朴东光

0 概述

　　按照ISO 9000的质量保证原则，一些“特殊过程”需要采取特殊程序、做充分的准备和持续的监控，以便保证其加工质量。就焊接而言，为了确保焊接接头产品的质量，企业应：

（1）具备足够的资源控制其焊接活动；
（2）从事焊接的各类人员应具备一定的专业知识和技能；
（3）确保焊接工艺的合理选择和使用；
（4）确保采用合适的设备、母材和焊接材料；
（5）具备有效的检验和纠正措施。

从成本和效率的角度出发，通过制定合适的标准并采用相应的合格评定程序是达到上述目标的捷径，这就构成了当今国际社会焊接领域标准和认证的主题。

1 ISO焊接标准化现状

在国际标准化组织内部，焊接领域的标准化工作由“焊接及相关工艺技术委员会”（ISO/TC44）负责。ISO/TC44秘书处设在法国标准协会（AFNOR），该委员会目前下设9个技术委员会和3个工作组，现有66个成员国（其中P成员30个，O成员36个），中国目前以P成员的身份参加委员会的活动。ISO/TC44目前归口的焊接标准数量为254项。

1.1最新动态

20世纪90年代以来，随着全球经济的迅猛发展，标准对经济的影响和利益牵动效应愈发显现。工业发达国家和地区在国际标准化舞台上竞争更加激烈。从1992年开始，在欧共体和欧盟建立共同市场的直接趋导下，欧洲标准得到迅猛发展。以美国、日本为代表的亚太地区工业发达国家，对参与国际标准化活动在政策上做了相当大的调整。在这种在的气候条件下，ISO焊接标准的产生也发生了戏剧性的变化。
目前，ISO焊接标准的起草、制定并非单纯由国际标准化组织机构（ISO）负责。欧洲标准化委员会（CEN）和国际焊接学会（IIW）也得到授权，承担了ISO焊接标准的制、修订工作。为了确保焊接领域内这些国际标准化活动的顺利开展，相关的规则也随之诞生了，见表1。
最近几年来，ISO/TC44的标准化活动更加贴近市场和实际应用，标准更具实质性内涵。突出体现在标准化对象不仅仅包含了过去的术语、符号、代号、表示方法，而且直接面向那些质量控制的关键环节，如焊接材料、人员考试、焊接工艺评定、焊接工艺规程、缺欠质量分类及等级要求、焊接接头的破坏性试验和无损检验等。
焊接材料由于在焊接过程中熔化并形成焊接接头的组成部分，而对焊缝质量产生直接影响。ISO焊接材料标准的变化非常具有代表性。长期以来，ISO焊接材料一直是焊接标准体系中的薄弱环节。其根本原因在于，不同国家在焊接材料型号分类方面存在着难以协调的技术差异，这种差异具体表现在力学性能、冲击值及温度等方面。这种情况一直持续了近20年。
20世纪90年代开始，在IIW、ISO/TC44/SC3和CEN/TC121/SC3的共同努力下，有关各方终于达成了共识。ISO 2560标准经过了十余年的反复协商，终于在2002年颁布实施，并为其它ISO焊接材料标准以“同居”的方式，包容了两种截然不同的技术体系，将为五至十年后的真正统一奠定基础。
ISO 3834系列标准是ISO 9000的质量保证原理结合焊接实践的产物。该系列标准来源于EN 729系列标准，由四部分组成。第一部分为选择和应用指南，后三部分给出了不同等级的焊接质量要求。标准为评估企业的焊接能力和指导建立可靠的焊接质量保证体系提供了指南。自1994年颁布实施以来，这套标准得到了高度关注，特别是标准中所描述的焊接质量控制的各个关键环节（包括人员认可、工艺评定、工艺过程、试验和检验等）成为了标准化的热点。以EN 729为准则的企业认证制度已经在欧洲普遍实行，并产生了良好的效应。目前，新的ISO 3834系列标准已于2005年颁布实施，2005版标准由五部分组成，在原有四部分的基础上，第五部分增加了便于应用的ISO文件指南。标准的修订更益于焊接认证，其第六部分目前正在制定过程中，该部分实施指南。
焊接人员资质和技能评定是质量保证的重要环节。按照维也纳协议，EN 719和EN 287系列标准分别被等同转化为ISO 14731和ISO 9606系列标准。而且ISO 14731所规定的各类焊接人员资质要求，经过欧洲焊接联合会（EWF）和国际焊接学会（IIW）细化，相应的国际焊接教育、培训和认证制度已经在全球范围普遍展开。
选择合适的焊接工艺参数是确保焊接质量的前提，而焊接工艺规程的确定则离不开工艺评定这一关键环节。EN 288系列标准的颁布为焊接工艺评定和规程的确定提供了参照依据。该系列标准随后被ISO/TC44等同转化为ISO 9956系列标准。由于焊接工艺的评定受母材种类、材料厚度、焊接方法的限制，ISO 9956系列标准无法涵盖所有材料和方法的工艺评定和规程标准体系。这套标准体系不仅完全取代了原有的ISO 9956系列标准，而且试图容纳更多的材料和方法。目前，该体系中取代原ISO 9956的基础通用部分标准已经完成，其延伸部分的一些标准（针对有色金属母材和一些特殊方法的标准，既ISO 15614的后十部分和ISO 15609的后两部分）尚在起草中。

1.2未来展望

进入21世纪之后，国际标准化的重点转向了世界贸易组织（WTO）成立以来的一系列经济热点。ISO/TC44将“标准化工作必须适应市场需要，满足国际贸易”作为其发展战略的准则，并据此在其“商务战略”中划定了工作重点，主要内容包括：

（1）焊接质量保证关键环节的标准化，即进一步完善焊接工艺规程和评定、焊工考试、焊接质量要求方面的国际标准；
（2）焊接材料和焊接设备国际标准的完善；
（3）焊缝破坏性试验和无损检测国际标准的完善；
（4）焊接健康与安全（包括设备防护在内）国际标准的完善；
（5）前沿技术国际标准（诸如电子束和激光焊接标准）的制定和完善。

从中不难发现，焊接认证已经在很大程度上成为了标准化的重点服务对象和应用舞台；焊接标准化将向环保领域拓展和延伸；标准将成为新技术传播和推广的有力手段。

2 焊接领域内的合格评定

2.1 合格评定概述
TBT协议在描述“合格评定”时，引用了ISO/IEC导则2规定的定义。客观而言，这个定义是准确、完整的。而目前正在修订的ISO/SEC 17000《合格评定——术语和通用原则》则对“合格评定”给出了更为通俗的说明，将其确定为“对有关产品、过程、体系、人员或机构合乎规定要求的展示”。
不论按照哪种定义，焊接领域内的合格评定都包含下述几部分：
（1）对产品（包括母材、焊接材料、焊接结构等）的检验；
（2）对人员资质的确认；
（3）对焊接工艺评定；
（4）对企业焊接能力的认可。

众所周知，合格评定的主要目的是在有关各方之间搭建信誉的桥梁，进而促进贸易和交往。这里所说的“有关各方”通常是由三方面利益主体构成；第一方为制造商或供货商；第二方为采购商或用户；第三方则为与前两者不存在任何利益关系的中立方。如政府或监督/中价机构。

如果按照行为主体划分的话，合格评定又可分成如下三类：

（1）第一方合格评定，由制造商或供货商进行，其输出结果通常为“供方的合格声明”；
（2）第二方合格评定，由采购商或用行进行，其输出结果通常为“验收”或“拒收”；
（3）第三方合格评定，由中立主（通常是认证机构）进行，其输出结果通常表现为“认证”或“注册”。

