逆变式焊机的应用与发展

作者：华南理工大学 黄石生

欢迎访问e展厅 展厅 9 焊接设备/切割机展厅 交流电焊机, 直流电焊机, 气体保护焊机, 埋弧焊机, 高频焊接机, ... 0 前言 据统计，世界钢产量的一半以上是用焊接工艺把它制成钢制品的。焊接工艺是依靠焊接电源设备来实现的。焊接以电弧焊为主。弧焊已有近百年的历史，早期采用蓄电池作为电源。本世纪20年代初发明的工频变压器式弧焊机和直流弧焊发电机在随后近50年中一直是主要的弧焊设备。 1 国内外逆变式焊机发展与应用现状 现代焊接设备的发展与电力电子技术和器件的发展密切相关。50年代末，功率半导体二极管开始用于焊接电源，所构成的弧焊整流器明显优于弧焊发电机。70年代初，由晶闸管（SCR）构成的可控整流式弧焊机的出现标志着现代电力电子技术开始进入焊接电源设备领域。SCR弧焊机的电气特性和工艺特性优于二极管整流弧焊机，是当时广泛应用的一种重要焊接电源设备。70年代中到80年代中，性能优良的自关断电力电子开关器件：功率晶体管（GTR），功率场效应管（MOSFET），绝缘栅晶体管（IGBT），可关断晶闸管（GTO）等相继出现。70年代末开始出现晶闸管式逆变弧焊机并主要应用于TIG和手工电弧焊，后来又推广到CO2、MAG等焊接方法和切割。1982年，华南理工大学访问学者在德国首先研制成功场效应管式弧焊逆变器，其应用领域从TIG到手工电弧焊、气体保护焊以及切割，促进了焊接设备更新换代的发展。80年代末又出现IGBT式逆变焊机，主要应用于各种电弧焊和切割。以功率晶闸管、晶体管、MOSFET、IGBT等为开关器件的新一代弧焊逆变器，采用高频PWM开关技术和微电子控制技术，淘汰了笨重的工频变压器和笨拙的电磁控制方式。它不仅具有高效节能、体积小、重量轻、多功能、多用途等优点，而且具有良好的动、静态特性和工艺特性。因而，新一代的弧焊逆变器自问世以来，受到广泛的重视，发展迅猛。1989年世界焊接与切割博览会（埃森博览会）上有30多家厂商展出了弧焊逆变器。1993年的埃森会上，绝大多数的厂商都展出了弧焊逆变器及设备。据IIW XIIC 1993年11月所作的调查，逆变式焊机在日、美、欧等地使用的焊机中占17%，其中在气体保护焊和TIG焊中占30%以上。到了1996年，日本日立公司的IGBT逆变焊机已占MIG/MAG焊机的70%，占TIG焊机的95%以上，占切割机的100%，日本松下，大阪变压器公司的逆变式焊机都超过50%。以IGBT，MOSFET等为开关器件的弧焊逆变器，有着广泛的应用前景，是当前国际焊接电源设备发展的主流和方向。 在我国，逆变式焊机的研究工作始于80年代初，紧跟国际研究开发的进程，水平差距也不大，已形成三代产品。第一代是以SCR为主开关器件的弧焊逆变器，其逆变频率为2000-5000Hz。第二代是以GTR或MOSFET为主开关器件的弧焊逆变器，其逆变频率为20kHz-50kHz。第三代为IGBT弧焊逆变器，逆变频率为20kHz-30kHz。到90年代初，多个规格的一、二、三代的弧焊逆变器已在多所高校和研究所研究成功，并逐渐进入小批量生产，但大批量生产和大面积推广应用逆变式焊机却比较缓慢。能进行批量生产厂家为数不多，并开始于大约90年代中后期。 2 逆变式焊机的发展方向 逆变式焊机总的发展趋向是向着大容量、轻量化、高效率、模块化、智能化发展并以提高可靠性、性能及拓宽用途为核心，愈来愈广泛应用于各种弧焊方法、电阻焊、切割等等工艺中。高效和高功率密度（小型化）是国际上弧焊逆变器追求的主要目标之一。高频化和降低主要器件的功耗是实现这一目标的主要技术途径。当前，在日、美、欧等国和地区，20kHz左右的弧焊逆变器技术已经成熟，产品的质量较高且产品已系列化。弧焊逆变技术正朝以下方向发展： （1）沿20kHz的技术路线开发研制50kHz，100 kHz级的弧焊逆变器。 （2）探讨旨在降低电力电子器件开关功耗，提高开关频率的零电压，零电流开关（软开关）技术，其中包括电路拓扑结构和工程实现。 （3）研制和生产大容量的逆变式焊机。 （4）研制和生产智能控制的逆变式焊机。 （5）研究功率因数校正和减少电网谐振干扰 3 逆变式焊机存在的问题和对策 3.1 存在的问题 由于带有“急功近利”的浮躁心态，一哄而上的逆变热有较大的负效应和潜伏着重大的危机。1992年中国焊接协会受机电部委托对国内有代表性的一种ZX7-400晶闸管逆变式焊机进行测试评定，其结论是：“国产晶闸管逆变弧焊机的可靠性较差”。第二、第三代315A及以下的逆变式焊机已有不少单位通过技术鉴定，但在批量生产时遇到困难，主要是产品的可靠性差，返修率高。国家计委已将此问题列为“八五”攻关课题，可靠性指标定为5000h,实际的调查和测试表明：国内、外逆变焊机的焊接工艺性能相差不大，主要差别在于可靠性，尤其是大容量焊机。IGBT逆变式焊机在发展中存在的问题是由于逆变热在1992-1995年间“席卷”中国，上百家企业都在研制逆变式焊机，都已在不同程度上开发出不同规格的样机或产品。生产厂家相互竞争，将一批批实验室的样机和未经实验中的不成熟的产品推向市场，但很少有人对可靠性、焊接工艺和维修等方面作深入的研究和扎实的工作。由于大量不成熟的产品推向市场，使中国的用户对逆变焊机的可靠性存有很大的疑虑，致使欲更新焊机的用户更加谨慎。 逆变式焊机在我国具有极大的推广价值和巨大的市场。目前制约国产逆变式焊机推广和广泛应用的主要因素不是价格，不是焊机的性能，而是可靠性。逆变焊机的可靠性，另一个问题是在生产过程中我们要把其作为大功率电子产品来对待，要有相应的生产、检测手段，相应的人员素质。这与传统焊机的生产要求有着质的不同，不然的话，上千种电子元器件组成的高性能逆变焊机的可靠性就无从保证。因此，提高国产逆变式焊机的可靠性是我国传统焊接电源设备更新换代的关键。 3.2 对策 逆变式焊机存在可靠性和质量问题，究其原因主要有：①技术不成熟。②主电路参数和结构设计不合理，主电路器件（电子功率开关管如IGBT、MOSFET、快速二极管、磁芯材料等）选择不合理。③保护环节（如RCD参数）没有达到优化配合。④制造工艺结构安排和布线不合理，型式试验和器件（含电路板）检测手段落后或不严格。⑤生产规模小，未能使用生产线和模具进行组装调试。 为此建议如下的对策来解决可靠性和质量问题： （1）对不成熟的技术产品（实验室样机）不能过早投入批量生产而必须通过小试、中试等阶段进行“催熟”，反复改进和完善，“几上几下”，进行试制试用改进，在质量和可靠性真正解决后才能投入批量生产。 （2）理论计算和试验校正相结合，使决定着可靠性和质量高低的关键性主电路和设计尽可能合理，最好采用计算机仿真和CAD，既可节省设计和制造调试逆变器的时间，又可减少逆变主电路元器件的烧损。此外，通过电子功率器件的特性测试仪，对关键性的器件（IGBT、快速二极管等）进行认真检测和挑选、匹配。 （3）合理设计电子功率开关管的保护环节，并在主电路调试期间细心地进行阻容参数的最优匹配。 （4）利用电路板专用测试仪认真检测其各部分是否正常工作，只有先进的配套专用设备才能减少各种偏差，保持一致性，并对元器件和整机进行老化和测试试验。 （5）尽可能扩大生产规模，以便使用生产线、自动操作机，模具等先进手段，确保产品制造工艺的一致性和准确性，从而确保每台产品质量的一致性和可靠性。 （6）推广精品焊机，先进的手段加上可靠耐用的元器件、部件，才能使逆变焊机走向良性循环。不在低售价、低利润→低劣元器件→低质量→低信誉，更低售价里恶性循环。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (4/4/2006)