渡周期里的焊接电流和焊接电压的变化：
在短路瞬间，由于电阻变小，电压急骤下降，电流开始上升，直至短路电流。
在熔滴脱落的瞬间，电压急骤上升，以保证电弧重 新引燃。由于电路中电感的存在，熔滴脱落后电流只是缓慢地下降。因此在短路后电弧重燃的瞬间，电流和电压值都很高，如果控制不当，在这一瞬间极容易出现飞溅或电弧不稳。
现代化的焊接电源可以对短路熔滴过渡过程中的电流和电压进行控制，使短弧焊时电弧稳定，并且几乎无飞溅产生。因此在一般的薄板焊接中，短弧焊被广泛应用。但是短弧焊中电弧重燃时较高的电弧能量却会对许多焊接件产生不良影响。例如在超薄板焊接时，短弧焊重新燃弧的高能量会将焊件烧穿。在焊镀锌板时容易破坏表面的镀锌层等。因此在焊接对热量极为敏感的焊件时，传统的短弧焊已不能适应要求，需要有新的焊接方法。
图 1短弧焊时熔滴短路过渡及相应的电压、电流变化示意图
3 coldArc---冷弧焊原理
德国EWM公司不久前推出的coldArc---“冷弧焊”方法，其目的是为了降低短弧焊过程中电弧重燃时出现的局部能量高峰。“冷弧焊”也是一种短弧焊接过程，有周期性的短路阶段和燃弧阶段。图2是“冷弧焊”过程中电压和电流在一个短路周期里的变化。其电压的变化与传统的短弧焊电压变化一致。在焊接过程中，该电压的变化被不间断地反馈给焊机的控制系统，焊机中的数字信号处理器(DSP)根据反馈的电压信息对电流进行快速的调节，在电弧即将重新燃烧的瞬间，以不到1μs的时间快速地将电流降下来，使电弧在非常平稳的状态下重新燃烧。
图 2“冷弧焊”时熔滴短路过渡及相应的电压、电流变化示意图
弧重燃后，为了使焊丝的端头形成新的熔滴，又需要较高的电弧能量，因此在电弧重燃后，给出一小的脉冲电流，以确保焊丝端头熔滴的形成。随后再将电流降到很低的状态，使熔滴不再长大。此后又开始了下一个短路过渡周期。“冷弧焊”通过控制短路过渡时的电弧能量，使每次过渡的熔滴大小均匀，因此焊缝成形均匀。同时又将焊接过程中电弧的能量降至最低。 图3是传统短弧焊和“冷弧焊”在电弧重燃时电弧能量的比较。“冷弧焊”的能量显著低于短弧焊，特别是在电弧重新燃烧的瞬间，“冷弧焊”的能量大幅度地降低。
图3电弧重燃时短弧焊电弧能量和“冷弧焊”电弧能量比较
图4是高速摄影拍下的“冷弧焊”过程中一个短路过渡周期的照片。熔滴过渡和电弧重燃在非常平稳的状态下进行。
图4 “冷弧焊”熔滴短路过渡高速摄影照片(8000张/秒)
4“冷弧焊” 焊接电源
“冷弧焊”焊接方法完全是通过焊接电源内的电气控制系统来实现的。要求对电源的输出控制更为精确、快速和有效。图5是EWM-coleArc“冷弧焊”数字化控制逆变电源。电源对送丝机构和焊枪并无特别要求，常规的熔化极气保焊送丝机构和焊枪可直接用于“冷弧焊”焊接。这种方法即可用于全自动化焊接，也可用于手工半自动焊接。
图5 “冷弧焊”数字化控制逆变电源
5. “冷弧焊” 的应用
“冷弧焊”方法扩展了MIG/MAG焊在金属连接中的应用范围。例如在汽车工业新型车体的焊接中，传统的MIG/MAG焊接方法不能获得满意的效果，采用“冷弧焊”方法可以得到性能优良的焊接接头。“冷弧焊”一个典型的应用是在汽车车体的焊接。汽车上常用的镀锌板现在基本上用Cu焊丝进行电弧钎焊。当焊缝间隙很大时，采用常规的电弧钎焊难以焊接，“冷弧焊” 却可以焊出优良的焊缝。