就独立性、严格性、科学性和公正性而言，由认证机构（其资质和能力均经过严格审核并验证合格）所进行的第三方合格评定无疑是上述三者中的佼佼者。这也是非合同环境条件下，市场上潜在的供需双方热衷于“认证的根本原因。
在产品制造过程中，焊接作为组装工艺，通常被设置在制造流程的末端，因而对最终产品质量具有决定性的影响。这也是焊接被视为一种“关键技术的缘由。此外，由于其共性技术的专业特点和其“特殊过程”的缘故，用户往往对制造商的信誉度要求较高，这就为各类焊接认证奠定了市场基础。

2.2 焊接国际认证的起源及发展

1972年，出于技术交流和成果分享的目的，欧洲焊接合作理事会（ECCW）宣告成立。ECCW在成立之初，其成员仅有比利时、丹麦、德国、法国、爱尔兰、意大利、荷兰和英国八个国家。20世纪90年代初，出于欧洲一体化的需要，ECCW扩至整个欧共体成员，而后又面向欧洲自由贸易联盟和东欧国家，其名称也变更为“欧洲焊接、连接与切割联合会”，简称为“欧洲焊接联合会”（EWF）。
欧洲市场的统一步伐实际上可以追溯至20世纪的80年代初期，并在90年代初始见端倪。其在焊接领域内的显著标志：从1991年开始，EWF着手焊接领域人员培训和认证体系的统一工作，如采用统一的欧洲标准强制取代各国的国家标准。在此基础上，陆续制定并颁布、实施了一系列规定各类欧洲焊接技术人员最低要求的规则、指导体系的运行的操作规程和指南。在其后的若干年内，EWF的这套体系在其成员中得到了顺利实施。
1998年，IIW和EWF签署了合作备忘录，期望在欧洲焊接培训和认证体系基础上，建立并推广国际统一的IIW焊接培训和认证体系。EWF体系由此向欧洲以外国家和地区打开了大门。
为了承接EWF焊接培训和认证体系在国际范围内的应用，IIW也做了必要的准备。从20世纪90年代初开始，IIW的XIV委（教育培训委员会）调研、分析了各国焊接教育培训的状况，并起草了一系列与EWF规程内容等效的IIW规程，这些规程涉及焊接工程师、技术员、技师和技士的培训和认证。1995年，IIW组建成立了VII委（授权与认证委员会），专门负责IIW认证体系的管理和运行。
从1995年开始，事实上就有两个类似的焊接培训和认证体系（EWF体系和IIW体系）在国际上同时运行。当然，这种状况带来的隐患就是未来任何程序的修改、调整和变化等可能导致体系差异，进而带来互认矛盾。为此，IIW和EWF于1998年签署的合作协议决定：双方合作发展国际统一的焊接人员培训和认证的体系，即采用统一的培训课程、考试制度及证书。
为了达到这一目标，IIW组建了专门的“国际授权机构”（IIW/IAB），负责两个体系的融合，确保新体系在IIW成员范围内得到顺利实施。这意味着在焊接人员培训和认证方面，IIW体系和EWF体系达到了某种意义上的“合二为一”了。
对此EWF体系和IIW体系，不难发现两者存在着十分紧密的联系。如果将EWF设计的焊接认证体系划分为“人员认证”和“企业认证”两个板块，那么目前首先“传播”到IIW体系中的则是人员认证的主体部分，见表2。　　
过去几年的实践表明：与欧洲标准变成国际标准的模式非常相似，IIW现有的六类焊接人员培训和认证程序均为源于相应的EWF体系。EWF体系对建设IIW认证大厦而言，是不可或缺的“建筑材料”，这确实是一个不争的事实。

2.3 焊接国际认证的现状及发展势态

IIW的焊接人员培训和认证体系自20世纪90年代中后期建立以来，在IIW范围内得到了普遍实施。目前，IIW/IAB已经建立了比较完善的组织机构和运行机制，并得到了各成员国家授权机构（ANB）的有力支持。该认证体系包含了六类焊接人员（国际焊接工程师、国际焊接技术员、国际焊接技师、国际焊接技士、国际焊接质检员和国际焊工）的培训和认证程序。参加这个培训和认证体系的成员数量已经达到了35个国家，其中，印度、墨西哥、塞尔维亚黑山共和国、新加坡目前在IIW/LABR的活动身份是申请成员。
最近几年以来，全球的年均认证数量一直保持在5000人左右，这充分表明：IIW的认证体系已经步入稳定发展阶段。截止到2004年底，IIW/IAB发放的各类IIW焊接人员证书数量共计24379份，2004年的发证总数比上年度增长1.8%，具体认证统计情况参见表3和图1。
就IIW体系的运行而言，总体情况令人满意。为了确保培训和认证的有效实施，IIW/IAB对焊接人员的培训程序做了比较周密的考虑。目前的培训程序，在最初获得授权后过渡期基础上，安排了三种途径以便操作：
（1）标准途径；
（2）可选途径；
（3）远程教育。
这些程序的制定很好地吸纳了实际应用和市场方面的反馈建议，充分考虑了培训人员已有的知识水平、学时、培训模块之间可能产生或存在着的矛盾，并在规程中做了恰当处理。培训机构可以根据具体情况，灵活掌握，在保证培训质量的前提下，达到降低培训成本，提高效率的目的。IIW体系之所以能够得到顺利实施，不能说与此无关。
客观而言，现有的IIW焊接培训和认证体系虽然取得了较好的成效，但在满足市场需求方面尚有一定的差距。IIW/IAB对此保持着清醒的认识，并正在（或准备在今后）采取必要的措施，不断加以完善。
就人员的培训和认证而言，IIW/IAB在现有六类人员认证的基础上，正在考虑做必要的拓展。
目前IIW/IAB正在制定下列焊接人员的培训和认证规程：

1）焊工教师：
2）塑料焊工：
3）焊接设计员：
4）焊接环境管理人员、评审员和技术专家。

其中，焊工教师和塑料焊工培训、认证程序的建立将在很大程度上依赖欧洲的程序。换言之，也就是欧洲程序在时机成熟的条件下向IIW的“转移”。而焊接设计和环境管理的人员认证，则是全新的领域。
按照传统的观念，焊接是制造流程中的一个“薄弱”环节，因为它往往孤立于整个设计/制造系统。特别是在传统的设计阶段，通常不会对焊接做更多的考虑。现代制造出于质量、成本和效率方面的考虑，要求制造流程上的各个工序环节应合理集成，即在设计阶段就应对各个后续工序做充分安排。“将焊接更好地融合在制造流程中”既是市场的强烈要求，也是现代焊接制造的理念，这就要求设计者具备足够的焊接专业知识。焊接设计员的培训和认证正是对这一市场需求做出的反应。
环境问题在工业发达国家早就成了关注的焦点。有关“焊接对环境的影响”方面的研究在欧美等国历史悠久，但相关的认证相对滞后。ISO 14000的实施引发了人们对环境问题的普遍共鸣。目前，在IIW和CEN/TC121都有专门的机构（环境委员会或工作组）从事相关的标准、规程的筹备，其认证仅仅是个时间问题而已。
至于焊接企业认证，在EWF已经有多年的历史。虽然EWF的企业认证工作没有人员认证开展得那么成功，但也取得了不俗的成绩。首先，EWF依据ISO3834/EN729标准，建立了一套比较完善的认证体系。目前参与这个认证系统并获得企业认证授权（ANBcc）的成员已经发展到了12个国家（包括：奥地利、克罗地亚、捷克、德国、匈牙利、波兰、罗马尼亚、斯洛伐克、斯洛文尼亚、西班牙和英国）。统计结果表明：截止到目前，通过EWF体系获得ISO 3834/EN 729认证的企业数量已经达到了300多家。
与EWF形成鲜明对照，IIW的企业认证一直处于空白状态。但需要特别指出的是：在2005年7月的IIW执委会上IIW的决策者们对此做出了一个重要决议。该决议主要内容包括：

