最新电阻焊设备:提高焊接效率与质量

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：目前，逆变式电阻焊机是优先发展的热点。图2-2-95为逆变式电阻焊机原理示意图。同时，电极寿命获得延长。同时，目前已试制出4000A的逆变器。接地检测模块共有两个，称为双重重复接地保护安全系统。而通常电阻焊控制器所使用的恒电流方法是将焊接电流维持在一个预先设定的数值。我们知道，电阻焊时发生的热量等于I2Rt，在CHC中，该热量将被控制到最佳水平。当发生喷溅时，CHC测得的R值显著下降，此时CHC立即

二次整流电阻焊机和逆变式电阻焊机是当今世界电阻焊机发展的主要方向。随着现代控制理论与电子元器件发展，其技术关键（低电压大电流给二次整流带来难度；控制的可靠性和精确性要求更高等）已基本解决。

目前，逆变式电阻焊机是优先发展的热点。据统计，日本的Mijachi、Seiwa，欧洲的Messer、Tecna，北美的TJ Snow，韩国的Taesung，中国的天津七○七所及天津商科数控设备有限公司等已有容量400kVA以下的该类焊机产品。图2-2-95为逆变式电阻焊机原理示意图。

图2-2-95 逆变式电阻焊机原理示意图

逆变式电阻焊机具有以下特点：

1）响应速度快，控制精度高：由于采用较高的逆变频率（600～4000Hz，通常为600～1600Hz），时间调节和反馈控制周期在1ms（在1000Hz时）以内，大大提高了焊接电流控制精度。

2）体积小，重量轻：由于采用中频的工作频率，在相同的功率输出时焊接变压器体积和重量明显减小，据报道，采用逆变式的一体式焊钳其重量可减轻50%。

3）三相负载平衡，功率因数高，节能。

4）工艺优势明显：焊接电流为脉动直流（且波纹度小），无交流过零不加热工件的缺点，热量集中能焊接各种材料。同时，电极寿命获得延长。例如，逆变式电阻焊机的焊接回路受铁磁物质影响很小（见图2-2-96）；焊点形成稳定熔核的电流范围广（见图2-2-97、图2-2-98），因为电流极小的脉动使电极和工件接触部位的温度变化小、热效率高。同时，逆变直流无尖峰电流，因而在熔核形成的过程中不易产生喷溅，从而使得允许的电流上限扩大。实验表明：在焊接电流有效值相同的条件下，逆变直流的动态电阻比交流点焊时大33%，故焊点的发热量大，熔核形成速度较快，允许的电流下限较小。美国实利公司采用交流和逆变点焊在汽车钢板上焊接，对照得出逆变点焊比交流点焊节能27%的结论。逆变直流点焊获得稳定的熔核尺寸的焊接电流范围宽，这一特对焊接有镀层的钢板（如镀锌板）、锆等有色金属尤为有利。

图2-2-96 逆变焊机与交流焊机随工件插入焊接回路距离的电流变化

图2-2-97 点焊时三种电源的电流范围比较（低碳钢）

图2-2-98 点焊时三种电源的电流范围比较（镀锌板）

目前，逆变式电阻焊机要继续深入研究的主要问题有以下方面：

1）大功率开关元件的不断更新。IGBT（双极型隔离栅晶体管）是发展大功率逆变式电阻焊机的首选开关元件，其单管模块额定电流可达1000A以上，集射极耐压高达1200V，可以采用逻辑电平直接驱动，实现了元件驱动的电压控制。

2）大功率整流二极管的不断更新。由于二次整流元件的接入增加了焊机的功率损耗（约占整台焊机输出功率的28%），虽然采用肖特基二极管会得到改善，但仍存在输出功率受到限制及其冷却系统增加焊机体积和重量的问题。国产快速整流二极管额定电流高达16000A。

3）主电路拓扑结构的不断发展。应用于逆变式焊接电源的主电路使用过以下拓扑结构，推挽式逆变电路、全桥式逆变电路、半桥式逆变电路、单端式逆变电路等。各逆变电路都有自己的优缺点，要根据实际应用条件而定。

