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弧焊电源的发展趋向
作者:刘世蛟 王晓燕  范…    文章来源:本站原创    点击数:5199    更新时间:2006-8-18

 

弧焊电源的发展趋向

 

刘世蛟 王晓燕  范国栋

 

1  概述

随着我国的基础工业不断地发展,焊接技术在各行各业中得到广泛地运用,工业发达国家的钢产量有50%左右是以焊接结构形式应用于生产,人们认识到利用先进的弧焊接技术,不但可以保证产品的焊接质量,同时也使得企业的制造成本大幅度下降,缩短产品的生产周期。智能化弧焊电源成为行业发展的趋势。

2  弧焊电源的由来及发展趋向

2.1 弧焊电源的由来及发展趋向

焊接电源的制造已有一百多年的发展历史,18世纪初发现了电弧,但当时工业水平较低,还不能为电弧提供足够的电能,因此利用电弧进行焊接还只是个理想。

随着电力工业的发展,电能不仅可大量供应,而且成本较低,使弧焊电源有了较大的发展,20世纪20年代,就有了构造简单、成本低廉的交流焊变压器,到了20世纪30年代,工业生产进一步发展,车辆、船舶、桥梁行业的发展对焊接技术质量有了更高要求,为了适应焊接生产量的迅速增加,从40年代初开始,首先研究成功了埋弧自动焊,随着航空、原子能等技术的发展,要求焊接高强度钢和铝、钛及其合金等新型材料,出现了氩弧焊,50年代又推出了CO2焊、等离子弧焊,到了60年代之后,大容量硅整流元件,大功率晶体管(GTR)、场效应管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等元器件相继出现,集成电路技术和控制技术的发展,为电子焊接电源的发展提供了更广阔的空间,其中最引人注目的是逆变焊接电源。

2.2 逆变焊接电源是一种最有发展前途的普及型弧焊电源

逆变电源被称为“明天的电源”,其在焊接设备中的应用为焊接设备的发展带来了革命性的变化。首先,逆变式焊接电源与工频电源比节能20%~30%,效率可达80%~90%;其次,逆变式焊接电源体积小、重量轻、整机重量仅为传统工频整流焊接电源的1/5~1/10,减少材料消耗80%~90%,特别是逆变式焊接电源有着动态反应速度快的优势,其动态反应速度比传统工频整流焊接电源提高了23个数量级,有利于实现焊接过程的自动化和智能控制。这些都预示着逆变式焊接电源有着广泛的应用前景和市场潜力。前日本松下公司,大阪变压器公司的电弧焊机中,逆变焊机都超过了50%,美国的主要焊机生产厂家的逆变焊接机已经超过了30%。其它工业发达国家逆变式焊接电源的发展 速度也是很快的。

 

工作原理如图所示:单相或三相50HZ交流网络电压先经输入整流器整流和滤波,再通过大功率开关电子元件(晶闸管,晶体或场效应管)的交替开关作用,变成几百赫兹到几十千赫兹的中频电压,后经中频变压器降至适合于焊接的几十伏电压。若再次用输出整流器整流并经电抗器滤波,则可将中频交流变为直流输出。

简而言之,其变流顺序是:

工频交流→直流→中频交流→降压→交流或直流

由此可见在弧焊逆变器中可采用如下两种体制:

1ACDCAC

2ACDCACDC

逆变焊接电源体积小、重量轻、节能省材,而且控制性能好,动态响应快,易于实现焊接过程的实时控制,在性能上具有很大的潜在优势。从长远看,逆变焊接电源是焊接电源的发展方向,国外逆变焊机的发展也充分说明这一点。目前在工业发达国家,手工电弧焊、TIG焊、MIG/MAG焊已经广泛采用逆变电源。世界上几家主要焊机制造商都已完成了逆变焊机产品系列化,并以此作为技术水平的标志之一:

我国逆变焊机的研究开发起步于20世纪70年代末期,于20世纪80年代开始发展。1982年,成都电焊机研究所开始了对晶闸管逆变式弧焊整流器的研究,于1983年研制出我国第一台商品化的ZX7250逆变式弧焊电源,并通过了该项目的部级鉴定。随后,清华大学、哈尔滨工业大学、华南理工大学和时代公司等单位相继推出了采用各种开关元件的逆变式焊机。现在,我国逆变焊机电源已形成四代产品;第一代是以可控硅SCR为主功率器件的逆变器;第二代是晶体管逆变器;第三代是场效应管逆变器;第四代是IGBT逆变器,其逆变频率高、饱和压降低、功耗小、效率高、无噪声,与前三代逆变器相比,优势更明显。

目前我厂使用的大批ZX7——400SZX7——500S型逆变式弧焊机是94年购入的:是成都电焊机研究所的第二代产品。采用当时最新的快速可控硅(FSCR)和快速整流管等大功率开关器件,用大规模集成电路控制的PFM线路构成先进的变频系统,它以小巧的中频变压器取代了传统焊机笨重工频变压器,从而使该机具有效率高、空载损耗小、输出电流稳定、节能、节材、高稳定、高可靠、快速的特点。该系列焊机具有优良的外特性,焊缝成型美观,并具有电网电压波动自动补偿功能,由于弧焊逆变器在音频范围内采用“ACDCACDC”体制,其噪音比其它弧焊电源低,但其噪音仍对人体有一定危害,且电器元件成本较高,费用高昂。

2.3 逆变焊接电源的未来

近几年来,电路分析和设计的方法由于采用计算机仿真技术而得到飞速发展。对于大功率的弧焊逆变电源来说,其工作环境和负载情况都非常恶劣,而采用的功率器件却很昂贵,所以在焊接逆变电源的设计中用计算机仿真技术就更具有优越性。从现有文献可以看出,弧焊逆变器中仿真技术应用得比较成熟。华中理工大学最早从事这方面研究,其承担的国家自然科学基金项目“弧焊逆变电源结构、参数的计算机仿真与辅助设计”就是仿真技术在焊接设备中应用的一个典型例子,它借助功能强大的计算机通过全面、系统、深入的定性和定量分析,描述并研究新一代弧焊逆变器各部分及核心部件的工作过程和动态响应,发展逆变理论,解决国产弧焊逆变器的质量和可靠性问题,进而实现弧焊逆变器的计算机辅助优化设计,提高了我国机电产品设计的科学化和自动化水平。

3  结束语

计算机仿真技术在焊接电源领域属于新事物,其进一步发展尚需要时间。由于焊接电源本身的特殊性,它本身是一个强电与弱电相结合的系统,电与磁的相互作用非常复杂,且不易理解。元器件模型的精度更是至关重要,其它如驱动电路,保护电路部分也不容忽视。如何解决它是未来相当长一段时间的研究方向。我们期待着我国焊接设备技术早日达到世界先进水平。

                                                                     

参考文献:

1、《弧焊电源》机械工业出版社19808月第一版;

2、李建国、敦晓敏、刘  竹。我国逆变焊机发展浅析、电焊机19981);

3、彭伟民、王小兰。IGBT逆变焊机,新技术新工艺,19965

4、胡庆彬。弧焊逆变器控制,仿真与辅助设计的研究[C],华南理工大学博士论文。

5、任平平、王  清、吴  林。计算机仿真技术在逆变焊接电源中的应用。哈尔滨工业大学。

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