（1）IIW执行委员会原则同意IIW涉足认证领域；
（2）执行委员会授权IIW/IAB负责认证程序。每个认证程序应按时书面报执委会审批；
（3）IIW将（在EWF允许的条件下）采用已经在EWF实行的认证程序。

为了确保决议付诸实施，IIW已经成立了相应的机构（task force for certification）做必要的准备。不论是机构设置还是资源的共享，EWF秘书处与IIW/IAB秘书处已经在两年前合为一体了。过去的经验和今天的现实似乎预示着：EWF的企业认证体系“传播”到IIW的那一天为时不远了。

当然，目前在EWF企业认证体系可能面临着一系列的完善和改进，具体内容可能涉及：
（1）其所依据的ISO 3834系列标准已经发生了变化；
（2）目前制定的环境管理程序（EMS）需要
融合在企业认证中；
（3）安全管理程序（SMS）尚在开发和制定；

事实上，来自市场方面的需求可能随时发生变化。如何迎合市场需求，通过一次认证获得多项认可，确实是体系改进和完善时需要认真考虑和解决的问题。勿容质疑，欧洲在焊接企业认证方面的任何经验都值得借鉴。

3 对国际接轨的几点思考

中国通用性焊接标准体系是在“九五”、“十五”期间的采标政策指导下，国际接轨工作进一步完善。经过2004年的国家标准清理整顿之后，全国焊接标准化技术委员会归口的标准项目数量为133项。其中，国家标准71项，机械行业65项。需要指出的是：在国家标准层面，50%左右的焊接标准在技术内容上与相应的ISO标准对应一致。客观而言，中国焊接行业的这些标准基本上满足了当前的实际需求，并在经济建设和社会发展中发挥着很重要作用。
从满足市场需要的角度而言，中国焊接标准也存在着一些需要改进和完善的地方。需要解决的主要问题应包括：

（1）中国焊接标准化的整体布局与国际标准体系尚有一定差距，特别是有些领域存在着空白点。值得关注的是，目前ISO/TC44的标准制、修订异常活跃，其工作领域正不断拓展、延伸，如果我们不及时掌握、了解ISO的最新动态并采取必要的措施，这种差距将会逐渐拉大。

（2）中国焊接标准的采标工作具有一定的特殊性。由于历史的原因，中国在不同时期实行了不同的标准化政策，因此，中国焊接标准的采标呈多元化形式，采用对象既有国际标准，又有各先进工业国家的国家标准或协会标准。中国加入WTO后，国家的采标政策侧重于国际标准上，在未来的几年内如何调整、过渡，使中国焊接标准保持国际接轨是一项新的挑战。

（3）现行标准中，不同时期、不同政策条件下的标准共存，相互之间的兼容、协调不力。特别是相当数量的标准存在着标龄长、内容陈旧、技术落后、操作性差等方面的问题。虽然这些问题经过清理整顿得到了一定程度的缓解，但尚未根本解决。

对比过去和现在的国内外焊接标准化工作状况，在人力、资金物质等方面的资源配置及投入上始终存在着巨大的差异。这种输入差异必然会导致输出反差，更为令人沮丧的是这种差异恐怕很难在短期内消除。这种客观现实要求我们必须从实际出发，实事求是，针对具体情况做具体分析、处理。
“冰冻三尺，非一日之寒”，上述问题既然不是在一天之内产生的，所以也不可能在短时间内一下子解决。焊接标准今后的国际接轨工作必须要有创新的理念和意识。
本着“有所为、有所不为”的原则，我们应当对国际标准实行“有效采用”。具体方法就是“主干线接轨”。换言之，就是将国际标准体系中那些发挥着主导作用、对整个焊接制造关联度大、具有牵动效应的国际标准及时转化为我国标准，以保证我国的焊接生产和制造，首先在整体要求方面与国际标准保持一致，并在此基础上，谋求更大范围的统一。ISO/TC44的商务战略对这些“主干线”上标准已有描述，需要我们结合具体情况，有针对性地研究处理。
而在认证领域，我们正面临着诸多挑战。中国焊接培训和认证的国际接轨实际上始于20世纪的80年代中期，在中德两国政府的合作协议框架下，两国最大的焊接培训机构（哈尔滨焊接技术培训中心和德国杜伊斯堡焊接技术研究所）开展了长达十几年（从1978年至1999年）的项目合作。合作期间，中国共计培训了一万五千多名技术人员，其中有数千人获得各类证书，具体参见表4。
中德焊接培训和认证合作为我国焊接行业带来了最突出贡献的就是：中国于2000年1月成功获得了IIW正式授权。这标志着一个时代的开始，中国成为欧洲以外的第一个IIW成员国，正式涉足全球统一的焊接培训和认证领域。
作为IIW在中国的唯一合法授权机构，中国焊接培训与资格认证委员会（CANB）经过几年的艰辛努力，为IIW焊接培训认证体制在中国的实施做了大量卓有成效的工作，取得了不斐的业绩（表3给出了中国的一些统计数据）。这些工作主要包括：

（1）完整地转化了各类IIW规程；
（2）建立了符合国际统一要求的体系；
（3）稳步推进了这套体系的运行。

特别值得一提的是：我国最近几年的焊接培训/认证数量始终保持在国际前列，颁证总数居全球第二位。CANB的这些成就在国际上获得了高度评价，极大地提升了中国在IIW的地位和影响。
随着国际产业分工和制造业发生第三次地域上的战略转移，中国正成为国际制造基地。在这种产业环境条件下，中国的焊接认证无疑具有广阔的发展空间。鉴于认证自身的特殊性及我国长期实行计划管理体制的传统影响，今后焊接认证的发展之路将依然漫长曲折。回顾焊工的考试和认证的演变过程，对此可能就会有更深的理解。
在EN287系列标准问世之前，各欧洲国家实行的都是各自的国家标准。其突出弊端是各国的焊工资格证书由于所依据的标准不同，难以互认。随着欧洲一体化进程，实行统一标准代替已有的不同国家标准；建立统一认证体系的需求增强，各欧洲国家的国家级焊工考核标准终于在1992年被EN287系列所取代。此后EWF认证体系的建立较好地解决了长期困扰欧洲国家的焊工资质问题。令人关注的是：随着EN287转变成ISO 9606，当EWF的各类焊工培训/认证程序向IIW过渡时，统一面更加拓宽了。在以往的EWF体系中，焊工的培训/认证程序是按照不同的焊接方法划分为气焊、焊条电弧焊、熔化极气体保护焊和钨极气体保护焊。EWF为此制定了四个规程（EWF-452、EWF-467、EWF-480和EWF-481）。在向IIW过渡时，这四个规程被整合为一个国际焊工规程（IAB-089）。
事实上，类似的统一/整合仍在继续。因为它符合WTO/TBT的要求，也易于更大范围的认可。目前IIW/IAB对焊接工程师、焊接技术员、焊接技师和焊接技士所做的归整（IAB-252）或许就是一个佐证。
相比之下，中国焊工考试和认证的发展也经历了曲折而漫长的历程。在1994年以前，中国只有焊工考核方面的部颁标准或专业标准而无相应国家标准。计划管理时期条块分割、各自为政的后果之一就是这些部颁标准或专业标准仅在本系统范围内有效。由于缺乏统一的基础，各标准内容大相径庭。考试的内容可能雷同，甚至重复、交叉，但不同的焊工证书无法互认，获得相应的免试资格。随着改革开放的不断深入，特别是中国加入WTO，市场对标准和认证的统一需求日益增加。中国及时制定了与国际标准等同的焊工考试国家标准并有效地推行了IIW国际统一的焊工考试体制。中国的焊工考试方法和制度的国际接轨，更好地满足了市场需求。
“前车之鉴，后车之师”，中国的焊接培训和认证工作虽然取得了长足的进步和显著成绩，但这并不意味着今后的发展之路会一帆风顺。我们应该清醒地认识到：在中国进一步推广IIW国际焊接培训和认证体系还有许多艰难的工作需要完成。