4）逆变电路控制方式的不断改进。控制方式改进主要体现在逆变电路中功率开关管是以何种模型开断的，即硬开关和软开关。近年来，脉宽调制软开关技术（SPWM）已经成为逆变控制系统的研究热点，它综合了传统的脉宽调制技术和谐振技术的优点，仅在功率器件换流瞬间，应用谐振原理实现零电压或零电流转换，而在其余大部分时间采用恒频脉宽调制方式，完成对电流输出电压或电流的控制，因此，开关器件所受的电流或电压应力小。逆变式电阻焊机特别适宜于机器人焊接和精密焊接。

下面简单介绍WTC/Medar集团（美国）的新型GWS-2D系列控制器（它配备第五代逆变器、5000系列时调器、以太网编程器、网关联网通信以及用于保护手工操作连变压器焊钳的安全接地故障安全系统），如图2-2-99所示。

1）第五代逆变器（见图2-2-100）中，以2000A逆变器为例，如果配以匝数比为1∶38的焊接变压器，则二次焊接电流已可达到76000A，适合于焊接质量要求高的轻金属。同时，目前已试制出4000A的逆变器。

图2-2-99 GWS-2D控制器

图2-2-100 第五代逆变器

2）5000系列焊接时调器（见图2-2-101）中，采用了新型高速微处理器，它不仅能配置成适应各种焊接应用的需要，而且足以处理适应焊接的算法要求，如热膨胀力反馈控制（TFF）和恒热量控制（CHC）。

3）以太网编程器（数据输入板，EDEP）如图2-2-102所示，有两种规格，第一种用于一对一在控制器局域以太网接口上编程和收集数据，第二种用于接在工厂以太网网络上进行操作。焊接控制器上的局域以太网接口和串行接口也可用手提计算机进行操作。

图2-2-101 5000系列时调器

图2-2-102 以太网编程器

4）安全接地故障安全系统：用连变压器焊枪代替电缆焊枪已成为必然趋势，但这样操作者就直接接近一次380V供电电压，若使用MFDC（中频直流），则电压将会更高。为保护操作者的安全，控制器内安装有接地检测模块（GFM），可检测变压器外壳同控制器安全接地之间的电压是否超过了24V，可检测变压器一次、二次绕组之间绝缘是否被击穿。同时，该模块还有自诊断能力，每次接通电源时进行自诊断和每25h至少自诊断一次。若发现问题立即停止焊接，并用接地检测模块板上的发光二极管指出问题性质，并将信息传送给控制器，按照问题的严重程度（如接地故障电流处于10mA以上，持续多长时间）来判断如何做出反应。接地检测模块共有两个，称为双重重复接地保护安全系统。

5）恒热量控制：恒热量控制（CHC）是一种适应控制系统，它通过探测焊接状态下电极端之间的电压来控制焊接电流，从而控制每单位体积的总热量。而通常电阻焊控制器所使用的恒电流方法是将焊接电流维持在一个预先设定的数值。在CHC中，焊接时被测量和受控制的是所施加的热量。我们知道，电阻焊时发生的热量等于I²Rt，在CHC中，该热量将被控制到最佳水平。当发生喷溅时，CHC测得的R值显著下降，此时CHC立即作出反应，在测到喷溅的下一周按测到喷溅后的电流率来完成余下的焊接过程，测到喷溅后的电流率是预先设定的，且有几种模式可选择。通过试验考核，用这种方法处理发生喷溅的焊接，不会造成熔核金属的缺少。

近年来，针对二次整流电阻焊机和逆变式电阻焊机均需要对焊接电流进行二次整流，就必然会存在因次数整流元件而带来的一系列问题，国内学者王清在对三相低频电阻焊机深入研究的基础上，开发了无二次整流直流电阻焊新技术，并研制出一台以工业控制计算机（IPC）为控制核心，以IGBT为功率开关元件，采用分段斩波控制方法的逆变式无二次整流直流电阻焊机样机，其工作原理如图2-2-103所示。试验表明，该机具有良好的点焊工艺性能。

图2-2-103 逆变式无二次整流直流电阻焊机电路原理图

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