前言众所周知,逆变式焊机与传统焊机相比,具有高效节能(约20%～35%)、省材(约80% ～90%)、轻巧(输出1A焊接电流,传统焊机需0.5～1kg制造材料,而逆变式只需要0 .06～0.12kg),而且动态特性和控制调节特性好,制造过程占地少、且加工量少等特点 。因而它在国内得到迅速的推广应用。这种过去被称为“明天的电源(焊机)”的新一代焊机,已 经迅速成为“今天的电源(焊机)”。这种新型焊机本身就是高科技产品。当今,我国正肩负着成 为世界制造中心的历史性艰巨任务,同时面临制造材料涨价,工业用电紧张等问题,因此,加迫切 需要这种节能省材的焊机。不难预料,它的技术水平以及所需要解决的科学问题,自然也成为人们 关注的焦点。在此将针对这些问题进行探讨。我国逆变式焊机技术的发展现状趋势.1逆变式焊机 技术已经出现全面推广的势根据86～92厂家的不完全统计,我国逆变式焊生产情况,如表1所 示。由表1可见,我国逆变式焊机技术的推广,连续年以43%～45%的速度增长,已经出现了 全面推广态势。2000年国家已经把IGBT逆变式焊机列入国高科技产品目录。同年在天津召 开的全面推广变式焊机技术大会上,电力、造船行业的代表发表明:通过大量调研和使用,我国的 逆变式焊机仅可靠性已解决,而且性能上也满足火电、造船等程的结构焊接要求,并郑重推荐广州 同诚、北京时等公司的产品。国产逆变式焊机完全可以取代美林肯、米勒等名牌产品。这次学术交 流会的召开,以说,标志着我国逆变式焊接技术开始进入全面广的阶段。表1中的数据表明逆变式 焊机占各类机总数的7%～9%。.2逆变式焊机的生产能力较强,技术水平高从2003年9月 在武汉召开的第十七届中国焊产量/台占焊机总量的比例/%与上年比较/%①②③①②③①②③ 445620661239957.96.86.845.543.016.0表12000～2 002年我国逆变式焊机生产与发展情况统计表注:①为2000年的86个厂家;②为2001 年的92个厂家;③为2002年的91个厂家。全国焊接学术交流会接博览会和11月在上海召 开的北京—埃森展览会的展品统计分析,可看到逆变式焊接技术的发展水平。现归纳如下。1.2 .1大功率逆变技术增大至1000A级输出有几家公司分别展出了1000A,1250A和1 500A级的IGBT逆变式弧焊机,三相输入,100%负载持续率,主要用于单丝和双丝埋弧 焊。这些大功率弧焊逆变式电源主要技术参数如表2所示。这些大功率逆变器每1A输出约需0. 1kg的制造材料(即0.1kg/A)。其中序号1～3为硬开关型逆变器,其效率大于等于8 0%,而序号4～5为软开关型逆变器,其效率较高,达到92%,这表明,从节能和电磁兼容的 角度来分析,软开关型弧焊逆变器更有利于在大功率焊接技术中使用,并更能体现逆变技术高效节 能的突出特点和水平。此外,大功率逆变技术还可体现在630A级的手工弧焊、电弧气刨以及2 50A级的空气等离子切割等的应用上。1.2.2逆变式CO2焊机技术的推广打开了新局面逆 变式CO2/MAG/MIG直流、脉冲、交流方波焊接设备,通过增大功率(最大630A)、 波形控制、一元化调节、专家系统、引弧收弧控制等技术的引入,使工作可靠性、焊接性能、效率 有了较大幅度的提高,减少了飞溅,改善了焊缝成形。逆变式焊机正以30%～50%的增长速度 发展,完全可以满足高档焊接结构的需要,且能够取代进口高性能焊接设备。逆变式气保焊机,特 别是应用前景较广的CO2焊机的技术推广,有一段时间停滞不前,主要是因为动态特性不理想, 飞溅偏大,成形不好,可靠性和焊接工艺性赶不上国外名牌晶闸管式的CO2焊机,近年来这种情 况已有所改观,例如:我校以自主技术入股,并在广州同诚公司生产的逆变式NB系列CO2/M AG焊机已成功地取代国外名牌,批量进入了全国最大的80万吨乙烯安装工程、以及集装箱、汽 车、造船等大型生产企业,为逆变式CO2焊接技术的推广应用打开了新局面。1.2.3逆变式 高速焊及数字化精密控制技术表21000～1500A级逆变式弧焊电源主要参数注:①硬开关 、双特性、故障报警、电弧推力、热起弧、防粘、炭素纤维下向焊;②软开关、双特性、埋弧焊; ③软开关、双特性、双丝埋弧焊。序号1型号额定输入功率W/kJ电流调节范围I/A空载电压 U/V效率η/%质量m/kg特点用途ZX7-10005550～1000≥80≥85①2 ZX7-11258268～1250≥80≥853ZX7-150011075～1500≥ 8087132148≥854MZ-10005260～10009295—5MZ-1250 6660～125092100—②③奥地利、德国、法国等国家已有小批量逆变式双丝、三丝高 速焊装备进入市场。国内逆变式双丝自动焊装备(双丝同一导电嘴)技术的开发已得初步成功,开 始进入市场。逆变式双丝MIG脉冲焊装备(双丝双导电嘴共熔池)开始进入实质性研发阶段,并 有阶段性成果。