（1）中国的授权机构（ATB）数量还不多，尚未形成培训/认证的网络化效应；
（2）在IIW体系与国内一些现有体系之间搭建相互兼容/互认的机制，是推广IIW体系的有效捷径之一。我们虽然在合作培训方面做了一些探讨，但尚未建立起完整的机制；
（3）中国需要建立一套更为完善的体制，了解、跟踪和掌握国际焊接认证的最新发展动态。

令人感到欣慰的是：回顾过去几年来CANB所做的工作，已有的成就充分证明：中国的焊接培训和认证工作确实已经步入了正轨。
总之，市场经济需要建立一个信用度较高的社会环境，完善的合格评定体系是搭建这种信用平台的基础。从计划经济时代延续下来的评估方法和制度（如监督、检测体系），无疑需要调整。认证作为合格评定的核心组成部分，在市场条件下如何定位、发展，需要认真研究。而尤为重要的是，焊接认证必须打破壁垒界限，面向全球。

4 结语

（1）在全球经济一体化的形势下，标准化与合格评定的关联更加紧密，认证已成为合格评定的核心；
（2）在焊接领域内，市场对标准/认证的需求比以往更加强烈，认证的领域正在不断拓宽；
（3） 认证已经成为焊接标准化的重点服务对象和应用舞台；
（4）EWF的认证经验对IIW的认证建设具有重要影响；
（5）未来的国际接轨依然面临诸多挑战，我们需要在规则、标准、认证等方面做充分的准备。

( 来源：上海市焊接协会 ）

通过预置粉末填充材料激光法焊接箔材，形成薄晶格状结构

作者：Andrew Deceuster, Gary Stewardson, 和 Leijun Li

Andrew Deceuster (a.deceuster@aggiemail.usu.edu),

Gary Stewardson (Gary.stewardson@usu.edu), 和 Leijun Li (leijun.li@usu.edu)。

以上几位都来自犹他州洛根市的犹他州立大学

连接大型晶格结构的常用技术有熔焊、电阻焊、硬钎焊、软钎焊和粘结，但此类技术应用于连接采用0.25mm（0.010英寸）厚或更薄箔材的晶格结构时是一个难题。当采用传统焊接技术时，箔材会熔穿、变形，或者连接不良。由于目前的焊接技术所限，箔材材料的规格就成了晶格结构部件设计的一个制约因素。

大多数焊接法是靠传统制作技术，即将支撑杆和线材/带材作为两个单独的部件焊接在一起，形成晶格结构，如图1A所示。 传统的焊接法需要较厚的连接材料，以避免缺陷的形成。但是，如果为了方便焊接而加大部件厚度，材料或设计性能的优化就不能被充分利用了。

当晶格结构部件截面设计较厚时，较多采用电弧焊。截面较薄的时候往往会使用电阻焊。在井筛的制作中，电阻焊局限于制作不能看作箔材的较厚截面。电阻焊需要高压力和高电流，而这种高的压力会使箔材变形。激光自熔焊接法也已开始较多地运用于箔材的焊接，但它仅限于一定的接头几何形状，因为装配精度要求很严格[1][2]。焊接连接的好处在于能形成冶金结合，使热管结构有很好的热传导性。但是所有焊接方法的主要缺陷就是施焊时的高温会导致变形。而电弧焊的工艺特点降低了其运用于箔材焊接的可行性。

为优化材料和/或箔材晶格结构设计，急需一种新的连接和制作方法。并非将支撑杆和线材/带材焊接在一起，而是利用固态自由成形制造方法，将支撑杆集成在线材/带材中，在那里焊缝就充当集成的支撑杆，如图1B所示。利用激光和粉末材料形成的坚固焊缝，实现对箔材的连接；焊缝充当了支撑杆, 同时箔材被接合在焊缝内，这个方法与选择激光烧结法（SLS）的效果类似，如图2所示。

陈建忠　史耀武　赵海燕

　　摘要　对动铁分磁式弧焊变压器进行了优化设计。寿命经济变压器的数学模型同时考虑了变压器的成本和效率，在整个寿命周期内消耗的社会财富最少。采用了混合罚函数法、混合离散变量法和改进正交优化法进行优化计算，结果表明，寿命经济变压器的功率因数十分重要；设计工作中应遵循一些原则。讨论了三种优化方法的优缺点。最后展望了弧焊变压器优化设计的前景。
　　关键词：焊接变压器　优化设计　惩罚函数法　混合离散变量法　正交优化法

Optimum Design of Welding Transformer

Chen Jianzhong (Xian Jiaotong University　710049　China)
Shi Yaowu (Beijing Polytechnic University　100022　China)
Zhao Haiyan (Qinghua University　100084　China)

　　Abstract　Optimum design of movable-core-shunting arc welding transformer is carried out in the present paper. A mathematics model of Economical-through-life transformer, considering both product cost and operating losses, is established. Mixed penalty function method,mixed discrete continuous variables method and improved orthogonal method are employed to conduct the optimization calculations. Results show that the power factor is quite important in an Economical-through-Life transformer, and that some principles must be followed in the design work. Also discussed are the advantages and disadvantages of the three methods.In the end, the prospect of optimum design of welding transformer is reviewed.
　　Keywords: Welding transformer　Optimum design　Penalty function method　Mixed discrete continuous variables method　Orthogonal design
　　
　　
1　概述
　　弧焊变压器用于各式各样的焊接电源中，在工业中应用很广泛，数量多，产量大，它的生产和使用消耗着大量的材料(包括铜材和铁材)和电能。优化设计是近年来兴起的一种现代化的设计方法，它通过对产品结构的合理设计来达到经济高效的目的。将优化设计用于弧焊变压器，可望得到低成本高效率的产品，降低能源和材料消耗。
　　电力变压器容量大，结构复杂，优化设计可能取得巨大的经济效益，成为变压器的优化设计主要目标［1，2］。Basak等［3，4］发展了一个软件包，分析了变压器铁心中的磁通和损耗分布。Lee等［5］用有限元法对变压器的铁心形状进行设计，减少了铁损。近年来又发展了很多新的优化方法应用于变压器。Alotto等人［6］用自适应模拟退火算法进行了变压器的设计。Bai等人［7］将遗传算法应用于大型变压器的优化设计。比较而言，焊接变压器的优化设计工作开展得不是很深入，这是因为焊接变压器是高漏抗变压器，它的优化设计比较困难。
　　 本文对动铁分磁式弧焊变压器进行了优化设计计算，建立了寿命经济变压器的数学模型，同时考虑了制造成本和后期运行损耗，采用了混合罚函数法(MPF)、混合离散变量法(MDCV)和改进正交优化法(IOD)进行计算，较好地处理了离散变量，并在整个可行域内均匀地布置初始点，找到了较为接近全局最优解的设计方案。
2　梯形动铁分磁式弧焊变压器的数学模型
　　图1示出了弧焊变压器的结构。下面建立它的数学模型。

图1　梯形动铁分磁式弧焊变压器的结构
Fig.1　The geometrical structure of trapezoid movable-core-shunting welding transformer

2.1　目标函数［8］
　　合理选择目标函数非常重要，不同的目标函数会得到不同的最优方案。可以选择变压器的重量作为目标函数，如军用、空间等设备中的变压器。一般常将效率作为目标函数

式中　η ——变压器效率
　　　P2，　PFe，　PCu——变压器的次级功率、铁损和铜损
也可将变压器的成本作为目标函数

minf2(x)=CFeGFe+CCuGCu(2)