图6是“冷弧焊”电弧钎焊的为4mm大间隙镀锌板焊缝。镀锌板厚0.8mm，采用的焊丝为1.0mm直径的CuSi3焊丝。手工半自动焊接焊接电流50A，电压13.5V。“冷弧焊”还可用Zn基焊丝进行电弧钎焊。Zn基焊丝的熔点为450 °C，大大低于Cu基焊丝的熔点(约1000°C)。用Zn基焊丝进行电弧钎焊，母材受到的热影响小。Zn基焊丝的沸点略高于900°C，如果在焊接时电弧重燃的能量未控制住，熔滴会被蒸发掉。“冷弧焊”对电弧重燃时的能量进行了有效的控制，使Zn基焊丝在电弧钎焊中的应用成为可能。
图6 手工半自动“冷弧焊”电弧钎焊镀锌板接头。
板厚0.8 mm，焊缝4.0 mm，焊丝CuSi31.0 mm直径
图7“冷弧焊”电弧钎焊镀锌板，搭接接头，Zn基焊丝
图7是Zn基焊丝电弧钎焊的0.75mm厚的镀锌板。无论是在焊缝的边缘，还是在焊缝背面的钢板上，其镀锌层都保持完好，并未被电弧烧损。在汽车工业中还越来越多的要求将铝和钢连接在一起，用“冷弧焊”和Zn基焊丝可实现这两种不同材料的电弧焊接。接头中铝材被局部熔化，而钢材则被钎焊上，避免了焊缝中出现FeAl脆性相。
图8是这种焊缝的一个例子。图9至图14是其它的一些焊缝示例。
图8“冷弧焊”铝--钢混合材料接头
上图：接头剖面
下图左：剖面金属图
下图右：汽车车门的铝--钢接头
图 9镀锌板板厚0.7 mm，AlMg合金板厚1.0 mm, “冷弧焊”铝－钢混合材料搭接接头。 1.0 mm直径AlSi5焊丝，焊接速度1.1 m/min, 焊接电压 U=14.5 V，焊接电流 I=60A
图 10“冷弧焊” 电弧钎焊镀锌板搭接接头。 板厚0.7 mm，1.0 mm直径Zn基焊丝焊接电压U=13.5 V，焊接电流 I=40A
图 11“冷弧焊”铝－钢混合材料搭接接头。镀锌板板厚0.7 mm，AlMg合金板厚1.0 mm, 1.0 mm直径Zn基焊丝,焊接电压U=13.5 V，焊接电流 I=40A
图 12板厚1.0 mm，焊缝间隙1.0 mm，1.0 mm“冷弧焊”钢板对接接头。 直径G4Si1焊丝，焊接速度2.0 m/min, 焊接电压U=19V，焊接电流 I=136A
图 13 板厚0.5 mm，0.8 mm直径不锈钢焊丝，“冷弧焊”不锈钢搭接接头。 焊接速度2.0 m/min,焊接电压U=16.5V， 焊接电流 I=90A
图 14板厚0.8 mm，1.0 mm直径AlSi5焊丝，“冷弧焊”AlMg3搭接接头。 焊接速度1.2 m/min,焊接电压U=13V， 焊接电流 I=55A
6 小结
“冷弧焊”是一种熔化极气体保护电弧焊，其电弧能量比短弧焊更低。“冷弧焊”是通过对电源的电气控制来实现的，既可用于全自动焊接，也可用于手工半自动化焊接。“冷弧焊”采用了更为精确的方法来控制短路过渡中的熔滴过渡，使电弧更为平稳，焊缝均匀。在薄板以及对电弧热量非常敏感的材料的焊接时，采用“冷弧焊”可获得比传统焊接方法更为理想的焊接接头。
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