以DSP为典型代表的数字化控制技术已有论文报道,少数厂家已有展出,并开始 进入市场。这标志着我国逆变式高性能焊机技术逐步与国际先进水平接轨,且将批量进入市场。1 .2.4逆变式焊机进一步瘦身据厂家介绍,通过提高频率和利用先进的功率开关器件,使逆变器 的重量和制造材料进一步减少,甚至实现0.02kg/A超轻量,即额定焊接电流315A,只 有7kg,所用的制造材料重量仅有传统焊机的4%～5%。这种轻量化的新产品主要技术参数如 表3所示。1.2.5减少电磁干扰通过采用无源功率因数校正,电磁兼容、软开关等技术,使功 率因数提高到0.92～0.95,软开关逆变式电源额定焊接电流达到1250A,已开始进入 产业化阶段。1.33C认证,获得合法进入市场的资质3C认证是我国强制性产品认证、净化市 场、确保人生安全和保障消费者利益的一项重大举措,也是企业获得市场准入证的有效途径。据统 计,至去年底已经通过3C认证的焊机企业已有200多家。其中8家生产逆变式焊机厂家所提供 3C认证的有50个品种规格,最大输出电流为630A的手工焊电源,其余逆变式焊机都在50 0A以下,有代表性的品种和容量为。a.手工弧焊机:ZX7-315、400、500、63 0;b.CO2/MAG/MIG焊机:NB-400、500;c.直流脉冲氩弧焊机:WSM -315、500;d.交直流TIG焊机:WSE-200、315、500;e.多功能焊机 :ZD7-400、500;f.(MOSFET逆变式)直流TIG焊机:WSM-130、1 60、200。2进一步发展逆变式焊机需解决的科学问题表3轻量化型逆变式焊机(电源)技术 参数注:①数控、TIG、手工焊、脉冲焊;②单相、三相用电、手工焊、氩弧焊、气刨。序号1 型号额定输入功率W/kJ电流调节范围I/A空载电压U/V效率η/%质量m/kg特点用途 ID-2000TP8.75～200—67①8②负载持续率/%202ZX7-315128 ～31590≥86760论文精萃逆变式焊机具有独特的优点,在国内外已普遍得到公认,且正 在全面推广应用。国内有些技术力量雄厚、研发基础好、生产经验丰富的单位和企业、已较好地解 决了逆变式焊机的设计、制造工艺以及产品可靠性、安全性等问题。然而,在进入全面推广应用中 ,还有不少研发单位和企业尚未很好地把握产品的可靠性、稳定性和质量。再之,即使已把握了产 品质量可靠性和稳定性的研发单位和企业,随着输出功率的增大、对焊接性能要求的提高以及优化 性能价格比等需求,也需利用新的功率器件和数字化技术,进一步提高产品性能,使产品不断升级 ,充分发挥逆变式焊机的优越性,如此等等,都给逆变式焊机技术的进一步发展,提出了有待深层 次探讨和解决的科学问题,主要问题综合分析如下。2.1电力电子器件与磁性器件性能研究与优 化匹配逆变技术是通过选用合适的电力电子器件与磁性材料构成的部件(中频变压器、电感器等) ,组合成的逆变主电路拓扑,并采用适当的控制方法来完成换能过程的一系列技术。电力电子器件 和磁性器件是构成逆变主电路的最基本、最重要的两大要素。它们直接影响逆变式焊机核心技术的 可靠性、安全性、效率、性能和成本。而且随着科学技术和制造技术的发展,这两大器件的品种不 断增加,性能指标不断提高。因此,不仅要对现有产品的性能进行深入研究,而且要对新产品的性 能指标进行了解,实现最佳的选用和优化匹配,提高产品的性能价格比。目前,电力电子器件朝着 耐高压、大容量、集成化、数控化(含智控)、高频化和多功能方向发展。人们可以用开关速度、 耐压程度以及功率容量、驱动的难易程度等指标来衡量电力电子器件的性能。此外,在设计与生产 大功率焊机过程中,较大的难题之一就是要解决磁性材料性能与尺寸,它满足不了功率开关器件容 量的要求,不得不采用多个逆变器并联工作,以增大功率输出。这就增加了制造成本和焊机重量。 2.2功率换能机理、主电路结构和PWM优化控制问题随着输出焊接功率的增大,精密、高效、 高速焊等新工艺的出现,以及电力电子、磁性器件的更新与发展,逆变主电路(逆变器)对这些新 的变化适应性如何?它不仅对焊机的可靠性、安全性有直接影响,而且也将影响它的使用性能和成 本。因而,必须对功率换能机理、影响因素、主电路结构形式及其PWM控制技术进一步开展研究 ,同时还要对相关的技术,如“散热与温升”“转换频率与效率、结构与尺寸”“功率器2004 年《电焊机》杂志增刊件品种、容量与安全性”等的互相关系进行探讨。PWM控制是能量、输出电流波形转换,以及实现稳定输出功率的又一关键性技术。对它的工作原理进行深入研究,可更有效地解决在输入电压、内部参数、外接负载等变化的情况下,如何借助控制电路,对被控制信号与基础信号的差值进行闭环控制,调节主电路开关器件的导通脉宽,从而获得逆变器的稳定输出,同
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