式中　CFe,GFe,CCu,GCu——铁价、铁重、铜价、铜重
　　式(1)对效率进行优化，得到的变压器有着较低的运行损耗，但成本却可能偏高；式(2)对成本进行优化，得到的变压器成本低，但效率可能差强人意。当然，可以在约束条件里分别考虑成本和效率，但此时只能取固定值，并不是成本和效率组合最优。最理想的情况是将成本和效率都放进目标函数，寻求它们的最佳配合。
　　显然，变压器从生产到使用的过程中，都在不断地消耗社会财富。生产中的消耗表现为成本，而使用中的消耗表现为电能的消费，这两者都同用户直接相关。一部分电能用于焊接电弧，这部分电能不能省；而另一部分电能因为损耗而转化为热能，却有可能通过变压器的合理设计予以降低。从式(1)也可看出，损耗越小，变压器效率越高。
　　为了简化计算，假定变压器工作于额定负载。损耗可表示为

f3(x)=H〔(PFe+PCu)FSN+(1-FSN)PFe〕Ce(3)

式中　H——变压器的寿命
　　　FSN——额定暂载率
　　　Ce——电费
这样，成本和效率的最佳配合可表示为

minf(x)=c2f2(x)+c3f3(x)(4)

式中　c2，c3——资金的时间系数
　　式(4)描述的变压器从生产、服役到报废的整个寿命周期中消耗的社会财富最少，我们称之为寿命经济变压器。
2.2　约束条件和设计变量
　　变压器的性能必须满足使用要求和部颁标准，包括空载电流、电流调节范围、电流调节线性度、功率因数、许用电流密度等。另外，变压器的结构必须合理，且满足工艺性要求。还要具体考虑变压器的使用场合，对绝缘等级提出要求。这些组成了约束条件，一共是13个。需要指出的是，对于寿命经济变压器，成本和效率约束不再必要。变压器的设计变量为

x=〔c1,d1,c2,d2,Bm,K,L,H,Δ,δ,Kba〕T(5)

式中　c1,d1,c2,d2——一次和二次导线的尺寸
　　　Bm——磁场强度
　　　K——铜铁比系数
　　　L,H——铁心窗口的尺寸
　　　Δ——梯形的上下底之差
　　　δ——静铁心和动铁心之间的最小间隙
　　　Kba——静铁心的宽厚比
2.3　目标函数值的估计
　　具体到本问题，可以估算目标函数的极值范围。变压器的功率因数和效率满足

从式(6)和式(7)，我们有

代入式(3)，可以估算目标函数的极值。
　　
3　结果和讨论
3.1　计算结果
　　用MPF计算获得了25个较好方案，其中5个列于表1。注意表1是未经圆整的结果。对一个电磁方案分别使用MPF(圆整解)、MDCV和IOD，优化结果对比示于表2。表1和表2中的优化结果都比较接近，利用2.3中所述的方法进行目标函数值的估算，发现这些结果都接近理论最优值。在IOD中，优化计算采用了两步：第一步，将所有的变量都分成13个水平进行第一轮计算，分析计算结果，找出对目标函数影响显著的5个变量，如表3所示，方差分析得到的F比值较大的c1，d2，Bm，K和L是显著变量；第二步，进一步对显著变量进行细分，每个再分为5个水平，其他变量取固定值，进行第二轮优化计算。

表1　MPF的5个优化方案
Tab.1　Five optimum results of mixed penalty function method

设计变量方案1方案2方案3方案4方案5c1／mm9.418.618.769.749.17d1／mm1.832.082.151.881.87c2／mm9.759.569.059.309.86d2／mm2.662.652.732.682.69Bm／T1.411.401.401.371.36K2.482.572.562.512.52L／mm20.819.420.119.922.0H／mm12.313.412.412.613.0δ／mm0.150.1440.140.160.13Δ／mm1.501.492.521.481.26Κba2.773.073.103.213.00目标函数值／元1670216736167211672616802
　　除了最优方案外，通过对最优方案的分析，可以得出一些焊接变压器设计应遵循的原则：
　　(1) 寿命经济变压器的功率因数很重要。图2中数据点代表了不同电磁方案的变压器，这些变压器的电气参数差异很小，如表4所示，从使用的角度来看，它们是基本相同的。然而图2表明，这些变压器的功率因数变化1%时，目标函数值变化了约12%。由此可见，功率因数约束是一个主要约束，

表2　三种优化方法的结果
Tab.2　Results of the three optimization methods

设计变量原始方案MPFMDCVIODc1／mm9.309.309.307.40d1／mm2.261.951.952.83c2／mm10.0010.011.607.40d2／mm3.052.833.053.05Bm／T1.331.331.321.32K2.012.582.752.30L／mm205.0216.0180.0220.0H／mm136.0157.0140.0180.0δ／mm0.90.140.150.13Δ／mm1.601.591.451.68Κba1.863.952.523.75目标函数值／元17450.817062.517104.016927.8

表3　IOD的第一轮结果及分析
Tab.3　Optimum result using improved orthogonal design
after the first run and the analysis upon the result

设计变量优化结果F目标函数值c1／mm6.901.4917347.6d1／mm2.831.07c2／mm7.401.01d2／mm3.053.26Bm／T1.301.18K2.331.13L／mm2201.61H／mm1801.05δ／mm0.131.07Δ／mm1.781.10Κba3.751.00

表4　图2中变压器电气参数的差异
Tab.4　Difference of electrical parameters of transformer illustrated in Fig.2

电气参数初级空
载电流次级最
大电流次级最
小电流次级中
间电流差异0.610.010.01.0

图2　功率因数和目标函数的关系
Fig.2　Relationship between power factor and objective function

比较难以满足；若能采取适当措施提高变压器的功率因数，势必大大降低目标函数的极值。这是动铁分磁式弧焊变压器设计的关键之一。
　　(2) 讨论一下电流线性度和梯形动铁心形状之间的关系。电流线性度用l表示l=(I2max-I2min)／2-I2Z 梯形动铁心的形状用角θ来表征，如图3所示。关于θ和电流线性度的关系有很多不同的观点。有人认为θ=3°18′时线性度最好，有人认为θ=3°35′时最好。我们统计了用MFP计算的25个较优方案，如图4所示，发现θ值和电流线性度之间并无明显关系：不同的方案有不同的θ值，点的分散性很大；25个方案中最好的5个方案θ值都较小，约为2°50′。我们认为，电流线性度和包括梯形形状在内的几个因素有关，具体关系还需进一步研究。

图3　梯形动铁心的形状
Fig.3　The shape of trapezoid movable-core

图4　梯形形状和电流线性度的关系
Fig.4　Relationship between the shape of trapezoid and linearity of welding current

　　(3) 本台变压器的磁密在1.40T附近。增加磁密能够减小铁心和铜线的重量，使变压器重量降低，成本降低，但同时也使比损耗增加。因此过大的磁密会使变压器效率降低。优化方法最终找到的是最佳磁密。同样，其他参数如铜铁重量比系数、铁芯厚宽度比系数等也有类似现象，不再赘述。ｓ

3.2　讨论
　　在焊接变压器电磁方案的优化设计中存在三个主要困难：一是离散变量如导线尺寸、铁心厚度的处理；二是如何得到全局最优解；三是怎样将优化计算和电磁场的有限元分析结合起来。经过大量的设计计算，发现MPF、MDCV和IOD在用于动铁分磁式弧焊变压器的优化设计时，各有优缺点。
　　MPF能自动有效地寻找初始可行点，并且一般能给出一个可行解，最起码是局部最优值，这使它的适应性好。但MPF计算得到的设计变量都是连续值，应用于设计时离散变量须经圆整，带来如下问题：经过圆整，解可能越出了可行域，可行解不再可行；圆整解可能不是最优点；在有些情况下，不允许对结果进行圆整，圆整后结果失去意义；圆整无规律可循。
　　MDCV解决了设计变量取离散值的问题，在计算中允许变量存在离散值。但MDCV算法寻找初始可行点的能力较差，通常需要给出初始可行点。这在方案的改进设计中不成问题，但在新方案的设计中，有时会没有初始可行点。另一个缺点是它极易收敛于局部极值。
　　IOD算法用增广目标函数代替原目标函数，并且采用正交表及其同构表安排计算初始点，大大增加了获得全局最优解的可能性。IOD直接计算目标函数值，对目标函数的性态没有苛刻要求。IOD还有望减少目标函数的计算次数，从而有可能使优化计算和电磁场的数值分析相结合。
　　在实际问题中，建议多种方法的联合使用。可以先用MPF进行寻优计算，找到一系列的可行解；再将这些解圆整，代入MDCV进行第二轮寻优计算。也可以用IOD来安排初始点，用MDCV进行优化；或用MPF来进行寻优计算，最后用MDCV获得实用解。
　　计算机技术和数学规划的发展，为电磁装置的优化设计提供了物质基础和理论支持。优化设计的关键，一是所建立的数学模型能否正确描述实际物理问题；二是寻找适合于该问题的数学规划方法。弧焊变压器的高漏抗变压器，其电气参数的精确计算十分困难，以往主要使用经验公式。为了精确建立弧焊变压器的数学模型，有必要对其电磁场、漏抗等的分布进行有限元等数值分析［9,10］，准确描述变压器内部的电磁现象，定量计算电气、性能参数，为优化设计提供依据。这方面我们已经做了一些工作，变压器的电气参数的理论计算值和实测结果符合得很好［11］。三维各向异性电磁场的有限元分析规模巨大，变压器铁心的非线性需要迭代求解，而优化设计计算又需要多次计算目标函数，这样使计算工作十分艰巨。为此需要寻找合适的优化方法，以适应有限元计算。尽管困难重重，但随着计算机技术的飞速发展，相信数值分析和优化设计的结合必将给设计方法带来一场革命。

4　结论
　　(1) 建立了寿命经济变压器的数学模型。寿命经济的概念既计入了成本又考虑了后期运行损耗(效率)，很适合于电磁装置等的成本、效率多极值优化问题。
　　(2) 寿命经济变压器的功率因数对设计方案影响很大，采取提高功率因数的措施能有效地提高变压器的经济效益。
　　(3) 对于工程实际问题，混合罚函数法、混合离散变量法和改进正交优化法各有优缺点，这些方法的联合使用会使优化设计更加有效和灵活。
　　(4) 为准确进行电磁装置的优化设计，有必要对其磁场、损耗分布等进行三维有限元分析。

陈建忠　男，1973年生，1995年毕业于西安交通大学，1995年至今攻读西安交通大学材料工程学博士学位，曾从事焊接设备的优化设计工作，目前主要进行无损检测方面的工作，包括超声检测信号处理、超声检测可靠性研究、在国内外发表论文10余篇。
史耀武　男，1940年生，1964年毕业于西安交通大学，1982年在英国Aston大学获得博士学位，现任北京工业大学材料学院院长，教授、博士导师，兼任中国电工技术学会电焊专委会副主任，研究领域包括材料学、焊接设备、焊接力学、无损检测、焊接数值模拟等方面，在国内外发表学术论文220余篇。
Chen Jianzhong　was born in 1973. He got his B.E from Xi‘an Jiaotong University in 1995. Currently he is pursuing his Ph.D degree at the same university. His main research interesting include optimum design of welding equipment, NDT area such as signal processing of ultrasonic testing, reliability of NDT. He has published more than 10 papers in domestic and abroad.
作者单位：陈建忠 (西安交通大学　710049)
　　　　　史耀武 (北京工业大学　100022)
　　　　　赵海燕 (清华大学 　100084)　

参考文献

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　[9]　Zakrzewski Z, Kukaizyn M. Three dimensional modal of one-and three-phase transformer for leakage field calculations. IEEE Trans. on Mag., 1992,28(2): 1344～1247
　[10]　Demerdash N A, Nehl T W, Mohammed O A, Fouad F A. Experimental verification and application of the three dimensional finite element magnetic vector potential method in electrical apparatus. IEEE Trans. on Pas., 1981, 100(8): 4112～4122
　[11]　赵海燕.焊接变压器的磁场有限元分析及优化设计：［博士学位论文］.西安交通大学，1997.

摘　要:介绍了小齿轮座底板的断裂情况,通过对其材料的技术性能、铁的可焊性等性能的分析,确定了手工电弧冷焊的施工方案,并提出了具体的焊接工艺,顺利完成了该工件的修复。
关键词:手工电弧焊,修复,焊接

　　中铝山西分公司氧化铝一分厂GM223 型管磨机小齿轮座,材质为HT15233 ,在使用过程中其底板四个地脚螺丝孔处两个断裂,一个发生裂纹。由于重新订货至少需时三个月,且生产形势较为紧张,要求管磨机早日投用,因此决定对该小齿轮座进行焊接修复。
1　缺陷情况及失效分析
1.1 小齿轮座的断裂情况
　　小齿轮座底板四个地脚螺丝孔有两个断裂(在小齿轮座同1) 底板断裂有两处,位置及裂口开头见图1、图2 ,断块尺寸270 mm×250 mm×70 mm,断口尺寸270 mm×(100 mm～130 mm) 。
2) 底板断裂一处,见图1 ,已裂透。

1.2 失效分析
　　小齿轮座在使用中本身受到的拘束度较大。在管磨机运行过程中承受交变载荷作用。工件本身存在制造缺陷,在加强筋边缘与底板连接之处存在应力集中。运行中,由于大拘束度及交变载荷作用,预应力集中处发生破坏,形成裂纹,逐步扩展至筋板处,发生断裂。

2 修复方案选择
　　根据技术手段的现状,选用手工电弧焊方法进行修复。
2.1 材料的技术性能参数
　 1) HT15233 的化学成分见表1 。
　　　　　　1 　化学成分%

　 2) HT15233r 的性能参数见表2 。
　　　　　　2 　性能参数

2.2 　铁的可焊性分析
　 由于铸铁的固有性质及冶金特性,给电弧焊带来了极大的困难,具体如下:
　　1) 熔化后铸铁冷却速度快,在热影响区易出现白口组织,焊接时开裂倾向较大。
　　2) 铸铁组成成分中,碳的含量高,在焊接过程中碳易被气化,容易产生气孔。
　　3) 铸铁强度高,塑性差,焊接时残余应力大,易产生焊接热裂纹。
　　4) 铸铁中C、S、P 等元素含量高,并在焊接过程中熔化到焊缝中,会增加金属的硬度,降低塑性和韧性,易产生裂纹,并降低可加工性。
　　5) 铸铁在冶炼过程中,易出现石墨粗大化,石墨与基体产生间隙,使铸件在使用过程中油、水渗入形成氧化物,严重阻碍焊接时的熔合,同时,增加产生焊接裂纹和气孔的可能性。
　　6) 铸铁在焊接熔化时,液态金属流动性很差,严重妨碍焊接时的熔合,熔池中熔渣和有害气体难以逸出,会在焊缝中产生严重缺陷。
　　针对以上不利因素,必须从焊接工艺、操作方法、焊接程序、焊接材料几方面加以解决。
2.3 　焊接方法的选择
　　铸铁手工焊可采用热焊和冷焊两种方法。手工电弧热焊是将工件整体加热到600 ℃～650 ℃以上开始施焊,焊接过程中工作温度不得低于400 ℃,焊后马上加热到650 ℃,以消除应力退火。
　　小齿轮座的重量为1. 74 t ,且氧化铝一分厂没有合适的加热装备,故采用手工电弧冷焊法修复。冷焊法是指用不预热、严格控制层间温度、小线能量的焊接方法进行焊接。
2.4 　焊接材料的选择
　　HT15233 的可焊性较差且底座的下表面为加工表面,为保证焊接质量及下表面的可加工性宜采用纯镍基焊条Z308 进行焊接。但Z308 焊条价格昂贵,为节约费用,可采用以Z308 焊条焊隔离层、J507 焊条与Z308 焊条相互填充、Z308 焊条盖面的方法进行修复,这样既可降低成本又可保证焊接质量及下表面的可加工性能。
Z308 焊条的机械性能见表3 。

2. 5 　焊接次序
　 1) 裂纹处按非加工面再加工面的次序施焊。
　 2) 断块处先焊筋板侧,保证焊透,再从另一侧清根、施焊。后焊筋板。

3 焊接
　　焊接前要对所有焊接部位进行彻底清理,清除所有结疤、油污等缺陷因素,然后再开始焊接准备。
3.1 裂纹处焊接准备
　　表面清理干净后,用角向抛光机修磨裂纹处至磨出所要求的双U 型坡口。修磨时要求消除所有裂纹倾向,坡口边缘平滑过渡,钝边、间隙以单边能焊透为准。
3.2 断块处焊接准备
　　两断块断裂口处形状基本规则,表面清理后用角向抛光机将断口按坡口所要求形状、尺寸修磨成双U 型坡口,钝边、间隙以单边能焊透、另一侧以清根为准,然后按尺寸在划线平台上将断块与小齿轮座本体组对、点固。
3. 3 　焊接
　　小齿轮座焊接熔敷量较大,为减小焊接应力及焊接变形,保证焊接质量,采用两班工作制,固定高水平焊工施焊。焊接时环境温度保证在20 ℃以上,夜班如果温度过低则停止焊接。为防止穿堂风,在施焊时搭设围篷以防风保温。焊接时先焊裂纹,然后再焊断裂块。焊裂纹时先焊两螺丝孔中间的裂纹,焊完后再焊外侧裂纹。
　　1) 焊接前,Z308 焊条要150 ℃烘干1 h ,J507 要250 ℃烘干2 h ,烘干后放入保温桶中保温,随用随取。
　　2) 每次焊接时都将焊道放置在水平位置,以利于操作。
　　3) 焊接时采用短道、快速、不摆条、断续、分散焊法,每段长度不超过30 mm ,收弧时要填满弧坑。
　　4) 焊完一道马上用钝头小锤锤击整个焊道以释放焊接应力,锤击速度要快,力量由重渐轻。
　　5) 严格控制层间温度,每焊完一道必须冷却到50 ℃以下方可继续施焊。
　　6) 打底时采用小熔合比进行焊接,填充焊和盖面焊时可适当放大熔合比。
　　7) 清除熔渣后,用五倍放大镜观察,无裂纹,再继续下一步焊接。

陈树君　殷树言　卢振洋　冯雷　李亮玉

摘　要　逆变焊接电源改善了焊机的效率和控制性能，但是却提高了焊机输入电流的谐波畸变水平。有源功率因数校正技术通过电力电子元件的开关作用来消除非线性负载的谐波电流，使来自电网的电流是正弦波。本文分析了焊接逆变电源的功率因数和输入电流谐波畸变的关系，提出了一种连续电流输入的三相功率因数校正电路的方案,其连续的正弦电流输入是通过采用平均电流控制技术实现的。谐波抑制方案的理论分析通过数字仿真结果进行了验证。一台10kW样机的部分试验结果例证了三相功率因数校正电路的工作过程。
关键词：　弧焊逆变电源三相功率因数校正　有源滤波器　电流谐波

Harmonic Elimination Input Current for a
Three-phase High Power Arc Welding Inverter

Chen Shujun, Yin Shuyan, Lu Zhenyang
(Beijing Welding Equipment Research and Development Center , Beijing Polytechnic University)

Feng Lei, Li Liangyu
(National Key Laboratory of Advanced Welding Production Technology, HIT)

Abstract　The arc welding inverter improves system efficiency and controllability.Their applications,however,increase the harmonic distortion level of the input current. Active power factor correction technique uses power electronic switching to cancel the harmonic currents from a nonlinear load. So that the current being supplied from input line is sinusoidal. This paper analyses relationship between the power factor and input current distortion of the inverter power source. A three-phase configuration of a new power factor correct circuit that makes use of continuous input current is suggested. Continuous sinusoidal input current is achieved by the average current mode control technique. The theoretical analysis is verified with digitally simulated results. The selected experimental results from a laboratory prototype rated at 10kW demonstrating the three-phase power factor correct circuit operation are also presented.
Key words　arc welding inverter, three phase power factor correction, active filter, current harmonic

0　序　言

　　逆变焊接电源以其体积小、重量轻、效率高、控制性能好的优势得到用户的青睐，但国内外的许多逆变焊机生产厂商对自己产品的功率因数有意或无意报得很高。由于逆变焊接电源对电网来说，本质上是一个大的整流电源。逆变电源的输入电流波形是一种尖角波，畸变严重。功率因数应该是位移因子和畸变因子的积。如果只考虑了位移因子而忽略谐波畸变因子，功率因数的评价将不符合实际情况。采用一般的电流电压表测量出的功率因数只是反映了基波的位移因子而未反应谐波畸变因子，这就是目前逆变焊机功率因数报得较高的原因。只有采用谐波分析方法或采用谐波分析仪测量出来的功率因数才是逆变焊机的真正的功率因数。国际电工委员会（IEC）和国际电气与电子工程师协会（IEEE）都成立了专门的工作小组，制定了电力系统与电工产品的谐波限制标准（IEC 61000-3 -2和IEEE 519-1992）。从1996年起，这两个标准在欧共体国家已经具有法律效力［1,2］。我国从1998年起已经开始制定谐波限制标准，所以研究逆变焊接电源的谐波抑制技术已经迫在眉睫。
　　电源系统的低频谐波抑制一般采用无源滤波(Passive filter)和有源滤波(Active filter)两种方法，其中有源滤波也称为有源功率因数校正(Active power factor correction)。无源滤波就是在整流桥的交流侧或直流侧安放LC滤波器，但是它的等级必须和负载的无功功率相当，而且它的补偿特性容易受到电网阻抗和负载变化的影响，并且容易产生电流谐振和电压谐振。尤其是对于负载不断变化的焊接电源来说，很难设计一个能够涵盖整个负载范围谐波的LC滤波器。而有源滤波器(Active Power Filter)通过电力电子技术来消除输入电压、电流的谐波分量，通过电力电子元件的开关作用，使输入的电压、电流波形接近正弦波，将其最低次谐波分量移到高频范围，剩余的谐波分量就可以很容易用无源滤波的方法滤除。而且，有源滤波器能够对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿，补偿特性不受电网特性和负载波动的影响。采用有源滤波的方法，可以使逆变焊机的功率因数大幅度提高，减少逆变电源对电网的谐波污染，同时也可以降低供电变压器的容量。

1　谐波与功率因数

　　国际上公认的谐波的含义为：谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍，因此，通常也称为高次谐波。非正弦周期量偏离正弦波的程度，常以各次谐波有效值的平方和的方根值占基波有效值的百分比来表示，称为畸变率THD(Total Harmonic Distortion)。例如，电流的谐波畸变率为

　　（1）

式中　I1——基波有效值。
　　在供电系统中，从变电所和电源方面来看，要求能充分利用设备的容量，减少设备的损耗；从用户和负载方面来看，要求电网电压的有效值和频率稳定并且电压的波形尽可能是正弦波。工程上许多电工设备将其电压和电流的有效值的乘积看成为功率的设计极限值。为了研究对电工设备的最大利用容量，引入视在功率S=UI、无功功率Q=UIsinφ和功率因数的概念(P为有功功率)。在正弦波的情况下，功率因数就等于电压和电流之间相位差的余弦，各项功率数值之间的关系，可用图1的功率三角形来表示。但是对于非正弦周期电路来说，视在功率为

　　（2）

图1　功率三角形

Fig.1　Power triangle

　　显然，S2≠P2+Q2，于是引入畸变无功功率D，这样

S2=P2+Q2+D2　　（3）

　　式中　Q是由于电压电流不同相位所引起的无功功率，称为位移无功功率，

　　（4）

　　畸变无功功率为

　　（5）

　　非正弦周期量各项功率之间的数值关系可以用图2所示的功率立方体来表示。根据功率因数是有功功率和视在功率的比值的定义，非正弦周期电路的功率因数为

　　（6）

图2　功率立方体
Fig.2　Power cube

　　 在此处，PF已经不是实际电压和电流之间的相位差的余弦的概念。
　　一般情况下，供电电网电压的畸变率相对于电流的畸变低得多，且电网的电压畸变多是由于电流的畸变引起的，为了研究问题简化，可以把电网电压看作标准正弦波，则有功功率为

P=UI1cosφ1　　（7）

　　视在功率为

　（8）

　　则功率因数为

　　（9）

　　令，则

PF=γ.cosφ1　　（10）

　　其中，γ定义为畸变因子，cosφ1定义为位移因子，即功率因数是畸变因子和位移因子的乘积。畸变因子γ和电流谐波畸变率THDI的关系是

　　（11）

　　（12）

　　对于普通的逆变焊机，位移因子cosφ1约等于0.9，电流谐波畸变率约等于85%，根据式（12），畸变因子γ约等于0.76，这样，焊机的功率因数大约在68%左右。通常用电磁式仪表测量的功率因数，只是电路的位移因子，这就是通常的弧焊逆变电源功率因数的标称值较高的原因。

2　平均电流控制的谐波抑制技术

　　通常的有源谐波抑制电路是在桥式整流之后，增加一个校正环节（Boost PFC电路），使输入电流变成与电网电压几乎完全同相的正弦波，并且可以使电流畸变率降到5%以下，功率因数可以提高到0.99或更高，常用的控制方法基本上有三种，即峰值电流型控制、滞环电流型控制和平均电流型控制［3］。平均电流型控制具有恒频运行、无需斜坡补偿以及在连续和断续模式下都能工作的优点。图3是平均电流控制的Boost PFC电路的原理图，图4是采用Pspice软件得到的该电路的输入电压、电流仿真波形。

图3　平均电流控制的Boost PFC原理框图

Fig.3　Scheme of Boost PFC using average current mode control

图4焊接熔池内流体流动对熔池形状和温度场分布的影响
Fig.Influence of fluid flow on temperature distribuions

　　其工作的基本原理是：以整流器输出电压Urec和电压外环的误差放大器输出电压UF的乘积Um为电流内环的基准输入，得到

　　这里，输入电流信号被直接检测，与电流基准信号运算后，其高频分量在电流误差放大环节被平均化处理。放大的平均电流误差与锯齿波斜坡比较后，决定了功率开关驱动信号的占空比。于是，电流内环调整输入电流的平均值，使与整流器输入电压同相位，并且为正弦波形；电压外环是使Boost电路的输出电压恒定，起到预稳压的作用。

3　三相谐波抑制电路的研究

　　目前，单相的Boost PFC电路已经比较成熟，已经出现了专门的功率因数校正控制芯片UC3854、UC3855等。可是这种技术应用到三相谐波抑制电路中还有很多的困难，所以国外的研究人员采用三相PWM整流技术来抑制输入电流谐波，但该种电路结构复杂，应用到实际产品当中还有很多的困难。本文采用双向可控制开关，将Boost电路放在三相整流桥的输入端，采用三套相同的控制电路，成功的实现了三相大功率焊接电源的网侧电流谐波抑制。图5是三相谐波抑制电路的原理框图，图6是其输入电流的仿真波形。

图5　三相谐波抑制电路的原理框图
Fig.5　Three phase harmonic eliminate circuit

图6　三相谐波抑制电路的输入电流波形
Fig.6　Simulated waveforms of input current

　　其工作的基本原理是：以A相为例，当A为正时，由L1、Q1、D1、C1组成一单相Boost PFC电路；当A为负时，由L1、Q1、D2、C2组成一单相Boost PFC电路。这样，在任一时刻，电路都是三个Boost PFC电路在工作，在平均电流控制方式下，每套电路分别采用各自的电流反馈回路，采用同一个电压反馈回路，形成由三个电流反馈内环、一个电压反馈外环的多闭环系统。该电路在三相平衡的情况下，可以去掉中性线N， 因为在任一时刻，流过Q1、Q2、Q3的电流的矢量和为零。

4　试　验

　　采用图5的电路，在实验室研制了一台样机。其中L1～L3=1.5mH，三相整流桥D1～D6采用快恢复二极管(DESI60-10)构成，C1、C2为2200 μF/450V的铝电解电容。双向开关Q1～Q3采用图7所示的电路，二极管采用DESI60-10，开关管采用西门子BUP304。控制电路以专用的零电压切换的功率因数校正（ZVT-PFC）用的专用芯片UC3855为核心，组成三套相同的控制电路。除了电压外环共用电压反馈外，电路的其余部分各自独立。样机的性能参数如下：
　　输入电压　　　　　　三相380V（50Hz）
　　输出电压620V±10V
　　输出功率10kW
　　工作频率40kHz
　　功率因数(额定)0.99

图7双向开关
Fig.7Bidirectional switch

　　图8是采用示波器记录的三相输入电流Ia、Ib、Ic的波形；图9是一相输入电流的谐波频谱分析，中心频率244HZ，谐波畸变率小于10% 。

图8　三相输入电流Ia,Ib,Ic的波形
(纵坐标20A/Div；横坐标10ms/Div)
Fig.8　Three phase input current Ia,Ib,Ic
Current scale 20A/Div;Time scale 10ms/Div

图9　输入电流谐波频谱

(中心频率244Hz，横坐标50Hz/Div)
Fig.9　Harmonic spectrum of input current
(Center frequency at 244Hz, 50Hz/Div)

5　结　论

　　（1） 谐波畸变率是焊接逆变电源功率因数的主要影响因素。
　　（2）研究成功一种可用于10kW三相大功率焊接逆变电源的谐波抑制电路，电流谐波畸变率在10%以下。

作者简介　陈树君：男，1971年6月生，1999年7月获哈尔滨工业大学工学博士学位，同年进入北京工业大学机械学科博士后流动站工作，研究方向为新型焊接电源与焊接过程自动控制，从事逆变焊接电源的可靠性和大功率开关电源的功率因数校正等方面的研究，在国内外学术期刊和会议上发表论文10余篇，目前正在进行逆变电源的电磁兼容性研究及软开关系列焊接逆变电源的研制与开发。
作者单位：陈树君　殷树言　卢振洋（北京工业大学北京市焊接设备研究与开发中心）
　　　　　冯　雷　李亮玉（哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室）

参考文献

　1　Spiazzi G. et al. Implementation of signle-phade boost power-factor-correction circuit in three-phase applications. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 1997, 44(3):365～371.
　2　Manjusha S， Dawande et al. Three-phase switch mode rectifier with hysteresis current control.IEEE Transactions on Power Electronics. 1996, 11(3):466～471.
　3　陈树君. 弧焊逆变电源的软开关变换及谐波抑制的研究：［博士论文］.哈尔滨：哈尔滨工业大学. 1999.